半導体メモリーに対する宇宙線ミューオン誘起シングルイベントアップセットの発生予測

Prediction of single event upsets on a semiconductor memory induced by cosmic-ray muons

松葉 大空*; 渡辺 幸信*; 安部 晋一郎   

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

放射線が半導体デバイスに入射することで記憶データの反転(シングルイベントアップセット: SEU)が生じ、結果として電子機器に一時的な誤動作(ソフトエラー)が生じる。半導体デバイスは微細化に伴い放射線耐性が低下しており、近年環境ミューオンによる影響が指摘されている。ミューオンは自身による直接電離に加え、負ミューオン捕獲反応による生成二次荷電粒子によってもソフトエラーを引き起こすことが可能である。本研究では粒子輸送計算コードPHITSおよび単一有感領域モデルを用いて、設計ルール(半導体部品の基本的な配線幅)が65, 45, 32および25nmの4世代のNMOSFETにおけるソフトエラー発生率(SER)を評価した。その結果、中性子起因SEUと同様に、設計ルールの微細化に伴う単位bit当たりのSERの減少傾向が得られた。また設計ルール25nmのNMOSFETについて詳細に解析した結果、入射ミューオンによる直接電離と負ミューオン捕獲反応からの生成二次重イオンが主因であることがわかった。

Stored data on semiconductor device is flipped by incident radiation (so-called Single Event Upset, SEU), and temporal malfunction (so-called soft error) is caused on microelectronics. Recently, the effect of terrestrial muons to soft error is suggested because devices become small and sensitive to radiation. Soft errors can be caused not only by muon direct ionization but also by secondary ions generated by negative muon capture reaction. The analysis of soft error rate (SER) in the 65, 45, 32 and 25-nm technology NMOSFET is performed based on the single sensitive volume model using PHITS. It is clarified that the terrestrial muon-induced SER shows a decreasing trend which is similarly to terrestrial neutron-induced SER. From the detailed analysis for 25-nm technology NMOSFET, it is clarified that muon direct ionization and secondary ions generated by negative muon capture affect on soft error.