半 導 体 集 積 回 路 の 消 費 電 力 は 集 積 度 の 向 上 に と も な い ま す ま す 増 大 す る 傾 向 に あ る 。 将 来 の 高 速 で 大 型 の コ ン ビ ュ ー タ の 基 本 素 子 は 今 以 上 に 高 密 度 化 、 高 集 積 化 が 要 求 さ れ て 行 く だ ろ う 。 こ の 要 求 に 答 え 、 デ バ イ ス サ イ ド か ら コ ン ピ ュ ー タ の 発 展 に 寄 与 す る た め に は 現 在 の コ ン ビ ュ ー タ の 構 成 素 子 よ り も 桁 違 い に 消 費 電 力 の 小 さ な デ バ イ ス が 必 要 と さ れ て い る 。 ジ ョ セ フ ソ ン 接 合 を 用 い た ジ ョ セ フ ソ ン デ バ イ ス は 半 導 体 素 子 に 比 べ 2‑‑‑3桁 小 さ な 消 費 電 力 特 性 を 有 し 、 あ わ せ て ピ コ 秒 台 の 高 速 ス イ ッ チ ン グ 性 能 を 持 つ た め 、 将 来 の コ ン ピ ュ ー タ の 構 成 要 素 と な り 得 る ひ と つ の 候 補 と し て 研 究 が 進 め ら れ て き た 。 本 論 文 は 、 ジ ョ セ フ ソ ン 接 合 を 用 い た 超 高 速 大 型 計 算 機 を 実 現 す る 上 で 最 も 重 要 な 構 成 要 素 の ひ と つ と さ れ て い る 高 速 記 憶 回 路 に 関 す る も の で 、 特 に そ の 基 本 素 子 で あ る 高 速 記 憶 回 路 用 記 憶 セ ル に 関 す る 研 究 成 果 を ま と め た も の で あ る 。 コ ン ピ ュ ー タ 内 部 に お い て 記 憶 回 路 は 論 理 回 路 に 比 べ 非 常 に 多 く の 数 を 必 要 と し 、 1チッ プ あ た り よ り 高 い 集 積 度 を 要 求 さ れ る 。 さ ら に 超 伝 導 リ ン グ に 流 れ る 永 久 電 流 を 記 憶 媒 体 と す る 超 伝 導 記 憶 セ ル は 、 超 伝 導 リ ン グ の イ ン ダ ク タ ン ス の 高 い 制 御 性 が 要 求 さ れ る 。 こ れ ら の 理 由 か ら ジ ョ セ フ ソ ン 記 憶 回 路 の 実 現 に は 論 理 回 路 以 上 の 困 難 が 伴 っ て い た 。 し か し な が ら 半 導 体 デ バ イ ス の 進 展 を 見 て も 記 憶 回 路 は そ の デ バ イ ス 技 術 の マ イ ル ス ト ー ン 的 な 役 割 を 果 た し て お り 、 記 憶 回 路 の 実 現 が 超 伝 導 集 積 回 路 の キ ー ポ イ ン ト と も 言 わ れ て き た 。 本 研 究 は 高 速 記 憶 回 路 の 構 成 要 素 の 基 本 と な る 記 憶 セ ル に つ い て 従 来 の 記 憶 セ ル の 問 題 点 を 解 決 し た 量 子 磁 束 転 移 型 記 憶 セ ル に つ い て 検 討 し た も の で あ る 。 本 研 究 に お い て 得 ら れ た 結 論 を 以 下 に 示 す 。
( 1 ) 超 伝 導 高 速 記 憶 回 路 の た め の 新 し い 記 憶 セ ル を 提 案 し た 。 本 記 憶 セ ル は 量 子 磁 束 転 移 型 記 憶 セ ル と 称 し 、 2つ の 超 伝 導 ル ー プ か ら 成 る 。 そ れ ぞ れ の 超 伝 導 ル ー プ は 書 き 込 み の 時 に 量 子 磁 東 転 移 す る 記 憶 ル ー プ と 読 み 出 し の 時 に
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子 磁 束 転 移 す る 記 憶 ル ー プ と し て 働 き 、 い ず れ も 1個 の ジ ョ セ フ ソ ン 接 合 と 超 伝 導 イ ン ダ ク タ ン ス か ら 構 成 さ れ る 。 本 記 憶 セ ル は 量 子 磁 束 転 移 現 象 を 書 き 込 み 、 読 み 出 し い ず れ の 動 作 に も 利 用 し た 世 界 初 の 記 憶 セ ル で あ る 。 本 記 憶 セ ル の 特 長 を ま と め る と 次 の よ う で あ る 。
