(57)【要約】【課題】本発明は、放射線被曝を受ける側の材料におけるアルファ線の影響範囲に相当する飛程と放射線被曝を受ける側の材料から放出されるアルファ線の強度とを同時に測定できるアルファ線測定装置を提供し、また、異なる厚みの試料を透過するアルファ線の強度を容易に測定できるアルファ線測定方法を提供することを目的とする。【解決手段】本願発明のアルファ線測定装置は、アルファ線源から照射されたアルファ線が照射される方向に試料を設け、試料を透過したアルファ線が通過する位置に透過したアルファ線を検出する放射線検出器を設ける構成とし、また、本願発明のアルファ線測定方法は、一方から他方へ変化している厚みを有する試料へアルファ線を照射しながら、アルファ線の照射を試料の一方から他方へ走査して試料を透過するアルファ線の強度を検出する方法とした。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルファ線を照射するアルファ線源と、
前記アルファ線源から前記アルファ線が照射される方向に設けられた、試料を保持する試料保持器と、
前記試料を透過したアルファ線が通過する位置に設けられ、前記アルファ線を検出する放射線検出器と、
を備えるアルファ線測定装置。
【請求項２】
前記試料保持器は、保持した前記試料を、前記アルファ線を横断させる方向に移動させる移動機構を備えることを特徴とする請求項１に記載のアルファ線測定装置。
【請求項３】
前記アルファ線源は、前記アルファ線を２以上の方向へ同時に照射することを特徴とする請求項１又は２に記載のアルファ線測定装置。
【請求項４】
前記アルファ線源、前記試料保持器及び前記放射線検出器を内部に有する真空チャンバをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアルファ線測定装置。
【請求項５】
アルファ線を照射するアルファ線源から、厚みが一方から他方へ変化している試料へ前記アルファ線を照射しながら、前記アルファ線の照射を前記試料の一方から他方へ走査し、前記試料を透過するアルファ線の強度を検出することを特徴とするアルファ線測定方法。
【請求項６】
前記試料の厚みは、一方から他方へ線形に変化していることを特徴とする請求項５に記載のアルファ線測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大規模集積回路における放射線による保持情報の反転エラーの発生確率を評価するためのアルファ線測定装置及びアルファ線測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模集積回路では、サブミクロンのスケールであるため、構成材料に放射性元素が僅かに含まれる場合でも、放射線がメモリセルに到達し得る。このとき、メモリセルで生成された電子ホール対が、メモリセル上の保持情報に対して反転エラー（以下、ソフトエラーとする。）を生じさせる。このソフトエラーは、放射線のうち電離能力の高いアルファ線の照射で起こりやすい。
【０００３】
ここで、図１において、従来のアルファ線測定装置３０を説明する。従来のアルファ線測定装置３０では、大規模集積回路における構成材料を中心に試料１１−１を選択し、試料１１−１から放出される微量なアルファ線の強度のみを放射線検出器１２−１で検出し、ソフトエラーの発生確率を評価していた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、アルファ線の影響範囲を示す物理量として飛程がある。飛程とは、荷電粒子が物質内に入射したとき、物質内において荷電粒子が完全に停止するまで移動する平均距離のことである。即ち、ヘリウム４の原子核であるアルファ粒子の流れであるアルファ線の試料１１−１内への到達距離を示す。つまり、飛程を求めることでアルファ線の影響からソフトエラーが発生する確率を評価できる。飛程は、アルファ線が通過する材料の厚さと、アルファ線のエネルギーの種類に依存し、アルファ線の強度には依存しない。また、アルファ線の強度と飛程とを同時に測定するために、試料の厚さを変えて試料を透過するアルファ線の強度を測定し、飛程を算出する場合もある（例えば、非特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６６３９３９２号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】河野  俊之、“高エネルギー重イオンの飛程の精密測定”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成１９年４月１８日、東京工業大学、［平成２１年２月１８日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｓ．ｔｉｔｅｃｈ．ａｃ．ｊｐ／ｋｏｈｎｏ／ｒａｎｇｅ．ｈｔｍｌ＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
