SRAM/SOI おけ 非対称単発反転現象

文献名 Asymmetric SEU in SOI SRAM

出典 IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. 52, No. 6, pp. 2481- 2486, Dec. 2005.

著者名 P.J. McMarr, M.E. Nelson, S.T. Liu, D. Nelson, K.J. Delikat, P. Gouker, B. Tyrrell, and H. Hughes

対象 バイス 0.15μm CMOS/SOI SRAM

実験設備 Berkeley Cyclotron Facility, Neutron Generator(U.S. Naval Academy), Northeastern Proton Therapy Center

照射線種及び エネルギーの区分

重 イ オ ン(45MeV-B,67MeV-N,90MeV-Ne,180MeV-Ar,293MeV-Cu ) 中性子(14MeV)、陽子(220MeV)

単発現象又

積算線量効果の区分

単発反転現象 積算線量効果

実験又 理論の区分 実験

(1) 要約

部 分 空 乏 型0.15μm-CMOS/SOI技 術 作 製 し たSRAM 、 重 イ オ ン 14MeVの 中 性 子及 び 陽子を照射した 重イオン照射結果 、反転の閾値 飽和断面積LETを求めた 中性子 関 し 、積算線量4×10¹³ n/cm²ま 入射ビーム角度を変え 照射した LSI ッ ー 前面 の 照射 、裏面 の照射の2倍以上の反転数を記録した 一定の積算線量 、陽子照射 よ 反転数 本質的 中性子照射の場合 同 あった

ーワー ：SRAM、SOI、SEU

(2) め

部分空乏型0.15μm-CMOS/SOI技術 よ 6 ン スタ･セル構成の64Kb-SRAM 、重イオ ン 、14MeVの 中 性 子 、 及 び 陽 子 を 照 射 し た 中 性 子 重 イ オ ン 照 射 お け 反 転 数 を 測 定 し 、 LET閾値 反転断面積を求めた 中性子 関し 、180°ま LSI ッ ー を回転し 照射し た その結果、LSI ッ ー 前面 の照射 、裏面 の照射 反転数 大 違い 観 測さ た こ ま 、重イオン 中性子及び陽子 、次のよう 現象の解析 使わ た 即ち、

非対称単発反転現象を説明す ための仮説 [1]-[4]

文献 [5]-[7] 提案さ い よう 、SOI基板を用い 試作さ た バイス おけ 電荷収

集モ ル

SOI バイス おけ 寄生バイポー ン スタの単発反転現象のモ ル [8]-[10] あ

(3) 実験

(a) 重イオン よ 反転数の測定

バー レー･サイ ン施設を使用し SRAM 重イオンを照射した 使用した重イオン 次 の お

即ち、45MeV-B (LET=1.25MeV-cm²/mg)、67MeV-N (LET=3.48MeV-cm²/mg)、 90MeV-Ne (LET=5.82MeV-cm²/mg)、180MeV-Ar (LET=15.05MeV-cm²/mg)、

93MeV-Cu(LET=28.6MeV-cm²/mg) あ 照射時のSRAM 25℃ 電源電圧1.95Vを 印加 (この印加電圧 最 厳しい場合 相当)し、ビーム入射角 0°(LSI ッ ー 前面 垂 直入射) した 図5.2.3-1 示すよう 、閾値LET 1.25MeV-cm²/mg あった

図5.2.3-1 部分空乏型SOI バイス よ 64Kb-SRAMのSEU断面積 LET の関係

(b) 14MeV の中性子 220MeV の陽子照射時の反転数測定測定 米国海軍ア ミーの中

性子発生装置を使用した

この中性子線 重水素- 重水素反応を用い 発生させた14MeVの ー ･ビーム あ 照射時の条件 重イオンの場合 同 (VDD=1.95V, 25℃, 入射角0°) した

中性子照射レー 3.5×10⁸ n/cm²/s し、積算線量 4×10¹³ n/cm² ま 照射した 反 転数 中性子線量 の関係を図5.2.3-2 示す

図5.2.3-2 14MeVの中性子照射線量 反転数 の関係

こ の測定 おい 、イオン化した粒子の ー 量 問題 い、何故 、こ の 部品の耐量 200krd あ 、中性子線量 1×10¹³ n/cm² おけ イオン化粒子の総 ー 量

60krd 過 った あ (照射中 IDDQ モニターさ いた 、初期値 何 変

化 無 った) 続い 、SRAM ッ ー を 180°回転し、裏面側 線量7×10¹¹ n/cm²の中

性子を照射した 更 、同 ッ ー を回転し 前面側 裏面側 同 線量の中性子を照 射した その結果を図 5.2.3-3 示した 照射線量の全域 わた 、前面側 入射の場合の反 転数 裏面側 比 2倍以上 った

図5.2.3-3 SOI SRAM ッ ー の前面及び裏面側 14Mevの 中性子を照射した時の照射線量 反転数 の関係

結果の再現性検証のため、 う 1 個の SRAM を試料 追加し、同様 ッ ー の両面

14MeVの中性子を照射し 反転数を調 た その結果を図5.2.3-4 示した こ よ 、照射

線量の全域 わたっ 2 の試料 基本的 全く同 特性を示し い 加え 、前面 の 照射角度を20°,40°,60°,及び80° 振っ 反転数を調 た 、結果 0°入射 ( ッ ー

