重イオンビームを用いたシングルイベント効果の評価技術

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1 宇宙放射線が半導体に及ぼす 三つの放射線影響 小野田忍 独立行政法人 日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究部門 半導体耐放射線性研究グループ O N O D A. S H I N O B J A E A. G O. J P TEL:

2 1. 放射線と半導体 1. 半導体を取り巻く放射線環境 2. 半導体に対する三つの放射線影響 発表内容 2. 原子力機構 高崎量子応用研究所 γ 電子 イオン照射施設の紹介 1. トータルドーズ効果 2. はじき出し損傷効果 3. シングルイベント効果 3. 核反応と宇宙用半導体 1. 地上中性子 2. 高エネルギー 低エネルギー陽子 3. 高エネルギー重粒子 4. まとめ 2

3 半導体を取り巻く放射線環境 3 銀河宇宙線 p α ion 捕捉放射線 p e p 宇宙放射線大気との核反応 p 太陽フレア放射線 p e ion 半導体素子 n p p n n n m p n p 太陽電池 ロジック メモリ

4 半導体に対する三つの放射線影響 4 トータルドーズ効果 (TID : Total Ionizing Dose Effect) 多量の放射線が入射し その電離作用によって引き起こされる 生成された電荷は 固定電荷や界面準位を形成し 半導体素子の諸特性を劣化させる 累積線量効果とも呼ばれる はじき出し損傷効果 (DDD:Displacement Damage Dose Effect) 多量の放射線が入射し 半導体結晶を構成する原子がその定常位置からはじき出されることによって引き起こされる はじき出された原子および空格子点は 欠陥準位を形成し 半導体素子の諸特性を劣化させる バルク損傷 (Bulk Damage) とも呼ばれる シングルイベント効果 (SEE : Single Event Effect) 1 個の粒子が入射し 電離作用により高密度の電荷が生成されることにより引き起こされる 生成された電荷が半導体素子中を流れることによって 一時的もしくは定常的な故障が起こる 一般に 荷電粒子の LET (Linear Energy Transfer) が大きいほど 電荷量は多くなる

5 半導体に対する三つの放射線影響 トータルドーズ効果 : 多量のガンマ線等 (~100kGy) はじき出し損傷効果 : 多量の電子線等 (10 14~17 cm -2 ) シングルイベント効果 :1 個の重粒子 ( 確率的 ) 5 一時的な故障 ( 過渡現象 ) MOSFET 運用期間 ( 照射量 )

6 宇宙放射線による半導体影響 6 捕捉放射線 陽子 電子 ( 高フラックス ) 太陽フレア放射線 陽子 電子 ( 高フラックス ) 銀河宇宙線 GeV/u 以上の高エネルギー重粒子 ( 低フラックス ) 地上中性子線 幅広いエネルギースペクトル 遮蔽により X 線 ガンマ線が発生し IC の TID を引き起こす はじき出し断面積が小さいので DDD は起こり難い 電離能が低いので SEE は起こらないが 陽子では SEE が起こることもある 電子 陽子線が太陽電池の DDD を引き起こす 太陽電池には酸化膜がないので 原理的に TID は起こらない 電離能が低いので SEE も起こり難い エネルギーが高く遮蔽ができない フラックスが低いので TID も DDD も引き起こさない IC の SEE を引き起こす 核反応生成物 (MeV 級重粒子 ) が IC の SEE を引き起こす

7 JAEA 高崎量子応用研究所 7 イオン照射研究施設 (TIARA) 電子線照射施設 (0.5 2MeV) 60 Co ガンマ線照射施設 60 Co ガンマ線照射施設 電子線照射装置 ( 250keV) 高崎量子応用研究所群馬県高崎市綿貫町

8 ガンマ線照射施設 (1TID 試験 ) 8

9 IC のトータルドーズ試験 9 照射試料 Al 製照射箱 160cm 60 Co-γ 線源 高線量率試験 50~300rad/s(MIL-STD-883D 等 ) 低線量率試験 0.01rad/s 程度 45cm 45cm 45cm

10 電子線加速器 (2DDD 試験 ) 10 電子線加速器本体 Cockcroft-Walton 型加速エネルギー : MeV 電流 : ma

11 太陽電池のはじき出し損傷試験 (1MeV e- & 10MeV p) 太陽電池への電子線照射 電子線 11 太陽電池への陽子線照射 模擬太陽光源 (AM0) 照射用真空容器 陽子線 太陽電池ホルダー 電子線 冷却水 模擬太陽光源 (AM0) 試料ホルダー 吸着固定 冷却水 陽子線 太陽電池 真空ポンプ ビームシャッター 太陽電池 I-V 測定

