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先頭集団で走り続けるためにも、ときには戦略的に、あるいは大胆に挑戦を

「IEEE EDS Japan Chapter総会およびIEDM報告会」が2017年2月15日に東京大学山上会館で開催された(参考資料1)。前年12月のIEDM2016の報告が行われるので、IEDM出席もままならぬ身には大変貴重な報告会である。例年のように分野別にそれぞれの専門家による詳細な説明がなされた。

以下、いくつかのトピックスに焦点を絞ると共に、引き続いて2017年2月15-17日に開催されたNanoTech2017 (参考資料2)を見学した印象と、更に2017年3月14-17日の第64回応用物理学会春季学術講演会(参考資料3)を聴講した感想と共にまとめてみたい。

欧米の研究機関とコラボするアジアの大学・企業
まずIEDM2016の報告会を聴講して個人として印象的だったのは、(1)米国や欧州の「最先端」として報告される研究発表に台湾、韓国、中国の大学や企業の研究者が必ずといってよいほど共著者として名を連ねていること、そして(2)中国の著しい台頭、更に(3)2次元半導体の発展の3点であった。

表1をご覧頂きたい。これは上記IEDM報告会において、ルネサスエレクトロニクスの新居浩二氏(参考資料4)によるCircuit and Device Interaction分野の報告をもとに作成したものである。講演で新居氏が取り上げられた論文発表ごとに、その著者の所属機関をまとめてみた。複数の研究機関の場合は筆頭著者の所属機関に○印を付している。表2と表3もそれぞれ産業技術総合研究所の森貴洋氏(参考資料5)によるNano Device Technology分野と、ルネサスの井上真雄氏(参考資料6)のProcess and Manufacturing分野で、報告者が選別した論文の著者所属機関を同様に整理したものである。

いずれも報告者が持ち時間20分間という制限内に要領よくまとめたものであり、それぞれ専門的識者の立場でIEDMでの注目すべき論文をピックアップしているので、これがIEDM 2016における各分野の最先端技術動向を示すものと考えてよいだろう。ただし、当日の報告はスライドを使って口頭で行われたため、本稿の内容は筆者のメモと記憶による。したがって誤解や記憶違いもあるかもしれないが、その節はお許し頂きたい。その上で以下いずれの表でも赤字で記されている論文番号の所属機関を注目しておいてほしい。


表1 Circuit and Device Interaction


新居氏(参考資料4)によるとCircuit and Device Interaction分野はCMOSの最先端技術を集めたセッションのグループであり、論文番号16.1は4層で乗算と加算をしてしまうReRAMで、この分野でトップの点数で採択されたとのことであった。そこにはスタンフォード大学やカリフォルニア州立大学バークレイ校と共に台湾の国立ナノデバイス研究所(National Nano Device Laboratories)の研究者が名を連ねている。

論文番号16.2と16.7は今話題のニューロデバイスであり、16.2はアリゾナ州立大学と共に中国の清華大学(Tsinghua University)の共同研究である。

更に論文番号2.6と2.7は7nm技術のLate Newsで、最新の成果報告である。中でも論文番号2.7はEUV露光でパターニングした最先端デバイスの研究成果であり、IBMやグローバルファウンドリーズと共に韓国サムソンの研究者が連名になっている。この研究は「注目論文(Highlights)」の一つとして、後述するIEEE Electron Devices Society Newsletter誌の編集チームがまとめた記事(参考資料7)にも取り上げられている。

また論文番号7.2と28.4は共に北京大学と中国のマイクロナノ電子工学および集積システムイノベーションセンター(Innovation Center for MicroNanoelectronics and Integrated System)の研究者が、英国のシノプシスUKとグラスゴー大学の研究者と共同研究をした成果の発表である。

いずれも台湾、中国、韓国の研究者が米国や英国の最先端の研究機関の科学者と連携して、次世代を担う技術の開発や実用化研究をしている。つまり台湾、中国、韓国勢は欧米と上手にタイアップして最先端技術の研究に努めている姿が見て取れる。またその結果と言えるのかどうかは早計かもしれないが、この新居氏が選ばれた論文の中には中国清華大学(Tsinghua University)と北京大より投稿された論文3件、即ち論文番号16.2、7.2、28.2が含まれており、その論文件数は台湾の国立研究所(National Nano Device Laboratories)とTSMCから投稿された論文、即ち16.1、2.6、35.2の3件に、数の上では並ぶ勢いになっている。半導体自給を目指し、半導体産業を立ち上げようとする中国(参考資料8)の台頭が目覚ましい。

