最新デバイスの耐放射線性強化技術に関する検討委員会
平成22年度 成果報告書
作成元 HIREC 株式会社 Prepared by
High-Reliability Engineering & Components Corporation
宇宙航空研究開発機構契約報告
JAXA Contract Report
宇宙航空研究開発機構
Japan Aerospace Exploration Agency
2012
年
2
月
目 次
ページ
1 はじめに ... 1
2 業務の目的 ... 1
3 業務実施結果 ... 1
3.1 耐放射線性強化技術 ... 1
3.1.1 耐放射線強化技術に関する検討材料の調査 ... 1
3.1.2 検討委員会の設置 ... 5
3.1.3 委員会活動 ... 6
3.1.4 耐放射線強化技術 ... 7
3.1.4.1 半導体素子に対する放射線照射効果の動向 ... 7
3.1.4.2 調査文献 ... 7
3.1.4.3 SEU関連の発表 ... 8
3.1.4.4 SET関連の発表 ... 16
3.1.4.5 TID関連の発表 ... 23
3.1.4.6 まとめ ... 29
3.2 検討文献 ... 30
3.2.1 半導体中の配線材料での核破砕反応によって発生する 2 次粒子に起因する荷電粒 子発生 ... 30
3.2.2 フラッシュベースFPBGAにおけるSEE感度の周波数依存性研究のための方法論 ... 37
3.2.3 低エネルギー陽子が引き起こすアップセットの試験方法と頻度予想 ... 42
3.2.4 45nm SOI SRAMにおけるSEUおよびMBU ... 48
3.2.5 先端CMOSにおけるSETパルス幅抑制効果 ... 56
3.2.6 180nm完全空乏型SOIにおけるデジタルシングルイベント過渡現象に対する電離 放射線の影響 ... 63
3.2.7 BulkおよびFDSOIデバイスにおけるデジタルSETの温度依存性 ... 70
3.2.8 デジタルCMOS中でのSETパルス幅伸張の回路モデリング ... 77
3.2.9 重イオンマイクロビームとブロードビームによって誘起したSiGe HBTs中の過渡 応答 ... 85
3.2.10 POLアプリケーション向け宇宙用耐放射線耐量横型パワーMOSFETの開発 ... 92
3.2.11 TIDを受けたフローティングゲートフラッシュメモリでのエラー発生の不安定性 99 3.2.12 ゲート全包型シリコンナノワイヤーの照射応答 ... 107
4 検討委員会の運営 ... 123 5 成果のまとめ ... 125 6 添付資料 ... 130
＜添付＞
添 付6-1 検討委員会 議事録
1 はじめに
本書は、JAXA殿の業務委託 JX-PSPC-306060「平成22年度 部品プログラム業務 調達仕様書
（請負）」の4.5項(1)に基づいてHIREC株式会社が実施した「最新デバイスの耐放射線性強化技術
に関する検討委員会の開催支援」の業務結果についてまとめたものである。
2 業務の目的
最先端技術を用いた部品は、高機能化／高集積化の要求に伴い集積回路の微細化が進んでい
るが、その一方で、放射線による影響も受けやすくなってきており、放射線によって発生する
様々な現象も従来のものと異なってきている。また、従来の耐放射線性試験方法についても、
適正に判断できる試験方法を調査し確立していく必要がある。これらについて有識者で構成さ
れる検討委員会を設置し、国内外の文献等を調査した上で試験方法を含めた耐放射線性強化技
術動向に関する調査検討を行った。
3 業務実施結果
3.1 耐放射線性強化技術
3.1.1 耐放射線強化技術に関する検討材料の調査
半導体デバイスの微細化、高密度化及び高機能化は目覚ましいものがあり、それに伴い、新たに 確認された放射線照射効果もあり世界中の学会で活発に議論されている。また、近年では宇宙線中 性子に起因した地上半導体デバイスのシングルイベント現象も報告されている。このような技術革新が 進む中、いかに半導体デバイスの耐放射線性を適正に評価するかが重要な課題となっている。
これらの背景を踏まえて、本年度の耐放射線性強化技術に関する検討材料の調査は、対象デバイ
スとして SOIデバイス、バルクデバイス、FPGA、フラッシュメモリ、パワーデバイス、HBT などについ
その結果、半導体デバイスに対する耐放射線性を研究する学会では世界最高峰の IEEE
Nuclear and Space Radiation Effects Conference（NSREC:2009年7月カナダ ケベックで開
催）で発表された論文から13件を検討材料として選定した。
表 3.1.1-1 検討材料の文献一覧
分類 文 献 名 対応の本書項番
出典(1)ﾍﾟｰｼﾞ数
SEU
半導体中の配線材料での核破砕反応によって発生する2次粒子に起因す
る荷電粒子発生 3.2.1項
Charge Generation by Secondary Particles From Nuclear Reactions
in BEOL Materials P3172
SEU
フラッシュベースFPBGAにおけるSEE感度の周波数依存性研究のため
の方法論 3.2.3項
Methodologies to Study Frequency-Dependent Single Event Effects
Sensitivity in Flash-Based FPGAs P3534
SEU
低エネルギー陽子が引き起こすアップセットの試験方法と頻度予想 3.2.3項
Impact of Low-Energy Proton Induced Upsets on Test Methods and
Rate Predictions P3085
SEU
45nm SOI SRAMにおけるSEUおよびMBU 3.2.4項
Single-Event Upsets and Multiple-Bit Upsets on a 45 nm SOI
SRAM P3499
SET
先端CMOSにおけるSETパルス幅抑制効果 3.2.5項
Single-Event Transient Pulse Quenching in Advanced CMOS Logic
Circuits P3050
SET
180nm完全空乏型SOIにおけるデジタルシングルイベント過渡現
象に対する電離放射線の影響 3.2.6項
Effects of Ionizing Radiation on Digital Single Event Transients in
a 180-nm Fully Depleted SOI Process P3477
SET
BulkおよびFDSOIデバイスにおけるデジタルSETの温度依存性 3.2.7項
Temperature Dependence of Digital Single-Event Transients in
Bulk and Fully-Depleted SOI Technologies P3115
SET
デジタルCMOS中でのSETパルス幅伸張の回路モデリング 3.2.8項
Circuit Modeling of Single-Event Transient Pulse Stretching in Digital
CMOS P3165
SET
重イオンマイクロビームとブロードビームによって誘起したSiGe
HBTs中の過渡応 3.2.9項
Heavy Ion Microbeam- and Broadbeam-Induced Transients in SiGe
HBTs P3078
TID/ HE
POLアプリケーション向け宇宙用耐放射線耐量横型パワーMOSFET
の開発 3.2.10項
Development of a Radiation-Hardened Lateral Power MOSFET for
POL Applications P3456
TID/ HE
TID を受けたフローティングゲートフラッシュメモリでのエラー発生
の不安定性 3.2.11項
分類 文 献 名 対応の本書項番 出典(1)ﾍﾟｰｼﾞ数
TID/ HE
ゲート全包型シリコンナノワイヤーの照射応答 3.2.12項
Radiation Response of a Gate-All-Around Silicon Nano-Wire
Transistor P3274
TID/ HE
温度と電子線のAlGaN/GaN HFETsの電気特性への影響 3.2.13項
The Effects of Temperature and Electron Radiation on the
Electrical Properties of AlGaN/GaN HFETs P3223
3.1.2 検討委員会の設置
3.1.1項で選定した検討材料を検討するために、大学、公的研究機関、企業等の学識有識者から
構成される検討委員会を組織し、各委員に委嘱した。委嘱した委員名と所属、役職を表 3.1.2-1に示
す。
表 3.1.2-1 検討委員一覧表（敬称略）
区分 委員名 所属名 役職
1 顧問 大西 一功 － －
2 委員長 伊部 英史 （株）日立製作所 生産技術研究所 主管研究員
3 副委員長 高橋 芳浩 日本大学 准教授
4 委員 平尾 敏雄 日本原子力研究開発機構 研究副主幹
5 委員 藤田 実 法政大学 兼任講師
6 委員 石井 茂 三菱重工業（株） 名古屋誘導推進システム製作所 主席
7 委員 深田 孝司 みずほ情報総研（株） シニアコンサ
ルタント
8 委員 坪山 透 高エネルギー加速器研究機構 講師
