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Shielding effect on secondary cosmic-ray neutron- and muon-induced soft errors

二次宇宙線中性子およびミューオン起因ソフトエラーへの遮蔽による影響

安部 晋一郎; 佐藤 達彦

Abe, Shinichiro; Sato, Tatsuhiko

二次宇宙線中性子は、地上における電子機器のソフトエラーの主因として知られている。近年、半導体デバイスの放射線耐性の低下に伴い、二次宇宙線ミューオンの影響が懸念されている。本研究では二次宇宙線中性子およびミューオン起因ソフトエラー発生率(SER: Soft Error Rate)への遮蔽効果による影響を調査した。地球上のほぼ全ての場所、時期における宇宙線フラックスを見積もる解析モデルPARMA 4.0で得られる宇宙線の二重微分フラックスを用いて、PHITSによる建屋への二次宇宙線中性子およびミューオン照射の計算を行った。その結果、建屋内での中性子フラックスの計算値と実験値との非常に良い一致が得られた。野外および建屋1階での二次宇宙線中性子およびミューオン起因のSERは、多重有感領域(MSV: Multiple Sensitive Volume)モデルとPHITSを用いて解析した。その結果、建屋による遮蔽効果は中性子起因SERの減少にのみ寄与することが判明した。建屋1階でのミューオン起因SERは中性子起因SERに対して20%程度であり、屋内で使用する機器の信頼性評価を行う際は二次宇宙線ミューオンの影響を考慮する必要があること明らかにした。

Secondary cosmic-ray neutron have been recognized as a major cause of soft error for microelectronics on ground. Recently, the effect of secondary cosmic-ray muon on soft error is concerned as semiconductor devices become sensitive to radiation. In this study, we investigate the shielding effect on secondary cosmic-ray neutron- and muon-induced SER. Transports of secondary cosmic-ray neutrons and muons in a building are simulated by PHITS with considering distributions of energy and zenith-angle of secondary cosmic-rays by PARMA 4.0 which is the analytical model for estimating cosmic-ray fluxes nearly anytime and anywhere in the world. The calculated neutron fluxes are in surprisingly good agreement with measured data. The soft errors in 25-nm bulk-design NMOSFET caused by neutrons and muons in the open air and on the first floor of the building are analyzed based on the MSV model using PHITS. It is found that the shielding effect of the building only contributes to decrease neutron-induced SER. As a result, muon-induced SER is about 20% of that caused by neutron on the first floor. Therefore it is necessary to consider the secondary cosmic-ray muon-induced SER when reliability of devices used in the building is evaluated.

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