プロセス・ルールを簡単には小さくできないわけ

質問

プロセス・ルールとは「半導体の回路線幅」だそうです。
(a)　http://www.weblio.jp/content/%E3%83%97%E3%83%AD%E3%82%BB%E3%82%B9%E3%83%AB%E3%83%BC%E3%83%AB

また、最新のCPUのプロセス・ルールは22nmだそうです。
(b)　http://ark.intel.com/ja/products/77779/Intel-Core-i7-4960X-Processor-Extreme-Edition-15M-Cache-up-to-4_00-GHz

(1)
プロセス・ルールを小さくすればCPUの性能が上がるのであれば、どんどん小さいプロセス・ルールを採用すればいいと思うのですが、プロセス・ルールを小さくするとどんな問題が生じるのでしょうか。また、その問題を解決するためにどのような方法がとられているのでしょうか。できるだけたくさんお教えいただけないでしょうか。

(2)
(1)の問題解決の方法として、ウエハの性質の改良もあるのでしょうか。あるとすれば、今後更にプロセス・ルールを小さくするためには、どのような点が改良されなければならないのでしょうか。

回答No.2

RandenSai · ベストアンサー

いろいろ難しい複数の問題が絡んで、微細化ペースが鈍っているわけですが…

一番わかりやすい困っている要因として、露光をどうするのかという問題があります。ICは回路をシリコンウェハ上に生成する際、マスクという回路の形の影になる物体をウェハの前に置いて光を当て、光学的に焼き付けています。しかし今のプロセスルールよりも微細化するためにはEUVという極超紫外線が必要であり、こういう極端に波長が短い光はレンズを通しても焦点を結ばず直進してしまいます。集光できないということは日光写真と同じ、つまりマスクを原寸大に作らなければなりません。これは全く非現実的です。マスクの加工単位を何とかミクロンオーダーの、機械的に加工できる大きさにしてマスクをウェハから離れた位置に起き、集光して縮小露光しないと、量産化は不可能です。今はこれが最大のネックになっている。

続いては、そろそろ回路素子の大きさがシリコン分子の大きさに近づいている…という問題。電子が数十個で動作するというような領域になりつつあるのです。また微細化したことで絶縁層が薄くなり、そこから電子が漏れてしまう問題（いわゆるリーク電流）も頭が痛い。リーク電流は90nmプロセスで大問題となり、IntelでさえCPUの消費電力と発熱の増大が制御できなくなってしまい、CPUのクロック上昇を諦めてマルチコア指向になった契機となったほどです。今は何とか抑え込んでいるけど、微細化を進めると必ずまた再発するでしょう。

この二つが微細化の障害になっている代表的なものです。これの解決には膨大なお金がかかるので、そんな投資に耐えられる会社は全世界でも10社とありません。お金だけでは解決しない難問でもあり、今のままではおそらく次の13nmが最後となり、それ以上の微細化はもうできないと私は思います。今後はシリコンに代わる素材や、何か画期的な技術が出てこなければ…

お礼

よく分かりました。
有り難うございました。

回答No.1

mk48a

１．
リーク電流

２．
説明と対策のリンクを添付します。
http://wpedia.goo.ne.jp/wiki/%E3%83%AA%E3%83%BC%E3%82%AF%E9%9B%BB%E6%B5%81

お礼

よく分かりました。
有り難うございました。