実際にソフトエラーが発生する確率の評価は、放射線被曝を受ける側の材料におけるアルファ線の影響範囲に相当する飛程と放射線被曝を受ける側の材料から放出されるアルファ線の強度とを同時に測定する必要がある。そのため、アルファ線の強度と飛程とを同時に測定するために試料の厚さを変えて測定を行うが、試料に特殊な加工を施す必要があり、また、試料を透過するアルファ線を試料の厚さを変えて複数回測定する必要があった。
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明は、放射線被曝を受ける側の材料におけるアルファ線の影響範囲に相当する飛程と放射線被曝を受ける側の材料から放出されるアルファ線の強度とを同時に測定できるアルファ線測定装置を提供し、また、異なる厚みの試料を透過するアルファ線の強度を容易に測定できるアルファ線測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本願発明のアルファ線測定装置は、アルファ線源から照射されたアルファ線が照射される方向に試料を設け、試料を透過したアルファ線が通過する位置に透過したアルファ線を検出する放射線検出器を設ける構成とし、また、本願発明のアルファ線測定方法は、一方から他方へ変化している厚みを有する試料へアルファ線を照射しながら、アルファ線の照射を試料の一方から他方へ走査して試料を透過するアルファ線の強度を検出する方法とした。
【００１０】
具体的には、本願発明のアルファ線測定装置は、アルファ線を照射するアルファ線源と、前記アルファ線源から前記アルファ線が照射される方向に設けられた、試料を保持する試料保持器と、前記試料を透過したアルファ線が通過する位置に設けられ、前記アルファ線を検出する放射線検出器とを備えることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、放射線被曝を受ける側の材料におけるアルファ線の影響範囲に相当する飛程と放射線被曝を受ける側の材料から放出されるアルファ線の強度とを同時に測定できる。
【００１２】
また、本願発明のアルファ線測定装置の前記試料保持器は、保持した前記試料を、前記アルファ線を横断させる方向に移動させる移動機構を備えることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、試料を移動することによって、アルファ線の照射を試料の一方から他方へ走査することができる。
【００１４】
また、本願発明のアルファ線測定装置は、前記アルファ線源は、前記アルファ線を２以上の方向へ同時に照射することを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、２以上の方向へアルファ線を同時に照射することで、一連の測定で複数のアルファ線の強度の値を得られる。
【００１６】
また、本願発明のアルファ線測定装置は、前記アルファ線源、前記試料保持器及び前記放射線検出器を内部に有する真空チャンバをさらに備えることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、試料を移動可能、又はアルファ線を２方向に同時に照射可能とした場合に、試料を交換する際の真空チャンバ内を真空にする手間を省くことができるため、測定時間をさらに短縮できる。
【００１８】
また、本願発明のアルファ線測定方法は、アルファ線を照射するアルファ線源から、厚みが一方から他方へ変化している試料へ前記アルファ線を照射しながら、前記アルファ線の照射を前記試料の一方から他方へ走査し、前記試料を透過するアルファ線の強度を検出することを特徴とする。
【００１９】
この方法によれば、一方から他方へ変化している厚みを有する試料を移動することによって、一連の測定で、アルファ線の強度と試料の厚みとの関係を得ることができる。
【００２０】
また、本願発明のアルファ線測定方法の前記試料の厚みは、一方から他方へ線形に変化していることを特徴とする。
【００２１】
この方法によれば、一方から他方へ線形に変化している厚みを有する試料を移動することによって、一連の測定で、アルファ線の強度と試料の厚みとの関係を得ることができる。また、試料の厚みが異なっていても、アルファ線の一定の照射領域の中でアルファ線の強度の測定値を得ることができる。
【００２２】
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、放射線被曝を受ける側の材料におけるアルファ線の影響範囲に相当する飛程と放射線被曝を受ける側の材料から放出されるアルファ線の強度とを同時に測定できるアルファ線測定装置を提供し、また、異なる厚みの試料を透過するアルファ線の強度を容易に測定できるアルファ線測定方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来のアルファ線測定装置を示す図である。
