JP6475828B2 - 半導体ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）のソフトエラー率計算装置および計算方法 - Google Patents

Description

本発明は、放射線による半導体ＬＳＩのソフトエラーの発生率の評価計算方法に関する。

背景技術として、特許０３７９２０９２号公報（特許文献１）がある。この特許には、「宇宙線中性子のスペクトル分布を予め定められた複数のエネルギー値を代表値として有するエネルギーバンドに分割する手順と、前記複数のエネルギー値に対応する半導体デバイスのソフトエラー部分断面積を求める手順と、該部分断面積を前記複数のエネルギーバンド毎の総フラックスで重み付けを行なって、前記ソフトエラー部分断面積の総和を求める手順を備え、該ソフトエラー部分断面積の総和を用いて予め定められた実使用環境における前記半導体デバイスのソフトエラー率を推測することを特徴とする半導体デバイスの宇宙線ソフトエラー耐性評価方法。」と記載されている。

特許０３７９２０９２号公報

上記技術においては、分割した複数のエネルギーバンド毎に対応するエネルギーを持つ中性子ビームを照射して、ソフトエラー断面積を実験的に求め、自然界における中性子ソフトエラー率を導出する。しかし、当該技術では、中性子エネルギーを変更して複数回の中性子照射を行うため、評価が高コストかつ長時間に及ぶ可能性がある。

本発明の目的は、半導体ＬＳＩの実使用環境における中性子ソフトエラー率の導出に用いるデータとして、低中性子エネルギーを照射した際のデータのみでも中性子ソフトエラー率の導出を可能とすることである。

上記課題を解決すべく、本発明に係る半導体ＬＳＩのソフトエラー計算装置は、ＳＥＵ断面積関数の保持部と、ＳＥＵ断面積関数の外形値と低エネルギー中性子スペクトルデータから単位時間当たりに発生するエラー数基本値を計算する計算部と、入力データから単位時間当たりのエラー数実測値を計算するエラー数実測値計算部と、前記計算部の計算結果からＳＥＵ断面積関数を同定する計算部と、自然界中性子スペクトルの保持部と、前記計算結果及び保持データから自然界における前記半導体デバイスのソフトエラー率を計算するエラー率計算部とを備える。

本発明によれば、中性子ソフトエラー率を導出する際に使用する実測データとして、低中性子エネルギー照射時のデータを利用可能とする。その結果、高出力の施設だけでなく、低出力施設の利用が可能になるとともに、照射機材の放射化抑制、評価時の加速器運転コストの低減も可能となる。

実施例１に係る半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算装置の構成例を示す図である。 実施例１による半導体ＬＳＩのソフトエラー耐性評価フロー例を示す図である。 実施例１における半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算時のユーザ操作画面４０１の例を示す。 実施例２に係る半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算装置の構成例を示す図である。

半導体デバイスの微細化・高集積化に伴い、α線や中性子線等の環境放射線による回路の一時的誤動作であるソフトエラーの影響が拡大している。これまで中性子線に対する対策として、ＥＣＣ（Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｄｅ）によるメモリのエラーデータの検出・訂正や冗長化による演算エラー検出等のエラー耐性向上技術を取り入れた設計を行ってきた。これらの技術を用いたシステムの中性子耐性評価には、従来、中性子を照射する加速実験が行われている。

中性子照射による加速試験方法として、従来、白色法と（準）単色法が用いられてきた。白色法はエネルギー分布が自然界の中性子スペクトルに似ている白色中性子ビームを照射したときのエラー率から、地上でのエラー率を求める方法である。自然界の中性子スペクトルは数１００ＭｅＶまでの広い範囲にわたるため、中性子照射施設も同様に数１００ＭｅＶの高いエネルギーを含む中性子ビームを出力し、対象のＬＳＩに照射する必要がある。（準）単色法は、特定のエネルギーを持った単色または準単色の中性子ビームを照射し、各ビームのエラー率から照射対象の中性子エネルギー毎の中性子ソフトエラー率を求め、ＳＥＵ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｖｅｎｔ Ｕｐｓｅｔ）断面積関数を求める。次に、ＳＥＵ断面積関数と地上での中性子スペクトルから中性子ソフトエラー率を計算する方法である。（準）単色法では、数ＭｅＶの低エネルギーから数１００ＭｅＶまでの高エネルギーまでの中性子ビームを照射する必要がある。

