JP2001215282A - 中性子線量の測定装置及び中性子線量の測定方法 - Google Patents

中性子線量の測定装置及び中性子線量の測定方法

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JP2001215282A
JP2001215282A JP2000025357A JP2000025357A JP2001215282A JP 2001215282 A JP2001215282 A JP 2001215282A JP 2000025357 A JP2000025357 A JP 2000025357A JP 2000025357 A JP2000025357 A JP 2000025357A JP 2001215282 A JP2001215282 A JP 2001215282A
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conductivity type
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Shigeo Sato
成生 佐藤
Yoshiharu Tosaka
義春 戸坂
Hiroyuki Kaneda
博幸 金田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 宇宙から降り注ぐ高速中性子線の線量を正確
に測定することができる中性子線量の測定方法を提供す
る。 【解決手段】 半導体記憶装置201に既知の線量の高
エネルギ中性子線を照射しながら、半導体記憶装置20
1へのデータの書き込みと読み出しを行うことにより第
1のソフトエラーの発生頻度を測定する工程と、高速中
性子線の線量が分かっていない実測定場所に高速中性子
線量のセンサとして複数の半導体記憶装置201を並べ
て複数の半導体記憶装置201へのデータの書き込みと
読み出し処理を行うことにより高速中性子線による第2
のソフトエラーの発生頻度を測定する工程と、第1のソ
フトエラーの発生頻度と第2のソフトエラーの発生頻度
との比率から実測定場所での高速中性子線の線量を求め
る工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、中性子線量の測定
装置及び中性子線量の測定方法に関し、より詳しくは、
宇宙から降り注ぐ高速中性子線量を正確に測定すること
ができる中性子線量の測定装置及び同じく測定方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体記憶装置やロジック回路
は、宇宙から地上に降り注ぐα線や中性子によってソフ
トエラーが発生することが知られている。図10(a)
は、従来の半導体記憶装置やロジック回路に用いられる
MOSトランジスタの斜視図である。
【0003】図10(a)に示すように、p- 型の半導
体基板1上に、p型のウエル領域2が形成されている。
また、ウエル領域2の表層にはドレイン領域3aとソー
ス領域3bが形成されている。また、ソース領域3bと
ドレイン領域3aに挟まれた領域にゲート絶縁膜を介し
てゲート電極4a,4bが形成されている。図10
(b)は、MOSトランジスタのドレイン領域3a部分
のA−A線に沿う深さ方向の不純物濃度分布を示す。
【0004】α線などの荷電粒子が半導体記憶装置に飛
び込むとその飛跡に沿って電子・正孔対が発生する。ま
た、宇宙から地上に降り注ぐ中性子には、高速中性子が
含まれているが、この高速中性子は、図10(a)に示
すように、極まれにシリコン等の半導体材料と核反応を
起こし、荷電粒子を発生させる。この荷電粒子の飛跡に
電子・正孔対が発生する。この発生電荷によって、DR
AMなどの半導体記憶装置はソフトエラーを発生する。
【0005】このような半導体記憶装置を備えた計算機
システムの大規模化に伴い、システム全体のソフトエラ
ー率は増加する可能性があり、ソフトエラーの信頼性評
価が重要になりつつある。特に、高速中性子線量は、高
度や緯度が高い地方ほど多い。また、厚さ60cmのコ
ンクリートによって中性子線量が約半分に減衰すること
が報告されており、また、同じ地域でも、コンクリート
の厚さによって中性子線量に違いがある。このため、実
環境でのソフトエラーの発生率を知るには、ソフトエラ
ーの信頼性試験のときの高速中性子線量と、計算機シス
テムの設置場所での高速中性子線量を測定し、比較する
必要がある。
【0006】α線などの荷電粒子は半導体検出器で線量
を測定することができる。即ち、電子・正孔対が逆バイ
アスに印加したpn接合の付近で発生すると、このpn
接合に電流が流れる。半導体検出器はこの原理を利用し
ている。一方、中性子は電荷を有しないため、半導体検
出器で直接測定できない。そこで、熱中性子に対して
