佐藤, 高史

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Title<高校生のページ>集積回路の長期信頼性向上に向けてAuthor(s)佐藤, 高史CitationCue : 京都大学電気関係教室技術情報誌 (2014), 31: 63-67Issue Date2014-03URL http://dx.doi.org/10.14989/187349RightType Departmental Bulletin PaperTextversionpublisherKyoto University2014.363高校生のページ集積回路の長期信頼性向上に向けて情報学研究科　通信情報システム専攻　集積システム工学講座　情報回路方式分野佐　藤　高　史1．はじめに我々に身の回りには、集積回路を使用している製品が数多く有ります。ディジタルカメラ、携帯電話、パーソナルコンピュータのような情報機器や、テレビ、ビデオ等の家電製品はその代表的なものとして挙げられます。一見して集積回路とは縁がないかのような製品にも、集積回路は多数使われるようになっています。例えば、炊飯器の多くは、ご飯を美味しく炊くためにマイクロコントローラと呼ばれる集積回路を用いて温度や時間の調整等を行なっています。自動車や医療計測機器には極めて多くの半導体が使われていますし、金融や運輸等の社会インフラも計算機なしで構成することはもはや困難となっています。現代の社会システムは、全て集積回路に支えられていると言って過言ではないでしょう。こうした応用の広がりとともに、集積回路の信頼性保証技術の重要性が増してきています。社会において不可欠なものとなったことにより、故障等によって動作を止めることが許されにくくなってきています。旅先でデジカメが突然壊れ、旅行中の写真を撮ることができなくなれば、非常に残念に思うことでしょう。自動車のエアバッグ制御やブレーキ制御に使われている集積回路がいつの間にか壊れていて、いざという時に機能を果たせないことがあれば命にかかわります。他にも、医療機器や社会インフラ等の応用では、高い信頼性を長期間維持することが求められます。集積回路とそれを用いるシステムが長期間故障せずに動作すること、および故障による寿命を予測・検出できる適切な設計を行うことが、様々なところで求められ始めています。2．トランジスタの微細化とその影響2.1　スケーリング1940 年代後半にバーディーン、ブラッテン、ショックレーらがトランジスタを発明し、1958 年に最初の集積回路が作成されて以来、集積回路の製造技術は目ざましく発展してきました。集積回路とは、複数のトランジスタを、ひとつの半導体チップ上に同時に形成し相互に接続して作成した回路のことです。トランジスタの寸法を縮小（スケーリング）すれば、同じ面積のチップにこれまでよりも多くのトランジスタを搭載できるようになります。多数のトランジスタを組み合わせることで、これまでは実現が困難であった複雑な処理をハードウェア回路により作成し、より高機能な製品を実現することができます。また、トランジスタの寸法を縮小することで、トランジスタ１個あたりが消費する電力と遅延時間を小さくする効果も得られます。トランジスタのスケーリングは、まさに良いことずくめです。このため、加工寸法を小さくする努力が今も継続的に続けられてきています。その成果として、例えば今日使っている携帯電話の計算と通信の能力は、かつての大型計算機にも匹敵するようになっています。多様な機能の実現と応用範囲の拡大は、主にトランジスタのスケーリングのおかげと考えることができます。「一つのチップに搭載されるトランジスタ数が、1.5 年から 2年で 2倍になる（加工寸法で 1=√2 倍になる）」という洞察を最初に発表した人の名をとって、集積回路のスケーリングはムーアの法則と呼ばれています。ムーアの法則が見出された頃の最小加工寸法は数マイクロメートル程度だったのですが、No.3164現在では、その 1/100 以下である 14 ナノメートル（0.014 マイクロメートル）程度にまで縮小されています。2.2　スケーリングの影響 : ばらつきスケーリングにより新たな応用が活発に切り開かれている一方で、極限までのスケーリングの副作用もあらわれ始めています。なかでも、しきい値ばらつきは最も重要な課題の一つです。現代の集積回路の代表的な構成部品である金属－酸化物－半導体トランジスタ（MOSトランジスタ）の構造を図 1（a）に示します。トランジスタは、ゲート、ソース、およびドレインの 3端子からなり、ゲート電極に与える電圧により、ソース－ドレイン電極間に流れる電流を入り切りするスイッチ回路として動作します。しきい値電圧を超えるゲート電圧を与えるとゲート電極下のチャネル領域に反転電荷が集められてソース－ドレイン間が導通し、しきい値以下である場合にはソース－ドレイン間は絶縁状態となります。すなわち、ゲート電極の電圧が「しきい値」を超えているか否かで、スイッチのオンとオフが決まります。しきい値は、チャネル領域に存在する不純物の濃度で決定されます。不純物は、トランジスタを作成する過程で電界加速した不純物をシリコン基板に打ち込むことにより形成されますが、これらの数および位置を一つ一つ制御することは出来ません。ここで、スケーリングによりトランジスタが極めて小さくなると、困ったことが起こります。完全に同じ寸法で設計し製造したトランジスタであっても、ゲート下にある不純物の数と位置がランダムであり、またその数が少なくなることによって、トランジスタ毎にしきい値が異なることになります。図 1（b）（c）には、チャネル中の不純物の配置を模式的に示しています。