InGaOx膜で移動度を向上した新しいGAAトランジスタ

トランジスタは時代をはるかに先取りした技術だと考えられています。 1947年発明この技術革新により、ウォルター・ブラッテン、ジョン・バーディーン、ウィリアム・ショックレーはノーベル物理学賞を受賞しました。トランジスタの発明以来、トランジスタは私たちの周りの技術に多くの根本的な変化をもたらす上で重要な役割を果たしてきました。

2008年から2019年の間に、 パワートランジスタの販売 10億米ドルから18.6億米ドルに増加しました。この着実な成長はトランジスタに対する揺るぎない需要を反映しており、この技術の潜在力とソリューションとしての強みを示しています。 

トランジスタとは、本質的には電子信号を増幅またはスイッチングする半導体デバイスです。バイポーラトランジスタ（バイポーラ接合トランジスタ、BJTとも呼ばれます）、電界効果トランジスタ（FET）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）などがあります。 

最初のタイプであるバイポーラトランジスタは、電子と正孔の両方を電荷キャリアとして利用します。電界効果トランジスタは、主電流経路にpn接合を持たないユニポーラデバイスです。一方、IGBTは電圧駆動のMOSFETとそれに続く高電流トランジスタで構成されています。 

上記は固定されたカテゴリー、あるいは伝統的なセグメントの一部ですが、トランジスタの可能性は時とともに拡大し続けています。市場レポートによると、次世代トランジスタ市場は活況を呈する見込みです。種類別に見ると、これらのトランジスタには、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）、高電子移動度トランジスタ（HEMT）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）などが含まれます。 

これらのトランジスタは、窒化ガリウム (GaN)、インジウムヒ素 (InAs)、リン化インジウム (InP)、ガリウムヒ素 (GaAs) などの多様な材料の組み合わせを活用しています。携帯電話、マイクロ波システム、衛星、航空宇宙など、幅広い用途に使用されています。 

本日は、これらの次世代トランジスタに焦点を当てます。まずは、より大きな問題の解決を目指す研究から始めます。

InGaOx GAA構造によるシリコントランジスタのスケーリング

電子機器が日々小型化していく中で、シリコンベースのトランジスタの微細化が急務となっている。東京大学生産技術研究所を率いる研究チームがこの課題に真正面から取り組んだ。報道によると、チームは2025年に開催されるVLSIシンポジウムで、この画期的な成果を詳述した論文を発表する予定だ。研究チームは シリコンを廃止できる そして、ガリウムをドープした酸化インジウム（InGaOx）からトランジスタを作ることを選択しました。これは、整然とした結晶格子が電子移動に適した結晶酸化物として構造化できる材料です。 

研究の筆頭著者であるアラン・チェン氏によると、研究チームは「結晶酸化物トランジスタに『ゲート・オールアラウンド』構造を採用することを目指しました。これは、電流のオン/オフを切り替えるゲートが、電流が流れるチャネルを囲む構造です」。チェン氏によると、研究チームは「ゲートをチャネルの周囲全体に配置」することで、「従来のゲートと比較して効率と拡張性を向上させる」ことが可能になるという。

これらすべてに重要な役割を果たした化合物である酸化インジウムの特性を説明しながら、本研究の筆頭著者である小林正治氏は次のように述べています。

「酸化インジウムには酸素空孔欠陥が含まれており、これがキャリアの散乱を促進し、デバイスの安定性を低下させます。」

研究者らは、酸素空孔を抑制するために酸化インジウムにガリウムをドープし、トランジスタの信頼性を向上させた。

研究チームは、原子層堆積法を用いてゲートオールアラウンド型トランジスタのチャネル領域をInGaOx薄膜で原子層ずつコーティングすることで、科学技術における画期的な進歩を達成しました。その後、この薄膜を加熱処理することで、電子移動を促進する結晶構造へと変換しました。 

 ゲートオールアラウンド（GAA）MOSFET：設計と利点

この研究の最も重要な成果を挙げるとすれば、ゲートオールアラウンドの「金属酸化物ベースの電界効果トランジスタ」（MOSFET）の製造を可能にしたことです。 

これは、ゲートオールアラウンドMOSFETが44.5 cm²/Vsという高い移動度を達成できたためです。研究チームは、このデバイスが「約2時間にわたる印加ストレス下で安定動作することで、有望な信頼性を実証できた」と主張しました。さらに、研究チームは、このMOSFETが、以前に報告された類似のデバイスよりも優れた性能を発揮したと主張しました。 

ゲートオールアラウンドトランジスタについては後ほど詳しく説明しますが、この研究の意義と、この分野における今後の科学研究への影響について簡単にまとめておくことが重要です。初期の報告によると、この研究は、材料と構造の両方の重要性を考慮したトランジスタ設計の新たな道を切り開く可能性を示唆しています。この研究は、ビッグデータやAIなどで使用されるような、計算集約型ソリューションのニーズを満たす、信頼性の高い高密度電気部品の開発に役立つでしょう。 

私たちはまさにAIとビッグデータの時代に生きています。この研究は、より効果的なソリューションを構築するための新たな道を切り開くことは間違いありません。しかし、ゲートオールアラウンドトランジスタがカバーする領域は、現状よりもはるかに広大になる可能性があります。

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GAA トランジスタが優れている理由は何ですか?

