建立環(huán)境輻射評價與對策的技術(shù)

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)體器件的實驗反應(yīng)堆。課題組通過使用多種類型的量子束,實現(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(yù)計該成果還將引領(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(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就會發(fā)生這種情況:更容易出現(xiàn)軟錯誤。所以人們會擔(dān)心環(huán)境輻射引起的軟錯誤會導(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(guān)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(jié)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(dǎo)體器件進(jìn)行了對比評估。本實驗中使用了采用 20 納米 CMOS 工藝技術(shù)制造的 SRAM 電路。每束量子束照射SRAM,分析每一個粒子的軟錯誤發(fā)生率和趨勢。

發(fā)現(xiàn)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(jié)果為全球首次發(fā)現(xiàn)。

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(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誤的最佳設(shè)計方法。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(jìn)行軟錯誤評估的開發(fā)有望引領(lǐng)創(chuàng)建更安全、更可靠的半導(dǎo)體設(shè)備。