解説

半導体素子の微細化とその将来技術
番貴 彦
Takahiko BAN

理工学部電子情報学科助教

Assistant Professor, Department of Electronics and Informatics

1．情報化社会の発展に伴う半導体素子の寄与

防，法的引用のリンク，犯罪防止，リアルタイムの道路交通状況判断」など様々な分野で利用されています．あるいは，モノのインターネット（Internet

情報化とは私たちの身の回りの様々な事柄（文of Things : IoT）と呼ばれる技術も利用が始まって字，音，映像など）をデータ化して取り扱い，コンいます．これは今までパソコンなどの情報端末のみピュータなどで取り扱えるようにすることを言いまが繋がっていたインターネットに，あらゆるモノがす．また，情報化社会とはこのような情報が社会の繋がることを指します．これは単純に，テレビでイ多くを構成していることを指します．社会生活におンターネットが視聴できる，遠隔操作で機器を操作ける様々な事柄が情報化されることで利便性の向上できるなどの話ではありません．それだけでなく，が図られており，その膨大な情報を記憶，処理する

上記のビッグデータにもつながり，あらゆるモノでために半導体素子が用いられています．そのため，サービスを受けられる「サービスのモノ化」という情報化社会の発展と共に半導体素子の役割はますま

未来を示しています．冷蔵庫を例にとって示します重大となっています．例えばそれはスマートフォ

す．食材の包装に IC が入っている，あるいは画像ンに代表される携帯情報端末です．他者と連絡を取認識で冷蔵庫自体が商品を識別できるとします．こるだけでなく，情報を即座に入手する，アプリケーのとき冷蔵庫は保存された食品の消費期限を携帯端

ションを用いて生活を管理する，写真を撮ることで末に送り，管理を容易にします．また，その食材を記録を残すなど，その利用法は多岐に渡っていま用いたレシピを示す他，作りたいレシピを調べればす．さらにはデバイスがより身近になるグラス型情

何が足りないか教えてくれます．他にも食材から推報端末やスマートウォッチなどのウェアラブルデバ測できる栄養管理といった健康管理もできる，あるイスも世に普及し始めています．また，これらによいは病院に行けば，それらの情報を医師が利用できり記録されたビッグデータを利用する動きも盛んでる．これらのように個人で利用できるサービスだけす．ビッグデータとは従来のデータ処理では解析がではありません．近隣のスーパーはどの程度の食材困難な巨大かつ複雑なデータ集合を表す用語です．

を仕入れるか判断でき，物流すらも変わり，さらに「ビジネスの傾向の発見，研究の品質決定，疾病予は国が世帯ごとの消費を正確に把握することが可能―１―

になり政策にも反映されるかもしれません．これら
膨大なサービスがあらゆるモノで起こることになり，それらが相互に干渉して更なるサービスを生み出していく，これが IoT の可能性です．そしてこうした情報化社会を支える根幹が半導体素子です．
特に情報を高速に処理する回路を構成するスイッチ
図1

ング素子であるトランジスタや，膨大な記録を保存

FET の構造図するメモリ素子は重要な役割を持っています．
です．ムーアの法則とは経験則的に導かれた半導体

2．半導体素子とその微細化素子の微細化指針です．代表的な公式では集積回路

世界中の物質は電気を流す視点から見ると，金上のトランジスタ数が 18 か月ごとに倍になるとい

属，絶縁体，半導体の三つに大まかに分けることがうものです．単純に一つの材料から作られるトランできます．電気を流す金属，流さない絶縁体（ゴムジスタ数が増えることによるコストの削減だけではなど）は想像できると思います．それでは半導体となく，微細化による高速，省電力化が寄与することは何でしょうか？それは，金属ほど電気を流さず，でコンピュータの性能発展が続いてきました．そし絶縁体より電気を流す物質です．だから「半」導体て 2015 年には Intel などの半導体素子製造会社がといいます．半導体の特徴は電気の流す量をコント14 nm（ナノメートル）プロセスの素子を製造するロールできる点にあります．すなわち金属のようになど，トランジスタの微細化は続いています．この電気を流すことや，絶縁体のように電気を流さない

nm は 10−9m のことを言います．大きさの比率で説ようにすることができます．すなわちスイッチのよ

明すると地球を 1 とするとビー玉が 10−9 程度になうな役目を持たせることができます．その代表的なります．今，皆さんが使っているパソコンやスマー

スイッチング素子をトランジスタといいます．そのトフォンにはそのくらい小さい半導体素子が入って中でも 代 表 的 素 子 と し て 電 界 効 果 ト ラ ン ジ ス タいます．

