平成 23 年 7 月 12 日

平成 22 年度共用促進事業施設利用成果報告書
三菱電機株式会社 鎌倉製作所
宇宙システム部
1.

利用課題番号： INV0806

2.

利用課題名： 加速低 LET 粒子による民生半導体部品の評価手法の調査研究

3.

利用者名： 三菱電機株式会社 鎌倉製作所 宇宙システム部
松田 純夫（利用課題責任者）、加藤 一成、金子 朋裕、菱栄テクニカ株式会社 品証事業部
廣瀬 孝幸、馬場 信次、岡本 弘樹、岩城 隆、青木 大成

4.

利用分野： ナノ技術・デバイス・材料開発分野：量子ビーム照射試験

5.

利用期間： 2010 年 5 月 24 日〜2010 年 11 月 26 日
マルチタンデム加速器施設利用日（実験日）
第 1 回目： 2010 年 5 月 24 日 9:00〜2010 年 5 月 26 日 17:30（3 日間）
第 2 回目： 2010 年 11 月 24 日 9:00〜2010 年 11 月 26 日 17:30（3 日間）

6.

利用の目的・内容国産民生用半導体部品を宇宙用機器等に適用していくことは、宇宙開発の促進を図るとともに、諸外国との宇宙開発競争を勝ち抜く上でも極めて価値のあることである。宇宙機器への適用可否を判断する上で、最も重要な指標の一つに耐放射線性が挙げられ、個々の半導体部品について十分な耐放射線性評価試験を行うことが不可欠である。一方、そのような評価試験が実施可能な施設は限られているのが現状であり、利用可能な施設を開拓し、タイムリーに利用できる設備を整えることが望まれる。本イノベーション研究では、筑波大学マルチタンデム加速器施設を利用し、実際に半導体部品の耐放射線性評価試験を行い、放射線効果によって誘発される事象とその影響を評価するとともに、宇宙用機器への適用評価試験に当該施設を利用可能か、また、より便利な施設利用に向けて要望される改良点などについて、調査研究を行った。
本報告書 5 項に記載のとおり、2010 年度は 2 回の施設利用を行い、それぞれの利用において、トランジスタアレイ部品および電荷結合素子 (Charge Coupled Device; CCD) について、シング
ルイベント効果 (Single Event Effects; SEE) の評価を行った。
トランジスタアレイは、8 つのダーリントン型増幅回路を内蔵しており、主に電流ドライバとして用いられるものである。この部品はバイポーラプロセスにより実装されており、シングルイベント効果によるラッチアップ (Single Event Latch-up; SEL) の可能性は低いが、重イオン入射に伴い過渡的 (Transient) なパルスが発生 (Single Event Transient; SET) する場合があり、そのパルス波形によっては、この IC の後段に実装される回路系に影響を与える可能性がある。今回の試験では、SET の発生の有無と、発生した場合にはそのパルスの特徴を評価することとした。
CCD はカメラなどの撮像用として頻繁に用いられる部品であり、撮像した画像の各ピクセルのデータを記録・保持する回路のほか、制御回路や画像読み出し時のバッファ回路などを内蔵している。撮像ピクセル部で SEE が発生すると、イオンが入射したピクセル（ならびにその周辺のピクセル）で撮像データに影響が生ずるが、この場合は一個（または数個）のピクセルの画像が乱れるのみであり、画像全体としては大きな影響はない。一方、画像読み出しを制御する回路で SEEが発生すると、内部設定が変化し正常に読み出しができなくなることから、画像全体が乱れるなどの大きな影響が生ずる。また、この CCD は CMOS プロセスにより実装されており、重イオン入射に伴う SEL が発生する可能性もある。今回の試験では、制御回路部でのシングルイベントア
ップセット (Single Event Upsets; SEU) の発生の有無、ならびに SEL の発生の有無を評価することとした。
7.

成果の概要

7.1. トランジスタアレイ
7.1.1.

