Socionext Inc.與高能加速器研究組織材料結(jié)構(gòu)科學(xué)研究所、京都大學(xué)綜合輻射與核科學(xué)研究所、大阪大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)研究生院經(jīng)共同研究，首次成功證明介子和中子引起的半導(dǎo)體器件的軟誤差具有不同的特性。該研究小組對(duì)日本質(zhì)子加速器研究中心 (J-PARC)材料和生命科學(xué)設(shè)施 (MLF) 的μ 子科學(xué)設(shè)施 (MUSE)、京都大學(xué)研究中心(KUR)的熱中子束和大阪大學(xué)核物理研究中心 (RCNP) 的高能中子束進(jìn)行了負(fù)μ子束和正μ子束照射半導(dǎo)體器件的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。課題組通過(guò)使用多種類(lèi)型的量子束，實(shí)現(xiàn)了對(duì)宇宙射線μ子和中子對(duì)環(huán)境輻射影響的綜合測(cè)量。結(jié)果令人鼓舞，有望推動(dòng)對(duì)于環(huán)境輻射引起的軟錯(cuò)誤的有效評(píng)估方法和對(duì)策發(fā)展。預(yù)計(jì)該成果還將引領(lǐng)創(chuàng)建高度可靠的半導(dǎo)體設(shè)備，以支持未來(lái)的基礎(chǔ)設(shè)施。

此項(xiàng)研究工作成果已于2021年5月21日在線發(fā)表在IEEE Transactions on Nuclear Science。

此項(xiàng)研究的部分工作得到了日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)的“企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)界的開(kāi)放創(chuàng)新平臺(tái)計(jì)劃(OPERA)”的支持。

背景

隨著半導(dǎo)體器件日漸高度集成并且其工作電壓日趨降低，當(dāng)電子信息被輻射意外改變時(shí)就會(huì)發(fā)生這種情況：更容易出現(xiàn)軟錯(cuò)誤。所以人們會(huì)擔(dān)心環(huán)境輻射引起的軟錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的問(wèn)題。

過(guò)去，環(huán)境輻射中的宇宙射線中子被認(rèn)為是引起軟誤差問(wèn)題的主要來(lái)源。另一方面，對(duì)于高度集成且使用較低電壓的先進(jìn)半導(dǎo)體器件，由同樣源自宇宙射線的 μ 子引起的軟錯(cuò)誤已成為一個(gè)問(wèn)題。在落入地球的宇宙射線中，介子約占所有粒子的四分之三，有人指出它們可能造成比中子更大的問(wèn)題。但是，關(guān)于μ介子引起的軟誤差的報(bào)道很少，中子引起的軟誤差和μ介子引起的軟誤差之間的區(qū)別尚不明確。

結(jié)果

在這項(xiàng)研究中，為了了解宇宙射線μ子和中子引起的軟誤差的差異，研究小組通過(guò)用μ子和中子照射半導(dǎo)體器件進(jìn)行了對(duì)比評(píng)估。本實(shí)驗(yàn)中使用了采用 20 納米 CMOS 工藝技術(shù)制造的 SRAM 電路。每束量子束照射SRAM，分析每一個(gè)粒子的軟錯(cuò)誤發(fā)生率和趨勢(shì)。

發(fā)現(xiàn)μ子和中子在錯(cuò)誤率的電源電壓依賴(lài)性、多位錯(cuò)誤的比率以及多位錯(cuò)誤模式的特征方面存在明顯差異。該結(jié)果為全球首次發(fā)現(xiàn)。

圖：軟錯(cuò)誤率(左)和多位錯(cuò)誤率(右)的電源電壓依賴(lài)性

未來(lái)

研究成果將促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以有效解決包括μ介子在內(nèi)的環(huán)境輻射引起的問(wèn)題。研究中發(fā)現(xiàn)的介子和中子之間效應(yīng)的差異將有助于建立防止軟錯(cuò)誤的最佳設(shè)計(jì)方法。本研究的結(jié)果也有望通過(guò)數(shù)值模擬促進(jìn)評(píng)估方法的發(fā)展。

未來(lái)，基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性將取決于大量的半導(dǎo)體器件，預(yù)計(jì)對(duì)環(huán)境輻射引起的軟錯(cuò)誤的評(píng)估和對(duì)策將變得愈加重要。正如本研究中所做的那樣，使用量子束進(jìn)行軟錯(cuò)誤評(píng)估的開(kāi)發(fā)有望引領(lǐng)創(chuàng)建更安全、更可靠的半導(dǎo)體設(shè)備。