宇宙航空研究開発機構契約報告
JAXA Contract Report
最新デバイスの耐放射線性強化技術に関する検討
平成18年度 成果報告書
２００７年１２月
December ２００７Japan Aerospace Exploration Agency
宇宙航空研究開発機構
J A X A - C R - 0 7 - 0 0 2
作成元 HIREC株式会社
Prepared by
目 次
1. まえ ···1
2. 委託業務の目的···2
3. 適用文書···3
4. 委託業務の実施概要···4
4.1 最新 バイス 対す 耐放射線性強化技術等の検討···4
4.2 委員会の運用···4
5. 委託業務の成果···5
5.1 耐放射線性強化技術···5
5.1.1 耐放射線強化技術 関す 検討材料の調査···5
5.1.2 検討委員会の設置···8
5.1.3 委員会活動···9
5.1.4 耐放射線強化技術··· 11
5.1.4.1 半導体素子 対す 放射線照射効果の動向··· 11
5.1.4.2 調査文献··· 11
(1) ELDRS··· 12
(2) シングルイベン 効果··· 16
(3) 民生用 ワーMOSFET ··· 29
(4) ホ プ の耐放射線性評価法··· 30
5.1.4.3 ま め··· 31
5.2 検討文献··· 33
5.2.1 ゲー 制御の ルPNP ン スターを使ったTM1019.6ELDERSス ーニング方法の 評価··· 33
5.2.2 重イオン及びプ ン よ 発生す ープ サ ミ ン プ セス中の組合せ及び順序 ッ のエ ーレー の比較··· 42
5.2.3 SRAM/SOI おけ 非対称単発反転現象··· 52
5.2.4 民生用 ワーMOSFETの電離放射線照射後の阻止状態の漏 電流··· 62
5.2.5 線量率切換実験を用い バイポー ニア集積回路の低線量率劣化評価··· 76
5.2.6 数10nm バイス おけ レー 及び重イオン照射誘起過渡 ルスの直接測定··· 86
5.2.7 SRAM FPGA おけ 放射線誘起多重ビッ 反転 MBU ··· 100
5.2.8 150nm SRAMの多ビッ エ ー··· 113
5.2.9 タルSET ルス幅の変動量 先端的CMOSのシングルイベン 耐性強化 の関係···· 120
5.2.10陽子 引 起こす単発現象 ッチアップの陽子エネルギー効果··· 130
5.2.11先進的 商業用完全空乏型SOI SRAMの中性子 陽子線誘起シングルイベン アップセッ ··· 140
5.2.12 ルゲー MOSFET おけ 重イオン照射 誘起さ バイポー 増幅のシミュレーション 解析··· 152
5.2.13シングルイベン 耐性 及ぼす配線層の影響··· 166
6 委託業務の実施結果··· 187
6.1 実施期間、提出文書、納入書類 ··· 187
6.1.1 実施期間··· 187
6.1.2 提出文書··· 187
6.1.3 納入書類··· 187
6.2 検討委員会の運営··· 188
7. 成果のま め··· 189
8. 謝辞··· 190
1.まえ
この成果報告書 、独立行 法人 宇宙航空研究開発機構 殿 以 JAXA いう の委託業務 平成18年度 最新 バイスの耐放射線性強化技術 関す 検討 基 い 、2006年6月14日
2007年3月16日ま の期間、ＨＩＲＥＣ株式会社 以 HIREC いう 実施した業務の成果
2.委託業務の目的
最先端技術を用いた部品 、高機能化／高集積化の要求 伴い集積回路の微細化 進 い
、その一方 、放射線 よ 影響 受けやすく っ お 、放射線 よっ 発生す 様々 現象
従来の の 異 っ い 考え また、従来の耐放射線性試験方法 い 、適正
判断 試験方法を調査し確立し いく必要 あ こ い 有識者 構成さ 検討委員
会を設置し、国内外の文献等を調査した上 試験方法を含めた耐放射線性強化技術動向 関す
3.適用文書
本報告書を作成す あた 、 記文書を適用した
(1) 平 成 18 年 度 最 新 バ イ ス の 耐 放 射 線 性 強 化 技 術 関 す 検 討 調 達 仕 様 書 委 託
JX-PSPC-194628
(2) 検査実施要領 安全 信頼性管理部長 契約部長通達16-1号
(3) 検査実施細則 CGM-103013
(4) 認図等 コンフ ギュレーション識別文書 の 認手続 CRM-103005
(5) 成果を報告す 文書等の取 扱い い PCX-03002
(6) 国等 よ 環境物品の調達の推進等 関す 法律 平成12年法律第100号
(7) 環境物品等の調達推進 関す 基本方針 議決定 平成15年2月
(8) 環境への負荷の少 い物品等の調達 関す 選定要領 経営企画部長 契約部長 安全
信頼性管理部長通達16-1号
(9) 筑波環境管理シス ム 3 次文書 VCA-20030014A 筑波宇宙センター おけ 環境管理の
4.委託業務の実施概要
4.1最新 バイス 対す 耐放射線性強化技術等の検討
(1)最新 バイス 対す 耐放射線性強化技術 い 、宇宙機関 NASA、ESA等 の地上試験
結果及び宇宙機 おけ 評価装置等 よ 試験結果 い 調査 検討を行った
(2)国内外の学会発表、報告、文献及び ータベース等を調査 検討した また、収集した資料
委員 検討材料 し 配布し、検討のベース した
(3)上記の調査 検討結果 、ま め 委員会 おい 報告した また、委員会 の検討結果 資
料 し ま め、各委員 配布した
4.2委員会の運用
4.1項を検討す あた 、契約期間中 検討委員会を5回開催した 委員会の開催 際し 、
各種連絡調整作業等を行い、以 の事項を運用し進行を図った 参加委員 大学、公的研究機
関、企業等の学識経験者 委嘱した また、参加委員 、謝金 旅費等を HIREC の社内規定 則 支払った
(1)会場の準備
(2)委員 対す 通知
(3)委員会 必要 資料の準備
5.委託業務の成果
5.1耐放射線性強化技術
5.1.1耐放射線強化技術 関す 検討材料の調査
近年の半導体 バイスの微細化、高密度化及び高機能化 目覚しい の あ 特 地上
用半導体 バイスを宇宙用部品 転用す COTS(Commercial off the Shelf) 関す 検討
欧米の宇宙機関 おい 長年実施さ い COTS 問題 関し 、地上用部品 宇宙
用部品の決定的 違い 耐放射線性を避け 議論す こ い このため、各国の宇
宙機関 プ セスや構造 関し 最先端技術を評価し い また、微細化等 伴っ 新た
確認さ た現象 関し 学会等 おい 活発 議論さ い このよう 技術革新 進
中、い 半導体 バイスの耐放射線性を適正 評価す 、重要 課題 っ い
こ の背景を踏まえ 、本年度の耐放射線性強化技術 関す 検討材料の調査 、対象
バイス し MOS イオー 素子、SOI素子、 ニアバイポー IC、 ープサ ミ ン タ ル ッ 素 子 、SRAM、FPGA、 ホ プ い を 、 現 象 し ー タ ル ー 現 象
ELDRS を含 、シングルイベン 現象、陽子 中性子核反応シングルイベン 、変位損傷効
果 い の情報を調査した
そ の 結 果 、 半 導 体 バ イ ス 対 す 耐 放 射 線 性 を 研 究 す 学 会 世 界 最 高 峰 の IEEE
Nuclear and Space Radiation Effects Conference(NSREC:2005年7月米国、ワシン ン州
表5.1.1-1 検討材料の文献一覧
対応の本書項番
No. 文 献 名
出典(1)ﾋﾟｰｺﾞ数 ゲー 制御の ルPNP ン スターを使ったTM1019.6ELDERSス
ーニング方法の評価
5.2.1項
1
Evaluating TM1019.6 ELDRS Screening Methods Using Gated
Lateral PNP Transistors p2609
重イオン及びプ ン よ 発生す ープ サ ミ ン プ セス中の組合
せ及び順序 ッ のエ ーレー の比較
5.2.2項
Comparison of Heavy Ion and Proton Induced Combinatorial and
Sequential Logic Error Rates in a Deep Submicron Process p2120
SRAM/SOI おけ 非対称単発反転現象 5.2.3項
3
Asymmetric SEU in SOI SRAMs p2481
民生用 ワーMOSFETの電離放射線照射後の阻止状態の漏 電流 5.2.4項
4
Radiation-Induced Off-State Leakage Current in Commercial Power
MOSFETs p2378
線量率切換実験を用い バイポー ニア集積回路の低線量率劣化評価 5.2.5項
5
Estimation of Low-Dose-Rate Degradation on Bipolar Linear
Integrated Circuits Using Switching Experiments p2616
数10nm バイス おけ レー 及び重イオン照射誘起過渡 ルスの直接測 定
5.2.6項
6
Direct Measurement of Transient Pulses Induced by Laser and
