電気的遮蔽構造を用いた耐放射線CMOSプラットフォーム（RHDS） の提案と非線形ポアソン解析による遮蔽効果の検証

抄録

廃炉・宇宙等の高放射線環境向けに、CMOS活性領域を固定電位の高濃度不純物層で下方・側方から囲む電気的遮蔽構造（RHDS: Radiation Hardened Device Structure、特願2026-91872）を提案する。本構造はSiN中間層を介したSi/Si貼り合わせ基板上にメサ分離CMOSを形成し、STI・BOX起因の構造性放射線効果（TID誘起Vthシフト、サイドウォールリーク、RINCE、SEL）の排除を狙う。本報告では第一段階の検証として、1次元非線形ポアソン解析により底部高濃度層のデバイ遮蔽効果を定量評価した。SiN界面電荷1×10¹² cm⁻²に対し、底部高濃度層（5×10¹⁸ cm⁻³）を有する構造の表面電位シフトは検出限界以下（<10⁻⁶ mV）である一方、同層を持たない機能Si層300 nmの構造では122.7 mVに達し、層の有無が薄膜域での成立性を決めることを示した。層内の電位擾乱の減衰長は1.87 nmと解析デバイ長（1.83 nm）に一致した。この遮蔽は対称性により側壁方向にも成立し、サイドウォールリーク及びRINCEの抑止に適用できる。島全周に電荷を与えた2次元解析でも、殻内のチャネル擾乱は10⁻⁶ mV未満であった。さらに、廃炉ロボット環境は放射線に加え、高出力機器の電磁ノイズ・サージ、長距離配線に起因する複合ストレス環境であり、支持基板との電気的結合を構造的に低減するRHDSは、従来のRHBD設計を補完する構造的高信頼化技術として位置付けられることを論じる。