【図２】本発明に係るアルファ線測定装置を示す図である。
【図３】本発明に係るアルファ線測定装置における試料の厚さとアルファ線の強度との関係を示す図である。
【図４】本発明に係るアルファ線測定装置を示す図である。
【図５】本発明に係るアルファ線測定装置における一方から他方へ変化している厚みを有する試料の詳細図である。
【図６】本発明に係るアルファ線測定装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
添付の図面を参照して本発明を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００２６】
本発明の実施形態に係るアルファ線測定装置を説明する。図２において、本発明に係るアルファ線測定装置３１は、アルファ線を照射するアルファ線源と、前記アルファ線源から前記アルファ線が照射される方向に設けられた、試料を保持する試料保持器と、前記試料を透過したアルファ線が通過する位置に設けられ、前記アルファ線を検出する放射線検出器とを備える。
【００２７】
図２において、１０−２はアルファ線源、１１−２は試料、１２−２は放射線検出器、１３−２は試料保持器、１４−２は前置増幅器、１５−２は線形増幅器、１６−２はマルチチャンネルアナライザ、１７−２はコンピュータ、１８−２は真空チャンバ、２１−２は真空ポンプである。アルファ線源１０−２は、アルファ線を照射する。放射線の一種であるアルファ線は、陽子２個と中性子２個から成るヘリウム４の原子核であるアルファ粒子の流れである。アルファ線源１０−２は目的に合わせて選択することができる。例えば、扱いやすいアルファ線源１０−２としては、アメリシウム（以下、２４１Ａｍとする。）が知られている。２４１Ａｍはアルファ壊変して５．４３６ＭｅＶのエネルギー値を示すアルファ線を放出する。一方、半導体デバイスでは、はんだに含まれる鉛（以下、２１０Ｐｂとする。）がベータ壊変してポロニウム（以下、Ｐｏとする。）を生成し、さらにアルファ壊変して５．４０７ＭｅＶのエネルギー値を示すアルファ線を放出し、実際にソフトエラーを引き起こすと考えられている。このように、２４１ＡｍとＰｏとが放出するアルファ線のエネルギー値が近いことから、はんだがもたらすソフトエラーの発生確率の評価にＰｏの代わりに２４１Ａｍを用いてもよい。なお、ＭｅＶ（メガエレクトロンボルト）はＳＩ単位系に換算すると、１ｅＶ≒１．６×１０−１９Ｊである。
【００２８】
試料１１−２の材料は、メモリセルを構成するケイ素、即ちシリコンや、フリップチップデバイスにおいてアンダーフィルを構成する有機材料などが例示できる。試料１１−２の厚さは、数μｍ〜数十μｍの厚さを例示できる。放射線検出器１２−２は、試料１１−２を透過したアルファ線の強度を検出し、電気信号へ変換する。試料保持器１３−２は、試料１１−２を保持できれば形状、構造を問わない。前置増幅器１４−２及び線形増幅器１５−２は、放射線検出器１２−２から送られた電気信号を増幅する。マルチチャンネルアナライザ１６−２は、前置増幅器１４−２及び線形増幅器１５−２によって増幅された電気信号を、検出されたエネルギーごとのアルファ線の強度、即ちエネルギースペクトルに変換する。コンピュータ１７−２は、マルチチャンネルアナライザ１６−２によって変換されたエネルギースペクトルを可視化し、エネルギースペクトルから放射線核種の判定が可能である。真空チャンバ１８−２は、アルファ線が空気中で減衰しないように、雰囲気を真空にしている。真空ポンプ２１−２は、真空チャンバ１８−２内の雰囲気を真空にする。
【００２９】
以下、本発明に係るアルファ線測定装置３１における動作を説明する。アルファ線測定装置３１は、アルファ線源１０−２を備え、試料保持器１３−２に試料１１−２を保持させる。アルファ線源１０−２がアルファ線を試料１１−２に照射し、放射線検出器１２−２が試料１１−２を透過したアルファ線を検出する。放射線検出器１２−２の検出したアルファ線の強度は、電気信号に変換され、前置増幅器１４−２及び線形増幅器１５−２によって増幅される。増幅された電気信号は、マルチチャンネルアナライザ１６−２によりエネルギースペクトルに変換して表示され、コンピュータ１７−２において可視化される。ここで、図３において、可視化された、透過されたアルファ線の強度のピーク値Ｉｍａｘと試料１１−２の厚さＹとの関係を示す。本実施形態における試料１１−２の厚みの種類は１０種類である。厚みの異なる試料１１−２を多数用いることで測定点を多くすることができるが、測定点が少ない場合は、カーブフィッティングによりスムーズで連続的な曲線を求めておくことが望ましい。飛程は、試料１１−２を透過したアルファ線の強度のピーク値Ｉｍａｘと試料１１−２の厚さＹとの関係から、算出される。本実施形態では、透過したアルファ線の強度のピーク値Ｉｍａｘが、試料１１−２の厚みＹの増加に従い、半分の強度（１／２）・Ｉｍａｘとなる試料１１−２の厚さＹｒを飛程とする。
【００３０】