9 委員 猪俣 輝司 NEC東芝スペ－スシステム（株） 主任
10 委員 加藤 一成 三菱電機（株） 鎌倉製作所 担当
11 委員 三浦 規之 OKIセミコンダクタ宮城（株） サブグループ
リーダー
12 委員 新保 健一 （株）日立製作所 生産技術研究所 研究員
13 委員 北村 明夫 富士電機システムズ（株） マネージャー
3.1.3 委員会活動
3.1.1項で選定した検討材料は、各委員に割り当て検討を依頼した。各委員の報告する検討内容
について当該委員会にて討議し、それらを議事録としてまとめた。
第1回では、伊部委員長より 2010年3月に米国で開催されたSELSE (Workshop on Silicon
Errors in Logic–System Effects) の参加報告を行った。第2回では、事務局より2010年9月に米
国デンバーで開催されたNSREC (Nuclear and Space Radiation Effects Conference) の参加報
告、また、伊部委員長より 2010 年 7 月に開催された IOLTS (International On-Line Testing
Symposium) の酸化報告をそれぞれ行った。第4回では、事務局より2010年9月にオーストリアに
て開催された RADECS (European Workshop on Radiation Effects on Components and
Systems) 参加報告を行った。第 5 回委員会（最終回）では、伊部委員長から、本委員会を統括して
本年度の耐放射線分野の動向についてまとめを報告し、事務局より委員会運営結果について報告し た。
委員会の議題等を表 3.1.3-1に示す。
表 3.1.3-1 委員会の日時、議題など
回数 日時、議題など
第1回 開催日時：2010年6月11日（金）
開催場所：HIREC（株） 川崎事業所
主な議題：本年度検討内容の概要
事務局による論文発表及び討議（1件）
2010年SELSE報告
第2回 開催日時：2010年9月3日（金）
開催場所：HIREC（株） 川崎事業所
主な議題：各委員担当論文の発表及び討議（3件）
2010年NSREC報告
2010年IOLTS報告
第3回 開催日時：2010年10月8日（金）
開催場所：HIREC（株） 川崎事業所
主な議題：各委員担当論文の発表及び討議（4件）
第4回 開催日時：2010年11月12日（金）
開催場所：HIREC（株） 川崎事業所
主な議題：各委員担当論文の発表及び討議（3件）
2010年RADECS報告
第5回 開催日時：2011年3月4日（金）
開催場所：HIREC（株） 川崎事業所
主な議題：各委員担当論文の発表及び討議（2件）
委員会運営の報告
3.1.4 耐放射線強化技術
3.1.4.1 半導体素子に対する放射線照射効果の動向
半導体素子の微細化が進む中で、集積回路の高密度化、大規模化が進んでいる。これまでは宇 宙用半導体素子で重要な問題点であった集積回路の放射線による劣化、誤動作が、地上で使われ る素子においても、宇宙線中性子によるシングルイベントとして問題が顕在化してきている。さらに半 導体素子に使用される材料も多岐に亘っており、それらを宇宙放射線環境で用いる場合の問題を 明らかにする取り組みも行われている。また、耐放射線強化技術も、材料、素子構造、回路的な面か
ら多くの提案がなされている。今年度はこのような状況の中から、2009 年 7月にカナダ、ケベック市
で 開 催 さ れ た 、IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers)主 催 の
2009NSREC(Nuclear and Space Radiation Conference, Quebec, Canada, July 20-24)で発
表された論文でIEEE Trans. Nuc. Sci., Vol. 56, No.6 に掲載されたものから、重要と思われるも
のを選択して調査した。
3.1.4.2 調査文献
今年度の調査文献は次表の１3編で，SEU(Single Event Upset)関係4編, SET(Single
Event Transient関係5編、TID(Total Ionizing Dose)関係4編である。
個別の内容については3.2節で項番に従って詳述するが次節以降で，分類項目ごとの概況とト
ピックスをまとめる。
表3.1.4-1 調査文献一覧
分類 Chapter ページ タ イ ト ル 著 者
3.2.1 3172-3179 Charge Generation by Secondary ParticlesFrom Nuclear Reactions in BEOL Materials
N. A. Dodds (Vanderbilt Univ.), R. A. Reed, M. H. Mendenhall, R. A. Weller, M. A. Clemens, P. E. Dodd, M. R. Shaneyfelt, G. Vizkelethy, J. R. Schwank, V. Ferlet-Cavrois, J. H. Adams, R. D. Schrimpf, and M. P. King
3.2.2 3534-3541
Methodologies to Study Frequency-Dependent Single Event Effects Sensitivity in Flash-Based FPGAs
N. Battezzati (Politec. di Torino), S. Gerardin, A. Manuzzato, D. Merodio, A. Paccagnella, C. Poivey, L. Sterpone, and M. Violante
3.2.3 3085-3092
Impact of Low-Energy Proton Induced Upsets on Test Methods and Rate Predictions
B. D. Sierawski (Vanderbilt Univ.), J. A. Pellish, R. A. Reed, R. D. Schrimpf, K. M. Warren, R. A. Weller, M. H. Mendenhall, J. D. Black, A. D. Tipton, M. A. Xapsos, R. C. Baumann, X. Deng, M. J. Campola, M. R. Friendlich, H. S. Kim, A. M. Phan, and C. M. Seidleck
3.2.4 3499-3504 Single-Event Upsets and Multiple-BitUpsets on a 45 nm SOI SRAM
D. F. Heidel (IBM), P. W. Marshall, J. A. Pellish, K. P. Rodbell, K. A. LaBel, J. R. Schwank, S. E. Rauch, M. C. Hakey, M. D. Berg, C. M. Castaneda,P. E. Dodd, M. R.Friendlich, A. D. Phan, C. M. Seidleck, M. R. Shaneyfelt, and M. A. Xapsos
3.2.5 3050-3056 Single-Event Transient Pulse Quenching inAdvanced CMOS Logic Circuits J. R. Ahlbin (Vanderbilt Univ.), L. W. Massengill, B. L. Bhuva, B. Narasimham,M. J. Gadlage, and P. H. Eaton
3.2.6 3477-3482
Effects of Ionizing Radiation on Digital Single Event Transients in a 180-nm Fully Depleted SOI Process
P. M. Gouker (MIT Lincoln Lab), M. J. Gadlage, D. McMorrow, P. McMarr,H. Hughes, P.Wyatt, C. Keast, B. L. Bhuva, and B. Narasimham
3.2.7 3115-3121
Temperature Dependence of Digital Single-Event Transients in Bulk and Fully-Depleted SOI Technologies
M. J. Gadlage (Vanderbilt Univ.), J. R. Ahlbin, V. Ramachandran, P. Gouker, C. A. Dinkins, B. L. Bhuva, B. Narasimham, R. D. Schrimpf, M. W. McCurdy, M. L. Alles, R. A. Reed, M. H. Mendenhall, L. W. Massengill, R. L. Shuler, and D. M M
3.2.8 3165-3171 Circuit Modeling of Single-Event TransientPulse Stretching in Digital CMOS P. W. Tuinenga and L. W. Massengill (Inst. for Space & Defense Electron.)
