マリー記者
何十年もの間、半導体業界の戦略はシンプルだった。トランジスタを小さくし、チップにより多く詰め込めば、コンピューティング能力が向上するというものだ。しかし、その戦略は限界を迎えつつある。トランジスタのサイズは、シリコンの原子構造と量子力学の法則によって定められた基本的な限界に近づいている。
イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究チームは、個々の部品を縮小する必要のない代替アプローチを実証した。その代わりに、彼らは上方向に構築する。
2026年5月にNatureに発表されたLam、Yu、Caoらの研究は、シリコントランジスタのモノリシック三次元集積、複数の回路層を同一基板上に直接積み重ね、トランジスタレベルで接続する方法、を紹介している。
「トランジスタの実際のサイズを見ると、小さくなってはいません」と、本研究の主著者でUIUCの材料科学教授であるCao Qing氏は述べた。「処理能力の向上傾向を維持するには、単一の表面にさらに多くのデバイスを詰め込むことだけを考えるのではなく、別の方法を考え始める必要があります。」
熱の壁
シリコン回路を垂直に積層する際の根本的な課題は熱である。従来のシリコントランジスタの製造には最大1,000°Cの温度が必要であり、下層の回路層にある金属配線を損傷または溶かすのに十分な熱である。これまでの3D集積の試みでは、より低い温度で処理できる代替材料（金属酸化物、カーボンナノチューブ、多結晶シリコンなど）が使用されてきた。しかし、これらの材料はすべて、単結晶シリコンと比較して電気的性能が劣る。
イリノイ大学のチームは、シリコン自体を十分に薄くすることで、はるかに低い温度で処理できるようにした。彼らは超薄膜単結晶シリコンナノメンブレン、わずか10ナノメートルの厚さで、タンパク質分子ほどの大きさ、を、ロールラミネーター工程を用いて基板上に転写した。
メンブレンが非常に薄いため、機械的に柔軟であり、高温接合を必要とせずに下地表面に適合する。製造プロセス全体は400°C以下で動作し、バックエンド・オブ・ライン処理と互換性がある。つまり、上層を構築しても下層の金属配線が損傷しない。
構築されたもの
研究チームは、1層あたり625個のトランジスタを持つ3層チップを実証した。現代のプロセッサの数十億個のトランジスタと比較すると控えめではあるが、このアプローチがウェハースケール（200mmウェハーで実証）で機能するという概念実証である。
主要な性能指標は印象的である。積層シリコントランジスタは、650マイクロアンペア毎マイクロメートルを超える電流密度を達成し、金属酸化物やカーボンナノチューブなどの代替材料で構築されたチップよりも3～4倍高い。層間位置合わせ精度は10ナノメートル未満であり、高密度の垂直接続に十分な精度で層が位置合わせされることを意味する。
研究チームはまた、3つの層にわたって動作する機能的な論理ゲート（インバータ、NAND、NOR、SRAMメモリセル）を実証した。「今日、1ビットの情報を保存するには、単一平面上で6個のトランジスタが必要です」とCao氏は述べた。「このアプローチでは、同じ機能が得られますが、空間的なフットプリントが削減され、層間の通信がより高速かつ効率的になります。」
今後の展望
これらのトランジスタの性能は、最先端のシリコンMOSFET（今日のチップの標準的な構成要素）に迫り、これまで報告されたすべてのバックエンド・オブ・ライン互換トランジスタ技術を凌駕している。研究者らは、将来の反復でさらに多くの層を追加できると考えている。
この研究は、半導体業界の最も差し迫った課題の1つに取り組んでいる。トランジスタの微細化が鈍化する中、垂直集積は、特に処理とメモリ間の距離短縮が有益なAIやその他のデータ集約型ワークロードにおいて、計算密度を高め続けるための最も実行可能な経路として広く認識されている。
625トランジスタの概念実証から商業用チップに必要な数十億個への移行には、重大なエンジニアリング努力が必要となる。しかし、すべての現代のコンピュータを動かしているのと同じ材料である単結晶シリコンが、低温かつ高性能で積層できるという実証は、業界で最も成熟した製造インフラを放棄する必要のない道を開くものである。
雅子 訳
出典：
1. Lam, B. et al. 「Monolithic three-dimensional integration of silicon transistors.」 Nature 654, 652–659 (2026). DOI：10.1038/s41586-026-10496-6
2. McEachran, R. 「New 3D silicon chip stacks circuits on top of each other to boost computing power.」 Live Science（2026年7月16日）https://www.livescience.com/technology/electronics/new-3d-silicon-chip-stacks-circuits-on-top-of-each-other-to-boost-computing-power