(57)【要約】【課題】既存の半導体集積回路において、その構成自体は変えずに、放射線への耐性を向上させる。【解決手段】放射線量がより多い環境では半導体集積回路をより冷却することによって、誤動作の発生を抑制することが出来る。また、既存の半導体集積回路に冷却装置や放射線検出装置を追加するので、開発期間やコストの面で有利である。さらに、放射線量の検出および半導体集積回路の冷却を適宜に制御することで、これらの動作で消費される電力を節約するので、本発明は宇宙空間での応用に適している。【選択図】図３
2015185596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の半導体集積回路と、
前記半導体集積回路の付近に設けられて放射線量を検出する放射線検出装置と、
検出された前記放射線量に応じて前記半導体集積回路を冷却する冷却装置と
を具備する
電子装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電子装置において、
前記冷却装置は、
前記半導体集積回路と熱的に接続されて、前記半導体集積回路から熱量を吸収する冷却素子と、
前記冷却素子と熱的に接続されて、吸収された前記熱量を伝導する熱伝導体と、
前記熱伝導体と熱的に接続されて、伝導された前記熱量を外部に放射する熱放射体と
を具備する
電子装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電子装置において、
前記半導体集積回路の温度を測定する温度測定部
をさらに具備し、
前記冷却装置は、
測定された前記温度が所定の範囲に含まれるように前記冷却素子の動作を制御する冷却素子制御部
をさらに具備する
電子装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電子装置において、
前記放射線検出装置は、
前記放射線量を検出する放射線検出部と、
前記放射線検出部の動作を制御し、検出された前記放射線量を示す信号を生成して前記冷却素子制御部に伝える放射線検出部制御部と
を具備する
電子装置。
【請求項５】
任意の半導体集積回路の付近に設けられて放射線量を検出する放射線検出装置と、
前記半導体集積回路に密着するように装着されて、検出された前記放射線量に応じて前記半導体集積回路を冷却する冷却装置と
を具備する
キット。
【請求項６】
請求項５に記載のキットにおいて、
前記冷却装置は、
前記半導体集積回路と熱的に接続されて、前記半導体集積回路から熱量を吸収する冷却素子と、
前記冷却素子と熱的に接続されて、吸収された前記熱量を伝導する熱伝導体と、
前記熱伝導体と熱的に接続されて、伝導された前記熱量を外部に放射する熱放射体と
を具備する
キット。
【請求項７】
請求項６に記載のキットにおいて、
前記半導体集積回路の温度を測定する温度測定部
をさらに具備し、
前記冷却装置は、
測定された前記温度が所定の範囲に含まれるように前記冷却素子の動作を制御する冷却素子制御部
をさらに具備する
キット。
【請求項８】
請求項７に記載のキットにおいて、
前記放射線検出装置は、
前記放射線量を検出する放射線検出部と、
前記放射線検出部の動作を制御し、検出された前記放射線量を示す信号を生成して前記冷却素子制御部に伝える放射線検出部制御部と
を具備する
キット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子装置に関し、例えば、放射線に晒される環境で用いられる半導体装置を含む電子装置に好適に利用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に使用される半導体集積回路は、比較的大きなエネルギーを有する荷電粒子が当たることで、半導体集積回路の故障や、誤動作などが引き起こされて、重大なエラーが発生し得ることが知られている。
【０００３】
このようなエラーの一例として、ＳＥＬ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｅｖｅｎｔ  Ｌａｔｃｈｕｐ：シングルイベントラッチアップ）、ＳＥＵ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｅｖｅｎｔ  Ｕｐｓｅｔ：シングルイベントアップセット）、ＳＥＴ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｅｖｅｎｔ  Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ：シングルイベントトランジェント）などが知られている。
【０００４】
これらのエラーの原因は、荷電粒子、及び、放射線によってもたらされる。したがって、宇宙空間で動作する人工衛星や、放射線カメラなどにおいては、内蔵される半導体集積回路が正常に動作するように、放射線によるエラーを抑制する必要がある。
【０００５】