試験対象部品

本試験では、ダーリントン型トランジスタ増幅回路を 8 つ内蔵したトランジスタアレイ 2 品種（M 社製および T 社製）について評価を行った。2 品種ともほとんど同一の回路が内蔵されており、その概略図（1 回路分）は図 1 に示すとおりである。M 社製、T 社製の各品種について 3 サンプルを試験に供した。

VCC

Input

OutputGND

図 1： トランジスタアレイ回路の概略図
7.1.2.

イオン種およびエネルギー

本試験で使用したイオン種およびそのエネルギーは以下のとおりである。
イオン種：

79Br13+エネルギー： 145 MeV
7.1.3.

試験内容

所定の VCC を印加し、入力端子 (Vin) を Hi (+5 V) または Lo (0 V) とした状態にて 7.1.2 項に記載したイオンビームを部品に照射した。ビーム照射中は、VCC への供給電流量を測定しながら、出力端子から出力されるパルス波形を測定した。SEE による影響の VCC に対する依存性を評価するため、VCC を 10 V から最大定格電圧までの範囲で 10 V 間隔で変化させ、各 VCC について上記の試験を実施した。

7.1.4.

試験結果

M 社製ならびに T 社製とも、照射中、SEL による VCC への供給電流の増加は確認されなかったものの、出力端子から SET と推測されるパルスが出力される現象が観測された。Vin = Lo (0 V)
および Hi (+5 V) のときに出力端子から出力された波形の例を図 2 に示した。Vin = Lo (0 V) のときには時定数が数ms 程度の長いパルスが観測され、Vin = Hi (+5 V) のときは幅 100 ns 程度の速いパルスが観測された。この振る舞いは M 社製および T 社製でほぼ同じであった。Vin = Hi(+5 V) のときは、VCC を変化させると、それに応じて出力電圧の DC オフセットは変化するが、SET パルスの大きさは数 100 mV 程度で一定であった。一方、Vin = Lo (0 V) のときは、VCC を増加させると SET パルスの大きさが指数関数的に大きくなる結果となった。Vin = Lo (0 V) のとき、VCC に対する出力パルス波高の依存性を図 3 に示した。

図 2： Vin = Lo (0 V) （上図）および Hi (+5 V) （下図）のときに観測された出力波形の例

SET出力パルスピーク電圧 (V)100101

M社製
T社製
指数関数近似（M社製）
指数関数近似（T社製）

0.10.010102030405060

電源電圧 Vcc (V)

図 3： Vin = Lo (0 V) のときの出力パルス波高の VCC に対する依存性
7.1.5.

検討

このトランジスタアレイでは、Vin = Hi (+5 V) のとき、出力電圧はほぼ VCC となるため、それに数 100 mV 程度の SET パルスが乗っても、後段の回路への影響は少ない。一方、Vin = Lo (0 V)の時には、出力電圧が 0 V であるべきところに、ほぼ VCC に近い SET パルスが発生し、その時定数も長いことから、後段の回路への影響が出るものと考えられる。従って、このトランジスタアレイを使用する場合には、多数決回路を導入するなどの SET に対する対策を講じる必要がある。
7.2. 電荷結合素子 (CCD)
7.2.1.

試験対象部品

本試験での試験対象部品は光学撮像用 CCD であり、CCD 素子に内蔵されている画像スキャナ回路部の読み出し設定を制御するレジスタで重イオンによる SEU が発生するか否かを評価した。
評価対象とした CCD 内の画像スキャナ回路部の概略図を図 4 に示した。
7.2.2.

イオン種およびエネルギー

本試験で使用したイオン種、そのエネルギー及び LET(Linear Energy Transfer)は以下の 2 種類である。

7.2.3.

イオン種：

79Br13+、エネルギー：145 MeV、LET 値： 約 34 MeV･cm2/mg

イオン種：

35Cl17+、エネルギー：

100 MeV、LET 値： 約 17 MeV･cm2/mg

試験内容

重イオン照射に先立ち、図 4 の「ノード A」を Hi または Lo の状態にセットし、7.2.2 項に示したそれぞれの重イオンビームを照射した。照射中は、コンフィギュレーションを決定するレジスタ「VM2」の状態（電圧）と、そのレジスタの電源である「fV2」への供給電流量をモニタし、重イオンビームの入射によって VM2 の状態が変化するか否かを評価した。VM2 の状態が変化した場合、直ちにリセットをかけ「ノード A」をもとの状態に戻し、ビーム照射を継続した。

Vスキャナ最終段

VM1(Vスキャナエンドパルス)

VV2

ノードA

VV2

インバーター１

VM3

VM2

図 4： CCD 内の画像スキャナ回路の概略図
7.2.4.

