1. はじめに

 

　1972年にIBMのデナードが比例縮小則（Scaling Rule）を提唱し、MOSICのパターンを微細化するにしたがい、電流と電圧を下げることができ（すなわち消費電力が下がり）、動作速度は向上し、集積度も増えると言う願ってもないルールである。

　従ってLSIの性能向上と集積度向上を同時に達成できる微細化競争が始まったわけである。LSIの微細化を行う時のルールと、得られる特性を図1に示す。

 

　ところが、パターン寸法が30nm以下まで微細化が進むと、多くの困難な問題が顕在化してきた。

　ゲート酸化膜も1nm程度まで薄くする必要があり、この程度の薄さになると、MOS動作に関係のないトンネル電流が流れて消費電力が大きくなってしまうことになった。

　今月は、このゲート酸化膜問題を取り上げる。

 

2. トンネル電流とは

 

　ゲート酸化膜がどんどん薄くなって1nm（10Å：オングストローム）程度になると、絶縁物のはずの酸化膜（SiO2）が絶縁物でなくなってしまい、酸化膜中を電流が流れる。

　これを説明するには、どうしても大嫌いな量子論をもち出す必要がある。

　光は回折現象などから波と思われ、固有の波長や振動数をもっている。

　ところがアインシュタインが光電効果を説明するのに、光は粒であるといいだし、今では「波のようでもあり、粒のようでもある」ものとなっている。

　いっぽう、電子は、原子核の周りを回っている粒であると考えるが、ド・ブロイが電子も回折することを見出し、粒でもあり波でもあるとなった。

　電子顕微鏡など、電子の波の性質を利用した機器が使われている。

　要は、原子程度の微細な現象は、我々が日常接している現象とは異なっており、波であり粒であると言われると、どんなものかを表現する方法がないわけである。

　さて、そこで1nm以下の薄い酸化膜の場合を考えると、電子が粒と考えるとボールを壁にぶつける図2のように跳ね返ってくる。

 

　ところが電子が波ならどうだろうか？ 壁の片方から大きな声で叫ぶと、薄い板なら反対側で聞こえる。

　これと同じように電子は壁をすり抜けて反対側に出てくる。これをトンネル効果と呼んでいる。

　図3は、トンネル電流と酸化膜の厚さの関係のグラフで、30Åと10Åでは3桁近い差があり、10Å（すなわち1nm）程度に薄くなると途端に大電流が流れてしまう。

 

　最先端のLSIを開発したのに、トンネル電流が大きいため消費電力が大きく発熱が抑えられなくて生産を中止した例もあると聞いている。

 

3. 高誘電率膜の採用

 

　ゲート酸化膜を薄くする理由は、ゲート電極とチャンネルとのキャパシタンスを大きくしてチャンネルを流れる電流を大きくするためである。

　そこで、このキャパシタンスを大きな値にするため、高誘電率（Ｈｉｇｈ−ｋと呼ばれる）の絶縁膜を用いる検討が行われた。

　図4に各種のHigh-k膜をあげた。初期の頃は、k＝7のSi3N4が用いられたが、さらに、TiO2、Al2O3、La2O3、ZrO2などが検討され、現在はk＝20程度のHfO2系の材料が一般的に用いられている。

　SiO2のk値は4なのでHfO2はこれの5倍であるから、5nmの厚さがSiO2の1nmに相当する。この関係をEOT（Equivalent Oxide Thickness）1nmといっている。

　5nmの厚さならトンネル電流の心配はまったくいらない。

 

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