デントンのイオンビーム蒸着技術はアプライド マテリアルズの ALD システムに挑戦します

ラットパック223

半導体ロジック デバイスは、リークの低減、スケーラビリティの向上、駆動電流の強化、スイッチング時間の高速化の手段として、16 nm プロセス ノードでプレーナ トランジスタから FinFET トランジスタに移行してきました。 FinFET 製造テクノロジーは、22 nm チップから 5 nm チップまで十分に拡張されています。

ゲートオールアラウンド (「GAA」) は次世代半導体プロセス技術であり、FinFET に比べて 2 つの独自の利点を提供します。 まず、GAA チャネルが水平であるため、GAA トランジスタはリーク電流に関連する多くの課題を解決します。 第二に、GAA トランジスタは四方をゲートで囲まれています。 これにより、現在の FinFET プロセスの 3 つの側面と比較して、ゲートがトランジスタの 4 つの側面すべてに接触できるようになり、トランジスタの構造が改善されます。

GAA トランジスタのアーキテクチャは FinFET と 90% 似ており、残りの 10% の違いは水平方向のナノシートを積み重ねることによって生じます。

さまざまなタイプの FET デバイスの進化を図 1 に示します。

サムスン

チャート1

平面デバイスでは、金属膜は PVD ​​(スパッタリング) によってトップダウンで堆積できます。 FinFET の場合、この異方性蒸着技術を使用してフィンの側壁にコンフォーマルな膜を形成することは非常に困難です。 CVD 技術は PVD ​​よりもはるかに優れた等方性を備えており、FinFET の要件を満たすことができます。

GAA デバイス構造の場合、HKMG の堆積には原子レベルの精度が必要です。 ALD 技術を使用すると、HfO2 と TiN の層の厚さを適切に制御できます。 フィン間の距離はわずか 10nm です。 その空間には、high-k 材料、ゲート金属、およびトランジスタの仕事関数を定義する金属が堆積されます。

しかし、GAA FETについては、PVDとCVDの両方がゲート層の堆積から段階的に廃止され、原子層堆積（「ALD」）に置き換えられると、「世界の半導体装置：市場、市場シェア、市場予測」と題した当社のレポートによると、 GAAFET の主な課題は、10 nm の小さなチャネルの周囲に多層ゲート酸化物と金属ゲートのスタックを堆積する必要があることです。

アプライド マテリアルズ (NASDAQ:AMAT) のゲート酸化膜スタック用の高真空統合材料ソリューション システム (図 2) は、ALD、熱ステップ、プラズマ処理ステップ、および計測を統合しています。 AMAT によると、これらのスタックは非常に複雑で、7 層以上を含む場合があります。 これらには、インターフェイス層、high-k 層、およびメタル ゲート層が含まれます。 インターフェースとHigh-kスケーリングは、駆動電流を増大させるゲート酸化膜の削減にとって重要です。 メタルゲートは、トランジスタがしきい値電圧を決定する正しい仕事関数を持つように調整されます。

アプライドマテリアルズ

チャート2

米国立標準技術研究所 (NIST) は、イオン ビーム蒸着 (「IBD」) と呼ばれる技術を評価し、同様に ALD で作成された膜を比較しました。 チャート 3 は、IBD 酸化物が ALD 酸化物 (1,300 MV/m) よりも優れた破壊電界 (2,000 ～ 3,000 MV/m) を備えていることを示しています。 さらに、降伏電界は接合面積から独立していることが判明し、ピンホールが存在しないことを強く示唆しています。

NIST

チャート 3

絶縁体の絶縁破壊電圧は、絶縁体の一部が絶縁破壊を受けて導電性になる最小電圧です。 その時点で、FinFET または GAA は失敗します。

NIST の科学者が導き出した結論は、イオン ビーム蒸着は室温で非常に高品質の酸化物を蒸着できるというものです。 この技術により、膜厚をサブナノメートルで制御できるようになります。 IBD のバイアスされたターゲット バージョンは、最小限の相互拡散でシャープな界面を生成できます。

Denton Vacuum は、半導体顧客向けに FinFET および GAA プロセスで使用される薄膜のイオン ビーム蒸着プロセスを開発しました。 データによると、低圧イオン ビーム蒸着とエッチングにより、優れた均一性とサブオングストロームの厚さ精度を備えた超平滑な膜が得られます。

イオン ビーム蒸着の場合、デントンはターゲットにバイアスをかけて、1) ターゲットに衝突するイオンのエネルギー レベルを制御し、2) 汚染を引き起こすイオン ビーム システムの衝撃シールドやその他の部分を排除し、3) 従来のイオン ビーム蒸着よりも蒸着速度を高めます。 。 イオン ビーム エッチングの場合、デントンは基板にバイアスをかけて基板に当たるエネルギー レベルを制御します。これは、7nm 未満の先端デバイスの低ダメージ エッチングにとって特に重要です。

