一種使用2D材料進行3D集成的新方法

美國賓夕法尼亞州立大學的研究人員展示了一種使用 2D 材料進行 3D 集成的新穎方法。他們在最近的研究中詳細介紹了這一進步，解決了將更多晶體管集成到越來越小的區(qū)域中所面臨的日益嚴峻的挑戰(zhàn)，這是半導體行業(yè)的一個關(guān)鍵問題，因為器件的尺寸不斷縮小，同時需要增強的功能。

根據(jù)摩爾定律，芯片上的晶體管數(shù)量每兩年就會增加一倍，保證處理能力的提高，但也有限制。

當今最強大的處理器在一個縮略圖大小的區(qū)域內(nèi)擁有大約 500 億個晶體管，在這個狹小的區(qū)域安裝更多晶體管的工作變得越來越困難。

該研究的共同通訊作者、工程科學與力學副教授 Saptarshi Das 及其同事在 2023 年 1 月 10 日發(fā)表在科學雜志《自然》上的一項研究中提出了一種解決方案：將 3D 集成與 2D 材料技術(shù)融合。

在半導體行業(yè)中，3D 集成是指多層半導體元件的垂直堆疊。這種方法不僅可以更輕松地將更多硅基晶體管集成到芯片上，還可以使用二維材料制成的晶體管在不同層中整合不同的功能堆棧，這被稱為「超越摩爾」。

通過研究，Saptarshi 和團隊表明，除了擴展現(xiàn)有技術(shù)之外，還有通過單片 3D 集成實現(xiàn)「更多摩爾」和「超越摩爾」的實用方法。研究人員使用單片 3D 集成，直接在彼此之上構(gòu)建器件，而不是像過去那樣堆疊單獨制造的層。

賓夕法尼亞州立大學研究合著者兼研究生研究助理 Najam Sakib 表示，單片 3D 集成提供最高密度的垂直連接，因為它不依賴于兩個預先圖案化芯片的粘合（這需要將兩個芯片粘合在一起的微凸塊），因此有更多的空間來進行連接。

然而，工程科學和力學研究生助理、該研究的共同通訊作者 Darsith Jayachandran 指出，單片 3D 集成存在重大問題，因為傳統(tǒng)的硅元件會在加工溫度下熔化。Jayachandran 表示，其中一項挑戰(zhàn)是硅基芯片后端集成的工藝溫度上限為 450 攝氏度，我們的單片 3D 集成方法將溫度降至 200 攝氏度以下。不兼容的工藝溫度預算使單片 3D 集成面臨挑戰(zhàn)，但 2D 材料可以承受該工藝所需的溫度。

該團隊是第一個通過使用過渡金屬二硫?qū)倩铮ㄒ环N 2D 半導體）創(chuàng)建 2D 晶體管來實現(xiàn)如此規(guī)模的單片 3D 集成的人。

賓夕法尼亞州立大學研究生研究助理 Muhtasim Ul Karim Sadaf 表示，它為我們的電子設備添加了新的有用功能，例如更好的傳感器、改進的電池管理或其它特殊功能，使我們的工具更加智能和多功能。

3D 集成垂直堆疊器件的能力也使更節(jié)能的計算成為可能，這解決了芯片上晶體管等微小組件的一個問題：距離。

賓夕法尼亞州立大學研究通訊作者和研究生研究助理 Rahul Pendurthi 表示，通過將器件垂直堆疊在一起，可以縮短它們之間的距離，從而減少延遲和功耗。

研究人員還通過利用二維材料構(gòu)建的晶體管滿足了「超越摩爾」的要求。

二維材料的特殊光學和電學特性（例如光敏感性）使其非常適合用作傳感器。研究人員聲稱，鑒于邊緣設備和鏈接設備的數(shù)量不斷增加，例如無線家庭天氣傳感器和在網(wǎng)絡邊緣收集數(shù)據(jù)的手機，這很有幫助。

該研究的合著者、工程科學與力學研究生助理 Muhtasim Ul Karim Sadaf 表示：我們不僅要讓芯片變得更小、更快，還要讓芯片具有更多功能。

研究人員指出，使用 2D 材料進行 3D 集成還有更多好處。卓越的載流子遷移率是半導體材料的特性之一，它描述了電荷的傳輸方式。另一個是非常薄，這使得研究人員能夠為 3D 集成的每一層添加更多的計算能力和更多的晶體管。

該研究展示了大規(guī)模的 3D 集成，這與使用小規(guī)模原型的典型學術(shù)研究形成鮮明對比。Das 聲稱，這一成就縮小了學術(shù)界和企業(yè)之間的差距，并可以為企業(yè)利用賓夕法尼亞州立大學在二維材料方面的資源和經(jīng)驗進行更多合作開辟了道路。

賓夕法尼亞州立大學二維晶體聯(lián)盟 (2DCC-MIP)、國家用戶設施和美國國家科學基金會 (NSF) 材料創(chuàng)新平臺的科學家們生產(chǎn)的高質(zhì)量、晶圓級過渡金二硫化物的可用性，使得該研究成果實現(xiàn)規(guī)模擴產(chǎn)成為可能。

NSF 材料創(chuàng)新平臺項目總監(jiān) Charles Ying 補充道：「這一突破再次證明了材料研究作為半導體行業(yè)基礎的重要作用。賓夕法尼亞州立大學二維晶體聯(lián)盟多年來為提高 2D 材料的質(zhì)量和尺寸所做的努力，使得實現(xiàn)半導體的 3D 集成成為可能，可以為電子產(chǎn)品帶來變革。」

Das 認為，這只是技術(shù)進步的開始。

他指出：「我們能夠在晶圓級展示大量器件，這表明我們已經(jīng)能夠?qū)⑦@項研究轉(zhuǎn)化為半導體行業(yè)能夠認可的規(guī)模。我們在每一層放置了 30,000 個晶體管，這可能是一個創(chuàng)紀錄的數(shù)字。這使得賓夕法尼亞州立大學可以領導一些工作并與美國半導體行業(yè)合作推進這項研究?！?/p>

除了 Das、Jayachandran、Pendurthi、Sadaf 和 Sakib 之外，其他作者還包括工程科學與力學博士生 Andrew Pannone；陳晨，2DCC-MIP 助理研究教授；韓穎，機械工程博士后研究員；Nicholas Trainor，材料科學與工程博士生；Shalini Kumari，博士后學者；Thomas McKnight，材料科學與工程博士生；Joan Redwing，2DCC-MIP 主任、材料科學與工程和電氣工程杰出教授；楊陽，工程科學與力學助理教授。