は、10Bや6 Liなどの核反応物質を半導体検出器に装
着した装置を用いる。この装置では、熱中性子と核反応
物質の反応で発生する荷電粒子を、半導体検出器で測定
する。
【0007】また、高速中性子線量の測定に関しては、
プロトンジェネレータを半導体検出器に装着した装置を
用いる。これは、特許公開公報(特開平06−1803
70号公報、特開平07−131052号公報、特開平
07−176777号公報等)に知られている。この装
置では、高速中性子がプロトンジェネレータに衝突して
弾き飛ばされた水素原子核を検出する。プロトンジェネ
レータとしては、水素化合物であるパラフィン、ポリエ
チレン、エポキシ樹脂等を用いている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、プロト
ンジェネレータで検出できる中性子のエネルギ領域と、
ソフトエラーを起こす中性子のエネルギ領域は異なって
いる。このため、従来の高速中性子の検出装置では、半
導体記憶装置のソフトエラーに寄与する高速中性子線量
を正確に測定することはできないという問題がある。
【0009】本発明は、上記従来例の問題点に鑑みて創
作されたものであり、宇宙から降り注ぐ高速中性子線の
線量を正確に測定することができる中性子線量の測定装
置及び同じく測定方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明は、中性子線量の測定装置に係り、複数の
半導体記憶装置、例えばダイナミックランダムアクセス
メモリ(DRAM)又はスタティックランダムアクセス
メモリ(SRAM)が高速中性子線のセンサとして並べ
られてなることを特徴とし、また、アルファ線又は熱中
性子線により発生する電子又は正孔が蓄積容量に流れ込
む量よりも多く、かつ前記高速中性子線により発生する
電子又は正孔が蓄積容量に流れ込む量よりも少ない量の
電荷を蓄積することが可能な容量値を有するキャパシタ
又は寄生容量を備えていることを特徴とし、さらに、ダ
イナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)又はス
タティックランダムアクセスメモリ(SRAM)は、第
1導電型の半導体層の表層に形成された、チャネル領域
を挟んで対向する第2導電型のソース領域及びドレイン
領域を有する電界効果トランジスタで構成され、該電界
効果トランジスタの半導体層は、該半導体層の内部にい
くほど不純物濃度が高くなるように不純物濃度分布に勾
配を持たせてなることを特徴とし、さらに、スタティッ
クランダムアクセスメモリ(SRAM)は、第1導電型
のコレクタ領域と、該コレクタ領域上に形成された第2
導電型のベース領域と、該ベース領域上に形成された第
1導電型のエミッタ領域とを有するバイポーラトランジ
スタで構成され、第1導電型のコレクタ領域は、第2導
電型の半導体の基板上に積層された該基板の不純物濃度
よりも低い不純物濃度を有する第1導電型のエピタキシ
ャル層からなり、前記基板から前記エピタキシャル層に
向かって前記基板の不純物が外方拡散していることを特
徴としている。
【0011】また、この発明は、中性子線量の測定方法
に係り、半導体記憶装置、例えばダイナミックランダム
アクセスメモリ(DRAM)又はスタティックランダム
アクセスメモリ(SRAM)に既知の線量の高エネルギ
中性子線を照射しながら、前記半導体記憶装置へのデー
タの書き込みと読み出し処理を行うことにより第1のソ
フトエラーの発生頻度を測定する工程と、中性子線量が
分かっていない実測定場所に高速中性子線量のセンサと
して複数の前記半導体記憶装置を並べて該複数の半導体
記憶装置へのデータの書き込みと読み出し処理を行うこ
とにより高速中性子線による第2のソフトエラーの発生
頻度を測定する工程と、前記第1のソフトエラーの発生
頻度と第2のソフトエラーの発生頻度との比率から前記
実測定場所での高速中性子線の線量を求める工程とを有
することを特徴とし、また、スタティックランダムアク
セスメモリ(SRAM)は、第1導電型の半導体の基板
上に形成された第2導電型のコレクタ領域を有するバイ
ポーラトランジスタで構成され、かつ前記基板と前記コ
レクタ領域の間のpn接合に逆バイアスを印加すること
を特徴としている。
【0012】次に、本発明の構成から導かれる作用につ
いて説明する。実用に供される半導体記憶装置では、通
常は、ソフトエラーの発生率を低減させることを目標と
して改良が施されるが、この発明では、逆に、ソフトエ
ラーの発生率を高めた半導体記憶装置を高速中性子線量
のセンサとして用いている。即ち、この発明の中性子線
量の測定装置においては、複数の半導体記憶装置、例え
ばダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)又
はスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)が
高速中性子線のセンサとして並べられてなる。
【0013】複数の半導体記憶装置が並べられているの
で、高速中性子線の線量の測定感度を向上させることが
できる。また、実用に供される半導体記憶装置に類似し
た半導体記憶装置を用いているため、実用に近いソフト
エラーの発生頻度と高速中性子線の線量との関係を求め
ることができる。さらに、アルファ線又は熱中性子線に
より発生する電子又は正孔が蓄積容量に流れ込む量より
も多く、かつ高速中性子線により発生する電子又は正孔
が蓄積容量に流れ込む量よりも少ない量の電荷を蓄積す
ることが可能な容量値を有するキャパシタ又は寄生容量
を備えている。
【0014】このため、アルファ線又は熱中性子線の影
響を除去し、ソフトエラーの真の原因となる高速中性子
線の線量を測定することができる。なお、実測定場所で
の高速中性子線の線量を測定するためには、既知の線量
の高エネルギ中性子の照射実験によりソフトエラーの発
生頻度と高速中性子線の線量との対応関係を予め測定し
ておくことが必要になる。
【0015】特に、半導体層の内部ほど不純物濃度が高
くなるように、不純物濃度分布に勾配を持たせている。
半導体層の内部で不純物濃度が一定ではなく、濃度勾配
を有していると、熱平衡状態でもその場所に電界が発生
する。例えば、p型の半導体層の表層にn型のドレイン
領域等が形成されてなるnチャネル絶縁ゲート型電界効
果トランジスタ(n−MOSFET)で構成されるDR
AMの場合、p型の半導体層の内部ほどアクセプタ濃度
が高くなっていると、半導体層の表面から内部に向う電
界が生じるため、高速中性子線の照射により発生した電
子は表面の方向に流される。このため、蓄積容量をn型
のドレイン領域等に接続しておくと、蓄積容量に収集さ
れる電子の量がより多くなり、ソフトエラーが一層発生
し易くなる。
【0016】また、スタティックランダムアクセスメモ
リ(SRAM)は、第1導電型の半導体の基板上に形成
された第2導電型のコレクタ領域を有するバイポーラト
ランジスタで構成され、かつ基板とコレクタ領域の間の
pn接合に逆バイアス電圧を印加している。これによ
り、pn接合から空乏層がpn接合の両側に広がり、電
子・正孔対の捕獲率が高くなる。
【0017】特に、第1導電型の半導体の基板と第2導
電型のコレクタ領域との境界領域に基板の不純物濃度よ
りも高い不純物濃度を有する第2導電型の高濃度埋込層
が形成されていると、pn接合から空乏層がより低濃度
の基板側に広がるため、より深いところの電子・正孔対
の捕獲率が高くなる。このため、ほとんどが半導体層を
突き抜けてしまう高速中性子線の線量の検出感度を高め
ることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。 (第1の実施の形態)図1はこの発明の第1の実施の形
態の中性子線量の測定装置について示す断面図である。
【0019】この中性子線量の測定装置301では、図
3に示すダイナミックランダムアクセスメモリ(DRA
M)、又は図4乃至図5に示すスタティックランダムア
クセスメモリ(SRAM)等の半導体記憶装置201が
複数並べられている。図3乃至図5において、図3はM
OSFETを用いたDRAMセルであり、図4(a)は
MOSFETを用いた抵抗負荷のSRAMセルであり、
図4(b)はMOSFETを用いたMOSFET負荷の
SRAMセルであり、図5はマルチエミッタ構造のバイ
ポーラトランジスタを用い、クランプ素子としてショッ
トキダイオードを用いたSRAMセルである。
【0020】第1の実施の形態の場合、同一品種の64
MbitDRAMが1000個程度並べられているとす
る。このDRAMでは、図3に示すように、蓄積容量
(キャパシタ)を備えている。このキャパシタを半導体
記憶装置201のp型の半導体層の表層に形成されたn
型のドレイン領域或いはソース領域等に接続している。
このキャパシタにおいては、エネルギの小さいアルファ
線(α線)又は熱中性子線により発生する電子又は正孔
が蓄積容量に流れ込む荷電粒子の量(nα)よりも多
く、かつエネルギの大きい高速中性子線により発生する
電子又は正孔が蓄積容量に流れ込む量(nn)よりも少
ない量の電荷を蓄積することが可能な容量値(C)を有
するようにする。即ち、DRAMへのデータの書き込み
や読み出しのときにキャパシタにかかる電圧Vccに対
して、nα<1/2C・Vcc<nnという関係を満た
すような容量値(C)を有するキャパシタをn型のドレ
イン領域等に接続している。この場合、Vccに対して
キャパシタに50fC以上の電荷が蓄積可能なような容
量値とする。なお、SRAMの場合、内部リードの寄生
容量がDRAMのキャパシタに相当する。
【0021】次に、図2のフローチャートを参照して上
