半導体微積分 --シリコンとの35年の関わり--

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(1)最終講義「半導体微積分―シリコンとの３５年の関わり」伊藤隆司私は，企業に約３０年勤務したあと，東北大で５年８ケ月研究・教育に従事させていただきました．短い期間にも拘わら最終講義の機会を与えていただき，大変光栄に思っています．今日は，シリコンとの３５年の関わりを振り返って話をさせていただき，研究を志す，特に若い人たちに何らかの参考になれば幸いです．地球の 3/4 が珪石（SiO2）であることは良く知られていますように，シリコンは地球上で酸素についで多い元素です．地球全体の２７％がシリコンです．半導体用のシリコンはSiO2 を還元精製し単結晶のシリコンインゴットという形にし，これを輪切りにして研磨したウェハとして使います．その上に電子回路を載せたものをLSIあるいはシリコンチップと呼びます．最先端工場では直径 30cmウェハが使われていますが，まもなく 45cmのものが使われようとしています．身近なところでは，皆さんがお持ちの携帯電話を分解しますと出てきます小さな黒い板が LSI です．この蓋をとって約１万位に拡大しますと．内部の Al あるいは Cu 配線が見えてきます．さらに 10 倍に拡大しますと，MOS トランジスタという基本素子が見えます．MOS トランジスタのゲートと呼ばれる配線の最小線幅は 30nm∼40nm 程度でこれは髪の毛の約 1/2000 に相当します．このような半導体の世界市場規模はいわゆるシリコンサイクルによる変動がありますが，最近では２０兆円から３０兆円の間で推移しています．その約 90%がシリコン製品です．ひとつのシリコンチップに搭載される素子の数は，いわゆるムーアの法則に従って 2 年∼3 年で 4 倍に増加してきました．いまや，人間の脳細胞数に匹敵する素子の搭載が可能になっています．シリコン製品はデジカメ，車，パソコン，携帯電話などありとあらゆるものに使われて，私たちの生活になくてはならないものになっています．このことから，シリコンチップは産業の米といわれてきました．これは単なる比喩ではありません．東北は米どころで，そこでは美味しい日本酒がいろいろ造られています．日本酒にはいい水が必要で，東北地方に半導体工場が作られたのもきれいな水があることに拠っています．最近では，水処理技術の発展でどこにでも半導体工場ができるようになりました．さて，私が大学を出て企業に入った 1974 年はどういう年かといいますと，ムーアの法則が 1965 年に発表されてほぼ 10 年たち，その法則が現実味を帯びてきました．また．ムーアの法則を実現する指針になっているスケーリング則というものを IBM のデナードが発表したのがこの年です．これは，デバイスの縦，横，高さの寸法をスケーリングファクタ k で比例縮小するものです．さらに，IBM がフューチャシステムという非常に高性能なコンピュータを開発しており，そこには超高性能の LSI を使うといううわさが流れ，日本ではそれに対抗する超 LSI 国家プロジェクトの必要性が議論されました．プロジェクトが始まったのはその 2 年後で，約 700 億円の税金が投入されました．これはその後の色々な産官学プロジェクトのモデルとして世界中のプロジェクトの参考になりました．シリコンの前途.

