JP2004125633A

JP2004125633A - Cosmic rays neutron software error resistance evaluation method for semiconductor device

Info

Publication number: JP2004125633A
Application number: JP2002290587A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Koike; 小池　保夫; Hidefumi Ibe; 伊部　英史; Hideaki Kameyama; 亀山　英明; Yoshikazu Saito; 斎藤　良和
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2004-04-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a means for efficiently evaluating the resistance of an arbitrary semiconductor device to software error due to cosmic rays neutrons. <P>SOLUTION: By using a simulator as the nucleus, the accuracy of simulation is enhanced by extracting experimental data on an actual semiconductor device from field tests and accelerator tests, and converged so that experimental data on the actual semiconductor device can be faithfully reproduced. Since resistance to software error due to cosmic radiation neutrons at an arbitrary spot can be evaluated with respect to an arbitrary semiconductor device, or an arbitrary semiconductor device in a designing stage, the resistance of the semiconductor device to software error due to cosmic rays neutrons can be previously evaluated/estimated. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの宇宙線中性子起因のソフトエラー耐性評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの微細化・高集積化は著しく進展しており、それに伴いメモリセルの面積や動作電圧も縮小傾向にある。そのため、メモリの情報を保持するための物理定数の絶対値も減少し、外乱因子に対する影響を受けやすくなっている。宇宙線中性子はその外乱因子の一つである。例えば非特許文献１または２にアルファ線や宇宙線中性子等が原因で生じるソフトエラーに対する耐性の問題解決の必要性が述べられている。
【０００３】
そして、太陽フレア発生時など一時的に宇宙線強度が高くなる時、高集積化された高性能を有する半導体デバイスほど、従来経験のない同時多発型のソフトエラーを起こす可能性やその影響が懸念されている。
【０００４】
半導体デバイスの宇宙線中性子ソフトエラーに対する耐性評価は主としてデバイスを実際の使用環境に置き、動作させることによって求める方法や、白色中性子スペクトルあるいは準単色中性子スペクトルを有する中性子ビームを半導体デバイスに照射して、そのソフトエラーの断面積を求める方法が例えば非特許文献３に述べられている。
【０００５】
実験的評価方法には前述のようにサイクロトロンを利用した中性子を直接用いる方法と中性子と同じ核子である陽子を用いる方法がある。陽子と中性子は核破砕反応において等価であるという前提のもと、エネルギーの単色性を制御し易いなどの実験技術的な側面からも中性子の代わりに陽子を用いる方法が用いられている。
【０００６】
一方、理論的評価方法に関して、宇宙線中性子がデバイスのＳｉ原子核に入射してからの現象のシミュレーションを、反応の前平衡過程と蒸発過程とに分けて、それぞれモンテカルロ法により発生した粒子のエネルギースペクトルを求め、デバイスシミュレータなどによりソフトエラーを評価する方法が非特許文献４〜５に詳しく述べられている。この中で、前平衡過程の取り扱いにより、Ｓｉ原子核に入射した中性子が原子核内の核子と２体間散乱を繰り返し、エネルギーの高いものは核外に放出されるとするＩｎｔｒａ−Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｃａｓｃａｄｅ法による場合と多体問題として量子分子動力学的手法によって解く場合とがあり、また、蒸発過程はＷｅｉｓｓｋｏｐｆ−Ｅｗｉｎｇの蒸発モデルによって計算されている。
【０００７】
また、非特許文献６及び特許文献１には、複数の単色エネルギーで半導体デバイスの各エネルギーに対するソフトエラーの断面積を求め、それをエネルギーの関数で近似し、それを半導体デバイスの標準的な近似曲線の形状を定めたとき、その形状が殆ど半導体デバイスの種類に依存しないということが報告されている。
【０００８】
【非特許文献１】
Ｊ．Ｆ．Ｚｉｅｇｌｅｒ，　ＩＢＭ　Ｊ．　Ｒｅｓ．　Ｄｅｖｅｌｏｐ．，　Ｖｏｌ．４０，　Ｎｏ．１，　ｐｐ１９−３９
【非特許文献２】
Ｓ．　Ｈｕａｎｇ，　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｏｎ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，　Ｖｏｌ．４７，　Ｎｏ．６，　ｐｐ．２６４０−２６４７
【非特許文献３】
Ｋ．　Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ　ｅｔ　ａｌ．，　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，　Ｖｏｌ．４５，　Ｎｏ．６，　ｐｐ２５１９−２５２６（１９９８）
【非特許文献４】
Ｈ．　Ｈ．　Ｋ．　Ｔａｎｇ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｈｙｓ．　Ｒｅｖ．　Ｃ，　Ｖｏｌ．４２、Ｎｏ．４，　ｐｐ１５９８−１６２２　（１９９０）
【非特許文献５】
Ｙ．　Ｔｏｓａｋａ　ｅｔ　ａｌ．，　ＩＥＥＥ．　Ｔｒａｎｓ．　ｏｎ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，　Ｖｏｌ．４５，　Ｎｏ．７，　ｐｐ１４５３−１４６０　（１９９８）
【非特許文献６】
伊部他、応用物理、Ｖｏｌ．７０、Ｎｏ．１１、ｐｐ１３０８−１３１２（２００１）
【特許文献１】
特開２００１−２１５２５５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ソフトエラーはメモリセルに記憶された情報が反転する現象であり、例えばメモリセルの蓄積ノードに書き込まれた情報“１”情報がアルファ線や中性子線等が半導体デバイス内に入射し、その結果として半導体デバイス内に発生した電荷がｐｎ接合に本質的に付随するビルトイン・ポテンシャルの影響により蓄積ノードに収集され、“０”情報に書き換えられるという問題である。
【００１０】
ソフトエラーは上記のように半導体デバイスの情報を書き換えるという一時的な非破壊現象であるが、半導体デバイスの微細化・高集積化に伴いデバイスの破壊を伴うハードエラーの増加も懸念されつつある。
