Effects of muon interactions with matter on terrestrial muon-induced soft errors

環境ミューオン起因のソフトエラーにおけるミューオンと物質との相互作用の影響

安部 晋一郎   ; 佐藤 達彦   ; 松葉 大空*; 渡辺 幸信*

Abe, Shinichiro; Sato, Tatsuhiko; Matsuba, Hirotaka*; Watanabe, Yukinobu*

宇宙から降り注ぐ放射線(一次宇宙線)と大気の相互作用で生じる二次宇宙線は、地上にある電子機器の半導体デバイスの誤作動(ソフトエラー)の原因であることが知られている。次世代型のデバイスは微細化によって放射線耐性が低下しており、近年環境ミューオンの影響が懸念されている。ミューオンは仮想光子を介した反応や負ミューオン捕獲反応により二次荷電粒子を生成する。そこで本研究ではこれらの反応に着目し、環境ミューオン起因のソフトエラー率(SER)への影響を解析した。本研究では、PHITSと多重有感領域(MSV)モデルを用いて、設計ルール(半導体部品中の基本的な配線の太さ)が25nmのNMOSFETに対するSERを解析した。その結果、環境ミューオン起因のSERは環境中性子起因のSERの数%以下となり、その主因は負ミューオン捕獲で、仮想光子を介したミューオン核反応の影響は小さいことを明らかにした。また、環境ミューオンの直接電離による影響は臨界電荷量の非常に低い領域のみに現れることも実証した。

Secondary cosmic-rays have been recognized as a cause of soft errors for microelectronics in terrestrial environment. Recently, the contribution of terrestrial muons to soft errors is concerned for advanced microelectronics because it becomes small and sensitive to radiation. Muons generate energetic secondary through photonuclear interaction and negative muon capture. In the present work, we investigate the effect of these interactions on terrestrial muon-induced soft errors. The analysis of soft error rate (SER) in the 25-nm design rule NMOSFET is performed based on the multiple sensitive volume (MSV) model using PHITS. It is clarified that the terrestrial muon-induced SER is a few or less of neutron-induced SER and it is mainly caused though negative muon capture while the effect of muon photonuclear interaction is small. It is also found that direct ionization only affects soft errors with extremely low critical charge.