Двумерные транзисторы, созданные на основе 2D-материалов, уже более десяти лет исследуются в научных кругах и лабораториях, однако ни один из представленных прототипов не был адаптирован для массового выпуска. Их изготовление требовало уникального исследовательского оборудования и включало в себя нестабильные технологические этапы. Однако на этой неделе Intel Foundry и Imec представили технологию производства двумерных полевых транзисторов (2DFET), полностью готовую для внедрения на 300-миллиметровых производственных линиях.
Современные передовые технологические процессы, такие как Intel 18A, Samsung SF3E и TSMC N2, базируются на транзисторах с полностью окружающим затвором (Gate-All-Around, GAA). В настоящее время ключевые игроки полупроводниковой отрасли активно работают над созданием комплементарных полевых транзисторов (Complementary Field-Effect Transistor, CFET) с возможностью их вертикальной компоновки, что позволит повысить плотность элементов сверх возможностей архитектуры GAA.
CFET рассматриваются как следующая ступень развития после транзисторов с полностью окружающим затвором, и ожидается, что они войдут в использование в течение следующего десятилетия. Тем не менее, Intel и другие производители микросхем отмечают, что дальнейшее уменьшение размеров в конечном итоге столкнётся с физическими ограничениями кремниевых каналов, где электростатический контроль и подвижность носителей заряда снижаются из-за крайне малых габаритов. Для преодоления этого барьера отрасль всё чаще обращает внимание на двумерные материалы, способные формировать каналы толщиной всего в несколько атомных слоёв, обеспечивая при этом эффективное управление током.
Intel и Imec выступили на конференции IDM с докладом, детально описывающим их работу над семейством дихалькогенидов переходных металлов (TMD) — перспективных материалов для производства чипов, представляющих собой атомарно тонкие кристаллы. В представленных образцах сульфид вольфрама (WS2) и сульфид молибдена (MoS2) использовались для создания транзисторов n-типа, а селенид вольфрама (WSe2) применялся в качестве материала для каналов p-типа. Эти соединения изучаются на протяжении многих лет, однако их интеграция в существующие процессы производства на 300-миллиметровых пластинах ранее была невозможна. Основные трудности были связаны с высокой хрупкостью каналов, которые легко повреждались, а также с отсутствием надёжных методов, пригодных для современных условий серийного производства.
Главным новшеством, представленным компаниями Intel и Imec, стала производственно-совместимая методика интеграции контактных элементов и затворных структур. Специалисты Intel вырастили высококачественные двумерные кристаллы и нанесли на них многослойное покрытие из оксидов алюминия (Al2O3), гафния (HfO2) и кремния (SiO2). Затем, с помощью точно контролируемого селективного травления, концептуально напоминающего один из этапов классического производства чипов, были сформированы верхние контакты. Этот метод позволил сохранить целостность лежащих в основе двумерных каналов, которые крайне восприимчивы к загрязнениям и механическим повреждениям.
Ключевым достижением Intel и imec является производственно-совместимая на 300-мм пластинах схема объединения контактов и затворного стека. Данный подход решает одну из наиболее сложных задач в создании 2D-транзисторов: формирование масштабируемых контактов с малым сопротивлением с использованием процессов, адаптированных под существующее производственное оборудование. Помимо контактов, Intel и imec также продемонстрировали возможность создания модулей затворного стека.
Источник изображения: Imec
Значение этой совместной работы Intel и imec заключается не в сиюминутном внедрении в производство, поскольку транзисторы на основе 2D-материалов — это технология долгосрочной перспективы, ориентированная на вторую половину 2030-х или даже 2040-е годы. Ценность исследования, скорее, в снижении рисков при разработке и будущем серийном выпуске микросхем, которые будут использовать двумерные материалы.
Апробируя технологию в условиях, приближенных к реальному производству, подразделение Intel Foundry позволяет клиентам и внутренним командам разработчиков оценивать её потенциал, опираясь на реалистичные и масштабируемые технологические допущения, а не на идеализированные лабораторные условия. Такой подход призван ускорить тестирование устройств, компактное моделирование и ранние этапы проектирования.
Для Intel Foundry это исследование имеет стратегическое значение. Во-первых, оно демонстрирует продолжение долгосрочных изысканий в области технологий, которые потребуются через годы, если не десятилетия. Это означает, что у компании будут готовые решения для полупроводниковой отрасли в 2030-х или 2040-х годах, что укрепит её позиции как надёжного партнёра. Во‑вторых, Intel акцентирует, что даже на исследовательской стадии новые концепции транзисторов должны разрабатываться с оглядкой на производственную реализуемость — задача, посильная далеко не каждой компании.
