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論文

Soft error rate analysis based on multiple sensitive volume model using PHITS

安部 晋一郎; 佐藤 達彦

Journal of Nuclear Science and Technology, 53(3), p.451 - 458, 2016/03

 被引用回数:3 パーセンタイル:42.29(Nuclear Science & Technology)

地上における電子機器の信頼性を脅かす問題として、二次宇宙線中性子によるソフトエラーが知られている。既に開発済のマルチスケールモンテカルロシミュレーション手法PHYSERDは信頼性の高いソフトエラー解析コードで電荷収集過程を詳細に解析できるが、テクノロジーCAD(TCAD)シミュレーションに長時間を要する。そこで本研究では、収集電荷量の概算に多重有感領域(MSV: Multiple Sensitive Volume)モデルを採用し、PHITSとMVSモデルを用いた二次宇宙線中性子起因ソフトエラー発生率(SER: Soft Error Rate)計算を行った。この計算結果をPHYSERDおよび単純有感領域(SSV: Single Sensitive Volume)モデルによる結果と比較した。その結果、PHITSとMSVモデルを用いることで、PHYSERDによるSER計算値と同等の値を短時間で算出できることがわかった。また、PHITSとMSVモデルを用いて電荷収集効率の位置依存性を考慮することで、PHITSとSSVモデルよりもSERや電荷収集をより正確に再現できることを定量的に明らかにした。

論文

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

安部 晋一郎; 佐藤 達彦

Proceedings of Radiation Effects on Components and Systems Conference 2016 (RADECS 2016) (Internet), 5 Pages, 2016/00

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。

論文

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

安部 晋一郎; 佐藤 達彦; 松葉 大空*; 渡辺 幸信*

Proceedings of 11th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-11) (Internet), p.45 - 48, 2015/11

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。

論文

Comprehensive study on layout dependence of soft errors in CMOS latch circuits and its scaling trend for 65 nm technology node and beyond

福井 大伸*; 濱口 雅史*; 吉村 尚夫*; 親松 尚人*; 松岡 史倫*; 野口 達夫*; 平尾 敏雄; 阿部 浩之; 小野田 忍; 山川 猛; et al.

Proceedings of 2005 Symposia on VLSI Technology and Circuits, p.222 - 223, 2005/00

65nmノードのCMOSラッチ回路に対しプロトンビームによるソフトエラー加速試験を初めて行い、ソフトエラーレート(SER)のレイアウト依存性を明らかにした。臨界電荷量と電荷収集過程は拡散層サイズに強く依存するため、SERもそれらに対し依存する。拡散層サイズの最適化によりSERを70パーセント減少できることを見いだした。スケーリングの変化とSER劣化との関係において、電源電圧を高くすることでSERの増加を緩和し、劣化を抑制できることがわかった。

論文

宇宙線によるシリコンデバイスの劣化

梨山 勇

マテリアルライフ, 9(2), p.69 - 72, 1997/04

宇宙環境下で広く用いられているシリコンデバイスのうち、太陽電池とLSIについて宇宙放射線の影響を解説する。人工衛星の太陽電池は宇宙放射線を受け易く、照射損傷に起因する出力劣化は人工衛星の寿命を決める要因となっている。最近、陽子線や電子線の照射によりシリコン太陽電池の出力が初期値の30~40%に達すると、突然ゼロになる現象を見出した。この現象を解析した結果、出力の急落は少数キャリアのドリフト長の低下に起因することが分かった。LSIに関しては、銀河宇宙線に含まれる超高エネルギーの重イオンがLSIに入射して発生するシングルイベント効果のメカニズムを説明し、実際の宇宙環境で使用されているメモリー素子のシングルイベント・ソフトエラーについての実験結果を紹介する。

論文

Effects of micro-beam induced damage on single-event current measurements

平尾 敏雄; 梨山 勇; 神谷 富裕; 西島 俊二*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 104, p.508 - 514, 1995/00

 被引用回数:28 パーセンタイル:7.59

人工衛星搭載電子デバイス等宇宙環境で使用される半導体素子には、銀河宇宙線等の高エネルギー重イオンの入射により「ソフトエラー」や「ハードエラー」などのシングルイベント現象が引き起こされる。シングルイベント現象の機構を解明するために、重イオンマイクロビームを利用し、入射時に発生する過渡電流波形から収集電荷量を求めている。本報告では、重イオンマイクロビームを入射した時の放射線損傷について、実験値とキンチンピースモデル及びトリム計算から比較検討した結果、理論的に損傷を説明できる方法が得られたので、それについて述べることとした。

