セキュリティタグのための物理的複製困難な有機薄膜回路

招待論文

セキュリティタグのための物理的複製困難な有機薄膜回路

栗原

一徳

†a)

_植村

_聖

†

_吉田

_学

†

Organic Physically Unclonable Function for Security Tag

Kazunori KURIBARA

†a)

, Sei UEMURA

†

, and Manabu YOSHIDA

†

あらまし 本研究では，リングオシレータ回路を利用した物理的複製困難なデバイスの，DC バイアス効果の 評価と安定性の改善を行った．安定した回路作製に必要なブラインドビア構造では，アルミ電極とAu 電極の剥 離を抑えるためにCr 密着層を導入することで，ビアの導電性が 3 桁向上し，歩留まりが改善されることがわ かった．このブラインドビア構造を利用したリングオシレータ型の有機物理的複製困難関数回路では，ID 生成の 前に高電圧を印化することでDC バイアスストレスに対する耐性が上がり，ビットエラー率が 2%から 0.1%に 改善できることがわかったためこれを報告する． キーワード 有機エレクトロニクス，セキュリティタグ，物理的複製困難関数，DC バイアスストレス，バラ つき

1.

ま え が き

近年，家電製品や高級ブランド品，またはソフト ウェア等高価に取引される品物の模倣品が問題になっ ている．特許庁の2015年度模倣被害調査報告書によ れば，模倣品による国内企業の総被害額は2014年度で 1,028億円であり，短期的にはやや減少がみられるも のの，依然として対策が必須であることがわかる[1]． 模倣品は，このような直接的な経済損失だけにとどま らず，粗悪な品質によるブランド力の低下や事故や事 件の原因になるなど，安全な社会や安心できる生活を 脅かす危険性も秘めている． 既に企業は，独自のシールやホログラムを製品に付 与することで模倣対策を行っている[2]．しかしなが ら，従来の目に見える情報は可読性が高い反面，権利 者と攻撃者の間の製作精度に本質的に依存しており， 偽造対策としては不十分なところがあった．また，集 積回路に電気的に記録された静的な情報なども，外部 からの攻撃により比較的容易に複製することが可能で ある[3]．そのため，これらを付加された製品は，偽 †_{産業技術総合研究所フレキシブルエレクトロニクス研究センター，} つくば市

Flexible Electronice Research Center, 1–1–1 Higashi, Tsukuba-shi, 305–8656 Japan a) E-mail: [email protected] 造品や海賊版の危険性を常にもつことになる(図1)． そこで近年，人間の指紋のようなバイオメトリックス と同様に，人工物メトリクスと呼ばれるモノそのもの に含まれる複製困難なバラつきを，個体認証に利用す る方法が注目されている[4]．特に電子回路の世界で は，回路自体のバラつきを利用して機能を発現させる 回路の研究がされており，そのような機能をもつシス テムは，物理的複製困難関数(Physically unclonable function: PUF)と呼ばれている[5] (図2)．この技術 は類似性から回路の指紋技術などとも呼ばれることも あるが，指紋との大きな違いとして，個体識別に利用 されるバラつき情報が回路の動作中にしか現れない動 的な情報であることが挙げられる．しかもバラつきで あるため，例えばチップを薄く削りながら動作を確認 するようなプロービング型のセキュリティ攻撃では， バラつき分布の脆質により回路の指紋が破壊されてし まうというセキュリティ上の利点がある．また，外部 から回路構成を盗み見られて同じ構造のものを複製さ れてもバラつきまではコピーできないため，偽造に対 する高い耐性があると考えられている．2015年には 凸版印刷との共同研究により，タニタから海外向けの ポケッタブルスケールにPUFを実装した商品も展開 されており，偽造品対策用セキュリティの研究が進め られている． シリコン分野で研究されてきたPUF技術は，模造