記中性子線量の測定装置301を用いて高速中性子線の
線量を測定する方法について説明する。実測定場所での
高速中性子線の線量を測定するためには、既知の線量の
高エネルギ中性子の照射実験によりソフトエラーの発生
頻度と高エネルギ中性子線の線量との対応関係を予め測
定しておくことが必要になる。
【0022】従って、まず、半導体記憶装置201を中
性子照射施設等に持ち込み、加速器等から発生させた既
知の線量の高エネルギ中性子線を半導体記憶装置201
に照射しながら、半導体記憶装置201へのデータの書
き込みと読み出し処理を行う。この場合、高エネルギ中
性子線により半導体記憶装置201に電荷が発生すると
ソフトエラーとなる。これを集計して高エネルギ中性子
線による第1のソフトエラーの発生頻度を測定する。
【0023】次いで、高速中性子線の線量が分かってい
ない実測定場所に高速中性子線量のセンサとして複数の
半導体記憶装置201を並べて複数の半導体記憶装置2
01へのデータの書き込みと読み出し処理を行うことに
より、上記と同じようにして高速中性子線による第2の
ソフトエラーの発生頻度を測定する。次に、第1のソフ
トエラーの発生頻度と第2のソフトエラーの発生頻度と
を比較することにより実測定場所での高速中性子線の線
量を求めることができる。
【0024】以上のように、第1の実施の形態の中性子
線量の測定装置301によれば、複数の半導体記憶装置
201を並べているので、高速中性子線の検出感度を向
上させることができる。さらに、実用に供される半導体
記憶装置に類似の半導体記憶装置201を用いているた
め、実用に近いソフトエラーの発生頻度と高速中性子線
の線量との関係を求め、高速中性子線の線量を正確に測
定することができる。
【0025】また、nα<1/2C・Vcc<nnとい
う関係を満たすようなキャパシタを半導体記憶装置20
1のドレイン領域等に接続しているので、アルファ線又
は熱中性子線の影響を除去し、ソフトエラーの真の原因
となる高速中性子線の線量を正確に測定することができ
る。 (第2の実施の形態)図6(a)は、この発明の第1の
実施の形態に係り、上記の中性子線量の測定装置301
に用いられる図3乃至図5に示すDRAMやSRAM等
の半導体記憶装置201を構成する絶縁ゲート型電界効
果トランジスタ(MOSFET)やバイポーラトランジ
スタについて示す断面図である。
【0026】図6(a)に示すように、p+ 型の半導体
基板11上にn−MOSFET(nチャネル絶縁ゲート
型電界効果トランジスタ)101、p−MOSFET
(pチャネル絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)10
2、npnバイポーラトランジスタ103が形成されて
いる。なお、図面では便宜上これらが隣接するように形
成しているが、実際には、図6(a)のように隣接して
形成されている場合もあるし、また各々分離して形成さ
れている場合もある。
【0027】n−MOSFET101部分では、半導体
基板11上にp型のウエル領域13aが形成されてい
る。また、ウエル領域13aの表層にはn型のソース領
域14bやドレイン領域14aが形成されている。ソー
ス領域14bとドレイン領域14aに挟まれたウエル領
域13a上にはゲート絶縁膜を介してゲート電極15a
が形成されている。ゲート電極15aの下のウエル領域
13aがチャネル領域となる。
【0028】ソース領域14bとドレイン領域14aに
はそれぞれこれらの領域14b、14aと接触してソー
ス電極17b、ドレイン電極17aが形成されている。
なお、図中、符号16は素子分離領域に形成されたフィ
ールド絶縁膜である。図6(b)は、n−MOSFET
101部分のB−B線に沿う深さ方向の不純物濃度分布
を示すグラフである。図6(b)の点線で示す不純物濃
度分布を有する図10(b)の場合と比べて、半導体基
板11の不純物濃度がウエル領域13aのそれよりも高
くなっていることである。さらに、半導体基板11とウ
エル領域13aとの境界領域11aで高濃度の半導体基
板11側からウエル領域13aに向かって漸減するよう
な濃度勾配を有する不純物濃度分布となっている。
【0029】npnバイポーラトランジスタ103の部
分では、p+ 型の半導体基板11上にコレクタ領域であ
るn型のウエル領域19が形成されており、かつp+
の半導体基板11とウエル領域19との間に高濃度のn
型の埋込層18aが形成されている。さらに、n型の埋
込層18aと接続し、かつウエル領域19の表層に露出
するようにn型のコレクタ引出層18bが形成されてい
る。ウエル領域19の表層にp型のベース領域21が形
成され、ベース領域21内にn型のエミッタ領域22が
形成されている。コレクタ引出層18bにはコレクタ電
極23cが接続し、ベース領域21にはベース電極23
bが接続し、エミッタ領域22にはエミッタ電極23a
