1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2019-24-6-581-588621.38.049.77:001.891.573Элементы интегральной электроникиLocal Heating of Integrated MOSFET Dosimeter for Annealing ChargeЛокальный нагрев интегрального МОП-дозиметра для отжига накопленного зарядаРязанцев Дмитрий ВладимировичРязанцевДмитрий ВладимировичRyazantsevDmitry V.Dmitry V. RyazantsevКузнецов Евгений Васильевич КузнецовЕвгений Васильевич VasilevichKuznetsov EvgeniyKuznetsov Evgeniy VasilevichНПК «Технологический центр», г. Москва, Россия581588http://ivuz-e.ru/issues/6-_2019/lokalnyy_nagrev_integralnogo_mop_dozimetra_dlya_otzhiga_nakoplennogo_zaryada/

The MOS dosimeters are used to keep track of the radiation dose for space, nuclear and medical industries, research laboratories and various applications like portable electronics and etc. MOSFET dosimeters constantly accumulate charge under the ionizing radiation effect, execute direct non-destructive readability of the dose information, have super-small sizes and low power consumption, can operate in a large range of ionizing radiation doses and can be integrated with other sensors and electronics. However, it is impossible to re-use the MOSFET dosimeters for their original purpose. In order to return the threshold voltage to its pre-irradiation value for dosimeter re-use, it is necessary to perform the accumulated charge annealing process. In the work the results of studying the structure of the integral elements, built-in into MOSFET dosimeter for local heating of the gate dielectric for the purpose of annealing the accumulated charge, created under the ionizing radiation, have been shown. The structure of such heating element has been using COMSOL Multiphysics. The heating element is the n -polysilicon gate of the MOSFET, through which electric current is passing. The test structures have been manufactured for 1.2um mixed analog-digital BICMOS technology. The temperature coefficient of resistance for the fabricated samples of the integrated resistors has been measured. It has been determined, that while the electric current passing through the integral element its heating and its resistance change in accordance with temperature coefficient of resistance. A comparison of the simulation results of the temperature dependence on the gate oxide thickness and the current runs through the heating element with the experimentally obtained data has been performed. The proposed method of local heating of the gate dielectric permits to achieve the temperatures of 700 °C order without destructive consequences for the structures and thus, to effectively anneal the accumulated charge in MOSFET dosimeter.

МОП-дозиметры используются для отслеживания дозы облучения в различных приложениях, таких как космическая, ядерная и медицинская промышленность, также применяются в исследовательских лабораториях и портативной электронике. МОП-дозиметры имеют ряд преимуществ: постоянно накапливают заряд под воздействием ионизирующего излучения; выполняют прямое неразрушающее считывание информации о дозе; имеют сверхмалые размеры и маленькую потребляемую мощность; работают в широком диапазоне доз ионизирующего излучения; могут быть интегрированы с другими сенсорами и электроникой. Однако такие дозиметры невозможно повторно использовать из-за насыщения подзатворного диэлектрика накопленным зарядом. Для повторного использования МОП-дозиметров необходимо отжечь накопленный заряд. В работе показаны результаты исследования структуры интегрального элемента, встроенного в МОП-дозиметр, для локального нагрева подзатворного диэлектрика с целью отжига накопленного заряда, созданного под воздействием ионизирующего излучения. Структура такого нагревательного элемента разработана с учетом расчетов в среде численного моделирования COMSOL Multiphysics. Нагревательным элементом и одновременно затвором МОП-транзистора, через который пропускается электрический ток, является n -поликремний. Изготовлены тестовые структуры по 1,2-мкм КМОП аналого-цифровому технологическому маршруту. Измерен коэффициент температурного сопротивления образцов интегральных резисторов. Установлено, что при пропускании электрического тока через интегральный элемент происходят разогрев и изменение его сопротивления в соответствии с температурным коэффициентом сопротивления. По измеренным зависимостям изменения сопротивления вычислена средняя температура интегрального резистора для каждого значения пропускаемого электрического тока. Проведено сравнение результатов моделирования зависимости температуры от толщины подзатворного окисла и пропускаемого через нагревательный элемент тока с экспериментально полученными данными. Предложенный способ локального разогрева подзатворного диэлектрика позволяет достичь температур порядка 700 °С без разрушающих последствий для структур и, таким образом, эффективно отжигать накопленный заряд в МОП-дозиметрах.

