平 成 １６年 ２月 １８日 日 本 電 気 株 式 会 社 独 立 行 政 法 人 物 質 ・ 材 料 研 究 機 構 独 立 行 政 法 人 科 学 技 術 振 興 機 構 固 体 電 解 質 中 で の 金 属 原 子 移 動 を 利 用 し た ス イ ッ チ に よ り 半 導 体 回 路 の 組 み 替 え 動 作 を 実 現 ∼ 回 路 利 用 効 率 が 高 く 応 用 範 囲 の 広 い プ ロ グ ラ マ ブ ル ロ ジ ッ ク へ 道 ∼ Ｎ Ｅ Ｃ （ 代 表 取 締 役 社 長 ： 金 杉 明 信 ）、 独 立 行 政 法 人 物 質 ・ 材 料 研 究 機 構 （ Ｎ Ｉ Ｍ Ｓ 、 理 事 長 ： 岸 輝 雄 ）、 独 立 行 政 法 人 科 学 技 術 振 興機 構 （ Ｊ ＳＴ 、 理 事 長 ： 沖 村 憲 樹 ） は こ の た び 、 固 体 電 解 質 中 で の 金 属 原 子 移 動 を 利 用 し た ス イ ッ チ 「 Ｎ ａ ｎ ｏ Ｂ ｒ ｉ ｄ ｇ ｅＴ Ｍ（ 注 １ ）」 を 開 発 す る と 共 に 、 こ の 素 子 を 用 い て 回 路 使 用 効 率 が 約 １ ０ 倍 高 く 、応 用 範 囲 の 広 い プ ロ グ ラ マ ブ ル ロ ジ ッ ク（ 注 ２ ）（ プ ロ グ ラ マ ブ ル Ｃ Ｂ Ｉ Ｃ ） の 基 本 回 路 を 試 作 し 、 そ の 回 路 の 組 み 替 え 動 作 を 行 う こ と に 成 功 し ま し た 。 今 回 の 成 果 は 、（ １ ）固 体 電 解 質（ 注 ３ ）に お け る 金 属 原 子 移 動 に 基 づ い た 、金 属 微 細 架 橋 の ス イ ッ チ ン グ 現 象（ 原 子 ス イ ッ チ ン グ 現 象：注 ４ ）の 利 用 、（ ２ ）作 製 の 容 易 さ と 特 性 安 定 性 に 優 れ た 接 合 構 造 の 採 用 、（ ３ ）プ ロ セ ス 耐 性 の 高 い 固 体 電 解 質 （ Ｃ ｕ２Ｓ ） の 選 択 、（ ４ ） Ｌ Ｓ Ｉ 配 線 層 へ の 「 Ｎ ａ ｎ ｏ Ｂ ｒ ｉ ｄ ｇ ｅＴ Ｍ」 形 成 プ ロ セ ス 開 発 に よ り 実 現 さ れ た も の で す （ 補 助 資 料 図 １ ）。 半 導 体 チ ッ プ は 電 子 機 器 を 制 御 す る 上 で の 主 要 部 品 で あ り 、 現 在 は 機 器 に 特 化 し た 専 用 設 計 チ ッ プ （ Ａ Ｓ Ｉ Ｃ ： 注 ５ ） が 多 く 使 わ れ て い ま す 。 こ の う ち 、 機 器 ベ ン ダ ー が 上 流 設 計 し 半 導 体 チ ッ プ メ ー カ ー が 回 路 ・ Ｌ Ｓ Ｉ を 作 製 す る サ ー ビ ス に は 、 主 に Ｃ Ｂ Ｉ Ｃ （ 注 ６ ） が 用 い ら れ て き ま し た 。 近 年 は 、 機 器 開 発 に お け る 競 争 の 激 化 を 反 映 し て 、 機 器 メ ー カ ー の 手 元 で 回 路 組 み 換 え が で き 、 機 器 開 発 期 間 を 大 幅 に 短 縮 で き る プ ロ グ ラ マ ブ ル ロ ジ ッ ク が そ の 市 場 を 大 き く 伸 ば し て い ま
す 。 プ ロ グ ラ マ ブ ル ロ ジ ッ ク は 回 路 組 み 替 え 動 作 に よ り 様 々 な 機 能 を １ チ ッ プ で 実 行 で き る た め 、 実 装 ス ペ ー ス の 限 ら れ た 機 器 で の 利 用 も 期 待 さ れ て い ま す 。 し か し 、 こ れ ま で の プ ロ グ ラ マ ブ ル ロ ジ ッ ク は 、 ロ ジ ッ ク セ ル （ 注 ７ ） 間 を 接 続 す る ス イ ッ チ の 面 積 が 大 き く 、 抵 抗 が 高 い た め 、 接 続 ス イ ッ チ の 使 用 数 を 減 ら す こ と を 目 的 に 、 Ｃ Ｂ Ｉ Ｃ よ り も 約 １ ０ ０ 倍 ト ラ ン ジ ス タ 数 の 多 い ロ ジ ッ ク セ ル が 用 い ら れ て き ま し た（ 注 ８ ）。そ の 結 果 、回 路 の 使 用 効 率 悪 化 に 伴 う ロ ジ ッ ク セ ル 組 み 合 わ せ 自 由 度 や 並 列 演 算 処 理 性 能 の 低 下 に よ り 、 プ ロ グ ラ マ ブ ル ロ ジ ッ ク の 回 路 応 用 範 囲 が Ｃ Ｂ Ｉ Ｃ に 比 べ 限 ら れ る と い う 課 題 が あ り ま し た 。 