3.2.9 3078-3084 Heavy Ion Microbeam- and Broadbeam-Induced Transients in SiGe HBTs
J. A. Pellish (NASA Goddard Fright Space Center), R. A. Reed, D. McMorrow, G.Vizkelethy,V.F. Cavrois, J. Baggio,P.Paillet, O. Duhamel, K. A. Moen, S. D. Phillips, R. M. Diestelhorst, J. D. Cressler, A. K. Sutton, A. Raman, M. Turowski, P. E. Dodd, M. L. Alles, R. D. Schrimpf, P. W. Marshall, and K. A. LaBel
3.2.10 3456-3462
Development of a Radiation-Hardened Lateral Power MOSFET for POL Applications
P. E. Dodd (Sandia National Labs), M. R. Shaneyfelt, B. L. Draper, R.W. Young,D. Savignon, J. B.Witcher,G. Vizkelethy, J. R. Schwank, Z. J. Shen, P. Shea, M. Landowski, and S. M. Dalton
3.2.11 3267-3273 Error Instability in Floating Gate FlashMemories Exposed to TID M. Bagatin (Università di Padova), S. Gerardin, G. Cellere, A. Paccagnella, A.Visconti, M. Bonanomi, and S. Beltrami
3.2.12 3274-3279 Radiation Response of a Gate-All-AroundSilicon Nano-Wire Transistor B. Draper (Sandia National Laboratories), M. Okandan, and M. Shaneyfelt
3.2.13 3223-3228
The Effects of Temperature and Electron Radiation on the Electrical Properties of AlGaN/GaN HFETs
J. T. Moran (Air Force Institute of Technology), J. W. McClory, J. C. Petrosky, and G. C. Farlow
SEU
SET
3.1.4.3 SEU関連の発表
表3.1.4-2にSEU関連の発表概要をまとめる。
表3.1.4-2 SEU関連の発表概要
項番 概要
３．２．１
半導体中の配線材 料での核破砕反応 によって
発生する2次粒子に
起因する荷電粒子 発生
■半導体デバイス中のセンシティブ領域近傍に重金属（タングステン等）が存在した場合、入 射粒子により核破砕反応が起き、発生した2次粒子によってSi中に過剰な電荷が発生し電荷 収集が引き起こされる、という現象について詳細に解明。
■実験結果から、入射粒子のLETが一定でエネルギーが増加するに従い、核破砕反応によっ て引き起こされる電荷収集は、あるところでピーク値を持つことが判明した（SEU耐性について は、ワーストケースのエネルギー値が存在する、という意味）。
■高エネルギー粒子の核破砕反応による発生電荷が減少する理由を、モンテカルロシミュ レーションで検証した。
３．２．２
ﾌﾗｯｼｭﾍﾞｰｽFPGAに
おけるSEE感度の周
波数依存性
■FPGAはリコンフィギュレーション機能と共に、高性能、低消費電力であることから、宇宙用 途への関心が増してきている。
■フラッシュベースのFPGAは、SRAMベースのFPGAのようにコンフィグレーションメモリーが アップセットを起こさないことから、厳しい放射線環境下での解として注目を集めている。本論 文は、フラッシュベースのFPGAに配置された実際の回路にて、クロック周波数とルーティング アーキテクチャの調査結果を報告する。
３．２．３
低エネルギー陽子 が引き起こすアップ セットの試験方法と 頻度予想
■低エネルギー陽子のイオン化によるSEUの評価方法を、FETの電荷収集を計算するMRED にモデル構築し、実験データを用いて校正を行った。
■MREDを用いて、いくつかの衛星軌道における SEUの計算を行い、低エネルギー陽子の直 接イオン化がSEUの主要原因となる場合があり、CMOS微細化でさらにその傾向が強まること を示した。
３．２．４
45nm SOI SRAMに
おけるSEUおよび
MBU
■45,65nmSRAMでは低エネルギー陽子の直接イオン化により著しくSEU断面積が増加する。 ■MCU比率は微細化で増加するが、SOI SRAMではMCUイベントの大半が同じSRAMビット 線に沿って発生しており、大きなMCU配向効果が見られる。これはECC回路でMBUの大半を 訂正できることを示している。
Vanderbilt大のN.A. Doddらは半導体デバイスを構成する重いタングステンから核破砕反応に
よって発生する重い2次イオンがエラー率に及ぼす影響を評価した。図3.1.4-1のTable Iは実験
に用いたイオン種（Fe, Ne, 窒素）とエネルギー、加速器施設をまとめた。図3.1.4-1の下図は、用い
たイオンのエネルギーに対し、LETが全て同じで、低い値1.2MeV・cm2/mg示している。高いエネ
ルギーで低 LET にする理由は、イオンによる直接電離を抑えて、核破砕反応の影響のみを抽出す
るためである。
図3.1.4-2は、用いたDUTの構造を示すもので、3種類のものをそれぞれ、W1+M1、W2+M2,
W3+M3と名付ける。いずれも、BOX層の上に3層構造のダイオードを形成し、タングステン層とダ
図3.1.4-1. 照射した重イオンとそのLET計算値
図3.1.4-2. 試験サンプル構造図。赤点線内がダイオード。
図3.1.4-3にNeイオンを入射した場合の収集電荷量の積分断面積を示す。250fC 程度の変曲
点以下は重イオンの直接イオン化の寄与を表し、変曲点以上が核破砕反応の寄与を示す。W 点層
図3.1.4-4 はサンプル W3+M3 で、入射するイオン種を変えた場合の収集電荷量の積分断 面積を示す。窒素 (16MeV/u) から、Ne (40MeV/u) は微増するが、Feでは収集電荷量が激 減することが分かる。
図3.1.4-5はMREDによる核破砕反応解析に用いたモデルで、図3.1.4-6は計算結果を示す。
収集電荷量がイオン種が重くなるにつれ、極大値を持つことが定性的に再現されているが、直接イ
オン化の変曲点が実測値より低いこと、N, Ne,Feの相対的関係が実測とはかなり隔たりがあるなど、
課題が見えている。
直接
イオン化
図3.1.4-3. 収集電荷量の積分断面積。250 fC程
度の変曲点以下は重イオンの直接イオン化の寄与 を表し、変曲点以上が核破砕反応の寄与を示す。
図3.1.4-4. サンプルW3+M3 で、入射するイオン
種を変えた場合の収集電荷量の積分断面積。窒素
(16MeV/u) から、Ne (40MeV/u) は微増するが、
Feでは収集電荷量が激減する。
図3.1.4-5. MREDによる核破砕反応解析に
用いたモデル
図3.1.4-6. MREDによる収集電荷量スペクトルの
Politec di TorinoのN. Battezzatiらは、図3.1.4-7に示すフラッシュベースFPGA（Actel社、
130nm。6144ロジックセル、250kシステムゲート。スイッチがフラッシュメモリで構成され、入力
X0-X3に対する出力をスイッチ構成で決める）について、SET耐性を評価する。本FPGAは特に耐
性を強化したものでなく、現実的な評価になっていることに特徴がある。
図3.1.4-8は、テストシステムブロックダイヤグラムを示すもので、フラッシュベースFPGAで構成さ
れるDUT、CGM (Clock Generation Module), MD (Monitoring Device), PCから成る。DUT
からの信号をファーストステージで、多数決し、DUT と MD の間の伝送系で発生するエラーを除去
する。
ヨウ素イオン (LET 61.8MeV・cm2/mg) を用いて照射したときの断面積を動作周波数の関数と
して図3.1.4-9に示す。50MHzから周波数の依存性が顕著になるため、ロジック回路（FFにラッチ）
１：ﾛｼﾞｯｸ内にﾊﾟﾙｽ発生
3
：ﾗｯﾁ内に
ﾊﾟﾙｽ発生
2
：ﾌﾛｰﾃｲﾝｸﾞｹﾞｰﾄにﾊﾟﾙｽ発生
図3.1.4-7. フラッシュベースFPGA（Actel社、130nm。6144ロジックセル、250kシス
テムゲート。スイッチがフラッシュメモリで構成し、入力X0-X3に対する出力をスイッチ構
成で決める）のアーキテクチュア。3種類のSETモードを考慮する。
のSEUが支配的になっている。50MHz以下では、ユーザーメモリー中のSEUが支配的と考えら れる。
