High-k材料とは

High-k材料とは、高い誘電率（k）を持つ材料です。 東京エレクトロンの公式用語集は、トランジスタ性能とDRAMの容量を高めるために、ロジックのゲートとDRAMキャパシタの誘電体膜に使われると記述しています。

定義・解説

MOSFETのゲートは、絶縁膜を挟んでチャネルへ電界を届けます。届く電界の強さは、膜が薄いほど強くなります。だから微細化とともに、この膜は薄くされてきました。

薄くする道には行き止まりがあります。原子数個分の厚みまで来ると、電子が膜を通り抜けるようになります。絶縁膜が絶縁しなくなり、待機しているだけで電力が漏れます。

High-k材料は、この行き止まりを迂回します。電界を届ける能力は、膜の厚みだけでなく誘電率にも比例します。誘電率の高い材料を使えば、同じ効き目を保ったまま膜を厚く戻せます。厚みが戻れば、電子は通り抜けにくくなります。

東京エレクトロンの公式用語集は、High-k材料の用途として、ロジックのゲートとDRAMのキャパシタを挙げています。

薄くするかわりに、誘電率を上げる

従来材料では効き目を出すために薄くするしかなく、薄くすれば電子が通り抜けます。誘電率の高い材料なら、厚みを保ったまま同じ効き目を得られます。

用途は2つ挙げられていますが、求めているものは同じです。どちらも「限られた面積で容量を稼ぎたい」という要求です。

ロジックのゲートでは、容量が大きいほどゲートがチャネルを支配する力が強くなります。微細化でチャネルが短くなるほど、この支配力が要ります。

DRAMのキャパシタでは、容量がそのまま蓄えられる電荷の量です。DRAMのセルは電荷の有無で1と0を表すので、蓄えられる量が減れば読み出しの余裕が減り、リフレッシュの間隔も短くなります。セルを小さくしても容量を保つ必要があります。

面積を減らしながら容量を保つ。この共通の要求に対して、誘電率を上げるという同じ答えが使われています。

別々の場所で、同じ要求が出ている

ロジックのゲートでは容量がチャネルへの支配力になり、DRAMでは容量がそのまま蓄えられる電荷になります。求めているものが同じなので、誘電率を上げるという同じ答えが両方で使われます。

Samsungは公式ページで、HKMGとFinFETからEUVとGAAへという技術の流れを挙げています。HKMGは、High-k絶縁膜とメタルゲートを組み合わせた構成を指します。

膜の材料を替えたことが、その上に載る電極の材料選択にも波及しました。従来のポリシリコンゲートとHigh-k膜の組み合わせでは界面に不都合が生じるため、電極側も金属へ替えることになります。1か所の材料変更が、隣接する層の設計まで動かした例です。

High-k材料とは何ですか？

東京エレクトロンの公式用語集は、High-k材料を高い誘電率（k）を持つ材料とし、トランジスタ性能とDRAMの容量を高めるためにロジックのゲートとDRAMキャパシタの誘電体膜に使われると記述しています。

誘電率が高いと何が良いのですか？

同じ容量をより厚い膜で作れます。容量は誘電率と面積に比例し、厚みに反比例するため、誘電率を上げた分だけ厚みを戻せます。

なぜ厚みを戻したいのですか？

薄くしすぎると電子が膜を通り抜けるためです。ゲート絶縁膜は電流を止める役ですが、原子数個分まで薄くなると量子力学的に electron が漏れ出し、待機時の消費電力が増えます。

どこに使われますか？

東京エレクトロンの公式用語集は、ロジックのゲートとDRAMのキャパシタを挙げています。片方はゲートの制御力を保つため、もう片方は蓄える電荷量を確保するためです。

HKMGとは何ですか？

High-k絶縁膜とメタルゲートを組み合わせた構成です。Samsungは公式ページで、HKMGとFinFETからEUVとGAAへという技術の流れを挙げています。

なぜゲートも金属へ替えるのですか？

High-k膜と従来のポリシリコンゲートの組み合わせでは、界面で不都合が生じるためです。膜の材料を替えたことが、その上に載る電極の材料選択にも波及しました。

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