imec وASML وTSMC تصنع ترانزستورات ثنائية الأبعاد بدقة 50 نانومتر: خطوة نحو ما بعد السيليكون

أبرز النقاط

• أول دمج لترانزستورات n-type وp-type ثنائية الأبعاد على رقاقة 300 ملم بدقة 50 نانومتر
• نسبة نجاح 94% في التبديل مع نسبة تيار تشغيل/إيقاف تتجاوز 100,000
• تقنية البناء العكسي تحل معضلة مقاومة التلامس التي أعاقت التطور لسنوات

نجح تحالف ثلاثي يضم مركز أبحاث imec البلجيكي وشركة ASML الهولندية المتخصصة في معدات الطباعة الحجرية وعملاق التصنيع التايواني TSMC في تحقيق إنجاز تقني بارز: دمج ترانزستورات ثنائية الأبعاد من النوعين n وp على رقاقة سيليكون قياسية بقطر 300 ملم، وبدقة تصل إلى 50 نانومتر — وهي الأدق على الإطلاق لأجهزة 2D التكميلية، ومنافسة مباشرة لأحدث عقد السيليكون التقليدي.

قدّم الفريق نتائجه هذا الأسبوع في ندوة IEEE/JSAP لتقنية وداوائر VLSI، مستخدماً تعريضاً واحداً بالأشعة فوق البنفسجية الشديدة (EUV) لطباعة قنوات بطول 28 نانومتر فقط. وأفادت imec بأن 94% من الترانزستورات المدمجة عملت بشكل صحيح، محققةً نسبة تيار تشغيل/إيقاف تتجاوز 100,000 — وهو مؤشر حاسم على كفاءة التبديل وانخفاض استهلاك الطاقة.

لماذا تُعد المواد ثنائية الأبعاد مستقبل الرقائق؟

تواجه ترانزستورات السيليكون التقليدية حدوداً فيزيائية صارمة مع انكماشها دون 3 نانومتر، حيث تبدأ الإلكترونات بالتسرب بين القنوات عبر ظاهرة النفق الكمومي. المواد ثنائية الأبعاد مثل ثنائي كبريتيد الموليبدينوم (MoS₂) وثنائي سيلينيد التنغستن (WSe₂) تقدم حلاً جذرياً: قنوات بسماكة ذرة واحدة — نحو 0.7 نانومتر — تتيح للبوابة تحكماً كهروستاتيكياً أدق بكثير مما تسمح به صفائح السيليكون النانوية.

درس الباحثون هذه المواد — المعروفة بثنائيات الكالكوجينيد المعدنية الانتقالية (TMD) — لأكثر من عقد، وصنّعت imec ترانزستورات MoS₂ تجريبية منذ أواخر العقد الثاني من الألفية. لكن ما يميز هذا العمل ليس المادة ذاتها، بل الدمج الناجح لكلا قطبي الترانزستور على خط إنتاج قياسي بدلاً من أجهزة معزولة مصنوعة بطباعة حجرية أقل دقة.

كيف تغلّب الفريق على عقبة مقاومة التلامس؟

شكّلت مقاومة التلامس العائق الأكبر أمام تصغير ترانزستورات 2D لسنوات. القناة الرقيقة ذرياً تحمل تياراً محدوداً، والوصلة بين المعدن والغشاء ثنائي الأبعاد تخنق هذا التيار بسبب تثبيت مستوى فيرمي ورفع حاجز شوتكي الذي يجب على الحاملات عبوره. عوّضت الأجهزة المختبرية عن ذلك بمساحات تلامس كبيرة، مما أعاق تقليص المسافات الذي يبرر استخدام هذه التقنية أصلاً.

لكسر هذه المعادلة الصعبة، قلب التحالف ترتيب البناء رأساً على عقب: بدلاً من ترسيب المعدن فوق الغشاء الهش بعد وضع القناة، حفر الفريق خنادق التلامس وملأها بالتنغستن أولاً، ثم نقل قناة 2D فوقها، وأخيراً رسّب البوابة. تسمي imec هذا النهج بتدفق الترانزستور الغشائي الرقيق العكسي، وتنسب إليه السلوك النظيف في حالة الإيقاف حيث يتوقف كلا القطبين عن التوصيل عند جهد بوابة صفري.

