La technologie de dépôt par faisceau ionique de Denton défiera le système ALD d'Applied Materials

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Les dispositifs logiques à semi-conducteurs sont passés des transistors planaires aux transistors FinFET au niveau du nœud de processus 16 nm afin de réduire les fuites, d'améliorer l'évolutivité, de renforcer les courants d'entraînement et d'accélérer les temps de commutation. La technologie de fabrication FinFET est bien passée des puces 22 nm aux puces 5 nm.

Le gate-all-around ("GAA") est la technologie de traitement des semi-conducteurs de nouvelle génération, offre deux avantages uniques par rapport aux FinFET. Premièrement, les transistors GAA résolvent de nombreux problèmes liés au courant de fuite puisque les canaux GAA sont horizontaux. Deuxièmement, les transistors GAA sont entourés de grilles sur les quatre côtés. Cela améliore la structure d'un transistor en permettant à une grille de contacter les quatre côtés d'un transistor par rapport aux trois côtés dans le processus FinFET actuel.

L'architecture des transistors GAA est similaire à 90 % à FinFET, et les 10 % de différence restants proviennent de l'empilement de nanofeuilles horizontales les unes sur les autres.

L'évolution des différents types de dispositifs FET est illustrée dans le graphique 1.

Samsung

Graphique 1

Dans un dispositif planaire, le film métallique pourrait être déposé de haut en bas par PVD (sputtering). Pour les FinFET, il est très difficile de former un film conforme sur le flanc des ailettes en utilisant cette technique de dépôt anisotrope. La technique CVD a une bien meilleure isotropie que la PVD et est capable de répondre aux exigences des FinFET.

Pour la structure du dispositif GAA, le dépôt de HKMG nécessite une précision aux niveaux atomiques. La technique ALD offre un bon contrôle de l'épaisseur de couche de HfO2 et de TiN. Les nageoires sont séparées de seulement 10nm. Dans cet espace, un matériau à k élevé, un métal de grille et un métal qui définit la fonction de travail du transistor sont déposés.

Pour les FET GAA, cependant, le PVD et le CVD seront progressivement supprimés du dépôt des couches de grille, remplacés par le dépôt de la couche atomique ("ALD"), selon notre rapport intitulé Global Semiconductor Equipment: Markets, Market Shares and Market Forecasts. Un défi clé avec les GAAFET est la nécessité de déposer l'oxyde de grille multicouche et les empilements de grille métalliques autour des minuscules canaux de 10 nm.

Le système de solutions de matériaux intégrés à vide poussé d'Applied Materials (NASDAQ:AMAT) (graphique 2) pour l'empilement d'oxyde de grille intègre l'ALD, les étapes thermiques, les étapes de traitement au plasma et la métrologie. Selon l'AMAT, ces empilements sont très complexes et peuvent contenir jusqu'à 7 couches. Celles-ci incluent les couches d'interface et à k élevé et les couches de grille métallique. L'interface et la mise à l'échelle à k élevé sont essentielles à la réduction de l'oxyde de grille qui augmente le courant d'entraînement. La grille métallique est réglée pour s'assurer que le transistor a la fonction de travail correcte qui détermine la tension de seuil.

Matériaux appliqués

Graphique 2

Le National Institute of Standards and Technology (NIST) a évalué une technique appelée dépôt par faisceau d'ions ("IBD") et a comparé des films également fabriqués avec ALD. Le graphique 3 montre que l'oxyde IBD a un champ de claquage supérieur (2 000-3 000 MV/m) à celui de l'oxyde ALD (1 300 MV/m). De plus, le champ de claquage s'est avéré indépendant de la zone de jonction, suggérant fortement l'absence de trous d'épingle.

NIST

Graphique 3

La tension de claquage d'un isolateur est la tension minimale qui fait qu'une partie d'un isolateur subit une panne électrique et devient électriquement conductrice. À ce stade, un FinFET ou un GAA échouera.

Les conclusions tirées par les scientifiques du NIST sont que le dépôt par faisceau d'ions est capable de déposer des oxydes de très haute qualité à température ambiante. La technique permet un contrôle inférieur au nanomètre sur l'épaisseur du film. La version cible biaisée d'IBD est capable de produire des interfaces nettes avec une interdiffusion minimale.

Denton Vacuum a développé des procédés de dépôt par faisceau ionique de couches minces utilisées dans les procédés FinFET et GAA pour un client de semi-conducteurs. Les données montrent que le dépôt et la gravure par faisceau ionique à basse pression fournissent des films ultra-lisses avec une uniformité exceptionnelle et une précision d'épaisseur inférieure à l'angström :

Pour le dépôt par faisceau ionique, Denton polarise la cible pour 1) contrôler les niveaux d'énergie des ions bombardant la cible, 2) éliminer les boucliers de bombardement et d'autres parties du système de faisceau ionique qui créent une contamination, et 3) augmenter le taux de dépôt par rapport au dépôt traditionnel par faisceau ionique. . Pour la gravure par faisceau ionique, Denton polarise le substrat pour contrôler le niveau d'énergie frappant le substrat, ceci est particulièrement important pour la gravure à faible dommage des dispositifs avancés sous 7 nm.

Le tableau 1 compare les propriétés des films mesurées lors de cette dévalorisation des méthodes de dépôt pour les FinFET et le GAA.

