High-kメタルゲートとは インテルが2007年に45nmで導入、ゲートの漏れ電流を10分の1未満に
High-kメタルゲートは、トランジスタのゲートの絶縁膜と電極の材料を替え、電流の漏れを減らす技術です。インテルは2007年1月、ハフニウム系の絶縁膜でゲートの漏れを10分の1未満にできると発表しました。
- HKMGは、ゲートの絶縁膜に誘電率の高い(High-k)材料、電極に金属を使う技術です。
- 絶縁膜を物理的に厚く保ったまま、薄い膜と同じ働きをさせ、漏れる電流を減らします。
- インテルは2007年11月、ハフニウム系のHKMGを使った45nmのプロセッサー16品を発売しました。
- 共同創業者のゴードン・ムーア氏は、1960年代後半以来の最大の変化だと述べました。
High-kメタルゲート(HKMG)は、トランジスタのスイッチの役目をするゲートの部分の材料を替えた技術です。ゲートの下の薄い絶縁膜を、二酸化ケイ素から誘電率(k)の高い材料に替えました。あわせて、ゲートの電極を、ポリシリコン(多結晶のシリコン)から金属に替えています。
薄くできない膜の代わりに
トランジスタを小さくするには、ゲートの絶縁膜を薄くして、ゲートの働きを強める必要がありました。インテルによると、それまでの二酸化ケイ素の膜は1.2nmまで薄くなっていました。ここまで薄いと、絶縁膜を電流がすり抜けて漏れてしまいます。
誘電率の高い材料を使うと、膜を厚くしてもゲートの働きを保てます。厚い膜は電流を通しにくいため、漏れが減ります。インテルが選んだのはハフニウムを使った材料でした。ただ、この材料は従来のポリシリコンの電極と相性が悪かったため、電極も新しい金属の組み合わせに替えました。金属の種類は明らかにしていません。
| 項目 | 会社の説明 |
|---|---|
| 駆動電流 | 20%超の増加 |
| ソースとドレインの間の漏れ | 5分の1未満に |
| ゲートの絶縁膜の漏れ | 10分の1未満に |
| 切り替えの電力 | 約30%減 |
| トランジスタの密度 | 前の世代の約2倍 |
2007年に量産、その後の世代へ
インテルは2007年1月27日に技術を発表し、同年後半に45nmの生産を始める計画を示しました。共同創業者のゴードン・ムーア氏は、1960年代後半にポリシリコンのゲートのMOSトランジスタが登場して以来、最大のトランジスタの技術の変化だと述べています。
同年11月11日には、HKMGを使った45nmのサーバー向けと高性能パソコン向けのプロセッサー16品を発売しました。4つのコアの品は最大8億2,000万個のトランジスタを積んでいます。
2011年に発表した22nmの3次元のトライゲート(FinFET)では、トランジスタの形そのものを変えました。トランジスタは、材料を替えるHKMGと、形を変えるFinFETやGAAを積み重ねて小さくなってきました。
関連する用語
- 誘電率(k):電気をためる性質の強さ。高いほど薄い膜と同じ働きを厚い膜でできます。
- FinFET:チャネルを立てて3面をゲートで囲むトランジスタ。
- GAA:チャネルの全周をゲートで囲むトランジスタ。
- Intel's Transistor Technology Breakthrough Represents Biggest Change to Computer Chips In 40 Years(Intel、2007年1月27日)
- Sixteen Eco-Friendly, Faster and 'Cooler' Chips Incorporate 45nm Hafnium-Based High-k Metal Gate Transistors(Intel、2007年11月11日)
- Intel Reinvents Transistors Using New 3-D Structure(Intel、2011年5月4日)
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