品対策に高い適性があると考えられる．しかし，様々 な新しい製品に対応していくためには，高いセキュリ ティ性だけがあればよいわけではなく，それを載せる ハード側に高い形状任意性も必要になってくると予想 される．フレキシブルエレクトロニクスは，その高い 形状任意性から近年盛んに研究されている分野であ り，黎明期から研究されていた圧力センサ[6]やフレ キシブルディスプレイ[7]だけにとどまらず，最近で は，紙おむつ[8]などの生活雑貨にも幅広く適用でき る可能性を示した報告がある．このフレキシブルエレ クトロニクスでPUF技術を実現することができれば， より広い製品やデバイスに高品質なセキュリティを載 せられるだけでなく，現在提唱されているInternet of Things (IoT)社会のようなシステムで課題となる多 数の機器間の認証にも利用していくことができると考 えられる．しかし，一般にフレキシブルエレクトロニ クスによく利用される有機回路は，有機材料の安定性 に課題が残っている．そのため，バラつきの再現性が 求められるPUFで有機材料を利用した研究は，筆者 の知るところではまだ少ない．先行研究では，有機材 料と印刷技術を用いてPUFを作製した例があるが， この場合も配線材料までであり半導体を用いてはいな 図 1 可視的な対策による模造被害のイメージ 図 2 PUFの個体識別イメージ かった[9]．そこで筆者らは，従来シリコン基板上に形 成されていたPUFを，有機半導体材料を利用してフ レキシブル基板上へ作製し，その安定性の評価をはじ めている[10]．当該研究では，PUFの中でも信号の遅 延を利用したID生成技術を用いたが，信号遅延型の PUFを有機エレクトロニクスで実現した場合，長時間 の駆動ではDCバイアスストレスによる効果がID生 成の安定性に大きく影響することが示唆された．DC バイアスストレスはキャリアトラップによる現象であ り，そのため特性の改善にはトラップの低減が有効で あることを示した．本論文では反対に，電圧印加によ りトラップを事前に埋めることで安定化効果があるの ではないかと考え，以前の研究で加味されなかった電 圧印加履歴の影響をみるために，キャリアトラップが 戻った状態でのPUF特性の評価を行った．また，合 わせてそのような大規模回路を作製するにあたって必 要となる絶縁膜を貫通させたブラインドビアの作製に 関する報告を行い，歩留まりの改善方法も解説する．

2.

実 験 手 法

2. 1 デバイス作製 まず，極薄絶縁膜を利用したフレキシブル基板上の 有機トランジスタの作製方法について述べる．図3に 本研究の有機トランジスタの断面概略図を示す．有機 トランジスタを用いた回路は，蒸着法と溶液プロセス により製作した．初めに，ポリイミドを主体としたフ レキシブル基板上に，アルミニウムをメタルマスクを 通して真空蒸着し，ゲート電極を形成した．次に絶縁 膜を挟んだ層間ビアが必要な個所にAuを蒸着により 成膜した．このビアに関しては，次の章で詳しく述べ ることとする．この基板を300 Wで30 min酸素プラ ズマ処理することにより，表面に薄い酸化アルミニウ ムの層を形成した．この酸化アルミニウムの層は，そ れ自体が比較的高い誘電率(εr = 9)の絶縁膜として 機能するが，続く自己組織化単分子の成膜で化学結合 をする基材となり，自己組織化分子と酸化金属による ハイブリッド絶縁膜を形成する．本研究では，n-オク 図 3 有機デバイスとビアの断面概略図