【００１１】
設計した半導体デバイスがどの程度の宇宙線中性子ソフトエラー耐性を持っているかは従来、フィールド試験によって評価してきた。フィールド試験はデバイスの実力を示すソフトエラー率［ＦＩＴ］（定義：１０^９時間に１回エラーが発生したときを１ＦＩＴ）を直接測定する方法であり、例えば１０００ＦＩＴという数値は、１０００個のデバイスを１年間動かした場合、ソフトエラー回数が１０回というという水準である。
【００１２】
フィールド試験はデバイスの実力を直接評価し、信頼性の高いデータを取得できる点は良い。しかし、最近では製品開発期間が短くなっているのに対し、フィールド試験はデータ試験時間に年のオーダーを要する点、また多数のデバイスを用いない限り統計的評価が困難な点が欠点である。また、そのため評価可能なデバイス種も限定され、また、製品レベルでの実験的評価はそれ相当の工数を経た後のことであり、時間的に非効率である。
【００１３】
実験的評価方法には前述の通りであるが、非特許文献３に記載されているように、加速器を用いたソフトエラー耐性試験において、入射陽子のエネルギーに対するソフトエラーの断面積は中性子の場合と値が異なるという報告がある。
【００１４】
中性子ソフトエラーの場合、デバイス内での核破砕反応の結果、複数の粒子が同時に放出されたり、発生電荷量の多い残留原子核が相対的に長い距離を通過することにより、エラー修正コード（ＥＣＣ：Ｅｒｒｏｒ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　Ｃｏｄｅ）により修復のできないマルチビットエラーが発生することも問題視されている。また、マルチビットエラーについては今後の半導体デバイスの微細化・高集積化に伴い深刻化することは明らかであるが、評価方法については定まっていない。
【００１５】
こうした問題に対処するには、実験的評価とともにメカニズムの理解、重要パラメータの抽出・対策提案のために理論的評価も不可欠である。
【００１６】
また、最近では半導体ユーザー側から購買条件として半導体デバイスのソフトエラー率を提示するよう半導体メーカー側に求めることが殆どである。上記のようなフィールド試験法や加速器試験法のみを利用していたのでは、世界の産業構造を総体的に見た場合、技術の発展上時間的に非効率である。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
先に述べたように入射陽子のエネルギーに対するソフトエラーの断面積は中性子の場合と値が異なるため、中性子ソフトエラー耐性評価においては中性子を用いることが前提となる。しかしながら、短時間に多量の中性子を半導体デバイスに照射する加速器試験法を採用しても、利用可能な加速器設備の数が限られているため、あらゆる半導体デバイスをこの加速器試験法によって評価できるとは限らない。
【００１８】
そこで、非特許文献６に記載されているように、半導体デバイスのソフトエラーの断面積の近似曲線の形状が殆ど半導体デバイスの種類に依存しないという結果を利用し、更にそれを拡張させて、加速器試験によりデータが１点しか取れない第二の半導体デバイスであっても、先の標準的な近似曲線を平行移動させて当該の１点を通るようにする。
【００１９】
この曲線を第二の半導体デバイスに関するソフトエラー断面積のエネルギー関数とみなすことができる。こうすることによって、加速器試験により求められたソフトエラー断面積のエネルギー関数と宇宙線中性子スペクトルを掛け合わせ、エネルギーに関して積分することによりその半導体デバイスのソフトエラー率を求めることができ、１年のオーダーの時間を費やしてフィールド試験を実施するよりははるかに効率的である。
【００２０】
また、マルチビットエラーについては今後の半導体デバイスの微細化・高集積化に伴い深刻化することは明らかであるが、評価方法については定まっていない。これはエラービットの物理アドレスとエラーの発生した時刻を観測・記録すればマルチビットエラーに関する情報も得られる。
【００２１】
シミュレーションによればマルチビットエラーの問題も含め、上記問題は解決され、しかも製品設計段階から宇宙線中性子ソフトエラー耐性評価が可能となる。しかし、そのシミュレーションは実際の半導体デバイスの実験データを忠実に再現できるものでなければならない。
【００２２】
そこで、半導体デバイスの宇宙線中性子ソフトエラー耐性を評価するために、任意のエネルギースペクトルを持つ中性子ビームに対し、デバイス内の原子核との核反応、その結果発生する２次イオンがデバイス内を飛散する間に蓄積ノードに収集されるキャリアの振る舞いを詳細に解析するモンテカルロシミュレータＣＯＲＩＭＳを開発した。
【００２３】
本発明はこのシミュレータＣＯＲＩＭＳを中核として、実際の半導体デバイスの実験データをフィールド試験、加速器試験から抽出することによってシミュレーションの精度を向上させ、実際の半導体デバイスの実験データを忠実に再現できるよう収束させるようにした。
【００２４】
それにより、任意の半導体デバイスに関してフィールド試験をせずに、また更には半導体デバイスを設計する段階においてさえ、精度の良い宇宙線中性子起因のソフトエラー耐性評価が可能となり、半導体デバイス製品が出来あがるのを待つことなく時間的に効率の良い宇宙線中性子起因のソフトエラー耐性評価が可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図１に中性子ソフトエラーに対する耐性を評価するためのシステムの概要を示す。ここでは、（１）シミュレータＣＯＲＩＭＳによるシミュレーションを中核とし、（２）フィールド試験による半導体デバイスのソフトエラー率の実測、（３）加速器試験により異なるエネルギーを有する中性子ビームを各々半導体デバイスに照射することによって各々のエネルギーに対応する半導体デバイスのソフトエラーの断面積を求めること、（４）ある地点における宇宙線中性子スペクトルの実測、（５）地上の任意の地点における緯度・経度・高度の測定、（６）（３）〜（５）に基づく半導体デバイスのソフトエラー率（以下ＳＥＲと記す）の計算、という６つの要素技術から構成されるシステムであり、そのいずれ一つが欠如しても成立しないものである。
【００２６】
このシステムをＳＥＣＩＳ（Ｓｅｌｆ−Ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ−ｎｅｕｔｒｏｎ−ｉｎｄｕｃｅｄ　ｓｏｆｔ−ｅｒｒｏｒ）と名づける。ＳＥＣＩＳの最終目標はシミュレータＣＯＲＩＭＳ単独で任意の地域、任意の半導体デバイスについて、半導体デバイスの設計段階においてさえもＳＥＲを評価することができるというものである。
【００２７】
本発明の中核となるＣＯＲＩＭＳの基本的な原理は、特許文献１に記載されているので、ここではその説明を割愛する。以下、順に各構成要素技術について説明する。
【００２８】
先ず、第一にフィールド試験について説明する。図２にはフィールド試験のワークフローを留意事項とともに示した。また、図３にはフィールド試験を実施する際のデータシートの一例を示した。
【００２９】
データシートには試験デバイスの電圧やデータパターンなどの動作パラメータや試験場所の情報、試験時間、また、宇宙線中性子量に密接に係わる太陽活動、地磁気異常などの情報を記載する。試験デバイスは最新デバイスなど、典型的なものを選定する。フィールド試験は原理的には地球上の任意の地点で実施可能である。しかし設置場所における電源確保、温湿度管理などの制約を受け、実際には、事業所内で実施することが殆どである。宇宙線中性子起因のソフトエラーであることを明確にするため、高度依存性データを取得し、また半導体ユーザからフィールド試験場所を指定されることもある。発明者らは高度８６ｍ、７５５ｍ及び１９８８ｍで０．１８ｍｍプロセスのＳＲＡＭの高度依存性データを所得した。これについては後述する。
【００３０】