が接続している。
【0030】図6(c)は、npnバイポーラトランジ
スタ103部分のC−C線に沿う深さ方向の不純物濃度
分布を示すグラフである。図6(c)の点線で示す不純
物濃度分布を有する場合と比べて、半導体基板11の不
純物濃度がウエル領域19や埋込層18aのそれよりも
高くなっていることである。さらに、半導体基板11と
埋込層18aとの境界領域11aで高濃度の半導体基板
11側から埋込層18aに向かって漸減するような濃度
勾配を有する不純物濃度分布となっている。
【0031】p−MOSFET102部分では、p+
の半導体基板11上にn型のウエル領域13bが形成さ
れている。かつp+ 型の半導体基板11とウエル領域1
3bとの間に高濃度のn型の埋込層12が形成されてい
る。また、ウエル領域13bの表層にはp型のソース領
域14dやドレイン領域14cが形成されている。ソー
ス領域14dとドレイン領域14cに挟まれたウエル領
域13b上にはゲート絶縁膜を介してゲート電極15b
が形成されている。ゲート電極15bの下のウエル領域
13bがチャネル領域となる。
【0032】ソース領域14dとドレイン領域14cに
はそれぞれこれらの領域14d、14cと接触してソー
ス電極17d、ドレイン電極17cが形成されている。
なお、図6(a)のように、n−MOSFET101と
p−MOSFET102とが隣接して配置されたとき、
CMOS(Complementary MOS )の構造となる。
【0033】上記の半導体記憶装置を備えた中性子線量
の測定装置を用いて中性子線量を測定する方法について
は第1の実施の形態と同様に行うことができるので、説
明を省略する。以上のように、この発明の第2の実施の
形態によれば、ウエル領域13a、13b、13cと半
導体基板11との間の境界領域11aにおいて、半導体
層の内部ほど不純物濃度が高くなるように、不純物濃度
分布に勾配を持たせている。
【0034】このように、半導体層の内部で不純物濃度
勾配を有する場所があると、熱平衡状態でもその場所に
電界が発生する。上記第2の実施の形態のように、p型
のウエル領域13aの表層にn型のドレイン領域14a
等が形成されてなるn−MOSFETで構成されるDR
AMの場合、p型のウエル領域13aと半導体基板11
との境界領域11aで、半導体基板11側にいくほどア
クセプタ濃度が高くなっていると、表面側から半導体基
板11の方向に電界が生じ、高速中性子線の照射により
発生した電子は表面の方に流される。このため、n型の
ドレイン領域14a等に接続された蓄積容量に収集され
る電子の量が多くなり、ソフトエラーが発生し易くな
る。
【0035】これにより、ソフトエラーの発生頻度を高
め、検出感度を向上させることができる。従って、第1
の実施の形態における蓄積容量を併用すると、ソフトエ
ラーの真の原因となる高速中性子線の線量をより一層正
確に測定することができる。 (第3の実施の形態)図7(a)はこの発明の第3の実
施の形態の中性子線量の測定装置に用いられるnpnバ
イポーラトランジスタの構造を示す断面図であり、同図
(b)は、同図(a)のnpnバイポーラトランジスタ
のD−D線に沿う深さ方向の不純物濃度分布について示
すグラフである。
【0036】図6(c)の場合と比較して、基板31と
してp型の半導体基板を用いていることは図6(c)の
場合と同じであるが、n型のコレクタ領域33とp型の
基板31との間にコレクタ領域であるn型の埋込層32
aを有し、基板31にドーピングされた不純物濃度が埋
込層32aの濃度よりも低いことが図6(c)の場合と
異なる。なお、図7(a)中、他の符号35はベース領
域、36はエミッタ領域、37はベース電極、38はエ
ミッタ電極、39はコレクタ電極である。
【0037】さらに、埋込層32aと基板31との間の
pn接合に逆バイアス電圧を印加していることである。
このpn接合に逆バイアス電圧を印加することにより、
空乏層がより低濃度の基板31側に広がるため、より深
いところの電子・正孔対の捕獲率が高くなる。このた
め、ほとんどが半導体層を突き抜けてしまう高速中性子
線の線量の測定感度を高めることができる。
【0038】この場合、印加する逆バイアス電圧はpn
接合の耐圧以下であればよいので、適宜決めることがで
きる。逆バイアス電圧が高いほど空乏層が広がるためよ
り感度が高くなる。上記の半導体記憶装置を備えた中性
子線量の測定装置を用いた中性子線量の測定方法につい
ては、第1の実施の形態と同様に行うことができるの
で、説明を省略する。
【0039】なお、上記では、n型のコレクタ領域33
とp型の基板31との間にコレクタ領域であるn型の埋
込層32aを有しているが、n型の埋込層32aを形成
しなくてもよい。この場合、pn接合の両側の領域の不
純物濃度はより近くなるため、pn接合から空乏層がp
