半導体に対する三つの放射線影響とその照射試験
小野田忍
独立行政法人 日本原子力研究開発機構
量子ビーム応用研究部門
半導体耐放射線性研究グループ
onoda.shinobu@jaea.go.jp027-346-9324

発表内容
2

放射線と半導体

1.
1.
2.

放射線環境
半導体に対する3つの放射線影響

2. 原子力機構・高崎量子応用研究所 放射線照射施設の紹介
1.
トータルドーズ効果
2.
はじき出し損傷効果
3.
シングルイベント効果

3. 原子力機構・半導体耐放射線性研究グループの取組み
4. まとめソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

半導体を取り巻く放射線環境
3

銀河宇宙線
p・α・ion

捕捉放射線
p・e

宇宙放射線
大気との核反応ppp

nmp

太陽フレア放射線
p・e・ionn ppn

半導体素子n・ 太陽電池・ ロジック・ メモリ
ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

n半導体に対する三つの放射線影響
4 トータルドーズ効果 (TID : Total Ionizing Dose Effect)
 多量の放射線が入射し、電離作用によって引き起こされる。生成された電荷は、固定電荷や界面準位を形成し、半導体素子の諸特性を劣化させる。累積線量効果とも呼ばれる。

 はじき出し損傷効果 (DDD：Displacement Damage Dose Effect)
 多量の放射線が入射し、半導体結晶を構成する原子がその定常位置からはじき出されることによって引き起こされる。はじき出された原子および空格子点は、欠陥準位を形成し、半導体素子の諸特性を劣化させる。バルク損傷 (Bulk Damage)とも呼ばれる。

 シングルイベント効果 (SEE : Single Event Effect) 1個の粒子が入射し、電離作用により高密度の電荷が生成されることにより引き起こされる。

生成された電荷が半導体素子中を流れることによって、一時的もしくは定常的な故障が起こる。一般に、荷電粒子のLET (Linear Energy Transfer)が大きいほど、電荷量は多い。

ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

半導体に対する三つの放射線影響
5• トータルドーズ効果 ：多量のガンマ線等（酸化膜・電離）• はじき出し損傷効果 ：多量の電子線等（半導体結晶・はじき出し）• シングルイベント効果：1個の重粒子（半導体結晶・電離）
シングルイベント効果（確率的）
誤動作・破壊MOSFET
運用期間（照射量）

トータルドーズ効果 はじき出し損傷効果（kGyオーダー）（MGyオーダー）
しきい値電圧のシフト・移動度低下・リーク電流増加
ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

宇宙放射線による半導体影響
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 捕捉放射線
 陽子、電子（高フラックス）
 太陽フレア放射線 陽子、電子（高フラックス）
 銀河宇宙線
 GeV以上の高エネルギー重粒子
 地上中性子線
 幅広いエネルギースペクトル遮蔽によりX線・ガンマ線が発生し、ICのTIDを引き起こす。はじき出し断面積が小さいのでDDDは起こり難い。
電離能が低いのでSEEは起こらないが、陽子ではSEEが起こることもある。
電子・陽子線が太陽電池のDDDを引き起こす。太陽電池には酸化膜がないので、原理的にTIDは起こらない。
電離能が低いのでSEEも起こり難い。
エネルギーが高く遮蔽ができない。フ
ラックスが低いので、TIDもDDDも引き起こさない。ICのSEEを引き起こす。

核反応生成物（MeV級重粒子）がICのSEEを引き起こす。

LSIの放射線影響： トータルドーズ効果・シングルイベント効果
ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

人工衛星内の線量（静止軌道）とトータルドーズ効果

Total Dose (kGy(Si))

7

10
10.1
0.01

1mils = 0.0254mm
IEEE TNS Short course 2009
ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

