Un processo flessibile basato su materiali 2D per un nodo tecnologico equivalente a 1 nm

Un recente studio pubblicato su Nano-Micro Letters (Springer Nature) propone un approccio innovativo per la realizzazione di un nodo tecnologico equivalente a 1 nm sfruttando materiali bidimensionali (2D) e un framework di valutazione multi-scala. Questa ricerca analizza in che modo i transistor a effetto di campo a nanosfogli di MoS₂ (NSFET) potrebbero rappresentare un percorso tecnologico alternativo rispetto ai tradizionali transistor a effetto di campo complementari al silicio (Si-CFET) per i futuri dispositivi su scala ultra-ridotta.

Per valutarne le prestazioni, gli autori integrano attività sperimentali di fabbricazione dei dispositivi con simulazioni TCAD, simulazioni circuitali basate su SPICE e analisi a livello di sistema, confrontando il nodo tecnologico proposto "2D eq 1 nm" con le più avanzate architetture basate sul silicio.

Un framework di processo completo e flessibile 

Piuttosto che limitarsi alla dimostrazione di un singolo dispositivo, lo studio propone un framework di valutazione che collega l'intero percorso di sviluppo, dall'estrazione dei parametri dei materiali fino alla simulazione di circuiti e processori. Questo approccio consente di analizzare in modo coerente l'impatto della tecnologia basata su transistor 2D a ogni livello della progettazione elettronica. 

In questo contesto, sono stati progettati e realizzati dei NSFET in MoS₂ al fine di ricavarne i parametri per la calibrazione del modello. Lo studio ha poi messo a confronto un processo convenzionale per CFET in Si da 1 nm con un’architettura 2D-NSFET ridimensionata orizzontalmente, avente lo stesso ingombro medio del dispositivo. 

I risultati dimostrano la fattibilità della sostituzione dei CFET al silicio al nodo da 1 nm con i 2D-NSFET, proponendo quella che gli autori definiscono una soluzione tecnologica “2D eq 1 nm”. Nelle condizioni di benchmark riportate, il 2D-NSFET ultra-ridimensionato ha raggiunto un aumento del 36% della frequenza operativa a parità di consumo energetico. Inoltre, il dispositivo miniaturizzato orizzontalmente ha dimostrato un aumento della frequenza del 28% a parità di consumo energetico e ha mostrato un andamento prestazionale simile quando implementato all’interno di una CPU RISC-V a 16 bit. 

Il ruolo del MicroWriter ML3 nel processo di fabbricazione 

Il processo di fabbricazione sperimentale mette inoltre in evidenza l’utilizzo del sistema di scrittura diretta laser MicroWriter ML3 della Durham Magneto Optics. Come riportato dagli autori, tutti i processi di litografia nel corso della preparazione dei campioni sono stati eseguiti utilizzando il MicroWriter ML3. 

In questo contesto, il MicroWriter ML3 ha contribuito ad accelerare lo sviluppo dei dispositivi basati su MoS₂ consentendo rapide iterazioni di progettazione senza la necessità di produrre nuove fotomaschere per ogni modifica del layout. L’esposizione diretta dai file GDS ha supportato l’ottimizzazione continua delle geometrie critiche dei dispositivi, mentre la flessibilità di realizzare pattern su campioni di piccole dimensioni e singoli die ha reso il sistema particolarmente adatto alla ricerca sui materiali 2D. Inoltre il Surface-tracking autofocus ha compensato automaticamente le variazioni topografiche dei campioni, garantendo esposizioni affidabili su substrati sperimentali e stack eterogenei. Nel loro insieme, queste funzionalità hanno contribuito a un flusso di lavoro di sviluppo dei dispositivi più veloce, più flessibile e più efficiente. 

Nel complesso, il lavoro rappresenta un importante riferimento per la valutazione delle tecnologie a semiconduttori basate su materiali bidimensionali attraverso un approccio multi-scala. Combinando attività sperimentali e simulazioni avanzate, gli autori propongono una metodologia strutturata per analizzare l'impatto dei materiali 2D sulle prestazioni di circuiti e sistemi elettronici, introducendo al contempo uno schema di processo a basso costo per un nodo tecnologico equivalente a 1 nm. 

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