動作周波数を40MHzに固定して、ルーティングパスの違いの影響を評価した結果を図3.1.4-10
に示す。図3.1.4-9に示したように、ロジック部の寄与の小さい40MHzで実験したため、ルーティン
グパスの影響は見られなかった。今後、50-100MHz帯で実験を追加する。
Vanderbilt 大のSierawski らは、デバイスの微細化により、臨界電荷量が小さくなった結果、低
エネルギー陽子(1-3MeV)の直接イオン化により、断面積が著しく大きくなる傾向（図3.1．4-11）を受
け、モンテカルロソフトエラー解析コードMREDに図3.1.4-12に示すようなV1－V4の電荷収集領
域を持つモデルを考案し、その収集効率α1-α4を実測値にあうようにフィッティングした。フィッティン
グ結果も図3.1．4-11に併せて示す。
図3.1.4-11. 65nm 6T-SRAMに対する陽子の
SEU断面積測定値（低エネルギーで直接電離
効果が現れる。モンテカルロソフトエラー解析
コードMREDを実験結果にFITさせて宇宙空
間でのエラー率を予測する。
図3.1.4-12. 電荷収集量計算モデルと
フィッテイングパラメータ（V1は鋭敏領
域、それ以外は電荷収集領域。陽子照
射時のMREDSim結果は実測と一致
（上図）
図3.1.4-9. SEE周波数依存性
（50MHz以下ではユーザーメモリーのSEUが支配
的）
図3.1.4-10. ルーティングパスの違いを評価
さらに、本モデルを用いて各種衛星軌道におけるエラー率を解析した。図3.1.4-13は
CREME96で計算したイオンのエネルギー分布から求めた収集電荷スペクトルをISS軌道（アルミ
遮蔽100mil、Quiet Sun、4.1×10-8エラー/bit/day）について求めた。本SRAMの場合、臨界電荷
量は1.4fCであるので（図中破線）それ以上の領域で陽子の核反応 (all process) の寄与が大きい
ことがわかる。
図3.1.4-14は静止軌道上の最悪ケースを示したもので、陽子の直接イオン化(dE/dx) とHeの寄
与が大きくなっていることがわかる。図 3.1.4-15 は静止軌道の太陽極小時のエラー率を示したもの
で、重い鉄イオンの影響が支配的になることがわかる。
IBMのHeidelらは、図3.1.4-16に示すフリップチップ型のSRAMアレイ(45nm SOI) を用い、
SBU(Single Bit Upset) とMCU(Multi-Cell Upset) を解析した。図3.1.4-17は陽子照射の場
合のSEU断面積を45nm SRAMと65nm SRAMについて示したもので、低エネルギー（4MeV
以下）で著しく断面積が増加する様子がわかる。
図3.1.4-13. CREME96で計算したイオンのエネ
ルギー分布から求めた収集電荷スペクトルISS軌
道（アルミ遮蔽100mil、Quiet Sun、4.1×10-8エ
ラー/bit/day）。陽子の寄与大
図3.1.4-14. 静止軌道の最悪ケース
3.1×10-4エラー/bit/day
図3.1.4-15. 静止軌道の太陽極小
1.2×10-8エラー/bit/day
図3.1.4-16. 評価用SRAMのチップ構造
図3.1.4-18は重イオン照射の場合のMCU（図の縦軸はMBUとなっているが、MBUは同一
ワード内のMCUを特別に指すもので、この論文ではMCUとするのが、正しい）確率を実効LET
の関数として示したもので、MCUがLET 5MeV・cm2/mg程度から急増することがわかる。これは
All”1” の場合であるが、All"0"の場合も傾向は同じである。一方チェッカーボードの場合は、図 3.1．
4-19に示すようにこれと全く異なり、MCU確率が極めて小さくLET依存性も小さいことがわかる、
図3.1.4-20はデータパターンによって、MCUの発生の仕方が著しく異なる理由を考察したもの
で、All (Blanket) “1”では、センシティブノード(“High“) がビット線方向に隣接して並ぶが、チェッ
カーボードでは、隣接”High“ノードに距離があり、間にアイソレーション酸化膜があるため、としてい
る。
図3.1.4-21は任意のセルからのMCU/SBU比率の分布を示したもので、MCUはビット線方向
に集中しているので、ECCによりワード線方向に並ぶMBUは抑制できることを示す。
図3.1.4-17. 陽子照射によるSBU断面積
低エネルギーピーク発現（直接電離）
5MeV・cm2/mg ＠TAMU
※Blanket “0”も同じ
MBUが増加 (bit数の内訳は不明)
図3.１.４-１８．MCUデータ（@TAMU、 Blanketパターン）
【拡大】
＠TAMU
30MeV・cm2/mg
図3.1.4-20. データパターン依存性の理
由：“1”ノードが全て“1”ではビット線方向
に隣接してならぶが、チェッカーボードで は距離があり、酸化膜で分離される
図3.1.4-21. 任意のセルからのMCU/SBU比率
ビット線方向に集中しているので、ECCによりワード
3.1.4.4 SET関連の発表
表3.1.4-3にSET関連の発表概要をまとめる
表3.1.4-3. SET関連の発表概要
項番 概要
３．２．５
先端CMOSにおける SETパルス幅抑制効果
■130nmノードCMOSでの重イオン試験で予想外に短いSETパルスが観測された。 ■3D-TCAD mixed-modeシミュレーションによる解析で、伝搬してくるSETパルスが隣接する ノードでの電荷収集(charge-sharing)によって切り詰められるメカニズムが働くことが判った
３．２．６
180nm完全空乏型SOI におけるデジタルシン グルイベント過渡現象 に対する電離放射線の 影響
■完全空乏型(FD)SOIテクノロジで作製したCMOSインバータチェーンにCo-60γ線照射を施し、 シングルイベント過渡現象(SET)に対するTIDの影響を、実験及びシミュレーションを用いて評 価。
■レーザプロービング技術を用いてnチャネルFETに電荷を誘起させた場合、レーザ誘起SET
パルス幅はトータルドーズの増加に伴い大きくなる。これは、SOI埋め込み酸化膜中にトラップ
される電荷によってpチャネルFETの駆動電流が低下するためである。
３．２．７
BulkおよびFDSOIデバ イスにおけるデジタル SETの温度依存性
■100段のインバータチェーン（130,180nm、ガードバンド有無、Bulk, FD SOI)に発生するSETパ ルス幅の温度依存性を測定
■寄生バイポーラ効果のため、pMOSイオン入射でパルス幅に温度に依存して増加。
３．２．８
デジタルＣＭＯＳ中での SETパルス幅伸長の回 路モデリング
■SETパルスの伝搬特性を、製造プロセスによる寄生素子を含めた回路シミュレーションを用
いてモデル化。
■最近のSOIやバルクCMOSで観察されているSETシグネチャを、レイアウトを考慮し説明。
３．２．９
重イオンマイクロビーム とブロードビームによっ て誘起したSiGe HBT中 の過渡応答
■SiGe HBT(silicon-germanium heterojunction bipolar transistor) に対する重イオン誘起過渡電 流をSNLのマイクロビームとGANL, JYFLのブロードビームを用いて測定した。
■データは広帯域ICとアナログ帯域16GHzのリアルタイムディジタルオシロスコープを用いて
取得した。これらのデータは、イオン入射位置、飛程およびLET効果に関する詳細な情報を提
供する。
Vanderbilt大のAhlbinらは、130nm CMOSの重イオン試験で、予想外に短いパルス幅の
SETが観測されたことを受け、そのメカニズムを説明するモデルを提案した。図3.1.4-22はSETパ
ルス幅とLET依存性を示したもので90nmでは依存性が顕著でないことを挙げ、微細化により、パ
ルス幅のLET依存性が小さくなると指摘している。（図では180nm依存性顕著でない（赤丸内。担
当委員コメント））
180nm
Benedetto, TNS, 2005図3.1.4-223.SETパルス幅とLET依存性（90nm
では依存性顕著でない。180nm も？（委員コメ
ント）
図 3.1.4-23. インバータチェーンでの隣接
pMOSのチャージシェアによるSETパルス
これを受けて、図3.1.4-23に示すようなインバータチェーンを考えると、トランジスタ下部で発生し
た電荷が一度OUT2のpMOS部にSETパルスとしてとらえらえても、下部でチャージシェアがおき
て電荷がOUT3に届くと、OUT3の一度OFF状態になったpMOSがすぐにONになり、本来
750psあるべきOUT3のSETパルス幅が、図3.1.4-24に示すように切り取られて75psになってし
まう場合がある。これを検証するために、図3.1.4-25に示す130nmプロセスのガードバンド有り/無し
のインバータTEGを作成した。ガードバンド有りのインバータではチャージシェアが起きにくいことを
期待。
図3.1.4-26にKr (30MeV・cm2/mg) を斜め60度から（チャージシェアがおきやすい）照射した
ときのパルス幅分布の測定結果を示す。ガードバンドが無い場合に比べ、ガードバンドのあるほうが、 パルス幅が長くなっており、パルスの切り取りが起きていないことがわかる。