(2) は洋々としていたので，反対に超清浄のクリーンルームを必要とするシリコンの研究は大学では難しく思われ，ほとんどの大学がポストシリコンとしての GaAs など化合物半導体の研究にシフトしました．東北大学をはじめ僅かの大学がシリコンにも注力していました．私もは入社後数ヶ月は大学でやっていた GaAs の研究を続けましたが，すぐにシリコンに転向しました．シリコンデバイスの中で特に発展が予想されたのが，構造が簡単な MOS トランジスタです．これはソース-ドレーンの間に流す電流を絶縁膜を介してゲート電圧で制御するものです．MOS トランジスタを最初に作ったのはベル研究所のカーンで，韓国人ですが日本語を普通に話し，日本の応用物理学会にもよく来ていました．カーンの作った MOS トランジスタのゲートは Al でチャネル長は約 20μm でしたが，それから 50 年経ち，今最先端の MOS トランジスタのゲートは約 20nm と 1/1000 になっています． MOSトランジスタではゲート絶縁膜が重要な役割を果たしているのですが，シリコンを熱酸化すると均一で優れた絶縁性をもつSiO2皮膜が形成でき，Si界面の欠陥が非常に少ないということが，今日までのシリコンLSIの発展を可能にしてきたといっても過言ではありません．しかしながら，SiO2は不純物拡散，例えばボロンの拡散に対する阻止力がそれほど強くなく，電気的なストレスで劣化する，あるいは誘電率が小さいといった問題がありました．ムーアの法則に従って最小加工寸法を 3 年で 0.7 倍に縮小していくと，ゲート絶縁膜の厚さも間もなく 10nmを切るようになることが予想されます．ゲート絶縁膜の薄膜化が重要な技術課題になってくると考えられ，新規な高信頼ゲート絶縁膜の研究が必要と考えました．シリコン熱酸化膜に代わる絶縁膜としては，シリコンとの直接反応で生成することが不可欠と考えると，窒化物と炭化物しか考えられません．そこで，バンドギャップの大きなシリコン熱窒化膜に注目しました．シリコン窒化膜はSiO2膜より密度が高く，いわゆるCVD法でシランとアンモニアを反応させ，表面から堆積させたものがパッシベーション膜として使われていました．しかし，これは膜中と界面に欠陥を多く含むためゲート絶縁膜には使えませんでした．シリコンと窒素を反応させた熱窒化の過去の報告を調べると，1300℃の高温では反応はするものの不均一で欠陥が多く絶縁性が全く，ゲート絶縁膜としては全く使えないというのが結論でした． Si-N-O系の平衡安定組成領域をしらべてみると，酸素分圧が 10-20気圧とわずかでも酸素があるとSiO2が安定組成となり，Si3N4となるためには酸素分圧を極めて小さくし，窒素分圧を高くする必要があります．このため地球上ではシリコン窒化物は安定組成として存在しません．わずかに，カナダのエイビー地方に落ちた隕石がSi窒化物を含む隕石として発見された程度です．そこでシリコンを窒素でなく活性なアンモニアと反応させることを考え，酸素，水の混入防止とアンモニアガスの RF プラズマ励起を利用しました．RF 誘導加熱プラズマ励起装置や高純度なアンモニア精製装置をはじめここにあるような様々な技術を開発し，シリコン基板に均一な Si 熱窒化膜が生成できるようになりました．さっそく，この熱窒化膜を使ったトランジスタを試作し，ISSCC に発表しました．当時. 2.