GAA（ゲートオールアラウンド）トランジスタは、ゲートがチャネルのあらゆる側面に接触できる高度なトランジスタ構造を備えています。つまり、これらのトランジスタは継続的なスケーリングを可能にします。 

この技術の独創性を際立たせているのは、トランジスタチャネルの制御性を向上させる水平シートの積層構造です。これらのシートは積層ナノシートです。個々の水平シートが垂直方向に積層されているため、ゲートはチャネルの4辺すべてを囲むことができ、リーク電流を低減し、駆動電流を増加させます。その結果、トランジスタ間およびトランジスタを通過する信号伝達が改善されます。このような優れた信号伝達により、チップの性能が向上し、チップメーカーはナノシートの幅を柔軟に実験し、特定のチップ設計に最適なシートを提供することができます。 

ナノシートは様々な点で効率的です。幅の広いナノシートはより高い駆動電流を可能にし、幅の狭いナノシートは消費電力を最適化します。この汎用性により、GAAトランジスタは近い将来、同種のトランジスタの中で最も高度なものとなることが期待されます。

さらに、これらのトランジスタはコスト効率に優れています。低コストで製造できるため、先進的なチップの大量生産を低コストで実現できます。最終的には、5G接続、ゲーム、グラフィックス、AIソリューション、医療技術、自動車技術など、私たちの身の回りのあらゆる電子機器の性能向上に貢献するでしょう。 

GAAトランジスタへの投資

GAAは近年大きく進歩しましたが、科学界では以前から関心が寄せられていました。記録によると、最初のGAA技術は1986年に実証されました。しかし、サムスンが2022nmプロセッサノードでGAA対応チップを初めて製造したのは3年のことでした。サムスンはこれをGAAフレーバーと呼んでいました。 マルチブリッジチャネルFET（MOSFET）は、より広いチャネルを持つナノシートを活用し、より狭いチャネルを持つナノワイヤを使用する GAA 技術と比較して、より高いパフォーマンスと優れたエネルギー効率を実現しました。

それ以来、多くの企業がこれに取り組んできました。しかし、 インテル (INTC -0.43％)特に、GAAトランジスタ技術を実際に量産段階に導入している数少ない企業の一つであるため、現時点では有力な選択肢と言えるでしょう。RibbonFETとPowerViaを採用した同社の18Aプロセスは、既に性能と効率の大幅な向上を示しており、設計から製造まで幅広いパートナー企業の支援を受けています。

さらに興味深いのは、インテルがチップの設計だけでなく、米国で製造も行っていることです。つまり、インテルは勢い、規模、そして明確なロードマップを持っているということです。AIと高性能コンピューティングが急速に成長する中で、インテルの地位は、この分野における他の多くの企業よりもはるかに優位に立っているように感じられます。

インテル (INTC -0.43％)

RibbonFETはインテル初のGate-All-Around（GAA）トランジスタであった。は、技術的先行技術であるFinFETと比較して、ワットあたりの性能が最大15%向上しています。2021年、IntelはRibbonFETゲート・オールアラウンド（GAA）トランジスタ技術であるIntel 18Aを発表しました。 

このソリューションは、ワット当たりの性能が15%向上するだけでなく、Intel 30プロセスノードと比較してチップ密度が3%向上することを約束しています。Intelは、これが北米で製造される2nm未満の先進ノードとしては最も早期のものであり、顧客に安定した供給の選択肢を提供すると主張しています。

このソリューションは、業界初のPowerVia裏面電源供給技術を基盤として採用しています。これにより、密度とセル利用率が5～10%向上し、抵抗性電源供給のドループが低減されたことで、ISO電力性能が最大4%向上しました。また、フロントサイド電源設計と比較して、固有抵抗（IR）ドロップも大幅に低減しました。

すでに述べたように、GAA トランジスタ テクノロジの実装により、Intel は電流を正確に制御できるようになり、チップ コンポーネントをさらに小型化すると同時に、高密度チップにとって重要な懸念事項である電力リークを削減できるようになりました。

Omni MIMコンデンサは誘導性電力低下を低減し、チップの安定した動作を向上させました。Intelは、この強化機能が、突発的で強力な計算能力を必要とする生成AIなどの最新のワークロードにとって極めて重要になると考えています。

