ASML, TSMC i imec wprowadzą do produkcji tranzystory z materiałów 2D dzięki integracji w technologii 300 mm

W tym tygodniu, podczas sympozjum IEEE/JSAP 2026, poświęconego technologii VLSI i obwodom, imec – belgijskie centrum badań i innowacji w dziedzinie zaawansowanych technologii półprzewodnikowych – we współpracy z holenderskim dostawcą rozwiązań litograficznych ASML oraz tajwańską fabryką półprzewodników TSMC, przedstawiło nowatorską i skalowalną ścieżkę integracji w formacie 300 mm dla tranzystorów n- i p-FET opartych na materiałach 2D. Po raz pierwszy udało się zademonstrować zminiaturyzowane tranzystory typu nFET (wykorzystujące MoS₂ jako materiał kanału) oraz pFET (oparte na WS₂ lub WSe₂) o odstępie między kontaktami polikrzemowymi (CPP) wynoszącym 50 nm, charakteryzujące się dobrymi charakterystykami prądowo-napięciowymi. Wyniki te stanowią kluczowy krok w przejściu tranzystorów opartych na materiałach 2D z etapu laboratoryjnego do produkcji przemysłowej, przewidzianych zarówno dla układów logicznych o ultra-małej skali, jak i dla zastosowań w końcowych etapach produkcji oraz na tylnej stronie płytek.

Rysunek 1 – (A) Obraz STEM w trybie HAADF z przekrojem poprzecznym przedstawiający układ WS2 o CPP wynoszącym 50 nm, długości styku 19 nm i szerokości 256 nm, po wytrawieniu linii połączeniowej bramki. Odpowiadająca temu obrazowi analiza spektroskopii rentgenowskiej (B) z dyspersją energii (EDS). Źródło: imec

Zamiast krzemu

Dwuwymiarowe dichalkogenki metali przejściowych (TMD, takie jak MoS₂, WS₂ i WSe₂) mają potencjał, by rozszerzyć i wzbogacić plan rozwoju technologii skalowania układów logicznych. Po zintegrowaniu jako kanały przewodzące o grubości na poziomie pojedynczego atomu, te zastępujące krzem materiały umożliwiają tworzenie wysokowydajnych, zminiaturyzowanych tranzystorów – atrakcyjnych zarówno dla układów logicznych o ultra-małej skali, jak i dla zastosowań w końcowych etapach produkcji oraz na tylnej stronie płytek półprzewodnikowych. Swoje obiecujące właściwości zawdzięczają dobrej kontroli kanału elektrostatycznego przy zachowaniu akceptowalnej ruchliwości nośników, nawet przy ultra-zminiaturyzowanych długościach bramki i kanału. Jednak droga do wdrożenia przemysłowego była dotychczas utrudniona przez brak ścieżki integracji na płytkach 300 mm, która mogłaby zapewnić tranzystory n- i p-FET oparte na TMD w wymiarach istotnych dla przemysłu, przy jednoczesnym zachowaniu wydajności, która została szeroko wykazana w skali laboratoryjnej.

Skalowalne podejście do integracji w technologii 300 mm

Firmy ASML, TSMC i imec przedstawiają obecnie skalowalne, kompatybilne z końcowymi etapami produkcji podejście do integracji w formacie 300 mm dla tranzystorów n- i p-FET opartych na TMD, co doprowadziło do trzech kluczowych wyników:

• zminiaturyzowane tranzystory n- i p-FET o rozstawie styków polikrzemowych (CPP) wynoszącym 50 nm – światowa nowość;
• bardzo niski prąd wyłączenia (Ioff) przy zerowym napięciu bramki (Vg=0 V) dla obu polaryzacji tranzystorów;
• tranzystory pFET z kanałem WSe2, których wydajność jest zbliżona do rekordowych urządzeń laboratoryjnych. Dzięki 94% tranzystorów sprawnych (tj. o stosunku Imax/Imin >105) podejście integracyjne podobne do CMOS – z tranzystorami typu n i pFET zintegrowanymi na tej samej płytce o średnicy 300 mm – okazało się solidne i stabilne. Proponowany przebieg procesu ma zastosowanie do materiałów kanałowych 2D innych niż MoS₂, WS₂ i WSe₂.

