High-κ絶縁体
ゲート酸化物として数十年間にわたって使われてきたのは二酸化ケイ素(SiO2)である。 トランジスタが小さくなり二酸化ケイ素ゲート絶縁体の厚さが着実に薄くなったことで、ゲート容量と駆動電流は増加したが、デバイス性能は向上した。 厚さが2nm未満になると、トンネル効果によるリーク電流が劇的に増加し、その結果消費電力は増加し、デバイスの信頼性は減少した。 ゲート絶縁体を二酸化ケイ素からhigh-κ材料に置き換えることで、リーク効果無しでゲート容量を増加させることができる。
MOSFETのドレイン電流IDは(グラジュアルチャネル近似を用いると)次のように書ける。
I D , S a t = W L μ C i n v ( V G − V t h ) 2 2 {\displaystyle I_{D,Sat}={\frac {W}{L}}\mu \,C_{inv}{\frac {(V_{G}-V_{th})^{2}}{2}}}
ここで、
Wはトランジスタチャネルの幅
Lはチャネル長さ
μはチャネルキャリア移動度(ここでは定数と仮定される)
Cinvは下層のチャネルが反転状態である場合のゲート絶縁体に関連したキャパシタンス密度
VGはトランジスタゲートに印加された電圧。
Vthはしきい値電圧
VGが大きすぎると酸化物を横切る方向に大きな電場を作ってしまう。よって信頼性と室温操作の制約により、VG − Vthはある範囲に限定される。 さらにVthは簡単には200 mV未満にはできない。 なぜなら(high-κ絶縁体ではなく)酸化物を使うことによるリーク電流の増加と、サブスレッショルド伝導が、待機時消費電力を許容できないレベルまで増加させるためである。 (スレッショルドを200mVに制限している産業ロードマップやRoy等 を参照。) このように、この因子の簡略化されたリストによれば、ID,satが増加すると、チャネル長さを短くすることや、ゲート絶縁体容量を増やすことが必要となる。
産業において、1990年代から窒化ケイ素ゲート絶縁体が使用されており、シリコン酸化物絶縁体に少量の窒素が注入される。 窒素含有量は誘電率をわずかに増加させ、ゲート絶縁体を通したドーパント拡散に対する抵抗などの利点があると考えられる。
2007年初めにインテルは、ハフニウムベースhigh-k絶縁体の展開を、45ナノメートル(英語版)テクノロジー上のコンポーネントにおけるメタルゲートと併せて発表し、コードネームでPenrynと呼ばれる2007プロセッサシリーズで出荷した。 それと同時にIBMでも、2008年にいくつかの製品でハフニウムベースのhigh-k材料へ移行することを発表した。 特定されていないが最も用いられている可能性が高いとされている絶縁体は、何らかの形の窒化ハフニウムシリケート(HfSiON)である。 HfO2とHfSiOはドーパント活性化アニールの間、結晶化の影響を受けやすい。 NECエレクトロニクスも55 nm UltimateLowPowerテクノロジーでHfSiON絶縁体の使用を発表した。 しかしHfSiONはトラップに関係したリーク電流の影響を受けやすく、これはデバイス寿命までの間、ストレスにつれて増加する傾向がある。 このリーク効果は、ハフニウム濃度が増加するとよりシビアになる。 しかしハフニウムが将来のhigh-k絶縁体での事実上の基礎となる保障は無い。 2006年のITRSロードマップはhigh-k材料の実行は2010年までに産業において当たり前になると予言している。
尚、成膜方法としては大口径ウエハ上への均一な成膜が可能なALD(Atomic Layer Deposition:原子層堆積)が用いられていることが知られている。