求めた飛程Ｙｒより、試料１１−２の厚みＹが厚い場合は、試料１１−２で遮蔽されるメモリセルでは、ソフトエラーの発生確率は低いことを示す。逆に、求めた飛程Ｙｒより、試料１１−２の厚みＹが薄い場合は、試料１１−２で遮蔽されるメモリセル或いは構成されるメモリセルではソフトエラーの発生確率は高いことを示している。実際のソフトエラーの発生確率を定量的に評価するには、半導体デバイス表面に照射されるアルファ線量に、試料１１−２中の減衰を考慮すべき場合は減衰係数を乗じて、さらに照射領域面積で除し、単位面積あたりのアルファ線量（以下、フラックス密度とする。）を求める。そして、評価の対象となる領域の面積、例えば、メモリセルの面積にフラックス密度を乗じて、単位時間当たりにメモリセルに到達するアルファ線の個数を定量的に求める。なお、半導体デバイス表面におけるアルファ線の強度については、図２において、試料１１−２が無い場合のアルファ線の強度を採用する。この結果から、例えば、１年当たりのメモリセルに到達し得るアルファ線の個数が１個と計算されれば、アルファ線の電離能力が非常に高いことから、１年の期間にメモリセルにおける保持情報が反転し得るため、ソフトエラーの発生確率は高いことになる。
【００３１】
この構成によれば、放射線被曝を受ける側の材料におけるアルファ線の影響範囲に相当する飛程と放射線被曝を受ける側の材料から放出されるアルファ線の強度とを同時に測定でき、実際にソフトエラーが発生する確率を評価することができる。また、アルファ線源を選択することによって、目的とするエネルギーを有するアルファ線を選択できる。したがって、選択したアルファ線における、異なる厚みの試料１１−２について透過したアルファ線の強度を測定できる。そして、透過したアルファ線の強度と試料１１−２の厚さとの関係を求めることができ、この関係から飛程を計算することができる。
【００３２】
次に、本発明に係るアルファ線測定装置３２について説明する。図４において、試料保持器１３−３は、保持した試料２３を、アルファ線を横断させる方向に移動させる移動機構を備える。２２は移動機構、２３は一方から他方へ変化している厚みを有する試料である。Ｘは、一方から他方へ変化している厚みを有する試料２３のＺ方向への移動距離である。なお、図２において説明した要素は、説明を省略する。移動機構２２は、一方から他方へ変化している厚みを有する試料２３をＺ方向に距離Ｘだけ移動できれば形態を問わない。例えば、コンピュータ１７−３から容易に制御できるリニアステッピングモータが望ましい。そして、コンピュータ１７−３において、透過したアルファ線の強度と試料２３の厚さとの関係を示し、自動的に飛程を求めてもよい。一方から他方へ変化している厚みを有する試料２３の材料は、試料１１−１と同一の材料を例示できる。
【００３３】
また、本発明に係るアルファ線測定装置は、アルファ線源１０−３、試料保持器１３−３及び放射線検出器１２−３を内部に有する真空チャンバ１８−３をさらに備えてもよい。一方から他方へ変化している厚みを有する試料２３を移動可能とした場合に、一方から他方へ変化している厚みを有する試料２３を交換する際の真空チャンバ１８−３内を真空にする手間を省くことができるため、測定時間をさらに短縮できる。
【００３４】
以下、本発明に係るアルファ線測定装置３２における動作、及び飛程の算出方法について説明する。図４において、本発明に係るアルファ線測定装置３２は、アルファ線を照射するアルファ線源１０−３から、厚みが一方から他方へ変化している試料２３へアルファ線を照射しながら、アルファ線の照射を厚みが一方から他方へ変化している試料２３の一方から他方へ走査し、厚みが一方から他方へ変化している試料２３を透過するアルファ線の強度を検出する。本発明に係るアルファ線測定装置３１の動作と異なる点は、一方から他方へ変化している厚みを有する試料２３は移動機構２２により移動する点である。一方から他方へ変化している厚みを有する試料２３をアルファ線を横断させるＺ方向へ距離Ｘだけ移動させることによって、一方から他方へ変化している厚みを有する試料２３について、アルファ線の照射を走査することができるため、厚さを変えた試料を厚さ毎に用意する必要は無い。
【００３５】
この構成によれば、一連の測定で、同じ材料の異なる厚みの試料を透過するアルファ線の強度を測定できる。これにより複数の厚さの試料を準備するための加工は不要となる。また、移動の刻みを小さくすることで、測定点を多く取ることができ、飛程を精密に求めることができる。そして、透過したアルファ線の強度と試料２３の厚さとの関係から、飛程を算出できる。
【００３６】
