薄くするほど電気を通す金属が見つかった——銅の限界を超える半導体配線の新材料

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金属の線は、細くするほど電気を通しにくくなります。これは半導体の世界ではほとんど常識で、チップの微細化が進むにつれて配線のほうが足を引っ張る、という問題の根っこにあります。ところが2026年9月、この常識と逆の振る舞いをする材料を、実際の回路に組み込んで動かしたという論文がNature Materialsに出ました。コバルトとシリコンの化合物、コバルトシリサイド（CoSi）です。

チップの中の100kmの銅線

半導体チップの主役はトランジスタですが、それらをつなぐ配線も同じくらい重要です。この配線は「インターコネクト」と呼ばれ、素材は長らく銅。最先端のチップ1個の中に、細い銅線が合計100kmを超えて張りめぐらされているとされます。

トランジスタを小さくすれば、当然この配線も細く、薄くしなければなりません。そこで壁にぶつかります。線が細くなると、線の表面や結晶の継ぎ目に電子がぶつかる回数が増えて、抵抗が跳ね上がるのです。太い線では表面は全体のごく一部ですが、数十ナノメートル（1ナノメートルは100万分の1ミリ）の線になると、どこを通っても表面がすぐそこにある状態になります。専門的には「抵抗率のサイズ効果」と呼ばれる現象で、銅の場合、20ナノメートルまで薄くすると抵抗率は塊のときの数倍にふくれ上がります。

抵抗が増えれば信号は遅れ、発熱も増えます。さらに、細い線に大電流を流し続けると、電子の流れに押されて銅の原子そのものが少しずつ移動し、線が切れたり盛り上がったりする「エレクトロマイグレーション」という故障も起きやすくなります。トランジスタがいくら速くなっても、配線がそれについてこられない。AI向けのチップのように、とにかく大量の演算を詰め込みたい用途では、この配線の問題が性能の頭打ちに直結しています。

薄くするほど抵抗が下がる化合物

今回の論文を出したのは、香港理工大学のYang Chai（チャイ・ヤン）教授の研究室を中心とするチームです。香港科技大学、香港大学、華南師範大学に加えて、台湾の半導体研究センター（TSRI）と国立台湾師範大学が参加しており、台湾側は試験に使うシリコンのCMOS回路を提供しています。

チームが調べたのは、CoSiの単結晶を薄い板状にした「ナノフレーク」です。厚さを1マイクロメートル（1000ナノメートル）から約20ナノメートルまで段階的に薄くして抵抗率を測ったところ、7.0マイクロオーム・センチメートルから0.72マイクロオーム・センチメートルへと、ほぼ10分の1に下がりました。銅なら上がるはずの場面で、桁ひとつぶん下がっています。

上の図のように、銅とCoSiでは厚さを減らしたときの抵抗率の動きが正反対になります。理由は、電気の通り道の場所にあります。ふつうの金属では電子は材料の中身全体を流れ、表面は邪魔者でしかありません。ところがCoSiは「トポロジカル半金属」と呼ばれる種類の物質で、結晶の表面に電子がよく通る特別な通り道を持っています。この表面の通り道は、電子が散乱されにくい性質があります。薄くすると中身の割合が減って表面の割合が増える。つまり、通りにくい部分が減って、通りやすい部分の比重が上がる。銅で足を引っ張っていた「表面が近い」という条件が、CoSiではそのまま利点に変わります。

CoSiのこの性質自体は、2019年ごろから物性物理の分野で知られていました。今回のチームの仕事は、それを「面白い物理現象」から「配線材料の候補」へ引き上げるところにあります。

分厚いときは銅に負けている

ここが今回の話でいちばん面白いところです。さきほどの数字をもう一度見ると、1マイクロメートルの厚さでのCoSiの抵抗率は7.0マイクロオーム・センチメートル。塊の銅は約1.7ですから、太い状態ではCoSiは銅の4倍も電気を通しにくい、はっきり言って劣った導体です。

それが薄くしていくにつれて立場が入れ替わります。銅は上がり、CoSiは下がる。論文によれば、20ナノメートルの厚さでは、CoSiの室温での抵抗率は同じ厚さの銅の10分の1になります。同じ土俵で正面から比べて、太いときの4倍負けが、薄いときの10倍勝ちに変わったわけです。「細くすると詰まる」という感覚のほうが正しい世界で、細くしたときにだけ勝つ材料が出てきたことになります。

ただし、抵抗が低いだけでは配線には使えません。チームは、実際に配線として使えるかどうかを試す測定を重ねています。

まず耐久性です。CoSiは原子どうしの結びつきが強く（凝集エネルギー5.4電子ボルト）、原子が動き出すのに必要なエネルギーの壁も高い（3.7電子ボルト）ため、電流に押されて原子が移動するエレクトロマイグレーションに強いと計算されています。実測では、1平方センチメートルあたり1億アンペアという極端な電流密度にも耐え、450℃の高温で200時間置いても安定していました。銅の配線と比べて100倍の電流を流せる、とチームは述べています。

次に速さです。配線は直流だけでなく、高速で切り替わる信号を通せなければ意味がありません。高周波測定では、40ギガヘルツまで大きな損失なく信号を伝えられることが確認されました。

最後に、本物のチップとの相性です。チームは16ナノメートル世代のシリコンCMOSで作ったリングオシレータ（奇数個の論理ゲートを輪につないで信号をぐるぐる回す回路で、回路の速さを測るのによく使われます）の金属配線の一部を、CoSiのナノフレークに置き換えました。その結果、もとの金属配線のときと同じ周波数で動作し、配線全体の抵抗の変化は無視できる程度だったといいます。既存の製造技術で作ったチップの上で、CoSiが配線の仕事をこなしたということです。

量産までの距離と、競う相手

期待の大きい結果ですが、範囲は正確におさえておきます。今回示されたのは、単結晶として育てたCoSiの薄片を使った実証です。チップ工場の量産ラインでは、配線は薄い膜を積み重ねて削り出す工程で作られるので、同じ品質のCoSiをその流れの中で安定して成膜できるかは、これから確かめなければならない別の問題です。論文の実験も、厚さを変えたときの振る舞いが中心で、実際の配線で効いてくる幅方向の細さについては、今後の検証に委ねられる部分が残ります。

また、この分野にはライバルがいます。「薄くすると表面が効いてくる」という同じ考え方で、ニオブヒ素（NbAs）やニオブリン（NbP）といった別のトポロジカル半金属を配線に使う研究も、近年ScienceやNature Materialsに相次いで出ています。CoSiは元素がありふれていてシリコンとの相性がよい点で有利ですが、どの材料が本命になるかはまだ決まっていません。

それでも、「細くするほど通しにくくなる」という配線の前提そのものを崩す材料が、実際のCMOS回路の上で動いたことの意味は小さくありません。半導体の微細化が配線で頭打ちになるという見立ては、この数年ずっと言われてきました。その壁を、素材の側から抜ける道が見えてきたことになります。今回の論文は、2025年11月に投稿され、査読を経て2026年9月8日に公開されました。

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出典

Chen, J., Yan, J., Fan, L. et al. “Single-crystalline CoSi semimetals with high conductivity and reliability”, Nature Materials（2026年9月8日公開、本文は有料）：https://doi.org/10.1038/s41563-026-02740-1

ScienceAlert “Strange Material Gets Better at Conducting Electricity The Thinner It Gets”（Ivan Farkas、2026年9月）：https://www.sciencealert.com/strange-material-gets-better-at-conducting-electricity-the-thinner-it-gets