表2はNano Device Technology分野であり、報告者の森氏(参考資料5)によると、トランジスタの高速化のためのSteep Slopeに関する論文と、2次元半導体、そして量子ビット技術の論文が注目を集めたとのことであった。論文番号5.5はBN/Al2O3の2層ゲート絶縁膜の上に数レイヤーの黒リン(BP)を載せた構造の2次元デバイスを作り、優れた特性を達成したという報告である。論文番号を赤字で示したようにここでも米国パデュー大学とTSMCの研究者の連名になっている。また論文番号5.7はMITと台湾国立清華大学(National Tsing-Hua University)の科学者の連名で発表された2次元デバイス用MoS2の研究成果である。

森氏が指摘されたようにIEDMでは、2次元半導体の研究も一つのセッションを構成するほどになっている。通常の3次元結晶では結晶欠陥や格子散乱などがキャリヤ移動度を阻害するが、2次元のモノレイヤーあるいは数レイヤーの場合は格子散乱が少ないので移動度の改善が期待される。最近の注目分野であり、近刊の応用物理学会誌でも名古屋大学大学院 北浦良氏より「遷移金属ダイカルコゲナイド―六方晶窒化ホウ素のヘテロ積層構造―」の研究紹介がなされている(参考資料9)。

この表からもこの分野で米国の超一流有名大学の研究に台湾のグループが参画している実態が窺われる。またこの表では台湾から4件もリストアップされている点も注目に値する。日本勢では産総研の研究者と、東京大学及びそのCRESTグループが健闘している。


表2 Nano Device Technology


表3はProcess and Manufacturing分野であり、表の論文番号は井上真雄氏(参考資料6)の選択による。この分野はもともと企業や大学で開発された新規なプロセス技術や製造技術の研究発表なので、それぞれの個性もあり特に提携を重視する必要もない。それでも例えば論文番号25.1はimecグループからのCMOSヘテロ構造に関する報告であり、その著者の中にはimecにassigneeとして出向していたシンガポール国立大学(National University of Singapore)の研究者が入っている。

またセッション33ではゲルマニウムチャンネルに関する研究が集められている。ゲルマニウムはシリコンよりもキャリヤが高速であるため現在注目されている。論文番号33.4はimecが筆頭著者の所属であるが、ASMベルギーやASM米国などの欧米企業に並んでシンガポールのナンヤン工科大学(Nanyang Technological University)の科学者が入っている。

なお、17.1はIBMとグローバルファウンドリーズからの発表で、アジアのグループとの連携ではないが、IEEE Electron Devices Society Newsletter誌(参考資料7)の編集チームも注目している研究論文である。つまり、このことも井上氏の論文選択の慧眼を裏付けている。


表3 Process and Manufacturing


以上注目すべきは、繰り返しになるが各表に赤い番号で示したように、最先端の研究分野で台湾、中国、韓国、シンガポールの研究者が欧米の研究機関に食い込んでおり、次世代を担う準備をしている点である。また3つの表を通してわかるように半導体で自立を目指す中国の台頭も顕著であり、そのレベルも高い。

なお、IEEE Electron Devices Society Newsletter誌の編集チームがIEDM Technical Chairから寄せられたデータを基にまとめられた記事(参考資料7)において取り上げている論文は、上記のように表1の論文番号2.6と2.7、及び表3の17.1が重複していた。そしてこの記事では上記の2.7以外はアジアと欧米の連携はなかったが、それは単に上記参考資料4-6の3氏がカバーする領域と参考資料7の著者たちがカバーする領域の範囲との違いのためと考えられる。いずれの報告も選択されている論文の数の上では大差ないが、前者3氏の場合は、分野別にLSIやその基盤技術となるトランジスタ特性の論文を対象にしているのに対して、後者はそれだけではなくシリコンフォトニクスやパワーデバイス、テラヘルツデバイス、ガスセンサなど広く全分野を対象に14件選んでいるからである。