（b）のようにトランジスタ寸法が大きい場合には、不純物の密度はチャネル内で概ね均一であり、結果としてどのトランジスタもほぼ同じしきい値になります。一方、（c）のようにトランジスタの寸法が縮小されると、不純物密度が一定とはみなしにくくなります。ランダムに配置される不純物数およびその配置の相違が、しきい値に大きな影響を与えることになります。結果として、微細なトランジスタほどしきい値のばらつきが大きくなります。チップ内に多数形成されるトランジスタは、たとえ全く同じ寸法で作成し、すぐ隣に配置されていても、しきい値が異なることになります。しきい値のゲートソース不純物絶縁膜(a)ドレインチャネル長 Lチャネル幅W(b)(c)LWL図 1：MOSトランジスタの構造と不純物ばらつきの概念図。(a) MOSトランジスタの構造、(b) トランジスタチャネルの不純物分布の例、(c) 微細化されたトランジスタにおける不純物分布の例（(b) に対して 1/5）。不純物イオンの数と配置が異なるため、特性ばらつきが大きくなる。2014.365高低は、回路の遅延時間の大小と直接関係します。しきい値が著しく高いトランジスタが論理経路上に形成されると遅延時間が大きくなり、結果として目標の遅延時間を満たせない（目標クロック周波数を達成できない）チップが出来上がります。または、複数の回路間の遅延時間の差により、意図した機能を果たせなくなります。最先端のトランジスタを用いる回路設計では、こうしたばらつきによる特性の相違をあらかじめモデル化して、ばらつきがあっても回路が確実に動作するような設計を行う工夫がなされています。2.3　スケーリングの影響 : 経年劣化近年はさらに、ばらつきに加えて、トランジスタの経年劣化の影響が懸念されています。化学的に安定なシリコン基板の上に回路を形成することから、適切な電圧環境下で使用する限りでは、トランジスタは丈夫で信頼性が高いことが知られています。しかし、すべてのものには寿命があり、集積回路も例外ではありません。集積回路における代表的な故障として、絶縁膜経時破壊（TDDB: Time Dependent Dielectric Breakdown）、エレクトロ・マイグレーション（EM: Electro Migration）、バイアス温度依存性（BTI: Bias Temperature Instability）等があります。TDDBは、スケーリングによって極めて薄くなったゲート絶縁膜にかかる 4～ 5MV/cm以上の高いゲート電界により、絶縁膜に電流を運ぶキャリアを捕獲するトラップが形成されることで、ゲート電極からシリコン基板の電流短絡経路が生じる現象です。エレクトロマイグレーションとは、金属配線に流れる電流が配線を構成している原子に衝突し移動させて、配線の空乏化による断線等の故障を引き起こす現象です。BTI は、微細なトランジスタを用いる集積回路の性能と中長期信頼性を決定する主要因になると考えられている重要な現象です。pMOSトランジスタでは、ゲート電極に負電圧を印加することでしきい値電圧が時間とともに上昇し、負電圧を除くとしきい値電圧が回復するNBTI（Negative BTI）現象が広く観測されています。nMOSトランジスタでも、高誘電率絶縁膜や金属ゲート電極等、新材料の導入により正電圧による特性劣化（PBTI: Positive BTI）の影響が顕著となります。BTI のためにトランジスタのしきい値が高くなると、ある時から回路の動作が不可能となります。BTI による回路故障を防止するには、絶縁膜とシリコン基板の境界で起こる物理現象の把握、そのモデル化、およびモデルに基づいた回路レベルの性能変化の見積りとその回路的対策手法が必要となります。特に、BTI は劣化が部分的に回復する場合があることが他の故障要因と異なるの特徴です。劣化の最大の要因である電圧ストレスを取り除くことで、しきい値が回復することが知られています。このため、こうした性質を用いて、回路を長寿命化しようとする研究も数多く行われています。3．トランジスタの経年劣化の測定とそのモデル化しかし、こうしたトランジスタの経年劣化が、どのような機構により起こるのかは実はまだ良くわかっていません。このため世界中の大学と企業で、活発に研究がすすめられています。我々の研究室では、経年劣化が生じる物理的な機構を明らかとし、またこれをモデル化することで、集積回路の性能変化の見積りを可能とし、また、性能劣化の防止対策を可能とするための研究を行なっています。しきい値の変動機構を調べるには、多数のトランジスタについて、しきい値の劣化を生じさせて詳細に観察を行う必要があります。トランジスタに高温・高バイアスを与えて劣化を加速させても、これには長時間を要します。このため、現在、複数のトランジスタに対して条件を揃えた、精度のよい測定は非常に困難となっています。この課題を解決して、劣化の物理現象を解明し特性変化の統計的モデルを作成するために、我々は専用のアレイ回路を考案しました（図 2）。この回路では、複数のトランジスタに並列に劣化または回復のバイアス電圧を加えながら、着目するトランジスタについて素早くしきい値No.3166電圧測定を行うことのできる回路が搭載されています。この工夫により、これまでは加速条件下でも極めて長時間を要していた多数トランジスタの劣化現象の観測を大幅に効率化することが出来ました。例えば、従来の順次測定であれば 83 日間を要する 128 個のトランジスタの劣化測定を、約 15 時間に短縮することが出来ています。これにより、多数のトランジスタのしきい値の初期ばらつきと劣化速度ばらつきを正確に測定することが初めて可能となりました [1]。