半導体のhigh-kとメタルゲートとは？漏れを止めた新しい材料

ゲートの下には、うすい絶縁膜がある

トランジスタは、電気を流したり、止めたりする、とても小さなスイッチです。その入り切りを決めるのが、「ゲート」という部分で、ゲートに電圧を加えると、電気の通り道が開いたり、閉じたりします。ゲートと通り道のあいだには、電気を通さない、うすい膜がはさまれています。これが「ゲート絶縁膜」です。IEEE Spectrumの記事でも、ゲートと、トランジスタの通り道のあいだにある、絶縁の層として説明されています。ゲート絶縁膜は、電気は通さずに、ゲートの電圧の力だけを、通り道に伝える膜です。

膜は、薄いほどよく効く

Physics Todayの記事では、トランジスタの性能を左右する「静電容量」が、絶縁膜の誘電率に比例し、膜の厚さに反比例すると説明されています。言いかえると、膜が薄いほど、ゲートの電圧の力が、通り道によく伝わり、スイッチの効きがよくなる、ということです。そのため、トランジスタを小さくするたびに、この膜も、薄くされてきました。

長いあいだ、この膜には、ガラスの仲間である、二酸化ケイ素が使われてきました。二酸化ケイ素の誘電率は、約3.9と、あまり大きくない値です。つまり、効きを保つには、膜を薄くするしかなかったのです。

薄くしすぎると、電気がすり抜ける

ところが、膜を薄くしていくと、問題が起きます。Physics Todayの記事では、1990年代の半ばから、業界が、この問題を心配しはじめたと述べられています。二酸化ケイ素の膜は、厚さが2ナノメートルを下回るあたりから、電気が、膜を通りぬけてしまう量が、無視できなくなりました。厚さが1ナノメートルに近づくと、漏れる電流は、1平方センチメートルあたり、100アンペアに近づいたとされています。

これは、電力の無駄づかいと、発熱を引き起こすほどの、大きな漏れです。特に、携帯電話やノートパソコンのような、電池で動く機器では、深刻でした。膜を薄くすれば、効きはよくなりますが、薄くしすぎると、電気がすり抜けて漏れてしまいます。ここにも、前回と同じような、板ばさみがありました。

材料を変えるという発想：high-k

そこで、膜を薄くするのではなく、材料を変える方法が考えられました。Physics Todayの記事によると、静電容量は、誘電率が高いほど大きくなります。ということは、誘電率が高い材料を使えば、膜を厚くしても、薄い二酸化ケイ素と、同じだけの効きを得られるのです。膜が厚ければ、電気はすり抜けにくくなり、漏れが減ります。

この、誘電率の高い材料を、「high-k」と呼びます。「k」は、誘電率を表す記号です。high-kは、厚くしても効きを保てる、誘電率の高い材料のことです。

選ばれたのは、ハフニウム系の材料

では、どんな材料が、high-kに向いているのでしょうか。Physics Todayの記事では、1997年から、アメリカの研究団体が、大学と協力して、数百通りの材料の組み合わせを調べたと紹介されています。その結果、ハフニウムという金属の酸化物の仲間が、もっとも有力な候補として、見つけ出されました。ハフニウム酸化物は、高い温度に耐えられるため、シリコンの製造工程にも向いている、と説明されています。

同じ記事では、実際に使われる絶縁膜は、ハフニウム酸化物の仲間で、誘電率は、二酸化ケイ素の6倍から8倍ほどだろう、と、研究者が推測しています。メーカーが材料の配合を公表していないため、正確な値は、わかっていません。また、この材料は、電気をためこむ欠陥ができやすく、長い間、実用化は難しいと考えられていた、とも述べられています。

電極も、金属に変わった

膜を変えると、もうひとつ、変える必要が出てきました。ゲートの「電極」です。これまで、電極には、ポリシリコンという、シリコンの材料が使われてきました。Physics Todayの記事によると、膜が薄くなると、ポリシリコンの電極は、膜との境目で、電気を運ぶ粒が足りなくなる、「ポリ空乏化」という問題が起きます。IEEE Spectrumの記事でも、high-kに切り替えたことで、金属の電極への切り替えも、必要になったと説明されています。

こうして、半導体は、ポリシリコンの電極から、新しい金属を使った電極へ、変わっていきました。この組み合わせが、「high-kメタルゲート」です。high-kメタルゲートは、誘電率の高い膜と、金属の電極を、セットで使う構造です。

Intelが、45ナノメートルで採用

EE Timesの記事（2007年）では、Intelが、45ナノメートルの製造技術で、high-kと金属のゲートを採用したと、報じられています。材料は、配合を公表していない、ハフニウム系の厚い膜で、二酸化ケイ素の場合と比べて、トランジスタの漏れを、10倍以上減らせると、Intelは説明しました。創業者のゴードン・ムーア氏は、1960年代の終わりに、ポリシリコンのゲートが登場して以来の、最大の変化だと述べています。

IEEE Spectrumの記事によると、Intelは2007年11月、この構造を使った、16種類のプロセッサを発表しました。Physics Todayの記事では、IntelのMark Bohr氏が、この技術を使ったウェハの製造コストは、約3％しか増えないと、述べたと紹介されています。漏れを止めるために、膜と電極の材料を入れ替えたことが、トランジスタの大きな転換点になりました。

製造の全体像は、半導体の製造工程の全体像で紹介しています。

ことばのおさらい

• ゲート：電圧を加えて、電気の通り道を開け閉めする部分です。
• ゲート絶縁膜：ゲートと通り道のあいだにある、電気を通さない、うすい膜です。
• 誘電率：電圧の力の、伝えやすさを表す値です。
• high-k：誘電率が高い材料のことです。ハフニウム系の材料が使われました。
• メタルゲート：金属でできた、ゲートの電極です。

よくある誤解

Q. high-kは、スイッチを切ったときに漏れる電流を、止める技術ですか？

いいえ。high-kが減らすのは、ゲートの絶縁膜をすり抜けて漏れる電気です。スイッチを切ったときの漏れ（リーク電流）とは、漏れる場所が違います。

Q. 膜は、厚いほど、よいのですか？

いいえ。膜が厚いと、ゲートの電圧の力が伝わりにくくなります。high-kは、厚くしても、薄い膜と同じだけ効かせるための材料です。

まとめ

参考にした公式情報

• EE Times「Intel tips high-k, metal gates for 45-nm」（2007年）
• IEEE Spectrum「Intel 45-nanometer Penryn Processors Arrive」（2007年）
• Physics Today「Semiconductor industry switches to hafnium-based transistors」（2008年）