Socionext 和合作伙伴发表半导体研究新成果

Socionext Inc.与高能加速器研究组织材料结构科学研究所、京都大学综合辐射与核科学研究所、大阪大学信息科学与技术研究生院经共同研究，首次成功证明介子和中子引起的半导体器件的软误差具有不同的特性。该研究小组对日本质子加速器研究中心 (J-PARC)材料和生命科学设施 (MLF) 的μ 子科学设施 (MUSE)、京都大学研究中心(KUR)的热中子束和大阪大学核物理研究中心 (RCNP) 的高能中子束进行了负μ子束和正μ子束照射半导体器件的实验反应堆。课题组通过使用多种类型的量子束，实现了对宇宙射线μ子和中子对环境辐射影响的综合测量。结果令人鼓舞，有望推动对于环境辐射引起的软错误的有效评估方法和对策发展。预计该成果还将引领创建高度可靠的半导体设备，以支持未来的基础设施。

       此项研究工作成果已于2021年5月21日在线发表在IEEE Transactions on Nuclear Science。

       此项研究的部分工作得到了日本科学技术振兴机构（JST）的“企业、研究机构和学术界的开放创新平台计划（OPERA）”的支持。

背景

      随着半导体器件日渐高度集成并且其工作电压日趋降低，当电子信息被辐射意外改变时就会发生这种情况：更容易出现软错误。所以人们会担心环境辐射引起的软错误会导致更严重的问题。

      过去，环境辐射中的宇宙射线中子被认为是引起软误差问题的主要来源。另一方面，对于高度集成且使用较低电压的先进半导体器件，由同样源自宇宙射线的 μ 子引起的软错误已成为一个问题。在落入地球的宇宙射线中，介子约占所有粒子的四分之三，有人指出它们可能造成比中子更大的问题。但是，关于μ介子引起的软误差的报道很少，中子引起的软误差和μ介子引起的软误差之间的区别尚不明确。

结果

       在这项研究中，为了了解宇宙射线μ子和中子引起的软误差的差异，研究小组通过用μ子和中子照射半导体器件进行了对比评估。本实验中使用了采用 20 纳米 CMOS 工艺技术制造的 SRAM 电路。每束量子束照射SRAM，分析每一个粒子的软错误发生率和趋势。

       发现μ子和中子在错误率的电源电压依赖性、多位错误的比率以及多位错误模式的特征方面存在明显差异。该结果为全球首次发现。

图：软错误率（左）和多位错误率（右）的电源电压依赖性

未来

       研究成果将促进相关技术的发展，以有效解决包括μ介子在内的环境辐射引起的问题。研究中发现的介子和中子之间效应的差异将有助于建立防止软错误的最佳设计方法。本研究的结果也有望通过数值模拟促进评估方法的发展。

       未来，基础设施的可靠性将取决于大量的半导体器件，预计对环境辐射引起的软错误的评估和对策将变得愈加重要。正如本研究中所做的那样，使用量子束进行软错误评估的开发有望引领创建更安全、更可靠的半导体设备。

文章信息

Subject:            Muon-Induced Single-Event Upsets in 20-nm SRAMs: Comparative Characterization with Neutrons and Alpha Particles

Authors:           Takashi Kato¹, Motonobu Tampo², Soshi Takeshita², Hiroki Tanaka³, Hideya Matsuyama¹, Masanori Hashimoto⁴, Yasuhiro Miyake^2
1Reliability Engineering Department, Socionext Inc.
²Muon Science Laboratory, Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research Organization/ J-PARC
³Institute for Integrated Radiation and Nuclear Science, Kyoto University
⁴Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University

Publication:       IEEE Transactions on Nuclear Science

DOI: https://doi.org/10.1109/TNS.2021.3082559