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2016年 09月 29日 (木)

フルCMOSシステムLSIを本物の産業へ



フルCMOSシステムLSIを本物の産業へ

 さらに、今まで全くできなかった「フルCMOSシステムLSI(LSI:大規模集積回路)」を本物の産業にすることができるんですよ。

―「フルCMOSシステムLSI」とは何ですか?

 今は、汎用のマイクロプロセッサをインテルがつくり、これをソフトウェアで駆動するシステムしか世の中では使えていないのですね。けれどもこの汎用のマイクロプロセッサをソフトウェアで駆動するシステムに比べて、「システムLSI」の性能はさらに数千倍から数万倍向上するのです。


【図5】フルCMOSシステムLSIを本物の産業へ

―「システムLSI」は、ソフトウェアではなく何によって駆動されるのですか?

 システムLSIは、ソフトウェアがチップの中に全部最初から組み込まれているのです。ですから、ある限定されたことしかできないわけですが、そもそも機械はやらなければいけない役割が決まっているので、何でもかんでもできるシステムである必要はないのです。

 さらに、システムLSIにすると性能が断然良くなる上に、システムの消費電力が数千分の1に減るのですよ。情報通信機器の消費電力が物凄い勢いで増えていることは今、世界中で大問題になっているでしょう?けれども、このフルCMOSシステムLSIを本物の産業にできれば、その心配が全くない、と言っているのです。

 それも今度の製造技術で、完全に可能になるのです。ですから、世界が落ち込んでいる今の状況を、完全に突破させてやれますよね。このフルCMOSシステムLSIが本物の産業になると、本当に皆喜ぶと思いますよ。小さなシステムで、物凄く高性能のものができるようになりますからね。


現在の技術では、シリコンの限定された性能しか使えていない

―その理由を、具体的にはどのように考えたのですか?

 理由は非常に簡単です。ちょっと専門的で申し訳ないのだけどもね。シリコンと言うのは単結晶ですからね。いろいろなウェハーに切り出す時に、いろいろな面方位の表面に切り出すことができるのです。その中で(100)表面と言うのは、真上から見た時にシリコン原子の密度が一番少なくなる表面です。その表面にだけ今、集積回路がつくられています。つまり、現状の技術は、シリコンの(100)表面にしか集積回路がつくれない技術でありながら、「シリコン技術はもはやこれまで」と世界中はわめいているのですよ。

 そこで私が一貫して言ってきたことは、(100)表面にしか集積回路をつくれない技術では、シリコンという結晶が持つ性能のうち、ごく限定された性能しか使えていない、ということですよ。シリコンという結晶が持っている全性能を完全に駆使しようと思ったら、任意の面方位のシリコン表面上に集積回路がつくれる技術をつくらなければ駄目なんです。それが今、我々がつくっている新しい製造技術なんです。

 その中で我々は、(100)表面じゃなくて(551)表面のシリコン上に集積回路をつくりなさい、と世界に提案しているんですよ。じゃあ、(100)面と(551)面の決定的な違いが何か?と言ったら、この図(図6)を見てください。


【図6】(100)表面と(551)表面におけるn型MOSトランジスタとp型MOSトランジスタの電流・電圧特性

 この図は、縦軸が電流で横軸が電圧です。「n型MOSトランジスタ」と「p型MOSトランジスタ」の電流・電圧特性がプロットされています。n型MOSトランジスタとp型MOSトランジスタを直列につないだものが、CMOS(シーモス)という回路なんですけどね。

 黒の実線が(100)表面のMOSトランジスタの電流・電圧特性です。するとね、n型MOSトランジスタは結構良く電流が流れているのだけども、p型MOSトランジスタは電流がほとんど流れていないことがわかりますでしょう?n型MOSトランジスタに比べて3分の1も流れないのですよ。そのために、回路を組んだ時にバランスが悪くなって、雑音がいっぱい発生しちゃうのです。

 それに対して(551)表面にすると、電流・電圧特性が図(図6)で赤線になるのです。p型MOSトランジスタは(100)表面に比べて電流が4倍以上流れるようになりました。同時に、p型MOSトランジスタとn型MOSトランジスタが、同じ寸法で同じ電流が流れるのですよ。そのために、今の(100)表面だったら p型MOSをn型MOSに比べて3倍大きくしなければばらないアンバランスドCMOSだったのが、(551)表面ならp型MOSとn型MOSの大きさが同じバランスドCMOSになって、雑音が物凄く少なくなっていくのです。そして、アナログや高周波にも完全にCMOSが使えるようになってね。今まで全く不可能だったことが可能になっちゃうのですよ。

