La tecnología de deposición por haz de iones de Denton desafiará el sistema ALD de Applied Materials

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Los dispositivos lógicos de semiconductores han pasado de transistores planos a transistores FinFET en el nodo de proceso de 16 nm como un medio para reducir las fugas, mejorar la escalabilidad, reforzar las corrientes de accionamiento y acelerar los tiempos de conmutación. La tecnología de fabricación FinFET se ha escalado bien desde chips de 22 nm hasta chips de 5 nm.

El gate-all-around ("GAA") es la tecnología de proceso de semiconductores de próxima generación que ofrece dos ventajas únicas sobre los FinFET. Primero, los transistores GAA resuelven muchos desafíos asociados con la corriente de fuga ya que los canales GAA son horizontales. En segundo lugar, los transistores GAA están rodeados por puertas en los cuatro lados. Eso mejora la estructura de un transistor al permitir que una puerta entre en contacto con los cuatro lados de un transistor en comparación con los tres lados en el proceso FinFET actual.

La arquitectura del transistor GAA es 90 % similar a FinFET, y la diferencia restante del 10 % proviene del apilamiento de nanoláminas horizontales una encima de la otra.

La evolución de los diferentes tipos de dispositivos FET se muestra en el Gráfico 1.

Samsung

Cuadro 1

En un dispositivo plano, la película de metal podría depositarse de arriba hacia abajo mediante PVD (pulverización catódica). Para los FinFET, es muy difícil formar una película conformada en la pared lateral de las aletas utilizando esta técnica de deposición anisotrópica. La técnica CVD tiene una isotropía mucho mejor que la PVD y puede cumplir con los requisitos de los FinFET.

Para la estructura del dispositivo GAA, la deposición de HKMG requiere precisión en los niveles atómicos. La técnica ALD ofrece un buen control del espesor de capa de HfO2 y TiN. Las aletas están separadas por solo 10 nm. En ese espacio se depositan un material de alta k, un metal puerta y un metal que define la función de trabajo del transistor.

Sin embargo, para los FET de GAA, tanto el PVD como el CVD se eliminarán gradualmente de la deposición de capas de puerta y se reemplazarán por la deposición de capas atómicas ("ALD"), según nuestro informe titulado Equipos de semiconductores globales: mercados, cuotas de mercado y previsiones de mercado. Un desafío clave con los GAAFET es la necesidad de depositar las pilas de puertas de metal y óxido de puerta multicapa alrededor de los diminutos canales de 10 nm.

El sistema de solución de materiales integrados de alto vacío de Applied Materials (NASDAQ:AMAT) (Gráfico 2) para la pila de óxido de compuerta integra ALD, pasos térmicos, pasos de tratamiento con plasma y metrología. Según AMAT, estas pilas son muy complejas y pueden contener más de 7 capas. Estos incluyen las capas de interfaz y k alta y las capas de puerta de metal. La interfaz y el escalado de alto k son fundamentales para la reducción del óxido de la puerta, lo que aumenta la corriente de la unidad. La puerta de metal está sintonizada para garantizar que el transistor tenga la función de trabajo correcta que determina el voltaje de umbral.

Materiales aplicados

Cuadro 2

El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) evaluó una técnica llamada deposición por haz de iones ("IBD") y comparó películas también hechas con ALD. El gráfico 3 muestra que el óxido IBD tiene un campo de ruptura superior (2000-3000 MV/m) al del óxido ALD (1300 MV/m). Además, se encontró que el campo de ruptura era independiente del área de unión, lo que sugiere fuertemente la ausencia de poros.

NIST

Cuadro 3

El voltaje de ruptura de un aislador es el voltaje mínimo que hace que una parte de un aislador experimente una ruptura eléctrica y se vuelva eléctricamente conductora. En ese momento, un FinFET o GAA fallará.

Las conclusiones extraídas por los científicos del NIST son que la deposición por haz de iones es capaz de depositar óxidos de muy alta calidad a temperatura ambiente. La técnica permite un control subnanométrico sobre el espesor de la película. La versión objetivo sesgada de IBD puede producir interfaces nítidas con una interdifusión mínima.

Denton Vacuum ha desarrollado procesos de deposición por haz de iones de películas delgadas utilizadas en los procesos FinFET y GAA para un cliente de semiconductores. Los datos muestran que la deposición y el grabado con haz de iones a baja presión proporcionan películas ultrasuaves con uniformidad excepcional y precisión de espesor inferior a Angstrom:

Para la deposición de haz de iones, Denton sesga el objetivo para 1) controlar los niveles de energía de los iones que bombardean el objetivo, 2) eliminar los escudos de bombardeo y otras partes del sistema de haz de iones que crean contaminación, y 3) aumentar la tasa de deposición sobre la deposición tradicional de haz de iones . Para el grabado con haz de iones, Denton sesga el sustrato para controlar el nivel de energía que golpea el sustrato, esto es particularmente importante para el grabado de bajo daño de dispositivos avanzados por debajo de 7 nm.

La Tabla 1 compara las propiedades de las películas medidas durante esta devaluación de los métodos de deposición para FinFET y GAA.