n接合の両側に広がり、上記と同様に半導体基板内に発
生する電子・正孔対を感度良く検出することができる。 (第4の実施の形態)図8は、この発明の第4の実施の
形態の中性子線量の測定装置に用いられるMOSFET
やバイポーラトランジスタについて示す断面図である。
【0040】図8に示すように、p+ 型の半導体基板4
1上にn−MOSFET104が形成されている。この
n−MOSFET104を用いて電荷収集頻度を調査し
た結果について以下に説明する。実験のため、n−MO
SFET104の基板からバックゲート領域にかけての
不純物濃度分布を3種類変化させた。2種類の試料につ
いては、基板としてp型0.01Ωcmの半導体基板4
1を用い、その基板41上に不純物濃度1015cm-3
定で、厚さ3μm(図9においてdepi =3μmと表
示)及び厚さ6μm(同じくdepi =6 μmと表示)の
p型のエピタキシャル層42を成長させ、温度950℃
で、30分間加熱処理を行った。加熱処理により、基板
41側からエピタキシャル層42に基板41の不純物が
アウトディフュージョン(外方拡散)し、基板41とエ
ピタキシャル層42の間に不純物濃度勾配を形成するこ
とができる。もう一つの試料(同じくバルクと表示)
は、1×1015cm-3程度の低濃度の基板を用いた。
【0041】なお、その後、エピタキシャル層42の表
層にn型のドレイン領域43aとソース領域43bを形
成し、さらに、ドレイン領域43aとソース領域43b
の間のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電
極44を形成する。さらに、ドレイン領域43aに接す
るドレイン電極46aを形成し、ソース領域43bと接
触するソース電極46bを形成する。
【0042】図9(a)は、このような3種類の不純物
濃度分布について示すグラフである。縦軸は対数目盛り
で表した不純物濃度(cm-3)を示し、横軸は線形目盛
りで表した深さ(μm)を示す。なお、図9(a)には
n型のドレイン領域43aは記載されていないが、実際
には表層の深さ凡そ0.1μmまでのところに面積10
0×100μm2 を有するn型のドレイン領域43aが
形成されている。
【0043】図9(b)は、上記3種類のn−MOSF
ET104を用いて調査した電荷収集頻度について示す
グラフである。縦軸は対数目盛りで表した電荷収集頻度
(μm-2)を示し、横軸は線形目盛りで表した収集電荷
量(フェムトクーロン(fC))を示す。電荷収集頻度
(μm-2)とは、一個の中性子が面積1μm2 のpn接
合に当たったときに電荷が収集される頻度であり、ソフ
トエラーの起こり易さに対応している。
【0044】図9(b)に示すように、高濃度の基板の
場合は、低濃度の基板を用いた場合と比較して凡そ10
倍程度電荷収集頻度が高い。これは、基板に発生した電
子がエピタキシャル層(低濃度領域)に一旦溜まり、こ
の電荷がウエル障壁を飛び越えてn型拡散層に流れ込む
ためと考えられる。また、depi の厚薄に関しては電荷
収集頻度にあまり差はないが、強いて言えば、depi の
厚い方(6μm)が薄い方(3μm)よりも電荷収集頻
度が高いといえる。これは、depiの厚い方が、発生
した電子のエピタキシャル層(低濃度領域)に溜まる量
が多いためだと考えられる。
【0045】以上のように、この発明の第4の実施の形
態によれば、図6(b)の不純物濃度勾配を基板41側
からエピタキシャル層42への外方拡散により形成して
いる。これにより、第2の実施の形態と同じように、表
面から基板の方に向くような電界が生じる。この電界に
より、宇宙からの高速中性子線の照射により発生した電
子は表面の方向に流されるため、n型のドレイン領域等
に接続された蓄積容量に収集される電子の量が多くな
り、ソフトエラーが発生し易くなる。このため、ソフト
エラーの発生頻度を高め、検出感度を向上させることが
できる。従って、第1の実施の形態における蓄積容量を
併用すると、ソフトエラーの真の原因となる高速中性子
線の線量をより一層正確に測定することができる。
【0046】以上、実施の形態によりこの発明を詳細に
説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的
に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を
逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範
囲に含まれる。例えば、上記半導体記憶装置の半導体層
等に適用した導電型(p型やn型)の代わりに、それら
の半導体層等に逆の導電型(p型の場合n型とし、n型
の場合p型とする)を適用してもよい。
【0047】また、上記実施の形態では、半導体記憶装
置としてDRAM及びSRAMを用いているが、高速中