上記に関連して、特許文献１（特開２０１０−１８３０８７号公報）には、半導体回路に係る発明が開示されている。特許文献１に記載の半導体回路は、第１の回路ブロックと、第２の回路ブロックとを備える。ここで、第１の回路ブロックは、複数のｐＭＯＳトランジスタを直列又は一のｐＭＯＳトランジスタを備えた並列回路に接続して形成されている。第２の回路ブロックは、複数のｎＭＯＳトランジスタを直列又は一のｎＭＯＳトランジスタを備えた並列回路に接続して形成されている。特許文献１に記載の半導体回路は、第１の回路ブロックと第２の回路ブロックとの接続点を出力端子に接続するとともに、全てのｐＭＯＳトランジスタのゲート及び全てのｎＭＯＳトランジスタのゲートを共通の入力端子に接続して形成されている。
【０００６】
特許文献１の場合は、半導体集積回路自体の再設計が必要となるので、開発期間およびコストの両方の面で不利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１８３０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明では、既存の半導体集積回路において、その構成自体は変えずに、放射線への耐性を向上させる。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１０】
一実施の形態による電子装置は、半導体集積回路（３１）と、放射線検出装置（３３）と、冷却装置（３２）とを具備する。ここで、放射線検出装置（３３）は、半導体集積回路（３１）の付近に設けられて放射線量を検出する。冷却装置（３２）は、検出された放射線量に応じて半導体集積回路（３１）を冷却する。
【発明の効果】
【００１１】
前記一実施の形態によれば、放射線量がより多い環境では半導体集積回路をより冷却することによって、誤動作の発生を抑制することが出来る。また、既存の半導体集積回路に冷却装置や放射線検出装置を追加するので、開発期間やコストの面で有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、半導体集積回路の構成例と、ＳＥＬが発生する原理とを示す断面図である。
【図２】図２は、半導体集積回路の他の構成例と、ＳＥＵまたはＳＥＴが発生する原理とを示す断面図である。
【図３】図３は、本発明による電子装置の構成例を示すブロック回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず、放射線に晒される環境に置かれた半導体集積装置に発生し得る重大エラーについて説明する。
【００１４】
図１は、半導体集積回路の構成例と、ＳＥＬが発生する原理とを示す断面図である。図１に示した半導体集積回路の構成について説明する。
【００１５】
図１に示した半導体集積回路は、Ｎ型ボディー１０と、ソース１０１と、ドレイン１０２と、酸化膜１０３と、ゲート１０４とを有している。これらの構成要素は、Ｐ型ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：金属酸化膜半導体）ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果トランジスタ）として動作する。ソース１０１には、電源電圧ＶＤＤを印加する電源端子１２が接続されている。ドレイン１０２には、信号電圧Ｐｉｎを印加する信号端子１４が接続されている。
【００１６】
図１に示した半導体集積回路は、さらに、Ｐ型ウェル１１と、ドレイン１１１と、ソース１１２と、酸化膜１１３と、ゲート１１４とを有している。これらの構成要素は、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴとして動作する。ソース１１２には、接地電圧ＶＳＳを印加する接地端子１３が接続されている。
【００１７】
図１に示した半導体集積回路のように、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴと、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴとが隣接して形成されると、寄生ダイオード構造１５、寄生バイポーラトランジスタ構造１６、１７、寄生サイリスタ構造１８などが形成されて、所望しない機能が働いてしまう。
【００１８】
図１に示した構成例では、ドレイン１０２がアノードとして機能し、Ｎ型ボディー１０がカソードとして機能する、寄生ダイオード構造１５が存在している。
【００１９】
ドレイン１０２がＰ型エミッタとして機能し、Ｐ型ウェル１１がＰ型コレクタとして機能し、Ｎ型ボディー１０がＮ型ベースとして機能する寄生バイポーラトランジスタ構造１６が存在している。
【００２０】
ソース１１２がＮ型エミッタとして機能し、Ｎ型ボディー１０がＮ型コレクタとして機能し、Ｐ型ウェル１１がＰ型ベースとして機能する他の寄生バイポーラトランジスタ構造１７が存在している。
【００２１】