フィールド試験の際に重要なことはデバイスの設置状況の把握である。デバイスは建築物内に設置されるが、建築物の屋根の厚み、材質等は重要な情報である。中性子の減衰が生じるためである。これにはエネルギー依存性があり、例えばコンクリート１ｍ厚の屋根があればそれが遮蔽となり、１０ＭｅＶ程度の中性子であれば屋根を通過することによりおよそ１桁、１００ＭｅＶ以上の中性子であればおよそ半分に減衰する。（中村尚司著、放射線物理と加速器安全の工学［第二版］、地人書館（２００１）参照）
フラックスの高い高地や高地磁気緯度でフィールド試験を実施しても、このような減衰効果を考慮せず、鉄筋コンクリート建築物の地下で実験しては、エラーの絶対数が少なく、統計処理に堪え得るだけのデータは得られない。フィールド試験の際、デバイス設置場所の状況把握、特にデバイスに直接降り注ぐ中性子に関する情報は極めて重要である。
【００３１】
そこで、フィールド試験において^３Ｈｅ比例計数管を組み込んだ中性子線量当量計（レムカウンタ）により中性子線量の直接測定を実施する。今回用いたのは、富士電機製中性子レムカウンタＮＳＮ２１００１である。これは通常の市販品に比べて^３Ｈｅの圧力を高くしている、すなわち常温で単位体積あたりの^３Ｈｅ分子数を多くしているため中性子に対する感度が高くなっている。
【００３２】
これを用いて線量を直接測定することにより、デバイスに直接降り注ぐ中性子を評価できる。但し、レムカウンタで測定できるのはエネルギーが１５ＭｅＶ以下の中性子であるため、実際にソフトエラーに関与する１〜１０００ＭｅＶのエネルギー範囲にある中性子のフラックスと対応づけるにはある基準地点での中性子スペクトルや線量の経時変化との比較が必要である。
【００３３】
また、宇宙線中性子のフラックスは地球上の地磁気緯度・経度および高度により変動する。地磁気緯度・経度は地理的緯度・経度と密接な関係があり、ＩＧＲＦ（国際標準地球磁場）モデルにより変換できる。従って、地理的緯度・経度を測定すればフィールド試験地の地磁気緯度・経度を求めることが出来る。携帯ＧＰＳを用いればフィールド試験地での測定が容易である。
【００３４】
今回はＧａｒｍｉｎ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製ｅＴｒｅｘ^＠Ｌｅｇｅｎｄ　Ｐｅｒｓｏｎａｌ　ｎａｖｉｇａｔｏｒ^ＴＭを用いた。携帯ＧＰＳを用いる際の注意事項としては、ＧＰＳに利用する人工衛星が見込める角度に建物などの遮蔽物がある場合には衛星からの情報が取れず測定ができないこと、また利用する衛星の数（画面に表示される）が多いほど測定精度が向上することである。測定時は出来る限り建物から離れて利用する衛星数を増やすことが肝要である。
【００３５】
これを用いて実測した地理的緯度・経度および高度に基づく地磁気緯度・経度及びＧｅｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｉｇｉｄｉｔｙ（地磁気遮蔽強度）の計算結果を図４にまとめた。以上により、Ｚｉｅｇｌｅｒの計算による宇宙線中性子スペクトル（非特許文献１）に対し地磁気緯度・経度、高度による変化や建物による遮蔽効果の補正を加えることができる。
【００３６】
あるデバイスをある地域に設置してフィールド試験を実施すればその場所でのＳＥＲは以上のようにして算出できる。しかし、それと異なるデバイスを別の地域設置してフィールド試験を実施してＳＥＲを求めても、両者のソフトエラー耐性の比較は単純にはできないことに注意を要する。最終的には上に述べたようないくつかの補正を実行し、デバイスが直接曝された中性子量、すなわちフルエンスを求め、中性子フルエンスに対するエラー数に換算して比較しなければならない。
【００３７】
次に加速器試験について説明する。加速器試験のワークフローを図５に示した。
また、試験の条件や結果を記録するために図６に示したデータシートを作成した。
試験デバイスはフィールド試験と同様の基準で選定する。照射する中性子のエネルギーは、ＳＥＵ曲線が低エネルギー側で急速に立ち上がり高エネルギー側でほぼ飽和する傾向を持つことを考慮し、原則として可能な限り広範なエネルギー領域でのデータを取得できるように決定する。
【００３８】
今回発明者らは３つの加速器施設を使用した。施設Ａの実験では１〜１５ＭｅＶ、施設Ｂでは３０〜７０ＭｅＶ、施設Ｃでは９０〜１８０ＭｅＶの中性子エネルギーで中性子照射試験を実施した。いずれも１次荷電粒子を加速器で所定のエネルギーまで加速し、ターゲットと反応させ、二次粒子として中性子を発生させるものである。それぞれの加速器施設について以下に述べる。
【００３９】
加速器毎に生成する中性子のエネルギーと反応を図７にまとめた。施設Ａではダイナミトロン加速器で陽子（ｐ＋）、重陽子（ｄ＋）を加速し、三重水素（Ｔ）、重水素（Ｄ）と核反応をおこさせ、中性子（ｎ）を発生させる。これらの原子核反応により発生する中性子は図８のスペクトルが示すように単色である。
【００４０】
施設Ａの照射室には特にコリメータなど遮蔽となるものがない為、テストボードに搭載された制御マイコンやその制御に用いるコンピュータにも中性子が直接照射され、制御系にもソフトエラーが生じることになる。このため、テストボードの制御系に対してポリエチレンと鉄のブロックで中性子遮蔽を施した。
【００４１】
施設Ａの中性子スペクトルは単色スペクトルであり、^２３５Ｕ　と中性子の核分裂反応を利用したＦｉｓｓｏｎ　Ｃｈａｍｂｅｒ（ＦＣ）により中性子の絶対数とＨ_２比例計数管の計数値との対応をとり、Ｈ２比例計数管を中性子フルエンスのモニタとして用いている。
【００４２】
また施設Ｂではサイクロトロン（ＡＶＦサイクロトロン）で所定のエネルギーまで加速された陽子をＬｉターゲット（厚さ：３〜１５ｍｍ、エネルギーに応じて変える）に衝突させ、^７Ｌｉ（ｐ，ｎ）^７Ｂｅ反応により中性子を発生させている。
【００４３】
中性子スペクトルを図９に示した。Ｅｎはピーク部分の中性子エネルギーである。スペクトルは高エネルギー側のピーク部分とそれより低エネルギー側のテイル部分からなる。ピーク部分は^７Ｌｉ（ｐ，ｎ）^７Ｂｅ反応のうち、^７Ｂｅが基底状態および第一励起状態（０．４３ＭｅＶ）の反応に関わる中性子であり、テイル部分は^７Ｂｅが第二励起状態以上の反応および^７Ｌｉ（ｐ，ｎ^３Ｈｅ）^４Ｈｅなどの崩壊反応に関わる中性子である。
【００４４】
施設Ａの単色スペクトルとは異なり「準単色」と称される。テイル部分の中性子もソフトエラーに関与しているためＳＥＵ断面積を算出する際、その扱いに注意を要する。
【００４５】
施設Ｂの照射室にはコリメータが設置されており、これをテストボードに搭載された制御マイコンやその制御に用いるコンピュータに対する遮蔽として用いることができる。ターゲット室と照射室が同室であり、ターゲットとテストボード照射位置との距離は３．５ｍ程度であり、散乱された中性子がバックグラウンドを高める要因となる。
【００４６】
飛行時間分解法（ＴＯＦ法）で中性子スペクトルを測定し、照射中は陽子のビームダンプへの入射量（電荷量）と有機液体シンチレーションカウンターＮＥ２１３によりフラックスをモニタしている。
【００４７】
また、施設Ｃにおける中性子の発生方法は施設Ｂと同じくサイクロトロンで加速した陽子をＬｉのターゲットに衝突させ、^７Ｌｉ（ｐ，ｎ）^７Ｂｅ反応を利用する方法である。施設Ｃはターゲット室と照射室が別室となっている。施設Ｃではサイクロトロンで加速した陽子をＦａｒａｄａｙ　Ｃｕｐで直接観測し、Ｌｉ（ｐ，ｎ）反応の断面積から中性子の発生量を計算することにより中性子フラックスをモニタする方法と、^２３８Ｕと中性子の核分裂反応を利用したＴｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　Ｃｏｕｎｔｅｒ（ＴＦＢＣ）により中性子フラックスをモニタする方法とを併用している。
【００４８】
フィールドにおけるデバイスのソフトエラー率ＳＥＲ［ＦＩＴ］は、加速器試験により求められる各デバイスの離散的な各中性子エネルギーＥｎ［ＭｅＶ］におけるＳＥＵ断面積をエネルギーの連続関数で近似し、それをフィールドの宇宙線中性子のエネルギー微分フラックスと重畳積分することによって得られる。
【００４９】
【数１】