タデシルホスホン酸（C18-PA）を自己組織化単分子 膜(SAM)の成膜に利用した[11]．C18-PAは2-プロ パノールに溶解し，5 mMの濃度になるように調製を 行った．このC18-PA溶液に前述の酸素プラズマ処理 を行った基板を2時間浸漬することで，酸化膜表面と ホスホン酸基を化学結合させ，およそ2 nmの自己組 織化単分子膜を酸化アルミニウムの表面のみに選択的 に製膜した．続く蒸着では，有機半導体層としてはp 型にジナフトチエノチオフェン(DNTT)を，n型に は塗布型でも利用できるベンゾビスチアジアゾール 誘導体(TU-1)を利用した．それぞれの半導体を，メ タルマスクを用いた真空蒸着により絶縁膜上に30 nm 製膜し，最後に回路配線とソースドレイン電極をAu の蒸着により形成した．このときソースドレイン電極 のチャネル幅Wとチャネル長Lは，p型ではそれぞ れ250 μmと10 μm，n型では1000 μmと10 μmと した． 2. 2 試料と測定手法 ポリイミドフィルムには，宇部興産製の UPILEX-75sを利用した．有機半導体のDNTTは，シグマアル ドリッチ社製，TU-1はフューチャーインク社の製品 である．自己組織化単分子nオクタデシルホスホン酸 はPCI synthesis社のものを利用した．酸素プラズマ 装置はヤマト科学のプラズマクリーナーPDC210を ダイレクトプラズマモードで使用した． 有機回路の特性評価ではKeysight社のプレシジョ ンソース/メジャーユニットB2902Aを使用し，イン バータやリングオシレータ駆動では定電圧電源として Kethley社の2400ソースメータを利用した．周波数の 測定では，電圧測定にはKeysigh社のDSO9104Aと その制御及び値の記録に同社のインターフェースソフ トBenchveuを利用した．各リングオシレータを0.5 秒ごとに一度計測し，一つの駆動電圧について500秒 間で1001点の測定を行った．各駆動電圧で全てのリ ングオシレータを測定後に，回路に残ったトラップ電 荷を放電するため1日デシケータ内で静置したのちに 次の駆動電圧での測定を行った．電圧は2.2 Vの高電 圧側から順次進め1.8 Vまで行った．全ての測定は大 気下で行っている．

3.

実 験 結 果

3. 1 有機回路特性 図4に同様の手順で作製したp型TFTの特性とn 型TFTの特性を示す．On/Off比は，どちらも103 図 4 有機 TFT の伝達曲線 図 5 有機インバータの反転特性 以上の十分な値が得られた．この二つを組み合わせた CMOS型の有機インバータ特性が図5である．これ は，リングオシレータ回路の読み出し段にあたるイン バータの特性であり，2 V駆動で最大反転利得43が得 られている．また，この有機インバータ回路は0.5 V の低電圧でも反転動作を行うことを確認した． 3. 2 フレキシブル基板上のブラインドビア形成 次に，回路形成に重要なブラインドビアの形成に関 して述べる．SAMを利用した絶縁膜にブラインドビ アを作製するには二つの方法が考えられる．一つは， SAM成膜後に不要な部分の膜を除去する方法であり， もう一つは本研究で利用したような，先にSAMに対 して不活性な層をパターニングすることでSAM自体 の形成を部分的に阻害する方法である．前者に関して は，Halikらのグループが本研究と同様のホスホン酸 系のSAMを酸素プラズマ処理によって除去する方法 を考案し，単層半導体によるTFT動作の作製に成功 している[12]．リンと酸素との結合解離エネルギーは およそ3.9 eVであり，炭素–炭素間の結合3.6 eVより

図 6 プラズマ処理による SAM 膜の除去 もやや強い程度である．酸素プラズマのエネルギーは， 酸素の第一イオン化エネルギーからおよそ13.6 eV程 度と見積もられる．そのため酸素プラズマで炭素の除 去が可能であれば，リン原子の層の除去も可能である と考えられる．そこで筆者らも同様の方法で，Al電極 上に製膜したSAM層上部にAu電極を載せたMIM 構造を作製し，プラズマ処理によるSAM層の部分的 な除去効果を電極間の伝導性に関して比較した．こ のとき面積は100 × 700 μm2とした．結果としてプ ラズマ処理を行わず完全にSAMがある場合と，プラ ズマ処理によりアルキルを除去した場合で比較して も，ほとんど電極間の伝導性は向上せず，電流を流す ビアとしては機能しないことがわかった（図6）．抵 抗値をおよそ10 GΩとすると面積当たりの抵抗値は 70 kΩ · cm2 程度であることがわかった．導電性が向 上しない原因としては，ホスホン酸基のリン原子が残 留している可能性があることが考えられた．Halikら の研究ではSAMの置換が目的であり，ホスホン酸部 分が原子1層程度残留しても大きな問題はなくプラズ マ処理が有効であったが，導電性が必要となるブライ ンドビア構造の作製には，プラズマ処理は適していな いことがわかった．一方，ブラインドビアを作製する もう一つの方法に関しては，シリコン基板上では既に Hagenらのグループによって報告されているAu薄 膜による電極表面の不活化法が確立された技術として あったが[11]，フレキシブル基板上では図7 (a)のよ うにAu膜がプラズマ処理の後に部分剥離を起こした． 図7 (b)ではビア評価用にビア構造を11連で直列に 接続した素子のビア一つあたりの電圧と電流量を示し ている．抵抗値はおよそ150 kΩ程度であり，単位面 図 7 ブラインドビアの Au 薄膜剥離と導電性 図 8 Au膜厚とブラインドビア抵抗 積あたりの抵抗は34 Ω · cm2程度となってしまった． そのため，インバータ特性の低下や歩留まりが低下す るという現象がみられた．Au薄膜にシワが発生して いることから，なんらかの原因でAu薄膜が延展され たことが考えられた．その原因として二つのパターン が考えられた．一つは，Al/Au界面に何らかの分子 が混入し，プラズマ処理工程でガス化するというもの であり，もう一つは，Au薄膜の膨張による基板との 不整合による剥離である．ガス化による剥離であれ ば，Au薄膜を薄くし，クラックやピンホールを意図 的に導入することで低減ができると考えられる．以前， DarbyらはAu薄膜の蒸着レートや膜厚によってその 薄膜成長が変わることを報告している[13]．蒸着レー トを大きくし膜厚を薄くすれば，多くのグレイン境界 が形成できるため薄膜のデガスが容易になると考えら れる．そこで我々も膜厚を1 nm∼100 nmまで変化さ せてビアの電気伝導度を評価した．その結果が図8で あるが，薄膜側での導電性の改善はできなかった．そ