中性子照射施設では、陽子などの粒子を加速し、リチウムや鉛などのターゲットに衝突させ核反応を起こすことで中性子を生成している。一般に、加速粒子が高速であるほど、大型の加速器が必要となり、加速器の運転コストが増加し、また実施可能施設が限定される。

本実施例の基となる原理について説明する。半導体ＬＳＩデバイスのＳＥＵ断面積関数は、Ｗｅｉｂｕｌｌ分布の累積密度関数（本願ではＷｅｉｂｕｌｌ関数と呼ぶ）にフィッティング可能であることが知られている。Ｗｅｉｂｕｌｌ関数は、次式で表される。

Ｅは中性子エネルギーを表す。Ｅｔｈ、Ｗ、ＳはＷｅｉｂｕｌｌ関数の形を決定するパラメータであり、多数の半導体ＬＳＩに対する照射実験結果から得られたＳＥＵ断面積関数から、一定値となることが分かっており、これらの値をそれぞれ、Ｅｔｈ_ｃとＷ_ｃとＳ_ｃと記載する。本願では、これらを代入したＷｅｉｂｕｌｌ関数をＳＥＵ断面積関数外形Ｗ（Ｅ）と呼ぶ。照射対象デバイスのＳＥＵ断面積関数は、ＳＥＵ断面積関数外形の定数倍となる。この定数を本願では、ＳＥＵ断面積関数比例係数σと呼ぶ。

単位時間当たりのエラー数は、照射中性子スペクトルとＳＥＵ断面積関数を掛け合わせて、エネルギーＥで積分することで求められることが知られている。ＳＥＵ断面積関数は、ＳＥＵ断面積関数の外形値のσ倍であることから、単位時間当たりのエラー数は、照射中性子スペクトルとＳＥＵ断面積関数の外形値を掛け合わせて、エネルギーＥで積分した値（本願ではエラー数基本値と呼ぶ）をσ倍したものと言い換えることができる。

以下、半導体ＬＳＩのソフトエラー計算装置に関わる実施例について、図面を用いて説明する。

図1は、本実施例の半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算装置の構成図の例である。半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算装置１００は、ＳＥＵ断面積関数計算部１１０と、自然界ソフトエラー率計算部１２０と、を含む。

ＳＥＵ断面積関数計算部１１０には、低エネルギー中性子照射時間１１と低エネルギー中性子照射時のエラー数１２から単位時間当たりのエラー数実測値１１５を計算し出力するエラー数実測値計算部１１１と、エラー数基本値計算部１１２から与えられた中性子エネルギー値１１７に対応するＳＥＵ断面積関数の外形の関数値１１８を出力するＳＥＵ断面積関数外形保持部１１３と、ＳＥＵ断面積関数外形保持部１１３に中性子エネルギー値１１７を入力し得られるＳＥＵ断面積関数の外形値１１８と低エネルギー中性子スペクトル１３から単位時間当たりに発生するエラー数基本値１１９を出力するエラー数基本値計算部１１２と、単位時間当たりのエラー数基本値１１９と単位時間当たりのエラー数実測値１１５の比を計算し照射対象デバイスのＳＥＵ断面積関数を同定するＳＥＵ断面積関数比例係数計算部１１４とが含まれる。

