NECエレクトロニクスは12月10日、微細トランジスタを用いたLSIで深刻な問題となることが予測されるランダム・テレグラフ・ノイズ(Random Telegraph Noise:RTN)について、その詳しい挙動を分析するための新たな手法を開発したことを明らかにした。12月9日(米国時間)まで開催されていた「国際電子デバイス会議(IEDM 2009:International Electron Devices Meeting)」にて、9日に発表された。

RTNはトラップに1個の電荷が出入りすることでトランジスタの特性が時間とともに不連続に変動する現象であり、将来これがLSIの誤動作を引き起こす可能性が指摘されている。高信頼性LSIの製造には、この現象を理解し、設計手法に反映させる必要があるが、多くの場合、1個のトランジスタに複数のトラップが共存するため、個々のトラップの特性を分離して把握することが難しいという課題があった。

同社が新たに開発した解析手法を用いると、RTNの統計的挙動を表現する特徴量である「トラップ数期待値」と「変動幅期待値」とを決定することが可能となり、これらを用いることで誤動作を起こさない高信頼LSIの設計パラメータの抽出が可能となるという。

具体的な分析手法は、まず複数のトラップによるノイズ信号が重なった複雑な波形からトラップの個数を容易に判別するための時間差プロットを提案し、決定されたトラップ個数の期待値と、測定されるノイズ信号の最大振幅の統計的分布とから、1個のトラップによる特性変動幅の期待値を推定する手法を開発。これらを用いた解析により、観測されるトラップと同様に、観測にひっかからない見えないトラップが信頼性上、重要な影響を及ぼすことを明らかにした。

RTNによって電圧や電流が時間とともに変動するが、もしトラップの数が2以上になると、一般に波形が複雑化してトラップの個数を検出することが困難になります。時間差プロットは、このような波形を2次元の平面上に射影することで、トラップの個数を輝点の集中によって識別できるようにする技術であり、これにより、個々のトランジスタにおいてRTNを引き起こすトラップの個数を知ることができるようになりトラップの個数を多数のトランジスタについて調べることで「個数期待値」を求めることができるようになる。

RTN統計モデルによると、ノイズ波形の最大振幅の統計的分布と「個数期待値」を知れば、「振幅期待値」を逆算することが可能となる。波形の最大振幅は、単にノイズ波形をある程度長い時間にわたって測定するだけで容易に求めることが可能であるため、多数のトランジスタについて最大振幅を測定してその確率分布を決定し、これと「個数期待値」を用いることで「振幅期待値」を決定できるようになる。

これらを組み合わせて微細トランジスタのRTNを詳細に評価した結果、「個数期待値」がトランジスタのゲートにかける電圧によって変化するという現象を発見。これは、電圧を変えるとあたかもトラップが消滅したり生成されたりするように見えるということであり、原因を調査した結果、電荷の出入りの早さ(時定数)が電圧によって変化し、測定の条件との兼ね合いであるトラップが見えたり見えなかったりすることが原因であることを突き止めた。

この結果は、測定にかからない見えないトラップの存在を明確にしており、このような見えないトラップの適切な考慮が、将来の微細トランジスタにおいて高信頼設計を行なうために重要であることが明らかになった。

なお、今回開発した手法を応用すると、RTNの挙動を詳細に分析することが可能となり、得られた情報を高信頼な回路設計の実現のために活用することが可能となるため、同社では今後も高性能かつ高品質な製品を提供し続けるため、同手法も用いつつRTN現象に関する研究・開発を積極的に展開していく予定としている。