Nanotech2017 の見学での不安
続いて2017年2月15-17日に開催されたNanotech 2017 (参考資料2)を見学した。各ブースを訪れてみると、年々ナノテクが産業として発展してきているのがわかり、大変心強かった(参考資料10, 11)。しかし、ここで上述のIEDM2016で一つのセッションを形成するほど話題になっている2次元半導体の開発状況を調査しようと思ったが、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)、産総研、TIA/ナノテクノロジービジネス推進協議会(NBCI)/筑波大学、文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム、物質・材料研究機構(NIMS)など主なブースを廻っても、グラフェンの展示はあるものの、どこにもTMD(遷移金属ダイカルコゲナイド Transition Metal Dichalcogenide)の説明パネルはなかった。見落としているかもしれないと思い、各ブースで丹念にTMDについて聞いて回ったが、一様に「今年はパネルを持ってきていない」との返事であった。ということはまだ実用化研究として発表できるほどにはなっていないのだろうか。

唯一、Oxford Instruments社のブースで「2次元材料用デポジション装置」のパネルを見つけた。その時の説明員の話では、「2次元材料の研究はimecを中心に欧州の方が盛んですよ」とのことであった。そしてその後同社の詳細な資料が届いた(参考資料12)。日本はどうなっているのだろうか?ここでもトップグループから離されて、置いて行かれているのだろうか?と、折しも上述のIEDM2016 の報告を分析していた最中だっただけに不安になった。

第86回応用物理学会春季学術講演会では
その後2017年3月14―17日に開催された表記の学会(参考資料3)を聴講した。同学会ではセッション番号17.3の「層状物質」の会場でTMDが取り上げられており、特にその中でも主にMoS2に関する発表が目立った。

発表者の所属も16日午前中だけでも、東大、東工大、阪大、阪府大、九大、埼玉大、北陸先端科学技術大、慶大、産総研、物材研MANA、JSTさきがけと幅広く、研究者の層の厚さを感じる(参考資料13)。筆者は他の会場に移らねばならず聴講できなかったが、このセッションは午後も続いた。これでこの分野で日本が取り残されているということはないと信じてよいであろう。基本的にデバイス技術動向は、高速性と低消費電力の追求の道を歩むのは間違いないので、その王道に沿った技術開発が今後とも進められよう。

電子ビーム露光は本当に微細加工に使えないのか
さてEUV露光装置などの高額設備を使わなければ、この高速性と低消費電力追求の実証デバイスができないとも聞く。その場合は、その高額設備を有する機関とのタイアップも視野に入れて研究開発を行い、世界に後れを取らないようにするのも戦略の一つであろう。欧米の研究機関とアジアの研究機関が連携しているのも、実証デバイスを作る上での都合もあるではなかろうかと推察される。

日本では、折角アイデアはあっても加工精度の高いデバイスを作り実証するには遠く、imecかTSMCに依頼せざるを得ない状態になったと嘆く研究者も多い。特にベンチャー企業を立ち上げようとする場合の壁になっているようである。しかしだからと言って安易に外国と連携するのも忸怩(じくじ)たる思いがあるという意見もあろう。

「装置がない場合は自分で作ってでも仕事をせよ。頭を使え」というのは西澤潤一先生の教え(参考資料14)であった。EUV露光装置が手に入る価格になるまでのつなぎとして、将来の主流にはならないとしても、例えば電子ビーム露光技術を用いて高微細精度の実証デバイスが安価に試作・製造できれば、その特性を外挿してでもEUV露光技術を用いた大量生産でのデバイス特性も推察できると思われる。

一方、電子ビーム露光法は電子線散乱のため本質的に微細加工には向かないと指摘する意見もある。しかしEUV露光パターンの寸法を測定したり、その露光パターンのラフネス測定を電子顕微鏡で行ったりしているではないか。市販されている電子顕微鏡の分解能は0.1nmであり、測長SEMの分解能も1nmレベルである(参考資料15)。

もちろんそのような細いビームを使っての露光は大量生産に不向きである。実際の生産には集束ビームを使うことになろうが、従来難しいと言われていた多数の均一な電子銃の一括作製も東北大学 江刺正喜教授や東京農工大学 越田信義教授のMEMSの研究で可能になっている(参考資料16)。レジスト材料の改善を含めて上手にプロセスウィンドウを求めさえすれば、高額なEUV露光設備でなくても電子ビーム露光装置で実証デバイスの作製は可能ではないかと思う。

このことは折に触れて繰り返して述べてきた(参考資料17)。同じことを繰り返すのも老化現象かもしれないが、しかしできない理由ばかり考えないで、チャレンジする企業や技術者はいないものだろうか。またそれを応援する国策はないものであろうか。実証デバイス作成のためにだけ海外と連携をするのも割り切れぬ思いをする日本の研究者や、ベンチャー企業を目指す若者の要望に応えるためにも、ぜひ大胆な挑戦をお考えいただきたい。現在2017年完成を目指して進められているミニマルファブでの電子ビーム露光機の実用化(参考資料18)にも大いに期待しているところである。

