株式会社ソシオネクストは、高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所、京都大学複合原子力科学研究所、大阪大学大学院情報科学研究科と協力し、大強度陽子加速器施設 (J-PARC) 物質・生命科学実験施設 (MLF) ミュオン科学実験施設 (MUSE) の負および正ミュオンビーム、京都大学 研究用原子炉（KUR）の熱中性子ビーム、大阪大学 核物理研究センター (RCNP) の高エネルギー中性子ビームをそれぞれ半導体デバイスに照射することにより、ミュオンと中性子が引き起こすソフトエラーの特徴が異なることを実験的に初めて明らかにしました。今回、複数の量子ビームを用いることにより、環境放射線に含まれる宇宙線由来のミュオン・中性子の影響を包括的に測定することを実現しました。本成果は、環境放射線によるソフトエラーに対する効果的な評価・対策技術の構築に発展すると考えられます。これにより、将来のスマートシティやMobility as a Service (MaaS)の社会基盤を支える、安心・安全で信頼できる半導体デバイスの創出につながることが期待されます。

本研究成果は、2021年5月21日に「IEEE Transactions on Nuclear Science」のオンライン版に掲載されました。

また、本研究の一部は、「国立研究開発法人科学技術振興機構（JST） 産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム（OPERA）」の助成を受けて実施されました。

スマートシティやMaaSの実現に向け、5GやAI、自動運転などの新しいデジタル技術の社会実装が進められています。これらの技術は、数多くの電子機器によって支えられており、その中では半導体デバイスが常に電子情報を処理しています。この半導体デバイスは、微細化・低電圧化を中心とした技術進歩により、高性能化・低消費電力化が進められてきました。一方で、微細化・低電圧化の結果、半導体デバイス内の電子情報が放射線によって書き換わってしまう現象であるソフトエラーが発生しやすくなり、環境放射線によるソフトエラーの問題が深刻化することが危惧されています。

社会基盤となるデジタル技術を安全・安心なものとするため、それを支える半導体デバイスについて、環境放射線によるソフトエラーを適切に評価し、その影響を理解して対策することが求められています。従来、ソフトエラーを引き起こす環境放射線として、宇宙線由来の中性子が問題視されていました。一方、微細化・低電圧化が進んだ半導体デバイスにおいては、同じく宇宙線由来のミュオンによるソフトエラーが懸念され始めています。このミュオンは、地上に降り注ぐ宇宙線全体の約4分の3を占め、中性子よりも大きな問題になる可能性も指摘されています。しかし、ミュオンが引き起こすソフトエラーについての評価報告例は非常に少ない状況です。特に、中性子が引き起こすソフトエラーとの違いが分かっておらず、ミュオンと中性子の影響の総合的な評価が困難でした。

本研究では、宇宙線由来のミュオン・中性子それぞれが引き起こすソフトエラーの違いを理解するため、ミュオンおよび中性子を半導体デバイスに照射する実験により、比較評価を行いました。宇宙線由来のミュオンには負ミュオン・正ミュオンの2種類、中性子には高エネルギー中性子・熱中性子の2種類が存在します。本実験では、J-PARC MLF MUSEの負および正ミュオンビーム、大阪大学 RCNPの高エネルギー中性子ビーム、京都大学 KURの熱中性子ビームを使用し、環境放射線の影響を包括的に評価することを実現しました。照射実験に用いた半導体デバイスは、20nm CMOSプロセスで製造されたSRAMです。動作させた状態のSRAMに各量子ビームを照射し、各粒子が引き起こすSRAMのソフトエラー (保持データの反転) について、エラー発生確率および複数ビットエラー発生の傾向を解析しました。

SRAMの照射実験による評価の結果、ソフトエラー発生確率・複数ビットエラー発生割合の電源電圧依存性(図1) および複数ビットエラーパターンの特徴について、ミュオンと中性子に明確な違いがあることが明らかになりました。これまで、負ミュオン・正ミュオン・高エネルギー中性子・熱中性子の4粒子間でこのような違いをとらえた実験例はなく、今回の研究成果は世界で初めてのものです。本研究では特に、負ミュオン特有の捕獲反応によって引き起こされる複数ビットエラーが、高エネルギー中性子の核破砕反応、熱中性子の捕獲反応によって引き起こされるものと異なる特徴を持つことが示されました。観測された複数ビットエラー発生およびエラーパターンの傾向から、この特徴差は、それぞれの核反応によって生成される二次イオンの特性が異なることに由来していることが強く示唆されました。

図1. ソフトエラー発生確率 (左) と複数ビットエラー発生割合 (右) の電源電圧依存性。正ミュオンのソフトエラー発生確率は、中性子に比べて電源電圧依存性が急峻であることが分かります。また、負ミュオンの複数ビットエラー発生割合は、高エネルギー中性子と熱中性子の中間程度であることが分かります。なお、負ミュオン・正ミュオンの実験は、ソフトエラー発生確率が最大となるエネルギー条件(ミュオンの照射効果の影響が大きい条件) で実施されました。

本研究成果は、ミュオンを含めた環境放射線に対する効果的なソフトエラー対策技術の開発につながります。例えば、電源電圧依存性に基づいて半導体デバイスの低電圧動作における影響評価を行い、複数ビットエラーの特徴に基づいて対策方法を適切に選択することが可能です。特に、環境中のミュオンと中性子の割合は場所によって異なることが知られており、今回明らかになったミュオンと中性子の影響差は、半導体デバイスの使用場所を考慮した最適なソフトエラー対策設計につながるものです。また、今回の包括的な実験結果は、数値シミュレーションによる評価技術の進歩にもつながります。このような展開により、微細化・低電圧化がさらに進んでいく次世代の半導体デバイスにおいても、ソフトエラーの問題解決に向けた研究開発が推進されます。

スマートシティやMaaSが実現される将来の社会では、生活基盤の信頼性を膨大な数の半導体デバイスに委ねることになるため、環境放射線によるソフトエラーに対する評価・対策がより一層重要になると予想されます。このような社会に向け、本研究のような量子ビームを活用したソフトエラー評価を継続・発展させることにより、安心・安全で信頼できる半導体デバイスの創出が期待されます。