図 3に我々のアレイ回路を用いて測定したしきい値電圧の時間変動の実例を、10 個のトランジスタについて示しています。はじめに約 5時間 30 分の劣化バイアス電圧を与えた後、回復バイアスを与えています。劣化バイアスの印加期間中は、しきい値が急速に上昇しその後緩やかに劣化が進んでいます。チャネル面積の小さなトランジスタでは、劣化は単調ではなくトランジスタ毎に不規則であり、また劣化量もトランジスタごとに異なっていることが、本観測により明確に観測されました。その後、各トランジスタを回復バイアス条件とすると、やはりまずしきい値電圧の速い回復がまず起こり、その後緩やかなしきい値回復が生じることがわかります。回復バイアス下でのしきい値は離散的な電圧レベルを持っており、電圧間の遷移はランダムに起こっているように見えます。非単調なしきい値劣化の進展と回復バイアス時の階段状の回復から、我々は、トランジスタのソースドレイン間を走行するキャリアがトラップへ捕獲・放出される現象が、NBTI におけるしきい値変動の主要因であると推察しています。しきい値の劣化・回復速度はトランジスタ毎に異なっていますが、チャネル面積の大きなトランジスタではそのばらつきが小さいこともわかります。これは、キャリア一個の捕獲により引き起こされるしきい値変化が、チャネル面積で平均化されたことによると考えられます。また、劣化速度はデバイスごとに異なっているため、トランジスタの製造直後のしきい値のばらつきだけでなく、劣化・回復の速度についてもばらつきを考慮する必要があることが分かります。こうした実験結果に基づいて、トランジスタのしきい値電圧の劣化と回復を表すモデル式を提案しています [2, 3]。トラップによりしきい値電圧の変化が生じるという仮定のもとで計算すると、しきい値変動は時間の対数関数の形で表されることがわかりました。シリコン酸化膜への水素イオンの拡散に基づく従来のモデル式は時間の指数関数で表されていますが、これと比較して実測とよく一致し、また長期間の劣化を予測精度を高めることが出来ています。489.2um332.8umsize3W/L=705/120size0360/60size1360/120X-decoder (4b)size2705/60Y-Dec. (3b)Cntrllogic DUTVDDVRECVSTRYSELYSELXSELXSELSTRS MEASVCCVSSVMsw6 sw2sw3sw2sw1VSTRVRECsw1DUTsw2VMVDDVCCVSSsw0(a) (b) (c) (d)図 2：しきい値電圧経時変動測定のためのアレイ回路。外部プログラムにより、128 個のトランジスタに対して任意タイミングで並列に劣化・回復バイアスを与えられるよう構成している。(a) 測定トランジスタ（DUT）とバイアス電圧切り替えのためのスイッチ、(b)(c) チャネル面積の異なる 4 種類のDUTがアレイ状に配置されている。(d) アレイ回路の顕微鏡写真。2014.3674．おわりに集積回路の応用範囲は、今後ますます広がります。集積回路に期待される信頼性はアプリケーションにより異なりますが、高い信頼性が求められる機会が増えてきていることは間違いありません。コストを考慮しつつ、適切な信頼性を与える設計が必要になっています。トランジスタが誕生して 60 年以上が経ちましたが、原理のわかっていない現象はまだ数多くあります。これらを解明することで、集積回路がより高い性能を達成し、またはより高い信頼性を達成することが可能となります。正確な観測に基づくモデルにより長期信頼性を実現する「頼れる」集積回路設計が、強く期待されています。参考文献[1]  T. Sato, T. Kozaki, T. Uezono, H. Tsutsui, and H. Ochi, “A device array for efficient bias temperature instability measurements,” in Proc. Europian Solid-State Device Conference, September 2011, pp. 143-146.[2]  J. B. Velamala, K. B. Sutaria, T. Sato, and Y. Cao, “Physics matters: statistical aging prediction under trapping/detrapping,” in Proc. ACM/IEEE Design Automation Conference, June 2012, pp.139-144.[3]  J. B. Velamala, K. B. Sutaria, H. Shimizu, H. Awano, T. Sato, G. Wirth, and Y. Cao, “Compact modeling of statistical BTI under trapping/detrapping,” IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 60, No. 11, November 2013, pp. 3645-3654.図 3：BTIarray によるしきい値電圧の時間的変化測定結果の例（10 トランジスタ）。20,000 秒までは劣化バイアス、それ以後は回復バイアスを与えている。上段：チャネル長 L=60nm, チャネル幅W=360nm, 下段：L=120nm, W=705nm

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