Heavy Ion Irradiation in Deca-Nanometer Devices p2104
SRAM FPGA おけ 放射線誘起多重ビッ 反転 MBU 5.2.7項
7
Radiation-Induced Multi-Bit Upsets in SRAM-Based FPGAs p2455
150nm SRAMの多ビッ エ ー 5.2.8項
8
Investigation of Multi-Bit Upsets in a 150 nm Technology SRAM
Device p2433
タルSET ルス幅の変動量 先端的CMOSのシングルイベン 耐性強 化 の関係
5.2.9項
9
Variation of Digital SET Pulse Widths and the Implications for
Single Event Hardening of Advanced CMOS Processes p2114
陽子 引 起こす単発現象 ッチアップの陽子エネルギー効果 5.2.10項
10
Effects of Particle Energy on Proton-Induced Single-Event Latchup p2622
先進的 商業用完全空乏型SOI SRAMの中性子 陽子線誘起シングルイベ ン アップセッ
5.2.11項
11
Neutron and Proton-Induced Single Event Upsets in Advanced
表5.1.1-1 検討材料の文献一覧
対応の本書項番
No. 文 献 名
出典(1)ﾋﾟｰｺﾞ数
ルゲー MOSFET おけ 重イオン照射 誘起さ バイポー 増幅のシ
ミュレーション解析
5.2.12項
12
Simulation Analysis of the Bipolar Amplification Induced by Heavy-Ion
Irradiation in Double-Gate MOSFETs p2137
シングルイベン 耐性 及ぼす配線層の影響 5.2.13項
13
The Effect of Metallization Layers on Single Event Susceptibility p2189
ホ プ の放射線劣化耐性の保証方法 5.2.14項
14
Hardness Assurance Methods for Radiation Degradation of
Optocouplers p2649
(1)
5.1.2検討委員会の設置
5.1.1項 選定した検討材料を検討す ため 、大学、公的研究機関、企業等の学識有識者
構 成 さ 検 討 委 員 会 を 組 織 し 、 各 委 員 委 嘱 し た 委 嘱 し た 委 員 名 所 属 、 役 職 を 表
5.1.2-1 示す
表5.1.2-1 検討委員一覧表 敬称略
区分 委員名 所属名 役職
1 委員長 大西 一 日本大学 教授
2 副委員長 矢嶋 孝太郎 菱電機 株) 高周波光 バイス製作所 専任
3 委員 石井 茂 菱重工業株) 名古屋誘導推進ｺｽﾁﾑ製作所 主任
4 委員 泉 勝俊 大阪府立大学 産学 連携機構 教授
5 委員 小林 孝 富士電機 バイス ー 株) ﾏﾈｰｺﾞｬｰ
6 委員 石 進 NEC 東芝ス ースシス ム株) ｸﾞﾗｰﾌﾟﾘｰﾀﾞｰ
7 委員 高橋 芳浩 日本大学 専任講師
8 委員 平尾 敏雄 独立行 法人 日本原子力研究開発機構 技術副主幹
9 副委員長 伊部 英史 株 日立製作所 生産技術研究所 主幹研究員
10 委員 藤田 実 法 大学 助教授
11 委員 坪山 透 高エネルギー加 器研究機構 助手
12 委員 馬場 護 東 大学 ｹｲｸﾛﾂﾛﾛ ﾕｺﾞｵｯｲｽﾂｰﾌﾟｼﾛﾀｰ 教授
13 委員 深田 孝司 ほ情報総研 株 ﾏﾈｰｺﾞｬｰ
14 委員 曪 尚郎 株 東芝 セミコン ター社 参事
5.1.3委員会活動
5.1.1 項 選定した検討材料 、各委員 割 当 検討を依頼した 各委員の報告す
検討内容 い 当該委員会 討議し、そ を議事録 し ま めた
第１回 、2005年開催のNSREC おけ 日本の発表者を招 、論文の紹介を行った
表5.1.3-1 さ 、事務局よ 2006年７月 開催さ たNSRECの ッ を報告し最新
情報の提供を行った 第5回委員会 最終回 、大西委員長 日大 、本委員会を統
括し 、本年度の耐放射線分野の動向 い ま めを報告した また、事務局よ 成果報
告会を兼 当該委員会の運営 い 報告した
委員会の議題等を表5.1.3-2、配付資料を付録1 添付す
表5.1.3-1 2005年開催NSREC おけ 日本 の発表論文及び発表者
論文タイ ル 発表者
1 Local and pseudo SELs observed in digital LSIs
and their implication to SEL test method
JAXA 新藤殿
2 Analysis of Angular Dependence of Proton-Induced Multiple-Bit Upsets in a Synchronous SRAM
JAXA 池田殿
3 Effect of High-Temperature Electron Irradiation in Thin Gate Oxide FD-SOI n-MOSFETs
熊本電波工業高等専門
学校 葉山助教授
4 Hardness-by-Design Approach for 0.15um Fully Depleted CMOS/SOI Digital Logic Devices with Enhanced SEU/SET Immunity
表5.1.3-2 委員会の日時、議題
回数 日時、議題
第1回 開催日時：2006年 9月8日 金
開催場所：宇宙航空研究開発機構 芝公園厚生施設
主 議題：本年度検討内容の概要、2006年NSREC発表の紹介、
2005年NSREC おけ 日本 の発表の紹介
第2回 開催日時：2006年10月6日 金
開催場所：宇宙航空研究開発機構 芝公園厚生施設
主 議題：各委員担当論文の発表及び討議 4件
第3回 開催日時：2006年11月17日 金
開催場所：宇宙航空研究開発機構 芝公園厚生施設
主 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：2006年12月15日 金
開催場所：宇宙航空研究開発機構 芝公園厚生施設
主 議題：各委員担当論文の発表及び討議 3件
第5回 開催日時：2007年2月23日 金
開催場所：宇宙航空研究開発機構 芝公園厚生施設
主 議題：各委員担当論文の発表及び討議 3件
：成果報告会
委員会運営の報告
5.1.4 耐放射線強化技術
5.1.4.1 半導体素子 対す 放射線照射効果の動向
素子の微細化 進 中 、集積回路の高密度化、大規模化 進 い こ ま 宇宙用
半導体素子 重要 問題点 あった集積回路の放射線 よ 劣化、誤動作 、地上 使わ
素子 おい 、その問題 顕在化し い さ 半導体素子 使用さ 材料 多岐 亘
っ お 、そ を宇宙放射線環境 用い 場合の問題を明 す 取 組 行わ い
また、耐放射線強化技術 、材料、素子構造、回路的 面 多くの提案 さ い 今年度
このよう 状況の中 、2005 年 7 月 米国シア ル 開催さ た、IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers) の NSREC(Nuclear and Space Radiation
Conference) 発表さ た論文 、重要 思わ のを選択し 調査した
5.1.4.2 調査文献
今年度の調査のための候補文献 次表の14件 あ
分 類 調 査 文 献 項 目
ELDRS Evaluating TM1019.6 ELDRS Screening Method Using
Gated Lateral PNP Transistors
5.2.1
HI/p-SEU Comparison of Heavy Ion and Proton Induced Combinational
and Sequential Logic Error Rates in a Deep Submicron
Process
5.2.2
SEU/SOI Asymmetric SEU in SOI SRAMs 5.2.3
Power
MOSFET
Radiation-Induced Off-State Leakage Current in
Commercial Power MOSFETs
5.2.4
ELDRS Estimation of Low-Dose-Rate Degradation on Bipolar Linear
Integrated Circuits Using Switching Experiments
5.2.5
SET Direct Measurement of Transient Pulses Induced by Laser
and Heavy Ion Irradiation in Deca-Nanometer Devices
5.2.6
MBU/FPGA Radiation-Induced Multi-Bit Upsets in SRAM Based FPGAs 5.2.7