性子線の照射により発生した電子又は正孔を容量への蓄
積電荷量として、或いは電流として検出することができ
るような構造を有する半導体記憶装置を用いることがで
きる。なお、フラッシュメモリはアバランシェブレーク
ダウン等により高いエネルギを得た電子等をフローティ
ングゲートに注入させるような構造なので、この発明へ
の適用は難しいと考えられる。
【0048】
【発明の効果】以上のように、本発明の中性子線量の測
定装置によれば、複数の半導体記憶装置、例えばダイナ
ミックランダムアクセスメモリ(DRAM)又はスタテ
ィックランダムアクセスメモリ(SRAM)が高速中性
子線のセンサとして並べられてなる。
【0049】複数の半導体記憶装置が並べられているの
で、高速中性子線の線量の測定感度を向上させることが
できる。また、実用に近い半導体記憶装置を用いている
ため、実用に近いソフトエラーの発生頻度と高速中性子
線の線量との関係を求めることができる。さらに、アル
ファ線又は熱中性子線により発生する電子又は正孔が蓄
積容量に流れ込む量よりも多く、かつ高速中性子線によ
り発生する電子又は正孔が蓄積容量に流れ込む量よりも
少ない量の電荷を蓄積することが可能な容量値を有する
キャパシタ又は寄生容量を備えている。このため、アル
ファ線又は熱中性子線の影響を除去し、ソフトエラーの
真の原因となる高速中性子線の線量を測定することがで
きる。
【0050】特に、半導体層の内部ほど不純物濃度が高
くなるように、不純物濃度分布に勾配を持たせている。
このため、表面から半導体層の内部の方向に電界が生
じ、高速中性子線の照射により発生した電子は表面の方
向に流される。これにより、ドレイン領域等に接続され
た蓄積容量に収集される電子の量が多くなり、ソフトエ
ラーの発生頻度を高めることができる。
【0051】また、スタティックランダムアクセスメモ
リ(SRAM)は、第1導電型の半導体の基板上に形成
された第2導電型のコレクタ領域を有するバイポーラト
ランジスタで構成され、かつ基板とコレクタ領域の間の
pn接合に逆バイアスを印加している。従って、pn接
合から空乏層がpn接合の両側に広がって電子・正孔対
の捕獲率を高くし、これにより、高速中性子線の線量の
測定感度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る中性子線量の
測定装置を示す断面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る中性子線量の
測定装置を用いた中性子線量の測定方法を示すフローチ
ャートである。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係る中性子線量の
測定装置に用いられる、ダイナミックランダムアクセス
メモリ(DRAM)のセルを示す回路図である。
【図4】(a)は本発明の第1の実施の形態に係る中性
子線量の測定装置に用いられる、抵抗負荷のスタティッ
クランダムアクセスメモリ(SRAM)のセルを示す回
路図である。(b)はMOSトランジスタ負荷のスタテ
ィックランダムアクセスメモリ(SRAM)のセルを示
す回路図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態に係る中性子線量の
測定装置に用いられる、バイポーラトランジスタを備え
たスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)の
セルを示す回路図である。
【図6】(a)は、本発明の第2の実施の形態の中性子
線量の測定装置について示す断面図である。(b)はn
−MOSトランジスタ部分のB−B線に沿う深さ方向の
不純物濃度分布を示すグラフである。(c)はnpnバ
イポーラトランジスタ103部分のC−C線に沿う深さ
方向の不純物濃度分布を示すグラフである。
【図7】(a)は、本発明の第3の実施の形態の中性子
線量の測定装置について示す断面図である。(b)はn
pnバイポーラトランジスタ部分のD−D線に沿う深さ
方向の不純物濃度分布を示すグラフである。
【図8】本発明の第4の実施の形態の中性子線量の測定
装置に用いられるn−MOSトランジスタついて示す断
面図である。
【図9】(a)は、図6のn−MOSトランジスタであ
って、濃度分布の異なる3種類のn−MOSトランジス
タのE−E線に沿う深さ方向の不純物濃度分布を示すグ
ラフである。(b)は、(a)のn−MOSトランジス
タに既知の線量の中性子線を照射したときの電荷収集頻
度について比較調査結果を示すグラフである。
【図10】(a)は、従来例に係る半導体記憶装置の構
造について示す斜視図である。(b)は、(a)の半導
体記憶装置のA−A線に沿う深さ方向の不純物濃度分布
を示すグラフである。
【符号の説明】
