2D Transistörler Fabrikaya İndi: ASML, TSMC ve Imec 300mm Plakalarda 50nm Entegrasyonu Başardı

Yıllardır yarı iletken endüstrisi, birkaç atom kalınlığındaki iki boyutlu malzemeleri, silikonun fiziksel sınırlarının ötesinde mantık transistörü ölçeklemesini sürdürmenin umut verici bir yolu olarak gördü. Sorun her zaman üretimdeydi. Bu hassas malzemeleri standart 300mm waferlar üzerinde, en son silikon teknolojisiyle rekabet edebilecek boyutlarda çalıştırmak uzak bir hedef gibi görünüyordu.

Bu mesafe artık önemli ölçüde kapandı. Haziran 2026'da, IEEE/JSAP VLSI Teknolojisi ve Devreleri Sempozyumu'nda, Imec, ASML ve TSMC'den oluşan bir konsorsiyum, türünün ilk örneği bir gösteri sundu: Yalnızca 50nm temaslı polisilikon aralığına (CPP) sahip, 2D kanal malzemeleri kullanan ve tamamen 300mm waferlara entegre edilmiş, ölçeklendirilmiş n-tipi ve p-tipi alan etkili transistörler .

Bu, bir laboratuvar deneyinden çok daha fazlası. Tamamlayıcı 2D transistörlerin (hem nFET hem de pFET) bir arada, tam boyutlu bir üretim waferı üzerinde ve akademik meraktan endüstriyel üretime geçişin eşiği olarak kabul edilen bir aralıkta ilk kez üretilmesi anlamına geliyor .

Tam olarak ne inşa ettiler?

Ekip, atomik olarak ince farklı kanal malzemeleri kullanan iki tamamlayıcı cihaz tipini gösterdi :

• nFET'ler, kanal olarak MoS₂ (molibden disülfür) ile üretildi.
• pFET'ler ise WS₂ (tungsten disülfür) veya WSe₂ (tungsten diselenür) ile üretildi.

Tüm cihazlar, arka uç işlemlerle uyumlu, ölçeklenebilir bir entegrasyon akışı kullanılarak aynı 300mm silikon wafer üzerinde üretildi . Özellikle tungsten bazlı pFET malzemelerinin seçimi dikkat çekici; zira Imec, IEDM 2025'te tek katmanlı WSe₂ kullanarak 690µA/µm'ye varan sürüş akımlarıyla rekor kıran bir pFET performansı rapor etmişti .

Kritik rakam: 50nm temaslı polisilikon aralığı

Manşetlerdeki metrik, hem nFET hem de pFET cihazları için elde edilen 50nm CPP değeridir . Çip üretiminde, temaslı polisilikon aralığı, transistör yoğunluğunun ve bir mantık sürecini ne kadar agresif bir şekilde ölçeklendirebileceğinizin en kritik ölçütlerinden biridir.

Bunu bir perspektife oturtalım: Günümüzün önde gelen silikon düğümleri 50nm'nin altındaki aralıklarda çalışıyor. 2D malzeme transistörlerin 300mm waferlar üzerinde 50nm CPP'de gösterilmesi, bu egzotik malzemelerin sadece küçük araştırma örneklerinde değil, yüksek hacimli fabrikalarda kullanılan aynı wafer formatında, aynı ligde oynayabileceğini kanıtlıyor .

Tek bir entegrasyon akışında üç kilometre taşı

Ortak çalışma, önceki 2D malzeme araştırmalarının ötesine geçen net bir ilerlemeyi işaret eden üç spesifik, ölçülebilir sonuç elde etti :

1. 300mm waferlar üzerinde 50nm CPP'de dünyada bir ilk olan ölçeklendirilmiş nFET ve pFET cihazları.
2. Her iki transistör polaritesi de sıfır kapı voltajında (Vg=0V) son derece düşük kapalı durum akımı (Ioff) gösterdi.
3. WSe₂ kanalları kullanan pFET performansı, rekor kıran laboratuvar ölçekli cihazların seviyelerine yaklaşarak, entegrasyon yaklaşımının malzeme kalitesini koruduğunu doğruladı.

Ek olarak, CMOS benzeri entegrasyon yöntemi, wafer genelinde %94'e varan oranda çalışan transistör (Imax/Imin oranı 10⁵'ten büyük olarak tanımlanır) verimi sağlayarak sürecin hem sağlam hem de kararlı olduğunu teyit etti .