 要するに、我々が開発した新しい製造装置を使えば、任意の面方位に集積回路をつくれるのですよ。その中で我々は、性能の最も優れた集積回路を作りたければ、(551)表面を選びなさい、と世界に提案しているわけですね。我々は製造装置を新しくしたから、(551)表面に集積回路をつくれるようになるのです。

―行き詰まりを見せる現状のシリコン技術に対して、シリコンの持つポテンシャルをどうすればより発揮できるのか、具体的な方法を世界に向けて示したのですね。

 そうそう、そうです。


超高性能の集積回路をつくれるのはシリコンだけ

―その方法は、他の人は思いつかなかったのですか?

 いやぁ、思いつかないんじゃないですか。現在の技術では(100)面にしか集積回路がつくれないことは、30年前から私はとっくにわかっていたわけですね。このままでは行き詰るから、新しいシリコンの製造技術をつくらなければ駄目ですよ、と言ってね。

 その時は、まだ助教授だった時代だけども、当時の文部省の方々を一生懸命説得して、38億4千万円というお金を出してもらったんですよ。それで東北大学の片平キャンパスに、スーパークリーンルームの研究所をつくらせてもらったんです。そのおかげで今の私があるんですよ。当時の文部省の人たちも偉いですよね。私の言うことがわかったのですから。

―今なら実際にシリコン技術の停滞がここ5年で目に見えているので他人も納得しやすい話だと思うのですが、30年も前にどうやって説得したのですか?

 いや、その当時も「シリコンはもう駄目だから化合物半導体だ」と当時の技術ジャーナルにはいっぱい書いてあったんですよ。でもね、化合物半導体では絶対に超高性能の集積回路はできないのです。理由はこうです。

 集積回路の動作速度を速くするためには、MOSトランジスタの電流駆動能力を徹底的に大きくしなければなりません。そのためにトランジスタ寸法の微細化やゲート絶縁膜厚の薄膜化が進められているのです。同時にソース・ドレイン電極の直列抵抗を徹底的に小さくしなければなりません。この直列抵抗を小さくするには金属電極と半導体の接触抵抗を徹底的に小さくしなければなりません。これができるのは金属との化合物であるシリサイドが存在するシリコンだけなのです。化合物半導体やゲルマニウムでは直列抵抗が大きすぎて、高速の集積回路はできません。 シリコンしか高性能な集積回路はできないのです。

 けれども新しい半導体の製造技術をつくらないと、今のままじゃシリコン技術も行き詰っちゃいますよ。だから新しいシリコンの製造技術を創出する研究をやらせてください。そう言って説得に行ったのですよ。そして、当時の文部省の方々はそれをわかってくれたのです。

 今もまた世界中が「シリコンはもう駄目だから化合物半導体だ、ゲルマニウムだ」って言ってるんですよ。それでしょうがないから、「高性能の集積回路をつくれるのはシリコンだけで、化合物半導体ゲルマニウムじゃできないよ」というのをね、この間、論文に初めてはっきり書かしてもらったんですよ。他の技術の悪口は言わないできたものですから。けれども、もう放っておけないですよね。

 でも、そのことを今から30年近く前に説得に行った文部省の人たちが理解してくれたのは、すごいことですよね。要するに、まだ助教授だった私を信じてね、38億4千万円というお金を出す、と言ったわけですよ。普通じゃそんなお金、出てきませんよ。それから30年近くかかってね、今かろうじて間に合ったのかな、って感じがしていますね。


シリコンという結晶が持つ全性能を完全に駆使するための方法

―具体的には、その理由をどのように説明したのですか?

 理由は非常に簡単でね。学問をちゃんとやって理解していると、こんなこと当たり前なのですよ。ちょっと専門的で申し訳ないのですけどね、n型MOSトランジスタとp型MOSトランジスタを直列につないだものが、CMOS(シーモス)という回路なんですけどね。これで動作速度がどうやって決まるかと言いますと、「真性の相互コンダクタンス(intrinsic transconductance)」Gmiというのがありましてね。このGmiを可能な限り大きくすることが動作速度を速くする道なのですよ。