MBU Investigation of Multi-Bit Upsets in a 150 nm Technology
SRAM Device
5.2.8
SET Variation of Digital SET Pulse Widths and the Implication
for Single Event Hardening of Advanced CMOS Processes
5.2.9
Proton/SEL Effects of Particle Energy on Proton-Induced Single-Event
Latchup
5.2.10
n-SER Neutron and Proton-Induced Single Event Upsets in
Advanced Commercial Fully Depleted SOI SRAMs
5.2.11
SEU Simulation Analysis of the Bipolar Amplification Induced by
Heavy-Ion Irradiation in Double-Gate MOSFETs
SEU The Effect of Metallization Layers on Single Event
Susceptibility
5.2.13
Optcoupler Hardness Assurance Methods for Radiation Degradation of
Optocouplers
5.2.14
今年度 ELDRS 関す の 2件、シングルイベン 効果(SEE) 関す の 10件 、
このうち タル回路シス ム 関し 、シングルイベン 過渡応答 ルス幅の影響を取 扱った
の 2件、SOI素子 関す の し 、特 完全空乏型 ボ タイの効果を調 た の 2件、
多ビッ (MBU)反転 関す の 2件、さ SOI素子の耐性評価をレー 重イオン よ 試
験 、実効 LET を評価しよう す の 1 件あった また、単一ゲー ルゲー 構造の
SOI素子の耐性比較を行った の 1件あ 、市販の先端的 完全空乏型SOI素子 対す 中
性子照射 陽子 よ バイポー 効果 関す の あ 今回注目す 点 し 、集積回
路の多層配線材料や酸化膜 対す 放射線相互作用 SEU 与え 影響を議論した の あっ
た そのほ ワーMOSFET の ータル ー 劣化の ニ ム、ホ プ の放射線劣化の新た
評価法の提案 あ 詳細 内容 い 各項目 説明し あ
(1) ELDRS 関す の
バイポー 素子 対す ータル ー 効果 し 、宇宙空間 の電離放射線環境 匹敵す
低 線 量 率(例 え 10mrad(Si)/s) 試 験 を 行 っ た 、 地 上 の 実 験 室 行 う 高 線 量 率 例 え
100rad(Si)/s 照射試験 較 桁違い 大 劣化 ELDRS(Enhanced
Low-Dose-Rate Sensitivity)現象 あ 今回調査したELDRS関係の文献 2件 、5.2.1
米国DTRAのNowlin よ MIL-STD-883F Test Method 1019.6 あ ELDRSス ーニ
ン グ 法 の ー レ ー の 妥 当 性 を 検 討 し た の 、5.2.5 仏 モ ン エ 大 学 の Boch よ
ELDRS試験時間を短縮す 方法の提案 い あ
5.2.1 MIL-STD 883F TM1019.6 よ ス ーニング手順 よ 、宇宙空間 おい 実際
受け 線量率 よ 試験 条件C 、25krad以 そ 以上の ータル ー の試験 条件D 、
照射温度 100℃ ,線量率5rad(Si)/s 50krad(Si)ま 行い、その の劣化量の3倍を っ
評価す 条件E (ETI：Elevated-Temperature Irradiations)こ 規定さ い 条件D
仕様の1.5倍 25krad(Si)以 の場合 2倍の ータル ー を 1000時間 行う場合の線
量率 試験をす よう 規定し い 本論文 、 ータル ー し 50krad(Si) 、1000
時間試験を行うこ し い 条件Dの(2) 本実験 条件C し 9.6mrad(Si)/s、 ータル
ー 75krad(Si)、 条 件 D し 1000 時 間 ー タ ル ー 100krad(Si) 線 量 率
29mrad(Si)/s ス ーニング試験を行っ い
照射試料 、ELDRS試験用試料 、横方向のpnp 縦方向のnpn ン スタ 、照射時
全 ンを接地し い 5.2.1の文献[1],[11] 、ELDRS 対す 最悪条件 し い 試験結果
し 、縦方向npn ン スタ Co－60γ線を照射し、ベース エミッタ間電圧 0.5Vを印加時
のベース電流の増加 図5.1.4-1 、 ータル ー 50krad(Si) おけ ベース電流増加の線量
100℃ 、線量率5rad(Si) 50krad(Si)照射した のベース電流増加∆IBの3倍の値 あ
図5.1.4-3 横型pnp ン スタの場合 、種々の線量率 ータル ー 50krad(Si)の試験
おけ 、線量率 対す ベース電流増加の値 、実線 条件D(1)、D(2) の実測値 ETIの3倍
の条件E あ
図5.1.4-1 種々の線量率 対す ータル ー 試験(ELDRS)結果、VBE＝ 0.5V 対す ベース電流増加 点線 log-logプ ッ 直線 あ 0.02及び
39rad(Si)/s 5.2.1の文献[1] 取った の
図5.1.4-2 線量率 対す ータル ー 50krad(Si) のベース電流増加 実線 ータ
ル ー 50krad(Si)仕様 対す TM1019.6 のス ーニング限界 あ 条件 D(1)
9.6mrad(Si)/s ー タ ル ー 75krad(Si)の ベ ー ス 電 流 実 測 値 、 条 件 D(2)
29mrad(Si) 1000 時 間 、100krad(Si) の ベ ー ス 電 流 実 測 値 、 条 件 E ETI 、
この実験 、筆者 試験したELDRS評価用試料 関し 、TM1019.6のELDRSス ー
ニング条件 、(1)10mrad(Si)/s そ 以 の線量率 ELDRS 飽和す の 、低 ー 試
験 し 合理的 あ 、(2)仕様の2倍の ー 量を1000時間試験 低線量率(LDR) 対す 応
答を示し い 、(3)ETI試験 LDR応答 見 、 し い
5.2.5 ELDRS 評価試験時間を短縮す 方法 し 、あ 時間ま 高線量率 試験を行い、そ
の後低線量率 よ 試験 切 換え こ よ 試験時間を短くす こ いう の あ
図5.1.4-4 この著者 2004年度のRADECS 発表した、 ニアバイポー 素子(LM139)
図5.1.4-3 pnp ン スタ 、種々の線量率 ータル ー 50krad(Si) のベー
ス電流増加 実線 TM1019.6の50krad(Si) 対す 条件D(1),D(2)の実測値及
び条件E 対す 制限値
図5.1.4-4 LM139 線量率0.0027rad(SiO2)/s 照射試験を行った の ータ
対す 低線量率 よ 電源電流増加特性 関し 、 ータル ー 劣化 3 領域 分け 考え
こ を示した の あ 領域１ 低 ータル ー 領域2 ま のし い領域 、劣化
大 く ため 必要 す 最小限の電離放射線量を示し い 第2の領域 、通常の宇宙
開発 対象 放射線量 、単純 指数法則 劣化す の 、 ータル ー よ 劣化 大
く 領域 あ 指数則 log-log 直線 第3の領域 飽和領域 、第1 第2の領
域 関連 あ 、線量率 大 い 第1 第2の領域 ータル ー 大 く
今回の報告 、図5.1.4-5のよう 高線量率試験 低線量率試験 切 換え 、高線量率
よ 劣化特性 低線量率試験の劣化特性 変わ いう の あ さ 図5.1.4-6のよう
高線量率 低線量率の試験 切 換えた劣化を低線量率劣化特性上 プ ッ す こ よっ
低線量率特性 得 図 5.1.4-7 切 換え照射試験 よっ 得 た結果 、低線量率照
射 高線量率照射 切 換えた結果 低線量率照射試験特性上 よく乗 こ わ し し、
高線量率試験 低線量率試験 アニール効果の違い 評価 影響を与え 可能性 あ そこ 、
高線量率試験後100℃ 4時間アニールを行った場合 アニールを行わ い場合 い 実験
し、ほ 変化 いこ を示した この試験方法 、長時間の低線量率試験 必要 ELDRS
の評価時間を短縮可能 試験 し 今後の進展 注目さ
図5.1.4-5 LM139の入力バイアス電流の ータル ー 依存性
高線量率試験(175rad(SiO2)/s) ータル ー 10、31、84krad(SiO2)ま 行い、低線
量率試験(0.0595rad(SiO2)/s)試験 切 換えた場合の特性
図 5.1.4-6 バイポー ニア集積回路の低線量率劣化を評価す ため 提案さ た
(2) シングルイベン 効果
(a) 回路シス ム おけ シングルイベン 効果
調査文献 5.2.2 5.2.9 タル集積回路 おけ シングルイベン 過渡応答 関す の
、高密度微細化 よ 、シングルイベン 過渡応答 エ ーの生 確率 与え 影響 い
検討した の あ
5.2.2 0.18µm タルCMOS回路 、重イオンおよびプ ンを照射した の、組 合わ
