High-kメタルゲートとは？ トランジスタのゲートはなぜ材料を変えたのか

High-kメタルゲート（high-k metal gate、略してHKMG）は、トランジスタのゲートのつくり方のひとつです。ゲートの下にあるとても薄い二酸化ケイ素の絶縁膜を、「誘電率」の高い（high-k）絶縁材料に替えます。いちばんよく使われるのはハフニウムを含む酸化物です。ゲートそのものも、ポリシリコンから金属に替えます。新しい絶縁膜は厚めにつくれてリークがずっと少なく、それでもゲートが下のチャネルを押さえる力は、とても薄い二酸化ケイ素とほぼ同じです。

ゲートはトランジスタの中で何をしている？

トランジスタは電気で動かす小さなスイッチで、ゲートは真ん中の門にあたります（「トランジスタとは？」）。ゲートは下のチャネルに触れておらず、あいだにとても薄い絶縁膜があります。ゲートに電圧をかけると、この膜ごしに電子をシリコンの表面へ引き寄せ、電気の通る道ができます。

この膜が薄いほど、ゲートは強く引き寄せられ、スイッチは速く、しっかり入ります。だから長いあいだ、膜はトランジスタといっしょにどんどん薄くなってきました。

この膜は長く二酸化ケイ素で、拡散炉でシリコンの表面を酸化して育てていました。上のゲートはポリシリコンです。小さなシリコンの結晶がたくさん集まったもので、原子を加えて電気を通るようにしてあります（流れの中のどこでつくるかは、「トランジスタはどうやってつくる？」のステップ3）。

二酸化ケイ素は、なぜもう薄くできない？

ある薄さを超えると、電子がそのまま通り抜けてしまうからです。

絶縁膜は壁のようなもので、本来なら電子は通れません。ところが壁が1〜2ナノメートル、つまり原子数層ぶんまで薄くなると、電子は壁を乗り越えずに、そのまま「通り抜ける」ことがあります。とても小さなものにだけ起きる現象で、トンネル効果といいます。

通り抜けた電子は、ゲートから漏れた電気です。リークの道がもう1つ増えます。しかも少しずつ増えるのではありません。壁がほんの少し薄くなるたびに、通り抜ける電子は何倍にも増えます。二酸化ケイ素が約2ナノメートルより薄くなると、もう無視できない量になります（100億個以上集まるとどうなるかは、「チップはなぜ電気を使う？」）。

High-kとは？ なぜ厚くしたほうがいい？

kは誘電率を表す記号で、ギリシャ文字のκとも書きます。誘電率は絶縁材料の性質のひとつで、数字が大きいほど、同じ厚さ・同じ電圧で、ゲートがその膜ごしに引き寄せられる電子が多くなります。二酸化ケイ素は約3.9です。ハフニウムを含む酸化物は、つくり方によって違いますが、よく挙げられる値は十数〜二十数で、二酸化ケイ素の何倍もあります。

だから考え方は単純です。材料を替えて、厚くする。誘電率が二酸化ケイ素の5倍の材料なら、5倍の厚さにしても、電子を引き寄せる力はもとの膜と同じです。壁が厚くなれば、通り抜ける電子はずっと減ります。

業界では「同じ働きを二酸化ケイ素でするなら、どれだけ薄くなるか」で比べます。これを等価酸化膜厚（EOT）といいます。新しい材料は実際には何倍も厚いのに、等価な厚さは同じくらい薄く、さらに薄くもできます。

ゲートも、なぜポリシリコンから金属に替えた？

いちばん初めのゲートは金属でした（「CMOSとは？」）。その後、長くポリシリコンが使われてきたのは、あとで来る1000度を超える加熱に耐えられるからです。先にゲートをつくり、それを盾にしてソースとドレインをつくれば、両側が必ずそろいます。

ところが、ポリシリコンと新しい絶縁材料を組み合わせると、困ったことが起きます。

• しきい値が動かせない：スイッチが入る電圧をしきい値電圧といい、もとはその一部を、ポリシリコンにどの原子を加えるかで決めていました。ハフニウムを含む酸化物と組み合わせると、境目のせいで、しきい値が高いところに張りついてしまいます。
• 1層ぶん厚くなったような状態：スイッチが入っているとき、ポリシリコンの絶縁膜に近い薄い部分が「空っぽ」になって電気をほとんど通さず、絶縁膜がもう1層重なったのと同じになります。

金属に替えると、この2つの問題はずっと小さくなります。そのかわり、金属は原子を加えてしきい値を調整できないので、おもに金属そのものを選んで決めます。n型とp型の2種類のスイッチでは、必要な金属も違います。

2000年代後半ごろから、最先端のチップが次々にこの形に替わりました。古い世代のつくり方はもともと二酸化ケイ素とポリシリコンで、今もたくさんのチップに使われています（「ニュースの「成熟プロセス」とは？」）。