Rysunek 2 – Tranzystory nFET z MoS₂ i pFET z WSe₂ o rozstawie styków wynoszącym 50 nm i zrelaksowanej szerokości kanału (650 nm), zintegrowane na tej samej płytce o średnicy 300 mm, wykazują odpowiednie dopasowanie napięcia progowego. Źródło: imec

– Tranzystory oparte na dwuwymiarowych materiałach TMD są zazwyczaj optymalizowane pod kątem małych długości kanału. Jednak zazwyczaj mają one dużą powierzchnię styku, aby utrzymać jego rezystancję na jak najniższym poziomie, co utrudnia dalsze zmniejszanie rozmiarów. Po raz pierwszy osiągnęliśmy CPP na poziomie 50 nm – wskaźnik określany zarówno przez długość bramki, jak i długość styków źródła/drenu – bez wpływu na wydajność tranzystorów 2D typu n i pFET. Kluczowe znaczenie dla uzyskania zmniejszonego CPP miało zastosowanie litografii EUV z pojedynczym wzorem, zoptymalizowanej w ścisłej współpracy z firmą ASML – powiedział Gouri Sankar Kar, wiceprezes ds. badań i rozwoju technologii urządzeń obliczeniowych i pamięciowych w imec.

Dobre charakterystyki prądowo-napięciowe zmniejszonych tranzystorów

Zmniejszone tranzystory wykazują dobre charakterystyki prądowo-napięciowe, a tranzystory pFET osiągają wydajność niemal dorównującą najlepszym urządzeniom laboratoryjnym – co stanowi rozwiązanie długotrwałego wyzwania związanego z tranzystorami TMD. Ponadto wyniki pomiarów elektrycznych wskazują, że obie polaryzacje tranzystorów wyłączają się, gdy napięcie bramki (Vg) jest ustawione na 0 V.

– To idealne zachowanie można przypisać zastosowaniu innowacyjnego, »odwróconego« procesu wytwarzania tranzystorów cienkowarstwowych (TFT). W przeciwieństwie do konwencjonalnych tranzystorów opartych na materiałach 2D, nasze tranzystory typu n i pFET mają dolne styki i nakładającą się na nie bramkę. Osiąga się to poprzez przeniesienie materiału kanału TMD na wcześniej wzorzowane rowki wypełnione wolframem (W), pełniące rolę styków – wyjaśnia Gouri Sankar Kar.

Strategiczne znaczenie badań

– Nasza współpraca badawcza odgrywa kluczową rolę w poszerzaniu granic innowacji w dziedzinie półprzewodników. Skupiamy się na ograniczaniu ryzyka i przyspieszaniu przejścia z etapu laboratoryjnego do produkcyjnego, zapewniając, że przełomowe odkrycia – zwłaszcza dotyczące tych nowatorskich materiałów kanałowych – będą mogły zostać szybko i skutecznie wdrożone do zaawansowanej produkcji, a ostatecznie zaowocują najnowocześniejszymi rozwiązaniami – oznajmił dr Min Cao, wiceprezes i dyrektor ds. technologii w TSMC.

– Dwuwymiarowe materiały TMD mogą potencjalnie umożliwić tworzenie znacznie mniejszych i wydajniejszych tranzystorów niż te oparte na krzemie, ale urządzenia z kanałem 2D, które dotychczas zademonstrowano przy użyciu procesów 300 mm, są w rzeczywistości dość duże i wytwarzane przy użyciu starszych technologii litograficznych. Dzięki znacznie wyższej rozdzielczości litografii EUV udało nam się stworzyć tranzystory TMD o długościach kanału wynoszących zaledwie 28 nm oraz o rozstawie zgodnym z najbardziej zaawansowanymi węzłami tranzystorowymi – dodał Etienne De Poortere, dyrektor Centrum Rozwoju Technologii w Europie firmy ASML.