ゲート酸化膜とは　ゲート電極の下の絶縁膜、2002年に原子5層分の1.2nmまで薄くなった

ゲート酸化膜は、トランジスタのゲート電極と、その下のシリコンの間にある絶縁膜です。ゲートに電圧をかけると、膜をはさんで電界がかかり、シリコンの表面に電流の通り道ができます。膜そのものには電流を通さないことが役目です。シリコンを酸化してつくる二酸化ケイ素が、40年以上この役目を担ってきました。

熱で酸化してつくる

二酸化ケイ素の膜は、シリコンのウエハーを酸素や水蒸気の中で高い温度に熱してつくります。シリコンの表面そのものが酸化して膜になるため、シリコンとの境目がきれいにそろうことが利点です。この工程には、多くのウエハーを縦に積んでまとめて熱する縦型の炉が使われます。東京エレクトロンやKOKUSAI ELECTRICが、こうした熱処理の装置を作っています。

膜を薄くすると、同じ電圧でもゲートの効きが強くなり、トランジスタを流れる電流が増えます。そのため微細化のたびに、ゲート長と一緒に酸化膜も薄くしてきました。ただし、膜が数nmより薄くなると、電子が量子の性質で膜を通り抜けるようになります。これがゲートのリーク電流です。

インテルの数字

インテルの発表に出てくるゲート酸化膜の数字

発表	世代	内容
2002年8月13日	90nm	ゲート酸化膜1.2nm（原子5層分）、ゲート長50nm、銅配線7層、300mmウエハー
2007年1月27日	65nm（前の世代の説明）	二酸化ケイ素の膜を最も薄い所で1.2nmに。さらに薄くするとゲートを抜ける漏れ電流が増える
2007年1月27日	45nm	ハフニウム系の厚い膜に替え、漏れを10分の1未満に

2002年の発表で、インテルは90nmの世代のトランジスタのゲート長を50nmとし、当時のPentium 4の60nmより短いと説明しました。同じ発表では、52メガビットのSRAMを109平方ミリのチップに3億3,000万個のトランジスタで載せたとしています。2007年の発表では、1.2nmからさらに薄くするとゲートを抜ける漏れ電流が増えることを、材料を替えた理由に挙げています。

酸化膜から高誘電率の膜へ

45nmの世代から、インテルは二酸化ケイ素に代えて、誘電率の高いハフニウム系の材料を使いました。誘電率が高い材料なら、膜を物理的に厚くしても、薄い二酸化ケイ素と同じだけゲートが効きます。厚くできる分、電子が抜けにくくなります。そこで今は、物理的な厚さではなく「二酸化ケイ素に換算すると何nmか」という等価酸化膜厚（EOT）で比べるのが一般的です。

関連する用語

• High-kメタルゲート：誘電率の高い絶縁膜と金属の電極を組み合わせたゲートの構造。
• 等価酸化膜厚（EOT）：別の材料の膜を、二酸化ケイ素に換算した厚さ。
• 熱酸化：シリコンを高温で酸化して膜をつくる工程。
• ゲート長：ゲートが電流の通り道を覆う長さ。