Socionext Inc.與高能加速器研究組織材料結(jié)構(gòu)科學(xué)研究所、京都大學(xué)綜合輻射與核科學(xué)研究所、大阪大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)研究生院經(jīng)共同研究，首次成功證明介子和中子引起的半導(dǎo)體器件的軟誤差具有不同的特性。該研究小組對日本質(zhì)子加速器研究中心 (J-PARC)材料和生命科學(xué)設(shè)施 (MLF) 的μ 子科學(xué)設(shè)施 (MUSE)、京都大學(xué)研究中心(KUR)的熱中子束和大阪大學(xué)核物理研究中心 (RCNP) 的高能中子束進(jìn)行了負(fù)μ子束和正μ子束照射半導(dǎo)體器件的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。課題組通過使用多種類型的量子束，實(shí)現(xiàn)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(jié)果令人鼓舞，有望推動(dòng)對于環(huán)境輻射引起的軟錯(cuò)誤的有效評估方法和對策發(fā)展。預(yù)計(jì)該成果還將引領(lǐng)創(chuàng)建高度可靠的半導(dǎo)體設(shè)備，以支持未來的基礎(chǔ)設(shè)施。

此項(xiàng)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(xiàng)研究的部分工作得到了日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)的“企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)界的開放創(chuàng)新平臺計(jì)劃(OPERA)”的支持。

背景

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

過去，環(huán)境輻射中的宇宙射線中子被認(rèn)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(jìn)半導(dǎo)體器件，由同樣源自宇宙射線的 μ 子引起的軟錯(cuò)誤已成為一個(gè)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(guān)于μ介子引起的軟誤差的報(bào)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(jié)果

在這項(xiàng)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(dǎo)體器件進(jìn)行了對比評估。本實(shí)驗(yàn)中使用了采用 20 納米 CMOS 工藝技術(shù)制造的 SRAM 電路。每束量子束照射SRAM，分析每一個(gè)粒子的軟錯(cuò)誤發(fā)生率和趨勢。

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

圖：軟錯(cuò)誤率(左)和多位錯(cuò)誤率(右)的電源電壓依賴性

未來

研究成果將促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以有效解決包括μ介子在內(nèi)的環(huán)境輻射引起的問題。研究中發(fā)現(xiàn)的介子和中子之間效應(yīng)的差異將有助于建立防止軟錯(cuò)誤的最佳設(shè)計(jì)方法。本研究的結(jié)果也有望通過數(shù)值模擬促進(jìn)評估方法的發(fā)展。

未來，基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性將取決于大量的半導(dǎo)體器件，預(yù)計(jì)對環(huán)境輻射引起的軟錯(cuò)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(jìn)行軟錯(cuò)誤評估的開發(fā)有望引領(lǐng)創(chuàng)建更安全、更可靠的半導(dǎo)體設(shè)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

關(guān)于Socionext Inc.

Socionext Inc.是一家全球性創(chuàng)新型企業(yè)，其業(yè)務(wù)內(nèi)容涉及片上系統(tǒng)(System-on-chip)的設(shè)計(jì)、研發(fā)和銷售。公司專注于以消費(fèi)、汽車和工業(yè)領(lǐng)域?yàn)楹诵牡氖澜缦冗M(jìn)技術(shù)，不斷推動(dòng)當(dāng)今多樣化應(yīng)用發(fā)展。Socionext集世界一流的專業(yè)知識、經(jīng)驗(yàn)和豐富的IP產(chǎn)品組合，致力于為客戶提供高效益的解決方案和客戶體驗(yàn)。公司成立于2015年，總部設(shè)在日本橫濱，并在日本、亞洲、美國和歐洲設(shè)有辦事處，領(lǐng)導(dǎo)其產(chǎn)品開發(fā)和銷售。