動作電圧0.4V以下を実現する技術を開発、スマホの消費電力も1/10になる!?：プロセス技術（2/2 ページ）

新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）と超低電圧デバイス技術研究組合（LEAP）は、動作電圧が0.4V以下のロジックLSIやメモリを実現できる技術を開発した。これらの技術を使ったLSIを搭載した機器は、消費電力を1/10に低減できる可能性がある。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

SOTBを用いた2MビットSRAMの0.37V動作を実証

　ロジック回路の消費電力を削減するには、CMOSトランジスタの動作電圧を下げるのが有効な方法の1つだが、従来のバルクCMOSでは、微細化に伴って動作特性にばらつきが生じていた。今回、シリコン基板上に10nm厚のBOXと呼ばれる絶縁膜を配置したSOTB上にトランジスタを形成することにより、しきい値電圧のばらつきを0.2〜0.3Vに抑え込むことに成功した。この新型トランジスタを用いて2MビットSRAMを試作して検証したところ、最低0.37Vでの動作を確認した。

SOTBを用いた新型トランジスタ構造 （クリックで拡大） 出典：NEDO、LEAP

磁性変化デバイス（MRAM）の大容量化技術

　磁性変化デバイス（MRAM）の大容量化技術として、「微細化による高密度化を実現できるスピン注入型（STT）MRAM」と「高密度化を実現できる4値/セルのSTT-MRAM」の2件を発表した。これらの技術はCPUに混載するキャッシュメモリ向けに開発されたものである。

　微細化しても安定したメモリ動作を可能とするSTT-MRAM技術では、磁化の向きを固定する固定層の配置を工夫し、微細化しても十分な動作マージンが確保できるような構造とした。直径35nmのMTJ（Magnetic Tunnel Junction）を試作し、データ保持性能を評価したところ、微細プロセスによる製造ばらつきの影響が軽減されて、安定したメモリ動作を確認できたという。

　一方、大容量化に向けた4値/セル構造のSTT-MRAM技術は、2つのメモリ素子を単純に積層して、それを一括エッチングで加工するメモリ構造と製造プロセスを開発した。直径50nmのメモリ素子を試作し評価したところ、0.5V以下の電源電圧で4値の動作を確認できたという。

STT-MRAM向けに開発した、「微細化しても安定した動作を実現するMTJ構造」と「多値技術で大容量化を可能とするメモリ構造」 （クリックで拡大） 出典：NEDO、LEAP

相変化デバイス（PCM）の低消費電力技術

　新開発のPCM技術は、データセンターで用いられるSSD（Solid State Drive）向けなどに開発した。SSDに搭載されている現行のフラッシュメモリでは、高い内部電圧が必要なことやデータを高速伝送するのに消費電力が大きくなるなどの課題があった。抵抗変化でデータを保持するPCMは、次世代メモリとして注目されているが、データを記録/消去するために結晶を加熱/冷却して、抵抗状態を変える必要があった。そこで今回、結晶を融かさずに抵抗変化を起こすメカニズムとして、電子注入による結晶構造の変化を理論的に解明した。また、電子注入で抵抗変化を起こす新材料「GeTe/Sb₂Te₃超格子膜」を開発した。この材料を使って検証を行ったところ、従来のPCMに比べて書き込みの消費電力を1/10に削減することが可能となったという。

結晶を融かさずに抵抗変化を起こすメカニズムの解明と電子注入で抵抗変化を起こす新材料の開発で、従来に比べて書き込み消費電力を1/10に削減することが可能となった新開発のPCM （クリックで拡大） 出典：NEDO、LEAP

小型化を可能とする金属原子移動型スイッチデバイス

　金属電子移動型スイッチデバイスは、LSIの銅配線間に組み込むことで、回路の構成を切り替える機能を持たせることができる。この機能を使えばLSIの再構成や機能変更を電気的に行うことができる。しかし、スイッチデバイスを使った再構成回路には、それをプログラミングするための選択トランジスタを組み合わせて使う必要がある。この選択トランジスタがチップサイズを小型化するのに妨げとなっていた。

　今回開発した技術は、多層銅配線内に形成した酸化タンタルからなるダイオードを選択素子として用いても、電子移動型スイッチのプログラミングが可能であることを実証した。これによって、回路構成を切り替えるスイッチ部の占有面積は、これまで選択トランジスタを使っていた場合、最大200F²（Fは最小の加工寸法）必要だった。今回開発した技術を用いることで、12F²に小型化ができる可能性を示した。

多層銅配線内に形成した酸化タンタルからなるダイオードを選択素子として用いても、電子移動型スイッチのプログラミングが可能なことを実証した。これにより、スイッチ部の占有面積を12F²に小型化ができる（クリックで拡大） 出典：NEDO、LEAP

NEDOで電子・材料・ナノテクノロジー部の主任研究員を務める吉田学氏

　研究成果の発表に先立って、NEDOで電子・材料・ナノテクノロジー部の主任研究員を務める吉田学氏より、NEDOが取り組んでいる「低炭素社会を実現する超低電圧デバイスプロジェクト」（実施期間は平成22〜26年度）について、その目的などが紹介された。研究開発の委託先となるLEAPには半導体関連企業10社が参加している。再委託先の主要大学も含めた研究チームで、IT機器の消費電力を1/10に削減できるデバイスの早期開発を目指している。吉田氏は、「単に各デバイスの特性を向上させるためのプロジェクトではない。『電池レスのモバイルコミュニケーションが作る、快適、安全、安心社会』を実現するために、未来のアプリケーションを想定して、デバイスの研究開発に取り組んでいる」と述べた。