・ 1量 子 磁 東 を 記 憶 媒 体 と す る た め 高 速 の 記 憶 動 作 に 適 し て い る 。
‑ 入 力 信 号 の 印 加 に 際 し 、 い か な る タ イ ミ ン グ シ ー ケ ン ス も 必 要 と し な い0
・ 入 力 信 号 の 動 作 マ ー ジ ン は 書 き 込 み 、 読 み 出 し そ れ ぞ れ 土 3 3 %を有す。
‑ 読 み 出 し ゲ ー ト は 磁 気 的 に 結 合 し た 超 伝 導 ル ー プ の 量 子 磁 東 転 移 を セ ン ス す る 。 そ の た め 、 入 力 信 号 の セ ン ス グ ー ト に 対 す る 影 響 は 小 さ く 、 : t3 8 %とい
う 広 い 動 作 マ ー ジ ン を 実 現 す る こ と が で き る 。
‑ 非 破 壊 読 み 出 し を 実 現 で き る 。
・ ダ ン ピ ン グ 抵 抗 に よ り 安 定 な 記 憶 動 作 を 保 証 す る こ と が で き る 。 ま た ダ ン ピ ン グ 抵 抗 値 は 4 Q以 下 に 設 定 す れ ば よ く 、 そ の 実 現 は 容 易 で あ る 。
・ 熱 雑 音 に よ る 動 作 マ ー ジ ン の 低 下 は 小 さ く 、 1 Mビ ッ ト 規 模 の 記 憶 回 路 を 想 定 し た と き に も 土 3 0 %の 動 作 マ ー ジ ン を 有 す る 。
以 上 の よ う に 、 本 記 憶 セ ル は 高 速 記 憶 回 路 の 構 成 要 素 と し て 極 め て 有 望 で あ る と 考 え ら れ る 。 計 算 機 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り そ の 動 特 性 に つ い て も 確 認 さ れ た。
( 2 ) 量 子 磁 束 転 移 型 記 憶 セ ル の 試 作 プ ロ セ ス に つ い て 考 察 し た 。 超 伝 導 デ バ イ ス は 集 積 回 路 と し て の 研 究 が 始 ま っ た 当 初 の 鉛 合 金 を 用 い た プ ロ セ ス か ら 高 融 点 金 属 で あ る N bを 用 い た プ ロ セ ス へ と 変 遷 の 後 、 大 き な 進 歩 を 遂 げ た 。 子 磁 束 転 移 型 記 憶 セ ル の 実 現 に 際 し で も N bを 超 伝 導 材 料 と し て 用 い た 試 作 プ
ロ セ ス を 採 用 す る こ と に よ り 、 信 頼 性 の 高 い 試 作 プ ロ セ ス 技 術 を 確 立 し た 。 試 作 プ ロ セ ス に お け る 結 論 と し て 次 の こ と を あ げ る こ と が で き る 。
‑ 層 間 絶 縁 膜 の 信 頼 性 を 高 め る た め 平 坦 化 技 術 を 導 入 し た 。 平 坦 化 技 術 に よ り 、 従 来 、 配 線 被 覆 部 分 で 多 発 し て い た ク ラ ッ ク な ど の 信 頼 性 低 下 の 要 因 を 減 少 さ せ る こ と が で き 、 薄 い 絶 縁 膜 で も 高 い 信 頼 性 を 得 た 。
‑ 層 間 絶 縁 膜 と し て は Si 0から Si 0 2へ と 改 善 を 加 え た 。 Si 0 2はR Fス バ ッ タ 法 で 成 膜 し 、 配 線 開 の 電 気 的 接 触 の た め の コ ン タ ク ト ホ ー ル は や は り C