試験結果「ノード A」が Hi / Lo の状態にて 7.2.2 項に示した 2 種類のイオンビームを照射した（すなわち、計 4 種類の条件にて試験を行った）。各条件につき、照射量が 1×107 ions/cm2 に達するまでビーム照射を行った。その結果、「ノード A」を Hi に保持した状態にて 79Br13+イオンを照射中に、VM2 の状態が変化する事象が確認された。そのときの「VM2」の電圧および「fV2」への供給電流量の変化の様子を示す代表例を図 5 に示した。この図では、「VM2」の状態の変化が 2 回確認されている。同時に、「fV2」への供給電流は、照射とともに徐々に増加し、「VM2」の状態が変化した時点で元の電流量に戻ることが確認されている。そのメカニズムは以下のとおりと推測する。回路内には VM2 と等価なレジスタが多数あり、ひとつのレジスタが反転するごとに供給電流が増加するようになっている。この試験ではそのうちの一つだけをモニタしているため、そのレジスタに反転があった場合にはリセットがかかり、もとの状態へと戻るが、それ以外のレジスタが反転してもリセットがかからず、電流増加のみが観測されることになる。
「ノード A」が Lo の時ならびに 35Cl17+イオンの照射では、VM2 の状態が変化する事象は確認されなかった。
7.2.5.

検討

本試験の結果から、VM2 に反転が発生する LET の閾値は 17〜34 MeV･cm2/mg の間にあり、レジスタ 1 つあたりで状態反転が発生する断面積は、LET = 34 MeV･cm2/mg で 10–6 cm2 程度と見積もられる。CCD 素子内のレジスタの個数を考慮すると、この数値は比較的大きな値であるため、この結果をもとに回路設計の再検討を行うこととした。

RunNo.10 ノードH保持 DUT1：No.4
電源電流φV2-出力電圧VM2-1
121.0E-02

DUT1 φV2
DUT1 VM2-1

108.0E-03

6.0E-036

出力電圧[V]

電源電流φV2[A]84.0E-03
42.0E-03
200.0E+00
050

100

150

200

250300

350

400

450

経過時間[s]

図 5： 「ノード A」を Hi に保持した状態にて 79Br13+イオンを照射したときに観測された「VM2」の状態と「fV2」への供給電流の変化の様子

7.3. 施設利用にあたって今後の課題
筑波大学マルチタンデム加速器施設を利用して、2010 年度までに実施した試験の成果から、本施設は、宇宙用機器適用に際しての放射線耐性評価に利用可能なレベルである。特に、比較的手軽に利用できることから、素性の分からない部品に対する一次的な試験には、十分に利用可能な施設であると考える。ただし、実際に宇宙機器適用時に行う信頼性評価を十分なレベルまで行うためには、詳細な試験データが必要となり、本施設では不十分な点も否めない。以下の点を改善することにより、信頼性評価を行う上での十分なデータを取ることが可能になると考えられる。
·より大きな LET 値を持つイオン種の提供
少なくとも LET = 60 MeV･cm2/mg 程度を持つイオン種が必要·

半導体部品のより深い領域まで照射できるビームエネルギーの確保
半導体部品の活性層が表面から深い場合もあり、上記の LET 値を持ち、かつ 30 mm 程度の深さまで侵入できるエネルギーが必要·

様々な条件での試験を短時間で実施するため、イオン種変更時間を短くすること、また、サンプル交換や真空引きが迅速に行えるよう真空チャンバーの改良が必要

8.

社会・経済への波及効果の見通し
国産民生用半導体部品を人工衛星などの宇宙機器に利用できるようになれば、宇宙開発コストの大幅な削減が期待できるほか、諸外国との宇宙開発競争での優位性の確保、民生用半導体部品の信頼性向上、国内宇宙産業の活性化など、大きな波及効果を生むものと確信している。