第11週 アニメ図解②　平面から立体へ：ゲートの囲み方の進化

短チャネル効果（図解①）への答え＝「ゲートでチャネルを何面から囲むか」を増やしていく

これまでのMOS＝チャネルの「上1面」だけゲートが乗っている

断面で見ると、チャネル（電流の通り道）の上に酸化膜＋ゲートが乗っているだけ。チャネルの下のほうはゲートから遠く、支配が届きにくい。だから図解①で見た「ドレインの電界の侵入＝リーク」が起きやすい。

断面図：ゲートが囲んでいるのは赤くハイライトした「上1面」だけ

ゲートが囲む面1 面（上だけ）
チャネルの支配弱い
リーク起きやすい
チャネルを短くするほど、上1面だけでは下のほう・中央を支配しきれずリークが増える。
「もっとチャネルをしっかり握りたい」——そこで発想を変えます。平らなチャネルを立てて、横からも握ればいい（→ FinFET）。

FinFET＝チャネルを「ヒレ（Fin）」に立てて、3面から囲む

チャネルを魚のヒレ（Fin）のように縦に立て、ゲートを左・上・右の3面にかぶせます。3方向から握るので、上1面だけの平面MOSよりずっとチャネルを支配でき、リークが減ります。22nm世代あたりから主役になりました。

断面図：立てたヒレ（チャネル）を、ゲートが左・上・右の3面（赤ハイライト）から囲む

ゲートが囲む面3 面
チャネルの支配強い
リークかなり減る
3面から握ると、チャネルの大部分にゲートの支配が届く＝OFFがちゃんと効く＝リークが減る。
ただしヒレの根もと（下の1面）はまだ握れていない。さらに小さくすると、ここがやはり弱点に。→ ならば全部囲もう（→ GAA）。

GAA／ナノシート＝チャネルを薄い板にして、全周（4面）を包む

チャネルを薄いシート（ナノシート）にして、その全周をゲートでぐるりと包みます。GAA＝Gate-All-Around（全周ゲート）。逃げ場がないほどチャネルを握るので、短チャネル効果をほぼ抑え込めます。さらにシートを上下に積み重ねて電流を稼ぎます。2nm世代の主役です。

断面図：薄いシート（チャネル）の全周をゲート（赤ハイライト）が包む。シートは上下に積める

ゲートが囲む面全周（4面）
チャネルの支配最強
リークほぼゼロ
全周で握る＝どこにもドレインの電界が侵入する隙がない。だから極小サイズでもOFFがしっかり効く。
おまけにシートを何枚も積めば電流（駆動力）も増やせる＝小ささと強さを両立。これが「平面 → 立体」進化の到達点です。

3つ並べて一望：囲む面が増えるほど、チャネルをしっかり握れる

同じチャネルを、ゲートが何面から囲んでいるか。1面→3面→全周と増えるほど、ゲートの支配（赤ハイライト）が増え、リーク（漏れ）の矢印が細っていきます。

　平面MOSFinFETGAA／ナノシート
ゲートが囲む面1面（上だけ）3面全周（4面）
チャネルの形平ら（寝ている）ヒレ（立てる）薄いシート（積める）
支配の強さ弱い強い最強
リーク起きやすいかなり減るほぼゼロ
主な世代～28nm 頃22～5nm 頃2nm 世代～
ひとことで：「ゲートでチャネルを何面から握るか」を増やす歴史。
第9週の「ゲートの効きやすさ＝チャネルを制御する力」が、立体化でどんどん強くなってきた、という話です。次世代はシート同士をさらに積む・nとpを重ねる（CFET）など、囲み方と積み方の工夫が続きます。