さらに、上記の寄生バイポーラトランジスタ構造１６と、他の寄生バイポーラトランジスタ構造１７とが組み合わさって、寄生サイリスタ構造１８も存在している。
【００２２】
このような半導体集積回路に、高エネルギーの荷電粒子が入射すると、電流１９が発生する。電流１９は、電源電圧ＶＤＤをＮ型ボディー１０およびソース１０１に印加する電源端子１２から半導体集積回路に侵入し、Ｎ型ボディー１０およびＰ型ウェル１１を通り、接地電圧ＶＳＳをＰ型ウェル１１およびソース１１２に印加する接地端子１３から抜け出る。
【００２３】
この電流１９が寄生サイリスタ構造１８に流れることによって、ＳＥＬが発生する。ＳＥＬに伴う電流１９は、本来は意図しない経路に流れており、半導体集積回路の動作にエラーが発生する原因となる。
【００２４】
図２は、半導体集積回路の他の構成例と、ＳＥＵまたはＳＥＴが発生する原理とを示す断面図である。図２に示した半導体集積回路の構成について説明する。
【００２５】
図２に示した半導体集積回路は、Ｐ型ボディー２０と、２つのＮ型ウェル２１１、２１２と、絶縁層２２と、ソース２３１と、ドレイン２３２と、ゲート２４とを有している。これらの構成要素は、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴとして動作する。
【００２６】
図２に示した半導体集積回路の場合は、一方のＮ型ウェル２１１がＮ型エミッタとして機能し、もう一方のＮ型ウェル２１２がＮ型コレクタとして機能し、Ｐ型ボディーがＰ型ベースとして機能する寄生バイポーラトランジスタ構造２５が存在している。
【００２７】
このような半導体集積回路に、高エネルギーの荷電粒子が入射すると、電流２６が発生する。電流２６は、ドレイン２３２から半導体集積回路に侵入し、Ｎ型ウェル２１２、Ｐ型ボディー２０およびＮ型ウェル２１１を通り、ソース２３１から抜け出る。
【００２８】
この電流２６が寄生バイポーラトランジスタ構造２５に流れることによって、ＳＥＵやＳＥＴが発生する。メモリやフリップフロップなどとして機能する半導体集積回路にＳＥＵが発生すると、格納されたデータの反転が引き起こされ得る。また、論理回路などとして機能する半導体集積回路にＳＥＴが発生すると、所望しない電流や電圧がパルス状に生じて誤動作が引き起こされ得る。
【００２９】
本発明では、半導体集積回路を冷却することでボディーの抵抗が下がる現象を利用して、放射線への耐性を向上させる。すなわち、荷電粒子が半導体集積回路に入射した際に発生する電流は、ボディーの抵抗がより下がればボディーをより通り抜けやすくなる。その結果、寄生サイリスタ構造や寄生バイポーラトランジスタ構造に流れる電流の値もより小さくなる。ここで、本発明によれば半導体集積回路自体の再設計が不要であることに注目されたい。
【００３０】
添付図面を参照して、本発明による電子装置を実施するための形態を以下に説明する。
【００３１】
（実施形態）
図３は、本発明による電子装置の構成例を示すブロック回路図である。図３に示した電子装置の構成について説明する。
【００３２】
図３に示した電子装置は、半導体集積回路３１と、冷却装置３２と、放射線検出装置３３と、温度測定部３４とを有している。ここで、半導体集積回路３１としては、任意の半導体集積回路が利用可能である。
【００３３】
冷却装置３２は、冷却素子３２１と、熱伝導体３２２と、熱放射体３２３と、冷却素子制御部３２４とを含んでいる。一例として、冷却素子３２１はペルチェ素子などであっても良いし、熱放射体３２３はヒートシンクや人工衛星の外壁などであっても良い。
【００３４】
放射線検出装置３３は、放射線検出部３３１と、放射線検出部制御部３３２とを含んでいる。
【００３５】
図３に示した構成要素の接続関係について説明する。なお、図３では、電気的接続を１本線で示し、熱的接続を２本線で示している。
【００３６】
半導体集積回路３１と、冷却素子３２１とは、熱的に接続されている。冷却素子３２１と、熱伝導体３２２とは、熱的に接続されている。熱伝導体３２２と、熱放射体３２３とは、熱的に接続されている。これらの熱的な接続を行う際には、例えば、サーマルグリースや接着剤などを介して、接続する面同士を密着させることが好ましい。
【００３７】
半導体集積回路３１と、温度測定部３４とは、熱的に接続されている。ここで、温度測定部３４は、半導体集積回路３１に内蔵されていても良い。反対に、温度測定部３４が半導体集積回路３１から独立している場合は、両者を密着させても良いし、温度測定部３４を半導体集積回路３１から多少離れた位置に設置しても良い。さらに、複数の半導体集積回路３１に対して１つの温度測定部３４を設けても良い。いずれの場合も、温度測定部３４は、半導体集積回路３１の温度を、所望の精度で測定出来るような位置に配置される。
【００３８】