(3) はまだゲート酸化膜厚は 50 ナノメータ程度だったものを 1 桁程度薄いゲート絶縁膜で高性能なトランジスタ動作が可能であることを示したことにより関心を集めました．一般に学会発表の目的はいろいろありますが，この発表を機にベル研のカーンや IBM のデナードあるいは Si 熱酸化モデルのディールなどと議論できたことは私にとっては大きな収穫でした．その後，カーンも熱窒化関係の論文を何篇か発表しています．その後，いくつかの応用回路を試作し学会発表しましたが，なかなか実用的なものにはなりません．その理由としてはシリコン熱酸化膜技術の進歩もありますが，シリコン熱窒化膜は厚い膜ができないため当時の標準的な 5V の電源電圧に耐える膜厚を得ることができなかったことがあります．シリコン熱酸化はいわゆるディール・グローブの時間の平方根式に則って，大体 1μm 位が成長できますが，熱窒化の場合は時間の対数で成長しますので，実時間で 10nm にも成長しないので，5V の電源電圧では絶縁耐圧がとれません．ひとつの応用として選択酸化素子分離への応用がありました．従来，LOCOS といったプロセスで CVD 窒化膜をマスクにして素子分離の熱酸化膜を成長させていましたが，この問題はエッジのところでバーズビークという酸化のもぐりこみが発生し，素子分離領域が無駄に広くなってしまうことです．熱窒化膜をマスクにすると Si 基板との密着性がよいのでバーズビークが短くなり，SRAM や DRAM 等のチップ面積の縮小が可能になります． DRAM はひとつの MOS トランジスタとひとつのキャパシタで 1 ビットを構成しますが，この DRAM のキャパシタ絶縁膜として CVD 窒化膜と Si 熱窒化膜を組み合わせて使うと， DRAM の寿命を熱酸化膜を使った時とくらべ 2 桁延ばせることがわかり，16MDRAM 世代から半導体各社で採用されるようになりました．全くの推定ですが，これを使った世界の累積生産チップ数は 100 億個以上になると思われます．ただし，この応用も当初目的とした SiO2 に代わるゲート絶縁膜としてではありません．ある時，Si熱酸化膜をマスクにしてSiが露出したところを熱窒化すると，SiO2表面がフッ酸に溶けなくなることに気がつきました．表面は何か変質しているようですが，SiO2は窒素とでもアンモニアとでもギブスの反応自由エネルギー変化はプラスなのでほとんど反応しないことになります．しかし，深さ方向の組成を分析しますと，確かに酸素が減り，それに対応して窒素が増えていることが確認され，明らかにSiO2が窒化していることが判明しました．酸化膜の熱窒化は，酸化性不純物の除去と窒化種の励起によって弱い結合のSi-O がSi-Nに置き換わり，SiONを結合を作ると考えています．この方法で生成したSi窒化酸化膜はSiO2に近い電気特性とSi3N4に近い緻密性すなわち不純物拡散阻止力や電気的ストレス耐性を兼ね備えています．なにより，膜厚を 1μm程度まで自由に制御できます．新しいことにはドローバックがつきものです．ここでは低電界の電子移動度がやや低下すること，膜中に正の固定電荷を含みしきい値電圧がシフトするなどの問題がありましたが，窒素量を制御することで対策されています．後になってのことですが，第 1 原理計算によってSi酸化膜中でも窒素原子がエネルギー的に安定に存在できることは計算されていますが，熱力学だけからではSiO2の窒化は見つからなかったということです．. 3.

(4) Si熱窒化酸化膜をゲート絶縁膜として用いると，従来のSiO2ゲートより 1 桁以上MOSトランジスタの寿命を延ばすことが広く確認できたため，0.25μm以降の世代からCMOS製品の一部に採用され始めました．特に，Si熱酸化膜の厚さが 5nmを切るようになると，ゲート電極に含ませたボロンなどの不純物がSi側につきぬける問題が深刻になり，このような拡散を完全にシャットするSi熱窒化酸化膜の優位性が決定的になりました．今，製品で出回っている 90nm以降のCMOSロジック製品ではSi熱窒化酸化膜は必須となっていると思われます．2 年前にインテルが発表した 45nm世代のMOSトランジスタの断面写真を見ると，ゲートにはメタルを使ってゲート絶縁膜にはHigh-k膜すなわち高誘電率膜を使っています． 