ما دور تقنية EUV في هذا الإنجاز؟

طُبعت القنوات بطول 28 نانومتر والمسافة 50 نانومتر بتعريض EUV واحد، ضمن قدرات الماسحات الضوئية القياسية بفتحة عددية 0.33. لا يتطلب هذا الإنجاز معدات High-NA EUV الأحدث ولا تعريضات متعددة — وهو ما يبسّط الإنتاج ويخفض التكلفة. أشارت ASML إلى أن دقة EUV مكّنت من تقليص أطوال قنوات 2D التي ظلت كبيرة في عروض سابقة اعتمدت على طباعة حجرية أقدم.

أين يقف المنافسون؟

لا تعمل imec وحدها في هذا المجال. تدير Intel برنامجها الخاص لمواد 2D على رقاقات 300 ملم بالتعاون مع imec، بينما أظهرت Samsung نمو بلورات MoS₂ أحادية على مستوى الرقاقة. كما دفعت فرق جامعية ترانزستورات MoS₂ أحادية الطبقة إلى مسافات بوابة قريبة من عقدة 1 نانومتر. لكن ما يميز عمل imec هو الجمع بين ثلاثة عناصر في آنٍ واحد: دمج n وp التكميلي، والطباعة بتعريض EUV واحد، ودقة منافسة للعقد الحالية على معدات 300 ملم القياسية.

• استخدمت القنوات من النوع n مادة MoS₂، بينما استخدمت قنوات p مادتي WSe₂ أو WS₂
• بلغ العرض الفعال للترانزستورات 75 نانومتر وسماكة الأكسيد المكافئة نحو 2 نانومتر
• أداء قنوات WSe₂ من النوع p اقترب من أفضل النتائج المختبرية، مما يضيّق الفجوة التاريخية في جانب p

متى نتوقع رؤية هذه التقنية في المنتجات؟

وفق خارطة طريق imec طويلة المدى، تأتي القنوات الذرية 2D بعد الترانزستور التكميلي (CFET). أفاد موقع IEEE Spectrum أن imec تتوقع وصول CFETs نحو 2033 والتحول إلى قنوات 2D قرب 2041، بينما تضع خارطة IRDS الصناعية قنوات 2D في عقدة 0.7 نانومتر بحلول 2034. هذه جداول زمنية بعيدة، لكن الإنجاز الحالي يثبت جدوى التصنيع على نطاق واسع — وهو شرط أساسي لأي تقنية تطمح للخروج من المختبر.

بالنسبة لصناعة أشباه الموصلات الناشئة في منطقة الخليج — حيث تستثمر السعودية والإمارات في بناء قدرات تصميم وتجميع الرقائق — يمثل هذا التطور فرصة للدخول مبكراً في منظومة تقنية لم تتبلور معالمها النهائية بعد، بدلاً من ملاحقة تقنيات سيليكونية ناضجة تهيمن عليها شركات راسخة.

الأسئلة الشائعة

ما الفرق بين ترانزستورات 2D وترانزستورات السيليكون التقليدية؟

ترانزستورات 2D تستخدم قنوات بسماكة ذرة واحدة (نحو 0.7 نانومتر) من مواد مثل MoS₂، مما يتيح تحكماً كهروستاتيكياً أدق وتبديلاً بجهد أقل مقارنة بصفائح السيليكون النانوية الأسمك.

لماذا تُعد دقة 50 نانومتر إنجازاً مهماً؟

لأنها أضيق من دقة 54 نانومتر في عقدة Intel 10nm، مما يثبت أن تقنية 2D يمكنها منافسة أحدث عقد السيليكون من حيث الكثافة.

هل ستحل مواد 2D محل السيليكون قريباً؟

ليس في المدى القريب. تضع خرائط الطريق الصناعية التحول إلى قنوات 2D بين 2034 و2041، بعد استنفاد خيارات تحسين السيليكون مثل CFETs.

ما التحدي الرئيسي الذي حله هذا البحث؟

مقاومة التلامس العالية التي كانت تعيق تصغير ترانزستورات 2D. حُلّت عبر البناء العكسي بوضع التلامسات قبل القناة.