インテルのGAAトランジスタ技術は、業界標準のEDAツールとリファレンスフローによって完全にサポートされており、他のテクノロジーノードからのシームレスなアップグレードを実現しています。インテルは、顧客が他のバックサイド電源ソリューションよりも先にPowerViaを用いた設計を開始できると主張しています。

この開発には、EDA、IP、設計サービス、クラウド サービス、航空宇宙および防衛の分野にわたる 35 社を超える業界をリードするエコシステム パートナーの強力な連携が求められ、エコシステム全体がこの技術の最先端化に取り組みました。 

Intel は 18A ファミリのソリューションで進化を続けています。

インテルには18A-Pと18A-PTがある。18A-PTはAIとHPC向けに設計されており、重要な追加機能である。 次世代3DIC設計を構築するお客様に最適です。このソリューションは、最新のバックエンドメタルスタック、パススルーTSV、ダイ間TSV、そして業界をリードするピッチを備えた高度なハイブリッドボンディングインターフェース（HBI）を特徴としています。 

Intel は、このソリューションは高度なワークロードのスケーラビリティと統合性を大幅に向上させるのに適しており、顧客が AI と高性能コンピューティングの限界を押し広げることができると主張しています。 

インテルは18A-PTに加え、18A-Pも提供しています。この比較的古いバージョンは、インテルのRibbonFETとPowerViaテクノロジーの第XNUMX世代の実装に基づいており、次世代のパフォーマンスと優れた電力効率を実現します。 

このソリューションは、新しい低しきい値電圧およびリーク電流が最適化されたデバイスと、新しい細粒度リボン幅を特徴としており、ワットあたりのパフォーマンスの大幅な向上とトランジスタのパフォーマンスの向上を実現します。 

インテルのGAAトランジスタ技術の実際の使用例

高性能コンピューティングおよび AI アプリケーション向けに、Intel のソリューションは優れたチャネル制御を提供し、高い駆動電流とスケーラビリティによりワットあたりのトランジスタ性能が向上します。

RibbonFET の面積削減により、より小さなチップでより多くの機能を実現できるため、小型の医療用および産業用センサーに役立ちます。

モバイルアプリケーションのニーズに応えることで、高度なモバイルおよびブロードバンドプロセッサの構築を支援します。高度な製造技術により、一貫性と信頼性の高いパフォーマンスが確保されるとともに、微調整されたしきい値電圧により優れた電力効率が実現され、モバイルデバイスのバッテリー寿命が全体的に向上します。 

このソリューションは、コンピューティング能力の向上が求められ、サイズ、重量、電力、コスト (SWaP-C) の要件が厳しい航空宇宙および防衛のニーズにも効果的であることが証明されています。 

Intel 18A ソリューションは IR ドロップが低く、パフォーマンスを損なうことなく、電力制約のあるアプリケーションに必要な効率を提供します。 

これらすべての機能強化と機能をソリューションに搭載したインテルのGAAテクノロジーは、まさに変革をもたらすものです。そのパフォーマンスは、技術革新の巨匠であるインテルに期待される水準を満たしています。 

インテルは2025年14.3月、第7四半期の収益が前年同期比53.1%減の2億ドル、通年の収益が前年同期比XNUMX%減のXNUMX億ドルだったと報告した。

Intel は GAA のイノベーションを継続し、新たなマイルストーンを達成すると予想されており、GAA トランジスタに関する全体的な研究は本格化しています。 

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GAAの未来の可能性 

この分野のもう一つの業界リーダーであるサムスンは、GAA トランジスタが、AI からビッグデータ、自動運転、モノのインターネットに至るまで、高性能と低消費電力が求められる次世代半導体アプリケーションにすぐに採用されるだろうと考えていました。

2024年に発表された研究論文¹, ゲートオールアラウンド電界効果トランジスタ（GAA FET）を、現代の低消費電力・高性能電子アプリケーションにおける現実的なソリューションとして研究しています。研究者らは、GAA FETの本質的な電気特性と性能指標を詳細に調査するため、製造、電気特性評価、シミュレーションモデリングを含む広範な実験分析を実施しました。

研究者たちは、閾値電圧、リーク電流、サブスレッショルド・スイング、相互コンダクタンスといった複数の主要パラメータを厳密に検証し、低消費電力アプリケーションにおけるトランジスタの動作効率を評価しました。さらに、GAA FETの挙動を正確に予測するための高度なシミュレーションモデルを開発・検証し、高性能コンピューティングに向けた将来の設計強化を支援しました。結論を導き出す中で、本研究ではGAA FETの利点を明らかにし、低消費電力と高性能コンピューティングの両方の要件を満たす有望な候補としてGAA FETを位置付けました。 