表3.1.4-4にパルス幅平均値をKr照射とXe照射の場合についてまとめた。ガードバンドのある
方がパルス幅が長くなっていることがわかる。（平均パルス幅はガードバンドなしの方が短いが、
チャージシェアがあるとLET依存性は小さくなるはずでは？との、委員コメント有り）
OUT2
（
750ps)
OUT3（75ps)
図3.1.4-24. 隣接pMOS 3Dモデルと9段
インバータチェーンによる Mixed mode
TCAD シミュレーション結果
図 3.1.4-25. ガードバンド有無
のDUT（130nm（何故90nmで
ない？（委員コメント））
ガードバンド 有り
ガードバンド無
図 3.1.4-26. Kr(30MeV-cm2/mg) 斜め 60
度照射時のガードバンド効果
Vanderbilt大学のGoukerはCo-60ガンマ線によるTID効果がSETに及ぼす影響を調べた。
DUTはインバータチェーン（図3.1.4-27）でパルス幅の変化を調べた。図3.1.4-28には180nmFD
SOIのインバータのレイアウトと構造を示す。赤丸がレーザ照射位置：オフ状態のnMOSFET、
590nm、パルス幅1ps、位置精度0.1um。本来レーザでねらってSET発生できるのに、チェーンで
ある必要はないはずであるが、別な目的もあって作成したTEGを流用したものと推測。
図3.1.4-29はCo60ガンマ線照射によるTID効果をインバータチェーン数20, 100, 180段につ
いて照射前、50krad、100krad照射した時点でのSETパルス幅の測定値を示したもので、照射量
が多くなると、パルス幅が増える。（180段では50→100kradでパルス幅減少？している点に言及な
し）TID 効果で BOX に正電荷がトラップされ、pMOS の駆動力を低下させるのが原因と考える。こ
れを、pMOSのVthをシフトさせたTCAD Simで検証（図3.1.4-30）。裏面逆バイアスで模擬でき
る。）
図3.1.4-28. 180nmFD SOI インバータのレイアウ
トと構造
DUT
（Broadcom社
200段インバー タチェーン）
図 3.1.4-27. On-chip パ ル ス 幅 計 測 系
(Narashimham, Trans. Dev. Material Rel., 2006)
図 3.1.4-29. Co60 ガンマ線照射による
TID効果
図3.1.4-30. Co60ガンマ線照射によるTID効果の
検証：パルス幅平均値の変化（TIDに対して非線
形：Vthのシフト量がTIDに対して非線形であるこ
Vanderbilt大のGadlageらは、SETパルス幅のドリフト、拡散、バイポーラ効果などに起因する
温度依存性を130nm Bulk, FD-SOIデバイスについて解析した。図3.1.4-31に示す（本論文には
説明が無かったため、同様の測定装置としてMakinoらの図を引用）100段のインバータチェーンを
使用してパルス幅を測定した。パルス幅測定系の一段あたりのディレイは100ps程度であり、図
3.1.4-32に示す直線的な温度依存性を持つ。
図3.1.4-33はXe イオンを照射した場合の平均SETパルス幅の温度依存性を示す。ここでも直
線的な関係が得られた、イオンが入射するインバータのpMOS部分を3Dモデル化したMixed
mode TCAD simulationを実施した。図3.1.4-34は結果の一例を示したもので、温度の上昇につ
れパルス幅が伸張していることがわかる。
図3.1.4-35はnMOSに入射した場合のシミュレーション結果を示したもので、nMOSの場合、温
度依存性は小さい。図3.1.4-36はｐMOSのソース、ゲートを除去したダイオード（CMOS構造でな
いのでバイポーラ起きない）にイオン照射した場合のシミュレーション結果を示したもので、温度依存 性は小さい。これから、温度依存性はバイポーラ効果に起因すると結論。
その他、180nmFD SOIでは温度依存性小さいことを結論。
100段のNOT 32段のNOT＋latch（ﾘﾝｸﾞｵｼﾚｰﾀ） Makino, TNS2009
図 3.1.4-31. 100 段のインバータチェーン（130,
180nm、ガードバンド有無、Bulk, FD SOI) に発
生する SETパルス幅の温度依存性を測定（本文に
測定系図なし）
図3.1.4-32. 130nmインバータ一段のDelayの
温度依存性
図3.1.4-33. Xeイオン照射(40.1MeV-cm2/mg) 時
の130nmチェーンに発生するSETパルス幅
図3.1.4-34. TCAD Simulatonによる130nm
pMOS イオン入射時のパルス幅の温度依存性
Vanderbilt大のTuinengaとMassengillは、SETパルスの伸張、圧縮をゲート、ボディ間の要 領依存性などを、簡単な解析モデルを用いて解析した。
図3.1.4-39に回路シミュレーションに用いたインバータチェーン(a)および個々のインバータの詳
細(b)を示す。
図 3.1.4-38. 解析モデルで計算したゲート
ボデイフィルタ時定数、ゲート遅延およびそ
の比率。90nm で、フィルタ時定数がゲート
遅延を上回っていることに着目。
図3.1.4-37. 解析モデル。チャネル底部にpgwc
(pretty good well contact) と称する低抵抗層
を想定。
図3.1.4-35. TCAD Simulatonによる130nm
MOS イオン入射時のパルス幅の温度依存性
（小）
図3.1.4-36. TCAD Simulatonによる130nm
ダイオード構造でのpMOSイオン入射時のパル
ス幅の温度依存性②
pMOS 入射でパルス幅に温度依存性が顕著な
のは寄生バイポーラ効果のためとしている。
このインバータチェーンを用いて、SETパルスの伸張のゲートｰボディ間容量（図3.1.4-40）負荷
容量、Vdd（（図3.1.4-41）、トランジスタ幅比などの影響を）解析した。
Pellishらは、npn IBM 5AMヘテロ接合バイポーラトランジスタについて、36MeV酸素イオンマ
イクロビームを用いて、リアルタイムディジタルオシロスコープ測定を実施した。
図3.1.4-42はDUTの3次元俯瞰図、2次元断面図を示す。非常に深いSTIが備わっているこ
とに特徴がある。図3.1.4-43は測定に用いた高帯域パッケージ。4本のマイクロストリップ伝送線路
に中央のDUTがワイヤボンディングされている。
図 3.1.4-40. ゲートｰボディ間容量の SET
パルス伸張への影響
図3.1.4-41. VddのSETパルス伸張への影響
図 3.1.4-42. 重イオンマイクロビームで実験し
たnpn IBM SiGeヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタの3D(a), 2D(b)モデル
図3.1.4-43. 実験に用いた高帯域パッケージ。4本の
マイクロストリップ伝送線路に中央の DUTがワイヤボ
図3.1.4-44はVsub＝-4Vで全ての端子を接地し、36MeV酸素イオン照射時の発生電流の
TRIBIC 2次元スキャン結果、図3.1.4-45に、Vc=3V(a)、Vc=-3V(b) での36MeV酸素イオン照
射時のTRIBIC 2次元スキャン結果をまとめた。イオン入射に鋭敏な部位を各種条件で、同定でき
ることが分かる。
図 3.1.4-45. Vc=3V(a)、Vc=-3V(b) での
36MeV 酸素イオン照射時の TRIBIC ス
キャン結果
図3.1.4-44. Vsub＝-4Vで全ての端子を接
地し、36MeV酸素イオン照射時のTRIBIC
3.1.4.5 TID関連の発表
表3.1.4-5にTID関連の発表概要をまとめる
表3.1.4-5 TID関連の発表概要
項番 概要
３．２．10
POLアプリケーション 向け宇宙用耐放射 線耐量横型パワー MOSFETの開発
■本論文では衛星用POLコンバータに適した横型パワーMOSFETの放射線耐量（トータル ドーズ耐量、高エネルギーパーティクル耐量）について考察する。
■横型パワーMOSFETは高エネルギーパーティクル耐量（SEB耐量）に関して敏感である。 デバイスシミュレーションと実測を元にそれらトレードオフ関係を研究した。
３．２．11
TIDを受けたフロー ティングゲートフラッ シュメモリでのエラー 発生の不安定性
■照射後のFG Cell Error（ビットエラー）の時間変化に関する研究は少なく、TID効果の研 究においてアニーリングについて言及するものはほとんどない。
■本論文では、TID照射後、数秒から数1000時間にわたって測定したビットエラー数とFG 電圧閾値Vthの時間変化について報告している。
３．２．１２
ゲート全包型シリコン ナノワイヤーの照射 応答
■断面積長500Å程度のゲート全包型MOSFETを、単結晶シリコンナノワイヤーから作製し た。
■X線照射に対する応答を、ゲート酸化膜厚、物理設計、電界をいくつか変えて測定した。 素子の電気的特性は非常に良好だったが、トータルドーズ劣化は予想より大きかった。 ■このことはナノワイヤーの(100)面方向以外で厚く、不均一なゲート酸化膜成長に帰する ことができる
３．２．１３ 温度と電子線の AlGaN/GaN HFETs の電気特性への影 響