【００５０】
但し、Ｅｎ：入射中性子エネルギー［ＭｅＶ］、Ｅｔｈ：デバイスのしきい値エネルギー［ＭｅＶ］、ｓ_ＳＥＵ（Ｅｎ）：ＳＥＵ断面積［ｃｍ^２］、Ф_Ｖ（Ｅｎ）：宇宙線中性子のフラックス［／ｃｍ^２／ｓ］である。デバイスのしきい値エネルギーは通常のＳＲＡＭであれば４ＭｅＶ程度であると考えられる。
【００５１】
以下（１）〜（３）の手続きを実行し、数式１を用いることによりソフトエラー率ＳＥＲ［ＦＩＴ］を計算できる。
（１）ＳＥＵ断面積の計算
以上述べた加速器試験により各デバイスの各入射中性子エネルギーＥｎ［ＭｅＶ］におけるＳＥＵ断面積が求められる。ＳＥＵ断面積σ_ＳＥＵ（Ｅｎ）［ｃｍ^２］は次の式で求められる。
【００５２】
【数２】

【００５３】
但し、ｒ：デバイスのエラー率［／ｓ］、ｎ：エラーイベント数、φ（Ｅｎ）：中性子フラックス［／ｃｍ^２／ｓ］、Φ（Ｅｎ）：中性子フルエンス［／ｃｍ^２］、である。
【００５４】
施設Ａでいた中性子のように単色スペクトルを呈する場合には、単純に数式２に各値を代入することにより、そのエネルギーでのＳＥＵ断面積を直ちに求めることが出来る。しかし、施設Ｂ並びにＣで用いた中性子は準単色であり、ピーク部の中性子と同じにテイル部の中性子もソフトエラーに関与している。従って、該当するピーク中性子エネルギーのみの寄与分を評価するためには、テイル部分の中性子の寄与分を補正しなければならない。
【００５５】
施設Ｂおいては照射前にＴＯＦスペクトルをその都度取得し、ピーク部分の割合を求めている。また、施設Ｃにおいては体系的にスペクトルの解析が行われ、陽子加速エネルギー毎に中性子スペクトル全体に占めるピーク部分の中性子の割合を計算している。いずれの加速器施設においても、その割合を計測した全フラックス、フルエンスに乗じて数式２のフラックス、フルエンスとしている。
【００５６】
また、ピーク部の中性子のソフトエラーに対する寄与率はデバイス毎に異なりソフトエラーシミュレータＣＯＲＩＭＳにより得ることが出来る。図１０は３種類の半導体デバイスについて各加速器施設で発生させた中性子のピーク寄与率を示したものである。
【００５７】
観測したデバイスのエラー率、エラーイベント数にこの寄与率を乗じて数式２のエラー率、エラーイベント数とする。以上の補正を施すことにより、単色スペクトルを用いた場合と同様にピーク部分の中性子によるソフトエラー率を求めることができる。すなわち、補正係数を考慮することにより、単色スペクトルの場合と同様、
【００５８】
【数３】

【００５９】
としてＳＥＵ断面積を計算できる。本補正方法は非特許文献３に記載された方法よりも単純である。また、各単一エネルギーで独立に補正係数を求めることができるため、単一エネルギーの加速器試験による半導体デバイスの評価も可能である。
【００６０】
（２）ＳＥＵ関数の決定
（１）の手続きにより各中性子エネルギーに対して離散的にＳＥＵ断面積を求めることが出来る。例えば非特許文献６に見られるように、収集した文献値によると最小加工寸法やメモリ容量によらず、いずれのメモリデバイスに対しても入射核子エネルギーとＳＥＵ断面積の傾向に違いはなく、絶対値に差は有るが近似曲線の形はほぼ決まる。この近似曲線をＳＥＵ関数と呼ぶ。加速器を用いたＳＥＵ断面積のデータ点数が不足している場合は、曲線の形がデバイス毎にあまり異ならないことを利用し、他のデバイスのＳＥＵ曲線をｙ軸方向に平行移動することにより、その曲線をデバイスのＳＥＵ関数とみなすことも出来る。
【００６１】
（３）宇宙線中性子スペクトル
数式１により加速器試験により各中性子エネルギーでのＳＥＵ断面積、従ってＳＥＵ関数が決定した後であれば、地球上の任意の地点における宇宙線中性子のフラックスを代入することによりその地点におけるデバイスのソフトエラー率ＳＥＲ［ＦＩＴ］を求めることができる。Ｚｉｅｇｌｅｒによる宇宙線中性子スペクトル（非特許文献１）や、ある地点での実測の宇宙線中性子スペクトルに対して地磁気緯度・経度、高度による変化や建物による遮蔽効果の補正を加えることにより、デバイスの使用環境でのソフトエラー率を計算できる。
【００６２】
３種のＳＲＡＭの加速器試験結果から先に述べた方法に従ってＳＥＵ断面積を計算し、図１１にまとめた。上記３つのデバイスのデータについても入射中性子エネルギーの低いところでＳＥＵ断面積が急激に立ち上がり、高エネルギー領域で飽和するという傾向になっている。データを多項式で近似し、各デバイスのＳＥＵ関数とした。
【００６３】
実測データだけを抽出し、図１２に関数曲線を示した。数式１に従い、ここで得られたＳＥＵ関数と宇宙線中性子スペクトルとを掛け合わせてエネルギーで積分することにより、各デバイスのソフトエラー率を予測できる。先に述べたようにある一つ０．１８μｍプロセスのＳＡＲＭについては高度８６ｍ、７５５ｍ及び１９８８ｍの３箇所でフィールド試験を実施しており、これを予測値と比較することができる。
【００６４】
またシミュレータＣＯＲＩＭＳの結果を相対値として図１３に示した。本手法によりこのＳＲＡＭのソフトエラー率予測値は実測値に対して３０％以内の誤差で決定できていることが確認できた。
【００６５】
【発明の効果】
本発明により任意の半導体デバイス、設計段階にある任意の半導体デバイスに関し任意の地点における宇宙線中性子起因のソフトエラー耐性を評価することができるため、半導体デバイスの宇宙線中性子ソフトエラーの評価・予測からソフトエラー耐性向上技術の確立まで効率的に実行できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概要を示す図である。
【図２】フィールド試験のワークフローを示す図である。
【図３】フィールド試験の際に記入するデータシートを示す図である。
【図４】地球上の各地点の地磁気緯度・経度、高度及びＧｅｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｉｇｉｄｉｔｙ（地磁気遮蔽強度）の対応を示す表である。
【図５】加速器試験のワークフローを示す図である。
【図６】加速器試験の際に記入するデータシートを示す図である。
【図７】本実施例で用いた加速器施設の種類と中性子エネルギー、フラックス、中性子を発生させるための核反応の対応を示す図である。
【図８】本実施例で用いた加速器施設Ａおいて発生させた中性子のスペクトルを示す図である。
【図９】本実施例で用いた加速器施設Ｂ及びＣおいて発生させた中性子のスペクトルを示す図である。
【図１０】本実施例で用いた加速器施設と発生させた中性子のピーク部分に対するソフトエラー発生寄与率を示す図である。
【図１１】本実施例で用いた中性子のピークエネルギーと半導体デバイスのＳＥＵ断面積との関係を示す図である。
【図１２】本実施例で用いた中性子のピークエネルギーと半導体デバイスのＳＥＵ断面積との関係に対する近似曲線を示す図である。
【図１３】本実施例で用いた半導体デバイスのソフトエラー率の高度依存性と本発明の手法を用いた計算値との対応を示す図である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for evaluating soft error resistance of semiconductor devices due to cosmic ray neutrons.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, miniaturization and high integration of semiconductor devices have been remarkably advanced, and accordingly, the area and operating voltage of memory cells have been decreasing. Therefore, the absolute value of the physical constant for holding the information in the memory also decreases, and the memory is easily affected by disturbance factors. Cosmic ray neutrons are one of the disturbance factors. For example, Non-Patent