低エネルギー中性子照射時間１１と低エネルギー中性子照射時のエラー数１２は、低エネルギー中性子照射施設にて、評価対象半導体ＬＳＩに中性子を照射することで取得することができる。低エネルギー中性子スペクトル１３は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法やボナーボール型中性子検出器による測定結果からＵｎｆｏｌｄｉｎｇ法で導出する手法などで実測することができる。または、照射施設での中性子生成反応を、核破砕反応シミュレーションにより計算で求めることもできる。

エラー数実測値計算部１１１では、低エネルギー中性子照射時のエラー数１２を低エネルギー中性子照射時間１１で割ることで、単位時間当たりのエラー数実測値１１５（Ｅ_ｅｘｐ）を計算しＳＥＵ断面積関数比例係数計算部１１４に出力する。

ＳＥＵ断面積関数外形保持部１１３では、Ｅｔｈ_ｃとＷ_ｃとＳ_ｃとを内部に保持しておき、エラー数基本値計算部１１２が生成した所望の中性子エネルギー値に応じたＷｅｉｂｕｌｌ関数の値をＳＥＵ断面積関数の外形値１１８として出力する。

ＳＥＵ断面積関数外形保持部１１３にエラー数基本値計算部１１２が生成した所望のエネルギー値１１７を入力し得られるＳＥＵ断面積関数の外形値１１８と低エネルギー中性子スペクトル１３とを掛けて数値積分演算し、単位時間当たりに発生するエラー数基本値Ｅ_ｂａｓｅ１１９を導出し出力する。本計算を数式で表すと、（式２）

となる。ここで、φ_ｌｏｗＥ（Ｅ）は、低エネルギー中性子スペクトル１３を数式で表したものである。

ＳＥＵ断面積関数比例係数計算部１１４は、Ｅ_ｅｘｐをＥ_ｂａｓｅで割り比を計算することでＳＥＵ断面積関数比例係数σ１２３を取得し、自然界ソフトエラー率計算部１２０へ出力する。

自然界ソフトエラー率計算部１２０には、入力された自然界中性子スペクトル１４を保持し、エラー率計算部１２２から与えられる中性子エネルギー値１２４に対応する自然界中性子フラックス１２５を出力する自然界中性子スペクトル保持部１２１と、ＳＥＵ断面積関数外形と自然界中性子スペクトル１４から半導体ＬＳＩの自然界での中性子ソフトエラー率１５を計算し出力するエラー率計算部１２２とが含まれる。

自然界中性子スペクトル保持部１２１は、本発明に係る半導体ＬＳＩのソフトエラー計算装置１００に入力された自然界中性子スペクトル１４を保持し、エラー率計算部１２２から与えられる中性子エネルギー値１２４に対応する自然界中性子フラックス１２５を出力する。自然界中性子スペクトル１４は、ＪＥＤＥＣ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｎｏ．８９Ａなどを参照することで取得することができる。

エラー率計算部１２２は、ＳＥＵ断面積関数外形保持部１１３に所望のエネルギー値１２６を入力し得られるＳＥＵ断面積関数の外形値１２７に、ＳＥＵ断面積関数比例係数計算部１１４から得られるＳＥＵ断面積関数の比例係数σ１２３を掛けたもの、即ち、半導体ＬＳＩのＳＥＵ断面積関数と、自然界中性子スペクトル保持部１２１に所望のエネルギー値１２４を入力し得られる中性子フラックス１２５とを掛けて数値積分演算し、単位時間当たりのエラー数Ｅ_ｎを導出する。本計算を数式で表すと、（式３）

となる。ここで、φ_ｎ（Ｅ）は、自然界中性子スペクトル１４を数式で表したものである。単位時間当たりのエラー数、即ちエラー率を自然界での中性子ソフトエラー率１５として出力する。ただし、一般的にソフトエラー率は、ＦＩＴ（Ｆａｉｌｕｒｅｓ Ｉｎ Ｔｉｍｅ）単位(１０^９時間あたりのエラー数)で表すことが多い。そこで、例えば、全ての物理量がＭＫＳ単位系で表されているとすると、前記単位時間当たりのエラー数に３６００×１０^９を乗じてＦＩＴ単位へ（式４）で換算できる。

