Socionext Inc.與高能加速器研究組織材料結構科學研究所、京都大學綜合輻射與核科學研究所、大阪大學信息科學與技術研究生院經共同研究，首次成功證明介子和中子引起的半導體器件的軟誤差具有不同的特性。該研究小組對日本質子加速器研究中心 (J-PARC)材料和生命科學設施 (MLF) 的μ 子科學設施 (MUSE)、京都大學研究中心(KUR)的熱中子束和大阪大學核物理研究中心 (RCNP) 的高能中子束進行了負μ子束和正μ子束照射半導體器件的實驗反應堆。課題組通過使用多種類型的量子束，實現了對宇宙射線μ子和中子對環(huán)境輻射影響的綜合測量。結果令人鼓舞，有望推動對于環(huán)境輻射引起的軟錯誤的有效評估方法和對策發(fā)展。預計該成果還將引領創(chuàng)建高度可靠的半導體設備，以支持未來的基礎設施。

此項研究工作成果已于2021年5月21日在線發(fā)表在IEEE Transactions on Nuclear Science。

此項研究的部分工作得到了日本科學技術振興機構(JST)的“企業(yè)、研究機構和學術界的開放創(chuàng)新平臺計劃(OPERA)”的支持。

背景

隨著半導體器件日漸高度集成并且其工作電壓日趨降低，當電子信息被輻射意外改變時就會發(fā)生這種情況：更容易出現軟錯誤。所以人們會擔心環(huán)境輻射引起的軟錯誤會導致更嚴重的問題。

過去，環(huán)境輻射中的宇宙射線中子被認為是引起軟誤差問題的主要來源。另一方面，對于高度集成且使用較低電壓的先進半導體器件，由同樣源自宇宙射線的 μ 子引起的軟錯誤已成為一個問題。在落入地球的宇宙射線中，介子約占所有粒子的四分之三，有人指出它們可能造成比中子更大的問題。但是，關于μ介子引起的軟誤差的報道很少，中子引起的軟誤差和μ介子引起的軟誤差之間的區(qū)別尚不明確。

結果

在這項研究中，為了了解宇宙射線μ子和中子引起的軟誤差的差異，研究小組通過用μ子和中子照射半導體器件進行了對比評估。本實驗中使用了采用 20 納米 CMOS 工藝技術制造的 SRAM 電路。每束量子束照射SRAM，分析每一個粒子的軟錯誤發(fā)生率和趨勢。

發(fā)現μ子和中子在錯誤率的電源電壓依賴性、多位錯誤的比率以及多位錯誤模式的特征方面存在明顯差異。該結果為全球首次發(fā)現。

圖：軟錯誤率(左)和多位錯誤率(右)的電源電壓依賴性

未來

研究成果將促進相關技術的發(fā)展，以有效解決包括μ介子在內的環(huán)境輻射引起的問題。研究中發(fā)現的介子和中子之間效應的差異將有助于建立防止軟錯誤的最佳設計方法。本研究的結果也有望通過數值模擬促進評估方法的發(fā)展。

未來，基礎設施的可靠性將取決于大量的半導體器件，預計對環(huán)境輻射引起的軟錯誤的評估和對策將變得愈加重要。正如本研究中所做的那樣，使用量子束進行軟錯誤評估的開發(fā)有望引領創(chuàng)建更安全、更可靠的半導體設備。

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 Miyake2

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

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