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隨著三維（3D）集成成為關(guān)鍵的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力，半導(dǎo)體行業(yè)正經(jīng)歷一場(chǎng)前所未有的技術(shù)變革。通過(guò)整合模擬、射頻（RF）、傳感器、存儲(chǔ)器件以及數(shù)字組件等多種技術(shù)，3D 集成正在全面重塑芯片功能和性能的設(shè)計(jì)理念。

圖 1. 單片三維 (M3D) 堆疊結(jié)構(gòu)示意圖： M3D 堆疊結(jié)構(gòu)，其中第二層包含基于石墨烯化學(xué)晶體管的化學(xué)傳感器，與第一層的基于 MoS? 存儲(chǔ)晶體管的比較器相連接，用于近傳感計(jì)算應(yīng)用。

長(zhǎng)期以來(lái)，硅通孔（TSV）堆疊技術(shù)在3D集成領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，推動(dòng)了諸如3D堆疊CMOS圖像傳感器、閃存以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）等技術(shù)的商業(yè)化。TSV技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)10,000 I/O 每平方毫米的互連密度。然而，進(jìn)一步突破這一性能瓶頸的關(guān)鍵在于單片3D集成（M3D）。這種技術(shù)通過(guò)實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的互連間距、晶體管級(jí)的異質(zhì)整合以及功能擴(kuò)展，引入了超越傳統(tǒng)硅材料的新型解決方案。

在一項(xiàng)具有里程碑意義的研究中，研究人員采用二維（2D）材料——石墨烯和單層二硫化鉬（MoS?），成功實(shí)現(xiàn)了 M3D 集成。這種創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 40,000 I/O 每平方毫米的前所未有的互連密度，每層堆疊中集成超過(guò)500個(gè)器件。此外，該研究中采用的低溫制造工藝使工藝溫度保持在200°C 以下，從而與混合 2D/硅技術(shù)的后端（BEOL）集成高度兼容。

圖 2. 二維 (2D) 材料的表征及單片三維 (3D) 集成制造流程：(a) 使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 方法生長(zhǎng)于 2 英寸藍(lán)寶石晶圓上的單層 MoS? 光學(xué)圖像。(b) 對(duì)應(yīng)的拉曼光譜，特征峰：平面振動(dòng)模式E2gE_{2g}位于 387 cm?1^{-1}，垂直振動(dòng)模式A1gA_{1g}位于 404 cm?1^{-1}。(c) 商購(gòu)單層石墨烯薄膜（基于銅襯底）的光學(xué)圖像。(d) 使用 532 nm 激光獲得的石墨烯薄膜拉曼光譜，所展現(xiàn)其特征峰。(e) 單片和異質(zhì) 3D 集成制造流程，包括單層 MoS? 和基于石墨烯的器件的關(guān)鍵工藝步驟。該圖全面展示了 2D 材料的特性分析及其在單片 3D 集成中器件制造的關(guān)鍵流程，直觀地呈現(xiàn)了工藝細(xì)節(jié)與材料特性。

該M3D堆棧的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)在于其功能分層結(jié)構(gòu)：上層集成了基于石墨烯的化學(xué)傳感器，下層則包括基于MoS?存儲(chǔ)晶體管的可編程電路，專為近傳感器計(jì)算應(yīng)用而設(shè)計(jì)。值得注意的是，本研究在傳感器與計(jì)算元件之間實(shí)現(xiàn)了不到100納米的物理距離，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有最先進(jìn)封裝技術(shù)的能力。這種超緊密的集成顯著減少了計(jì)算延遲，同時(shí)極大提升了帶寬，為下代邊緣計(jì)算應(yīng)用（如醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能基礎(chǔ)設(shè)施）提供了技術(shù)支撐。

圖 3. 單片及異質(zhì)三維 (3D) 集成電路 (IC)：(a) 單層MoS?和石墨烯構(gòu)成的兩層單片 3D 集成電路（M3D）的高密度單元陣列的光學(xué)圖像。(b) 掃描電子顯微鏡 (SEM) 的放大圖，展示陣列中每個(gè)單元包含四個(gè)器件（上層為兩個(gè)石墨烯化學(xué)晶體管，下層為兩個(gè) MoS? 存儲(chǔ)晶體管）。(c) 使用高角環(huán)形暗場(chǎng) (HAADF) 模式掃描透射電子顯微鏡 (STEM) 在 (b) 中紅色虛線標(biāo)記位置拍攝的拼接截面圖；(d) 該截面圖的放大細(xì)節(jié)圖。(e) 進(jìn)一步放大的區(qū)域及能量色散 X 射線光譜 (EDS) 元素映射，展示了基于石墨烯化學(xué)晶體管的化學(xué)傳感器堆疊在基于 MoS? 存儲(chǔ)晶體管的比較器電路之上。(f) 展示兩層之間的互聯(lián)通孔 (inter-tier via)。該圖形象地展示了單片 3D 集成的微觀結(jié)構(gòu)特征，揭示了多層異質(zhì)材料及器件的集成細(xì)節(jié)，為理解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能提供了重要依據(jù)。

研究團(tuán)隊(duì)選擇石墨烯和MoS?的原因在于這兩種材料具有高度互補(bǔ)的特性。石墨烯以其優(yōu)異的載流子遷移率和化學(xué)惰性在氣體、生物分子以及其他化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)中表現(xiàn)出色。而MoS?晶體管則在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)下展現(xiàn)了卓越的性能，并在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和類腦計(jì)算等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。這兩種材料的結(jié)合，不僅在垂直堆棧中實(shí)現(xiàn)了傳感、計(jì)算和存儲(chǔ)功能的有機(jī)整合，也為 3D 集成電路的功能擴(kuò)展開辟了新途徑。

盡管之前已有研究探索了將2D材料與硅微芯片進(jìn)行M3D集成的可能性，但本研究的獨(dú)特之處在于，首次將多種類型的2D材料整合到單一M3D堆棧中。研究結(jié)果標(biāo)志著半導(dǎo)體領(lǐng)域的一次重要突破，表明通過(guò)垂直堆疊異質(zhì)材料層，可以突破傳統(tǒng)硅技術(shù)的限制，在芯片性能與功能多樣性方面實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。這一技術(shù)革新為未來(lái)多功能、高性能芯片的發(fā)展提供了全新思路和實(shí)現(xiàn)路徑。

來(lái)源：光跬科技