【1】HKMGとは何か
微細化が進むにつれ、従来使用されていた SiO₂ゲート絶縁膜 は限界を迎えた。
SiO₂膜厚を薄くするとゲート電界は強くなるが、あるポイントを超えると
● トンネル電流（リーク電流）が急増
● 電力消費が増加
● トランジスタの信頼性が低下 という問題が発生する。
この問題を解決するために導入されたのが、
High-k（高誘電率材料）＋ Metal Gate（メタルゲート）構造 ＝ HKMG（High-k Metal Gate）である。
微細化世代（45nm → 32nm → 22nm）を成立させた革命的技術といえる。
【2】High-k材料が必要になった理由
●（1）従来SiO₂の限界
ゲート絶縁膜としてのSiO₂は優秀だったが、膜厚を1nm以下にすると
電子が量子トンネル効果で素通りしはじめる。
→ ゲートリーク電流が増え、不良や発熱の原因に。
●（2）High-k材料（HfO₂など）の採用
High-k材料は 誘電率が高いため、物理膜厚を厚いまま、電気的には薄い膜と同じ効果を得られる。
つまり：
- リーク電流を大幅に低減できる
- 電気的性能を維持したまま微細化できる というメリットがある。
特に HfO₂（ハフニウム酸化膜）は、誘電率が適度に高く、Siとの相性も良いことから業界標準になっている。
【3】Metal Gateが必要になった理由
High-k材料を採用すると、従来のポリシリコンゲートでは以下の問題が発生した。
● ポリシリコンがHigh-kに不純物を与え、性能劣化
● ゲート抵抗が増加
● Work Function（仕事関数）調整が難しくなる
そのため、金属ゲート（Metal Gate）が導入された。
Metal Gateのメリット：
● Work Functionを自由に選べるため、nMOS / pMOSで最適化しやすい
● 抵抗が低く高速化
● High-kとの相性が良い
現在は TiN（窒化チタン） を中心に、複数金属を積層して仕事関数を調整するのが一般的。
【4】HKMGが微細化に与えたインパクト
HKMGは微細化のゲームチェンジャーであり、以下のメリットが得られた。
●（1）リーク電流の劇的低減
High-kにより物理膜厚を厚くできるため、リークが従来のSiO₂より 10〜100分の1 に低減。
→ 省電力化に大きく貢献。
●（2）トランジスタのスイッチング特性向上
Metal Gateはポリシリコンより抵抗が低い。
そのため
● ゲートのRC遅延が減る
● スイッチング速度が向上
● 高周波アプリケーションに有利 というメリットが生じる。
●（3）微細化の継続（Moore’s Lawの延命）
もしHKMGが無ければ、45nm以降の微細化は成立しなかった。
HKMGは現在のFinFET・GAA時代に至るまでの微細化の基盤技術 といえる。
【5】製造プロセス上の課題と進化
HKMGには以下の課題がある：
● High-kとSiの界面品質維持
● 金属ゲートの仕事関数調整
● 温度処理（アニール）の最適化
● 高圧縮・低ストレス膜の形成
先端ノードでは ゲートラスト（Gate Last）方式 が主流となり、
Metal Gateの形成を後工程に回すことで性能を確保している。
【6】最新トレンド：HKMG × GAA × AI時代の技術
最先端ノードでは、HKMGはさらに以下の方向に進化している。
● 高誘電率材料の多層化（HfO₂＋Al₂O₃ など）
● ランダムテレグラフノイズ（RTN）低減技術
● Work-function微調整のための合金化
● GAAとの最適化設計
● AIチップ向けの高電流対応ゲート構造
GAA構造と組み合わせることで、微細化の限界突破を支える中核技術となっている。
【7】まとめ（5-3）
● SiO₂の限界を突破するためにHigh-kが導入
● リーク電流を劇的に低減
● Metal Gateにより電気特性と仕事関数を最適化
● HKMGがなければFinFET時代の性能は成立しなかった
● GAA世代でも必須の構造であり、今後も進化し続ける
【理解チェック】
１．High-k材料が必要になった理由を説明してください。
２．なぜポリシリコンゲートではHigh-kと組み合わせる際に問題が生じるのか？
３．Metal Gateの利点は何ですか？
コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。
※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません。
