Die Ionenstrahl-Depositionstechnologie von Denton wird das ALD-System von Applied Materials herausfordern

ratpack223

Halbleiterlogikgeräte sind am 16-nm-Prozessknoten von Planartransistoren auf FinFET-Transistoren umgestiegen, um den Leckstrom zu verringern, die Skalierbarkeit zu verbessern, die Ansteuerströme zu erhöhen und die Schaltzeiten zu beschleunigen. Die FinFET-Herstellungstechnologie hat sich von 22-nm-Chips bis hin zu 5-nm-Chips gut skalieren lassen.

Das Gate-All-Around („GAA“) ist die Halbleiterprozesstechnologie der nächsten Generation und bietet zwei einzigartige Vorteile gegenüber FinFETs. Erstens lösen GAA-Transistoren viele Probleme im Zusammenhang mit dem Leckstrom, da die GAA-Kanäle horizontal verlaufen. Zweitens sind GAA-Transistoren an allen vier Seiten von Gates umgeben. Dies verbessert die Struktur eines Transistors, indem es einem Gate ermöglicht, alle vier Seiten eines Transistors zu kontaktieren, im Vergleich zu den drei Seiten im aktuellen FinFET-Prozess.

Die GAA-Transistorarchitektur ähnelt zu 90 % der FinFET-Architektur, der verbleibende Unterschied von 10 % ergibt sich aus der Stapelung horizontaler Nanoblätter übereinander.

Die Entwicklung verschiedener Arten von FET-Geräten ist in Diagramm 1 dargestellt.

Samsung

Diagramm 1

In einem planaren Gerät könnte der Metallfilm von oben nach unten durch PVD (Sputtern) abgeschieden werden. Bei FinFETs ist es mit dieser anisotropen Abscheidungstechnik sehr schwierig, einen konformen Film auf der Seitenwand der Rippen zu bilden. Die CVD-Technik weist eine viel bessere Isotropie als PVD auf und kann die Anforderungen von FinFETs erfüllen.

Für die GAA-Gerätestruktur erfordert die Abscheidung von HKMG Präzision auf atomarer Ebene. Die ALD-Technik bietet eine gute Kontrolle der Schichtdicke von HfO2 und TiN. Die Flossen sind nur 10 nm voneinander entfernt. In diesem Raum werden ein High-k-Material, ein Gate-Metall und ein Metall, das die Austrittsarbeit des Transistors definiert, abgeschieden.

Bei GAA-FETs werden jedoch sowohl PVD als auch CVD aus der Abscheidung von Gate-Schichten auslaufen und durch Atomlagenabscheidung („ALD“) ersetzt, wie aus unserem Bericht mit dem Titel „Global Semiconductor Equipment: Markets, Market Shares and Market Forecasts“ hervorgeht. Eine zentrale Herausforderung bei GAAFETs ist die Notwendigkeit, die mehrschichtigen Gate-Oxid- und Metall-Gate-Stapel um die winzigen 10-nm-Kanäle herum abzuscheiden.

Das Hochvakuum-Integrated-Materials-Solution-System (Diagramm 2) von Applied Materials (NASDAQ:AMAT) für den Gate-Oxid-Stapel integriert ALD, thermische Schritte, Plasmabehandlungsschritte und Messtechnik. Laut AMAT sind diese Stapel sehr komplex und können mehr als 7 Schichten enthalten. Dazu gehören die Schnittstellen- und High-k-Schichten sowie die Metall-Gate-Schichten. Die Schnittstellen- und High-k-Skalierung ist entscheidend für die Reduzierung des Gate-Oxids, das den Ansteuerstrom erhöht. Das Metall-Gate ist so abgestimmt, dass der Transistor die richtige Austrittsarbeit hat, die die Schwellenspannung bestimmt.

Angewandte Materialien

Diagramm 2

Das National Institute of Standards and Technology (NIST) evaluierte eine Technik namens Ion Beam Deposition („IBD“) und verglich Filme, die ebenfalls mit ALD hergestellt wurden. Diagramm 3 zeigt, dass IBD-Oxid ein besseres Durchschlagsfeld (2.000–3.000 MV/m) als ALD-Oxid (1.300 MV/m) aufweist. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das Durchschlagsfeld unabhängig von der Verbindungsfläche ist, was stark auf das Fehlen von Nadellöchern hindeutet.