図 5.1.4-8 文献[12] 、通常の タル回路 おけ 順序回路のエ ーレー
組 合わせ回路のエ ーレー のよう 割合 っ い を示し い 二
の 試 験 用 素 子 の ー タ 、 重 イ オ ン 及 び 陽 子 環 境 お け エ ー レ ー を 比 較 す
以前報告した DICE チップ ータ(7) 、組 合わせ論理回路のエ ーレー
得 、本論文のDフ ップフ ップ ータ 順序回路 組 合わせ回路のエ
ーレー の合算値 得
図5.1.4-7 LM139集積回路 対す 低線量率劣化曲線を決定す ための実験方法 切換え
実験 よっ 得 た点(a) 、得 た評価 (b)の白抜 の点 、低線量率試験結果 黒抜
せ回路 順序回路のエ ーレー の比較をし い 組 合わせ回路 、高エネルギー粒子
よっ 生 た過渡的 大 い雑音 、 ッ 信号のエッ よ ッチタイミング中 ッチ入力
到達す こ よ エ ー 生 ッ 周波数 大 く エ ーを生 確率 増え
図5.1.4-8 5.2.2の文献[12] 示さ い 、順序回路 組 合わせ論理回路のエ ーレー
その合算値 あ 実験 使用したシス ム 、図 5.1.4-9 のよう 、 ッチの間 非反転バッ
フ を0,2,4,6段挿入し お 、ＳＥＵ耐性のあ DICE ッチ 耐性の いDフ ップフ ップの場
合 い 、重イオン プ ン照射試験を行い、図 5.1.4-10 のよう 両者を比較す こ
タル回路 おけ 組 合わせ回路 けの評価 し い
図 5.1.4-11 重 イ オ ン 照 射 の 結 果 、 反 転 飽 和 断 面 積 の ッ 周 波 数 依 存 性 あ 図
5.1.4-12 200MeVプ ン照射時の反転断面積の ッ 周波数依存性 あ
こ の結果 、著者 インルール 0.18μm の素子 、組 合わせ論理回路 プ
ン よ SET 生 こ 確認さ たこ 、将来 っ ビッ 数の多いチップを設計し 行う
必要性 ープサ ミ ン タル素子 対す 重イオンやプ ン環境 の実際のエ
ーレー の試験 、実用周波数 試験す 必要 あ し い
図5.1.4-9 二 の ス チップのアー チュア
非反転バッフ 0、2、4、6 っ お 、 ッチ 、DICE ッチを使った場
合 Dフ ップフ ップを使う
図5.1.4-10 組 合わせ回路 順序回路のエ ーレー を評価す 方法
5.2.9 0.18μmCMOS タル論理回路 発生したシングルイベン (SET) ルス幅を、可
変遅延 ッチ回路を用い 測定し、LET 同 SET ルス幅 広く分布す こ 示した
図5.1.4-12 2 のチップ 対す 200MeV の陽子 よ 、 ッ 周波
数 対す 断面積
図5.1.4-11 2 の ス チップ の重イオン ータの比較 濃い線 Dフ ップフ
ップのチップの静的 飽和断面積 相当し、淡い色の線 、DICE チップの ータ
近い 1MHz の D フ ップフ ップの ータ 実際 静的 動作条件(0Hz) の
図 5.1.4-13 測定回路 ッ 図 、多数決回路(MAJ)の入力 、SET ルス 遅延時間
∆T以 の 、一入力 け SET ルス 入 、SET ルス 阻止さ し し、SET ルス
∆Tよ 長く 、2入力 SET ルス信号 入 、SET ルス 出力さ こ 従
っ 、∆Tを調整す こ よ 、LET 対す SET ルス幅を測定す こ 図5.1.4-14
種々の遅延時間 おけ LET 対す SET反転断面積を示した の 、一 のLET 、遅
延時間 よっ 反転断面積 い い の 分 短い ルス幅 反転断面積 大 く、
長い ルス幅 断面積 数桁小さい 図5.1.4-15 異 LET 対し 、 ルス幅 断面積の
関係を示した の あ 図5.1.4-16 こ ま 発表さ い LET ルス幅の関係を表し
た の 、斜線の部分 今回の測定領域 あ
本論文 、 タル回路 重イオン 照射さ 発生す SET ルス幅 広い分布 あ こ
を示し、 ルス幅の分布 い LSI の ターン イオン入射位置の関係、電荷収集機構
の関連を示唆し い 、素子の微細化や大規模化 対応す ため 、さ 詳細 検討
必要 あ 考え
図 5.1.4-13 SET の ルス幅の測定 用いた ッ 図 ∆T 遅延回路 、
MAJ 多数決回路 あ ∆T を変え こ よ 種々の遅延時間を設定
図5.1.4-14 ッチの内部遅延時間を変えた の重イオン SET の ータ 各 LET
(b) SOI素子
SOI素子を扱った の 、5.2.3、5.2.6、5.2.11、5.2.12 あ 5.2.3 5.2.11 SOI素子
対す 表面 裏面 の照射 よ 違いを、5.2.6 レー 照射試験 マイ ビーム照
射試験の比較を、5.2.12 バイポー 利得 い 、さ ボ タイ よ 効果を 5.2.6 5.2.11 扱っ い
5.2.3 0.15μm CMOS/PD- SOI SRAM 対す 重イオン、14MeV中性子、陽子照射試
験結果 、 ー ー の表 照射した 、裏 照射した場合の2倍以上の反転 生 い
図5.1.4-15 SET ルス幅また ッチの内部遅延時間 重イオン 対す 断面積
の関係( ータ LET) 図5.1.4-14 同様 、あ 値のLET 対し SET
ルス幅の分布 あ 最大 ルス幅 1.6ns あった
図5.1.4-16 こ ま 得 い SET ルス幅 今回の実験 得 た
う結果を報告し い ま 重イ
オ ン 照 射 よ っ 、 し い 値 LET 1.25MeV-cm2/mg 、
反転断面積 飽和す LET
ほぼ 5MeV-cm2/mg あ こ
を 確 認 し 、14MeV の 中 性 子
照 射 試 験 を 行 い 、 図 5.1.4-17
の よ う 表 照 射(0°)し た 場
合 、 裏 面 の 照 射(180°)
較 2倍以上の反転 生 、
ま た 図 5.1.4-18 の よ う 、 220MeV の 陽 子 中 性 子 の 結
果 ほ ぼ 同 様 結 果 あ こ
を 示 し い こ の 原 因 い (n,α)反応や生成Mg よ
ャ ア 発 生 、 配 線 の 影 響
説明しよう し い 明確
答え 得 い い
5.2.6 ゲー 長50nmの完
全 空 乏 型 お よ び 部 分 空 乏 型
SOI バル バイス 対す 、
ル ス レ ー お よ び 重 イ オ ン マ
イ ビーム 照射時の誘 起過渡
電 流 測 定 結 果 の 報 告 あ 50nm 完 全 空 乏 型(FD) 部 分
空 乏 型(PD)お よ び バ ル ン
ス タ 対 す レ ー ル ス
重 イ オ ン マ イ ビ ー ム 照 射
対す 過渡応答の検討を行い、
レー 照射 重イオン照射の比較し、さ FD及びPD SOIアー チュア 関す ルス持
続時間 寄生バイポー 増幅度 い 詳しく検討し い 図 5.1.4-19 レー エネルギー
38pJ照射、図5.1.4-20 35MeV Clイオン照射の過渡電流波形 、同 収集電荷量を示す
また、実効LET レー エネルギー 比例す し 、実効LET 対す 収集電荷量を求め
い 図5.1.4-21 図5.1.4-22 3種類のSOI 、レー ルス照射時のレー ルスエネル
ギー 対す レイン収集電荷量 あ 50nm FD 0.25μm SOI素子やバル 素子 較
小さく、ボ タイのあ 素子の収集電荷量 さ 減少し い 本文献 、さ バル 素
子 関し 純物 ー ング技術 過渡応答信号の持続時間および電荷収集率 影響す こ
を示し、またFD SOI技術 よ 、性能を減 こ くSET耐性を可能 す 期待さ 技術
あ さ ボ コンタ 寄生バイポー 効果を減少させ、収集電荷量の減少 過渡応答
図 5.1.4-17 SOI SRAM の ッ ー 前面及び裏面
14MeV の中性子を照射した時の照射線量 反転
数の関係
図5.1.4-18 220MeV陽子 14MeV中性子照射時の
時間を減少させ 説明し い
5.2.11 0.2μm 完全空乏型 256kbit SOI 対す 35MeV～500MeV の陽子および
14MeVの中性子 大気中性子模擬試験および3 次元シミュレーション よ ボ タイの効果を
調 い 図5.1.4-23 単色ビーム試験の結果 あ ゲー 長 0.25μm 1Mbit 0.18μ
m 4Mbitのバル CMOS 0.2μmのSOIの陽子のエネルギー 対す SEU断面積 、ボ
タイのあ 場合 最 小さく っ い 図 5.1.4-24 大気中性子 よ 試験 あ この場
合 単色ビーム試験 一致し お 、SOI素子 民生用プ セスの0.18μmバル の50倍の耐
性を示し い JEDEC 標準 よ 、単色ビーム試験 大気中性子試験を関連付け 、次式
与え
図5.1.4-19 50nmバル NMOS ン スタ 対
す レー 照射誘起 レイン過渡電流 ン スタ
OFF状態 レー ルス 38pJ 吸収電荷量
136fc あ
図5.1.4-20 50nmバル nMOS ン スタの
35MeV Cl イオン照射誘起 レイン過渡電流
ン スタ OFF 、 レイン電圧 1V 吸収電
荷量 137fc あ
図 5.1.4-21 0.25μm、50nm バル バイス
おけ 実効LET 対す 収集電荷量
図5.1.4-22 3種類SOI バイスのレー ルス
))}
14
(
86
.
3
(
))
50
(
73
.
3
(
))
100
(
83
.
1
(
))
150
(
39
.