Ｎ Ｅ Ｃ 、独 立 行 政 法 人 物 質・材 料 研 究機 構（ Ｎ Ｉ Ｍ Ｓ ）、独立 行 政 法 人 科 学 技 術 振 興 機 構 （ Ｊ Ｓ Ｔ ） は か ね て か ら 、 こ れ ら の 課 題 を 解 決 す る た め 共 同 で 研 究 を 進 め て き ま し た が 、 こ の た び 固 体 電 解 質 中 で の 金 属 原 子 移 動 に 基 づ く 金 属 微 細 架 橋 の ス イ ッ チ ン グ 現 象 を 利 用 す る こ と で 、 Ｃ Ｂ Ｉ Ｃ 並 み に 応 用 範 囲 の 広 い プ ロ グ ラ マ ブ ル ロ ジ ッ ク （ プ ロ グ ラ マ ブ ル Ｃ Ｂ Ｉ Ｃ ） を 実 現 す る た め の 、 小 型 ・ 低 抵 抗 接 続 ス イ ッ チ「 Ｎ ａ ｎ ｏ Ｂ ｒ ｉ ｄ ｇ ｅＴ Ｍ」を 開 発 し ま し た 。ま た 、本 ス イ ッ チ を ５ 層 配 線 Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ 基 板 上 に 作 製 す る こ と で 、 プ ロ グ ラ マ ブ ル Ｃ Ｂ Ｉ Ｃ に 不 可 欠 な ４ ×４ ク ロ ス バ ー （ 注 ９ ） を 試 作 し 、 電 圧 印 加 パ タ ー ン の 変 化 に よ り 回 路 の 組 み 替 え 動 作 を 実 証 し ま し た （ 補 助 資 料 図 ２）。 こ の 技 術 開 発 に よ り 、 モ バ イ ル 機 器 や デ ジ タ ル テ レ ビ な ど 多 く の 電 子 機 器 に お い て 、 そ の 性 能 向 上 と 低 価 格 化 が は か ら れ る と 共 に 、 回 路 切 り 替 え 動 作 に よ り 、 携 帯 電 話 の よ う な ポ ー タ ブ ル 機 器 に お い て も 、 あ ら ゆ る 機 能 が 実 行 で き る よ う に な り ま す 。 「 Ｎ ａ ｎ ｏ Ｂ ｒ ｉ ｄ ｇ ｅＴ Ｍ」及 び プ ロ グ ラ マ ブ ル Ｃ Ｂ Ｉ Ｃ の 特 長 は 以 下 の 通 り で す （ 補 助 資 料 図 ３）。 （ １ ） 従 来 の プ ロ グ ラ マ ブ ル ロ ジ ッ ク で 用 い ら れ る 配 線 切 り 替 え ス イ ッ チ （ Ｓ Ｒ Ａ Ｍ 及 び パ ス ト ラ ン ジ ス タ ） に 比 べ 、 ス イ ッ チ サ イ ズ が 約 ３ ０ 分 の １ と 小 さ く 、 ス イ ッ チ を 配 線 層 中 だ け に 作 製 す る こ と が 可 能 な の で 、 チ ッ プ 面 積 を 数 分 の 一 ま で 小 型 化 し 、 大 幅 な チ ッ プ コ ス ト の 低 減 が 可 能 。
（ ２ ） 従 来 の ス イ ッ チ に 比 べ 、 ス イ ッ チ 抵 抗 が 数 １ ０ 分 の １ と 小 さ い た め 、 配 線 遅 延 が ２ ０ ∼ ４ ０ ％ 改 善 。 （ ３ ） 同 ス イ ッ チ を 用 い て 小 規 模 で 単 機 能 的 ロ ジ ッ ク セ ル を 多 数 接 続 す る こ と に よ り 、 従 来 の プ ロ グ ラ マ ブ ル ロ ジ ッ ク に 比 べ 、 回 路 使 用 効 率 が 約 １ ０ 倍 高 い 回 路 構 成 が 可 能 。 ロ ジ ッ ク セ ル の 組 み 合 わ せ 自 由 度 が 高 く 、 並 列 化 に よ り 演 算 処 理 が 高 速 化 さ れ る た め 、 回 路 の 応 用 範 囲 が 広 い 。 Ｎ Ｅ Ｃ 、 物 質 ・ 材 料 研 究 機 構 、 Ｊ Ｓ Ｔ は 、 本 技 術 を 次 世 代 Ａ Ｓ Ｉ Ｃ 開 発 プ ラ ッ ト ホ ー ム に お け る 基 盤 素 子 ・ 回 路 技 術 と 位 置 づ け 、 早 期 の 実 用 化 を 目 指 し て 今 後 と も 積 極 的 な 研 究 ・ 開 発 活 動 を 展 開 し て い き ま す 。 