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0.37Vで動作する超低電圧デバイスを開発 ―IT機器の消費電力1/10などの実現に道―【NEDO】
2013年6月10日
NEDOと超低電圧デバイス技術研究組合※1は、新しいトランジスタ構造を用いた集積回路（ロジック）を開発、IT機器の消費電力1/10に道を開く、0.37V（従来の1/3）の超低電圧での動作を実証。同時に、従来の電荷保持型※2ではなく、超低電圧でのデータ記憶を可能とする抵抗変化型※3不揮発デバイス※4（メモリ）を開発しました。
これにより、消費電力が1桁以上小さなLSI※5が実現でき、電池1本でも長期間動作できる機器や、電池を持たない環境発電を活用した機器などへの応用の道が開けます。
これらの成果は、NEDO「低炭素社会を実現する超低電圧デバイスプロジェクト」において得られたもので、6月11日（火）から京都で開催される「2013 Symposium on VLSI Technology」において発表いたします。
（※1） 超低電圧デバイス技術研究組合参加企業 ： 荏原製作所、東京エレクトロン、東芝、日本電気、日立国際電気、日立製作所、富士通、富士通セミコンダクター、三菱電機、ルネサスエレクトロニクス
（※2） 電荷保持型 ： 電子や正孔（電子の抜け殻）の有無を、情報の”1”と”0”に対応させて記憶を行うメカニズム。
（※3） 抵抗変化型 ： 材料の電気抵抗の大小を、情報の”1”と”0”に対応させて記憶を行うメカニズム。
（※4） 不揮発デバイス ： 電池などの電源から切り離されても、長時間、情報を保持することができるデバイス。
（※5） LSI ： Large Scale Integrated Circuit（大規模集積回路）。半導体を大規模に集積化したもので、情報処理における計算や記憶を高速、かつ、大規模に行う回路。
1． 背景
近年、モバイル端末の爆発的普及や、インターネット上でやりとりされるデジタル情報の急激な増加により、情報処理・データ蓄積を担うIT機器等の電力消費は、今後も飛躍的に増大することが予想されています。このような状況に対応するためには、IT機器を構成するLSIの更なる低電圧化/低電力化への取り組みが必要不可欠となります。
これまで、LSIの高性能化・低電力化は、微細化によって実現してきました。しかし、LSIの微細化は、トランジスタ等の特性ばらつきや漏れ（リーク）電流※6の増大といった本質的な課題に直面しており、微細化のみでの低電力化は難しくなってきています。
そこで本事業では、LSIの消費電力低減に最も効果的な手段として、動作電圧0.4V以下を実現する集積回路（ロジック）や不揮発デバイス（メモリ）の開発を実施しております。
2． 今回の成果
（1） 超低電圧動作の新型トランジスタ
〔1〕薄膜BOX-SOI （SOTB） を用いた2MビットSRAMの超低電圧（0.37V）動作を実証
SOTB※7トランジスタと呼ばれる独自の低ばらつきトランジスタを用いて、ばらつきの影響を受けやすく低電圧動作が最も困難なSRAM※8において、0.37Vという超低電圧動作を実証しました。
（2） 超低電圧動作の抵抗変化型不揮発デバイス
〔2〕再構成（論理の組み換え）可能な低電圧動作LSIの超小型化に成功
再構成LSIへの適用を目指した金属原子移動型スイッチについて、酸化タンタルからなるダイオードを3端子原子移動型スイッチ※9の選択素子として用いることで、原子移動型スイッチの超小型化に道筋を得ました。
〔3〕1次メモリ向け、微細化可能で高集積化を実現できるスピン注入型MRAMを開発
STT-MRAM※10のデータ保持を担うMTJ（Magnetic Tunnel Junction）に新しい構造を適用することで、微細化の障害となるSTT-MRAMの製造ばらつきの影響が低減され（動作マージン拡大）、直径35nmの微細なメモリ素子の試作・評価で、安定した低電圧メモリ動作を確認しました。
〔4〕混載メモリの大容量化を実現できる4値/セルのスピン注入型MRAMを開発
4値/セルの多値メモリ※11の製造容易性を目指して、2つのメモリ素子を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ました。試作・評価の結果、0.5V以下の低電圧下において4値動作を確認しました。
〔5〕データセンター向けSSDへの適用を目指した相変化デバイスの低電力動作を実証
結晶構造の変化でデータを保持する相変化デバイスにおいて、GeTe/Sb2Te3超格子結晶膜の電子注入による動作機構を見出しました。また、ばらつきの少ないGeTe/Sb2Te3超格子膜を得ることで、従来の相変化デバイスと比較して1/2以下の電圧と1/3以下の電流での動作が可能であることを実証しました。
3． 今後の予定
今後は、各要素技術の集積化及び信頼性に関する検証を進めることで、それぞれのデバイスの特徴を活かした、実用化を目指す実証開発を進め、これにより、消費電力が1桁以上小さなLSIの実現、そのLSIを使った電池1本でも長期間動作できる機器や、電池を持たない環境発電を活用した機器などの実現に繋いでいきます。
【参考：用語解説】
（※6） 漏れ（リーク）電流 ： トランジスタでの意図しない場所・経路での電流の漏れ出しのこと。
（※7） SOTB（Silicon on Thin Box） ： SOI（Silicon on Insulator）と呼ばれる絶縁膜上に薄膜シリコンを積層した基板構造の一種。絶縁膜（シリコン基板に埋め込まれているのでBuried Oxide; BOXと呼ばれる）が10nm程度と非常に薄くなっている基板。
（※8） SRAM（Static Random Access Memory） ： 6個のトランジスタを組み合わせて記憶動作を行うメモリ。
（※9） 原子移動型スイッチ ： 絶縁膜中での原子架橋（ブリッジ）の有無で抵抗が変化することを使うスイッチ。
（※10） STT-MRAM（Spin Transfer Torque-Magnetoresistive RAM） ： 2層で作られた磁性体の磁化の方向の違いで情報の記憶動作を行うメモリ。
（※11） 多値メモリ ： ひとつの場所に多くの情報を記録できるメモリのこと。通常は、“0”と“1”の2値動作である。
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