Documents

1 and 2 describe the need to solve the problem of resistance to soft errors caused by alpha rays, cosmic ray neutrons, and the like.
[0003]
When the intensity of cosmic rays temporarily increases, such as when solar flares occur, the possibility of a simultaneous multiple occurrence of soft errors, which has never been experienced before, and the effects of such high-density integrated semiconductor devices are of concern. Have been.
[0004]
Evaluation of the resistance of semiconductor devices to cosmic ray neutron soft errors is mainly performed by placing the device in the actual use environment and operating it, or by irradiating the semiconductor device with a neutron beam having a white neutron spectrum or quasi-monochromatic neutron spectrum, A method for obtaining the cross section of the soft error is described in Non-Patent Document 3, for example.
[0005]
As described above, the experimental evaluation method includes a method using a neutron directly using a cyclotron and a method using a proton which is the same nucleon as the neutron. Under the premise that protons and neutrons are equivalent in a spallation reaction, a method using protons instead of neutrons is also used from the experimental technical aspects such as easy control of energy monochromaticity.
[0006]
On the other hand, regarding the theoretical evaluation method, the simulation of phenomena after cosmic-ray neutrons are incident on the Si nucleus of the device is divided into the pre-equilibrium process and the evaporation process of the reaction. Non-Patent

Documents

4 and 5 describe a method of evaluating soft errors using a device simulator or the like. In this case, by the treatment of the pre-equilibrium process, the neutrons incident on the Si nucleus repeatedly scatter between the nucleons in the nucleus and the two nuclei, and those with high energy are released outside the nucleus by the Intra-Nuclear Cascade method. In addition, there are cases where it is solved by a quantum molecular dynamics method as a many-body problem, and the evaporation process is calculated by an evaporation model of Weisskopf-Ewing.
[0007]
Non-Patent Document 6 and Patent Document 1 disclose a cross-sectional area of a soft error with respect to each energy of a semiconductor device at a plurality of monochromatic energies, approximating it with a function of energy, and standard approximation of the semiconductor device. It has been reported that when the shape of a curve is determined, the shape hardly depends on the type of semiconductor device.
[0008]
[Non-patent document 1]
J. F. Ziegler, IBM J.A. Res. Developer. , Vol. 40, no. 1, pp19-39
[Non-patent document 2]
S. Huang, IEEE Trans. On Nuclear Science, Vol. 47, No. 6, pp. 2640-2647
[Non-Patent Document 3]
K. Johansson et al. , IEEE Trans. Nuclear Science, Vol. 45, no. 6, pp 2519-2526 (1998)
[Non-patent document 4]
H. H. K. Tang et al. Phys. Rev .. C, Vol. 42, no. 4, pp1598-1622 (1990)
[Non-Patent Document 5]
Y. Tosaka et al. , IEEE. Trans. on Nuclear Science, Vol. 45, no. 7, pp1453-1460 (1998)
[Non-Patent Document 6]
Ibe et al., Applied Physics, Vol. 70, no. 11, pp1308-1312 (2001)
[Patent Document 1]
JP 2001-215255 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
A soft error is a phenomenon in which information stored in a memory cell is inverted. For example, information "1" written in a storage node of a memory cell is such that alpha rays or neutron rays enter a semiconductor device, and as a result, The problem is that charges generated in the semiconductor device are collected by the storage node under the influence of a built-in potential inherently associated with the pn junction, and are rewritten to "0" information.
[0010]
Soft errors are temporary non-destructive phenomena in which information of a semiconductor device is rewritten as described above. However, with the miniaturization and high integration of semiconductor devices, an increase in hard errors accompanying destruction of devices has been concerned.
[0011]
Conventionally, the degree of cosmic ray neutron soft error resistance of a designed semiconductor device has been evaluated by a field test. The field test was conducted using a soft error rate [FIT] (Definition: 10) which indicates the capability of the device. ⁹ This is a method of directly measuring 1 FIT when an error occurs once a time. For example, a numerical value of 1000 FIT is a level that the number of soft errors is 10 times when 1000 devices are operated for one year.
[0012]
The advantage of the field test is that it can directly evaluate the performance of the device and acquire highly reliable data. However, in recent years, the product development period has been shortened, but the field test requires a data test time on the order of years, and the statistical evaluation is difficult unless a large number of devices are used. Therefore, the types of devices that can be evaluated are limited, and the experimental evaluation at the product level is after a considerable number of man-hours, and is inefficient in time.
[0013]
Although the experimental evaluation method is as described above, as described in Non-Patent Document 3, in the soft error resistance test using the accelerator, the cross section of the soft error with respect to the energy of the incident proton is the same as that of the neutron. There are reports that the values are different.
[0014]
In the case of a neutron soft error, as a result of a spallation reaction in the device, a plurality of particles are simultaneously emitted, or a residual nucleus having a large amount of generated charge passes through a relatively long distance, so that an error correction code (ECC: The occurrence of an unrecoverable multi-bit error due to Error Correction Code has also been regarded as a problem. Although it is clear that multi-bit errors will become more severe with the miniaturization and higher integration of semiconductor devices in the future, the evaluation method has not been determined.
[0015]
To cope with these problems, theoretical evaluation is indispensable for understanding the mechanism, extracting important parameters and proposing countermeasures, as well as experimental evaluation.
[0016]
In recent years, in most cases, a semiconductor user requests a semiconductor manufacturer to present a soft error rate of a semiconductor device as a purchase condition. If only the field test method and the accelerator test method described above are used, it is inefficient in terms of technology development in terms of technology development in terms of the overall industrial structure of the world.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
As described above, since the cross-sectional area of the soft error with respect to the energy of the incident proton has a different value from that of the neutron, it is assumed that neutrons are used in the neutron soft error resistance evaluation. However, even if an accelerator test method that irradiates a semiconductor device with a large amount of neutrons in a short time is adopted, all the semiconductor devices can be evaluated by the accelerator test method because the number of available accelerator facilities is limited. Not exclusively.
[0018]
Therefore, as described in Non-Patent Document 6, the result that the shape of the approximate curve of the cross-sectional area of the soft error of the semiconductor device hardly depends on the type of the semiconductor device is used. Even in the case of a second semiconductor device that can obtain only one point in the test, the standard approximate curve described above is translated so as to pass through the one point.
[0019]
This curve can be considered as an energy function of the soft error cross section for the second semiconductor device. By doing so, the soft error rate of the semiconductor device can be obtained by multiplying the cosmic ray neutron spectrum by the energy function of the soft error cross section obtained by the accelerator test and integrating with respect to the energy. Much more efficient than spending time doing field tests.
[0020]
Although it is clear that multi-bit errors will become more severe with the miniaturization and higher integration of semiconductor devices in the future, the evaluation method has not been determined. By observing and recording the physical address of the error bit and the time when the error occurred, information on a multi-bit error can be obtained.
[0021]
According to the simulation, the above problem including the problem of the multi-bit error is solved, and the cosmic ray neutron soft error resistance evaluation can be performed from the product design stage. However, the simulation must be able to faithfully reproduce the experimental data of an actual semiconductor device.
[0022]
Therefore, in order to evaluate the cosmic-ray neutron soft error resistance of a semiconductor device, a neutron beam having an arbitrary energy spectrum reacts with an atomic nucleus in the device, and secondary ions generated as a result are scattered in the device. We have developed a Monte Carlo simulator CORIMS that analyzes in detail the behavior of carriers collected by storage nodes.
[0023]
The present invention uses the simulator CORIMS as a core to improve the accuracy of simulation by extracting experimental data of an actual semiconductor device from a field test and an accelerator test, and to converge so that the experimental data of an actual semiconductor device can be faithfully reproduced. I did it.
[0024]
As a result, accurate cosmic ray neutron-induced soft error resistance evaluation can be performed without performing a field test on any semiconductor device or even at the stage of designing a semiconductor device, and a semiconductor device product is completed. This makes it possible to evaluate the cosmic ray neutron-induced soft error resistance in a time-efficient manner without waiting for the delay.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an outline of a system for evaluating resistance to neutron soft errors. Here, (1) the simulation by the simulator CORIMS is the core, (2) the actual measurement of the soft error rate of the semiconductor device by the field test, and (3) the neutron beams having different energies are irradiated to the semiconductor device by the accelerator test. (4) Measurement of cosmic ray neutron spectrum at a certain point, (5) Measurement of latitude, longitude and altitude at an arbitrary point on the ground, (6) ) Calculation of the soft error rate (hereinafter, referred to as SER) of a semiconductor device based on (3) to (5), which is a system composed of six elemental technologies. is there.