また、試料２３の厚みは、一方から他方へ線形に変化していてもよい。一方から他方へ線形に変化している厚みを有する試料２３を移動しながら測定することで、同一材料の異なる厚みの試料について、測定値を一度に得ることができる。また、試料２３の厚みが線形に変化しているため、アルファ線の一定の照射領域の中でアルファ線の強度の測定値を得ることができる。線形に変化している例として、図５に示すように、厚みの変化量が０〜１００μｍである形状が例示できる。アルファ線の一定の照射領域の中で、試料の厚みの変化に対応するため、Ａ面は平面であり、角度θは一定かつ小さいことが好ましい。また、角度θを小さくできない場合は、アルファ線の一定の照射領域の中でアルファ線の強度の測定値を得ることが困難になるため、アルファ線を絞る必要がある。そして、角度θを小さく、かつ、一方から他方へ変化している厚みを有する試料２３の厚みＹを一方から他方へ線形に変化させることで、試料２３の移動距離をＸとした場合、一方から他方へ変化している厚みを有する試料２３の厚みＹと等しいとみなすことができる。よって、アルファ線の強度と一方から他方へ変化している厚みを有する試料２３の移動距離Ｘとの関係は、図３に示す結果と同様となり、飛程Ｙｒの算出も同様に行うことができる。
【００３７】
以下、図６において、本発明に係るアルファ線測定装置３３を説明する。本発明に係るアルファ線測定装置３１と異なる点は、アルファ線源１０−４が、アルファ線を２以上の方向へ同時に照射している点である。図２において説明した要素は、説明を省略する。ここで、本実施形態においてアルファ線を照射する方向の数をｎ（ｎは正整数）とする。試料１１−４を透過したアルファ線を検出する放射線検出器１２−４は、アルファ線の照射方向の数ｎと同じ数だけ設けられる。例えば、本発明に係るアルファ線測定装置３１と同一の照射方向をＡ１とすると、角度φｎずらして照射する方向をＡｎとすることができる。ｎは最低３とすることが望ましく、具体的には５〜１０が例示できる。また、本実施形態で用いる試料１１−４は一定の厚さを有するものが例示できる。
【００３８】
以下、本発明に係るアルファ線測定装置３３における動作、及び飛程の算出方法について説明する。本発明に係るアルファ線測定装置３１における動作と異なる点は、試料１１−４を透過したアルファ線の長さが１／ｃｏｓ（φｎ）である点である。この際、φｎの角度が等しく或いはそれに近いように測定方向を定めることが望ましい。試料１１−４の厚さが一定でない場合には、厚さについて適宜補正を行って飛程を求めなければならないが、同時にアルファ線の強度の測定値が得られる点については、一定の厚さの試料１１−４を測定する場合と同じである。ｎ個の測定値の処理については、測定したｎ個の値それぞれから測定結果の曲線を作成し、あらかじめ定めたアルファ線の強度となる点における試料１１−４の厚さを飛程とすればよい。例えば、φｎ＝０、即ち本発明に係るアルファ線測定装置３１と同一の照射方向Ａ１におけるアルファ線の強度のピーク値と比較して半分の強度となる点を飛程とすることが例示できる。このような処理を行うデータ処理部をコンピュータ１７−４に付加してもよい。また、アルファ線源１０−４は一つであってもよいが、ｎ個であってもよい。
【００３９】
この構成によれば、一連の測定で試料１１−４を透過するアルファ線の強度をｎヶ所測定できる。そして、移動の刻みを小さくすることで、測定点を多く取ることができ、飛程を精密に求めることができる。そして、透過したアルファ線の強度と試料１１−４の厚さとの関係から、飛程を算出できる。
【００４０】
また、本発明に係るアルファ線測定装置は、アルファ線源１０−４、試料保持器１３−４及び放射線検出器１２−４を内部に有する真空チャンバ１８−４をさらに備えてもよい。アルファ線を２方向に同時に照射可能とした場合に、試料１１−４を交換する際の真空チャンバ１８−４内を真空にする手間を省くことができるため、測定時間をさらに短縮できる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明のアルファ線測定装置及びアルファ線測定方法は、大規模集積回路における放射線による保持情報のソフトエラーが発生する確率の評価に適用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０−２、１０−３、１０−４：アルファ線源
１１−１、１１−２、１１−４：試料
１２−１、１２−２、１２−３、１２−４：放射線検出器
１３−１、１３−２、１３−３、１３−４：試料保持器
１４−１、１４−２、１４−３、１４−４：前置増幅器
１５−１、１５−２、１５−３、１５−４：線形増幅器
１６−１、１６−２、１６−３、１６−４：マルチチャンネルアナライザ
１７−１、１７−２、１７−３、１７−４：コンピュータ
１８−１、１８−２、１８−３、１８−４：真空チャンバ
２１−１、２１−２、２１−３、２１−４：真空ポンプ
２２：移動機構
２３：一方から他方へ変化している厚みを有する試料
３０：従来のアルファ線測定装置
３１、３２、３３：本発明に係るアルファ線測定装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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