放射線検出部３３１の入力および出力は、放射線検出部制御部３３２の出力および入力に、電気的にそれぞれ接続されている。放射線検出部制御部３３２の他の出力および他の入力は、冷却素子制御部３２４の入力および出力に、電気的にそれぞれ接続されている。冷却素子制御部３２４の他の入力は、温度測定部３４の出力に電気的に接続されている。冷却素子制御部３２４の他の出力は、冷却素子３２１の入力に電気的に接続されている。なお、放射線検出部３３１は、半導体集積回路３１に影響する放射線量を所望の精度で検出できるように、半導体集積回路３１から十分に近い位置に配置されることが好ましい。
【００３９】
上記の電気的な接続のそれぞれは、信号線および接地線などの組み合わせによる、２本の配線によって接続しても良い。このとき、接地線の一部は熱伝導体３２２や熱放射体３２３などで代用しても良い。
【００４０】
図３に示した構成要素ごとの動作について説明する。
【００４１】
冷却素子３２１は、冷却素子制御部３２４に制御されて、半導体集積回路３１を冷却する。この冷却に伴って発生する熱量は、熱伝導体３２２が冷却素子３２１から熱放射体３２３に向けて伝導する。熱放射体３２３は、熱伝導体３２２から伝導された熱量を、外部に向けて放射する。
【００４２】
放射線検出部３３１は、放射線検出部制御部３３２に制御されて、放射線量の検出を行う。放射線検出部３３１は、放射線量の検出結果を示す信号を生成し、放射線検出部制御部３３２を介して、冷却素子制御部３２４に向けて送信する。なお、放射線量の検出結果を示す信号は、放射線検出部３３１から冷却素子制御部３２４まで直接伝達されても良い。
【００４３】
温度測定部３４は、半導体集積回路３１自体またはその周辺の温度を測定する。温度測定部３４は、温度の測定結果を示す信号を生成し、冷却素子制御部３２４に向けて送信する。
【００４４】
冷却素子制御部３２４および放射線検出部制御部３３２の動作について、さらに詳細に説明する。本発明による電子装置が、一例として、上述した人工衛星であった場合は、電力の消費を極力節約する制御が必要となる。特に、ペルチェ素子は熱量を冷却面から高温面に移動するために多くの電力を消費する。また、放射線量の検出にも電力は消費される。
【００４５】
そこで、冷却素子制御部３２４は、検出された放射線量および計測された温度の組み合わせに応じて、冷却素子３２１の冷却能力を制御しても良い。また、冷却素子制御部３２４は、検出された放射線量が所定の閾値より高い場合や、計測された温度が所定の閾値より高い場合や、またはこれら２つの条件がそろった場合などに限って、冷却素子３２１を動作させる制御を行っても良い。これらの動作条件や閾値の具体的な数値は、その時に半導体集積回路３１が行っている動作の重要性に応じて、適宜に設定または変更出来ることが好ましい。
【００４６】
また、放射線検出部制御部３３２は、放射線の検出を定期的に行うように放射線検出部３３１を制御しても良いし、計測された温度が所定の閾値より高い場合に限って放射線の検出を行うような制御を行っても良い。
【００４７】
このように、本発明では、既存の半導体集積回路自体の構成に変更を加えることなく、半導体集積回路を冷却することでボディーの抵抗が下がる現象を利用して、放射線への耐性を向上させる。さらに、放射線量の検出および半導体集積回路の冷却を適宜に制御することで、これらの動作で消費される電力を節約する。
【００４８】
また、本実施形態のさらなる応用として、図３に示した電子装置のうち、半導体集積回路３１以外の構成要素をまとめたキットを用意しても良い。このようなキットを、任意の半導体集積回路の表面に冷却素子３２１が密着するように装着することで、いかなる既存の半導体集積回路にも放射線への耐性を向上させることが可能となる。
【００４９】
以上、発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、前記実施の形態に説明したそれぞれの特徴は、技術的に矛盾しない範囲で自由に組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  Ｎ型ボディー
１０１  ソース
１０２  ドレイン
１０３  酸化膜
１０４  ゲート
１１  Ｐ型ウェル
１１１  ドレイン
１１２  ソース
１１３  酸化膜
１１４  ゲート
１２  電源端子
１３  接地端子
１４  信号端子
１５  寄生ダイオード構造
１６  寄生トランジスタ構造
１７  寄生トランジスタ構造
１８  寄生サイリスタ構造
１９  ＳＥＬ電流
２０  Ｐ型ボディー
２１１  Ｎ型ウェル
２１２  Ｎ型ウェル
２２  絶縁層
２３１  ソース
２３２  ドレイン
２４  ゲート
２５  寄生バイポーラトランジスタ構造
２６  ＳＥＵ電流、ＳＥＵ電流
３１  半導体集積回路
３２  冷却装置
３２１  冷却素子
３２２  熱伝導体
３２３  熱放射体
３２４  冷却素子制御部
３３  放射線検出装置
３３１  放射線検出部
３３２  放射線検出部制御部
３４  温度測定部
【図１】
2015185596.tif 000003
【図２】
2015185596.tif 000004
【図３】
2015185596.tif 000005