11、31、41 半導体基板(基板)、 11a 境界領域、 12、18a、32a 埋込層、 13a、13b、13c ウエル領域、 14a、14c、43a ドレイン領域、 14b、14d、43b ソース領域、 15a、15b、44 ゲート電極、 19 ウエル領域(コレクタ領域)、 21 ベース領域、 22 エミッタ領域、 33 コレクタ領域、 101、104 n−MOSFET(nチャネル絶縁ゲ
ート型電界効果トランジスタ)、 102 p−MOSFET(pチャネル絶縁ゲート型電
界効果トランジスタ)、 103 npnバイポーラトランジスタ、 201 半導体記憶装置、 301 中性子線量の測定装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/8242 (72)発明者 金田 博幸 神奈川県川崎市中原区上小田中4丁目1番 1号 富士通株式会社内 Fターム(参考) 2G088 BB05 EE08 EE30 FF09 GG21 GG25 GG30 JJ05 KK24 LL06 LL28 5F083 AD11 BS27 BS37 BS49 GA18

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体記憶装置に既知の線量の高エネル
    ギ中性子線を照射しながら、前記半導体記憶装置へのデ
    ータの書き込みと読み出しを行うことにより第1のソフ
    トエラーの発生頻度を測定する工程と、 高速中性子線の線量が分かっていない実測定場所に高速
    中性子線量のセンサとして複数の前記半導体記憶装置を
    並べて該複数の半導体記憶装置へのデータの書き込みと
    読み出し処理を行うことにより高速中性子線による第2
    のソフトエラーの発生頻度を測定する工程と、 前記第1のソフトエラーの発生頻度と前記第2のソフト
    エラーの発生頻度との比率から前記実測定場所での高速
    中性子線の線量を求める工程とを有することを特徴とす
    る中性子線量の測定方法。
  2. 【請求項2】 前記半導体記憶装置は、アルファ線又は
    熱中性子線により発生する電子又は正孔が蓄積容量に流
    れ込む量よりも多く、かつ前記高速中性子線により発生
    する電子又は正孔が蓄積容量に流れ込む量よりも少ない
    量の電荷を蓄積することが可能な容量値を有するキャパ
    シタ又は寄生容量を備えていることを特徴とする請求項
    1記載の中性子線量の測定方法。
  3. 【請求項3】 複数の半導体記憶装置が高速中性子線の
    センサとして並べられてなることを特徴とする中性子線
    量の測定装置。
  4. 【請求項4】 前記半導体記憶装置は、第1導電型の半
    導体層の表層に形成された、チャネル領域を挟んで対向
    する第2導電型のソース領域及びドレイン領域を有する
    電界効果トランジスタで構成され、該電界効果トランジ
    スタの半導体層は、該半導体層の内部にいくほど不純物
    濃度が高くなるように不純物濃度分布に勾配を持たせて
    なることを特徴とする請求項3記載の中性子線量の測定
    装置。
  5. 【請求項5】 前記半導体層は、半導体の基板と、該基
    板上に積層された該基板の不純物濃度よりも低い不純物
    濃度を有するエピタキシャル層とからなり、前記基板か
    ら前記エピタキシャル層に向かって前記基板の不純物が
    外方拡散していることを特徴とする請求項4記載の中性
    子線量の測定装置。
  6. 【請求項6】 前記半導体記憶装置はスタティックラン
    ダムアクセスメモリ(SRAM)であり、前記スタティ
    ックランダムアクセスメモリは第2導電型の半導体の基
    板と前記第1導電型のコレクタ領域との間に前記基板の
    不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の
    高濃度埋込層が形成されていることを特徴とする請求項
    3記載の中性子線量の測定装置。
  7. 【請求項7】 前記スタティックランダムアクセスメモ
    リ(SRAM)は、第1導電型のコレクタ領域と、該コ
    レクタ領域上に形成された第2導電型のベース領域と、
    該ベース領域上に形成された第1導電型のエミッタ領域
    とを有するバイポーラトランジスタで構成され、第1導
    電型のコレクタ領域は、第2導電型の半導体の基板上に
    積層された該基板の不純物濃度よりも低い不純物濃度を
    有する第1導電型のエピタキシャル層からなり、前記基
    板から前記エピタキシャル層に向かって前記基板の不純
    物が外方拡散していることを特徴とする請求項6記載の
    中性子線量の測定装置。
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