論文

宇宙用半導体素子のシングルイベント

梨山 勇; 平尾 敏雄

放射線と産業, 0(61), p.37 - 41, 1994/00

高崎研究所のイオン照射研究(TIARA)で行っている宇宙用半導体のシングルイベント効果に関する研究のうち、宇宙ステーションに使う256キロビットメモリー集積回路のソフトエラー耐性の評価、並びに、最近著しい技術進歩が見られる集束型高エネルギー重イオンマイクロビームを利用したシングルイベント基礎過程の研究を紹介する。先ず、集積回路に関しては、サイクロトロンで得られる5種類のイオンビームを使って、その臨界LETが2.8MeVcm$$^{2}$$/mgであり、飽和反転断面積が3.0$$times$$10$$^{-8}$$cm$$^{2}$$/ビットであることを明らかにした。次に、重イオンマイクロビームとシリコンダイオードを用いて、シングルイベント現象の基礎過程である電荷集積の過渡応答を調べ、この現象は数百ピコ秒でありLETの大きなイオンほど大量の電荷が収集されることが判明した。これに加え、全収集電荷量と理論モデルの結果との比較を行った。

口頭

PHITSと多重有感領域モデルを用いたソフトエラー発生率解析

安部 晋一郎; 佐藤 達彦

no journal, , 

放射線により半導体デバイスに付与された電荷がある閾値以上で記憶ノードに収集された場合、機器に誤動作が生じる。この現象はソフトエラーと呼ばれ、地上では二次宇宙線中性子が主因の一つとなっている。機器の誤動作は人的・経済的被害に繋がる恐れがあるため、半導体デバイスの設計段階でソフトエラー発生率(SER: Soft Error Rate)を評価することが重要となる。過去に構築したマルチスケールモンテカルロシミュレーション手法PHYSERDは、電荷収集過程を詳細に解析できるが長時間の計算を要する。一方、半導体デバイス内に定義した有感領域(SV: Sensitive Volume)への付与電荷量から収集電荷量を算出するSVモデル等を用いた場合、計算時間を短縮できる。本研究では、PHITSと多重SVモデルを用いた二次宇宙線中性子起因SER計算を実施し、PHYSERDおよび単純SVモデルによる結果と比較検証した。その結果、多重SVモデルによるSER概算値はPHYSERDの結果とよい一致を示した。また中性子入射イベント毎の収集電荷量を比較し、多重SVモデルを用いて電荷収集効率の位置依存性を考慮することがSER概算精度の向上に繋がることを実証した。

口頭

PHITSイベントジェネレータ改良による半導体SEU解析への影響

安部 晋一郎; 佐藤 達彦; 小川 達彦

no journal, , 

本研究では、PHITSに搭載されたイベントジェネレータモードの改良が、中性子による半導体SEU評価に及ぼす影響を解析した。半導体デバイスに対する放射線影響の1つとして、1つの粒子によって生じるシングルイベント効果がある。デバイスに入射した放射線がノイズ電荷を誘起し、これにより保持データが反転(シングルイベントアップセット, SEU)し、電子機器に一時的な不具合(ソフトエラー)が発生する。地上におけるSEUの主因となる中性子は、核反応を介してデバイスに電荷を付与するため、中性子によるSEUの発生率をシミュレーションで評価する際には核反応モデルの精度が重要となる。核反応モデルの精度検証の結果、イベントジェネレータモードの改良版となるe-mode ver. 2では二次イオンの生成断面積がJENDL-4.0と一致しており、従来版のe-mode ver. 1からの改善が確認された。続いてe-mode ver. 1とver. 2を用いて算出したSEU断面積を比較した結果、両者に有意な差が生じることが判明した。この結果より、e-modeの改良がSEU解析へ及ぼす影響を定量的に明らかにした。