3
){(
(#
MeV
MeV
MeV
MeV
ofbits
SER
σ
σ
σ
σ
×
+
×
+
×
+
×
=
シミュレーション 、エネルギー 150MeV ま あ 入射方向を変え MC－RED
を用い、また、全方向入射 2GeVま 計算 MC-DASIEを用い 解析を行っ い この
解析 、前面照射 裏面照射 おけ SEU 対す (n,α) O(n,X)反応の寄与を計算し、バル 、
SOI 酸素(O)の寄与 大 く、図5.1.4-25のよう 、SOI素子 埋め込 酸化層の影響
、裏面照射 バル よ SOIの方 O よ 寄与 大 く こ を示した この結果 5.2.3
の実験結果 矛盾し い い
図5.1.4-23 民生用バル 及びFD-SOI SRAM
対 す 14～500MeV の 中 性 子 陽子 よ
SEU断面積
図 5.1.4-24 単色中性子 陽子照射 計算し
た反転断面積 大気中性子実験の比較 大気中
性子 10 1000MeV ス ル 計算し
い
図 5.1.4-26 超微細 ルゲー MOS
FET(L=30nm, tSi=10nm)
図 5.1.4-25 50MeV 中性子エネルギー の前
面照射 裏 面照射 お け n,α 反応 O(n,x)
5.2.12 、 ゲ ー 長 0.25μm
単一ゲー (SG)部分空乏型 ン
ス タ ゲ ー 長 0.25μm 及 び 50nm の二重ゲー (DG)完全空乏
型(FD)SOI ン ス タ 図
5.1.4-26 対 す 重 イ オ ン 照 射 時
のイポー 利得、 レイン電流、収集
電荷量の2次元シミュレーション よ
解析結果 あ 図5.1.4-27 種々のLETのイオン 、ソース レイン間の場所x 入射した
図5.1.4-27 SG DG SOIのバイポー ゲインの X(入 射 位 置)依 存 性 、SG,DG 、L=0.25µm、
LET (a)0.5MeVcm2/mg
、(b)4MeVcm2/mg、 (c)100MeVcm2/mg
図5.1.4-28 バイポー 利得のLET依存性
図 5.1.4-29 SG,PD,SGFD,サイ の違い よ (a) ル ス 幅 、(b) ー 電 流 特 性 ー タ
LET あ
のバイポー 利得 、図
5.1.4-28 LET 対す バイポー
利得 あ またす のシミュレ
ー シ ョ ン オ フ 状 態 行 わ 、 図
5.1.4-29 設計の異 素子 対
す 過 渡 応 答 ル ス 幅 最 大 電 流
値 あ こ の こ 、 バ イ ポ
ー 利得、 ー 電流 DG
低 く 、 ま た 、 活 性 シ コ ン 層(SOI)
薄い 、バイポー 利得 小さいこ
を示した 、ゲー 長 関し 、
ま 検討の余地 あ よう あ (c) その他シングルイベン 関す
の
5.2.7 Xilinx社のFPGA
Field-Programmable Gate
Arrays のVirtexシ ー
63MeV陽子および重イオン照射時
の多重ビッ 反転(MBU) 関す
実験 解析 あ 表5.1.4-1 実
験 使用した試験 バイス 、表
5.1.4-2 重イオン試験の線種 あ
測定 1ビッ 反転 2
ビッ 以上の反転あ い
そ 以上の反転を分類し、
LET反転 ータ プ グ
ム ータの物理レイアウ
関連付け 、反転したビッ
の位置 分 よう し
い また、 の機能回路
[input/output
bloks(IOBs),
configurable logic
blocks(CLBs), Block RAM(BRAM), BRAM interconnect(BRAMi)] MBU 置 やすい 、
また列 行間 また った反転の可能性やMBUの大 さ 2ビッ 、3ビッ 、4ビッ 等 、 ター
ン い 検討し い この結果、陽子 対し 表5.1.4-3、表5.1.4-4、表5.1.4-5のよう
結果を示し い さ 重イオン照射 い 、LET 対す 飽和反転断面積を求め、表
5.1.4-6のよう 結果を示し い この結果 微細化 高密度化 進 、MBUの可能
性 増すこ 、回路の ターン よ 影響を受け こ を示し い
表 5.1.4-2 重イオン試験のエネルギー、平均フ ッ
ス、イオン種、角度
5.1.4-3 4種類のXILINX FPGASへの63.3 MeVプ ン照射
発生す アップセッ のイベン 数別の頻度 全イベン 対す
表5.1.4-4 4種類のXILINX FPGASへの63.3 MeVプ ン照射 発
生す MBUの回路要素別の頻度 全イベン 対す 割合
表5.1.4-5 4種類のXILINX FPGASへの63.3 MeVプ ン
照射 発生す アップセッ の相対位置関係別の頻度 全イベン
対す 割合
表5.1.4-6 4種類のXILINX FPGAへの63.3 MeVプ ン照射 発
5.2.8 ゲ ー 長
150nmSRAM 対す 準単
色エネルギー中性子 よ 複
数ビッ エ ーの報告 、シン
グルビッ エ ー 対す エ
ー 修 正 回 路(EDAC：Error Detection And Correction)
の効果、複数ビッ エ ーの
タ ー ン 、 そ 電 荷 吸 収 効 果
のあ タップ い あ
最 近 の 国 際 規 格 、 複
数ビッ エ ー 対し 、1 イベ
ン 複数のビッ 反転す
場 合 を MCU(Multi-Cell Upset) し 、 同 一 ワ ー 内 の
MCUをMBU し い 従
っ MBU の 場 合 通 常 の ECC(Error Correction Algorithms and Circuits)
修復 い
本 報 告 、 モ の ア ー
チュア EDACの効率
大 く 影 響 を 及 ぼ し、 イン タ
ー ービング MBU 効果
的 あ こ を 示し、 図 5.1.4-30 の よ う タ ー ン
おけ p-wellタップの配置 、
図5.1.4-31のよう タップ MCU抑制効果 あ こ を示し い また表5.1.4-7 3ビッ
のエ ー ターン エネルギー 対す 出現頻度を表し い MCU 最近接の同 ウエル
あ ー 発生しやすい 指摘し い
図5.1.4-30 p-well タップの配置
図5.1.4-31 MCU タップ位置の関係
5.2.10 表 5.1.4-8 のよう 5 種類の最近の SRAM 対し 、温度 25℃ 85℃中
20MeV～490MeVの陽子を照射し SEL耐性の実験を行った結果の報告 あ 図5.1.4-32
85℃ お け 照 射 結 果 、 素 子 よ 違 い 大 い こ を 示 し い あ 種 の 素 子 図
5.1.4-33のよう 感応 ニ ムの異 構造 あ こ を示唆す 結果を得 い さ モン
ル 輸送コー (BRIC)を用い 、素子構成材料 対す 核反応 よ LETの計算、反跳核の
種類、エネルギー、飛程 を計算し い 図5.1.4-34 500MeV の陽子 対す 種々の物
質 おけ LET 対す 反応断面積 、特 タングス ン よ 影響 大 いこ を示し い
こ の 結 果 、 素 子 技 術
よ SEL耐性 異 、温度 高
く その差 減少す こ を示
した また現在の高密度集積回路
タ ン グ ス ン の よ う 原 子 番
号の大 い材料 く普通 使わ
お 、旧式の集積回路 比較
し 、陽子 対す SEL 対策を
難しくし い また、SEL耐性試
験 を 保 す た め LET 40MeVcm2/mg 以 上 の 重 イ オ ン
を用い 必要 あ し い
表5.1.4-8 実験 用い た素子
図 5.1.4-32 種 々 の バ イ ス の 85℃ の SEL断面積の陽子エネルギー依存性
図5.1.4-33 あ バイスの重イオン よ SEL
断面積のLET依存性
図5.1.4-34 エネルギー500MeVの陽子をO,Si,Cu,Ti,W
5.2.13 CMOS モ の多層金属配線 SEU 与え 影響を、モン ル シミュレーション
を用い 解析した結果の報告 あ シミュレーション Vanderbilt大学のGeant4 を使っ い
こ よ 、低LETの粒子 配線層 よ 、低確率 大 電荷を発生し、SEU耐性
影響を与え し い 図5.1.4-35 、Wプ グ あ 場合 酸化膜 酸化膜 Siの の場
合 、イオンエネルギー523MeV のNeを 1010個照射した の発生電荷の頻度を示し い W あ 発生電荷量 多く こ を示し い 先の5.2.10 同様、集積回路内 おけ 原子
番号の大 い材料 よ 発生電荷量 よ 、SEUやSEL 生 可能性を大 くす 指摘し
お 、多層配線やWプ グ の影響を考慮した設計の必要性を示し い
(3) 民生用 ワーMOSFET
5.2.4 図 5.1.4-36 の よ う 民 生 用
VDMOSFET(Vertical Double Diffused
Power MOSFET) 対す ータル ー
耐性試験の報告 、Co-60γ線照射 よ
オフ電流増加を測定し い 図 5.1.4-37
のよう 20krad(SiO2)照射後、n チャネル、
p チャネル 、オフ時の ー 電流 2
～6 桁上昇した N チャネルの場合、通常
の 厚 い 酸 化 膜 の 場 合 同 様 、 酸 化 膜 中 の
正電荷捕獲 よ し い値電圧シフ 、こ
ゲー 印加電圧依存性 あ し し、
p チャネルの場合 レインのエ シャル
層 基 板 の 逆 方 向 ー 電 流 の 増 加 、 バ
イアス依存性 い 論 い
図 5.1.4-35 イオンを照射した位置 タングス ンプ グ あ 場
合 い場合の電荷発生の違い
図5.1.4-36 ワーVMOSFETの一 のセルの
(4) ホ プ の耐放射線性評価法
5.2.14 ホ プ の耐性評価方法
あ ホ プ 図 5.1.4-38 のよう
、LED ホ ン スタの組 合わ
せ 、放射線照射 よ 劣化を電流変
換比(CTR: Current Transfer Ratio)
評 価 す 場 合 多 い し し 、LED
ホ ン ス タ の 組 合 わ せ 耐 放
射 線 性 複 雑 場 合 あ 特
LED 変位損傷 よ ャ ア イフタ
イムの低 よ 光出力 低 し、
順方向電流 IF 大 く し
し 、 ホ ン ス タ の 特 性 よ っ
、この結果 す CTRの特性
い場合 あ
本報告 、図 5.1.4-39 のよう
逆方向回復電流、(trr)を用い こ
を 提 案 し い 放 射 線 よ LEDの変位損傷劣化の評価 し 、
trr 損 傷 係 数 の 関 係 ニ ア
こ を実験的 示し、また、こ ま
、ホ プ の劣化 CTR を評
価す こ 行っ た 、様々 LED ホ ン スタの組 合わせや ッ 間 放射線照射
よ 影響 複雑 変化し 、統一的 評価す こ 難し った そこ 本手法を用い こ よ
ホ プ の放射線劣化の診断 容易 し い
図5.1.4-37 サ スレッショル IV特性
(a)IR社製 IRLL110 100V-n-チャネルVDMOSFET / (b)IR社製 IRLL9540
100Vp-チャネル素子
