半導体微細化技術の最前線：次世代プロセスと高NA EUV、GAAFETの動向

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本記事はGeminiの出力をプロンプト工学で整理した業務ドラフト（未検証）です。

半導体微細化技術の最前線：次世代プロセスと高NA EUV、GAAFETの動向

ニュース要点

半導体業界は、2nm以降の超微細化を実現するため、先端技術の開発と導入を加速しています。主要な動向としては、次世代リソグラフィ技術である高NA EUV (Extreme Ultraviolet) リソグラフィの導入、トランジスタ構造の革新であるGAAFET (Gate-All-Around FET)の本格採用、そしてその先のCFET (Complementary FET)や先端パッケージング技術の研究開発が挙げられます。

具体的には、Intelは「Intel 18A」（1.8nm相当）プロセスを2024年後半に量産開始予定と発表し、高NA EUVとGAAFET構造「RibbonFET」を導入します[1]。TSMCは「N2」（2nm相当）プロセスを2025年後半に量産開始予定で、GAAFETを採用します[2]。Samsungも「SF2」（2nm相当）プロセスを2025年に量産開始予定とし、GAAFET構造を導入します[3]。これら次世代プロセスを支える基盤技術として、ASMLは高NA EUVスキャナーの最初のシステムを2023年12月22日にIntelに納入しており、2025年以降の本格的な量産ラインへの展開が期待されています[4]。

技術的背景

半導体の性能向上を牽引してきた「ムーアの法則」は、トランジスタの微細化が物理的限界に近づくにつれて、その実現が困難になってきました。特に、従来のプレーナ型トランジスタから進化したFinFET（Fin Field-Effect Transistor）構造でも、3nmノード前後でリーク電流の増加や駆動能力の向上に課題が生じています。この課題を克服し、さらなるトランジスタ密度の向上と電力効率の改善を図るため、新たな技術革新が必須となっています。

仕組み

1. 高NA EUVリソグラフィ

現在のEUVリソグラフィは、半導体チップの微細なパターンを形成するための不可欠な技術です。露光装置のレンズの開口数（Numerical Aperture: NA）は解像度を決定する重要な要素であり、高NA EUVリソグラフィは、従来のEUVのNA値0.33から0.55へ向上させることで、より微細なパターン（8nm以下の半分のピッチ）の形成を可能にします。これにより、現在のEUVでは複数回の露光（マルチパターニング）が必要だった工程を1回で済ませることができ、製造プロセスの簡素化とコスト削減、歩留まり向上に貢献すると期待されています。ASMLが開発を進める高NA EUVスキャナー「TWINSCAN EXE:5000」がその中核を担います[4]。

2. GAAFET (Gate-All-Around FET)

GAAFETは、FinFETに続く次世代のトランジスタ構造です。FinFETではゲートがチャネル（電流が流れる部分）の3面を囲んでいましたが、GAAFETではゲートがチャネルを「全周囲（Gate-All-Around）」から囲む構造となっています。これにより、ゲートがチャネルをより強力に制御できるようになり、以下のメリットが実現されます。

  • リーク電流の抑制: ゲートがチャネルを完全に囲むことで、オフ状態での電流漏れを大幅に低減。

  • 駆動能力の向上: チャネル幅を柔軟に調整でき、電流駆動能力を高めることが可能。

  • 静電特性の改善: 短チャネル効果を抑制し、トランジスタの安定性を向上。

Intelの「RibbonFET」、Samsungの「MBCFET（Multi-Bridge-Channel FET）」は、GAAFETの一種であり、ナノシート型チャネルを採用しています[1, 3]。

3. CFET (Complementary FET)

CFETは、GAAFETのさらに先を見据えた究極の微細化技術として、研究開発が進められています。これは、N型トランジスタとP型トランジスタを垂直に積層する構造です。これにより、水平方向の面積を大幅に削減し、さらなるトランジスタ密度の向上と消費電力の削減を目指します。ベルギーの研究機関imecなどが開発を推進しており、2030年代の実現が目標とされています[5]。

4. 先端パッケージング技術

微細化の物理的限界が近づく中で、トランジスタ単体の性能向上だけでなく、複数のチップ（チップレット）を効果的に統合する先端パッケージング技術が重要性を増しています。2.5Dや3D積層技術を活用し、異なる機能を持つチップレット（CPU、GPU、メモリなど）を近接して配置・接続することで、データ転送速度の向上、消費電力の削減、チップ全体の性能向上が図られます。TSMCのCoWoS (Chip on Wafer on Substrate) やInFO (Integrated Fan-Out)、IntelのFoverosやEMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) などが代表的な技術です[1, 6]。

トランジスタ構造の進化フローチャート

flowchart TD
    A["プレーナ型FET"] -- |チャネル制御が困難に| --> B["FinFET(\"Fin構造でゲート接触面積増大\")"]
    B -- |チャネル複数面での制御課題| --> C["GAAFET(\"ゲートがチャネルを全周囲から囲む\")"]
    C -- |さらなる高密度化と電力効率改善| --> D["CFET(\"N型・P型トランジスタを垂直積層\")"]
    D -- |チップレット統合で性能向上| --> E["先端パッケージング (2.5D/3D積層)"]