12 保存率 (%) 発生電力 (kw) 照射前後の電気特性評価の例 MeV 陽子線 1MeV 電子線 20, :P MAX, :V OC, :I SC 放射線量 (/cm 2 ) 地上試験で得られた宇宙用 Si 太陽電池の発電特性劣化 きく 6 号の太陽電池 実測値 予測 運用終了 経過日数 ( 日 ) 人工衛星きく 6 号 (ETS-VI) の宇宙での発電の推移 JAEA JAXA 共同研究

13 イオン照射施設 (2DDD 試験 3SEE 試験 ) 13 Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Applications AVF サイクロトロン ( 数百 MeV) 3MV タンデム ( 十数 MeV) HX TA LC TB LD HD HE

14 イオン照射施設 (2DDD 試験 3SEE 試験 ) Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Applications ブロードビームコリメート型ビーム集束型ビーム AVF サイクロトロン ( 数百 MeV) 3MV タンデム ( 十数 MeV) 14 HX TA LC HD LD 最も一般的な照射 HD TB HE TB HE 微小領域を狙い撃ちする HX

15 SEE 発生頻度 最も一般的なシングルイベント効果試験法 15 飽和値 ブロードビーム しきい値 イオンの線エネルギー付与 (LET) 陽子や中性子のエネルギー JAEA JAXA 共同研究 荷電粒子の LET が大きいほど 陽子や中性子のエネルギーが高いほど シングルイベント効果は起こりやすい

16 核反応と宇宙用半導体 16 1 地上中性子 2 3 高エネルギー 低エネルギー陽子 高エネルギー重粒子

17 2 高エネルギー 低エネルギー陽子宇宙空間における陽子の分布 17 The trapped proton population with energies > 10 MeV as predicted by the AP-8 model for solar maximum conditions. IEEE TNS Short course 2006

18 2 高エネルギー 低エネルギー陽子陽子のエネルギースペクトル例 18 Comparison of fluxes predicted by three trapped proton models for an orbit similar to the International Space Station during solar minimum Comparison of trapped proton models for an elliptical orbit during quiet conditions and the solar maximum time period IEEE TNS Short course 2006

19 2 高エネルギー 低エネルギー陽子陽子起因のシングルイベント効果 19 重粒子の場合しきい値 LET =25MeVcm 2 /mg J. R. Schwank et al., Effects of Particle Energy on Proton-Induced Single-Event Latch up, IEEE TNS 2005

20 2 高エネルギー 低エネルギー陽子高エネルギー陽子によるシングルイベント効果 陽子入射 20 直接電離 + 核生成物による電離 重粒子の場合しきい値 LET =25MeVcm 2 /mg しきい値 LET を超えた場合シングルイベント効果が発生 一時的な故障 ( 過渡現象 ) MOSFET J. R. Schwank et al., Effects of Particle Energy on Proton- Induced Single-Event Latch up, IEEE TNS 2005

21 2 高エネルギー 低エネルギー陽子低エネルギー陽子のシングルイベント効果 21 B. Sierawski, et al., Impact of Low-Energy Proton Induced Upsets on Test Methods and Rate Predictions, IEEE TNS 2009

22 2 高エネルギー 低エネルギー陽子 陽子のエネルギー範囲 kev 領域 ~ 数百 MeV 人工衛星の軌道によって大きく変わる 22 課題 高エネルギー ( 数百 MeV 程度 ) の核反応 低エネルギー (MeV 程度 ) の核反応 ターゲット材料 (W Ti Cu Si O etc)

23 3 高エネルギー重粒子重粒子のエネルギースペクトル例 23 IEEE TNS Short course 2006

24 SEE 発生頻度 3 高エネルギー重粒子重粒子によるシングルイベント効果 24 重イオン入射 直接電離による電子 正孔対生成 ( 線エネルギー付与に依存 ) 核反応 直接電離 + 核生成物による電離 一時的な故障発生 一時的な故障 ( 過渡現象 ) MOSFET イオンの線エネルギー付与 (LET)

25 3 高エネルギー重粒子重粒子の核反応起因のシングルイベント効果 25 P. E. Dodd et al., Impact of Heavy Ion Energy and Nuclear Interactions on Single-Event Upset and Latch up in Integrated Circuits, IEEE TNS 2007

26 3 高エネルギー重粒子高エネルギー陽子によるシングルイベント効果 26 P. E. Dodd et al., Charge Generation by Secondary Particles From Nuclear Reactions in BEOL Materials, IEEE TNS 2009.

27 まとめ 27 半導体に対する 3 つの放射線影響とその評価試験 ガンマ線のトータルドーズ効果 電子線 陽子線のはじき出し損傷効果 重粒子線のシングルイベント効果 核反応に起因する半導体の放射線影響 地上中性子 高エネルギー 低エネルギー陽子 MeV 程度 ~ 数百 MeV の陽子に起因する核反応 W, Ti, Cu, 高エネルギー重粒子 MeV/u~GeV/u の高エネルギー重粒子に起因する核反応 W, Ti, Cu,

28 ご静聴ありがとうございました

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