図 5.1.4-38 レー ホ ン スタ 構成さ た基
本的 ホ プ の構成
図 5.1.4-40 順 方 向 電 流 対 す 損 傷 係 数 損 傷 係 数 の 単 位 (×10
－11
) 正 し い 図
5.1.4-41 損傷係数 対す trrの特性 あ 素子 異 っ い 、損傷係数 trr ニア
関係 こ 分 一方ホ プ の放射線損傷 よ CTR劣化 図5.1.4-42のよう 評価
こ を示し い
5.1.4.3 ま め
本年度の調査 バイポー 素子のELDRS試験法、シングルイベン 効果、 ワーMOSFET,ホ
プ 関し 調査を行った ELDRSのス ーニング方法 し 、こ ま 種々の議論 あった
MIL-STD 883F TM1019.6の、線量率 高温照射試験の妥当性 示さ 、またELDRS 試験の
短縮方法 提案さ た ELDRS 試験 長期間 、このよう 試験の短縮方法 確立さ
非常 有効 あ また、シングルイベン 効果 、素子の微細化、高密度集積化 伴い、シ
ングルイベン 過渡応答 ルス SEU 影響し、SEU の ッ 周波数依存性 影響 あ こ
さ 明確 示さ た 今後の更 微細化の進展、 タル集積回路の大規模化 伴い、宇
宙用 け く地上用素子 さ 大 問題 考え 、さ 詳しい検討 必要 あ
また地上用素子 対す 中性子 よ シングルイベン 現象解明の議論 多く っ お 、耐
放射線強化素子を 含めたシミュレーション よ 議論 活発 っ い 特 素子構成物質
図 5.1.4-41 5 の素子の イフタイム損傷係
数 対す 逆方向回復時間Trr測定結果 図5.1.4-40 ALGaAs LED GaAs LED
の、順方向 対す 損傷係数
図5.1.4-42 2種類の異 内部LEDを持 ホ
の相互作用 よ 、低いエネルギー 電荷収集量 多く 、高密度集積回路 通常使わ
い タングス ンのよう 原子番号の大 い材料の近傍 SEU 耐性 影響 出 こ 示さ
た SOI素子 完全空乏型 ボ タイの効果 明 さ た
今後さ 微細化さ た大規模 複雑 機能を持 素子、high-k 膜を使った素子、ホ プ
等 対 す 耐 放 射 線 性 の 研 究 必 要 あ 思 わ ま た 、 今 回 調 査 を 行 わ っ た 、 CCD等の撮像素子、半導体レー 、化合物半導体素子、そし 耐放射線性のあ 素子 し SiC
5.2 検討文献
5.2.1 ゲー 制御の ルPNP ン スタを使ったTM1019.6 ELDRS ス ーニング方法の評
価
文献名 Evaluating TM1019.6 ELDRS Screening Methods Using Gated Lateral PNP
Transistors
出 典 IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. 52, No. 6, pp.2609-2615, Dec. 2005
著者名 R. N. Nowlin, R. L. Pease, D. G. Platteter, G. W. Dunham, and J. E. Seiler
対象 バイス バイポー ン スタ
実験設備
照射線種及び
エネルギー区分
Co-60γ 線
単発現象又
積算線量効果の区分
積算線量効果
実験又 理論の区分 実験
(1) 概要
ゲ ー 制 御 の ルPNP ン ス タ を 用 い た ー タ ル ー よ ELDRS効 果 対 し 、
MIL-STD-883F Test Method 1019.6 比較した最初の評価 あ
ショ ルセミコン ター社製(NSC)のELDERS評価チップ 、PNP NPN ン スタを
用い 比較した
こ の ー タ 、TM1019.6 ELDRS ス の 限 界 対 す 物 理 的 根 拠 を 、NSC
ELDRSプ セスへの ス 本質的 保 的 安全側 あ こ を確認した
(2) 序論
近 年 、Pease [1] Seiler [2] シ ョ ル セ ミ コ ン タ ー 社 バ イ ポ ー ン ス タ の
Enhanced low-dose-rate sensitivity (ELDRS)効果を調査す ため 特別 製造さ たゲー 制
御 ルPNP ン スタ他の ス 構造 の評価結果 報告さ い 加え Minson [3]
やChen [4] 、シミュレーション 結果 発表さ い 々の研究 、[1]のNSC ELDRS
ス チップの結果を発展させ 、広い範 の ー レー 高い ータル ー 量を評価した 加
え MIL-STD-883F Test Method 1019.6の条件C,D,E 、こ の バイスを使った最初の研究
あ こ ELDRSス ーニング方法 100℃の昇温 よ 照射(ETI) 1000時間の照射
含ま い 々の目的 記の疑問への答え あ
1) 低 ー レー の基本的 イン 10mRad(Si)/s以 ？
2) 低 ー レー の1000h照射 ス ッ 対す 二倍の線量効果 ？
3) ETI ス 低 ー 反応の3倍の ータシフ いい ？
々 、ゲー 制御 ルPNP ン スタ NPN ン スタ よ 評価 こ の答えの ー
タを見出した また、この ータの解析 よ 界面準位(ΔNit) 酸化膜中電荷(ΔNot)密度の相対的 寄与度を求めた
2003年 追加さ たTM1019.6 1990年 のELDRS い の研究[5]-[8] ベース あ
ス の重要 定義付け った 々のELDRS ス チップ NSC 2003年 製造さ た の
あ ゲー 制御 ルPNP ン スタ いう特別 構造 含ま た ス チップ 、ELDRSの物
理 ニ ムを研究す の し 1990年 開発さ た
このため本論文 の ン スタ ータ 、NSCのELDRSプ セスの ニアバイポー ン ス
タ 適用したTM1019.6の試験結果 限っ い こ し し最近 、他の製造 ー ーの
バイポー ニア回路 い のTM1019.6を使った研究 行わ 、実質的 TM1019.6 保 的
い ース 発見さ た こ の新しい回路の結果 、す の放射線環境 す のタイプ
適 切 普 的 ELDRS ス 方 法 を 定 義 す 際 大 難 点 を 例 証 し い そ の 結 果 、
TM1019への改正 、現在、ELDRS い う ッ 受入試験(LAT) ス さ 特殊性を含
よう 提案さ い そ わ 、NSC ELDRSのプ セス 特定 あ 、本論分の
結果 、他のプ セス技術 このよう 特殊化の努力 影響す 主要 物理的 プ セスのいく
説明す こ
(3) 実験
製造プ セス ス チップの構造の詳細 、参考論文[1] 示し い 々 本論分 おい
12μm幅のゲー 化したベース 1.22μm厚 酸化膜を ルPNP ン スタ 縦型 バー
ル NPN ン スタ 焦点を置く 実験結果 ン ルプ ッ 、ベース電流を比較す こ
評価した
本研究 、NSC ELDRS ス チップ 全 ンをグ ウン し 室温 Co-60を用い 照
射した全 ンをグ ウン す の ELDRS ワース ース あ [1],[11] 々 選 ー レ
ー 、100rad(Si)/s, 9.8mrad(Si)/s 2.3mrad(Si)/s あ また、ETI 100℃ 5rad(Si)/s あ
う の実験 、29mrd(Si)/s 1000時間照射した 約100krad(Si) 全 の照射
各ス ップ I-V特性評価し 行った 本論文 、 々 、 ELDRS プ セス ン スタ
50krad(Si)の ータル ー 照射し TM1019.6 ELDRS試験条件 保 的 安全側 部分を
評価す あ
図5.2.1-1 TM1019.6 含ま ELDRS
ス の 条件を示す 々の2.3mrad(Si)/sの
照射 全 の ー レー の実験 の比較の元
々 2.3mrad(Si)/sの 照 射 ー タ ル ー
50krad(Si) ミッ 定義す このス ッ
ELDRS ス 条 件C,D,E 適 用 さ こ
の ミッ を使う 条件D 評 価の選択 技を決め
(4) 実験結果
(a) バー ル 縦型 NPN ン スタ
2.3mrad(Si)/sの ン スタの等 、条件C 適用さ 図5.2.1-2 図5.2.1-3 I-V ー
利得の特性を示す 図 5.2.1-2 ン ルプ ッ ベースエミッタ電圧 対し ベース電流
図5.2.1-1 MIL-STD 883F TM1019.6の
コレ タ電流の特性を示した のあ ータル ー 量の増加 伴いベース電流 増え い 典
型的 バイポー ン スタの ータル ー 効果 、界面準位の増加 酸化膜中 ップ電荷の
影響 ベース電流 増加す 本論文 、ベースエミッタ電圧0.5V のベース電流増加を使っ
解析し いく 々のNPN ン スタ 、照射前のベース電流 1.3nA あ 々 ベー
ス電流の増加量を以 のよう 計算し い
Δ
[email protected]@0.5V
ータル ー よっ ベース電流 増加す こ 電流増幅率 β＝IC/IB) 減少す NPN ン スタのバイアス ータル ー 依存性を図5.2.1-3 示す こ のNPN ン スタ 照 射前の電流増幅率の ー ほぼ200 あった VBE＝0.5V 100を超え い 50krad(Si)
10 落ち
図 5.2.1-4 各線量率 おけ VBE=0.5V
の ベ ー ス 電 流 増 加 を 示 す 低 線 量 率
(0.0023,0.0096,002,0.029) の 曲 線 ほ ぼ
等しく、そし 39 100rad(Si)/sよ ベース
電流の増加 大 い こ の ータ 今回
の ン スタ ELDRS を見 こ を確認
ETI ス の結果 比較す 、 々
高線量率 よ 劣 化 強 調さ い よう 見
え し し 低 線 量 率 の ー レ ベ ル
っ い い 、 特 高 ー タ ル ー 顕 著 あ
図 5.2.1-5 線量率の影響を表示した ベ
ー ス 電 流 増 加 の ワ ー ス ー ス 10
20mrad(Si)/s 以 50krad(Si) おい 25nA の増加 あ この増加電流 、照射前の 20
倍 、低線量率 の増幅 6倍 っ い
図5.2.1-5 TM1019.6、条件D,Eの詳細ス ーニングの結果を示す 々の実験 おけ
条件Eの解釈 、ETI 5rad(Si)/s@100℃) の電流増加 アプ ーション おけ 線量率 ー
図 5.2.1-2 NPN ン スタの照射量依
存性 Gummelプ ッ
図 5.2.1-3 NPN ン スタの照射量依
存性 電流増幅率β
図 5.2.1-4 VBE=0.5V の照射前後
タル ー 量の3倍を超え NG っ い
々の ース 、ETI ス の 50krad(Si)
10nAの増加 あった し今回の ス
N/G 判断 の あ 、2.3mrad(Si)/s
50krad(Si) 図 5.2.1-5 示し い よう
30nAを超え い よっ 今回の ー
ス 条件E 問題 い いう結果 条
件 D 二 の部分を持っ い 条件 D(1)