NIST

Diagramm 3

Die Durchbruchspannung eines Isolators ist die Mindestspannung, die dazu führt, dass ein Teil eines Isolators einen elektrischen Durchschlag erleidet und elektrisch leitend wird. An diesem Punkt wird ein FinFET oder GAA ausfallen.

Wissenschaftler des NIST kommen zu dem Schluss, dass durch Ionenstrahlabscheidung bei Raumtemperatur Oxide von sehr hoher Qualität abgeschieden werden können. Die Technik ermöglicht die Kontrolle der Filmdicke im Subnanometerbereich. Die voreingenommene Zielversion von IBD ist in der Lage, scharfe Grenzflächen mit minimaler Interdiffusion zu erzeugen.

Denton Vacuum hat für einen Halbleiterkunden Ionenstrahlabscheidungsverfahren für Dünnschichten entwickelt, die in FinFET- und GAA-Prozessen verwendet werden. Die Daten zeigen, dass die Niederdruck-Ionenstrahlabscheidung und -Ätzung ultraglatte Filme mit außergewöhnlicher Gleichmäßigkeit und einer Dickenpräzision im Sub-Angström-Bereich liefert:

Bei der Ionenstrahlabscheidung richtet Denton das Ziel aus, um 1) die Energieniveaus der das Ziel bombardierenden Ionen zu steuern, 2) Bombardierungsschilde und andere Teile des Ionenstrahlsystems zu eliminieren, die zu Verunreinigungen führen, und 3) die Abscheidungsrate gegenüber der herkömmlichen Ionenstrahlabscheidung zu erhöhen . Beim Ionenstrahlätzen richtet Denton eine Vorspannung auf dem Substrat aus, um die Energiemenge zu steuern, die auf das Substrat trifft. Dies ist besonders wichtig für das schädigungsarme Ätzen moderner Geräte unter 7 nm.

Tabelle 1 vergleicht die Eigenschaften der Filme, die während dieser Abwertung der Abscheidungsmethoden für FinFETs und GAA gemessen wurden.

Denton Vakuum

Wenn sich Füllmaterialien ändern, ändern sich auch die Anforderungen an Auskleidungen (oder die Anforderungen, überhaupt Auskleidungen/Barrieren zu haben). Die mit diesen Materialien verbundenen Prozesse bieten Vor- und Nachteile für verschiedene Integrationsschemata, wie Dual-Damascene, Single-Damascene, vollständig selbstausrichtende Integration und sogar subtraktive Metallisierung. Die Niederdruck-Ionenstrahlabscheidung und -Ätzung sorgt für außergewöhnliche Gleichmäßigkeit und Präzision im Sub-Angström-Dickenbereich.

Die Bias-Target-Ionenstrahl-Sputtertechnologie von Denton ist einzigartig und liefert kollimierte, ultragleichmäßige Filme zum Füllen und Planarisieren.

Neben der für GAA wünschenswerten besseren Durchbruchspannung von IBD-Filmen sind auch zwei weitere Parameter dünner Filme wichtig: die Fähigkeit zur konformen Abdeckung und die niedrige Grenzflächenzustandsdichte des Gate-Dielektrikums.

Während Samsung (OTCPK:SSNLF) GAA für seine 3-nm-Chips verwendet, wird TSMC (TSM) es erst verwenden, wenn die 2-nm-Produktion erreicht ist, was im Jahr 2025 der Fall sein könnte. TSMC wird weiterhin FinFET-Transistoren auf seinen 3-nm-Chips verwenden, die nur drei davon abdecken Seiten des Kanals. Auch Intel (INTC) wird ab 2024 GAA nutzen. Intel nennt seine GAA-Transistoren RibbonFET.

Ich habe die logischen Roadmaps für diese Unternehmen in meinem Artikel Seeking Alpha vom 9. Januar 2023 mit dem Titel „TSMC: Meine Top-Wahl im Jahr 2023, da es Samsung Electronics und Intel Foundries dominiert“ besprochen. Tabelle 2 zeigt die FinFET- und GAA-Roadmaps der drei Unternehmen.

Das Informationsnetzwerk

Halbleiter-FinFET-Hersteller optimieren weiterhin Prozesse und Materialien, während sie Fertigungskapazitäten für FinFETs und GAA entwickeln, da die Abmessungen unter den 3-nm-Knoten fallen. Bei diesen Abmessungen wird der Preis eines Siliziumwafers, der diese Chips enthält, immer teurer, wie Tabelle 3 zeigt.