■Al0.27Ga0.73N/GaN HFETs に80Kで電子照射をした。ゲートリークとトランジスタ電流（ドレ イン電流）を測定し、理論上のトンネリングモデルにあてはめた。
■結果は以前の研究と一致し、明らかに放射線がAlGaNの中に低温で正電荷を帯びた点 欠陥をつくることを示している。
SNLのP.E. Doddらは衛星用POLコンバータに適した横型パワーMOSFETの放射線耐性に
ついて解析した。図3.1.4-46に示した分散電源システムでは高集積化、低電力という宇宙用パワー
デバイスにも要求される仕様に対応できる可能性が大きい。図3.1.4-47にPOL出力段の
Drain-Extended (DE) パワーMOSFET （POL制御ASICと1チップ構成）を示す。TID, SEB,
SEGR耐性の確保が課題である。
図3.1.4-46. 宇宙用分散型電源システム
図3.1.4-47. POL出力段のDrain-Extended
(DE) パワーMOSFET （POL制御ASICと1
チップ構成）。TID, SEB, SEGR 耐性の確保
図3.1.4-48はウェハレベルTID特性を酸化物トラップΔVotと界面トラップΔVitに分けて示した もので、合計で、100kradでVthシフトは-0.2Vと耐性高い。図3.1.4-49はSEBしきい電圧をLET
の関数として示したもので、Vds＝7, 8Vで破壊が生じ、非常に弱い。
SEB耐性は図3.1.4-50に示すようにp-body層の直下にp+埋め込み層を形成し、寄生バイポー
ラ効果を抑制することで低減できる可能性がある。SEB耐性はdrain extension length LNを長く
して耐圧をあげることによっても実現できる。図3.1.4-51に結果をまとめる。
Bagatinらは、NAND型SLCフラッシュメモリ、NOR型MLCフラッシュメモリのFGセルメモリ
エラーのアニーリング特性について解析した。90nm 256Mb NOR型4値セル、および70nm 4Gb
NAND型フラッシュメモリのTID（X線で85krad(Si)、陽子線で200krad(Si))後のアニーリング効
果を評価した。図3.1.4-52はNOR型MLCメモリにおけるVth分布と４値のビットパターンのアサ
インを示している。
図3.1.4-53はNAND型フラッシュメモリではTID試験後のエラー（“0”→“1”のみ）の減少を示す
ものでは単調で、データパターン依存性は小さい 図3.1.4-48. TID：100kradで-0.2Vと高耐性
図 3.1.4-49. SEB耐性：TCADシミュレーションと
の比較
図 3.1.4-51. SEB 耐性、耐圧に及ぼす Drain
extension length LNの効果
図3.1.4-54は、NOR型MLCの陽子照射前後のVth 分布を示したもので、FGに電子が蓄積
されている“10”、“00”、”01”では Vth は低減する方向だが、ホールが蓄積される”11”では増加する
方向を示している。照射後のアニーリングでは図 3.1.4-55 に示すように、Vth は一様に増加。正孔
が蓄積する“11”が最大になる。 これは、“10”、”00”,”01”ではTID後、Vthは下がって、Vref以下に
なるためエラーが発生するが、その後の Vth シフト増によって回復する。一方、“11”は照射によって
VthシフトするがVrefを超えるには至らず、その後のさらなるVth増加でエラーとなる。
筆者はこうしたVth 変化の挙動をFGの不可逆なCharge Loss と可逆的なCharge Trapping
の組み合わせで説明できると主張している。
Draperらは、単結晶型Siナノワイヤーで作成したゲート全包型MOSFETのX線照射に対する
TID効果を解析した。SiナノワイヤーはCMOSフロントエンドプロセスで、図3.1.4-56に示すように
ウェハ上に作成したSiワイヤーを酸化→酸化膜のエッチングを繰り返すことで細線化した。
図3.1.4-57に上面写真とあわせて示すように、酸化膜成長の非等方性（照射耐性の低い(111)面
で成長）のため、断面は非円になっている。
図 3.1.4-52. NOR型4 値フラッシュメモリの
Vth分布と内部電子状態の対応 図3.1.4-53. NAND型フラッシュメモリでは
TIDのエラー（“0”→“1”のみ）の減少は単調
で、データパターン依存性は小さい
図3.1.4-55. 照射後のアニーリングではVthは一
様に増加。正孔が蓄積する“11”が最大。
図3.1.4-54. NOR型のVth分布の陽子照射
図3.1.4-58にI-V特性を示すようにX線照射（最大1Mrad）によって、Vthは減少する。この減
は図3.1.4-59に示すように界面トラップが主因となる。
このVth変化は同じプロセスで作成したプレーナ型より大きく、筆者はこれをナノワイヤーの断面
が非円であって、特定の結晶面の影響とし、水素プロセスの導入により円形化を目指すとしている。
図3.1.4-56. ナノワイヤートランジスタとその製法
ゲート電極の配置（全周型） L
周長＝W
断面図
図3.1.4-57. ナノワイヤートランジスタの上面と断面写真
図3.1.4-58. X線照射（最大1Mrad）後の
Moranらは、Al0.27Ga0.73N/GaN HFETs に80Kで電子照射をした。ゲートリークとトランジスタ
電流（ドレイン電流）を測定し、理論上のトンネリングモデルにあてはめた。結果は以前の研究と一致
し、明らかに放射線がAlGaNの中に低温で正電荷を帯びた点欠陥をつくることを示している。
図3.1.4-60はGaN型HFETの断面図を示す。図3.1.4-61は電子線照射前後の典型的な
HFETのIds-Vgs波形@Vds=1Vを示す。測定温度は85K。フルエンス量は図に記載。照射後４８日
で照射前の特性に戻る。
実験データは図3.1.4-62に示すようにTrap-Assisted Tunnelingモデルでフィッティングできる。
照射後のゲートリーク電流の増加を立証する支配的なメカニズムが、パッシベーション膜のないデバ
イスでは AlGaN 層でのトラップ密度の増加であり、パッシベーション膜のあるデバイスでは AlGaN
層の中のドナー濃度の増加であることがわかった。照射後のキャリア濃度の変化はドレイン電流の増
加と閾値電圧シフトを基にCharge Control モデルを使った計算からAlGaN層にトラップされた正
電荷のために発生していると考えられる。低温での電子線照射による効果はチャネルを通過する電
流とゲートを通過してリークする電流の両方を増加させる結果であった。これらの変化はGaNデバイ
スの宇宙分野への応用において重要で、HFETs を使うシステムの設計では考慮する必要があるだ
ろう。
図3.2.13-1. 評価したAl0.27Ga0.73N/GaNデバイス
HFETの断面図
図3.1.4-60. 評価したAl0.27Ga0.73N/GaNデ
バイス HFETの断面図
図 3.1.4-61. 電 子 線 照 射 前 後 の 典 型 的 な
HFET の Ids-Vgs 波形@Vds=1V。測定温度は
図3.1.4-62. 温度関数としてゲートリーク電流を、4パラメータのTrap-Assisted Tunnelingモデルで
モデル化。4 パラメータは、ドナー濃度 ND、トラップ濃度 Nt、トラップエネルギーΦ(t)、ショットキー障
3.1.4.6 まとめ
(1) 新しい傾向
① SETへのTID効果
② 低エネルギー陽子による直接イオン化効果
(2) 継続的に関心増大傾向
① 電荷シェア（bipolar効果含む）によるMNT (Multi-Node Transient) （民生デバイスでは今
最大の関心事）
② ラッシュメモリのVthシフト
③ SETの長いゲートチェーンによるSET幅の増大
(3) 地上の SEEに関しては発表の場が、NSREC から専門学会 (IRPS, ICICDT,SELSE, DNS,
IOLTS) にほぼ完全移行。2011年の開催予定は以下。
■SELSE7 3/29,30@イリノイ大学
■IRPS2011 SER2セッション、4月12-14日＠Monterey、CA
■ICICDT2011 SER1セッション、5月2-4日、高雄、台湾
■WDSN2011 6月27日、香港
■IOLTS2011 7月13－15日、アテネ
(4) 国際標準試験法への動向
（i） JEDEC JESD89A改訂→JESD89B（2010年10月～）
・低エネルギー中性子の影響
・ロジックデバイス計測法
・チップ、ボードレベル試験など
（ii） IEC62396-1～5 （2010年～）
・航空機高度のデバイス試験法、設計ガイドライン
・TC107委員会
3.2 検討文献
3.2.1 半導体中の配線材料での核破砕反応によって発生する 2 次粒子に起因する荷電粒子発
生
文献名 Charge Generation by Secondary Particle From Nuclear Reaction in BEOL
Materials
出典 IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. 56, No. 6, pp. 3172-3179, Dec. 2009.