上記結果を自然界での中性子ソフトエラー率１５として出力してもよい。

図２は、本実施例の半導体ＬＳＩの中性子耐性評価フローの例である。まず、本実施例の半導体ＬＳＩのソフトエラー計算装置に入力するデータを取得する。中性子ビームスペクトルの実測又は、施設を模擬したシミュレーションにより、低エネルギー中性子スペクトル１３を得る（２０２）。ここでは低エネルギーとして、５０ＭｅＶ以下としているが、それ以上でも構わない。次に、半導体ＬＳＩに対して前記の中性子ビームを照射する。この時、照射時間及び照射時のエラー数を計数しておく（２０３）。これらのステップで取得したデータを用い、ソフトエラー率の計算を実施する。まず、中性子照射時間と照射時のエラー数から、単位時間当たりのエラー数を計算する（２０４）。次に、照射中性子のエネルギースペクトルとＳＥＵ断面積関数の外形から、単位時間当たりのエラー数基本値を計算し（２０５）、実測値との比を計算することで、ＳＥＵ断面積関数比例係数σを計算し（２０６）、ＳＥＵ断面積関数を導出する（２０７）。最後に、自然界における中性子スペクトルとＳＥＵ断面積関数を掛け合わせ、ソフトエラー率を計算する（２０８）。

図３は、実施例１における半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算時のユーザ操作画面４０１の例を示す。本画面４０１に、エラー率計算対象の半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算の操作ウィンドウ４０２を表示する。操作ウィンドウ４０２において、情報として、低エネルギー中性子パラメータ４０３と自然界中性子パラメータ４０４とソフトエラー率計算結果４０５を有する。

低エネルギー中性子パラメータ４０３では、ソフトエラー率計算装置１００の照射した低エネルギー中性子のパラメータを表示し、ユーザによる入力・設定が可能である。本実施例では、パラメータの例として、低エネルギー中性子照射時間１１に相当する「照射時間」、低エネルギー中性子照射時のエラー数１２に相当する「照射時のエラー数」、低エネルギー中性子スペクトル１３に相当する「中性子スペクトル（中性子エネルギー[MeV]，フラックス[/s/cm²]）」がある。

自然界中性子パラメータ４０４では、ソフトエラー率を計算する際に使用する自然界における中性子スペクトルを表示し、ユーザによる入力・設定が可能である。本実施例では、パラメータの例として、自然界中性子スペクトル１４に相当する「中性子スペクトル（中性子エネルギー[MeV]，フラックス[/s/cm²]）」がある。

ソフトエラー率計算結果４０５では、本実施例を利用して計算した自然界での中性子ソフトエラー率１５が、「中性子ソフトエラー率」として表示される。その他の表示内容として、ＳＥＵ断面積関数比例係数１２３が表示される。

図４は、第二の実施形態に係る半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算装置の構成図の例である。図１と同じ部分には同じ符号を付してあり、構成、動作が同じであるので、説明を省略する。

本耐性評価フローにおいて、ＳＥＵ断面積関数の外形値は普遍であり、また、照射中性子ビームスペクトルは中性子照射施設に固有であることから、使用する中性子耐性評価施設が同一であれば、予め単位時間当たりのエラー数基本値を計算し流用することで、計算時間を削減できる。第二の実施形態に係る半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算装置３００では、照射施設固有の数値である単位時間当たりのエラー数基本値を予め計算し記録したエラー数基本値データベース３０２を半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算装置３００が備える。

エラー数基本値データベース３０２は、入力された中性子照射施設名３０１におけるエラー数基本値１１９を出力する。エラー数基本値データベース３０２の実装方法としては、例えば、中性子照射施設名３０１とエラー数基本値１１９との対応を記録したルックアップテーブルによる実装が考えられる。関数同士の数値積分演算と比較して、ルックアップテーブル内の検索は高速に行えるため、計算時間の短縮効果がある。