Aspiradora Denton

A medida que cambian los materiales de relleno, también cambiarán los requisitos de los revestimientos (o incluso los requisitos para tener revestimientos/barreras). Los procesos asociados con estos materiales presentarán ventajas y desventajas para diferentes esquemas de integración, como doble damasquinado, damasquinado simple, integración totalmente autoalineada e incluso metalización sustractiva. La deposición y el grabado con haz de iones a baja presión proporcionan una uniformidad excepcional y una precisión de espesor inferior a Angstrom.

La tecnología de pulverización catódica de haz de iones objetivo de polarización de Denton es única y proporciona películas ultra uniformes colimadas para relleno y planarización.

Además de que el mejor voltaje de ruptura de las películas IBD es deseable para GAA, otros dos parámetros de las películas delgadas también son importantes: la capacidad de cobertura conforme y la baja densidad de estado de la interfaz del dieléctrico de puerta.

Si bien Samsung (OTCPK:SSNLF) usa GAA para sus chips de 3 nm, TSMC (TSM) no lo usará hasta que alcance la producción de 2 nm, lo que podría ser en 2025. TSMC continuará empleando transistores FinFET en sus chips de 3 nm que cubren solo tres lados del canal. Intel (INTC) también utilizará GAA a partir de 2024. Intel llama a sus transistores GAA RibbonFET.

Discutí las hojas de ruta lógicas para estas empresas en mi artículo Seeking Alpha del 9 de enero de 2023 titulado "TSMC: My Top Pick In 2023 As Dominates Samsung Electronics and Intel Foundries". La Tabla 2 ilustra las hojas de ruta de FinFET y GAA de las tres empresas.

La Red de Información

Los fabricantes de semiconductores FinFET continúan optimizando procesos y materiales a medida que desarrollan capacidades de fabricación para FinFET y GAA a medida que las dimensiones caen por debajo del nodo de 3 nm. Con estas dimensiones, el precio de una oblea de silicio que contiene estos chips se vuelve cada vez más caro, como se muestra en la Tabla 3.

La Red de Información

Applied Materials, con gran fanfarria en su Logic Master Class 2021, presentó su sistema de 7 módulos que incluye ALD para deposición. A un costo de sistema significativamente menor, se ha demostrado que el sistema IBD de Denton Vacuum produce películas superiores en comparación con el sistema de AMAT.

A medida que los tres pesos pesados ​​de los chips lógicos (TSMC, Samsung e Intel) se mueven para desarrollar procesos GAA para la producción, el equipo que ofrece las mejores capacidades de su clase es de suma importancia. Las películas de Denton ya se han demostrado en el laboratorio y le darán una oportunidad a la solución ALD de AMAT.

Califico a AMAT como Vender. La empresa continúa "hablando por hablar" promocionando su tecnología sin poder ejecutarla. He escrito extensamente sobre cómo AMAT sigue perdiendo cuota de mercado frente a sus competidores, porque no tiene el equipo "mejor de su clase" que GANARÍA cuota de mercado.

A medida que los clientes compren más equipos para aumentar la capacidad, comprarán más sistemas de la competencia instalados y funcionando, por lo que AMAT perderá más participación. Los lectores pueden obtener más información en mi artículo Seeking Alpha del 9 de febrero de 2023 titulado: "Materiales aplicados: las preguntas importantes aún no se han resuelto antes de su próxima llamada de ganancias".

Este artículo gratuito presenta mi análisis de este sector de equipos de semiconductores. Un análisis más detallado está disponible en mi sitio de boletines de MarketplaceAnálisis profundo de semiconductores . Puede obtener más información al respecto aquí y comenzar una prueba de 2 semanas sin riesgos ahora.

Este artículo fue escrito por

Dr. Robert N. Castellano, es presidente de The Information Network www.theinformationnet.com. La mayoría de los datos, así como las tablas y gráficos que utilizo en mis artículos, provienen de mis informes de investigación de mercado. Si necesita información adicional sobre cualquier artículo, por favor vaya a mi sitio web.

Pronto lanzaré un boletín informativo para inversores. La información para registrarse estará en línea en mi sitio web.

Recibí un doctorado. Licenciado en química por la Universidad de Oxford (Inglaterra) con el Dr. John Goodenough, inventor de la batería de iones de litio y ganador del Premio Nobel de Química 2019. Tengo diez años de experiencia en el campo de la fabricación de obleas en AT&T Bell Laboratories y la Universidad de Stanford.

He sido editor en jefe del Journal of Active and Passive Electronic Devices revisado por pares desde 2000. Soy autor del libro "Tendencias tecnológicas en la fabricación de VLSI" (Gordon and Breach), "Procesamiento de paneles solares" (Old City Publishing) , "Tecnología de energía alternativa" (Old City Publishing). También en el área solar, soy CEO de SolarPA, que utiliza un nanomaterial patentado para recubrir las células solares, aumentando la eficiencia hasta en un 10%. Recientemente publiqué una novela de ficción Bendita, disponible en Amazon y otros sitios.

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