Measurement and mechanism investigation of negative and positive muon-induced upsets in 65-nm Bulk SRAMs

65nm Bulk SRAMにおける正ミューオンおよび負ミューオン起因シングルイベントアップセットの測定およびメカニズムの研究

Liao, W.*; 橋本 昌宜*; 真鍋 征也*; 渡辺 幸信*; 安部 晋一郎   ; 中野 敬太*; 佐藤 光流*; 金 政浩*; 濱田 幸司*; 反保 元伸*; 三宅 康博*

Liao, W.*; Hashimoto, Masanori*; Manabe, Seiya*; Watanabe, Yukinobu*; Abe, Shinichiro; Nakano, Keita*; Sato, Hikaru*; Kin, Tadahiro*; Hamada, Koji*; Tampo, Motonobu*; Miyake, Yasuhiro*

設計ルールの微細化に伴い半導体デバイスのソフトエラーへの感受性が高まっており、二次宇宙線ミューオンに起因するソフトエラーが懸念されている。本研究では、ミューオン起因ソフトエラーの発生メカニズムの調査を目的とし、J-PARCにて半導体デバイス設計ルール65nmのBulk CMOS SRAMへミューオンを照射し、ソフトエラー発生率(SER: Soft Error Rate)を測定した。その結果、正ミューオンによるSERは供給電圧の低下に伴い増加する一方で、負ミューオンによるSERは0.5V以上の供給電圧において増加した。また、負ミューオンによるSERは正のボディバイアスを印加すると増加した。更に、1.2Vの供給電圧において、負ミューオンは20bitを超える複数セル反転(MCU: Multiple Cell Upset)を引き起こし、MCU率は66%に上った。これらの傾向は、負ミューオンによるSERに対し、寄生バイポーラ効果(PBA: Parasitic Bipolar Action)が寄与している可能性が高いことを示している。続いて、PHITSを用いて実験の解析を行った結果、負ミューオンは正ミューオンと比べて多量の電荷を付与できることがわかった。このような付与電荷量の多いイベントはPBAを引き起こす原因となる。

Soft error induced by secondary cosmic-ray muon is concerned since susceptibility of semiconductor device to soft error increases with the scaling of technology. In this study, we have performed irradiation tests of muons on 65-nm bulk CMOS SRAM in the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) and measured soft error rate (SER) to investigate mechanism of muon-induced soft errors. It was found that SER by negative muon increases above 0.5 V supply voltage, although SER by positive muon increases monotonically as the supply voltage lowers. SER by negative muon also increases with forward body bias. In addition, negative muon causes large multiple cell upset (MCU) of more than 20 bits and the ratio of MCU events to all the events is 66% at 1.2V supply voltage. These tendencies indicate that parasitic bipolar action (PBA) is highly possible to contribute to SER by negative muon. Experimental data are analyzed by PHITS. It was found that negative muon can deposit larger charge than positive muon, and such events that can deposit large charge may trigger PBA.