図 9 Cr密着層の効果とビアの IV 特性 のためビアの剥離は，ガス膨張が原因でないことが示 唆された．また，予想とは反対に膜厚の増加によって ブラインドビア抵抗が改善しおよそ3桁減少すること がわかった．ただし，膜厚増加による抵抗値改善の方 法では，膜厚が200 nm程度ないと本研究の回路駆動 として最低限必要な150 × 150 μm2のビア一つあた り10 kΩ (= 2.3 Ω · cm2)程度の抵抗に達しないこと が単純な外挿から予想された．ビアのような少ない面 積を蒸着でつくる場合，無駄が多くなってしまう．そ こで，もう一つの薄膜膨張による不整合の解決を検討 した．薄膜が膨張する原因の一つにプラズマ処理器内 での熱膨張の可能性が考えられた．試しに120◦Cの オーブンで加熱したところ，同様にAu薄膜が剥離す る現象がみられた．素子全体としての伸縮は，厚み比 率で大きな基板が担っていると考えられる．シリコン 基板では主要な層が応力を感じることになるが，一方 で，ポリイミド基板の場合は，酸化アルミニウム層と の齟齬が大きいためにクラックが生じる恐れがある． このときのクラックに上部のAu電極がうまく濡れる ことができない場合，冷却時にシワが発生すると考え られる．また，溶液への浸漬で溶媒の一部が浸透する ことで，後のプロセスで一気に気化し剥離を進行させ ることも考えられる．そこで，同様に線熱膨張係数が 小さく，金属と有機材料の密着層として利用されるCr をアルミニウムとAuの間に20 nm程度導入したとこ ろ，30分間の酸素プラズマ処理後でもこの剥離現象が 劇的に抑えられることがわかった．そのときの条件出 し用の試料片の状態と，図7 (b)と同様の素子のIV特 性を図9に示す．Cr密着層により綺麗なオーミック 接触が取れ，このときの抵抗はおよそ200 Ωとなり， 150 kΩからおよそ3桁改善することができた．これ は，Crの働きにより密着性が改善できたためだと考 えられる．このブラインドビア構造を用いてリングオ シレータの回路形成を行った． 図 10 デバイス写真及びリングオシレータの発振波形と 周波数バラつき 図 11 ID生成システムの概略図 [14] フレキシブル基板上のリングオシレータの写真と特 性を図10に示す．平均周波数500 Hzの発振が2 V駆 動で得られており，その標準偏差は35%程度であった． 歩留まりは75%であった． 3. 3 有機PUF特性とDCバイアス効果 まず，リングオシレータ型PUFのID生成システ ム概念図を図11に示す．マトリックス状に作製され たリングオシレータ回路は各チップから二つが選択さ れ，カウンター部分で周波数を計測し比較器部分で値 の大小を決定し“0”または“1”のIDビットを生成す る[14]．本研究では，カウンター部分をオシロスコー プ，比較器部分はPCでの解析で対応し，1チップ上 のリングオシレータ数は7とした． 次に，14個のリングオシレータ回路を500秒間駆動 したときの，それぞれのDCバイアスストレス効果に よる周波数の変化を図12に示す．同電圧で比較する と，時間方向にトレースしたときに各リングオシレー