9.6mrad(Si)/s 75krad(Si) ス ッ あ
50krad(Si)の1.5倍 のま の照射結果 電流
増加 36nA 条件D(2) ス ッ
あ 50kradの2倍ま を1000h 照射し 増
え た 電 流 値(40nA)を 示 し い ち
2.3mrad(Si)/s 50krad(Si)の の25nAを超え い そのため、そのよう レベル 動く 予
想さ た ン スタ 、アプ ーション の線量率 50krad(Si) 残存可能 あ あ
した っ 、NSC ELDRS のプ セス よ NPN ン スタ い ELDRS ス 保 的
安全側 あ
(b) ルPNP ン スタ
2.3mrad(Si)/s 照射したPNP ン スタ
の電流特性 い 、 ータル ー 依存性を
図5.2. 1-6 示す VEB 対し ベース コレ
タ電流の対数をプ ッ し い NPN の ー
ス し コレ タ電流の劣化 無い ベース
電流 い ータル ー よっ 増加す
図5.2.1-7 電流利得の劣化を示す こ
のPNP ン スタ い 、照射前の利得
の ー 値 55 VEB=0.5V 40 あ
50krad(Si) VEB＝0.5V の利得 1以
あ こ 合わせ 、ベース電流 照射前
6nA あ の 照射後 228nA 40 倍近く
の増加 あ 図5.2.1-8 、各線量率 おけ VEB=0.5V 電流増加分の ータル ー 依存
性を示した PNP ン スタ い 2.3mrad(Si)/s, 9.6mrad(Si)/s, 29mrad(Si)/sの ー 同 劣化度合い あ 、39rad(Si)/s, 100rad(Si)/sの照射よ 劣化 強調さ い 5rad(Si)/s、
100℃ETI の劣化 低線量率の劣化よ やや小さい
図 5.2.1-9 50krad(Si) の 線 量 率 依 存 性 を 示 す 2.3mrad(Si)/s 50krad(Si)の
TM1019.6条件C おけ 電流増加 220nA あ そし 100rad(Si)/s 50krad(Si)の電
流増加(30nA)の約7倍の強調 あ このよう 50krad(Si) のPNP ン スタの照射劣化
40倍 NPNの2倍(20) あ し し、線量率増感 二 の バイス ほぼ同 あ NPN 6
図 5.2.1-5 VBE=0.5V の 照 射 前 後 の
IB変化量 ー レー 及びMIL の試験
条件結果 の比較
図5.2.1-6 PNP ン スタの照射量依存性
倍、PNP 7倍
図5.2.1-9 またTM1019.6 条件D Eのス ーニング判定基準を示し い 今回の ー
ス 条件D 二 の ース 9.6mrad(Si)/s 75krad 1000時間 100krad(Si) あ
ベース電流の増加 ち 同 レベル 260nA あった こ 図5.2.1-8 示すよう ータ
ル ー の結果 極度 飽和す ため あ そし 、 ニア い ータル ー 特性 このよ
う 飽和領域 のTM1019.6評価 低 ー 比較し 保 的 安全側 結果 あ う 反
対 低 ー レベル 高 ー レベル 比較し 過大評価し い 言え 注意 し 、ETI の
ΔIB 50krad(Si)以上 増加 飽和す 5rad(Si)/s、100℃ ETI ス 50krad(Si)電流増
加 150nA あ 、こ 条件Eの判定基準 450nA 図5.2.1-5 おけ NPN ー
ス 対象 、PNP ン スタ 条件E 条件Dよ 保 的 安全側 あ 条件EのNPN
PNP ン スタの違い ベース電流増加の強調 寄与す ΔNit ΔNotの役割 異 ため
あ PNP ン スタ NPN ン スタよ ΔNit 対し 敏感 あ このΔNit ΔNotの影
響 い 次章 解析す
図 5.2.1-7 PNP ン スタの照射量
依存性 電流増幅率β
図 5.2.1-8 VBE=0.5V の照射前後
のIB変化量 ー 量依存性
図 5.2.1-9 VBE=0.5V の照射前後
のIB変化量 ー レー 及びMILの
試験条件結果 の比較
図 5.2.1-10 VG-ID 特性の ー 量
(c) ゲー 制御 ルPNP ン スタの測定
ゲー 制御 ル PNP ン スタ p-MOSFET し 動作 そし 図5.2.1-10 こ
のモー よ 閾値 の ID-VG ー 特性を示す 2.3mrad(Si)/s の ータル ー の各レベル
のゲー バイアス 対数 レイン電流をプ ッ あ 典型的 PMOS ン スタ ゲー 酸
化膜中 電荷 発生 今回の場合 ル PNP のベース酸化膜 し ータル ー 増え こ
特性 左 シフ す この ー の傾 界面 ップの密度 増加減を示す この閾値 の特
性 ΔNit ΔNotの両方を評価
図 5.2.1-11 図5.2.1-12 そ ΔNit
ΔNot の ータル ー よ 増加特性を示し
い 図 5.2.1-11 低線量率 高線量率
間 特 性 分 い そ し ΔIB の 図
5.2.1-4 図5.2.1-8 同 よう 特性 あ Δ
Not ータ 相似 い い 注目 ETI のΔ
Nit の 特性 低 線 量 率 の照 射 の 発生 量 同
あ 50krad(Si)以上 ETIのΔNit
増 加 し い こ ー タ ル ー よ ΔNit
飽和 50krad(Si) の条件 E の ータル
ー の限界を示す
図 5.2.1-13 ータル ー 50krad(Si)
のΔNit ΔNotの線量率依存性を示す 低線量率 ち 5～6×1011cm-2の増加 あ
し し100rad(Si)/s のレベル ΔNot ΔNit 異 ΔNitの増加 低線量率の10倍 あ
一方ΔNot 2倍 あ
TM1019.6 条件D E の界面 ップ密度 し の判定基準を図 5.2.1-13 示す 条件E
、5rad(Si)/s、100℃の ETI 50krad(Si) の電荷密度の 3 倍 、今回の場合 1.4×
図5.2.1-11 Nitの発生量 ー 量
対す 依存性
図5.2.1-12 Notの発生量 ー 量
対す 依存性
図 5.2.1-13 50krad の ー レー
1012cm-2 条件D(1)の電荷密度 10mrad(Si)/s 75krad(Si)の時 あ 条件D(2) 、
1000時間 100krad(Si)照射後の電荷密度 PMOS特性 極端 劣化 見 たこの条
件 ΔNit の正確 値 あ った い の TM1019.6 の条件 2.3mrad(Si)/s
50krad(Si)の電荷密度の ータ 対し 過剰 見積 っ い した っ 、こ の
ー タ NSC ELDRS の プ セ ス お け 界 面 ッ プ よ っ 支 配 さ た 現 象 い
TM1019.6 ELDRS ス ーニング試験 保 的 安全側 あ いう私たちの仮説をサポー し
い
(5) 考察
ELDRSの効果 、図5.2.1-4,5,8,9,11,13 明確見 い の図 30mrad(Si)/s以 の
線 量 率 劣 化 のレ ベル 同 あっ た 2.3mrad(Si)/s の 照 射 10 20mrad(Si)/s間
見 ベース電流の増加 確認さ い 々の ータ 10mrad(Si)以 線量率依存性
飽和す 推測さ 従っ 、この場合、10mrad(Si)/s 条件Dの線量率 し 最適 あ
ETI おけ 劣化の強調 低線量率 同 い この効果 NPN ン スタよ PNP ン
スタ 強い こ ΔNit PNPの場合大 影響 を持 ため あ こ 100℃ETI ス 高 線 量 率 ΔNitの 発 生 を 減 少 さ せ 効 果 あ た め あ NSC ELDRSプ セ ス を 用 い た 々の ータ 条件Eの ータの3倍のマー ン PNPの方 NPNよ 保 的 安全側 あ
々 、TM1019.6の条件E ち う 50krad(Si)以 の ータル ー 制限さ こ を見
出 し た 100℃ ΔNit ア ニ ー ン グ さ 影 響 見 図5.2.1-11の 々 の ー タ
5rad(Si)/s 100℃ ETI のΔNitの増加 50krad(Si)以上 終わ こ 、時間依存の影響
、高い ータル ー 長い時間温度 さ さ ためΔNit 減少し しまうため 推測す
このこ 高い ータル ー レベル 、条件E 保 的 安全側 く
M1019.6 ELDRSス ーニング試験をバイポー の ニア回路 適用す 、 ち 、複
雑さ 増す 興味深いの 回路 ータ 通常入力バイアス電流、オフセッ 電圧、また アンプ
比較器のための入力オフセッ 電流 、回路設計 依存し、そし 、そ 異 ったバイアス条
件の 作動す 数個のNPN PNP ン スタの複雑 組 合わせ あ ため ータル ー
線量率応答 い い 形 現 し い 私たちの序論 指摘さ よう 、いく の
ー ー いく のバイポー ニアタイプを使用す ELDRSス ーニング方法の規格化への
試 5rad(Si)/s おけ 条件D(2) 条件E 保 的 安全側 ELDRS効果を見積 い ー
スを発見した
(6) ま め
々 ス ン スタ し NSC ELDRS ス チップ おい MIL-STD883F TM1019.6の
ELDRSス ーニング条件C、D、およびEを評価した 々 10mrad(Si)/s 100rad(Si)/s以 、
5rad(Si)/s 100℃(ETI)、 お よ び1000時 間 の29rad(Si)/s線 量 率 の100krad(Si)の 照 射
ELDRS反応を ルのPNP NPN ン スタ 研究した
々の結果
10mrad(Si)/s以 線量率依存性 飽和す
2) 2倍の線量ス ッ の ス す 1000時間 い NSC ELDRSのプ セス おけ 低
線量率(LDR)依存性を制限す
3) 3倍の ータシフ の、ETI ス 低線量率(LDR)依存性を制限す
々の検討 高い ータル ー 関す 最悪評価条件の 成立す そこ 、 ータル
ー よ 影響 ほ 飽和状態 あ 低い ータル ー レベル おけ 評価 さ 保
的 安全側 結果を た す いえ 最終的 、 々の結果 、TM1019.6 ELDRS ス の限界
対す 物理的 基礎を提供し 、NSC ELDRSのプ セス おい こ の ス の保 的 安
全側 の あ こ を裏付けた
参考文献
[1] R. L. Pease, D. G. Platteter, G.W. Dunham, J. E. Seiler,H. J. Barnaby, R.D. Schrimpf, M. R. Shaneyfelt, M. C. Maher, and R. N. Nowlin, “Characterization of enhanced low dose rate sensitivity (ELDRS) effects using gated lateral PNP transistor structures,”
IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 51, no. 6, pp. 3773–3780, Dec. 2004.
