半導体のGAAナノシート、狭いすき間の奥まで膜をつけるには？ALD（原子層堆積）の仕組み

何のために、膜をつけるのか

GAAのトランジスタでは、ゲートが、板をぐるりと囲みます。そのゲートは、1つの材料でできているのではなく、何層かの膜を重ねてできています。まず、板の表面に、薄い絶縁膜（高誘電率の膜）をつけます。その上に、トランジスタのスイッチが入る電圧を決める金属の膜（仕事関数金属）を、重ねていきます。

絶縁膜は、ごく薄く、厚さは、およそ0.5〜4ナノメートルです。これは、示された範囲の例で、会社や世代によって異なります。

困りごと：板と板のあいだの、狭いすき間

ナノシートの板は、厚さが、およそ4〜10ナノメートルです。この板が、縦に何枚も重なっています。つまり、板と板のあいだのすき間も、とても狭くなります。その狭いすき間の奥まで、絶縁膜と金属の膜を、むらなくつけなければなりません。

板の数が増えるほど、また、すき間が狭くなるほど、膜を、奥まで届かせることは、難しくなります。

ふさがる問題：膜を厚くつけすぎると

すき間に膜をつけすぎると、膜が、すき間の入り口からふさいでしまいます。この現象を、「ピンチオフ」と呼びます。実際に、金属の膜が、縦に並んだ板のあいだの空間を、ふさいでしまう場合があることが、知られています。

たとえば、塗料を、狭いすき間に何度も塗り重ねると、入り口が固まって、奥には、塗料が届かなくなります。これは、あくまでたとえですが、ゲートの膜でも、似たことが起きます。ふさがってしまうと、その奥には、もう、金属が入りません。

数字で考えてみよう：膜をつけると、すき間はどれだけ残る？

ここで、仮の数字で、考えてみます。これは、考え方を示す例で、実際の製品の値ではありません。

すき間の幅が、仮に10ナノメートルだとします。上と下の両側の面に、絶縁膜を、2ナノメートルずつつけると、すき間は、10−2×2＝6ナノメートルに、なります。その上に、金属の膜を、片側3ナノメートルずつ重ねると、残りは、6−3×2＝0ナノメートルです。すき間は、ちょうどふさがります。

このように、膜は、上下の両面につくので、すき間は、膜の厚さの2倍ぶん、狭くなります。膜の厚さを、ナノメートル単位で、そろえて制御することが、必要になる理由です。

解決策：どの面でも同じ厚さの「コンフォーマル」な膜

ふさがらずに、奥まで膜をつけるには、どの面でも、同じ厚さになる膜が必要です。このような膜を、「コンフォーマル」な膜と呼びます。コンフォーマルとは、膜の厚さが、すべての面で、ほぼ同じことを指します。入り口だけが厚く、奥が薄い膜では、ふさがってしまうからです。

ALD（原子層堆積）とは：1層ぶんずつ、つける方法

コンフォーマルな膜をつけるために使われるのが、「原子層堆積（ALD）」です。ALDは、材料になる化学物質のガスを、順番に表面へ送り、ほんの1層（単分子層、またはそれ以下）ぶんだけ、自己停止的に成長させる方法です。

ガスは、表面の、反応できる場所がなくなると、それ以上は反応しません。そのため、1回の工程でつく量は、ほぼ決まっています。これを、何回も繰り返して、必要な厚さまで、積み上げていきます。

回数で、厚さをそろえる

1回でつく量が、ほぼ決まっているので、繰り返す回数を数えれば、厚さを、そろえやすくなります。これも、仮の数字で考えてみます。1回に、0.1ナノメートルずつつくと仮定すると、2ナノメートルの膜をつけるには、2÷0.1＝20回、繰り返せばよいことになります。実際の1回あたりの厚さは、材料や条件によって異なります。ALDは、ナノメートルよりも細かい単位で、厚さと、コンフォーマルな形を制御できる方法として、知られています。

また、ALDは、深くて狭い構造の、奥まで膜をつけるのに、とても向いているとされています。狭いすき間の、すみずみに、むらなく薄い膜をつけるという、ゲートの膜の条件に、よく合う方法です。

現場の視点：薄くしたいが、薄すぎてもいけない

ゲートの膜は、薄くしたい一方で、薄すぎても困ることがあります。ゲートの長さを短くしていくには、pチャネルの側の仕事関数金属を、比較的薄くする必要があります。しかし、薄すぎる金属の膜は、反対側（nチャネル）の金属の影響を、十分に遮ることができず、その結果、pチャネルの性能が弱まる、と述べられています。

つまり、膜の厚さは、ふさがらない薄さと、役割を果たす厚さの、あいだで決められます。そのため、ナノメートル単位の厚さを、確実に作れるALDのような方法が、欠かせません。こうした膜の厚さを測る仕事は、半導体の「検査・計測」の分野につながります。

膜の厚さの制御には、つける工程だけでなく、つけたあとの厚さを測る工程も、欠かせません。つける工程と、測る工程は、セットで考えられています。

ことばのおさらい

• ゲート絶縁膜：板の表面につける、薄い絶縁の膜です。
• 仕事関数金属：スイッチが入る電圧を決める、ゲートの金属の膜です。
• ピンチオフ：膜が、すき間の入り口をふさいでしまう現象です。
• コンフォーマル：どの面でも、膜の厚さがほぼ同じことです。
• ALD（原子層堆積）：ガスを順番に送り、1層ぶんずつ膜をつける方法です。

よくある誤解

Q. ALDは、膜を、とても速くつける方法ですか？

いいえ。ALDは、1回に1層ぶんずつ、つけていく方法です。速さよりも、厚さの制御と、コンフォーマルなつき方に、強みがあります。

Q. 膜をつけるのが難しいのは、板が薄いからですか？

板が薄いことだけが、理由ではありません。板が、縦に何枚も重なっていて、そのあいだのすき間が狭いことが、膜を奥まで届かせる難しさの、大きな理由です。この点は、構造からの説明です。

Q. 膜は、厚いほど、ゲートとして、しっかり働くのですか？

いいえ。厚すぎると、すき間がふさがります。薄すぎると、役割を果たせない場合もあります。厚さは、両方を見ながら決められます。

まとめ

付記：この記事の根拠

参考にした公式情報

• IBM特許 US12628410B2「Non-shared metal gate integration for scaled gate all around (GAA) transistors」
• Ovirohほか「New development of atomic layer deposition: processes, methods and applications」（Science and Technology of Advanced Materials, 2019）