Intel и imec приблизили массовое производство 2D-транзисторов: революция в полупроводниках стартует с 300-мм пластин

Уже не первый год ученые по всему миру экспериментируют с транзисторами на базе двумерных материалов, однако до недавнего времени подобные разработки оставались в стенах университетов и исследовательских лабораторий — никакой речи о массовом внедрении не было. Основная проблема заключалась в том, что демонстрационные образцы 2D-транзисторов собирались на небольших подложках с использованием уникального оборудования и весьма хрупких технологических процессов, совершенно не пригодных для крупносерийного производства. Однако буквально на днях произошло знаковое событие: специалисты Intel Foundry совместно с бельгийским исследовательским центром imec смогли продемонстрировать успешную интеграцию ключевых технологических модулей двумерных ФЭТ на кремниевых пластинах диаметром 300 миллиметров. Это серьезно приблизило идею промышленных 2D-устройств к реальной жизни.

Современные производственные технологии, такие как Intel 18A, Samsung SF3E или TSMC N2, уже базируются на транзисторах gate-all-around (GAA), а лидеры отрасли вовсю трудятся над созданием многослойных CFET — полевых транзисторов с вертикальным расположением каналов и увеличенной плотностью интеграции. Эти решения обещают новый виток миниатюризации после универсальных GAA, однако у кремниевых каналов остается фундаментальное ограничение: при дальнейшем уменьшении размеров неизбежно страдает электростатический контроль, падает скорость движения носителей заряда, а значит, снижается и производительность устройств. Для отрасли становится очевидным, что следующий шаг лежит за пределами привычного кремния — в сторону материалов, толщина которых ограничена всего несколькими атомами, но при этом они позволяют сохранять высокие характеристики тока. Именно поэтому интерес к двумерным материалам стремительно растет: они могут стать тем самым решением, которое позволит полупроводниковой промышленности двигаться вперед несмотря на физические ограничения.

На недавней конференции IDM эксперты Intel и imec представили подробный отчет о своей работе с дихалькогенидами переходных металлов (TMDs). Для создания каналов транзисторов n-типа использовались WS₂ и MoS₂, а роль p-канального материала досталась WSe₂. Ранее многие исследовательские группы пытались интегрировать подобные вещества, но именно вопрос совместимости с крупными пластинами в условиях фабричного конвейера оставался камнем преткновения: двумерные каналы очень нежны, а любые дополнительные этапы технологического цикла могут повредить их или просто оказаться невозможными для стабильного промышленного повторения.

Ключевая инновация Intel и imec — новая схема формирования контактов и построения так называемого «стека затвора», полностью совместимая с производственными стандартами. Инженеры впервые смогли создать высококачественные двухмерные слои, дополнить их сложной многослойной структурой из оксидов алюминия (AlOx), гафния (HfO) и кремния (SiO), а затем применить тщательно скоординированное селективное травление для образования верхних контактов по «дамасской» технологии. Такой подход позволил сохранить целостность чувствительных 2D-каналов и избавил от ненадежных либо нерепрезентативных процессов.

Важно, что с дамасским методом решения задачи низкоомных масштабируемых контактов для 2DFET теперь впервые реализуется в интеграции, пригодной для массового производства. Одновременно разобрана одна из самых острых проблем — формирование gate-stack, то есть многоуровнего затвора, который еще недавно считался настоящим барьером на пути коммерциализации 2D-устройств.

Значимость проделанной Intel и imec работы заключается не только в теоретических успехах. В краткосрочной перспективе запуск серийного изготовления 2D-транзисторов пока не ожидается — даже сами специалисты заявляют, что столь радикальные структуры вряд ли появятся на рынке раньше второй половины 2030-х, а то и к 2040-м годам. Но уже сейчас проведенные эксперименты снимают технологические риски на путях разработки, позволяют на практике тестировать contact- и gate-модули в промышленной среде, а не только в идеальных лабораторных условиях. Такой подход помогает компаниям-партнерам и собственным инженерам Intel оценивать реальные возможности 2D-каналов заблаговременно, опираясь на практические, а не моделированные данные, что ускоряет проектирование, моделирование и сравнительное тестирование устройств следующего поколения.

Текущая стратегия Intel заключается в развитии и тестировании 2D-материалов «на вырост»: компания хочет быть готовой к тому моменту, когда кремний фактически исчерпает свои пределы. Благодаря партнерству с imec и раннему вовлечению новых процессов в фабричную практику Intel надеется сразу же выявить возможные технологические «узкие места», чтобы к моменту массового внедрения методов не осталось неприятных сюрпризов.

Для Intel Foundry такая демонстрация имеет особое значение: во-первых, компания показывает, что продолжает стратегические исследования задолго до коммерческой необходимости и таким образом становится для партнеров гарантом технологического лидерства. Во-вторых, она подчеркивает: даже самые смелые инновации должны сразу проектироваться под реальные условия будущих производственных линий.

Таким образом, прорыв Intel и imec — очередное напоминание о том, что даже самые сложные идеи — не фантастика, если ими занимаются системно и на опережение времени. Сергей Никифоров