Плазменная обработка: новый шаг в производстве полупроводников

Совместная исследовательская группа под руководством профессора Бёнчжо Кима из Высшей школы материаловедения и проектирования полупроводников UNIST и профессора Чжихвана Ана из Департамента машиностроения POSTECH разработала инновационную технологию fabricación для повышения производительности полупроводниковых устройств.

Все электронные устройства, от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютеров, нуждаются в небольших областях хранения данных для временного размещения информации. Память полупроводников, таких как DRAM, играет ключевую роль в этой функции. Однако по мере того, как эти устройства становятся все более миниатюрными и изготавливаются из более тонких пленок, такие проблемы, как утечка электричества и снижение стабильности, становятся значительными вызовами.

Внутри DRAM конденсатор – крошечный компонент – действует как резервуар для электрического заряда. Для эффективного хранения заряда этот резервуар должен быть выстлан высококачественным диэлектрическим слоем, способным выдерживать высокие электрические поля.

Среди материалов-кандидатов особое место занимает диоксид титана, легированный алюминием (Al-doped TiO₂, или ATO), благодаря его высокому диэлектрической проницаемости и отличному подавлению утечек. Тем не менее, традиционные методы атомно-слоевого осаждения (ALD) для изготовления ATO часто вызывают разупорядочение решетки и кислородные вакансии, что приводит к нестабильности материала и увеличению токов утечки.

Для решения этих ограничений исследовательская группа представила новый процесс пост-легирования плазмой (PDP). После осаждения диэлектрического слоя TiO₂ методом ALD и последующего покрытия его ультратонким слоем оксида алюминия, команда подвергла пленку воздействию плазмы, состоящей из аргона (Ar) и кислорода (O₂).

Эта плазменная обработка передавала энергию на поверхность пленки, способствуя миграции легирующих атомов алюминия в атомном масштабе и переупорядочению кристаллической решетки. Одновременно эффективно заполнялись кислородные вакансии – дефекты, которые могут вызывать утечку электричества. Исследование опубликовано в International Journal of Extreme Manufacturing.

Экспериментальные результаты показали, что конденсаторы DRAM, обработанные этим процессом PDP, имели примерно на 30% более высокую диэлектрическую проницаемость и до почти 40 раз меньшие токи утечки. Дальнейшие симуляции выявили, что энергичные ионы Ar в плазме доставляли целенаправленную энергию на поверхность диэлектрика, позволяя атомам алюминия занять правильные положения в решетке, тем самым восстанавливая кристалличность на атомном уровне.

Это достижение не только повышает производительность устройств, но и знаменует собой значительный прогресс в понимании атомных взаимодействий, участвующих в плазменно-материальных взаимодействиях в процессах изготовления полупроводников.

Профессор Ан подчеркнул: «Разработанный в этом исследовании процесс на атомном уровне может быть широко применен не только к DRAM, но и к электронным устройствам следующего поколения и системам хранения энергии. Эта технология укрепит позиции Кореи в мировой полупроводниковой индустрии».

Профессор Ким добавил: «Понимание фундаментального взаимодействия между плазмой и материалами на атомном уровне является крупным научным прорывом. Наши выводы будут способствовать повышению конкурентоспособности Кореи в производстве передовых полупроводников».