65nmの世代まではSiONすなわちSi窒化酸化膜を使っていることが記されていますが， 45nmではHigh-k膜を使ってゲートのリーク電流を低減しています．High-kの材料としてはHfOベースと言っているだけで詳細はわかりませんが，HfOを直接Siに堆積すると，Si 基板との間にSiO2膜ができてしまい実効的な膜厚が増加してしまうので他の学会発表では酸化バリア膜としてSi熱窒化酸化膜を使うのが一般的です．これまで，Si の熱窒化の研究を振り返ってみましたが，このほかにもいろいろな半導体微細化プロセスの研究に着手しました．集積化による半導体の付加価値の増大は，システムの小型化，低消費電力化，機能あたりの低コスト化によってもたらされてきましたが，これを実現する要素技術の約 50%が微細化プロセスのインパクトで，残り 10%がウェハの大口径化，20%がデバイス構造の革新，20%が回路の革新と見積もられます．これらの研究は役に立ったものもありますが，そうでないものもたくさんあります．ひとつだけ研究の例を紹介します．半導体プロセスにはプラズマが各所で使われていますが，プラズマには色々な励起子が混在しています．波長選択できる光を使ってガスを励起すれば，励起状態をシンプルにできます．ここれはシンクロトロン放射光を使ってジシランを解離し，発生期のSiラジカルでSiのエピ成長をさせようというものです．放射光ビームラインは高エネ研のBL-17 というラインを専用で借りまして，そこにエピチャンバを取り付けました．シンクロトロンは 10-12Torrの超高真空ですので，放射光を窓なしで大気圧に近いエピチャンバに引き出すために，数段の作動排気ポンプを使いました．これにより，100℃でSiエピ成長を実現しました．この光励起Siエピタキシャル成長のルーツは，東北大学の西澤先生が SiウェハにUVを当て従来より 40℃低い 735℃でエピ成長が可能になったという 1968 年の報告にあります．その後，我々は大面積に紫外線を照射できる装置を開発し 600℃でエピ成長を実現し，エピベースという新構造の高速バイポーラトランジスタを開発しました．さらに，SiCをエミッタに使ったヘテロバイポーラトランジスタの開発につなげました．バイポーラトランジスタを用いるECL-LSIは大型コンピュータに向けたものでしたが，5kゲートでも 5Wの電力を消費するため，既に消費電力の限界に来ていました．1993 年にバイポーラLSIの開発は中止になりました．それ以降大型コンピュータのロジックLSIはCMOSに置き換えられましたが，シリコンの世界にはこのような研究としては面白いテーマがまだ沢山ころがっています．以前，西澤先生に基礎研究とは何ですかと伺ったことがあります．先生は基礎も応用もな. 4.

(5) い，誰もやっていないことをやるのが研究だ，と非常に明快にお答えになりました．その上で，私は面白くなければ研究でないし，研究した成果は世の中で実際に使われて初めて技術であるという思いが何時も私の頭をよぎっていました．今，我々のところだけでなく、色々な研究機関で，死の谷とかダーウィンの海が問題となって議論されています．膨大な研究費を使った多くの研究が”研究”までで止まっている．死の谷を乗り越え、製品化を経て，競争に勝ち，世の中に役に立つまでなかなか行かないというものです．ダーウィンが言っている言葉が二つあります．生き残るものは，決して優れたものや強いものではなく，環境に適応した者のみが生き残るということ，それから，進化はひとつずつ理由があって進むもので，決して自然は飛躍しないというものです．これを技術の世界にあてはめると，市場環境に適応した技術ビジョンをしっかりと持つということと，飛躍しないということは，人と人とのつながりでしか発展していかない，ということだと思われます．このころ出会った非常に印象的な一冊の本があります．”Engines of Innovation”です．この中に Moore がインテルの研究開発の方針のようなものを書いています．これは Moore の経験に則った半導体の研究開発のひとつのあり方としてうなずけるところを多く含んでいます．まず，最小情報の原則．問題解決に必要な情報は少なければ少ないほど良い．