（Field Effect Transistor : FET）があります．FET の構造図 を 図 1 に 示 し ま す．FET も ス イ ッ チ で す．

3．半導体メモリとその微細化の必要性

その仕組みは電気によってスイッチの on と off をトランジスタなどの情報を処理する半導体素子以しています．具体的には図 1 に示す，ゲート電極に外にも，情報を記憶するためのメモリ素子もまた微電圧を印加することでドレイン−ソース間の電流を細化が重要となっています．近年，情報化社会の発制御しています．それでは何故，このようなスイッ展に伴う人類の生み出すデータ量は爆発的に増大しチが情報化社会で重要なのでしょうか？それはコンており，データを保持するストレージの発展は社会ピュータが 0 と 1 しか分からないからです．全ての生活を支える基盤的インフラに必要不可欠なものにコンピュータはたくさんのスイッチを on, off するなっています［1, 2］．2020 年には人類の扱うデータ総ことで情報を計算しているのです．ですから高性能量は 44 ZB（ゼタバイト）まで増大すると予測されなコンピュータにはたくさんのスイッチが必要になており［3］，より大容量のメモリ素子が必要とされてります．そして限られたスペースの中でスイッチをいます．この Z はゼタと呼び 1021 の大きさを持っ増やすにはスイッチを小さくする必要が有ります．ています．パソコンの記憶容量は 1 TB（テラバイ

これを半導体素子の微細化といいます．

ト＝1012）程度ですので，109 倍も大きな値というこ

この微細化の指針となったのが「ムーアの法則」とになります．またデータ処理の速度，電力の問題―２―

からも機械部品を使うハードディスクではなく，使（Phase Change RAM : PRAM）等，新たなメモリがわないメモリ素子が必要とされています．

提案されています．中でも ReRAM は，高速動作，一方で各種機器に搭載する際にも大面積を必要と

微 細 化，CMOS プ ロ セ ス と の 親 和 性 の 観 点 か らしない微細なメモリが要求されています．特に昨NAND フラッシュメモリ代替の最有力候補として今，急激な普及を果たしたスマートフォンの発展に期待されています［9］．

寄与した重要なストレージの一つに，NAND フラッシュメモリがあります．NAND フラッシュメモ

4．半導体微細化技術の沿革とこれから

リは電荷を溜めることにより情報を記録する不揮発

現在，半導体素子の量産に使われる微細化技術は性メモリの一つです．不揮発性メモリとは電源が切露光技術によって左右されています．露光技術は簡れてもデータを保存してくれるメモリのことを言い

単に言うと光で固まったり溶けたりする薬品（レジます．電源を切るとデータが消える揮発性メモリもスト）を用いて，光を当てたり隠したりすることで存在します．NAND フラッシュメモリの微細化に模様を描く技術です．このことをパターニングとい伴うビットコストの低下は半導体メモリの大容量スいます．この技術は使用する光源によって微細化限

トレージの道を拓き，多くの情報端末のストレージ界が決定され，現在は ArF エキシマレーザーが使として用いられています．逆に言えば NAND フラわれています．ArF エキシマレーザーの波長は 193

ッシュメモリの発展と微細化が無ければスマートフnm です．かつての露光はマスクとウェハ（半導体ォンや携帯機器（デジタルカメラなど）の普及は無素子の元となるディスク状のシリコン）を密着させかったとも言えます．そのため更なる大容量化，高る等倍露光でしたが，微細化が進むにつれマスクの速化が望まれており，大手ベンダーである東芝／作製が困難になりました．そのため実際のパターン

SanDisk と Samsung Electronics は，それぞれ ISSCC

より大きなマスクを作り，ステッパーと呼ばれる装2012 においてハーフピッチ 20〜19 nm のプロセス

置で移動させながら露光する縮小投影露光と呼ばれで作製されたチップを発表するなど，激しい微細化る露光技術が登場しました．しかし，この技術も投［4, 5］．また現在では積層する影レンズとウェハの間にある空気によって微細化制ことで 1 チップ上のメモリ数を稼ぐ 3 D­フラッシ限を受けます．そこで開発されたのがレンズ，ウェ競争が行われています［6−8］