дозовые эффектыдатчик радиациидозовый датчикионизирующее излучениеотжиг зарядаматематическое моделирование Gladstone D.J., Chin L.M. Automated data collection and analysis system for MOSFET radiation detec-tors // Medical physics. – 1991. – Vol. 18. – No. 3. – P. 542–548.Pejovic M.M. P-channel MOSFET as a sensor and dosimeter of ionizing radiation // Facta Universitatis, Series: Electronics and Energetics. – 2016. – Vol. 29. – No. 4. – P. 509–541.Pejovic S.M., Pejovic M.M., Stojanov D., Ciraj-Bjelac O. Sensitivity and fading of pMOS dosemeters irradiated with X-ray radiation doses from 1 to 100 cGy // Radiation protection dosimetry.– 2015.– Vol. 168.– No.1.– C. 33–39.Caffrey J.A., Hamby D.M. A review of instruments and methods for dosimetry in space // Advances in Space Research. – 2011. – Vol. 47. – No. 4. – P. 563–574.MOSFET dosimetry mission inside the ISS as part of the Matroshka-R experiment / A. Hallil,M. Brown, Yu. Akatov et al. // Radiation protection dosimetry. – 2009. – Vol.138. – No. 4. – P. 295–309.Pejović M.M., Pejović S.M. VDMOSFET as a prospective dosimeter for radiotherapy // Applied Radia-tion and Isotopes. – 2018. – Vol. 132. – P. 1–5.Experimental evaluation of a MOSFET dosimeter for proton dose measurements / Ryosuke Kohno,Teiji Nishio, Tomoko Miyagishi et al. // Physics in medicine and biology. – 2006. – Vol.51. – No. 23. –P. 6077–6086.Investigation into the re-use of PMOS dosimeters / A. Kelleher, N. McDonnell, B. O'Neill et al. //IEEE transactions on nuclear science. – 1994. – Vol. 41. – No. 3. – P. 445–451.Ristić G.S. Thermal and UV annealing of irradiated pMOS dosimetric transistors // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2009. – Vol. 42. – No. 13. – P. 135101-1–135101-12.Pejović M.M. Processes in radiation sensitive MOSFETs during irradiation and post irradiation anneal-ing responsible for threshold voltage shift // Radiation Physics and Chemistry. – 2017. – Vol. 130. – P. 221–228.Kelleher A., Lane W., Adams L. Investigation of on-chip high temperature annealing of PMOS dosime-ters // Proc. of the Third European Conference on Radiation and its Effects on Components and Systems. IEEE.– 1995. – P. 465–469.Luo G.W., Qi Z.Y., Deng X.W., Rosenfeld A. Investigation of a pulsed current annealing method in re-using MOSFET dosimeters for in vivo IMRT dosimetry // Medical physics. – 2014. – Vol. 41. – No. 5. –P. 051710-1–051710-6.Direct and pulsed current annealing of p-MOSFET based dosimeter: the «MOSkin» / S. Alshaikh,M. Carolan, M. Petasecca et al. // Australasian Physical & Engineering Sciences in Medicine. – 2014. –Vol.37. – No. 2. – P. 311–319.Radiation effects in MOS oxides / J.R. Schwank, M.R. Shaneyfelt, D.M. Fleetwood et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. – 2008. – Vol. 55. – No. 4. – P. 1833–1853.Yamane T., Nagai N., Katayama S.I., Todoki M. Measurement of thermal conductivity of silicon diox-ide thin films using a 3ω method // J. of Appl. Phys. – 2002. – Vol. 91. – No. 12. – P. 9772–9776.