表 1 は、FinFET と GAA の成膜方法の評価を引き下げる際に測定された膜の特性を比較したものです。

デントン真空

充填材が変化すると、ライナーの要件 (またはライナー/バリアの要件) も変化します。 これらの材料に関連するプロセスは、デュアルダマシン、シングルダマシン、完全自己整合集積、さらにはサブトラクティブメタライゼーションなどのさまざまな集積スキームに対して長所と短所を示します。 低圧イオンビーム蒸着とエッチングにより、優れた均一性とサブオングストロームの厚さ精度が実現します。

Denton のバイアス ターゲット イオン ビーム スパッタリング技術は独自のもので、充填と平坦化のためのコリメートされた超均一な膜を提供します。

IBD 膜の耐圧が高いことが GAA にとって望ましいことに加えて、薄膜の他の 2 つのパラメータ、コンフォーマル カバレッジ能力とゲート誘電体の低い界面準位密度も重要です。

サムスン (OTCPK:SSNLF) は 3nm チップに GAA を使用していますが、TSMC (TSM) は 2025 年になる可能性のある 2nm の生産に達するまで GAA を使用しません。TSMC は、3 つのみをカバーする 3nm チップに FinFET トランジスタを引き続き採用します。チャンネルの側面。 インテル (INTC) も 2024 年から GAA を使用する予定です。インテルは GAA トランジスタをリボンFET と呼んでいます。

これらの企業のロジックロードマップについては、2023年1月9日のSeeking Alpha記事「TSMC: Samsung ElectronicsとIntel Foundriesを支配する2023年の私のトップピック」で説明しました。 表 2 は、3 社の FinFET および GAA ロードマップを示しています。

情報ネットワーク

半導体 FinFET メーカーは、寸法が 3nm ノードを下回るにつれて、FinFET と GAA の製造能力を開発しながら、プロセスと材料の最適化を続けています。 表 3 に示すように、これらの寸法では、これらのチップを含むシリコン ウェーハの価格はますます高価になります。

情報ネットワーク

アプライド マテリアルズは、2021 年のロジック マスター クラスで鳴り物入りで、成膜用の ALD を含む 7 モジュール システムを導入しました。 Denton Vacuum の IBD システムは、大幅に低いシステムコストで、AMAT のシステムと比較して優れたフィルムを生成することが証明されています。

ロジックチップの大手 3 社である TSMC、Samsung、Intel が生産用の GAA プロセスの開発に移行しているため、最高の機能を提供する機器が最も重要です。 Denton のフィルムはすでに研究室で実証されており、AMAT の ALD ソリューションに十分な効果をもたらすでしょう。

私は AMAT を「売り」と評価します。 同社は、実行できないまま自社の技術を宣伝することで「口だけ」を続けている。 私は、AMAT がシェアを獲得できる「最高の」機器を持っていないために、競合他社に対して市場シェアを失い続けていることについて詳しく書いてきました。

顧客が容量を増やすためにさらに多くの機器を購入すると、設置され実行されている競合他社のシステムもさらに購入することになり、その結果、AMAT はさらに多くのシェアを失うことになります。 読者の皆様は、2023 年 2 月 9 日付けの Seeking Alpha 記事「アプライド マテリアルズ: 次回の決算発表に向けて、重要な疑問はまだ解決されていない」で詳細をご覧いただけます。

この無料記事では、この半導体装置セクターに関する私の分析を紹介します。 より詳細な分析は、私の Marketplace ニュースレター サイトでご覧いただけます。半導体の詳細 。 詳細については、こちらをご覧ください。今すぐリスクのない 2 週間のトライアルを開始してください。

この記事を書いたのは

ロバート N. カステラーノ博士は、情報ネットワーク www.theinformationnet.com の社長です。 記事で使用するデータと表やグラフのほとんどは、市場調査レポートから得たものです。 記事に関する追加情報が必要な場合は、私の Web サイトにアクセスしてください。

近々、投資家向けニュースレターを発行する予定です。 登録する情報は私のウェブサイトにオンラインで掲載されます。

博士号を取得しました。 リチウムイオン電池の発明者であり、2019 年ノーベル化学賞受賞者であるジョン・グッドイナフ博士のもと、オックスフォード大学 (イギリス) で化学の学位を取得しました。 私は AT&T ベル研究所とスタンフォード大学でウェーハ製造の分野で 10 年間の経験があります。

私は 2000 年から査読付きの Journal of Active and Passive Electronic Devices の編集長を務めています。著書に「VLSI 製造における技術動向」(Gordon および Breach)、「Solar Panel Processing」(Old City Publishing) があります。 、『代替エネルギー技術』（オールドシティ出版）。 太陽光分野でも、私は SolarPA の CEO を務めています。SolarPA は独自のナノ材料を使用して太陽電池をコーティングし、効率を最大 10% 向上させます。 私は最近、フィクション小説『Blessed』を出版し、Amazon やその他のサイトで入手できます。

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