Bunu mümkün kılan süreç

Laboratuvardan fabrikaya bu sıçramayı mümkün kılan neydi? Konsorsiyum, transistör kanalları için kullanılan 2D malzeme sınıfı olan geçiş metali dikalkojenitler (TMD'ler) için özel olarak tasarlanmış yeni bir entegrasyon yaklaşımı geliştirdi . Bu akış, endüstriyel uygulanabilirlik için kritik olan birkaç anahtar süreç modülünü içeriyor :

• 50nm aralık için gereken minik yapıları desenlemek üzere EUV (aşırı ultraviyole) litografi.
• Tam waferlar için uygun TMDC malzeme transfer teknikleri.
• Kapı yığınları için yüksek-k dielektrik entegrasyonu.
• Kanal izolasyonu ve gelişmiş kimyasal-mekanik parlatma (CMP) adımları.

Standart yarı iletken süreç araçlarının, özel olarak uyarlanmış 2D malzeme işleme yöntemleriyle bu birleşimi, sonucu yalnızca bir malzeme bilimi gösterisi değil, gerçek bir üretim atılımı haline getiriyor.

Aynı anda aşılan iki engel

2D transistörlerin mantık çiplerinde silikonun yerini alabilmesi için endüstrinin iki temel zorluğun üstesinden gelmesi gerekiyordu . İlk olarak, modern çip üretiminin standardı olan 300mm waferlar üzerinde çalışan eksiksiz bir entegrasyon akışı inşa edilmeliydi. İkincisi, CMOS mantığı tamamlayıcı çiftler gerektirdiğinden, bu akış aynı sıkı boyutlarda hem n-tipi hem de p-tipi cihazlar için çalışmalıydı.

ASML-TSMC-Imec çalışması, her iki engeli de tek bir gösteride ortadan kaldırıyor. Imec'in TMD tabanlı cihazlar üzerine uzun soluklu araştırmasını, ASML'nin litografi yetenekleri ve TSMC'nin üretim uzmanlığıyla birleştiren grup, 2D malzeme transistörlerin, gelecekteki mantık düğümleri için gereken aralıkta ve ölçekte üretilebileceğini gösterdi .

Silikon sonrası yol haritasındaki yeri

Bu, tek seferlik bir deney değil. Endüstri genelinde süregelen bir ilerleme sürecinin doruk noktasıdır.

Imec, 2D FET malzemelerinin 300mm entegrasyonu üzerinde çalışmaya 2018 gibi erken bir tarihte, tam boyutlu waferlar üzerinde WS₂'nin doğrudan MOCVD büyütmesini ilk kez gösterdiğinde başladı . 2019'da araştırma merkezi, kanal uzunlukları 30nm'ye kadar inen ultra ölçekli MoS₂ transistörlerini sergiledi . 2020'ye gelindiğinde Imec, A7 düğümünden itibaren kullanıma gireceklerini öngörerek 2D malzemeleri mantık ölçekleme yol haritasına resmen dahil etti .

Daha yakın zamanda, Intel Foundry ve Imec, IEDM 2025'te kaynak/savak kontakları ve kapı yığınları dahil olmak üzere kritik 2DFET modüllerinin 300mm fabrika uyumlu entegrasyonunu ayrı ayrı gösterdiler . Aynı konferansta Imec'in TSMC ile iş birliği, WSe₂ kanallarında rekor pFET performansı üreterek 2026'daki bu büyük atılımın malzeme temellerini attı .

Haziran 2026'da yayınlanan ASML-TSMC-Imec sonucu, bu gelişmeleri tek bir çatı altında toplayarak, üretim waferları üzerinde fabrika ile uyumlu bir aralıkta tamamlayıcı 2D transistörlerin eksiksiz bir gösterimini sunuyor. Entegrasyon şemasının, bu çalışmada kullanılan TMD malzemeleri olan MoS₂, WS₂ ve WSe₂'nin yanı sıra diğer 2D kanal malzemelerine de uygulanabilir olması bekleniyor .

Bundan sonra ne olacak?

Bu buluş, VLSI 2026 sempozyumunda "300mm'lik Bir Fabrikadan 50nm Aralıklı N ve PMOS Transistörler için 2D Malzeme Kanallı İlk EUV Etkin Entegrasyon Yolu" başlıklı T1.3 numaralı bildiri olarak açıklandı . Cihaz özellikleri umut verici olsa da, bu hala bir araştırma gösterisi olup ticari bir ürün değildir. Performansın ve güvenilirliğin daha sıkı aralıklarda kanıtlanması gerekiyor ve endüstri, gelecekteki düğümler için tam olarak hangi 2D malzeme yığınının kullanılacağı konusunda henüz bir standart belirlemiş değil.

Ancak önemi çok açık: Yarı iletken endüstrisi, ilk kez, 2D transistörlerin silikonla aynı üretim yolunu izleyebileceğine dair somut bir kanıta sahip. Silikon sonrası mantığa giden yarış, artık gerçek anlamda başladı.