ュメモリの開発も盛んです

ハ間を液体で満たす液浸露光技術であり，主に純水．

しかしながらフラッシュメモリは SRAM などのが使われています．

CPU 上で動作する揮発性のワーキングメモリより最新の半導体素子の製造には，さらにダブル・パもはるかに書き込み時間が遅い．この速度のギャッターニングと呼ばれる手法が使われています．ダブプから半導体素子の処理速度の足かせとなり性能向ル・パターニングとは，密集した回路パターンを密上の妨げとなっています．そのため更なる特性向上

集度の低い 2 つの回路パターンに分割して露光，現を狙った新たな原理で動作する次世代不揮発性メモ像を行なう方法です．ダブル・パターニングでは，リの開発が加速しており，磁気抵抗効果を持つトン

2 回目の露光に時間を要する分，各ウェハにそれだネル接合膜すなわちトンネル磁気抵抗（Tunneling

け多くの時間を要することになります．さらにダブMagneto Resistive : TMR）膜を利用した磁気抵抗メ

ル・パターニングでは，露光機の外で行われる追加モリ（Spin Transfer Torque­RAM : STT­RAM），絶プロセスが発生するため，コストが余分にかかりま縁膜中の抵抗変化を利用した抵抗変化メモリ（Re­す．この追加プロセスによる影響をなくすためにsistive RAM : ReRAM）および相変化材料におけるは，装置のスループット性能（時間あたりに素子を非晶質と結晶間での相転移を利用した相変化メモリ製造する能力）を良くする必要があります．ダブル―３―

・パターニングは現在のリソグラフィ技術と次世代ハに直接模様を描く技術です．電子ビーム・リソグ技術による量産開始までの間の橋渡し的役割と捉え

ラフィでは光を隠すマスクを作る必要がないため，られていました．しかしながら次世代技術は未だに光リソグラフィより格段にコストが低下できると考研究段階であり各社はコストを度外視してダブル・えられています．課題としてはスループットの低さパターニングを用い続けています．ダブル・パターがあります．電子線によって描画するため光と違いニングを用いた半導体製造には 100 工程ほどが必要

大面積での露光ができません．また露光部を真空にであり，トータルで 50〜60 日を要するとされ，早する必要があることもスループット低下の一因とし急な次世代製造技術の開発が要求されています．微てあります．このスループット低下の対策として，細化は目的ではなく，低コスト化，高性能化，低消電子線を増やすという，単純であるが有効な手段が費電力化のための手段であり，微細化によってこれとられています．Mapper Lithography 社によると，らの恩恵に預かれなければ，微細化する意味がない

同社の電子ビーム・リソグラフィ装置は，同時に 1ためです．

万本以上の電子ビームをウェハに照射して，回路パターンを描画します．

5．次世代微細化技術

ナノインプリントとは従来の露光装置を使わず

次世代リソグラフィ技術の研究は，何十年も前かに，原版を基板に押し当てることで微細加工を実現

ら始まっています．現時点では，有力な技術の候補する技術です．イメージはスタンプです．この技術として 4 種類が挙げられます．そのうち，3 種類のは従来，光学部品の加工などに使われており，LSI技術は極端紫外線（Extreme Ultraviolet : EUV）リに応用することは難しいと考えられていました．しソグラフィ技術，電子ビーム・リソグラフィ技術，かし原版とウェハを直接接触させずにナノインプリナノインプリント技術です．また 4 番目の候補であントを実現する米 Molecular Imprints, Inc．の技術がる自己組織化現象を応用する技術は有望な研究テー登場したことで，量産向けに本格検討されてきまし

マではありますが実用段階からは，まだほど遠い．

た．ナノインプリントを LSI 製造に使う際の利点

図 2 に各微細化技術のイメージ図を載せます．

は，高解像度，優れた寸法制御性，低コストなどがEUV リソグラフィは，現在のような縮小投影露挙げられます．解像度は，現時点で数十 nm を実現

光技術の延長上にある技術です．光の波長を短くしできており，原版さえ準備できれば，数 nm 級を達ていくと軟 X 線領域に至ります．この軟 X 線領域

成 で き ま す．具 体 的 な 会 社 と し て は 東 芝，韓 国の光は，物質に対する透過性が大変小さいため，透Samsung Electronics Co., Ltd.，米 SEMATECH Inc，過光学系を用いて縮小投影を行うことができませ米 Hewlett-Packard Co.（HP）などがナノインプリンん．しかし，軟 X 線に対して反射光学系を用いれトをデバイス試作に適用した例を学会で報告していば今までと同じような縮小投影露光装置が実用化でます．

