IEDM 2012 - 早大、LSIの動作周波数の限界は電流雑音が決定することを確認

早稲田大学(早大)は、電子がバラバラの粒子であることから生じる本質的な電流雑音により、半導体LSIの高性能化の限界が決まることを、シミュレーションを用いた検討によって明らかにしたと発表した。

同成果は同大理工学術院の渡邉孝信 教授、神岡武文 次席研究員らによるもので、詳細は、米サンフランシスコで12月10～12日(現地時間)に開催される「国際電子デバイス会議(IEEE International　Electron　Device　Meeting:IEDM 2012)」にて発表される。

LSIの性能は、LSIを構成する素子の微細化と高集積化により向上してきたが、1つの素子の寸法が10nm程度まで小さくなると、電流雑音が増加し、高速動作させた場合に動作不良が起こりやすくなることが予想されている。そのため、電流雑音を抑制する技術の研究が各地で進められている。

電流雑音の原因のうち、現在おもに問題となっているのは、ランダム・テレグラフ・ノイズと呼ばれる雑音で、これは、素子を覆う絶縁膜中の欠陥部位に、電子が捕獲、あるいは放出されることによって生じると考えられている。一方、素子の中を流れる電子の個数が変動することで生じる本質的な電流雑音もあるが、これまであまり注目されてこなかった。

研究チームらは今回、ナノメートルかつピコ秒程度の空間的にも時間的にも限定されたモデルを用いた電気伝導のシミュレーションを実施し、ランダム・テレグラフ・ノイズと、電子数の変動による雑音の影響の比較を行った。その結果、周波数が高くなると、電子数の変動による雑音がランダム・テレグラフ・ノイズを必ず上回ることが明らかとなり、このまま微細化と高速化を推し進めていくと、数10GHzから100GHzの動作周波数で逆転することが予測されるという結論を得たという。

ランダム・テレグラフ・ノイズは、欠陥を少なくするなど、LSIの製造方法を改善すれば抑制できる可能性があるが、電子数の変動による雑音は本質的に避けられないため、これがLSIの動作周波数の限界を決定すると考えられ、今後の半導体集積回路技術開発のロードマップに影響を与えるものとなると研究チームではコメントしている。