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ガ ス を 用 い た 反 応 性 イ オ ン エ ッ チ ン グ に よ る 。・ 記 憶 セ ル は イ ン ダ ク タ ン ス の 値 を 正 確 に 制 御 す る こ と が 、 ジ ョ セ フ ソ ン 接 合 の 臨 界 電 流 値 を 制 御 す る こ と と 並 ん で 非 常 に 重 要 で あ る 。 イ ン ダ ク タ ン ス 値 は 配 線 の 線 幡 、 層 間 絶 縁 膜 の 厚 さ す な わ ち グ ラ ン ド プ レ ー ン か ら の 距 離 で 決 定 さ れ る 。 グ ラ ン ド プ レ ー ン か ら の 距 離 の 正 確 な 制 御 の た め に は 前 述 の 平 坦 化 技 術 が 不 可 欠 で あ る 。 こ こ で は 絶 縁 膜 の 膜 厚 の 制 御 性 に 優 れ た リ フ ト オ フ 法 を 採 用 し 、 平 坦 化 を 行 っ た 。 リ フ ト オ フ 法 に は リ フ ト オ フ し た 後 の 形 状 に 溝 が 生 じ た り バ リ が 残 っ た り す る 問 題 点 が あ っ た が 、 新 リ フ ト オ フ 法 の 導 入 に よ り 優 れ た 表 面 平 滑 性 を 有 す る 平 坦 化 技 術 を 確 立 し た 。
‑ 記 憶 セ ル を 実 際 に レ イ ア ウ ト 設 計 す る と 等 価 回 路 に は 現 れ な い 余 分 な 配 線 イ ン ダ ク タ ン ス が 存 在 す る 。 こ の よ う な イ ン ダ ク タ ン ス は 動 作 マ ー ジ ン の 低 下 を 招 く ば か り か 、 記 憶 回 路 全 体 の 高 速 化 を 妨 げ る こ と に も な る 。 と の 余 分 な イ ン ダ ク タ ン ス を で き る 限 り 小 さ く す る た め に 低 イ ン ダ ク タ ン ス 配 線 層 を 導 入 し た0
. N b / A Q O x / N bジ ョ セ フ ソ ン 接 合 を 用 い た N b系 プ ロ セ ス を 用 い て 子 磁 束 転 移 型 記 憶 セ ル の 試 作 を 行 っ た 。 記 憶 セ ル の 層 構 成 は ジ ョ セ フ ソ ン 接 合 の 上 下 電 極 で あ る 、 ペ ー ス 電 極 と カ ウ ン タ 電 極 及 び に ベ ー ス 電 極 の 下 部 に 設 け た ワ イ ヤ リ ン グ 層 の 3層 構 造 で 、 層 間 絶 縁 膜 に は S i 0 2、 抵 抗 体 に はM oを用 い た 。 配 線 及 び 接 合 の 加 工 に は 主 に
CF
4ガ ス を 用 い た 反 応 性 イ オ ン エ ッ チ ン グ 技 術 が 用 い ら れ た 。 試 作 し た 記 憶 セ ル は 4 3 μ m X 4 3 μ mサ イ ズ で 、 最 小 パタ ー ン サ イ ズ は 1. 5 μ m、 最 小 接 合 寸 法 は 3 μ m X 3 μ mである。
(3) N b系 の 試 作 プ ロ セ ス に よ り 作 成 さ れ た 量 子 磁 束 転 移 型 記 憶 セ ル の 測 定 結 果 と そ の 検 討 を 行 っ た 。 そ の 結 論 を ま と め る と 次 の よ う で あ る 。
子 磁 束 転 移 型 記 憶 セ ル に 限 ら ず 、 ジ ョ セ フ ソ ン デ バ イ ス は 磁 場 や 雑 音 に 敏 感 で あ る た め に 測 定 装 置 に 注 意 を 払 う こ と が 必 要 で あ る 。 測 定 チ ッ プ は 液 体 ヘ リウムに浸し、 4. 2 Kの 環 境 で 測 定 す る 。 液 体 ヘ リ ウ ム デ ュ ワ ー は 3重 の 磁 気 遮 へ い を 施 し 、 チ ッ プ ホ ル ダ に も 非 磁 性 の 材 料 を 用 い て 極 力 地 球 磁 場 を 低 減 さ せ る 。 チ ッ プ ホ ル ダ 上 に は プ リ ン ト 基 板 上 に 作 成 し た 5 0 0の ス ト リ ッ プ ラ イ ン を 配 置 し 、 チ ッ プ は そ の ス ト リ ッ プ ラ イ ン と フ ェ イ ス ダ ウ ン 状 に 接 触 さ せ る 。 こ の 方 式 で は 接 触 点 で の イ ン ピ ー ダ ン ス 不 整 合 も 小 さ く 、 接 触 抵 抗 も 小 さ
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く で き る こ と を 確 認 し た 。