Aspirateur Denton

Au fur et à mesure que les matériaux de remblai changent, les exigences relatives aux revêtements (ou même les exigences d'avoir des revêtements/barrières) changeront également. Les processus associés à ces matériaux présenteront des avantages et des inconvénients pour différents schémas d'intégration, comme le double damascène, le simple damascène, l'intégration entièrement auto-alignée et même la métallisation soustractive. Le dépôt et la gravure par faisceau ionique à basse pression offrent une uniformité exceptionnelle et une précision d'épaisseur inférieure à l'angström.

La technologie de pulvérisation par faisceau d'ions à cible polarisée de Denton est unique, fournissant des films collimatés ultra-uniformes pour le remplissage et la planarisation.

En plus de la meilleure tension de claquage des films IBD est souhaitable pour GAA, deux autres paramètres des films minces sont également importants - la capacité de couverture conforme et la faible densité d'état d'interface du diélectrique de grille.

Alors que Samsung (OTCPK: SSNLF) utilise GAA pour ses puces 3 nm, TSMC (TSM) ne l'utilisera pas tant qu'il n'aura pas atteint la production de 2 nm, ce qui pourrait être en 2025. TSMC continuera d'utiliser des transistors FinFET sur ses puces 3 nm qui ne couvrent que trois côtés du canal. Intel (INTC) utilisera également GAA à partir de 2024. Intel appelle ses transistors GAA RibbonFET.

J'ai discuté des feuilles de route logiques pour ces entreprises dans mon article Seeking Alpha du 9 janvier 2023 intitulé « TSMC : mon premier choix en 2023, car il domine Samsung Electronics et Intel Foundries ». Le tableau 2 illustre les feuilles de route FinFET et GAA des trois sociétés.

Le réseau d'information

Les fabricants de FinFET de semi-conducteurs continuent d'optimiser les processus et les matériaux à mesure qu'ils développent des capacités de fabrication pour les FinFET et le GAA alors que les dimensions chutent en dessous du nœud de 3 nm. A ces dimensions, le prix d'une tranche de silicium contenant ces puces devient de plus en plus cher, comme le montre le tableau 3.

Le réseau d'information

Applied Materials, en grande pompe dans sa Logic Master Class 2021, a présenté son système à 7 modules qui inclut ALD pour le dépôt. À un coût de système nettement inférieur, il a été démontré que le système IBD de Denton Vacuum produit des films supérieurs par rapport au système d'AMAT.

Alors que les trois poids lourds des puces logiques - TSMC, Samsung et Intel - s'apprêtent à développer des processus GAA pour la production, les équipements offrant les meilleures capacités sont d'une importance primordiale. Les films de Denton ont déjà fait l'objet d'une démonstration en laboratoire et permettront à la solution ALD d'AMAT d'en avoir pour son argent.

Je note AMAT une vente. L'entreprise continue de "parler" en faisant la promotion de sa technologie sans pouvoir l'exécuter. J'ai beaucoup écrit sur la façon dont AMAT continue de perdre des parts de marché par rapport à ses concurrents, car il ne dispose pas d'équipements « best of breed » qui gagneraient des parts de marché.

Au fur et à mesure que les clients achètent plus d'équipements pour augmenter la capacité, ils achèteront davantage de systèmes concurrents installés et performants, ce qui fera perdre plus de part à AMAT. Les lecteurs peuvent en savoir plus dans mon article Seeking Alpha du 9 février 2023 intitulé : "Matériaux appliqués : des questions importantes ne sont toujours pas résolues menant à son prochain appel sur les revenus".

Cet article gratuit présente mon analyse de ce secteur des équipements semi-conducteurs. Une analyse plus détaillée est disponible sur mon site de newsletter MarketplacePlongée en profondeur dans les semi-conducteurs . Vous pouvez en savoir plus ici et commencer dès maintenant un essai sans risque de 2 semaines.

Cet article a été rédigé par

Le Dr Robert N. Castellano est président de The Information Network www.theinformationnet.com. La plupart des données, ainsi que des tableaux et des graphiques que j'utilise dans mes articles, proviennent de mes rapports d'études de marché. Si vous avez besoin d'informations supplémentaires sur un article, veuillez consulter mon site Web.

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J'ai reçu un doctorat. diplôme en chimie de l'Université d'Oxford (Angleterre) sous la direction du Dr John Goodenough, inventeur de la batterie lithium-ion et lauréat du prix Nobel de chimie 2019. J'ai eu dix ans d'expérience dans le domaine de la fabrication de plaquettes chez AT&T Bell Laboratories et à l'Université de Stanford.

Je suis rédacteur en chef du Journal of Active and Passive Electronic Devices depuis 2000. Je suis l'auteur du livre "Technology Trends in VLSI Manufacturing" (Gordon and Breach), "Solar Panel Processing" (Old City Publishing) , "Technologie de l'énergie alternative" (Old City Publishing). Toujours dans le domaine solaire, je suis PDG de SolarPA, qui utilise un nanomatériau propriétaire pour recouvrir les cellules solaires, augmentant ainsi l'efficacité jusqu'à 10 %. J'ai récemment publié un roman de fiction Blessed, disponible sur Amazon et d'autres sites.

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