金属イオンの析出・溶解を利用した超小型スイッチの動作電圧を改善～新材料の採用により信頼性も向上～

　ＮＥＣ（代表取締役　執行役員社長：矢野薫）と物質・材料研究機構（理事長：岸輝雄、以下ＮＩＭＳ）、科学技術振興機構（理事長：沖村憲樹、以下ＪＳＴ）はこのほど、固体電解質^※注１中での金属イオンの析出・溶解反応を利用したスイッチ素子（「ＮａｎｏＢｒｉｄｇｅ ®」）：^※注２、(図1）に金属酸化物（酸化タンタル）を用いることにより、スイッチの動作電圧を改善し、信頼性を向上することに成功しました。

ＮａｎｏＢｒｉｄｇｅはプログラマブルＬＳＩの再構成用スイッチ^※注３として研究開発を進めているものです。今回の成果は、ＮａｎｏＢｒｉｄｇｅの固体電解質として新たに採用した酸化タンタルの金属イオンの伝導度が非常に低いことを利用して得られたもので、以下の特徴を有しています。

（１）ＬＳＩの動作時に加わる電気信号に対して、安定にオンまたはオフ状態が保てる。（２）通電時でもオン状態を１０年以上保持できる（室温予測値）。（３）ＬＳＩ加工工程に必要な熱耐性を備える材料で構成できる。

　今回の技術開発により、ＮａｎｏＢｒｉｄｇｅを用いた高性能なプログラマブルＬＳＩの実現に向けて一歩進展しました。本プログラマブルＬＳＩが実現すると、モバイル機器やデジタルテレビなど多くの電子機器の開発の効率化・高性能化が可能になります^※注４、（図2）。

　これまでは、ＮａｎｏＢｒｉｄｇｅの固体電解質には硫化銅を用いていましたが、（１）オン・オフ状態が変化する電圧（スイッチング電圧）がＬＳＩの動作電圧よりも低いため、ＬＳＩの動作中に回路の構成情報が失われる、（２）オンおよびオフ状態の保持時間が室温で３ケ月と短い、（３）硫化銅はＬＳＩの加工工程に必要な熱耐性を備えていない―、などの課題がありました。

　今回の研究では、固体電解質中の金属イオンの伝導がＮａｎｏＢｒｉｄｇｅのスイッチング電圧を決める重要な要素であることを解明し、イオン伝導度の大幅な低減を目指しました。また、イオン伝導度を低減することによる、オン・オフ状態の保持特性の向上も目指しました。これらに加え、ＬＳＩの加工工程で加わる熱への耐性も考慮した結果、硫化銅と比較しイオン伝導度が十数桁以上低く、耐熱性も高い酸化タンタルを最適な材料として選定しました。
　酸化タンタルを用いたＮａｎｏＢｒｉｄｇｅを作製し、実際にスイッチング電圧がＬＳＩの動作電圧よりも高いこと、通電時のオン状態の保持時間が室温で１０年以上であること、などを確認しました。

　ＮＥＣ、ＮＩＭＳおよびＪＳＴは今後もＮａｎｏＢｒｉｄｇｅのプログラマブルＬＳＩへの搭載を目指し、研究開発活動を継続していきます。

　本開発の一部は、ＪＳＴの戦略的創造研究推進事業ＩＣＯＲＰ型研究の「ナノ量子導体アレープロジェクト（研究総括：青野正和、物質・材料研究機構ナノシステム機能センター）」の一環として、ＮＥＣとＮＩＭＳとの共同研究としてなされたものです。

　なお、ＮＥＣとＮＩＭＳ、ＪＳＴは本成果を、６月１２日から１４日まで、リーガロイヤルホテル京都（京都府、京都市）で開催される「ＶＬＳＩシンポジウム（2007 Symposium on VLSI Technology）」で、初日の１２日に発表します。

図１：ＮａｎｏＢｒｉｄｇｅの動作模式図

図２：ＮａｎｏＢｒｉｄｇｅにより実現可能となる新しいプログラマブルＬＳＩの概念図

【用語解説】