問題は解決されればよいので，真理の探究や知識の蓄積はする必要がないということ．研究所を作らない．技術者は技術水準が上がるにつれ自前に頼るので，フェアチャイルドセミコンダクタ社の失敗ように，研究所からの技術移管というものはうまく行かない．生産ラインを実験の基盤とする．製造と研究・開発を同居させ，製造ラインで新技術を試す．そのために， Ph.D を沢山生産現場に配置する．新領域，基礎研究は大学など外部との連携で補完する．そのために目利きを持つ．ロードマップからはブレークスルーは生まれない等々というものです．多分，こんなことを言ってる会社に優秀な研究者は魅力を感じないと思いますが，競争力のある半導体技術を効率的に開発するための正論かもしれません． LSIはどこまで発展するのですか，という質問をよく受けます．これは１機能素子あたりの原子数を縦軸にとって，色々なデバイスの原子数を示したものです．Siの原子の堆積を 10-29m3としてそれぞれの体積を割った値です．そうすると，1904 年にフレミングが作った２極真空管が 1027個，最初のポイントコンタクトトランジスタが 1020個, カーンが作った最初のMOSトランジスタが 1015個，4nmとこれまでで最も短いゲート長のMOSトランジスタが 106個，というようにプロットできます．これを延長して，１機能を原子１個で実現するのが限界とすれば，2040 年ごろになり，後 30 年くらい，少なくとも 15 年くらいは進歩するだろうと予想されます． LSI の長年の夢は３次元化です．これは丁度，住宅が平屋建てから高層マンションになって，面積効率と人口密度が上がったようなものです．800m のドバイのタワーまではどうでしょうか．これまでの 2 次元 LSI を 3 次元 LSI にするためには，3 次元の配線間に自由にトランジスタを配置する技術の開発が必須になってきます．こうすることで，トランジスタを結ぶ配線長も短くなり，高速・低電力で信号伝達が可能になります．既に，ウェハあるいは LSI チップを重ねて 3 次元化した LSI は生産されていますが，それと区別するために. 5.

(6) True-3D と呼んでいます．3 次元 LSI の究極のターゲットは脳機能システムです．脳細胞は 1000 億個以上の神経細胞があり，それぞれが１万個以上のネットワークに繋がっているといわれています．神経細胞の数では既に LSI 技術で実現可能なレベルにありますが，LSI の各素子のファンアウトのネットワークはせいぜい 10 程度ですので，脳機能とは大きなギャップがあります．一方，半導体ではひとつひとつの信号伝達が早く正確であるなど，脳機能より優れた特性もあります．これらの特徴を生かして高機能な 3 次元 LSI を実現するために，RF アナログ回路，不揮発メモリ，高性能薄膜トランジスタ，あるいはオンチップ光配線などの研究を行っています．また，これまで Si ウェハは大体３世代ごとに大口径になってきました．大きなインゴットを成長させるのには大量の電力が必要です．直径 45cm のウェハでは，厚さは大体 1mm 程度ですが，デバイスに必要な領域はその１万分の１で，表面の 0.1μm 程度です．シリコンウェハのほとんどはそれを支える支持基板としての役目しか持っていません．薄膜トランジスタでは 0.1μｍ程度の Si しか必要としないので，材料面では非常にエネルギー節約になり，環境配慮デバイスと言えます．薄膜トランジスタの電流駆動力を上げるために，ナノグレーティングチャネルを提案しました．通常は真平らな Si 表面を使いますが，ここではナノメータオーダのグレーティングを形成し，そのグレーティング溝に沿って電流を流す構成にすれば，表面積が増えることにより同じウェハ面積で実効的なチャネル幅が増大し，さらにチャネル歪で正孔の移動度が上がる効果もあります．p チャネルも n チャネルも，従来に比べて，トランジスタ電流が増大できることが試作で確認できます．その結果，同じ電流駆動力の CMOS で比較すると，面積を約 35%縮小できることになります．それから，絶縁膜上に薄膜トランジスタを作るため，CWグリーンレーザによるSi結晶化技術を開発しました．コンケーブ状のビームにすると 500μmくらいの幅で，非常に長い帯状のSi結晶が得られます．