な お 、 Ｎ Ｅ Ｃ 、 物 質 ・ 材 料 研 究 機 構 、 Ｊ Ｓ Ｔ で は 、 今 回 の 成 果 を ２ 月 １ ６ 日 か ら １ ８ 日 ま で 、 米 国 カ リ フ ォ ル ニ ア 州 サ ン フ ラ ン シ ス コ 市 で 開 催 さ れ る 学 会 「 国 際 固 体 素 子 回 路 会 議 （ Ｉ Ｓ Ｓ Ｃ Ｃ ２ ０ ０ ４ ）」 に お い て 、 １ ７ 日 に 発 表 し ま す 。 本 成 果 の 一 部 は 、独 立 行 政 法 人 科 学 技術 振 興 機 構（Ｊ Ｓ Ｔ ）の戦 略 的 創造 研 究 推 進 事 業 継 続 研 究 の 研 究 課 題「 新 し い 量 子 効 果 ス イ ッ チ の 機 能 素 子 化 」（ 研 究 代 表 者 ： 青 野 正 和 ） の 研 究 過 程 に お い て 得 ら れ た も の で す 。 本 成 果 の 一 部 は 、 Ｎ Ｅ Ｃ エ レ ク ト ロ ニ ク ス の 委 託 に も と づ く 研 究 に お い て 得 ら れ た も の で す 。 以 上 （ 注 １ ）「 Ｎ ａ ｎ ｏ Ｂ ｒ ｉ ｄ ｇ ｅＴ Ｍ」 は Ｎ Ｅ Ｃ の 登 録 商 標 で す 。 （ 注 ２ ） プ ロ グ ラ マ ブ ル ロ ジ ッ ク ： 回 路 へ 電 気 信 号 を 送 る こ と に よ り 回 路 結 線 を 変 更 し 、 そ の 動 作 を 変 え る こ と の で き る ロ ジ ッ ク 回 路 。 プ ロ グ ラ マ ブ ル ロ ジ ッ ク の 代 表 例 と し て Ｆ Ｐ Ｇ Ａ （ Field-Programmable Gate Array ） や Ｄ Ｒ Ｐ （ Dynamically Reconfigurable Processor） が あ る 。
（ 注 ３ ） 固 体 電 解 質 ： そ の 内 部 を 自 由 に イ オ ン が 動 き 回 る こ と の で き る 固 体 （ 注 ４ ） 原 子 ス イ ッ チ ン グ 現 象 ： 固 体 電 解 質 の 表 面 あ る い は 内 部 で 、 電 気 化 学 反 応 に よ り 制 御 さ れ る 金 属 架 橋 の 伸 張 （ ※ ） に よ っ て 、 電 気 的 導 通 チ ャ ネ ル が 生 成 ・ 消 滅 す る ス イ ッ チ ン グ 現 象 。
（ ※ ） T. Hasegawa, K. Terabe, T. Nakayama and M. Aono, SSDM Ext. Abst. 564 (2001).
（ 注 ５ ） Ａ Ｓ Ｉ Ｃ ： Application Specific Integrated Circuit
特 定 用 途 向 け 集 積 回 路 。 顧 客 の 要 望 に 合 わ せ て 、 比 較 的 短 期 間 に 提 供 で き る よ う に し た セ ミ カ ス タ ム の チ ッ プ
（ 注 ６ ） Ｃ Ｂ Ｉ Ｃ ： Cell-Based Integrated Circuit
あ ら か じ め 用 意 さ れ た 回 路 を 配 置 、 結 線 す る 方 式 の Ａ Ｓ Ｉ Ｃ 。 配 置 や 結 線 は 半 導 体 製 造 プ ロ セ ス 中 で 行 わ れ る た め 、 回 路 構 成 は 再 変 更 で き な い 。 （ 注 ７ ） ロ ジ ッ ク セ ル ： 論 理 回 路 を 組 み 立 て て い く 上 で の 単 位 と な る 回 路 。 複 数 の ロ ジ ッ ク セ ル が 結 線 さ れ 論 理 回 路 が 構 成 さ れ る 。 （ 注 ８ ） ロ ジ ッ ク セ ル に 用 い ら れ る ト ラ ン ジ ス タ 数 は 、 Ｃ Ｂ Ｉ Ｃ で は 数 個 、 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ で は 数 百 個 で あ る 。 （ 注 ９ ） ク ロ ス バ ー ： 交 差 す る ２ 層 の 配 線 （ 入 力 層 と 出 力 層 ） か ら な り 、 交 差 箇 所 の 一 部 で 電 気 的 接 続 が 取 ら れ て い る 構 造 。 出 力 線 が 競 合 し な い 限 り 、 任 意 の 入 力 線 と 任 意 の 出 力 線 は 全 て 接 続 可 能 。 ４ ×４ ク ロ ス バ ー は 、 ４ 本 の 配 線 と そ れ に 交 差 す る ４ 本 の 配 線 か ら な る 。
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