平成16年2月16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〜

 NEC(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(NIMS、理事長:岸輝雄)、独立行政法人 科学技術振興機構(JST、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「NanoBridgeTM(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10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CBIC)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(CuS)の選択、(4)LSI配線層への「NanoBridgeTM」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(ASIC: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・LSIを作製するサービスには、主にCBIC(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、CBICよりも約100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CBICに比べ限られるという課題がありました。
 NEC、独立行政法人 物質・材料研究機構(NIMS)、独立行政法人 科学技術振興機構(JST)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、CBIC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CBIC)を実現するための、小型・低抵抗接続スイッチ「NanoBridgeTM」を開発しました。また、本スイッチを5層配線CMOS基板上に作製することで、プログラマブルCBIC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。
 「NanoBridgeTM」及びプログラマブルCBIC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(SRAM及びパストランジスタ)に比べ、スイッチサイズが約30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10分の1と小さいため、配線遅延が20〜40%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10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。
 NEC、物質・材料研究機構、JSTは、本技術を次世代ASIC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、NEC、物質・材料研究機構、JSTでは、今回の成果を2月16日から18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(ISSCC 2004)」において、17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(JST)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、NEC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) 「NanoBridgeTM」はNEC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FPGA(Field-Programmable Gate Array)やDRP(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) ASIC: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) CBIC: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ASIC。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、CBICでは数個、FPGA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。

<補助資料>
<図1><図2><図3>

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<この発表に関する報道関係からの問い合わせ先>
NEC コーポレート・コミュニケーション部  楓/福本
電 話 (03)3798−6511(直通)

独立行政法人 物質・材料研究機構 広報室 多田
電 話 (029)859−2026

独立行政法人 科学技術振興機構 広報室 福島
電 話 (048)226−5606


<本件に関するお客様からの問い合わせ先>
NEC 研究企画部 企画戦略グループ
電 話 (044)856−2054(直通)

独立行政法人 科学技術振興機構 研究推進部 研究第三課 高木
電 話 (048)226−5636
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