【図7】トランジスタの動作速度を向上させるためには

 ここにμeff(ミューエフェクティブ:channel mobility)というのがありますけど、これは電子やホール(正孔)の移動度なのですよ。ですからμeffが大きくて、L(device dimension、装置の寸法)が小さくて、Tox(gate insulator film thickness、ゲート絶縁膜の厚さ)が小さいと、Gmiは大きくなりますよね。それで結局、デバイスの寸法を小さくすることと、ゲート絶縁膜の厚さを薄くすること。この二つのことだけで、現状のシリコン技術は進歩を遂げてきたのですよ。


【図8】真性の相互コンダクタンス(intrinsic transconductance)Gmi

 ところが、このゲート絶縁膜を薄くし過ぎたために、リーク電流が大量に流れるようになっちゃってね。もうこれ以上薄くできないよ、ということで進歩が止まっちゃったんです。そこで我々が言っていることはですね。その二つだけじゃなくて、この電子やホールの移動度(μeff)を大きくしないと駄目だ。それからゲート絶縁膜の誘電率(εox)を大きくしないと駄目だよね。そういうことをどんどんやるとGmiはもっと大きくなるぞ、ということを言っているわけですよ。

 そのためには(100)表面だけでは駄目でね。それとは別の、シリコンの最適な表面上に集積回路をつくれるようにしないと駄目で、それがμeffを大きくするということなんです。


絶対に化合物半導体では超高性能の集積回路はできない理由

 それともう一つ。これも専門的で申し訳ないのですけれどもね。トランジスタのソース電極、ドレイン電極には直列抵抗(Rs)というのがつながっていましてね。直列抵抗Rsが存在すると、ゲート遅延時間はGmiを大きくしていくと、外から見える相互コンダクタンス(apparent transconductance)というGmeffになるんです。


【図9】外から見える相互コンダクタンスGmeff

 Gmi/(1+Rs・Gmi)、実に単純な式なので、すぐわかると思うのですけどね。もしRs・Gmiが1よりも大きくなっちゃうとね、1を無視できるから、見掛けの相互コンダクタンス(Gmeff)が1/Rsになるんですよ。化合物半導体の場合は、この直列抵抗Rsが小さくできないのです。それで見掛けの相互コンダクタンス(Gmeff)が1/Rsになっちゃうのですね。我々が実現しないといけないのは、Gmiをどんどん大きくすることだけども、直列抵抗Rsはもっと小さくしてね、Rs・Gmiは1よりもいつも十分小さくしてやると、見掛けの相互コンダクタンス(Gmeff)はGmiになるんですよ。

 ゲート遅延時間(Gate delay time)τが短ければ短いほど、動作速度は速いのですけれども、Rs・Gmiが1よりも大きいと、直列抵抗Rsと静電容量のCLの掛け算で決まっちゃうのですね。トランジスタ性能は全然関係ないのです(τを短くすることができない)。そこで、我々が実現しないといけないのは、こちら(CL/Gmi:Rs・Gmi≪1)なのです。Rs・Gmiは1よりも十分小さくて、Gmiを徹底的に大きくしてね。すると、ゲート遅延時間はCL/Gmiなんで、τはうんと短くなるのですよ。今の化合物半導体は、Rsがどうしても大きいものですからね。こっち(Rs CL:Rs・Gmi≫1)になっちゃうのです。

 なぜ化合物半導体はRsが大きいかと言うと、と言うより、シリコンはなぜRsが小さくできるかですけどもね。シリコンという材料だけが金属との化合物であるシリサイドという材料を持っているのです。そのために直列抵抗Rsをうんと小さくできるのですね。ですから、Rs・Gmiを1以下にできるのは、シリコンだけなのです。それ以外の半導体では金属との化合物を持っている半導体はないのですよ。ですから他の半導体は全部駄目なんです。絶対に超高速の集積回路なんかできっこないんですね。シリコンだけなのです。

 そんなことは昔からわかっていました。それは、自然科学の法則ですから。そのことを文部省に言ったのです。絶対に化合物半導体で超高性能の集積回路はできないですよ。シリコンしか可能性はないのです。それで私の言うことがわかって、文部省は金を出してくれたんですよね。あの時、金を出してもらっていなかったら、とても間に合わなかったですね。


すべては自然科学の法則通りに動き、願望でものは動かない

 我々は、真性相互コンダクタンスのGmiを大きくすると同時に、直列抵抗Rsを徹底的に小さくする研究開発を同時並行でやっているのです。そして両方に成功しているのは、我々だけなのですよ、もちろん。それは新しい製造装置技術を持っているからですね。そして、 今年の2月17日に韓国で開かれた半導体学会で講演を頼まれて、この話を初めて発表してやったのです。物凄い反響だったのですよ。

―誰もこのロジックに気づいていなかったということですか?

