エキスパートシリーズ   ムーアの法則は続く ~LSI集積度向上技術の進化と将来展望~

発刊日: 2017/10/11 体裁: A4 / 45頁
資料コード: R59301000 PDFサイズ: 2.2MB
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調査資料詳細データ

エキスパートシリーズとは
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矢野経済研究所では、2016年より大手企業等でご活躍されたシニアの方々を当社の「社外マイスター」としてお迎えし、現役時代に培った経験、知見、人脈などを矢野経済研究所の事業活動を通じて、社会に還元していただくための新たな組織を立ち上げました。エキスパートシリーズは、社外マイスターの方が執筆した、新たな切り口によるオリジナルレポートです。長年培った経験・知見による技術や開発、市場への目利き力で、従来の市場調査資料とは一味違った情報をご提供いたします。
本レポートは、弊社社外マイスターである加藤俊夫氏(客員研究員)がとりまとめました。

調査概要
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調査主旨:ゴードン・ムーア氏は、「半導体の集積度は年々増加する」という予言を50年以上も前に行った。業界はまさにその通りに進歩し、「予言」がいつの間にか「法則」と呼ばれるようになった。本レポートでは、いかにして法則が守られてきたのか、数多くの涙ぐましい格闘の跡を振り返り、今後も引き続き集積度の向上があり得るのか検討する。
調査方法:研究員による直接面談・電話・メール・ウェブ・文献調査を併用。
調査期間:2017年5月~2017年8月

リサーチ内容

■掲載内容

1.ムーアの法則とは何か

1.1 ムーア氏の経歴と予言
  (第1図)ゴードン・ムーア氏
1.2 ムーアの法則は続いている
  (第2図)LSIの集積度/チップの変遷
1.3 フォン・ノイマン・アーキテクチャーを支える
  (第3図)フォン・ノイマン・アーキテクチャー

2.ムーアの法則を実現した微細化の進展

2.1 LSIの微細化競争の指導原理
  (第4図)比例縮小則で、MOSトランジスターが縮小される様子
2.2 CMOS LSIは微細化により進化
  (第5図)LSI微細化の経過と今後の予測
  (第6図)解像度のレーリーの式と、微細化の対策
  (第1表)露光装置の変遷
  (第7図)露光波長の変遷と予測(先々は、EUVのDouble Exposureもある)
2.3 微細化に伴う問題点の解決
  (第8図)ナノメーター時代のCMOS LSI
  2.3.1 ショートチャンネル効果
    (第9図)ショートチャンネル効果を防ぐExtension
  2.3.2 配線はアルミから銅へ
    (第10図)配線のCR時定数が増大すると、LSI動作の遅延が問題になる
    (第11図)エレクトロマイグレーションのメカニズム
    (第12図)銅配線に用いられるダマシンプロセス
    (第13図)Via材料の変遷
  2.3.3 配線の絶縁層は低誘電率膜に
    (第14図)ポーラス膜と配線中のエアギャップ
  2.3.4 歪シリコンでキャリアの移動度を向上
    (第15図)比例縮小則では、チャンネル長を縮小するには不純物濃度を
     上げる必要があり、グラフのように電子・正孔の移動度が減少する
    (第16図)Si結晶中にはGeを混入して圧縮歪を発生させる
    (第17図)歪の与え方の色々
  2.3.5 ゲート酸化膜をトンネル電流が
    (第18図)トンネル効果
    (第19図)SiO2膜の厚さとトンネル電流の関係
    (第20図)ALDで1原子層ずつ積む様子
  2.3.6 ゲート電極をポリシリコンから金属に変更
    (第21図)ポリシリコンにできる空乏層
    (第22図)ゲート電極の構造は複雑になってきている
    (第23図)ゲート・ラーストの工程

3.素子構造の立体化で、更にムーアの法則が進展

3.1 FinFETの採用
  (第24図)トライゲート構造と最近のFinFET構造
  (第25図)FinFETの微細化による性能向上
3.2 ナノワイア(GAA)へ移行か?
  (第26図)GAA(Gate-all-around)FETの構造
  (第27図)ナノワイアを作成するプロセス
3.3 更にナノシートで電流値をアップ
  (第28図)FinFET、Nanowire、Nanosheetの断面図
3.4 縦型ナノワイアへ移行するのか?
  (第29図)縦型ナノワイア(VGAA)構造
3.5 移動度の高い異種材料の採用
  (第2表)各種半導体材料の電子・正孔の移動度
  (第30図)Siウエファー上に結晶を作成する
  (第31図)横方向エピタキシャル成長により、Siウエファー上にInGaAs単結晶薄膜を得て、
   NMOSを作る方法
  (第32図)同一ウエファー上に、PMOSにGe、NMOSにInGaAsを用いたCMOS構造の一例
3.6 遂に出ました1Terabit(1兆ビット)メモリー
  (第33図)NANDフラッシュメモリーの回路と、ビットを選択する様子
  (第34図)3D-NANDフラッシュメモリー(BiCS)の構造
3.7 メモリー作用のある異種材料
  (第3表)不揮発性メモリーの一覧
  (第35図)DRAM並みの動作速度の不揮発性メモリーが出来れば、
   コンピューティングシステムの革命が起こるかも(筆の無責任な予想)

4.アッセンブリーの工夫で集積度が向上

4.1 貫通電極(TSV:Through Silicon Via)で積層
  (第36図)貫通電極(TSV)構造とそれを用いた3Dスタックの色々
4.2 注目されるFO-WLP(Fan-out Wafer Level Package)
  (第37図)Fan-inとFan-outの違い
  (第38図)FO-WLPの断面図とウエファーの配列と切り出す様子
  (第39図)FO-WLPの2種類のプロセス

5.ムーアの法則の将来

5.1 パターン微細化の限界
  (第40図)パターンサイズが縮小されるとトランジスターのコストが下がる
5.2 対策はあるか、ダークシリコン
5.3 どんなデバイスが有望か?
  (第4表)ITRS2015による3D-NANDフラッシュメモリーの動向
5.4 リソグラフィに頼らず集積度を上げる

6.Appendix “More than Moore”

(第41図)“More than Moore”とは失礼な!
  Appendix-1 伸びるMEMS/センサー市場
(第42図)MEMS/センサーの市場予測
  Appendix-2 MEMSの主な独特の製造プロセス
(第43図)MEMS特有のプロセス
  Appendix-3 後ずさりもあるムーアの法則
(第44図)ウエファーのサイズ別工場数の推移
  Appendix-4 人工知能とムーアの法則

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