[0026]
This system is named SECIS (Self-Consistent Integrated System for Terrestrial-neutron-induced soft-error). The ultimate goal of SECIS is to enable the simulator CORIMS to evaluate the SER for any region and any semiconductor device even at the semiconductor device design stage.
[0027]
The basic principle of CORIMS, which is the core of the present invention, is described in Patent Literature 1, and the description is omitted here. Hereinafter, each component technology will be described in order.
[0028]
First, the field test will be described. FIG. 2 shows the workflow of the field test with considerations. FIG. 3 shows an example of a data sheet when a field test is performed.
[0029]
The data sheet describes operating parameters such as the voltage and data pattern of the test device, information on the test location, test time, and information on solar activity and geomagnetic anomalies closely related to cosmic ray neutron content. A typical test device is selected, such as the latest device. Field tests can in principle be performed at any point on the earth. However, due to restrictions such as securing the power supply at the installation location and controlling the temperature and humidity, it is almost always carried out in a business establishment. In order to clarify that it is a soft error caused by cosmic-ray neutrons, altitude dependence data is acquired, and a field test site may be specified by a semiconductor user. The inventors have obtained the altitude dependence data of the 0.18 mm process SRAM at the altitudes of 86 m, 755 m and 1988 m. This will be described later.
[0030]
What is important in the field test is to understand the device installation status. The device is installed in a building, and the thickness, material, and the like of the roof of the building are important information. This is because neutron attenuation occurs. This has an energy dependence. For example, if a roof with a thickness of 1 m of concrete is used, it will be shielded, and if a neutron of about 10 MeV passes through the roof, it will be about one digit, and if it is 100 MeV or more, it will be about half. Decay. (See Naoji Nakamura, Radiation Physics and Accelerator Safety Engineering [Second Edition], Jinjinkan (2001))
Even if field tests are performed at high flux or high geomagnetic latitudes, the absolute number of errors can be reduced and experiments can be carried out under reinforced concrete buildings without considering such damping effects. Only data is not obtained. During field tests, it is extremely important to know the location of the device, especially information about neutrons that fall directly on the device.
[0031]
So, in the field test ³ The neutron dose is directly measured by a neutron dose equivalent meter (REM counter) incorporating a He proportional counter. The neutron rem counter NSN 21001 manufactured by Fuji Electric was used this time. This is compared to normal commercial products ³ He pressure is high, that is, at room temperature per unit volume ³ Since the number of He molecules is increased, the sensitivity to neutrons is increased.
[0032]
By using this to measure the dose directly, it is possible to evaluate the neutrons directly falling on the device. However, neutrons whose energy can be measured by the REM counter are neutrons whose energy is 15 MeV or less, so that the neutron spectrum at a certain reference point or A comparison with the time course of the dose is necessary.
[0033]
The flux of cosmic-ray neutrons fluctuates depending on geomagnetic latitude, longitude and altitude on the earth. Geomagnetic latitude / longitude is closely related to geographical latitude / longitude, and can be converted using an IGRF (International Standard Earth Magnetic Field) model. Therefore, by measuring the geographic latitude and longitude, the geomagnetic latitude and longitude of the field test site can be obtained. If a portable GPS is used, measurement at a field test site is easy.
[0034]
This time, Garmin Corporation's eTrex ^＠ Legend Personal Navigator ^TM Was used. As a precaution when using the portable GPS, when there is a shield such as a building at an angle where the artificial satellite used for the GPS can be seen, information cannot be obtained from the satellite and measurement cannot be performed, and the number of satellites used ( (Displayed on the screen) increases the measurement accuracy. When measuring, it is important to increase the number of satellites used as far away from the building as possible.
[0035]
FIG. 4 summarizes calculation results of geomagnetic latitude / longitude and Geomagnetic Rigidity (geomagnetic shielding intensity) based on geographic latitude / longitude and altitude actually measured using the above. As described above, the cosmic ray neutron spectrum (Non-Patent Document 1) calculated by Ziegler can be corrected for changes due to geomagnetic latitude / longitude and altitude and for shielding effects due to buildings.
[0036]
If a device is installed in a certain area and a field test is performed, the SER at that location can be calculated as described above. However, it should be noted that even if a different device is installed in a different area and a field test is performed to determine the SER, the comparison of the soft error resistance between the two cannot be simply performed. Eventually, some corrections as described above must be performed to determine the amount of neutrons, or fluences, to which the device has been directly exposed, and compare to the number of errors for neutron fluence.
[0037]
Next, the accelerator test will be described. The accelerator test workflow is shown in FIG.
In addition, a data sheet shown in FIG. 6 was created to record test conditions and results.
The test device is selected based on the same criteria as in the field test. In consideration of the fact that the SEU curve tends to rise rapidly at the low energy side and almost saturate at the high energy side, the energy of the neutrons to be irradiated is determined so that data in the widest possible energy range can be acquired in principle. I do.
[0038]
This time we used three accelerator facilities. A neutron irradiation test was performed at a neutron energy of 1 to 15 MeV in the experiment at facility A, 30 to 70 MeV at facility B, and 90 to 180 MeV at facility C. In each case, primary charged particles are accelerated to a predetermined energy by an accelerator, reacted with a target, and generate neutrons as secondary particles. Each accelerator facility is described below.
[0039]
FIG. 7 summarizes the energy and reaction of neutrons generated for each accelerator. At the facility A, protons (p +) and deuterons (d +) are accelerated by a dynamitron accelerator, and a nuclear reaction occurs with tritium (T) and deuterium (D) to generate neutrons (n). Neutrons generated by these nuclear reactions are monochromatic as shown in the spectrum of FIG.
[0040]
In the irradiation room of Facility A, there is no shielding such as a collimator, so neutrons are directly irradiated on the control microcomputer mounted on the test board and the computer used for the control, and a soft error occurs in the control system. Become. Therefore, neutron shielding was applied to the control system of the test board with polyethylene and iron blocks.
[0041]
The neutron spectrum of facility A is a monochromatic spectrum, ²³⁵ The absolute number of neutrons and H by Fison Chamber (FC) using the fission reaction of U and neutrons ₂ The H2 proportional counter is used as a monitor for neutron fluence in correspondence with the count value of the proportional counter.
[0042]
In the facility B, protons accelerated to a predetermined energy by a cyclotron (AVF cyclotron) collide with a Li target (thickness: 3 to 15 mm, which changes according to the energy), ⁷ Li (p, n) ⁷ Neutrons are generated by the Be reaction.
[0043]
The neutron spectrum is shown in FIG. En is the neutron energy of the peak portion. The spectrum is composed of a peak portion on the high energy side and a tail portion on the lower energy side. The peak part is ⁷ Li (p, n) ⁷ In the Be reaction, ⁷ Be is a neutron involved in the reactions in the ground state and the first excited state (0.43 MeV), and the tail part is ⁷ A reaction in which Be is in the second excited state or higher; ⁷ Li (p, n ³ He) ⁴ Neutrons involved in decay reactions such as He.
[0044]
Unlike the monochromatic spectrum of facility A, it is called “quasi-monochromatic”. The neutrons at the tail part are also involved in soft errors, so care must be taken when calculating the SEU cross section.
[0045]
A collimator is installed in the irradiation room of the facility B, and can be used as a shield for a control microcomputer mounted on a test board and a computer used for the control. The target room and the irradiation room are the same room, and the distance between the target and the irradiation position of the test board is about 3.5 m. The scattered neutrons increase the background.
[0046]
The neutron spectrum is measured by the time-of-flight method (TOF method), and the flux is monitored by the incident amount (charge amount) of the protons into the beam dump and the organic liquid scintillation counter NE213 during irradiation.
[0047]
The method of generating neutrons at facility C is similar to that at facility B, where protons accelerated by a cyclotron collide with a Li target, ⁷ Li (p, n) ⁷ This is a method utilizing the Be reaction. In the facility C, the target room and the irradiation room are separate rooms. At Facility C, the protons accelerated by the cyclotron are directly observed by Faraday Cup, and the neutron flux is monitored by calculating the amount of neutrons generated from the cross section of the Li (p, n) reaction. ²³⁸ A method of monitoring a neutron flux by a Thin Film Breakdown Counter (TFBC) utilizing a fission reaction between U and neutrons is used in combination.
[0048]
The soft error rate SER [FIT] of the device in the field is obtained by approximating the SEU cross section at each discrete neutron energy En [MeV] of each device obtained by the accelerator test with a continuous function of the energy, and converting it to the cosmic ray of the field. It is obtained by superposition integration with the neutron energy differential flux.
[0049]
(Equation 1)

