Transistores 2D mais próximos da realidade: Intel detalha produção compatível com wafers de 300 mm

Transistores 2D baseados em materiais 2D têm sido demonstrados em ambientes acadêmicos e laboratórios de pesquisa há mais de uma década. Porém, nenhuma dessas demonstrações era compatível com a fabricação de semicondutores em larga escala.

O problema é que eles dependem de wafers pequenos, ferramentas de pesquisa personalizadas e etapas de processo frágeis.

Nesta semana, Intel Foundry e o imec demonstraram uma integração de módulos de processo críticos para transistores de efeito de campo 2D (2DFETs) prontos para wafers de 300 milímetros. Tudo indica que os materiais 2D e os 2DFETs estão se aproximando da realidade.

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Limites da Tecnologia atual

Tecnologias como a 18A da Intel, a SF3E da Samsung e a N2 da TSMC utilizam dispositivos com estrutura gate-all-around (GAA). E todos os principais fabricantes de chips também estão desenvolvendo FETs complementares (CFETs) para empilhar transistores verticalmente e ampliar os ganhos de densidade acima do possível com GAA.

Os CFETs são considerados o próximo passo além dos transistores gate-all-around e espera-se que surjam na próxima década.

No entanto, a Intel e outros fabricantes de chips argumentam que a miniaturização contínua acabará por levar os canais de silício aos seus limites físicos. Nesse ponto, o controle eletrostático e a mobilidade dos portadores se degradam devido às dimensões extremamente pequenas.

A indústria está avaliando cada vez mais materiais 2D ara solucionar esse problema. Afinal, materiais 2D podem formar canais com apenas alguns átomos de espessura, mantendo um forte controle de corrente.

Resultados azuis

A Intel e o imec apresentaram um artigo na IDM que detalha seu trabalho com a família de dicalcogenetos de metais de transição (TMDs). Nas estruturas demonstradas, WS₂ e MoS₂ foram usados para transistores do tipo n, enquanto o WSe₂ serviu como material de canal do tipo p.

Embora esses compostos sejam estudados há anos, o principal desafio tem sido integrá-los a um fluxo de fabricação de wafers de 300 mm sem danificar os canais frágeis. Outro problema é depender de etapas de processamento que não podem ser realizadas de forma confiável em um ambiente de produção em larga escala.

A principal inovação apresentada pela Intel e pelo imec é um esquema de integração de contatos e porta compatível com a fabricação em larga escala. A Intel cultivou camadas 2D de alta qualidade e as revestiu com uma pilha multicamadas de AlOₓ, HfO₂ e SiO₂.

Em seguida, uma gravação seletiva de óxido cuidadosamente controlada permitiu a formação de contatos superiores no estilo damasceno. Essa etapa preserva a integridade dos canais 2D subjacentes, que são altamente sensíveis à contaminação e a danos físicos.

Essa abordagem de contato superior no estilo damasceno também resolve um dos maiores desafios no desenvolvimento de 2DFETs: formar contatos escaláveis e de baixa resistência usando processos compatíveis com ferramentas de produção.

Além dos contatos, a Intel e o imec também demonstraram módulos de pilha de porta fabricáveis, um grande obstáculo que historicamente impediu a integração industrial de dispositivos 2D.

Tecnologia para 2040

A importância deste trabalho conjunto entre a Intel e o imec não reside na comercialização imediata. Transistores 2D baseados em materiais 2D pertencem a um futuro distante, talvez na segunda metade da década de 2030 ou mesmo na década de 2040.

O valor do trabalho está mais relacionado à redução dos riscos no desenvolvimento e na eventual produção de chips que utilizarão materiais 2D.

Ao validar módulos de contato e de porta em um ambiente de produção, a Intel Foundry permite que clientes e equipes de projeto internas avaliem canais 2D usando premissas de processo realistas e escaláveis. Essa abordagem visa acelerar a avaliação comparativa de dispositivos, a modelagem compacta e a exploração inicial de projetos.

Por ora, a estratégia da Intel é tratar os materiais 2D como uma opção futura, talvez para antes de o silício atingir seus limites físicos finais. Ao desenvolver processos em conjunto com parceiros como o imec e expô-los a restrições semelhantes às de uma fábrica desde o início, a Intel espera resolver os desafios associados à sua fabricação precocemente.

Isso evita surpresas na fase final, quando novos materiais forem finalmente necessários.

Para a Intel Foundry, o anúncio transmite uma mensagem muito importante: a Intel Foundry continua a realizar pesquisas de longo prazo em tecnologias que serão necessárias daqui a anos. E isso é um ótimo sinal para a Intel como um todo.

Fonte: Intel.