帯方向に電流を流すと結晶粒界によるキャリア散乱の影響を避けることができます．試作した薄膜トランジスタの電子移動度は，バルクSiと同程度の 500 ∼600cm2/Vs値が得られます．高周波特性はトランジスタパターンにまだ改良の余地がありますが，GHzで動作が可能です．絶縁膜上に帯状に大きな単結晶の粒を成長させることが可能になりましたので，結晶粒より狭くSiをパターニングすると，ある程度の長さまで細線を単結晶にすることができます．断面のTEM像では単結晶の電子回折像で確認できます．しかしながら，この単結晶の結晶配向は制御されていません．配向制御が 3D-LSIに向けての大きな課題です．同じCWグリーンレーザを使ってガラス基板上PZT薄膜の強誘電特性を得ることができます．これは 3D-LSIに用いる不揮発メモリを目的としたものです．PZTの結晶化は一般には 600℃以上が必要なのですが，ガラス基板を加熱しないでも強誘電性ペロブスカイト結晶化が可能になっています．これらの技術は，将来的には 3D-LSI を目指しているものですが，研究では長期目標とともに短期目標を設定することが大事と思います．ここでは，短期目標として TFT 型低コストユビキタスチップ（U チップと名づけています）を取り上げました．この提案は，幸い，科学技術振興調整費プロジェクトに採択されました．これは RFID や無線タグと呼ばれる. 6.

(7) IC チップの類ですが，安価なガラス基板やプラスチック基板に安価な高機能 RFID を実現することにより，ユビキタス社会における RFID の応用拡大に繋がることが期待できます．ガラス基板を使うことにより，オンチップアンテナを集積化できれば，全くの試算ですが，バルク Si の 1/5 くらいのコストが期待できます．U チップとしてはまだ研究途上ですが，この研究の中でプロセス技術だけでなく、オンチップアンテナ，整流回路，クロック生成回路，メモリ読み出し回路などとして必要な要素技術を開発しました． TFT のもうひとつの応用として，アクティブマトリックス制御人工腎臓と言うものを提案しています．TFT をマトリックス状に配置し，血液中の色々なイオンを電界をかけて分離し，人工透析を行おうというものです．現在基本的なチップを試作して動作確認を行っています．半導体の将来展望です．これからの技術開発は，環境を抜きにしては考えられないわけですが，半導体は環境配慮社会の中核技術であり，経済の成長エンジンです．本当の微細化限界は２０年以上先ですが，原子レベルの制御が不可欠になり，消費電力の抑制が益々重要課題になります．また，長年の夢である 3 次元 LSI へチャレンジする時期が来たと思われます．課題は，絶縁膜上で配向制御した単結晶 Si の成長であり，今後半導体以外の各種デバイスと CMOS との融合に有用な構造になると考えます．半導体産業は 70 年代に米国ベンチャー企業から始まって，80 年代に日本の大手電機メーカが DRAM でシェアを拡大しました．その後は，90 年代，韓国の財閥系あるいは台湾の政府系専業企業が存在感を示しました．これは市場の拡大とともに，投資の巨額化，技術の高度化・多様化といった外部環境変化に適応した結果です．2000 年以降は外部のリソースを有効活用した戦略的オープンイノベーションの企業と思われます．そこでのキーは戦略的な産学連携ですので，大学の役割は益々重要になります．最後に，大学の電子回路の講義の中で川上正光先生が言われたことを紹介します．研究者とかけてブルトーザと解く，というものです．そのこころは，私の前に道がない，私の後に道がある，です．私の場合は，けもの道が多かったですが，35 年間，シリコンとともに歩んで大変楽しい研究生活を過ごすことができたと思います．これも，ご支援いただいた先生方，事務の皆様，そして一緒に研究に携わった研究室スタッフや学生の皆様のおかげと心から御礼申し上げます．恩師のひとりの高橋先生が以前に言われた微分積分（わずかにわかってわかったつもり）をお借りして，本日の最終講義題目を「半導体微積分」としました．（完）. 7.

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