戦略提携できなければ自前の技術に挑戦を
IEDM2016 の論文発表の報告(参考資料4-6)から台湾、中国、韓国、そしてシンガポール勢は欧米と上手にタイアップして最先端技術の研究にいそしんでいる姿が見てとれる。提携、連携が必ずしも良いとも思えないが、例えばEUV露光装置のある研究機関とタイアップして先頭集団に入っておくのも、最先端の位置を維持する上で、戦略としてはあり得るのかとも思った。

それがいやなら自己技術を持たねばならない。まだ開発しなければならない課題もあるが、日本が比較的得意な電子ビーム露光技術などが近場にある。レジスト材料などの最適解を求めることも含めて、EUV技術への対抗馬とまではならないまでも、EUV露光装置が手ごろな価格になるまでのつなぎとして、固定概念を排して大胆にチャレンジする価値はあるのではないだろうか。

もちろん、微細加工精度の高いデバイスの安価な作製手段として電子ビーム露光のみに限らずともよい。過去にリソグラフィ分野だけでも1970年代、当時の日本電信電話公社(現NTT)茨城電気通信研究所の近藤衛氏(後、武蔵野電気通信研究所室長)のグループによるナノインプリント技術の発明(参考資料19)とその後の多くの企業による実用化、1980年代の日立製作所の高梨明紘氏のグループの液浸露光装置の発明(参考資料20)とニコン、キヤノンによる実用化、そして2010年代の日本合成ゴムの生井準人氏らのグループ(参考資料21)や東京応化工業のグループなどによるDSA(Directed Self- Assembly)技術の発明と実用化に日本人は多大な貢献してきたではないか。元気を出して大胆なチャレンジ精神を持ち続けよう。

付け加えるならば、今ではたいていのバンド構造がパソコン上の計算で簡単に求まると聞いていた。この応用物理学会の展示会場でもQuantumWise Japan 株式会社が原子スケールモデリングツール(Atomistix ToolKit)を展示しており、Virtual NanoLab(以下VNL)と称して操作環境も提供していた(参考資料22)。代表取締役で工学博士の東京理科大工学部山本研究室共同研究員臼井信志氏の説明では、以前筆者が残念な思いを回顧したGeSnのバンド構造(参考資料23)も、今や容易にパソコン上で描けるとのことであった。

このVNLのパンフレット(参考資料22)によると2次元構造のTransmission Pathwayの表示やバンド構造のプロットの例も示されている。計算科学でしっかり裏付けられたデバイス理論の構築も、今の若手研究者には夢ではない。現代の若い大学院生は羨ましいとつくづく思った。

この計算科学の進歩も著しい。冒頭IEDM2016の報告会(参考資料1)でも東芝の齋藤真澄氏がModeling and Simulation 分野の詳細な報告をされていた(参考資料24)。本稿では筆者の力量不足でよく理解できなかったため当該分野には触れなかったが、デバイス特性が物理的にシミュレーションで裏打ちされる時代である。ぜひとも実証デバイス作製のため、ときには固定概念を捨てて大胆に諸事難関に挑戦し克服して、場合によっては戦略的手法を使ってでも、世界の進歩に遅れることなく研究開発を進めて頂きたいと願う。そうすればこの計算科学のシミュレーション結果と実証デバイスの特性比較から、また新しい知見なり、技術分野が拓けてくると期待できる。

謝辞
本稿をまとめるに当たり2D Materialsの資料を頂いたオックスフォード・インストゥルメンツ(株)プラズマテクノロジー事業部 田口俊彰氏と、バンド構造をパソコン上で求められるソフト「Atomistix ToolKit & Virtual NanoFab」をご紹介頂いたQuantum Wise Japan(株) 代表取締役で東京理科大工学部 山本研究室共同研究員の臼井信志氏にお世話になった。またいつもの通り元NECの工藤 修氏のコメントもいただいた。日頃切磋琢磨する場を与えて下さる武田計測先端知財団の諸氏と共に併せ厚く御礼申し上げる。

武田計測先端知財団プログラムオフィサー、
東京大学大規模集積システム教育研究センター客員研究員、
東京大学大学院工学系研究科電気系工学非常勤講師 鴨志田元孝
(2017/04/07)