対し 垂直) の場合 同 あった

図5.2.3-4 2個のSRAMを用い 、図5.2.3-3の場合 同 照射実験を実施

次 、ボス ンの 東陽子治療センター の 220MeV 陽子を使用し 、別の SRAM 対し 照射レー 2.5×10⁸ p/cm²/s 、最大積算線量1×10¹² p/cm² 中性子を照射した 照射時の バイスの条件 前述の重イオン及び中性子の場合 同 (VDD=1.95V、25℃、入射角 0°) し

た

この場合の結果を陽子照射 (線量 5×10¹¹ 1×10¹² p/cm²) の場合 併せ 図5.2.3-5 示し た 、陽子 中性子照射時の反転数の差 10 ウン 以内 ほぼ一致し い 同様の比較をし た文献 [11] [12] あ

(c) 寄 生 バ イ ポ ー ･ ン ス タ 関 す 測 定 被 測 定 試 料 nMOSFET 、 中 性 子 照 射 前 の

hFE-VB (エミッタ－ベース電圧) 特性を図5.2.3-6 示す こ 通常 典型的 特性

あ 中性子照射 バイス おけ 少数担体の イフタイムを劣化させ 作用 あ の 、バル Si [13]やSOI バイス [14] の イフタイム制御 効果的 方法 あ

図5.2.3-7 、14MeVの中性子を照射した時のhFEの ー 値劣化の様子を示した の あ 線量5×10¹² n/cm²の照射 hFE 約10%低 し い 合計3個の試料 い 照射実験 を行 った 、基本的 同 特性 得 た

図5.2.3-5 220MeV陽子 14MeV中性子照射時の反転数 積算線量 の関係

図5.2.3-6 照射実験対象nMOSFETのhFE特性

図5.2.3-7 14MeV中性子照射線量 hFE劣化の様子 (4) 考察

素子の微細化 伴い、SRAMのセルを反転させ 要す 電荷量 小さく このこ 、比較 的低いLETの線源 、超微細化素子 おい 有用 プ ス ーニング 使え こ を意味し

い 特 、14MeVの中性子源 簡便 あ 、重イオン源や陽子源のよう 付帯的 負荷 掛

い 加え 、14MeV中性子線 ッ ー 材を殆 減衰無し 貫通す の 、重イオンや陽子

線の場合のよう 、特別 ッ ー 必要 し い利点 あ

本論文 の最 悩ましい実験結果 、中性子を試料の前面側 裏面側 照射した場合の反 転 現 象 異 こ 、 即 ち 、 前 者 後 者 の2倍 以 上 っ た い う こ あ ア タ バ ル CMOS SRAM 、14, 26, 64, 及び200MeVの中性子を照射し、前面側 の入射時の反転率 裏面側 の の 比 2倍 報告し い [3] その解釈 し 、素子の中性子-Si反応

よ 電荷収集 バイス層 その上部の配線層 異 ため し い この場合の配線層 の 材 料 ポ ア ミ 、SiN、 及 びSiO2 想 定 さ い た 同 様 の モ ル 、 シ オ SOI SRAM い 報告さ い [1] し し 、前面側 の入射時の反転率 、裏面側 の の 比 2倍 こ の説得力のあ 解明 っ い い

図5.2.3-8 、14MeVの中 性子を4Mb-バル SRAM ッ ー の前面側 及び 裏面側 照 射 した時の反転数を比較した の あ 、この場合 、SOI 同様 前面側 照射の場合の反転 数 、裏面側 の照射の場合の2倍以上 っ い

一方 、バル CMOS-SRAM おけ 反転 現象を 説明す ため 提 唱さ い モ ルを 図 5.2.3-9 示 す こ 、 電 荷 収 集 の 解 析[23],[24]や 、 初 期 の コ ン ュ ー タ ･ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン [25],[26]や、実験測定結果の解析[23],[26],[27] 引用さ い このモ ル 関す 改善･改 良 う30年以上 続い い

図5.2.3-8 14MeVの中性子を4Mb-バル SRAM ッ ー の 前面側及び裏面側 照射した時の反転数の比較

図5.2.3-9荷電粒子 イオー のPN接合付近を貫通した際の反応: (a)α粒子 逆バイアスのn+-p接合を貫通した場合、

(b)プ マ柱 よ 空乏層の中性化、

(c) 粒子の貫通跡 沿っ 拡 った等電位線 (McLean and Oldham [23])

こ ま の検討結果 、バル SRAMの反転を誘発す 最 可能性 高いの (n,α) 反応 あ 、その反応生成物 LET 7MeV-cm²/mg Si中の飛程2μmのMg 考え 中性子-Si 反応 バイスの表面 生 た 、Mgイオン 電子-正孔対を生成し 2μm侵入し、最大限 バイス 擾乱を与え この中性子-Si反応 バイスのSi基板側 、2μm以上離 た場所 起 た場合 バイスへの擾乱 減少し、この距離 十分取 、この擾乱 無い し この中性子-Si反応 Si基板側 ち う 2μmの場所 起 、前面側 のイオン照射 対し

