ツイッター掲載中術です。２ナノ世代プロセスの製造に必要な半導体の技術です。
日本の半導体メーカーが量産化できるレベルは４０ナノ～６０ナ
ノ程度でしかないのです。ＩＢＭでも２ナノ世代プロセスの製造
の技術は持っているものの、量産化技術は持っていないのです。
トップランナーは、台湾のＴＳＭＣと韓国のサムスン電子です
が、この２社も２ナノ世代プロセスのチップは作れるが、量産化
技術はまだ持っていないといわれています。
このように考えると、ラピダスの目標がいかに高いかわかると
思います。半導体の生産において、よく「微細化」という言葉を
使いますが、微細化とは何でしょうか。なぜ、微細化が必要なの
でしょうか。
それにはトランジスタの基礎について知る必要があります。ど
こまでやさしく説明できるか自信はありませんが、以下説明を試
みることにします。これから半導体不足問題は、世界レベルで、
さらに深刻になり、話題になることが多くなるので、知っておい
て損はないと考えます。
半導体にもいろいろありますが、これから説明するのは、「ロ
ジック半導体」の話です。ロジック半導体とは、スマホやＰＣの
ＣＰＵとして使われるもので、電子機器の頭脳の役割を担うもの
です。これまで回路を微細にして、トランジスタ（素子）の数を
増やし計算能力を高めてきています。
ロジック半導体で使われている「ＭＯＳＦＥＴ」と呼ばれる半
導体があります。「ＭＯＳＦＥＴ」とは次の言葉の省略形です。
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◎ＭＯＳＦＥＴ／金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ
Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor
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添付ファイルの「図Ａ」をご覧ください。これがＭＯＳＦＥＴ
の一種であるプレーナＦＥＴの構造図です。「Ｇ（ゲート）」と
呼ばれる部分がありますが、そこに一定以上の電圧を与えるか、
与えないかによって「Ｓ（ソース）」と「Ｄ（ドレイン）」とい
う部分に電流が流れます。つまり、Ｇ（ゲート）は、ＯＮ／ＯＦ
Ｆのスイッチの働きをしているのです。これが２進数の０と１に
対応します。
しかし、チップの微細化によって──これはゲート幅が短くな
ることを意味する──このスイッチの働きが曖昧になります。具
体的には「リーク電流」が起きてしまうのです。つまり、ＯＦＦ
のときでも電流が流れてしまう現象です。Ｓ（ソース）とＤ（ド
レイン）が水平なので、微細化によって、ＳとＤが近づきすぎる
と、リーク電流が生ずるのです。
この現象をホースで庭に水をまくさい、ホースを足で踏みつけ
たり、離したりすることに例えることがあります。これではＯＮ
／ＯＦＦがうまく機能しなくなるのです。
そもそもなぜ「微細化」が必要なのでしょうか。その理由には
４つあります。
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① コスト削減
② 低消費電力
③動作速度向上
④ 高機能化
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①は「コスト削減」です。
ここでいうコストとは、トランジスタの製造コストの削減のこ
とです。半導体は、１枚のウェハーという物質の上にトランジス
タを積み上げるのですが、１枚のウェハーに含まれるトランジス
タが増えれば増えるほど、トランジスタ１個当たりの製造コスト
が下がることになります。ちなみにウェハーとは、半導体材料を
薄く円盤状に加工してできた薄い板のことで、半導体基板の材料
として用いられています。
②は「低消費電力」であり、③は「動作速度向上」です。
微細化とは、トランジスタが小さくなることをいいます。トラ
ンジスタが小さくなるということは、ゲート長が短くなることを
意味しますが、これに成功すると、オン／オフに必要とされる電
子の個数および移動時間が小さくなり、小さな電力かつその素早
い移動によって、低消費電力と高速化が可能になります。
④は「高機能化」です。
これまで複数のチップで実現していた機能を一つのチップ内に
収めることができれば、②と③の理由によって、機能間の通信を
高速化できるし、省電力化も実現できます。
プレーナＦＥＴは、オフのときでも電流が漏れるリーク電流が
問題だったのです。これを防ぐため「ＦｉｎＦＥＴ」が考案され
ています。添付ファイルの図Ｂの真ん中の図形をご覧ください。
リーク電流を防ぐため、チャネルをゲートに食い込ませることで
３面から囲み、リーク電流を抑制しています。「Ｆｉｎ」とは、
英語で魚のヒレを意味し、そのように見えることから「ＦｉｎＦ
ＥＴ」というのです。
実は、この「ＦｉｎＦＥＴ」は日本が開発した技術です。１９
８９年に日立製作所が発表しています。しかし、商用生産ができ
るようになったのは２０年後の２０１１年で、その担い手は日本
企業ではなく、インテルだったのです。
その発展形が図２の一番右の図です。これが「ＧＡＡ」です。
ＧＡＡは「ゲート全方向（Gate All Around）」 と呼ばれ、その
名の通り、ゲートが全方向からチャネルを包み込む構造になって
います。「ＦｉｎＦＥＴ」との大きな違いは、チャネルの制御面
を３面から４面に増やしたことです。具体的にいうと、「Ｆｉｎ
ＦＥＴ」のチャネルを９０％回転し、縦に積層し、リーク電流を
ほぼ完璧に抑えていることです。いずれにしても、現在ではこの
ように立体構造になっているのです。
──［メタバースと日本経済／０５８］
≪画像および関連情報≫
●ＩＢＭが「２ｎｍ」プロセスのナノシートトランジスタ公開
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ＩＢＭは、米国ニューヨーク州アルバニーにある研究開発
施設で製造した「世界初」（同社）となる２ｎｍプロセスを
適用したチップを発表した。同チップは、ＩＢＭのナノシー
ト技術で構築したＧＡＡ（Gate-All-Around） トランジスタ
を搭載している。同社は、「この新しいプロセス技術によっ
て、２ｎｍチップは、現在生産している最先端の７ｎｍチッ
プと比べて４５％の性能向上と７５％の消費電力削減を実現
できる」と述べている。
ＩＢＭは、７ｎｍと５ｎｍのテストチップのデモンストレ
ーションも業界で初めて行っている。ＩＢＭが発表したテス
トチップは、約５００億個のトランジスタを搭載し、ＧＡＡ
トランジスタの一部にナノシート構造を採用している。ＧＡ
Ａは、その前身となるＦｉｎＦＥＴのスケーリングの限界に
対する解決策として開発された新しいトランジスタアーキテ
クチャである。 https://bit.ly/3n245s9
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ＧＡＡ構造とは何か