参考資料

  1. IEEE Electron Devices Society Japan Chapter総会およびIEDM報告会
  2. nanotech2017
  3. 第64回応用物理学会春季学術講演会
  4. 新居浩二, "Circuit and Device Interaction," IEEE EDS Japan Chapter総会およびIEDM報告会 (2017.2.15)
  5. 森貴洋,"Nano Device Technology" 同上
  6. 井上真雄, "Process and Manufacturing," 同上
  7. Editorial team of the EDS Newsletter--D. Tamaszewski, K. S. Karim, and M. K. Radhakrishnan, "Device Research Trends—IEDM 2016 Highlights," IEEE EDS Newsletter vol.24 (No. 1), pp.1-6 (2017) 但し同資料p.1、p.3記載の論文番号2.7と2.6は、それぞれ2.6と2.7が正しい。
  8. 斎藤徳彦, 「半導体自給に挑む中国、変わる『世界の工場』(下)」, 朝日新聞2017年3月30日朝刊
  9. 北浦良, 「遷移金属ダイカルコゲナイド―六方晶窒化ホウ素のヘテロ積層構造」, 応用物理 86、pp204-208 (2017)
  10. 鴨志田元孝, 「ナノテクノロジーの産業振興を急ごう」、セミコンポータル (2012.2.28)
  11. 鴨志田元孝, 「ナノテクの工業化には計測、製造モニタ技術も重要」、セミコンポータル、 (2013.2.14)
  12. オックスフォード・インストゥルメンツ株式会社プラズマテクノロジー事業部田口俊彰 氏より私信(2017年3月26日、同30日)と共に、同部門の"Nanofab Tools for Deposition of Thin Films and Growth of 1D&2D Nanomaterials"の資料も頂いた。
  13. 第64回応用物理学会春季学術講演プログラム16a-F203-1から16a-F203-11まで。筆者は聴講できなかったが、午後も16p-F203-1から16p-F203-15まで関連発表が続いている。
  14. 例えば鴨志田元孝, "第4章 小柳光正―三次元デバイスを可能にするTSV技術の先駆的研究", 垂井康夫・赤城三男共編「世界を先駆ける日本のイノベーター―新規事業創出へ工学知を創造する8人―」オーム社刊(2013), pp.128-130
  15. 例えば(株)日立ハイテクノロジー社カタログ「解析装置総覧Product Guide」HTD-154H (2016.9)
  16. 例えば池上尚克,小島明,吉田孝,西野仁,吉田慎哉,宮口裕,室山真徳,大井英之,越田信義,江刺正喜, 「超並列電子線描画装置用アクテイブマトリクスnc-Si 面電子源の開発(IV)」, 第61回応用物理学会春季学術講演会予稿集18p-F2-12, p.07-042 (2014)
  17. 例えば鴨志田元孝, 「電子立国復活で未来を拓け」, セミコンポータル (2015.10.7)
  18. 第1回「革新的製造プロセス技術開発(ミニマルファブ)」研究開発プロジェクト 終了時評価検討会資料6「革新的製造プロセス技術開発(ミニマルファブ) 評価用資料」p.10
  19. 例えばS. Fujimori, "Fine Pattern Fabrication by the Molded Mask Method (Nanoimprint Lithography) in the 1970s", Jpn. J. Appl. Phys. 48, 06FH01 (2009)にて近藤氏、藤森氏のグループの論文7通の引用と共に詳しく紹介されている。
  20. 例えばA. Takanashi, T. Harada, M. Akeyama, Y. Kondo, T. Kurosaki, S. Kuniyoshi, S. Hosaka, Y. Kawamura, "Pattern forming apparatus," USP4480910 (November 6, 1984); 高梨明紘, 原田達男, 明山正元, 近藤弥太郎, 黒崎利栄, 国吉伸治,保坂純男, 河村喜雄, 「半導体製造装置」, 特願昭56-37977, 特開昭57-153433
  21. 例えば生井準人, 杉田 光, 日城良樹, J. Y. Cheng, D. P. Sanders, R. D. Allen,「自己組織化材料の半導体微細パターニングへの応用(Application of Self-Assembly Materials to Semiconductor Patterning)」, JSR TECHNICAL REV. No119, pp.7-12 (2012)
  22. Quantum Wise Japan(株) カタログ「Atomistix ToolKit & Virtual NanoFab
  23. 鴨志田元孝, 「先見の明は先入観にとらわれないことから始まる」, セミコンポータル (2013.6.26)
  24. 齋藤真澄, "Modeling and Simulation," IEEE EDS Japan Chapter総会およびIEDM報告会 (2017.2.15)

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