半導体のGAAナノシート、板のあいだの小さな壁とは？内側スペーサーの役目と作り方

何のために、壁を入れるのか

GAAのトランジスタでは、ゲートが、板のまわりを囲みます。板の両端は、電気が出入りする「ソース」と「ドレイン」につながっています。トランジスタは、ソースからドレインへ流れる電気を、ゲートが開け閉めするスイッチです。

つまり、板のまわりにはゲートがあり、板の両端にはソースとドレインがある、という配置になります。この、ゲートと、ソース・ドレインが、近くに並ぶ場所で、困ったことが起きます。

困りごと：ゲートとソース・ドレインのあいだにできる「寄生容量」

2つの導体が近くにあると、そのあいだに、電気をためる性質（容量）が生まれます。ゲートと、ソース・ドレインが近すぎると、そのあいだに、意図しない容量ができてしまいます。これが「寄生容量」で、スイッチを切り替えるたびに、余計な電気をためたり出したりする原因になります。

寄生容量は、ゲートとソース・ドレインのあいだにできる、意図しない容量です。

解決策：板のあいだに、小さな壁を入れる

この問題への答えが、「内側スペーサー」です。板と板のあいだの、ゲートと、ソース・ドレインの境目に、絶縁体でできた小さな壁を入れます。壁が、両者のあいだに入ることで、ゲートとソース・ドレインのあいだの寄生容量を、減らします。

数字で考えてみよう：壁を厚くすると、容量はどう変わるか

ここで、壁の働きを、数字で考えてみます。2つの導体のあいだの容量は、おおまかには、「あいだの絶縁体の誘電率 × 向かい合う面積 ÷ 導体どうしの距離」で決まります（平行な板の近似）。これは基本的な性質で、実際の形は、もっと複雑です。

たとえば、ほかの条件が同じで、壁を厚くして、ゲートとソース・ドレインの距離を2倍にすれば、容量は、およそ半分になります。同じように、誘電率が半分の材料に変えても、容量は、およそ半分になります。壁の材料に、誘電率の低い材料（low-k）が候補に挙げられるのは、このためです。

ただし、壁を厚くすれば、よいとは限りません。壁の厚さは、実際に働くゲートの長さにも関わるため、容量だけで厚さを決めることはできません。寄生容量を減らす効果と、ゲートの長さへの影響の、両方を見ながら、壁の厚さと材料が選ばれます。

作り方その1：SiGeを横から少し削って、凹みをつくる

壁は、どうやって作るのでしょうか。まず、板と板のあいだにはさまっているSiGeを、横から少しだけ削って、凹みをつくります。この、板のあいだのSiGeを、決まった距離だけ凹ませる工程は、壁をつくる前の、大事な工程とされています。

前の記事で見た「選択エッチング」が、ここでも使われます。シリコンの板は削らずに、SiGeだけを、横から、少し削るのです。

作り方その2：凹みに、絶縁体を詰める

凹みができたら、そこに、絶縁体を詰めます。これで、板のあいだに、小さな壁ができます。壁が凹みの奥にあるため、あとでゲートが入り込めるのは、壁より手前の、板のまわりだけになります。ゲートと、ソース・ドレインのあいだには、いつも壁があるという形です。ある方法では、酸化膜をつけて、凹みをふさいだあと、一部を取り除き、残った端の部分を窒化して、シリコン酸窒化膜（SiON）の壁にする方法が、示されています。ただし、これは、あくまで一つの方法の例で、すべての製品が、この方法とは限りません。

壁の厚さは、ゲートの長さにも関わる

内側スペーサーは、寄生容量を減らすだけではありません。トランジスタの、実際に働くゲートの長さ（実効ゲート長）は、最初に作る仮のゲート（ダミーゲート）の寸法だけでなく、内側スペーサーの厚さにも、決められます。壁の厚さが、トランジスタの特性に、直接関わるのです。

難しさ：凹みの形と深さをそろえる

この工程で、いちばん難しいのは、凹みの形です。板の端が、三日月のような形に削られてしまうと、構造がくずれたり、電気の性質がばらついたりします。ほぼ長方形の形に、そろえて削れてはじめて、電気の流れや、力のかかり方が、均一になります。また、凹みをつくる工程の、均一さを、正確に制御することも求められます。凹みの深さが、板ごとにばらつくと、壁の位置や厚さも、板ごとにばらつき、実効ゲート長にも、ばらつきが出ます。深さと形を、板の1枚1枚で、そろえることが、この工程の勝負どころです。

現場の視点：凹みの深さを測る

削った量を測ることも、重要です。板のあいだのSiGeを、横から削る凹み加工は、壁をつくる前の、重要な工程とされ、その深さを、チップを壊さずに測る方法が、検討されています。削る工程と、測る工程は、セットで考えられています。こうした計測の仕事は、半導体の「検査・計測」の分野につながります。

壁が、ゲートとソース・ドレインを、へだてる。凹みで、その位置と厚さが決まる。だから、凹みを、正確に削る工程が、トランジスタの性能を、左右します。

ことばのおさらい

• ソース・ドレイン：板の両端にある、電気が出入りする部分です。
• 寄生容量：ゲートとソース・ドレインのあいだにできる、意図しない容量です。
• 内側スペーサー：板と板のあいだに入れる、絶縁体の小さな壁です。
• 凹み加工：板のあいだのSiGeを、横から少し削る工程です。
• 実効ゲート長：実際に働くゲートの長さです。

よくある誤解

Q. 内側スペーサーは、板のすき間を埋めて、板を固定するためのものですか？

いいえ。内側スペーサーの主な役目は、ゲートと、ソース・ドレインのあいだの寄生容量を、減らすことです。壁の厚さは、実効ゲート長にも関わります。

Q. 内側スペーサーの材料は、どの会社も同じですか？

同じとは限りません。窒化膜や、誘電率の低い材料など、いくつもの候補があります。方法も、会社や世代によって、異なります。

Q. 壁を入れると、板の中の電気の流れが、さまたげられませんか？

壁は、ゲートと、ソース・ドレインのあいだに入るもので、板の中を電気が流れる道そのものを、ふさぐものではありません。板の両端は、ソース・ドレインにつながったままです。この点は、構造からの説明です。

まとめ

付記：この記事の根拠

参考にした公式情報

• IBM特許 US10243060B2「Uniform low-k inner spacer module in gate-all-around (GAA) transistors」
• Wangほか「Feature Comparison and Process Optimization of Multiple Dry Etching Techniques Applied in Inner Spacer Cavity Formation of GAA NSFET」（Nanomaterials, 2026）
• IBM Researchほか「Development of SiGe Indentation Process Control for Gate-All-Around FET Technology Enablement」（arXiv:2201.04725）