提案さ たモ ル 適用 思わ [23]-[27]、この場合 前面側 裏面側 おけ

照射の間 差 無い あ し し 、中性子-Si反応 バイス 2μm以内 基板側 の照射 あ 場合 、上層の伝導性配線材料 おい イオンの侵入深さ 抑制さ の 、 基板Si中 のイオン軌跡 減少す こ の条件 満たさ 、前面側の中性子-Si反応 比

バイスの擾乱 小さく こ の見解 定性的 あ 、証明的 域 無い 、こ ま の実験結果解釈の指針

同様のモ ルを図5.2.3-9 示す 、こ 、 ッ [5]やシュバン [6],[7] SOI基板上 作 った バイス のイオンの相互作用を説明す の 提案さ い このモ ルを図解した の 図5.2.3-10 あ 即 ち 、SOI バ イ ス イ オ ン の 相 互 作 用 の 結 果 、Si基 板 電 荷 収 集 を 招 く ( 進さ た電荷収集) 更 、この現象の機構を完全 説明す っ い い 、彼 の実験 結果 よっ モ ルの妥当性 支持さ い 々 、彼 酸化物-基板界面 形成さ 空 乏層起因 、異常 電荷収集 生 こ 言及し い こ 見出した

バル CMOS おけ 同様の議論 図5.2.3-10 示すよう SOI CMOS 適用さ し 中性子-Si反応 前面側 生 た場合(その結果、反応生成物 し のMgのイオン打ち込

)、 バイス 最大の擾乱を受け し 、 バイス 裏面側 活性 バイス領域の近傍 イ オン打ち込 を受けた す 、電荷収集 上層の伝導性配線材料中 頭打ち 、擾乱 最 小 その様子を図5.2.3-11 示した SOI バイス バル CMOS バイス 厳密 同 よう

振 舞いを示す

し し 、こ の解釈 次のよう 問題を生 させ 即ち、電荷収集 対称的 ? 裏面側 2μm の位置 のMgイオン打ち込 、前面側 のイオン打ち込 の際 同 電荷収集

? 更 、SOI バイス 対し 、 ッ シュバン 前面側 裏面側 対し

提案し い モ ル そのまま適用 の いった問題 あ 他の問題 し 、重イオンの 二重微分断面積、14MeVの中性子-Si反応[29] 対す 議論 明 如し い こ あ い 議論さ 必要 あ 最後 残った考察課題 SOI SRAM おけ 寄生バイポー ･ ン スタ の中性子誘起反転現象 あ

図5.2.3-6 図5.2.3-7 示した寄 生バ イポー ･ ン スタ特性 測定の結果 よ 、中 性子の 照射線量5×10¹² n/cm² 対し 、hFEの ー 値 約10%低 す この変化の数値自体 小さい

、再現性 極め 高い現象 あ こ 、少数担体の イフタイム 中性子照射 損傷を受け

ため あ [13],[14] し し 、SOI SRAMの反転率 関し 、この線量範 全く変

化 無 った このこ 重要 あ 、優勢 見解 し 、重イオン (直接的 重イオン 照射、或い 中性子又 陽子照射 因 核反応 の二次イオン) 寄生バイポー ･ ン スタ のhFE よっ 決定さ 大 拡 を持 [9],[10] し し 、中性子線量 5×10¹² n/cm²

図5.2.3-10 SOI ン スタ構造 おけ 電荷収集感応領域

図5.2.3-11SOI バイス 中性子を前面側 及び

裏面側 照射した場合の、中性子反応 そ よっ 生成さ Mg い の図解

いう限定さ た領域内、及び、hFEの ー 値変動 比較的小さい いうこ 、現時点 断定 的 結論を引 出せ い い 更 、中性子発生装置の故 よ 、こ 以上の ータ収集 出 来 く った 、い 別の機会 今後の成果 発表す あ

(5) ま め

部分空乏型0.15μm-CMOS/SOI技術 よ SRAM 、14MeVの中性子を照射した この場合、

4×10¹³ n/cm²の線量 対し 、0～80° 振った場合の入射ビーム角度依存性 無 った 、 前面 の照射 、裏面 の照射の場合 比 2倍以上の反転数を記録した バル Si バイス おい 、照射効果 SOI 同 あった 220MeVの陽子照射 、一定の線量 、 中性子照射 同 反転現象を引 起こした 14MeVの中性子線量5×10¹² n/cm² 対し 寄生バイ ポ ー ･ ン ス タ のhFEを 調 た 結 果 、 約10%の 低 認 め た 以 上 の 検 討 よ っ 、

14MeV中性子照射 よ 反転 非対称(2倍以上) こ の十分 解明 った

(6) 文献 関す 考察他 使用 困難 各種放射線源を使用した実験結果 貴重 あ

、その ータの解析結果 殆 既発表論文の追試の域を出 お 、長年の検討課題 っ い 反転現象の非対称性 い 新提案 無く、失望感 拭え い

参考文献

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