インパクト

これらの微細化技術は、現代社会を支える様々なテクノロジーに大きな影響を与えます。

事実

  • AI/HPC性能の飛躍的向上: より多くのトランジスタを高密度に集積することで、AI学習・推論、HPC（高性能計算）の処理能力が劇的に向上します。

  • モバイルデバイスの進化: スマートフォンやウェアラブルデバイスのバッテリー持続時間延長と性能向上が実現します。

  • データセンターの効率化: サーバーの消費電力削減と処理能力向上により、クラウドサービスの効率化が進みます。

推測/評価

  • 製造コストの増大: 先端技術の導入には莫大な設備投資と研究開発費が必要であり、チップの製造コストが増大する可能性があります。

  • サプライチェーンの集中: 技術的な難易度が高まるにつれて、製造可能な企業が限られ、特定の企業への依存度が高まるリスクがあります。

  • 新たな応用分野の創出: 量子コンピューティングや、より高度なセンシング技術など、現状では実現不可能な新たな技術やサービスの創出につながる可能性を秘めています。

今後

2nm、1.8nmプロセスの量産化は、2025年頃から本格化すると見られています。Intelは2024年後半、TSMCとSamsungは2025年後半の量産開始を目指しています[1, 2, 3]。高NA EUVは、これらの次世代プロセスの中核技術として、2025年以降に量産ラインでの本格的な稼働が期待されます[4]。

CFETは、その複雑な構造からまだ研究開発段階にありますが、2030年代に向けて実現される可能性のある次々世代技術として注目されています[5]。また、チップレット技術に代表される先端パッケージングは、微細化の限界を補完する重要な技術として、今後も進化を続けるでしょう。将来的には、原子レベルでの制御技術や、超伝導、フォトニクスなど、まったく新しい原理に基づく半導体技術の研究も進められていくと考えられます。

まとめ

半導体製造プロセスの微細化は、物理的限界に直面しつつも、高NA EUVリソグラフィ、GAAFET、CFET、そして先端パッケージングといった革新的な技術の登場によって、その進化を続けています。これらの技術は、AI、HPC、モバイルなどあらゆる分野の性能を飛躍的に向上させる可能性を秘めています。一方で、技術開発と設備投資のコスト増大、サプライチェーンの複雑化といった課題も抱えています。今後も、各国の主要半導体メーカーや研究機関が連携し、技術革新を推進していくことが、デジタル社会の発展に不可欠となるでしょう。

半導体設計のターゲットプロセスノード指定（概念的CLIコマンド）

半導体製造プロセスの微細化は、チップ設計の段階から考慮されます。以下は、次世代半導体設計において、特定のプロセスノードをターゲットとして設計ファイルをコンパイルする、概念的なCLIコマンドの例です。これは実際の製造プロセスにおける複雑なツールチェーンを簡略化したものです。

# 概念的なCLIコマンド


# 次世代半導体設計におけるプロセスノード指定例

# N2プロセス (2nm級) をターゲットに設計ファイルをコンパイルするコマンド


# これは概念的なものであり、実際の半導体製造プロセスはより複雑なツールチェーンを要します。


# Input: design.v (RTL記述), PDK (Process Design Kit)


# Output: design_layout.gds (GDSIIレイアウトデータ)

# 前提:


# - 'silicon-designer' は仮想的な統合設計環境のCLIツールです。


# - '--process-node' オプションでターゲットの製造プロセスを指定します。


# - '--pdk-version' は使用するプロセスデザインキットのバージョンです。


# - '--output-format' は出力レイアウトデータの形式を指定します。


# - 'power-performance-area' は最適化目標（消費電力、性能、面積）を指定します。

silicon-designer compile \
  --input-file design.v \
  --process-node N2 \
  --pdk-version v2.1 \
  --output-format gdsii \
  --output-file design_layout.gds \
  --optimize-for power-performance-area # 消費電力、性能、面積の最適化目標を指定

# 計算量: 設計の複雑さに依存しますが、一般に非常に高い計算資源（CPUコア、メモリ）を要します。


# メモリ条件: 数百GBから数TBのメモリが必要になることがあります。

参考文献

[1] Intel Newsroom. “Intel Foundry Innovation Eventでテクノロジー、エコシステム、顧客を紹介” (2024年2月22日). https://www.intel.co.jp/content/www/jp/ja/newsroom/news/intel-foundry-innovation-event.html [2] TSMC Newsroom. “TSMC Announces Fourth Quarter and Full Year 2023 Results” (2024年1月29日). https://www.tsmc.com/japanese/news/news_detail/2024/01/29/J2024-01-29-01 [3] Samsung Semiconductor Newsroom. “Samsung Unveils Innovative Foundry Technologies and Vision at Foundry Forum 2024” (2024年6月12日). https://semiconductor.samsung.com/newsroom/press-releases/samsung-unveils-innovative-foundry-technologies-and-vision-at-foundry-forum-2024/ [4] ASML Press Release. “ASML ships first High-NA EUV system” (2023年12月22日). https://www.asml.com/en/news/press-releases/2023/asml-ships-first-high-na-euv-system [5] imec. “imec details its roadmap for CMOS scaling beyond 2nm and demonstrates initial CFET data” (2022年5月18日). https://www.imec-int.com/en/articles/imec-details-its-roadmap-for-cmos-scaling-beyond-2nm-and-demonstrates-initial-cfet-data [6] TSMC Newsroom. “TSMC Announces Board of Directors’ Resolutions” (2024年1月18日). https://www.tsmc.com/japanese/news/news_detail/2024/01/18/J2024-01-18-01

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