シングルイベン 耐性 及ぼす配線層の影響

文献名 The Effect of Metallization Layers on Single Event Susceptibility

出 典 IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. 52, No. 6, pp.2189-2193, Dec. 2005 著者名 A. S. Kobayashi, D. R. Ball, K. M. Warren, R. A. Reed, N. Haddad, M. H.

Mendenhall, R. D. Schrimpf, and R. A. Weller 対象 バイス 半導体 ッ 回路

実験設備 －

照射線種及び エネルギー区分

重イオン

Ne ion 523MeV 単発現象又

積算線量効果の区分

単発反転現象

実験又 理論の区分 理論

(1) 論文概要

多層配線構 造 、集積回 路の主た 構成要素 あ 、直 の素 子のシングル イベン 耐性 与え 影響 い 、今ま 、見過 さ た 近年、集積回路 おい 、多層配線の配線層 数 10層 達す 共 、コンタ プ グや シベーション膜 多層配線の構成要素 っ い 配線材料 し 、アルミニウム、銅、チタン、タングス ン 使わ い 本研究 、多層 配線 直 の バイスのシングルイベン 特性 与え 影響を解析す 目的 、 タル配線材料 入 射 重 イ オ ン の 核 反 応 を 考 慮 し た 、Monte Calro Radiative Deposition (MRED)法 2D Device Simulation[2]を用いた MRED法 、Geant4 イ ー[1] 基 、Vanderbilt大学

開発さ た放射線入射効果を解析 ール あ 今回、 々 、多層配線層の存在 、通

常の解析 Upset 生 い 誤っ 判断す よう 低LET粒子 入射した場合 、放射線耐性

を強化さ た バイスのSEU 影響を与えう こ を示した 特 、回路の感応領域 タングス ン プ グ 近接し存在す 、SEU 引 起こさ レベルま 電荷生成量 増大す こ を示した

本研究 、文献[3] Weller その有用性を示したGeant4 基 作 た物理的 ア ス

ッ 電荷生成反応モ ル バイスシミュレーションを組 合わせ 手法 基 い い この 手法の妥当性 、文献[4] おい 従来のLETベースの解析 、単位長当た 発生す エネルギ ー ンスフ ーや角度依存性 一致す こ 検証さ い 相対的 非常 少 い頻度 あっ 、非常 大 い電荷発生 平均量 影響を与え い し し 、この稀 特異 事 象 、衛星軌 上 のエ ー率を支配す 懸念 あ [6]

(2) 試験構造 Simulationのセッ アップ

本研究の解析対象 、放射線耐性を強化した モ あ この モ 構造 、チタン 上部を 覆わ たアルミニウム配線 よ 層配線 よ 信号線 電源線を構成し、タングス ンのコンタ プ グ 各配線間を結線し い 図5.2.13-1 、 方向 見た モ 構造 、その詳細 配線構 造を示す 0.47um厚のAl配線 Gray , 0.6um厚のWプ グ light gray 、ポ Siゲー 、シ コン 基 板 図 中 そ 示 さ い こ こ 示 す モ 構 造 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 上 Synopsysの

TCAD ール あ DEVISEを使っ 記述さ い

シミュレーションを使った解析手法の確た ッ 、変数を容易 変更 点 あ 本研究

、この特徴を使っ 、いく の異 多層配線構造を作 、 層 存在す モ 構造への影 響を調査した また、Reference構造 し 、配線層の影響を完全 除去す ため 、配線部をSiO2

置 換え、全体 SiO2 Si 構造を用いた このよう し 、二 の対極的 構造 対す 検 討 可 能 っ た 即 ち 、 一 方 、SiO2 Siの 構 造 、 他 方 、 図5.2.13-1 示 す

Realistic 複雑 構造 あ 々 、また、素子内の様々 位置 存在す タングス ンプ グ

の影響 い 解析を加えた

文献[7] おい 、Warren 本研究 同一の モ バイス構造 対し 、523MeVのネオンビ

ームを用いた重イオン照射の実験 Simulationを行い、感応領域の大 さやその位置を決定した

結果 い 報告し い サスA&M大学のサイ ン施設 の実験 、523MeVのネオ

ン ビ ー ム 使 わ た 理 由 、 放 射 線 耐 性 を 強 化 し い 場 合 、 ア ッ プ セ ッ 起 最 低 のLET 1.8MeV/mg/cm² のイオンビーム った あ 感応領域 2.5×2.25×2umの直方体 、 モ セルの中心近傍 位置す こ わ った