[2] J. E. Seiler, D. G. Platteter, G. W. Dunham, R. L. Pease, M. C. Maher, and M. R. Shaneyfelt, “Effect of passivation on the enhanced low dose rate sensitivity of national
LM124 operational amplifiers,” in Proc. IEEE Radiation Effects Data Workshop, 2004,
pp. 42–46.
[3] E. Minson, I. Sanchez, H. J. Barnaby, R. L. Pease, D. G. Platteter, and G. Dunham, “Assessment of gated sweep technique for total dose and dose rate analysis in bipolar
oxides,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 51, no. 6, pp. 3723–3729, Dec. 2004.
[4] X. J. Chen, H. J. Barnaby, R. L. Pease, R. D. Schrimpf, D. G. Platteter, and G. Dunham, “Radiation-induced base current broadening mechanisms in gated bipolar devices,”
IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 51, no. 6, pp. 3178–3185, Dec. 2004.
[5] R. L. Pease,W. E. Combs, A. Johnston, T. Carriere, C. Poivey, A. Gach, and S. McClure,
“A compendium of recent total dose data on bipolar linear microcircuits,” in IEEE
Radiation Effects Data Workshop Rec., 1996, pp. 28–37.
[6] R. L. Pease, L. M. Cohn, D. M. Fleetwood, M. A. Gehlhausen, T. L. Turflinger, D. B. Brown, and A. H. Johnston, “A proposed hardness assurance test methodology for
bipolar linear circuits and devices in a space ionizing radiation environment,” IEEE
Trans. Nucl. Sci., vol. 44, no. 6, pp. 1981–1988, Dec. 1997.
[7] S. C. Witczak, R. D. Schrimpf, D. M. Fleetwood, K. F. Galloway, R. C. Lacoe, D. C. Mayer, J.M. Puhl, R. L. Pease, and J. S. Suehle, “Hardness assurance testing of bipolar
junction transistors at elevated irradiation temperatures,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.
44, no. 6, pp. 1989–2000, Dec. 1997.
[8] R. L. Pease, M. Gelhausen, J. Krieg, J. Titus, T. Turflinger, D. Emily, and L. Cohn, “Evaluation of proposed hardness assurance method for bipolar linear circuits with
2665–2672, Dec. 1998.
[9] R. L. Pease and J. Seiler, “Evaluation of MIL-STD-883/test method 1019.6 for bipolar linear circuits,” J. Rad. Effects Res. Electron., to be published.
[10] K. Avery, S. McEndree, R. Pease, J. Seiler, G. Dunham, and D. Platteter, “A space
experiment for ELDRS using low dropout voltage regulators,” J. Rad. Effects Res.
Electron., to be published.
[11] R. L. Pease, “Total ionizing dose effects in bipolar devices and circuits,” IEEE Trans.
Nucl. Sci., vol. 50, no. 3, pp. 539–551, Jun. 2003.
[12] R. N. Nowlin, D. M. Fleetwood, and R. D. Schrimpf, “Saturation of the dose-rate response of bipolar transistors below 10 rad(SiO )/s: Implications for hardness
assurance,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 41, no. 6, pp. 2637–2641, Dec. 1994.
[13] A. H. Johnston, B. G. Rax, and C. I. Lee, “Enhanced damage in linear bipolar
integrated circuits at low dose rate,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 42, no. 6, pp.
1650–1659, Dec. 1995.
[14] R. D. Schrimpf, “Gain degradation and enhanced low-dose-rate sensitivity in bipolar
junction transistors,” Int. J. High Speed Elect., vol. 14, pp. 503–517, 2004.
[15] P. J. McWhorter and P. S.Winokur, “Simple technique for separating the effects of interface traps and trapped-oxide charge in metal–oxide–semiconductor transistors,”
Appl. Phys. Lett., vol. 48, pp. 133–135, Jan. 1986.
[16] M. R. Shaneyfelt, J. R. Schwank, D. M. Fleetwood, R. L. Pease, J. A. Felix, P. E. Dodd, and M. C. Maher, “Annealing behavior of linear bipolar devices with enhanced
low-dose-rate sensitivity,” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 51, no. 6, pp. 3172–3177, Dec.
2004.
[17] T. Carriere, R. Ecoffet, and P. Poirot, “Evaluation of accelerated total dose testing of
5.2.2 重イオン及びプ ン よ 発生す ープ サ ミ ン プ セス中の組合せ及び順序
ッ のエ ーレー の比較
文献名 Comparison of Heavy Ion and Proton Induced Combinatorial and Sequential
Logic Error Rates in a Deep Submicron Process
出典 IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. 52, No. 6, pp. 2120- 2124, Dec. 2005.
著者名 Matthew J. Gadlage, Paul H. Eaton, Joseph M. Benedetto, and Thomas L.
Turflinger
対象 バイス タルCMOS バイス
実験設備 タン ム バン グ フ BNL)、サイ ン イン ア 大学
照射線種及び
エネルギーの区分
重イオン及びプ ン
単発現象又
積算線量効果の区分
単発現象
実験又 理論の区分 実験
(1) 概要
組合せ ッ 中 生 タル シングル イベン ン ン 、回路素子の微細化や
回路動作の高 化 進 、急 重大 エ ー発生源 っ い 本論文 おい 、
著者 、0.18μm CMOS技術 製造さ た単純 タル回路 対す 重イオン及びプ ン
の両環境 の、組合せ ッ のエ ーレー 順序 ッ のエ ーレー を比較し い こ
、 の特殊 ス チップ 得 た ータを比較す こ よっ 行っ い
(2) 序論
近年、 ープサ ミ ンCMOSプ セス おけ シングル イベン 効果 い の論文 多
く発表さ い [1]-[10] 民生の半導体業界 、定期的 よ 微細化を進め いくこ よっ 、集
積回路 、以前よ よ 多くの ン スタを含 、また、よ 高 動作す よう っ い
今日の民生業界 おい 、多くの タル バイス 、0.18μm 或い そ 以 の インルー
ル 製造さ い バイスの インルール 縮小化す こ よっ 、回路 、シングル イ
ベン 効果 SEE 対し よ 影響を受けやすく っ く 特 、 ッ 周波数 増加す こ
よ 、シングル イベン ン ン SET の効果 重要さを増すこ 本論文 、最 一
般的 IC 含ま 種類の タル ッ い 、エ ーレー の比較を行っ い
タル集積回路 、大別し 順序 ッ 組合せ ッ の2種類 あ 順序 ッ 、
ッチやフ ップフ ップの要素 成 この種の ッ 、重イオンやプ ン 生 エ ー
レー 、回路の ッ 周波数 無関係 あ 論 い [12] ッチの状態 、入力 あ
ッ の状態 無関係 、イオン粒子 生成す 電荷 よっ 反転す 組合せ ッ お
い 、エネルギーを持 粒子 よっ 発生した伝播可能 ン ン 、 ッ 信号のエッ
よ ッチタイミング中 ッチの入力 到着す こ エ ー 生 この種の ッ 、エ
ーレー ッ 周波数 依存す ッ いほ 、 ン ン 信号を ッチす の
ッ エッ 多く 2004年 、幾 の論文 、0.18μmの CMOS ー おけ シ
ングル イベン ン ン の重要性を考察した報告 さ い [7]-[10] こ の論文 、
