Intel подробно рассказала о прогрессе в производстве двумерных транзисторов 2DFET толщиной в несколько атомов в стандартных условиях крупносерийного производства.
2D-транзисторы на основе двумерных материалов уже более десяти лет демонстрируются в научных кругах и исследовательских лабораториях, но ни одна из этих демонстраций не была связана с крупномасштабным производством полупроводников, поскольку для этого использовались небольшие пластины, специальные исследовательские инструменты и хрупкие технологические этапы. Но на этой неделе Intel Foundry и imec продемонстрировали 300-миллиметровую интеграцию критически важных технологических модулей для 2D-полевых транзисторов (2DFET), что свидетельствует о том, что 2D-материалы и 2DFET становятся всё более реальными.
Современные передовые технологии производства логических микросхем, такие как Intel 18A, Samsung SF3E, TSMC N2, основаны на технологии gate-all-around (GAA), и все ведущие производители микросхем также разрабатывают дополнительные полевые транзисторы (CFET) для вертикального размещения транзисторов, чтобы увеличить плотность сверх возможностей GAA. CFET считаются следующим шагом после транзисторов gate-all-around, и ожидается, что они появятся в следующем десятилетии. Однако Intel и другие производители чипов утверждают, что дальнейшее масштабирование в конечном счёте приведёт к тому, что кремниевые каналы достигнут своих физических пределов, при которых электростатический контроль и подвижность носителей заряда ухудшатся из-за чрезвычайно малых размеров. Чтобы решить эту проблему, отрасль всё чаще обращается к двумерным материалам, которые могут образовывать каналы толщиной всего в несколько атомов, сохраняя при этом эффективный контроль тока.
Компании Intel и Imec представили на IDM доклад, в котором подробно описали свою работу над семейством дихалькогенидов переходных металлов (TMD). В продемонстрированных структурах WS₂ и MoS₂ использовались для транзисторов n-типа, а WSe₂ — в качестве материала канала p-типа. Несмотря на то, что эти соединения изучаются уже много лет, основной проблемой была их интеграция в процесс производства 300-миллиметровых пластин без повреждения хрупких каналов или использования этапов обработки, которые невозможно надёжно выполнить в условиях крупносерийного производства.
Ключевым нововведением, представленным Intel и imec, является схема интеграции контактов и стопок затворов, совместимая с фабричным производством. Компания Intel вырастила высококачественные 2D-слои и покрыла их многослойной структурой из AlOx, HfO₂ и SiO₂. Затем с помощью тщательно контролируемого селективного травления оксида — процесса, концептуально схожего с традиционным изготовлением межсоединений, — были сформированы верхние контакты в стиле дамасской стали. Этот шаг позволил сохранить целостность нижних 2D-каналов, которые очень чувствительны к загрязнениям и физическим повреждениям.
Этот подход с использованием «дамасскированных» контактов решает одну из самых сложных задач в разработке 2D-полевых транзисторов: формирование низкоомных масштабируемых контактов с использованием процессов, совместимых с нынешним производственным оборудованием. Наряду с контактами, Intel и imec также продемонстрировали возможность изготовления модулей с затворной структурой, что является серьезным препятствием, исторически мешавшим промышленной интеграции 2D-устройств.
Важность этой совместной работы Intel и imec заключается не в немедленном внедрении в производство, поскольку 2D-транзисторы на основе 2D-материалов появятся в далёком будущем, возможно, во второй половине 2030-х или даже в 2040-х годах. Ценность этой работы заключается скорее в снижении рисков, связанных с разработкой и последующим производством чипов, в которых будут использоваться 2D-материалы. Проверяя контактные и шлюзовые модули в производственной среде, Intel Foundry позволяет клиентам и внутренним командам разработчиков оценивать 2D-каналы, используя реалистичные, масштабируемые технологические допущения, а не идеализированные лабораторные условия. Такой подход призван ускорить тестирование устройств, компактное моделирование и предварительное изучение дизайна.
На данный момент стратегия Intel заключается в том, чтобы рассматривать 2D-материалы как перспективный вариант, который можно оценить задолго до того, как возможности кремния будут исчерпаны. Совместно разрабатывая процессы с такими партнёрами, как imec, и заранее подвергая их производственным ограничениям, Intel надеется решить проблемы, связанные с их производством, на ранних этапах, избежав неожиданностей на поздних стадиях, когда наконец потребуются новые материалы.