１１・・・低エネルギー中性子照射時間、１２・・・低エネルギー中性子照射時のエラー数、１３・・・低エネルギー中性子スペクトル、１４・・・自然界中性子スペクトル、１５・・・自然界での中性子ソフトエラー率、１００・・・半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算装置、１１０・・・ＳＥＵ断面積関数計算部、１１１・・・エラー数実測値計算部、１１２・・・エラー数基本値計算部、１１３・・・ＳＥＵ断面積関数外形保持部、１１４・・・ＳＥＵ断面積関数比例係数計算部、１２０・・・自然界ソフトエラー率計算部、１２１・・・自然界中性子スペクトル保持部、１２２・・・エラー率計算部

Claims (6)

1. 与えられた中性子エネルギー値に対応する、ＳＥＵ断面積関数の外形値を出力するＳＥＵ断面積関数外形保持部と、
   前記ＳＥＵ断面積関数の外形値と低エネルギー中性子スペクトルデータから単位時間当たりに発生するエラー数基本値を計算するエラー数基本値計算部と、
   低エネルギー中性子照射時のエラー数と低エネルギー中性子照射時間から単位時間当たりのエラー数実測値を計算するエラー数実測値計算部と、
   前記単位時間当たりのエラー数基本値と前記単位時間当たりのエラー数実測値からＳＥＵ断面積関数の比例係数を計算するＳＥＵ断面積関数比例係数計算部と、
   自然界中性子スペクトルを保持しエラー率計算部から送られる中性子エネルギー値に応じた中性子フラックスを出力する自然界中性子スペクトル保持部と、
   前記ＳＥＵ断面積外形と前記比例定数とから定まるＳＥＵ断面積関数と、前記自然界中性子スペクトルと、を掛け積分演算を実行し、自然界における前記半導体デバイスのソフトエラー率を計算するエラー率計算部を備え、
   低エネルギー中性子照射結果から自然界における中性子起因ソフトエラー率を推定することを特徴とする半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算装置。
2. 請求項１において、
   前記エラー数基本値計算部は、中性子照射施設名とエラー数基本値との対応を記録したルックアップテーブルを有し、
   前記ルックアップテーブル内検索によりエラー数基本値を取得し出力することを特徴とする半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算装置。
3. 請求項１または２において、
   前記低エネルギー中性子のエネルギーが５０ＭｅＶ以下であることを特徴とする半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算装置。
4. 低エネルギー中性子照射結果から自然界における中性子起因ソフトエラー率を計算装置で推定する半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算方法であって、
   与えられた中性子エネルギー値に対応する、ＳＥＵ断面積関数の外形値を出力し、
   前記ＳＥＵ断面積関数の外形値と低エネルギー中性子スペクトルデータから単位時間当たりに発生するエラー数基本値を計算し、
   低エネルギー中性子照射時のエラー数と低エネルギー中性子照射時間から単位時間当たりのエラー数実測値を計算し、
   前記単位時間当たりのエラー数基本値と前記単位時間当たりのエラー数実測値からＳＥＵ断面積関数の比例係数を計算し、
   自然界中性子スペクトルを保持しエラー率計算部から送られる中性子エネルギー値に応じた中性子フラックスを出力し、
   前記ＳＥＵ断面積外形と前記比例定数とから定まるＳＥＵ断面積関数と、前記自然界中性子スペクトルと、を掛け積分演算を実行し、自然界における前記半導体デバイスのソフトエラー率を計算することを特徴とする半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算方法。
5. 請求項４において、
   中性子照射施設名とエラー数基本値との対応を記録したルックアップテーブルを用意しておき、
   前記ルックアップテーブル内検索により前記エラー数基本値を取得し出力することを特徴とする半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算方法。
6. 請求項４または５において、
   前記低エネルギー中性子のエネルギーが５０ＭｅＶ以下であることを特徴とする半導体ＬＳＩのソフトエラー率計算方法。

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