きる可能性があるというアイディアが，EUV リソ

このようにトップダウン型の微細化技術が現在盛グラフィの骨子です．EUV リソグラフィは 13.5 nmんに研究されています．しかし，ここで紹介したよと非常に短い波長を用います．この EUV 露光技術

うにより短い波長を用いる場合，それに応答するレは，極めて短い線幅の半導体を実現できます．一方ジストの開発も併せて必要となる上，基板にレジスで光学系における技術的な課題がいまだに残り，研トパターンを形成した後のエッチング技術について究開発用に用いられているのに留まっています．

も改良が求められます．ムーアの法則に従うには違

電子ビーム・リソグラフィはマスクレスリソグラ

う視点からのアプローチが必要です．それがボトムフィと呼ばれる技術の一種です．電子ビームでウェアップ方式（小さいものを組み立てる方式）の微細―４―

参考文献［ 1 ］ 日経エレクトロニクス， 半導体ストレージ 2012：
日経 BP 社，2011.
［ 2 ］ 電子・情報戦略調査委員会， 電子情報技術ロードマップ 2009

新エネルギー・産業技術総合開発機構，2009.
［ 3 ］ EMC.（2014）. The Digital Universe of Opportunities :Rich Data and the Increasing Value of the Internet ofThings. Available : http : //www.emc.com/leadership/digital-universe/2014 iview/index.htm

図2［ 4 ］ L. Yan, L. Seungpil, K. Oowada, N. Hao, N. Qui, N.

次世代微細化技術のイメージ図

Mokhlesi, et al., 128 Gb 3b/cell NAND flash memory
in 19 nm technology with 18 MB/s write rate and 400化技術であり，その代表となるのが自己組織化で

Mb/s toggle mode,

す．半導体ナノ構造の作製方法としての自己組織化とは，半導体を構成する原子そのものが持つ性質を利用した，微細組立技術です．半導体が成長するとin Solid-State Circuits Conference

Digest of Technical Papers（ISSCC ）, 2012 IEEE International, 2012, pp.436-437.
［ 5 ］ L. Daeyeal, C. Ik Joon, Y. Sang-Yong, J. Joonsuc, J.

きに，自ら一定の構造を作製していく性質を利用す

Dong-Su, H. Wook-Ghee, et al.,

ると，数 nm〜数十 nm サイズのナノ構造の作製がDDR interface MLC NAND Flash in sub-20 nm technology,可能です．またさらに発展させた考えとして生体分

pp.430-432, 2012
［ 6 ］ Y. H. Hsiao, H. T. Lue, W. C. Chen, B. Y. Tsui, K. Y.
Hsieh, and C. Y. Lu,

として電子デバイスに搭載するナノコンポーネント

Ultra-High Bit Density 3D

NAND Flash-Featuring-Assisted Gate Operation,を作製する「バイオナノプロセス」です［10］．現在，

Ieee

Electron Device Letters, vol.36, pp.1015-1017, Oct

半導体製造技術とバイオテクノロジーを融合した新たなデバイス作製プロセスとして研究が進められて

in Solid-State Circuits Conference Digest ofTechnical Papers（ISSCC ）, 2012 IEEE International,

子を利用した自己組織化もあります．規格品のように同じ構造をもつタンパク質を作製し，それを道具

A 64 Gb 533 Mb/s

2015.
［ 7 ］ S. Ver-Bruggen, 3d Nand : To 10 nm and Beyond,
Solid State Technology, vol.57, pp.34-38, Mar 2014.

います．

［ 8 ］ A. Nitayama and H. Aochi, Vertical 3D NAND Flash

6．まとめ

Memory Technology,

Ulsi Process Integration 7,

vol.41, pp.15-25, 2011.

以上のように，私たちの生活には非常に小さな半［ 9 ］ A. Hiroyuki, Recent Advances and Future Prospects in

導体素子が必要不可欠になっています．それだけでFunctional-Oxide Nanoelectronics : The Emerging Ma-

なく，高性能化のために更なる微細化，新構造デバ

terials and Novel Functionalities that are Accelerating
Semiconductor Device Research and Development,

イスが日夜研究されています．この中でも特に私はJapanese Journal of Applied Physics, vol.52, p.100001,

メモリデバイスを研究しています．情報化社会の更なる発展に寄与できるように，新型のメモリデバイ

2013.
［10］ I. Yamashita, Fabrication of a two-dimensional arrayof nano-particles using ferritin molecule,スの開発を目指します．

Films, vol.393, pp.12-18, Aug 1 2001.

―５―

Thin Solid