[0050]
Here, En: incident neutron energy [MeV], Eth: threshold energy of device [MeV], s _SEU (En): SEU cross-sectional area [cm ² ], Ф _V (En): cosmic ray neutron flux [/ cm ² / S]. It is considered that the threshold energy of the device is about 4 MeV for a normal SRAM.
[0051]
The following procedures (1) to (3) are executed, and the soft error rate SER [FIT] can be calculated by using Equation 1.
(1) Calculation of SEU cross section
The SEU cross section at each incident neutron energy En [MeV] of each device is obtained by the accelerator test described above. SEU cross section σ _SEU (En) [cm ² ] Is obtained by the following equation.
[0052]
(Equation 2)

[0053]
Where r: device error rate [/ s], n: number of error events, φ (En): neutron flux [/ cm] ² / S], Φ (En): neutron fluence [/ cm ² ].
[0054]
When a monochromatic spectrum is presented like a neutron at the facility A, the SEU cross-sectional area at that energy can be immediately obtained by simply substituting each value into Equation 2. However, the neutrons used in facilities B and C are quasi-monochromatic, and the neutrons at the tail as well as the neutrons at the peak contribute to soft errors. Therefore, in order to evaluate the contribution of only the corresponding peak neutron energy, the neutron contribution of the tail portion must be corrected.
[0055]
In the facility B, the TOF spectrum is acquired before each irradiation, and the ratio of the peak portion is obtained. In the facility C, the spectrum is systematically analyzed, and the ratio of the neutron in the peak portion to the entire neutron spectrum is calculated for each proton acceleration energy. In each accelerator facility, the flux and fluence of Equation 2 are obtained by multiplying the measured total flux and fluence.
[0056]
Further, the contribution rate of the neutrons to the soft error in the peak portion differs for each device, and can be obtained by the soft error simulator CORIMS. FIG. 10 shows the peak contribution ratio of neutrons generated at each accelerator facility for three types of semiconductor devices.
[0057]
The error rate and the number of error events of Equation 2 are obtained by multiplying the error rate and the number of error events of the observed device by the contribution rate. By performing the above correction, the soft error rate due to the neutrons at the peak portion can be obtained as in the case where the monochromatic spectrum is used. That is, by taking into account the correction coefficient, as in the case of the monochromatic spectrum,
[0058]
[Equation 3]