図 12 発振周波数の時間発展 図 13 発振周波数の電圧依存性 タ周波数の上下が変わる点が交点として現れる．これ は，ID生成の際にビット反転として影響し，ビットエ ラーの原因となる．リングオシレータを七つで一組と して全ての組み合わせで互いの発振周波数の大小関係 を比較することで，21ビット(= 7C2ビット)のID が生成できる．このIDの測定回に対するエラーの割 合をビットエラー率（BER）と定義する．この計算は 1001個分の生成IDの平均の二値化，つまり，多数決 によって理想的なIDを計算し，その理想的なIDと 各時刻のIDの差を各ビットで排他的論理和（XOR） を計算することで得られる[10]．各測定間を連続して 行った場合と，十分な放電時間を設けて測定した場合 の平均周波数の駆動電圧依存性を図13に示す．図13 では，駆動電圧Vと発振周波数fの関係を示す式(1) から得られた理論値も共に図示した． f = 1 2n· μ 2πL(L + Wc) |V − Vth| (1) ここで，チャネル長L = 10 μm，電極オーバーラップ Wc= 20 μm，段数n = 3とし，移動度μは放電なし が0.06 cm2/Vs，放電有りが0.042 cm2/Vs，しきい 値Vthはともに0.9 Vとした．放電を行わなかったも のはDCバイアスストレス効果により理論直線の傾き 図 14 放電の有無によるエラー率の変化 から大きく外れていくのに対し，十分に放電を行った ものは2.2 Vではズレがあるものの傾きがほぼ理論曲 線に一致することがわかった． 連続的に測定した場合と放電を行った場合の，ビッ トエラー率を図14に示す．2 V以下では放電したRO のビットエラー率はほぼ0.02程度で一定値に落ち着 くことがわかった．佐藤らの研究グループの報告では， 有機デバイスは駆動の際にトラップしたチャージが無 機よりも抜けづらく，単純な電源操作による短時間で のリセット動作が難しいことがわかっている[15]．本 研究での放電の有無による影響も，放電を行わなかっ た連続測定の際は，直前の測定による電圧印加により デバイス内のトラップ準位が埋まっているために，よ り安定して動作し，エラー率が本質的なエラーと考え られる2%から1/20の0.1%になったのだと考えられ る．2.2 Vでは，放電を行った測定も放電なしの測定 のどちらも直前の電圧印加がなかったため電圧履歴条 件が一致し，結果としてほぼ同じエラー率になってい ると考えられ整合性がある．このことから，本研究の ような有機PUF回路でDCバイアス効果を抑えるた めには，一度高電圧で駆動させることでトラップを埋 め動作を安定化させることが効果的であるということ がわかった．

4.

む す び

本研究では，フレキシブル基板上の有機リングオシ レータを用いたPUFの安定性を評価・改善に取り組 んだ．フレキシブル基板では低温プロセスが重要であ り，ブラインドビア形成での電極剥離を抑制し，歩留 まりを向上させるためにはCr密着層を導入すること で導電率がおよそ3桁向上することがわかった．DC バイアスストレス効果の評価では，電圧印加履歴の有 無の比較から，測定前に高電圧を印加しておくことで デバイス内のトラップ準位を埋めてID生成の安定性 を20倍向上することが可能であることが示唆された． 以上のことから，フレキシブルエレクトロニクスのセ

キュリティ回路への応用は十分可能性があると考えら れる． 謝辞 この成果の一部は，国立研究開発法人新エネ ルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託業務 の結果得られたものです． 文 献 [1] “2015年度模倣被害調査報告書，”特許庁，2016. [2] 山内 豪，植田健治，“ホログラムによる偽造防止技術 の高度化 (セキュリティーホログラム)，” レーザー研究 35.Supplement, pp.214–215, 2007.

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