図5.2.13-2 示す、Warren 得たこの感応領域の大 さ 位置の結果を本研究 の多層配線

層 素子 与え 影響の解析の際 用いた また、図5.2.13-2 、本研究の主検討 あ タン グス ンプ グの位置依存性の検討の際 、解析対象 したタングス ンプ グのそ の位置 をp1 p7の ベルを付け図示し い

Geant4の使用version 4.7.0-p01 あ 、核反応のモ ル化 、低エネルギーの電磁界効果 、 核 内 のbinary ス ー モ ル よ ン ン 関 す 相 互 作 用 を 考 慮 し い

523MeVのネオンビーム 常 、垂直入射させた こ 、文献[7]の結果 、対応を見 ため あ

図5.2.13-1 シミュレーション検討 用い たSRAM モ の3次元 構造 Al配線、ポ シ コン、タングス ンプ グ、シ コン基板

(3) 結果 議論

(a) 配線シス ム

集積回路の多層配線 使わ 配線層 、その 部 位置す バイスの放射線環境を大 く 変え 可能性 あ 図 5.2.13-3 10¹⁰ 個のイオン 入射した場合の実配線構造 、SiO2の

バイス上部 存在す 場合の、電荷生成量分布を示す 今回の計算 523MeV のネオン ビームを素子上 くま く ン ム 平均的 入射させ い 実配線構造の場合、発生電荷量の 裾 1pC近傍 ま 分布し お 、Reference したSiO2/Si構造 比 2倍の電荷量 達し い

図5.2.13-2 図5.2.13-1 示さ た バイス構造の断面図 P5の 位置す 灰色

のボッ ス構造 文献[7] Warren 見出した感応領域 あ P1-P7 示す白

い四角 、タングス ンプ グを示す

図5.2.13-3 多層配線構造を考慮した場合 、考慮せ 配線層をSiO2 置 換えた

場合 の電荷発生量の比較結果 高電荷量側の裾 1.0pC 約2倍 ま 増加す

523MeVのイオンビーム 垂直入射し、セル内 ン ム 照射した条件 計算した

Reference構造 実構造の差異 、配線構造の有無 の 、電荷発生の増大 ,多層配線構造 の存在 起因す こ わ っ 高いエネルギーを発生す 事象 タングス ンプ グ内 発生した非弾性の核反応 起因す このよう エネルギー 増大す 理由 、類似の核反応 生 、タングス ン内部 、質量数の低いSiO2 比 、質量数の大 い、反跳イオン 発生 さ ため あ

大 い質量数を持 破 粒子 高い LET を有し、感応領域中 よ 高いエネルギーを発生さ せ 感応領域内 た さ エネルギー よ

Shockley[8] よ (1)式 表さ 電荷量を発生す

　　 １ 　 MevpC

electronspC pair

h

Meve 22.5

10 1.6 10 1

6 .

3 ⁶ _-7 =

× ×

× ⁻ ₋

図5.2.13-4 図5.2.13-2のP5 位置す タングス ンプ グ 、10¹⁰個の523MeVのNeイ オン 入射した場合の、感応領域内部の発生電荷量分布の ス グ ムを示す また、P5 のタング ス ンプ グを SiO2 置 換えた場合の計算結果 比較のため 示し い タングス ンプ グ

、その 部 位置す 素子のSingle Event特性 大 影響を与え その理由 、タングス

ン 比較的大 い核反応断面積を有し、その破 核子 大 いLETを有し い こ よ 図

5.2.13-4 、感応領域直上 存在す 一個のタングス ンプ グの影響を示し い

この計算結果 よ 、一個のタングス ンプ グ 、感応領域内の電荷発生量を最大 3 倍 増 大 さ せ う こ わ 文 献[7] お い Warren 、 今 回 検 討 し た モ バ イ ス 、

1.13pC の電荷量 感応領域内 発生した場合 SEU 発生す こ を明 し い 図

5.2.13-4の結果 、P5の位置 タングス ンプ グ 存在す こ 、プ グ い場合の最大

電荷発生量0.55pC 、1.3pC こ を示し い 1.3pC この バイス アップセッ を引 起こすの 必要 電荷量よ 約 15%大 い このこ 、あ 種の バイス 、タングス ンプ グの配置 、地上 の耐放射線試験や軌 上 のエ ー率[6] 大 い影響を与え得 こ を示し

い

(b) プ グの配置 電荷発生

ここま 、タングス ンのよう 質量数の大 い材料 モ セルの放射線耐性 与え 影響を定 量化し た 、わ わ 更 、タングス ンプ グの感応領域ま の距離 、シングルイベン 耐性 の関係 い 調 た その解析結果を図 5.2.13-5 示す このシミュレーション プ グ 2 P2 、プ グ 5 P5 ま の感応領域 の距離 異 タングス ンプ グ 、10¹⁰個の