 そうです。皆、驚くのです。化合物半導体では、こういう理由で絶対にRsは小さくできないぞ。だからシリコンだけが、超高性能の集積回路をやれる材料なんだ、ということをはっきり発表したのは、この韓国の学会が初めてなのですよ。30年前に文部省の人には話したのですけれどもね、他の技術の悪口になるようなことは論文に書かなかったものですから。けれども、このままではもう、まずいと思ってね。本当のことはやっぱり言ってやらないと駄目だなと思って、初めて千人を超える人の前で話したんですよ。

―「世界に通用する本物の産業技術をつくるためには、経験と勘に基づく従来の産業技術ではなく、本物の科学に基づいた産業技術でなければ新しいことはできない」と先程お話されていた意味が伝わってきました。

 すべては自然科学の法則通りで、願望でものは動かないのですよね。だから、うちの研究室はシリコン技術一辺倒で、これまで押してきているのですよ。それ以外には可能性がないことに、最初から気がついていましたからね。

 もっとも、彼ら(研究室メンバー)に、そんなことは言っていませんよ。「もう、シリコンでやるんだよ」ということだけ伝えておいてね。まぁ、最近ですよね、こういうことを私がはっきり言い出したのは。あまりにも世間がね、自然科学の法則に反することを平気でやり出しているものですからね。いい加減にしろって言うので、論文にはっきり書くようにしたのですよ。やっちゃいけないことは、やっちゃ駄目なのですよね。絶対に、うまくいかないですから。


やったことは全部成功させなければ駄目

―もう一つ質問があります。自然科学の法則に基づいたロジックを大見さんが30年前に組み上げ、その実現のために必要なものを全部開発してきたことは伝わってきました。それだけ膨大な量の要素技術を開発できたのは、もちろん大見さん一人だけではなく、他の多くの人たちも「そうだ」と信じて一緒に技術開発をしてきたからこそ実現できた結果であると思います。それを実現できた理由に、もちろん科学技術に基づいたロジックがベースにあるとは思うのですが、逆に言えば、ロジックだけで人は動くものですか?

 やっぱりね、リーダ-シップと言うかな。仕事の展開の仕方が大きいのではないでしょうかね。例えばゼロから全部をつくらないといけない時、どういう順番でものを開発するか良く考えて、展開したのですよ。でね、本当に製造装置の本体に手をつけたのは、1990年代に入ってからなんです。それまでは装置を動かすために必要な、周辺の色々な要素技術、関連技術の開発を、まずやっていくのです。

 だから、最初のうちに一つでも失敗があると駄目なのですよ。皆が不安がりますから。やったことは全部、成功させないと駄目なのです。それで、一つもしくじらないで皆、大成功させてきました。ガスの技術も超純水の技術も薬品の技術もね。そういうのを見て、やっぱり皆、言うことを聞くようになるのですよね。思いつきでやっているわけではありませんから。こういうことは全部やらないといけない、どんな順番でやるかまで全部考えてやっているのですよ。それはやっぱりね、自然科学に基づく研究開発のやり方なのです。

 私の研究開発は、しくじったものがないのですよ。それはなぜかと言うと、絶対に必要なものだから、研究開発に着手するわけですよね。絶対に必要なのですから、成功するまでやっていますからね、しくじるなんてことはあり得ないのですよ。でき上がるまでやるわけですから。だから、最初にお話したポンプにしたって、やっぱり20年以上かかっちゃうのですよね。たかがポンプでもね。

―そんなに壮大で緻密なプランを描けるくらい、これまで積み重ねてきたのですね。

 もう死に物狂いで30歳代に勉強してね。本当に何が人類にわかっていて、人類にとって未知なことは何かが全部、区分けできるようになったのですね。そういうことがわかるようになるまでに、まぁ死に物狂いで勉強するしか、しょうがないですよね。

 やっぱりね、自分にわからないことをわからすという研究じゃ、そりゃあ迫力がないですよ。世界にとってわからない、こういうことをやると世界にとってこういうプラスになるんだ、ということがないとね。そりゃ、皆ついてこないですよ。本当に全部、自分でプランして生きているのです。なかなか凄まじい男がいるもんだ、と思いませんか(笑)


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