Il settore dei semiconduttori si prepara a una svolta radicale che potrebbe ridefinire i limiti fisici della miniaturizzazione dei chip. Intel Foundry e imec hanno annunciato questa settimana una dimostrazione cruciale: l'integrazione di moduli di processo per transistor a effetto di campo bidimensionali (2DFET) su wafer da 300 millimetri, lo standard industriale per la produzione di massa. Si tratta del primo passo concreto verso la produzione ad alto volume di transistor basati su materiali 2D, una tecnologia finora confinata ai laboratori di ricerca con wafer di piccole dimensioni e strumenti personalizzati incompatibili con le economie di scala necessarie all'industria moderna.
La sfida fondamentale che l'industria dei semiconduttori sta affrontando riguarda i limiti intrinseci del silicio come materiale per i canali dei transistor. Le tecnologie di processo più avanzate attualmente in produzione o in via di sviluppo, come Intel 18A, Samsung SF3E e TSMC N2, si basano su architetture gate-all-around (GAA) che circondano completamente il canale del transistor per massimizzare il controllo elettrostatico. Tutti i principali produttori stanno inoltre lavorando sui transistor complementari impilati verticalmente (CFET), considerati la naturale evoluzione delle architetture GAA e attesi sul mercato nel prossimo decennio per estendere ulteriormente i guadagni in densità.
Tuttavia, anche i CFET non rappresentano una soluzione definitiva. Riducendo le dimensioni dei canali in silicio a scala nanometrica estrema, il controllo elettrostatico si degrada progressivamente e la mobilità dei portatori di carica diminuisce in modo significativo. È qui che entrano in gioco i materiali bidimensionali, capaci di formare canali spessi solo pochi atomi mantenendo al contempo un eccellente controllo della corrente e proprietà elettriche superiori rispetto al silicio convenzionale a dimensioni comparabili.
La dimostrazione congiunta di Intel e imec rappresenta quindi un punto di svolta qualitativo. L'utilizzo di wafer da 300 millimetri, lo standard de facto per la produzione di chip ad alto volume, elimina uno degli ostacoli più significativi alla commercializzazione dei 2DFET. Fino ad oggi, i transistor basati su materiali 2D richiedevano processi artigianali su wafer di dimensioni ridotte, con tecniche di deposizione e integrazione incompatibili con le linee di produzione moderne che processano migliaia di wafer al giorno.
Per il contesto europeo, questa collaborazione assume un significato particolare. Imec, con sede in Belgio, rappresenta uno dei centri di ricerca sui semiconduttori più avanzati del continente e la sua partnership con Intel Foundry sottolinea l'importanza strategica della ricerca sui materiali avanzati per mantenere la competitività tecnologica europea. Le implicazioni per l'ecosistema manifatturiero locale potrebbero estendersi ben oltre i confini dei singoli laboratori coinvolti.
I materiali bidimensionali, come il grafene e i dicalcogenuri di metalli di transizione, offrono proprietà uniche rispetto al silicio tradizionale. Il loro spessore atomico consente di costruire transistor con dimensioni del canale estremamente ridotte senza compromettere le prestazioni elettriche, superando i limiti di scalabilità del silicio bulk. Inoltre, alcune di queste strutture presentano mobilità elettronica superiore e migliore controllo degli effetti quantistici che emergono alle dimensioni nanometriche estreme.
La roadmap tecnologica dell'industria dei semiconduttori prevede che i CFET domineranno la scena nei prossimi anni, ma l'orizzonte successivo rimane incerto. Intel e altri produttori stanno valutando diverse alternative per il post-CFET, e i transistor basati su materiali 2D emergono come candidati promettenti per estendere la legge di Moore oltre i nodi tecnologici attualmente pianificati. La transizione dai laboratori di ricerca alle fab commerciali richiederà tuttavia ulteriori anni di sviluppo per ottimizzare resa, affidabilità e costi di produzione.
L'integrazione di processi critici su wafer da 300 mm non significa che i 2DFET siano pronti per la produzione di massa, ma dimostra che la distanza tra ricerca e applicazione industriale si sta riducendo. Gli ingegneri dovranno ancora affrontare sfide significative, tra cui la deposizione uniforme su larga scala, l'integrazione con i processi CMOS esistenti, la gestione termica e la stabilità a lungo termine dei materiali.