地上の線量とトータルドーズ効果
99％の人が死亡する線量10Sv ≒ 10Gy8

地上(引き上げ後の上限)250mSv/y ≒ 250mGy/y(3.75Gy/15year)
地上 (世界平均)
2.4mSv/y ≒ 2.4mGy/y(36mGy/15year)
TID耐性
未対策の地上用LSI： 数十Gy～（福島第一投入のロボット：100Gy）
対策済の宇宙用LSI： kGy ～地上は無視できるほど低線量
ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

JAEA 高崎量子応用研究所
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イオン照射研究施設 (TIARA)

電子線照射施設 (0.5  2MeV)
60Coガンマ線照射施設

60Coガンマ線照射施設

電子線照射装置 ( 250keV)

高崎量子応用研究所 群馬県高崎市綿貫町1233
http://www.taka.jaea.go.jp/index_j.html
ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

ガンマ線照射施設
10

ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

トータルドーズ試験 （Co-60 γ-ray or 10keV X-ray）
11照射試料160cm
60Co-γ線源

Al製照射箱高線量率試験
50～300rad/s（MIL-STD-883D等）
低線量率試験
0.01rad/s程度

45cm

45cm

45cm

ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

照射前後の電気特性評価の例
12Al

Electrode diameter=100µm

SiO2dox(SiO2 thickness)=100nm

p or n-type

試料の断面構造
Si Substrate

3～51015cm-3①60Co-γ線の照射でTIDを導入
・吸収線量率=6.3kGy (SiO2) /h

Capacitance ( pF )3nMOS
2.52CMG

1.51-25-20-15-10-50・照射時間=１時間・全吸収線量=6.3kGy(SiO2)②高周波（1MHz）の容量・電圧（CV）特性を測定
・固定正電荷密度の評価・界面準位の評価

Voltage (V)しきい値電圧のシフト
移動度低下
リーク電流増加

ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

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LSIのトータルドーズ効果（例）13IEEE TNS Short course より
ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

電子線照射施設
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電子線加速器本体

Cockcroft-Walton型
加速エネルギー: 0.5  2 MeV
電流: 0.1  30 mA
ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

イオン照射施設
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Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Applications
ブロードビーム

AVFサイクロトロン（数百MeV）

コリメート型ビーム

集束型ビーム3MVタンデム（十数MeV）HXTATBLC

HDLD
最も一般的な照射HD

HEHE

TB

HX

微小領域を狙い撃ちするソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)最も一般的なシングルイベント効果試験法
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SEE発生頻度飽和値

ブロードビーム

しきい値

イオンの線エネルギー付与（LET）
荷電粒子のLETが大きいほど、シングルイベント効果は起こりやすい。
JAEA・JAXA共同研究
ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

マイクロビームを用いたシングルイベント効果試験法
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HE：コリメート型ビーム

TB：集束型マイクロビーム
6~18MeV

タンデム加速器~1μm

HX：集束型マイクロビーム

AVFサイクロトロン
AVFサイクロトロン

20μm程度TIBIC（TransientIon Beam Induced Current）システム
ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

数百MeV

~1μm

原子力機構・半導体耐放射線性研究グループの取組み
18 独立行政法人、大学、企業との共同研究
 トータルドーズ効果
デバイス・回路・システムレベルの放射線耐性強化LSI・太陽電池
 はじき出し損傷効果
 シングルイベント効果
γ線・電子線・イオン照射試験

 炭化ケイ素（SiC: Silicon Carbide）の照射効果
 高耐圧、高温動作、省エネルギー
集束型ビーム 高い放射線耐性
 照射装置開発
 TIBICシステムの整備・IPEMの開発
ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)

ブロードビームまとめ19

 宇宙放射線環境と放射線影響
 トータルドーズ効果（LSI）
 はじき出し損傷効果（太陽電池）
 シングルイベント効果（LSI）
 照射施設および研究紹介
 ガンマ線照射施設
 電子線照射施設
 イオン照射施設
 TIBIC

ソフトエラー(などのLSIにおける放射線効果)に関する第1回勉強会(2011年9月7-8日)