一歩ずつ：High-kメタルゲートはどうつくる？

難しいのは順番です。ゲートができたあと、ソースとドレインをつくり、原子を落ち着かせるために加熱（アニール）します。この工程はとても熱く、金属と新しい絶縁膜がその高温を通ると、しきい値がずれることがあります。そこで、つくり方は2通りあります。以下は、簡単にした一般的な説明です。

つくり方1：ゲートファースト（先にゲートをつくる）

1. 絶縁膜を敷く：洗浄したあと、ごく薄い二酸化ケイ素を下地として残し、その上に原子層堆積（ALD）でハフニウムを含む酸化物を敷きます（「成膜とは？」）。下地は境目をきれいに保つため、ALDは1サイクルで最大1原子層しか育たないので、ウェーハ全体で同じ厚さにそろいます。厚さが少しでもばらつくと、場所によってトランジスタのしきい値やリークが変わります。
2. 金属を敷き、ゲートを描く：ごく薄い金属を敷き、その上にポリシリコンを重ねることが多く、ゲートの線を描いて残りをエッチングで削ります。順番が昔の流れとほぼ同じなのが長所です。削り残したり、下の絶縁膜を傷めたりすると、スイッチはだめになります。
3. ソースとドレインをつくり、アニールする：これまでどおりゲートを盾にして原子を打ち込み、加熱します。金属と絶縁膜もいっしょに高温を通るのが弱点で、しきい値が焼けてずれることがあり、金属も熱に強いものしか選べません。

つくり方2：ゲートラスト（先に仮のゲートを置く）

1. 仮のゲートを置く：あとで外すゲートをポリシリコンでつくり、場所だけ押さえておきます（立体のトランジスタもこの方法です。「FinFETとGAAとは？」）。熱に強く、盾になってソースとドレインをそろえてくれます。本物を今置くと、このあとの高温で傷んでしまいます。
2. ソースとドレインをつくり、アニールする：仮のゲートがあるうちに、いちばん熱い工程を済ませます。このあとの工程はずっと低い温度なので、本物のゲートはその高温を通らずに済みます。
3. 絶縁膜でおおい、仮のゲートが見えるまで削る：全体を絶縁膜でおおい、CMPで平らに削って、仮のゲートの頭がちょうど見えたところで止めます。足りなければ次のステップで取り除けず、削りすぎるとゲートの高さが足りなくなります。
4. 仮のゲートを取り除き、新しい絶縁膜を敷く：仮のゲートをエッチングで取り除くと、細い溝が残ります（下の薄い酸化膜までつくり直すやり方もあります）。溝の底と壁に、ALDでハフニウムを含む酸化物を敷きます。溝は細く、どの面も同じ厚さにしたいので、1サイクル1層のALDに頼ります。
5. 金属を敷き、埋めて、削る：n型とp型のスイッチには、しきい値を決める薄い金属を別々に敷き、そのあと電気を通す金属で溝を埋めて、溝の外の余分を削り取ります。細い溝の中に何種類もの金属を重ねるので、いちばん怖いのは埋めきれないこと。すき間が残ると、そのゲートはだめになることがあります。

どちらがよく使われる？

ゲートラストは工程が多く、難しくなります。それでも本物のゲートはいちばん熱いところを通らないので、しきい値を合わせやすく、選べる金属も多くなります。だから最先端のチップはおもにこちらを使い、フィン型やゲートオールアラウンド型のトランジスタも、仮のゲートを置いて最後に本物に入れ替えます。

fab24hrでは

ゲームにはHigh-kもメタルゲートも出てきません。メインストーリー「チップの一生」の架空の補聴器チップ「Glowmere」は成熟した世代のプロセスで、ゲートの下の膜は、開発ラインにただ1台ある拡散炉で育てる酸化膜です。

この膜をどれだけ薄くするかは、あなたが決めます。「出勤」を押して「工場の一日」を選び、「今日のあなたは」のカードで「開発ライン」を押し、左右にスワイプして開発プロセスエンジニアにしてから、「拡散炉」のエリアを押してください。朝シフトはウェーハ投入の1週間前。酸化の時間だけを変えた3回の結果が出ていて、時間を目標の真ん中にするか、少し縮めて薄い側に寄せるかを決めます。薄いと速く切り替わります。薄すぎると、電子がそのまま突き抜けやすくなって待機中にリークし、しかもGlowmereはボタン電池1個で動くチップです。会話の中の「ゲート酸化膜」は押すことができ、用語カードの「もう少し詳しく」には、この記事の話、あとで材料が替わった理由が書いてあります。

同じ仕事で「洗浄」のエリアを押すと、朝シフトで、洗浄のあと拡散炉に入れるまで最大どれだけ置いてよいか（Qタイム）を決めます。リークが最後に何になるかは、メインストーリー第10章「待機電流」で。

ゲームに出てくる会社・チップ・人物・数字は架空です。High-kメタルゲートについての部分は、公開されている一般的な資料をもとに簡単にして書き、統一された数字がないところは大まかな規模だけにしています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。