口頭

FinFETデバイスにおける放射線誘起電荷の収集過程解析

安部 晋一郎; 佐藤 達彦; 加藤 貴志*; 松山 英也*

no journal, , 

放射線により半導体デバイス内に誘起された電荷が、電子機器の一時的な誤動作(ソフトエラー)を引き起こす。PHITSでソフトエラーの発生率を評価する際、メモリの記憶ノードに収集される電荷量を迅速かつ精度よく計算するモデルが必要となる。近年その使用が広がっているFinFETは、従来主流であったPlanar型素子と構造が異なるため、電荷収集の物理過程も従来とは異なることが予想される。そこで本研究では、FinFETに関する収集電荷量概算モデルの構築を目的とし、三次元TCADシミュレータHyENEXSSを用いて、放射線誘起電荷の収集過程の系統的調査を実施した。解析の結果、数psecの時刻にソース-ドレイン間の一時的な導通が生じることが判明した。また、fin部にのみ電荷が誘起された場合にはこの成分が電荷収集の主因となる一方で、基板にまで電荷が誘起された場合には100psec以降の拡散による電荷収集が主因となることを明らかにした。

口頭

PHITSと多重有感領域を用いたFinFETデバイスのソフトエラー解析

安部 晋一郎; 佐藤 達彦; 加藤 貴志*; 松山 英也*

no journal, , 

放射線が半導体デバイス内に誘起した電荷が一定量以上記憶ノードに収集されたとき、電子機器は一時的な誤動作(ソフトエラー)を起こす。ソフトエラーの発生率をシミュレーションで評価する際、収集電荷量を迅速かつ精度よく計算するモデルが必要となる。これまでの研究で、三次元構造を有するFinFETの電荷収集効率(付与電荷量に対する収集電荷量の比)は、電荷付与位置およびfin部に付与される電荷量に依存することが判明した。そこで本研究では、三次元デバイスシミュレータHyENEXSSを用いて電荷収集効率の電荷付与位置および付与電荷量依存性をより詳細に調査し、その結果に基づいてFinFETに対する多重有感領域モデルを新たに構築した。多重有感領域モデルの精度検証として、PHITSで得られた任意の電荷付与イベントについて、HyENEXSSおよび単一有感領域モデルによる計算結果との比較を行った。その結果、多重有感領域モデルを用いて電荷収集効率の位置依存性および付与電荷量依存性を考慮することが、収集電荷量の概算精度向上に繋がることを実証した。

口頭

中性子およびミュオン誘起ソフトエラーのシミュレーション

安部 晋一郎

no journal, , 

二次宇宙線によって生じる電子機器の一時的な誤動作(ソフトエラー)は、深刻な信頼性問題として知られている。近年、二次宇宙線ミュオンの影響が注目されており、J-PARCのミュオン実験装置MUSEにてミュオン誘起ソフトエラー測定が実施されている。本研究では、二次宇宙線中性子およびミュオン誘起ソフトエラー率(SER: Soft Error Rate)に対し、建屋およびサーバー筐体による遮蔽効果が与える影響を調査した。ここでは、放射線輸送計算コードPHITSと大気圏内宇宙線スペクトル計算モデルPARMA4.0を用いて、建屋への二次宇宙線照射計算を行った。その結果、建屋内での中性子フラックスの測定値を非常に良く再現した。続いて、PHITSと多重有感領域(MSV: Multiple Sensitive Volume)モデルを用いて、ソフトエラーシミュレーションを行った。その結果、建屋およびサーバー筐体による遮蔽効果は中性子誘起SERを大きく減少させる一方、ミュオン誘起SERにはほぼ影響しないことを明らかにした。これにより、遮蔽効果まで考慮した場合、ミュオン誘起ソフトエラーの影響は無視できないことが判明した。

口頭

建屋内における二次宇宙線中性子起因ソフトエラー発生率の解析

安部 晋一郎

no journal, , 

社会インフラを支える電子機器は年々増加している一方、二次宇宙線によって生じる電子機器の一時的な誤動作(ソフトエラー)は致命的な障害へと繋がる恐れがある。一般的に電子機器は屋内に設置されるため、ソフトエラー評価の際には壁や天井などによる二次宇宙線の遮蔽効果を考慮しなければならない。本研究では、中性子起因ソフトエラー発生率(SER: Soft Error Rate)の建屋内位置による依存性を明らかにするため、PHITSを活用した計算シミュレーションを行った。その結果、中性子フラックスは2階で最小値となる一方でSERは1階で最小値となることを明らかにし、高い信頼性が要求される機器は可能な限り低階層に設置すべきということを定量的に明らかにした。

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