もう一つの重要な研究は、 2022に発表されましたは、GAAナノシートFETプロセスの可能性を調査した。研究者らは、この分野に携わる多くの ナノシートFETの先にあるものをすでに検討している。彼らは、ムーアの法則のスケーリングを継続する上で最有力候補は、垂直輸送FET（VTFET）と積層トランジスタであると主張した。

研究者らは、ゲートオールアラウンド型ナノシートトランジスタ技術の実現を阻むプロセス上の課題についても調査しました。彼らは課題を4つの大まかなカテゴリーに分類しました。

• 自己発熱
• 製造中の機械的安定性
• デバイスのばらつき
• SiとSiGeの混合

研究者らは、シリコン上のダイヤモンドなどの新しい基板は自己発熱効果を向上させる可能性があるものの、そのような方式が大量生産に採用される可能性は低いと強調した。 

彼らは、ナノシートが設計の柔軟性を可能にすることを認め、シートのアスペクト比と内部スペーサーの機械的完全性がシート全体の安定性に重要な役割を果たすことを認めた。彼らは、ラインエッジ粗さ、ゲートエッジ粗さ、不均一な仕事関数の金属堆積、ランダムなドーパントの変動など、いくつかの要因から生じる可能性のあるデバイスのばらつきを最適化する必要性を強調した。 

彼らは特にSi-SiGe ナノシート用スタック自体は、チャネル解放工程前の多数の熱サイクルを経る際に熱混合の影響を受けやすいことが示されました。しかし、SiGeチャネルがSiチャネルシートに対して選択的にエッチングされ、SiシートがSi-SiGe混合によって過剰エッチングされない限り、この影響は許容範囲内であることが確認されました。

こうした課題が依然として存在する中、GAAトランジスタがトランジスタ技術の成長軌道において画期的な存在である理由を理解するには、基本に立ち返る必要があります。GAAトランジスタは、チャネルが水平に配置されていたため、リーク電流に関連する多くの課題を解決できたため、先行技術であるFinFETよりも優れていました。また、GAAトランジスタは4辺すべてがゲートに囲まれていたため、トランジスタの構造が改善されました。この構造の改善により、FinFETプロセスよりも正確に電流を制御できるようになりました。 

IntelやSamsungといった企業に加え、この分野のリーダーであるTSMCも、N2プロセス技術の初期世代からGAAトランジスタを採用し始めました。FinFET半導体プロセスは、長年にわたり製造標準として使用されてきましたが、GAA技術の登場により大幅な進化を遂げました。

専門家は、GAAプロセス技術をシリコンリソグラフィにおける重要なマイルストーンと捉えています。GAAがバトンを受け継ぎ、半導体業界をFinFETプロセス技術が残したシリコン微細化の次のレベルへと押し上げると期待されています。  

研究者たちは、負性容量GAA電界効果トランジスタの進歩についても楽観的です。 彼らはGAA-FETゲートを囲む構造により、FinFET よりも優れたゲート制御と高い SCE 抑制能力を実現し、3 nm テクノロジー ノード以降の半導体市場を支配することが期待されます。 しかし、GAA-FET が SCE を削減する潜在的な選択肢として優れていることを示しているにもかかわらず、消費電力の増加は無視できないと警告しました。

もう一つの研究は科学界にさらなる展望を開いた。 トランジスタレベルのイノベーションと、完全性確保のための相互接続と電力供給分野におけるイノベーションの重要性を認識しました。彼らは、電力供給分野における「埋め込み型電力レール（BPR）」と呼ばれる提案について言及しました。これは、電力レールをトランジスタデバイスの下に配置することで、前面に配線の柔軟性を高め、導体の混雑を軽減する領域を確保するというものです。しかし、この提案には、裏面のパターニング、前面と裏面の構造のアライメント、そしてウェハ裏面の薄化など、いくつかの技術的課題が伴います。

まとめると、他のイノベーション分野と同様に、トランジスタも時間の経過とともに改善していくためには、継続的な試行錯誤のプロセスが必要です。しかし、現時点ではGAAは有望な結果を示しており、近い将来には主流となる可能性があります。

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参照された研究:

^{1. Reddy Hemantha, G., Priya, AS, Suman, JV, Rao, TVJ, Priyadarshini, GMA, & Mallam, M. (2024年2024月). 低消費電力・高性能アプリケーション向けゲートオールアラウンドFET（GAA FET）の特性評価とモデリング．10.1109年国際会議「現代医療・工学科学技術の進歩に関する国際会議 (AMATHE)」にて発表．IEEE．https://doi.org/61652.2024.10582059/AMATHEXNUMX固体電解質における巨大化． ACSエネルギー手紙、10（3）、1255 – 1257。 https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398}