著者名 N. A. Dodds, R. A. Reed, M. H. Mendenhall, R. A. Weller, M. A. Clemens, R. D.
Schrimpf, and M. P. King with Vanderbilt University, P. E. Dodd, M. R. Shaneyfelt, G. Vizkelethy, and J. R. Schwank with Sandia National Laboratory, J. H. Adams with NASA Marshall Space Flight Center
対象デバイス Bulk, SOI, ダイオード
実験設備 LBNL, TAMU, NSRL
照射線種及び エネルギーの区分
重イオン
16～1000MeV/u at constant LET of 1.2 MeV/(mg/cm2)
単発現象又は 積算線量効果の区分
単発現象
実験又は理論の区分 シミュレーション及び実験
(1) 概要
半導体デバイス中のセンシティブ領域近傍に重金属（タングステン等）が存在した場合、入射粒子
により核破砕反応が起き、発生した2 次粒子によってSi 中に過剰な電荷が発生し電荷収集が引き
起こされる、という現象について詳細に解明した論文。
実験結果から、入射粒子のLETが一定でエネルギーが増加するに従い、核破砕反応によって引
き起こされる電荷収集は、あるところでピーク値を持つことが判明した（SEU耐性については、ワース
トケースのエネルギー値が存在する、という意味）。
高エネルギー粒子の核破砕反応による発生電荷が何故減少するのか、モンテカルロシミュレー
ションで検証した。この結果、本現象で生成される 2 次粒子は、質量が小さくエネルギーが大きいた
めに、低エネルギー粒子でのそれに比べて、LETが小さく、電離作用が少ないことが判明した。
重イオンによる核破砕反応を考えたとき、SEUの観点から見ると、最も問題となるのは、入射
粒子よりも、核破砕反応で生成される非常に大きなLETを持つ2次粒子としての重イオンであ
る。従って、核破砕反応自体は、非常に低い確率でしか起こらないにも関わらず、生成される
2次粒子が大きなLETを持つことで、実際には耐放射線性デバイスのエラーレートにおいて
支配的な要因となる場合がある。
ICのバックエンドプロセス(Back-end-of-line:配線工程)で使用されている重金属(High-Z,
例えばW(タングステン))材料は、さらに大きなZを持つ(LETもさらに大きな)2次粒子の生成す
る原因となり、Si中での生成電荷量を増やす。
従って、IC中のW等の重金属の存在によって、核破砕反応により、SEUに対して敏感にな
る。
本現象に関し、P.E.Dodd氏が(Related Previous Paper：[1])の中で以下のような問題提起
くなると飽和するのか、しないのか？（Worst case energyとしてピーク値を持つ？持たな い？）”
本論文では、重イオン照射実験及びモンテカルロシミュレーションより、IC中のW等の重金属
がSEU反転断面積へ関与するメカニズ
ムを推測する。
(2) 実験
照射実験は、表 3.2.1-1 に示す条件で行っ
た 。 重 イ オ ン 施 設 は 、LBNL, TAMU 及 び
NSRLを使用した。入射エネルギーは、16, 40
及び1000MeV/uとし、LETについては入
射粒子による直接電離(direct ionization)
の 影 響 を 排 除 し 、 非 直 接 電 離(indirect
ionization)による影響をより顕著にさせる
ために、1.2MeV・cm2/mgで一定とした（低
いLETとした）。フルエンスは、反転断面積
の小さい核反応によるイベントを観測するた め、高め(109 particles/cm2)に設定した。
図3.2.1-1は、入射イオンに対するLET
の関係を表した図である。本実験で使用し
たイオンは、前述したようにLET=1.2MeV・
cm2/mgで一定で、図中”○”で記した 3種
類(Nitrogen, Neon, Iron)である。
試験サンプルは、図3.2.1-2に示すように3種類の異なるタングステン(W)/メタル(M)構造のSOI
型ダイオードである。これらのサンプルの違いはW層とSi基板の距離であり、[W1+M1], [W2+M2],
[W3+M3]の順にその距離が短い。
[W1+M1] [W2+M2] [W3+M3]
図3.2.1-2. メタル層を含んだSOIテストサンプルの構造、(a)W1, M1 (b) W2, M2 (c)W3,
M3。これらのテストサンプル構造は、シリコン活性領域での電荷生成に関する上層構造の寄
与を考慮している。
表3.2.1-1 実験に使用したイオン種
Nitrogen Neon Iron
図3.2.1-1. 原子番号の大きくなることにより入射粒子の
エネルギーが増え、LETは一定に保たれる。図中の
照射中は 3V の逆バイアスを印加し、重イオン入射による電荷を波高分析装置（PHA : Pulse
Height Analysis）を用いて収集した。
(3) 実験結果
図3.2.1-3に Neイオンを用いた実験結果を示す。W 層とSi基板の距離が最も短い[W1+M1]
デバイスが、収集電荷量も最も多いことがわかる（最大で 530fC）。しかし、2 次粒子のエネルギーが
図 3.2.1-1（Energy of Incident Particle vs
LET グラフ）に示されるBragg peakよりも大き
い場合、Si中のSensitive領域に到達する間に、
電離能力(LET)がBragg peakに達するケース
も考えられる。
収集電荷量<250fC の領域は、ビームに混入
した 20Ne 以外のイオンによる直接電離によって
発生した SEU 反転断面積と考えられる。（20Ne
に よ る 直 接 電 離 の SEU 反 転 断 面 積 は 、
1.8×10-3 cm2であるためこれではない。）
収集電荷量>250fCの領域は、明らかに20Ne
による直接電離のそれより反転断面積が小さい ため、核破砕反応によるものと考えられる。
(4) 考察
論文[1]において、以下のような疑問が提起されている。
図3.2.1-4に示すようにSRAMのSEU反
転断面積は、入射粒子のLET一定でエ
ネルギーが増加するにつれ、増加して
いる。（この論文の実験値は、40MeV/u
までしかなかった。）
反転断面積は、このまま飽和状態になら
ずに増加し続けるのか？
仮に増加し続ける場合、宇宙空間には
地上試験で使用しているエネルギーより もさらに大きなエネルギーの粒子が存在 しているため、今までの試験方法では軌
道上のSEUエラーレートの予測は不十分となる、という結論になる。
この問題提起に対して解析・考察する。
構造[W2+M2]と[W3+M3」に対して、LET=1.2MeV・cm2/mg 一定でエネルギーの異なるイオ
ンを照射し、収集電荷量と積分反転断面積を解析した。この結果を図3.2.1-5及び図3.2.1-6に示
す。図3.2.1-5及び図3.2.1-6より、構造[W2+M2]及び構造[W3+M3」共に、入射エネルギー最大
(1000MeV)の結果が、収集電荷量は最も小さくなることがわかり、収集電荷量が最大になるエネル
Direct ionization events
[W1+M1] [40 MeV/u 20Ne]
図3.2.1-3. 各テストサンプル構造の40 MeV/uの 20Neイオンでの実測反転断面積。シリコン活性 領域に近いポジションにタングステン構造がある ことが、大きな電荷生成イベントを生んでいる。
ギー値が存在することを確認した（40～1000MeVの間）。（核破砕反応によるSEU耐性評価をす る際の、照射イオンLETにおける Worst case energy値）
さ ら に 、 図 3.2.1-7（ 論 文[2]よ り ） に 示 す Bulk デ バ イ ス に つ い て 、MRED(Monte Carlo
Radiation Energy Deposition)を用いてシミュレーションを行った。図3.2.1-8の結果より、Worst
case energyは、Critical chargeにより決まることがわかった。Qcrit=1200fCの場合、Worst case
energy 93MeV/u（100MeV/u近辺）となり、Qcrit=200fCの場合、反転断面積はエネルギーに依存
しない。また、図3.2.1-9, 3.2.1-10の結果より、Worst case energyは、デバイスを構成する材質だ
けでなく、Critical chargeやSensitive volumeにも影響されて決まることも確認した。
93MeV
1000MeV 40MeV [シミュレーション結果]
(Bulk-Si, Fixed LET used=1.2 MeV/(mg/cm2))
図3.2.1-8. Bulkデバイスにおける、各種重イオン （ただし固定LET（LET=1.2MeV/(mg/cm2)））の 反転断面積のシミュレーション値
図3.2.1-7. Bulk-Si サンプル構造 [3]
図3.2.1-5. 入射粒子のLET =1.2MeV･ cm2/mg 一定で、入射粒子のエネルギーを 変化させた時の、積分反転断面積を測定 （構造：W2+M2）
