ASML, TSMC en imec maken industriële transistors uit 2D-materialen tastbaarder door baanbrekende 300-mm-integratie

Figuur 1 – (A) X-Cut-HAADF- rasterelektronenmicroscopie-opname van een WS₂-constructie met een CPP van 50 nm, een contactlengte van 19 nm en een breedte van 256 nm na het etsen van de poortaansluitingsleiding. En (B) de bijbehorende energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS)-analyse.

Figuur 2 – MoS₂-nFETs en WSe₂-pFETs met een contactafstand van 50 nm en een ontspannen kanaalbreedte (650 nm), geïntegreerd op dezelfde 300 mm wafer, vertonen een goede afstemming van de drempelspanning.

– ASML, TSMC en imec presenteren een innovatieve 300-mm-integratieproces voor transistors op basis van 2D-materialen, waarmee voor het eerst geschaalde n- en p-FETs met een contactafstand (CPP) van 50 nm worden gerealiseerd, die met EUV-lithografie zijn gestructureerd.
– Bij de geschaalde nFETs (met MoS2-kanaal) en pFETs (met WS2- of WSe2-kanaal) zijn goede resultaten behaald: Beide transistorpolariteiten schakelen uit bij een poortspanning (Vg) van 0 V, en de pFETs tonen een prestatie die bijna die van de krachtigste laboratoriumcomponenten benadert.
– Deze ontwikkeling is een belangrijke stap in de overgang van laboratorium naar massaproductie van transistors op basis van 2D-materialen, waarvan wordt verwacht dat deze de routekaart voor logische technologie verder zullen uitbreiden en verbeteren.
– „Samen met onze partners hebben we een 300-mm-testplatform opgezet om 2D-materialen te onderzoeken in voor de industrie relevante afmetingen. We nodigen het halfgeleider-ecosysteem uit om samen te werken en de prestaties van deze nieuwe klasse kanaalmaterialen en componenten verder te stimuleren.“ – Gouri Sankar Kar, imec.

LEUVEN (België), 15 juni 2026— Deze week presenteert imec, een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum voor geavanceerde halfgeleidertechnologieën, op het IEEE/JSAP-symposium 2026 voor VLSI-technologie en schakelingen, in samenwerking met de lithografieoplossingsaanbieder ASML en de Semiconductor Foundry TSMC een nieuwe, robuuste en schaalbare 300-mm-integratieaanpak voor n- en p-FETs op basis van 2D-materialen. Voor het eerst konden geschaalde nFETs (met MoS2 als kanaalmateriaal) en pFETs (met WS2- of WSe2-basis) met een contacted poly pitch (CPP) van 50 nm worden gedemonstreerd, die goede stroom- en spanningskenmerken vertonen. Deze resultaten vormen een belangrijke stap in de overgang van laboratorium naar massaproductie van transistors op basis van 2D-materialen, bedoeld voor ultra-schaalbare logica en voor toepassingen in de back-end en wafer-backside.

Two-dimensionale overgangsmetaal-dichalkogeniden (TMDs, zoals MoS2, WS2 en WSe2) hebben het potentieel om de routekaart voor logische schaalbaarheidstechnologie uit te breiden en te verbeteren. Wanneer ze worden geïntegreerd als atomaal dunne geleidingskanalen die silicium vervangen, maken deze materialen krachtige geschaalde transistors mogelijk – aantrekkelijk voor zowel extreem geschaalde logica als voor back-end-of-line- en wafer-backside-toepassingen. Dit potentieel danken ze aan hun goede elektrostatische kanaalcontrole bij tegelijkertijd acceptabele ladingsdragerbeweging, zelfs bij extreem verkleinde poort- en kanaallengten. De weg naar industriële invoering werd echter tot nu toe belemmerd door het ontbreken van een 300-mm-integratieproces dat TMD-gebaseerde n- en p-FETs in industriële afmetingen kan leveren zonder in te boeten op de prestaties die al uitgebreid in het laboratorium zijn aangetoond.