‑ 量 子 磁 束 転 移 型 記 憶 セ ル を 測 定 し た 結 果 、 デ ー タ 1" 書 き 込 み 、 デ ー タ 0"書 き 込 み 、 デ ー タ の 読 み 出 し の 時 、 そ れ ぞ れ : t3 3 %、 土 2 4 %、:t2 1
% の 動 作 マ ー ジ ン を 得 た 。 ま た 、 セ ン ス ゲ ー ト の 動 作 マ ー ジ ン は : t3 3 %で あ っ た 。 動 作 マ ー ジ ン が 設 計 値 よ り や や 小 さ く な っ て い る 原 因 は 、 接 合 お よ び イ ン ダ ク タ ン ス の 偏 差 に よ る も の と 考 え ら れ る 。
‑ 記 憶 セ ル の 超 伝 導 ル ー プ に は 設 計 上 、 計 算 す る こ と が 困 難 な イ ン ダ ク タ ン ス 、 例 え ば コ ン タ ク ト ホ ー ル の 部 分 や 配 線 の 曲 が り の 部 分 な ど 、 が 含 ま れ る 。 そ れ ら の 評 価 用 の T E G回 路 を 用 い て 部 分 的 に イ ン ダ ク タ ン ス を 評 価 し た 。 そ の 結 果 、 イ ン ダ ク タ ン ス は 場 所 に よ っ て も 異 な る が 、 約 1 0 %大 き め の 値 を 示 し た 。 一 方 、 制 御 線 と の 相 互 イ ン ダ ク タ ン ス は 約 2 0 %程 小 さ く 、 フ リ ン ジ ン グ 係 数 の 評 価 の 必 要 性 が 示 さ れ た 。 こ れ ら の 実 験 か ら 得 ち れ た 債 を 用 い て 計 算 さ れ た 子 磁 束 転 移 型 記 憶 セ ル の し き い 値 特 性 は 実 験 結 果 と 良 く 一 致 す る こ と を 示 し た。
‑ 記 憶 回 路 の サ イ ク ル 時 間 の 高 速 化 の た め に は 記 憶 セ ル の 入 力 信 号 に い か な る タ イ ミ ン グ シ ー ケ ン ス が 発 生 し で も 望 ま し く な い 。 タ イ ミ ン グ シ ー ケ ン ス が 必 要 な 場 合 に は 充 分 な タ イ ミ ン グ マ ー ジ ン を と っ て 信 号 を 入 力 す る 必 要 が あ り 、 高 速 化 の 妨 げ と な る 。 量 子 磁 束 転 移 型 記 憶 セ ル は そ の 動 作 原 理 か ら 考 え て 2つ
の 入 力 信 号 1x、 1yの 聞 に タ イ ミ ン グ シ ー ケ ン ス は 必 要 と し な い 。 2つ の 入 力 信 号 1x、 1yの 聞 の す べ て の 立 ち 上 が り 、 立 ち 下 が り の 順 番 の 組 み 合 わ せ に 対
し 、 記 憶 セ ル が 正 常 に 動 作 す る こ と を 確 認 し た 。
子 磁 束 転 移 型 記 憶 セ ル の 動 作 は あ る ポ テ ン シ ャ ル エ ネ ル ギ ー の 安 定 点 か ら 、 他 の 安 定 点 ヘ 動 作 点 が 移 動 す る こ と に よ り 実 現 す る 。 従 っ て 、 こ の 移 動 す る 速 度 が 記 憶 動 作 の 安 定 性 に 影 響 を 与 え る こ と は 考 慮 す べ き 点 の ひ と つ で あ る 。 実 際 の 回 路 の 中 で は ダ ン ピ ン グ 抵 抗 に よ り 記 憶 動 作 の 安 定 性 を 確 保 で き る よ う に 設 計 さ れ て い る 。 実 験 で は 入 力 信 号 を そ れ ぞ れ 超 伝 導 量 子 干 渉 計 の 出 力 と す る こ と で 、 高 速 の 信 号 を 入 力 し 、 ダ ン ピ ン グ 抵 抗 の 効 果 を 調 べ た 。 そ の 結 果 、 記 憶 セ ル が 正 常 に 動 作 す る こ と を 確 認 し た 。
(4 ) 量 子 磁 束 転 移 型 記 憶 セ ル を 用 い た 4 K b i t高 速 記 憶 回 路 を 実 現 す る こ 一160‑