図3.2.1-6. 入射粒子のLET =1.2MeV･ cm2/mg 一定で、入射粒子のエネルギーを 変化させた時の、積分反転断面積を測定 （構造：W3+M3）
[W2+M2]
1000MeV 40MeV
[W3+M3]
1000MeV 40MeV
(a) Worst case energy以降について核破砕反応によるSEU反転断面積が減少する要因について 考察する。
図 3.2.1-11 に、異なる入射エネルギー(20Ne[40MeV/u], 56Fe[10000MeV/u])による核破砕反
応についてシミュレーションした結果を示す。このシミュレーション結果より、高エネルギー入射イオ
ン(56Fe)の方が、多くの 2 次粒子を生成することがわかる。しかし、低エネルギー入射イオン(20Ne)
で発生した、最も質量の多い2次粒子(168Lu)は、56FeでのそれよりLETが大きい。従って、Worst
case energy以降（高エネルギー）ではLETは小さく電離作用が少ないためSEU反転断面積は
減少すると考えられる。
(b) 上記の傾向は、全般的に言えるかどうかについて、考察する。
シミュレーション結果より、エネルギーの高い入射イオンは、多くの低質量 2 次粒子を生成する
（図3.2.1-12）が、入射イオンのエネルギーがある値以上になると、高いLETの2次粒子は生成さ
[Bulk-Si]
(LET used=1.2MeV/(mg/cm2))
図3.2.1-11. 核破砕反応のシミュレーション結果、(a)40MeV/uのネオンを使用した場合、 (b)10,000MeV/uの鉄を使用した場合。これらの結果は、大きなエネルギーの核反応は、低
質量の高エネルギー2次粒子を生成し、従ってこれらの粒子はLETが低いことを示す。
Worst case energy (1200 fC Qcrit) ≈ 100 MeV/u
[Bulk-Si]
(LET used=1.2 MeV/(mg/cm2))
図3.2.1-9. Bulkデバイスにおける、入射
粒子のエネルギーとSEU反転断面積のシ
ミュレーション値の関係。SEU反転断面積
が最大にとなるエネルギー値は、QCRITに よる。
図3.2.1-10. SOIデバイスにおける、入射粒子
のエネルギーとSEU反転断面積のシミュレー
ション値の関係。SEU反転断面積が最大にと
なるエネルギー値は、QCRITによる。
Worst case energy (200 fC Qcrit) ≈ 500 MeV/u
[SOI-Si*1]
(LET used=1.2 MeV/(mg/cm2))
れない（図 3.2.1-13）ことを確認した。また、これらのシミュレーション結果は、図 3.2.1-9, 3.2.1-10
のQcritが大きい場合の結果とも合致する。
以上の照射実験及びシミュレーションの結から、SEU評価手法を以下に提案する。
デバイス中のQcritが、直接電離で生成される電荷量よりも小さい場合、低エネルギーでの
照射試験はまず必要ない。
しかし、Qcritが、直接電離で生成される電荷量よりもはるかに大きい場合（HBDメモリ等使
用の場合）、入射エネルギーのSEU反転断面積への影響は、本論文の結果のような傾向
を取る。
Worst case energyが存在するため、広範囲のエネルギー条件での照射試験が採用され
るべきである。
または、シミュレーションにより、Worst case energyをあらかじめ算出するのも手であるが、
シミュレーター自体も、核破砕のモデル等さらに評価/改良していく必要がある。(Now
on-going)
(5) 結論
バックエンド配線工程(BEOL)に存在するタングステン等のHigh-Zの材料は、核破砕反応による
過剰な電荷収集を引き起こす原因となる。Si 中のセンシティブ領域とタングステンとの距離も、過剰
電荷収集に寄与するが、必ずしもこの距離が近いから収集電荷量が多くなるわけではない。それは、
入射粒子によって生成された2次粒子のLET最大値(Bragg peak)が、デバイス中どこで現れるか
によるからである。入射粒子のLETが一定の場合、核破砕反応による収集電荷量は、ある入射粒子
のエネルギー値でピーク値を持つ(Worst case energy)ことがわかった。このWorst case energyは、
テクノロジー、デバイスレイアウト、クリティカルチャージ、入射粒子の LET によって、異なる。Worst
case energy 以上のエネルギーでは、収集電荷量が減る傾向にある。これは、非常に高いエネル
図3.2.1-12. ターゲット184Wに対し様々な エネルギーを持つLET = 1.2MeV / (mg /cm2 ) のイオンを入射した場合の、発生す る2次粒子のisobaric（同重核）反転断面積 のシミュレーション結果。これらの結果は、 高エネルギーの入射粒子は、多くのター ゲット粒子の核分解を促し、中間及び低質
量の2次粒子を生成することを示す。
図3.2.1-13. ターゲット184Wに対し様々なエネル ギーを持つLET=1.2MeV/(mg/cm2)のイオンを
入射した場合の、発生する2次粒子の反転断面
積と2次粒子の初期LET値とのシミュレーション 結果。これらの結果は、入射粒子のエネルギー が任意の値より大きくなったときに、少数の高
ギーでの核破砕反応によって生成される 2次粒子は、低質量かつ高エネルギーである。従ってこの
2次粒子は、低LETであるから電離作用は逆に小さくなり、収集電荷量は減るからである。
参考文献
[1] P. E. Dodd, J. R. Schwank, M. R. Shaneyfelt, J. A. Felix, P. Paillet, V. Ferlet-Cavrois, J. Baggio, R. A. Reed, K. M. Warren, R. A. Weller, R. D. Schrimpf, G. L. Hash, S. M. Dalton, K. Hirose, and H. Saito, “Impact of heavy ion energy and nuclear interactions on single-event upset and latchup in integrated circuits,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 54, no. 6, pt. 1, pp. 2303–2311, Dec. 2007.
[2] J. F. Ziegler, J. P. Biersack, and U. Littmark, The Stopping and Range of Ions in Solids. New York: Pergammon, 1985, vol. 1.
3.2.2 フラッシュベースFPBGAにおけるSEE感度の周波数依存性研究のための方法論
文献名 Methodologies to Study Frequency-Dependent Single Event Effects Sensitivity in Flash-Based FPGAs
出典 IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. 56, No. 6, pp. 3534 - 3541 Dec. 2009
著者名 N. Battezzati, S. Gerardin, A. Manuzzato, D. Merodio, A. Paccagnclla, C. Poivey, L. Sterpone, and M. Violante
対象デバイス Flash-Base FPGA
実験設備 SIRAD (National Laboratory in Legnaro, (INFN), Padova, Italy)
Heavy-ion Irradiation Facility (HIF) (Louvain—La-Neuve, Belgium)
照射線種及び エネルギーの区分
61.8MeV・cm2/mg（ヨウ素） 64.8MeV・cm2/mg（キセノン）
単発現象又は 積算線量効果の区分
単発現象
実験又は理論の区分 理論および実験
(1) 序論
FPGAはリコンフィギュレーション機能と共に、高性能、低消費電力であることから、宇宙用途への
関心が増してきている。しかし、宇宙環境で FPGAを使用するためには放射線耐性の強化されたも
のを使用しなければならない。さらに、Commercial-Off-The-Shelf (COTS) FPGAを使用するなら
ば、ユーザーによる放射線耐性強化は必須である。
フラッシュベースのFPGAは、SRAMベースのFPGAのようにコンフィグレーションメモリーがアップ
セットを起こさないことから、厳しい放射線環境下での解として注目を集めている。本論文は、フラッ
シュベースのFPGAに配置された実際の回路にて、クロック周波数とルーティングアーキテクチャの
調査結果を報告するものである。
(2) 背景
FPGA は、フローティングゲートセルがスイッチを制御するフラッシュメモリーにより、プログラミング
を可能にしている。そして、このスイッチがロジックタイルとルーティングパスを構成する。スイッチプロ
グラムは、2 つのデバイス間で共有されているフローティングゲートの書き込みによって行われる（図
3.2.2-1参照）。
