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半導体業界において、高誘電率材料とは、二酸化ケイ素と比較して誘電率（κ、カッパ）が高い材料を指します。高誘電率材料は半導体製造プロセスで使用され、通常は二酸化ケイ素ゲート誘電体またはデバイスの他の誘電体層の代替として用いられます。高誘電率ゲート誘電体の導入は、マイクロエレクトロニクス部品のさらなる小型化を可能にするために開発されたいくつかの戦略の一つであり、一般的にはムーアの法則の拡張と呼ばれています。
これらの材料は、「high-κ」（ハイカッパ）ではなく、「high-k」（ハイケイ）と呼ばれることもあります。
二酸化ケイ素（SiO₂ ）は、数十年にわたりゲート酸化膜材料として使用されてきました。金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）のサイズが縮小するにつれて、ゲート容量（単位面積あたり）と駆動電流（デバイス幅あたり）を増加させるために、ゲート誘電体である二酸化ケイ素の厚さは着実に減少し、デバイス性能が向上してきました。厚さが2 nm以下になると、トンネル効果によるリーク電流が急激に増加し、消費電力の増加とデバイスの信頼性の低下につながります。二酸化ケイ素を高誘電率材料に置き換えることで、ゲートの物理的な厚さをさらに減少させることなく、より高いゲート容量を実現でき、トンネルリークを抑制しながらスケーリングを継続することが可能になります。
MOSFETのゲート酸化膜は平行平板コンデンサとしてモデル化できる。Si基板とゲートからの量子力学的効果と空乏効果を無視すると、この平行平板コンデンサの静電容量Cは次のように与えられる。
どこ
リーク電流の制限によりtのさらなる低減が制限されるため、ゲート容量を増加させる代替方法として、二酸化ケイ素を高誘電率材料に置き換えることでκを変化させる方法が考えられます。このような場合、より厚いゲート酸化膜層を使用することで、構造を流れるリーク電流を低減し、ゲート誘電体の信頼性を向上させることができます。
MOSFETのドレイン電流I <sub>D </sub>は（段階的チャネル近似を用いて）次のように表すことができる。
どこ
V G − V thの範囲は、信頼性と室温動作の制約により制限されます。V G が大きすぎると、酸化膜全体に望ましくない高電界が発生するためです。さらに、V th を約 200 mV 以下に容易に下げることはできません。 酸化膜リーク電流の増加 (つまり、高誘電率誘電体が利用できない場合) と閾値下伝導によるリーク電流により、待機電力消費が許容できないレベルまで上昇するためです。(閾値を 200 mV に制限する業界ロードマップ[ 1 ] および Royら[ 2 ]を参照)。したがって、この簡略化された要因リストによれば、I D,satを増加させるには、チャネル長を短くするか、ゲート誘電体容量を増やす必要があります。
二酸化ケイ素ゲート誘電体を別の材料に置き換えると、製造プロセスが複雑になります。二酸化ケイ素は、下地のシリコンを酸化することで形成でき、均一でコンフォーマルな酸化膜と高い界面品質を確保できます。そのため、開発努力は、製造プロセスに容易に組み込める、必要な高い誘電率を持つ材料を見つけることに集中してきました。その他の重要な考慮事項には、シリコンとのバンドアライメント（リーク電流が変化する可能性があります）、膜の形態、熱安定性、チャネル内の電荷キャリアの高い移動度の維持、および膜/界面の電気的欠陥の最小化が含まれます。注目されている材料には、ハフニウムシリケート、ジルコニウムシリケート、ハフニウム二酸化物、ジルコニウムなどがあり、これらは通常、原子層堆積法を使用して成膜されます。
高誘電率材料中の欠陥状態は、その電気的特性に影響を与えることが予想されます。欠陥状態は、例えば、ゼロバイアス熱刺激電流、ゼロ温度勾配ゼロバイアス熱刺激電流分光法[ 3 ] [ 4 ]、または非弾性電子トンネル分光法（IETS）を用いて測定できます。
業界では1990年代から、オキシナイトライドゲート誘電体が採用されている。これは、従来型の酸化シリコン誘電体に少量の窒素を注入したものである。窒化物含有量によって誘電率がわずかに上昇し、ゲート誘電体を介したドーパント拡散に対する耐性など、その他の利点ももたらされると考えられている。
2000年、Micron TechnologyのGurtej Singh SandhuとTrung T. Doanは、DRAMメモリデバイス用の原子層堆積高誘電率膜の開発を開始しました。これは、90nmノードDRAMを皮切りに、半導体メモリのコスト効率の高い実装を推進するのに役立ちました。[ 5 ] [ 6 ]
2007 年初頭、インテルは、 45 ナノメートル技術で構築されたコンポーネント向けに、金属ゲートと組み合わせたハフニウムベースの高 κ 誘電体の導入を発表し、コードネームPenrynと呼ばれる 2007 年のプロセッサ シリーズで出荷しました。[ 7 ] [ 8 ]同時に、IBM は、 2008 年に一部の製品で、同じくハフニウムベースの高 κ 材料への移行計画を発表しました。特定されていませんが、このような用途で使用される可能性が最も高い誘電体は、窒化ハフニウムケイ酸塩 (HfSiON) のいずれかの形態です。HfO 2とHfSiOは、ドーパント活性化アニーリング中に結晶化しやすいです。NECエレクトロニクスも、 55 nm UltimateLowPowerテクノロジーでHfSiON誘電体の使用を発表しました。[ 9 ]しかし、HfSiONでさえ、トラップ関連のリーク電流の影響を受けやすく、デバイスの寿命にわたってストレスとともに増加する傾向があります。このリーク効果は、ハフニウム濃度が増加するにつれて深刻になります。しかしながら、ハフニウムが将来の高誘電率材料の事実上の基盤となるという保証はない。2006年のITRSロードマップでは、高誘電率材料の実用化は2010年までに業界で一般的になるだろうと予測されていた。