ASML, TSMC en imec presenteren nu een schaalbare, back-end compatibele 300-mm-integratieaanpak voor TMD-gebaseerde n- en p-FETs, die heeft geleid tot drie belangrijke resultaten: (1) geschaalde n- en p-FETs met een contactafstand (CPP) van 50 nm – wereldwijd uniek; (2) zeer lage off-stroom (Ioff) bij een poortspanning van nul (Vg=0V) voor beide transistorpolariteiten; en (3) pFETs met WSe2-kanaal, waarvan de prestaties dicht bij die van recordwaardige laboratoriumcomponenten liggen. Met 94% functionerende transistors (d.w.z. met Imax/Imin > 10^5) heeft de CMOS-achtige integratieaanpak – waarbij n- en p-FETs op hetzelfde 300-mm-wafel worden geïntegreerd – zich bewezen als robuust en stabiel. De voorgestelde processtappen zijn toepasbaar op andere 2D-kanaalmaterialen dan MoS2, WS2 en WSe2.

Gouri Sankar Kar, vice-president voor onderzoek en ontwikkeling op het gebied van reken- en geheugen technologieën bij imec: „Transistors op basis van 2D-TMD-materialen zijn doorgaans geoptimaliseerd voor korte kanalen. Ze vertonen echter meestal een grote contactoppervlakte om de contactweerstand zo laag mogelijk te houden, wat verdere verkleining bemoeilijkt. Voor het eerst hebben we een CPP van 50 nm bereikt – een maat die wordt bepaald door zowel de poortlengte als de bron-/aflaadcontactlengte – zonder de prestaties van de 2D-n- en p-FETs te beïnvloeden. Het gebruik van de single-patterning EUV-lithografie, die in nauwe samenwerking met ASML is geoptimaliseerd, was cruciaal voor het mogelijk maken van de geschaalde CPP.“

De geschaalde transistors vertonen goede stroom- en spanningskenlijnen, waarbij pFETs bijna even goed presteren als de krachtigste laboratoriumcomponenten – waarmee een al lang bestaande uitdaging voor TMD-transistors wordt aangepakt. Bovendien tonen de elektrische metingen dat beide transistorpolariteiten uitschakelen wanneer de poortspanning (Vg) op 0 V wordt gezet. „Dit ideale gedrag is te danken aan het gebruik van een innovatieve ‘omgekeerde’ fabricageproces voor dunne laag transistors (TFT),“ legt Gouri Sankar Kar uit. „In tegenstelling tot conventionele transistors op basis van 2D-materialen beschikken onze n- en p-FETs over bottom-contacten en een overlappend aangebracht poortje. Dit wordt bereikt door het TMD-kanaalmateriaal op reeds voorgestructureerde, met wolfraam (W) gevulde groeven te plaatsen, die dienen als contacten.“

Dr. Min Cao, vice-president en CTO van TSMC, benadrukte het strategische belang van het onderzoekswerk en verklaarde: „Onze onderzoekscoöperatie draagt wezenlijk bij aan het uitbreiden van de grenzen van de halfgeleiderinnovatie. De focus ligt op risicoreductie en het versnellen van de overgang van laboratorium naar productie, om ervoor te zorgen dat baanbrekende ontdekkingen – vooral op het gebied van deze nieuwe kanaalmaterialen – snel en efficiënt worden geïntegreerd in geavanceerde fabricage en uiteindelijk leiden tot innovatieve oplossingen.“

„2D-TMD-materialen zouden potentieel veel kleinere en krachtigere transistors mogelijk maken dan die op siliciumbasis, maar de tot nu toe met 300-mm-processen gedemonstreerde componenten met 2D-kanaal zijn eigenlijk vrij groot en worden gestructureerd met oudere lithografietechnologieën. Dankzij de veel hogere resolutie van EUV-lithografie konden we TMD-transistors met kanaallengten van slechts 28 nm en een pitch produceren die compatibel is met de meest geavanceerde transistorlagen,“ voegde Etienne De Poortere, directeur van het Technology Development Center Europe bij ASML, toe.