[0059]
Can be used to calculate the SEU cross-sectional area. This correction method is simpler than the method described in Non-Patent Document 3. Further, since a correction coefficient can be obtained independently for each single energy, it is also possible to evaluate a semiconductor device by a single energy accelerator test.
[0060]
(2) Determination of SEU function
The SEU cross section can be obtained discretely for each neutron energy by the procedure of (1). For example, as shown in Non-Patent Document 6, according to the collected literature values, regardless of the minimum processing size and the memory capacity, there is no difference between the incident nucleon energy and the SEU cross-sectional area for any memory device. Although the values are different, the shape of the approximate curve is almost determined. This approximate curve is called an SEU function. When the number of data points of the SEU cross-sectional area using the accelerator is insufficient, taking advantage of the fact that the shape of the curve is not so different for each device, the SEU curve of another device is translated in the y-axis direction. The curve can be considered as the SEU function of the device.
[0061]
(3) Cosmic ray neutron spectrum
Once the SEU cross section at each neutron energy, and thus the SEU function, has been determined by accelerator testing according to Equation 1, by substituting the cosmic ray neutron flux at any point on the earth, the soft error of the device at that point is determined. The rate SER [FIT] can be determined. Use of devices by adding cosmic-ray neutron spectra by Ziegler (Non-Patent Document 1) and cosmic-ray neutron spectra measured at a certain point to compensate for changes in geomagnetic latitude / longitude, altitude, and shielding effects due to buildings Calculate the soft error rate in the environment.
[0062]
The SEU sectional area was calculated from the accelerator test results of the three types of SRAMs according to the method described above, and is summarized in FIG. Regarding the data of the above three devices, the SEU cross section rapidly rises at a low incident neutron energy and tends to saturate at a high energy region. The data was approximated by a polynomial and used as the SEU function of each device.
[0063]
Only the measured data was extracted, and the function curve is shown in FIG. According to Equation 1, by multiplying the SEU function obtained here and the cosmic ray neutron spectrum and integrating by energy, the soft error rate of each device can be predicted. As described above, for one SARM of a 0.18 μm process, field tests are performed at three locations of altitudes of 86 m, 755 m, and 1988 m, and these can be compared with predicted values.
[0064]
FIG. 13 shows the results of the simulator CORIMS as relative values. According to this method, it was confirmed that the predicted value of the soft error rate of the SRAM was determined with an error within 30% of the actually measured value.
[0065]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to evaluate the cosmic ray neutron-induced soft error resistance at an arbitrary point with respect to an arbitrary semiconductor device or an arbitrary semiconductor device in a design stage. It can be executed efficiently until the establishment of soft error tolerance improvement technology.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an outline of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a workflow of a field test.
FIG. 3 is a diagram showing a data sheet to be filled out in a field test.
FIG. 4 is a table showing the correspondence between geomagnetic latitude / longitude, altitude, and geomagnetic rigidity (geomagnetic shielding intensity) of each point on the earth.
FIG. 5 is a diagram showing a workflow of an accelerator test.
FIG. 6 is a diagram showing a data sheet to be filled in at the time of an accelerator test.
FIG. 7 is a diagram showing correspondence between types of accelerator facilities used in the present embodiment and neutron energy, flux, and nuclear reaction for generating neutrons.
FIG. 8 is a diagram showing a spectrum of neutrons generated in accelerator facility A used in the present embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing spectra of neutrons generated in accelerator facilities B and C used in the present example.
FIG. 10 is a diagram showing the accelerator facilities used in the present embodiment and the soft error occurrence contribution ratio with respect to the peak portion of the generated neutrons.
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the neutron peak energy used in this example and the SEU cross-sectional area of the semiconductor device.
FIG. 12 is a diagram showing an approximate curve for the relationship between the neutron peak energy and the SEU cross-sectional area of the semiconductor device used in this example.
FIG. 13 is a diagram showing a correspondence between a high degree dependency of a soft error rate of a semiconductor device used in the present embodiment and a calculated value using the method of the present invention.

Claims

A first step of determining a soft error rate by installing and operating the semiconductor device in an actual use environment, and irradiating the semiconductor device with a neutron beam having different energies, the semiconductor device corresponding to each energy; A second step of obtaining a cross-sectional area of a soft error; and a step of calculating a soft error rate of the semiconductor device from the structure and operation information of the semiconductor device and a spectrum of cosmic ray neutrons in the actual use environment, and having the different energy. A third step consisting of calculating the cross-sectional area of the soft error of the semiconductor device from the spectrum of the neutron beam, and the soft error rate of the semiconductor device determined in the first step and the third step The calculated soft error rate of the semiconductor device And comparing the cross-sectional area of the soft error of the semiconductor device calculated in the second step with the cross-sectional area of the soft error of the semiconductor device calculated in the third step. The fifth step, the sixth step of confirming the accuracy of the calculation method and the result in the third step by the fourth step and the fifth step, and the sixth step in which the accuracy is confirmed by the sixth step Calculate the soft error rate due to cosmic ray neutrons in the given use environment of the given semiconductor device from the structure and operation information of the given semiconductor device and the spectrum of cosmic ray neutrons in the use environment by the calculation method in the third step A method for evaluating soft error resistance of a semiconductor device due to cosmic ray neutrons, comprising the seventh step of:

A first step of irradiating the semiconductor device with neutron beams having different energies to determine a cross-sectional area of a soft error of the semiconductor device corresponding to each energy; and the semiconductor device obtained in the first step A second step of approximating the cross-sectional area of the soft error with a function curve of neutron energy for one of the semiconductor devices, and approximated the cross-sectional area of the soft error of the semiconductor device obtained in the second step. A third step of obtaining a soft error rate caused by cosmic ray neutrons in any use environment of the semiconductor device from a function curve of neutron energy and a spectrum of cosmic ray neutrons in any use environment. A method for evaluating soft error resistance caused by cosmic-ray neutrons.

In the second step according to claim 2, when it is determined that the number of data of the cross-sectional area of the soft error of the first semiconductor device is less than the function curve, the function curve is a function of a known device. Translating the curve through the first semiconductor device soft error cross-sectional area data so as to be regarded as a function curve of the first semiconductor device soft error cross-section; A method for evaluating cosmic ray neutron-induced soft error resistance of a semiconductor device, comprising a step of obtaining a cosmic ray neutron-induced soft error rate in an arbitrary use environment of the first semiconductor device from a line neutron spectrum.

Accompanying the process of determining the soft error rate by installing and operating the semiconductor device in the actual use environment, simultaneously measuring the dose and latitude, longitude and altitude of cosmic ray neutrons irradiated on the semiconductor device with a neutron dosimeter Taking the correspondence between the cosmic ray neutron spectrum measured at the reference point and the dose measured by the neutron dosimeter and the dose measured at the reference point and the latitude / longitude and altitude and the semiconductor device A cosmic ray neutron-induced soft error resistance evaluation method for a semiconductor device, wherein a spectrum of cosmic ray neutrons in an actual use environment of the semiconductor device is obtained by comparing doses measured in an actual use environment.

The first step according to claim 1, wherein the neutron dosimeter further measures the dose, latitude, longitude, and altitude of the cosmic ray neutrons irradiated to the semiconductor device, and measures the cosmic ray neutrons at a reference point. Take the correspondence between the spectrum of the neutron dosimeter and the dose measured and compare the dose measured at the reference point with the latitude, longitude and altitude and the dose measured in the actual use environment of the semiconductor device. Determining the spectrum of cosmic ray neutrons in the environment in which the semiconductor device is actually used.

6. A method for evaluating cosmic-ray neutron-induced soft error resistance of a semiconductor device according to claim 1, wherein data relating to a single-bit error and a multi-bit error is obtained. Soft error tolerance evaluation method.

A method for designing a semiconductor device, comprising: designing a semiconductor device using the method for evaluating soft error resistance of a semiconductor device due to cosmic ray neutrons according to claim 1.