Das Informationsnetzwerk

Applied Materials stellte in seiner Logic Master Class 2021 unter großem Getöse sein 7-Module-System vor, das ALD für die Abscheidung beinhaltet. Bei deutlich geringeren Systemkosten hat sich gezeigt, dass das IBD-System von Denton Vacuum im Vergleich zum AMAT-System bessere Filme produziert.

Während die drei Schwergewichte bei Logikchips – TSMC, Samsung und Intel – GAA-Prozesse für die Produktion entwickeln, sind Geräte, die erstklassige Fähigkeiten bieten, von größter Bedeutung. Die Filme von Denton wurden bereits im Labor vorgeführt und werden der ALD-Lösung von AMAT Konkurrenz machen.

Ich bewerte AMAT als Verkaufen. Das Unternehmen redet weiter, indem es seine Technologie bewirbt, ohne sie umsetzen zu können. Ich habe ausführlich darüber geschrieben, wie AMAT weiterhin Marktanteile gegenüber der Konkurrenz verliert, weil es nicht über „Best-of-Breed“-Geräte verfügt, die Marktanteile gewinnen würden.

Wenn Kunden mehr Ausrüstung kaufen, um die Kapazität zu erhöhen, werden sie auch mehr installierte und leistungsfähigere Systeme der Wettbewerber kaufen, wodurch AMAT weitere Marktanteile verlieren wird. Mehr erfahren Leser in meinem Seeking Alpha-Artikel vom 9. Februar 2023 mit dem Titel: „Angewandte Materialien: Wichtige Fragen sind im Vorfeld der nächsten Gewinnmitteilung noch ungelöst.“

Dieser kostenlose Artikel präsentiert meine Analyse dieses Halbleiterausrüstungssektors. Eine detailliertere Analyse finden Sie auf meiner Marketplace-Newsletter-SeiteHalbleiter-Deep Dive . Hier können Sie mehr darüber erfahren und jetzt eine risikofreie zweiwöchige Testversion starten.

Dieser Artikel wurde geschrieben von

Dr. Robert N. Castellano ist Präsident von The Information Network www.theinformationnet.com. Die meisten Daten sowie Tabellen und Diagramme, die ich in meinen Artikeln verwende, stammen aus meinen Marktforschungsberichten. Wenn Sie weitere Informationen zu einem Artikel benötigen, besuchen Sie bitte meine Website.

Ich werde in Kürze einen Investoren-Newsletter starten. Informationen zur Anmeldung finden Sie online auf meiner Website.

Ich habe einen Ph.D. Abschluss in Chemie an der Universität Oxford (England) bei Dr. John Goodenough, Erfinder der Lithium-Ionen-Batterie und Nobelpreisträger für Chemie 2019. Ich habe zehn Jahre Erfahrung im Bereich der Waferherstellung bei AT&T Bell Laboratories und der Stanford University.

Ich bin seit 2000 Chefredakteur des peer-reviewten Journal of Active and Passive Electronic Devices. Ich habe die Bücher „Technology Trends in VLSI Manufacturing“ (Gordon and Breach) und „Solar Panel Processing“ (Old City Publishing) verfasst. , „Alternative Energietechnologie“ (Old City Publishing). Ebenfalls im Solarbereich bin ich CEO von SolarPA, das ein proprietäres Nanomaterial zur Beschichtung von Solarzellen verwendet und so den Wirkungsgrad um bis zu 10 % steigert. Kürzlich habe ich den Roman „Blessed“ veröffentlicht, der auf Amazon und anderen Websites erhältlich ist.

Offenlegung des Analysten: Ich/wir habe(n) keine Aktien-, Options- oder ähnliche Derivateposition in einem der genannten Unternehmen und habe/n nicht vor, innerhalb der nächsten 72 Stunden solche Positionen einzugehen. Ich habe diesen Artikel selbst geschrieben und er drückt meine eigene Meinung aus. Ich erhalte dafür keine Vergütung (außer von Seeking Alpha). Ich stehe in keiner Geschäftsbeziehung mit einem Unternehmen, dessen Aktien in diesem Artikel erwähnt werden.

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