523MeVのネオンイオンをそ 照射し、感応領域内 発生す 電荷量の発生頻度を算出した

図 5.2.13-5 示すよう 、電荷発生量の頻度 感応領域 タングス ンプ グの近接距離 応

、大 く変わ こ わ った 今回の計算結果 、プ グ位置 感応領域 水平距離 大 く離 い 場合 、タングス ンプ グの有無 、放射線耐性 影響を与え い 、タングス ンプ グ 感応領域 近接し い 時 、アップセッ を引 起こすほ の、大 い量の電荷発生を 引 起こすこ わ った

更 、 タ ン グ ス ン プ グ の 配 置 感 応 領 域 内 の 電 荷 発 生 の 関 係 い 調 た め 、 図

5.2.13-6 、異 配線層を結線す タングス ンプ グ 電荷発生 違い あ 調 た こ

の検討 、感応領域 の距離 等しい、ほぼ同位置 あ P6 P7のタングス ンプ グを対

象 した この二 のプ グの断面積 、P6 0.21um², P7 0.09um² 異 、入射ビーム 常 、プ グの中心 垂直入射す 設定 し、二 のプ グの断面積の差 、結果 重要 影 響を与え いよう した

図5.2.13-6 示すよう 、今回検討したタングス ンプ グの位置 、シングルイベン 耐性 、

タングス ンプ グの Si 表面 の垂直距離 比較的敏感 いこ 明 った し し

、P6 のプ グ 照射した場合の方 、 次イオン よ 放射状 広 ため、感応領域内 発 生す 電荷発生量 わ 増加 見 た

(c) バイス特性

今ま 、多量のシミュレーションを行うこ 電荷発生分布頻度を、前述のよう 求め た こ の結果 、電荷発生分布や、電荷発生量を予測す 上 、重要 あ 、 モ セル特性 与 え 影響を直接的 、明 し い モ セルへの電荷発生の影響を理解す ため 、感応 領 域 内 の 電 荷 発 生 量 大 い 幾 の シ ン グ ル イ ベ ン 現 象 対 し 、Dessis い う バ イ ス

Simulator よ 3 次元の バイスシミュレーション解析を行った ここ 用いた構造 文献[9]

示さ い 3次元SRAM構造 あ 配線層 電荷発生現象を取 扱う際 可 あ 、

バイスSimulationの際 要 あ 、計算ス ー の観点 、計算構造 除外した

図 5.2.13-6 配線レベル 異 層を結線す タングス ンプ グ の電荷発生量の

違い P6のプ グ 第2 タルの 、P7のプ グ 第1 タルの 位置す

図5.2.13-4 P5の位置 イオンを照射した 図5.2.13-5 P2 P5のタングス ン 場合のタングス ンプ グ 存在す し プ グ 重イオンを照射した場合 感応領域 い の電荷発生の違い 近接す ほ 、電荷発生量 増加す

シミュレーション構造 インウ ル構造 、実際の モ セル 同様 N ウ ルコンタ 、 3.3V バイアスさ 、Pウ ルコンタ 、基板 接地さ た 図 5.2.13-7 示すよう 、素子分 離 レンチ分離を用い い

図5.2.13-8 、核反応 よ 反跳イオン発生 素子内 イオン入射 起 １psec後の、

電子濃度分布を示し い Si基板直上のタングス ンプ グへのイオン入射 よ 、エルビウムイ オン 5 個のシ コンイオン 、 バイス領域を通過す 他の入射事象 、 ンタン、 ニウム、

タングス ン の質量数の大 い破 イオン バイス領域を通過した 図5.2.13-8 示す、入

射事象 1.56pCの電荷量 発生した

図5.2.13-9 、図5.2.13-8 示す、523MeVのネオンイオン 、P5のタングス ンプ グ 入射す こ 、発生した反跳重イオンのイオンシャワー よ 、生成電流の時間応答波形を示す

この結果 0.54mA の ー 電流 発生し、N ウ ルコンタ 収集さ た電荷量 0.53pC

あった

図5.2.13-8 PMOSFET直上のタングス ンプ グ 起因す 核子の反跳 起因した バイス内

部 の電荷発生を示す図 中央付近の大 電荷発生 ス 、Er イオンの反跳 起因す Si 内を通 間 、Erイオン 5個のシ コンイオンを発生させ この6個の反応 1.56pCの電荷 発生の主要因 あ

図5.2.13-7 バイスシミュレーション 用いた インウ ル構造

Nウ ル Pウ ルの境界 STI構造を有す