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三維集成是通過在垂直方向上將多個獨立的芯片或功能層堆疊在一起的器件系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯、存儲和傳感等功能的垂直集成和協(xié)同工作，是后摩爾時代的重要技術(shù)路線。目前商用的三維集成主要是通過封裝技術(shù)將多芯片或者多芯粒垂直堆疊和互聯(lián)。單芯片三維集成則是直接在同一芯片內(nèi)部垂直集成多個器件層。通過將每一器件層直接制備在另一器件層之上，能夠進(jìn)一步提高芯片的互聯(lián)密度和性能。然而，硅基單芯片三維集成面臨著嚴(yán)重的熱預(yù)算問題，其上層的硅溝道制備工藝會導(dǎo)致下層硅器件摻雜擴(kuò)散和性能退化，限制了三維集成的發(fā)展。
針對這一挑戰(zhàn)，湖南大學(xué)校物理與微電子科學(xué)學(xué)院劉淵教授團(tuán)隊報道了一種低溫的范德華單芯片三維集成工藝。在該工藝中，源/漏/柵電極、層內(nèi)互連金屬、高κ柵介電質(zhì)、低κ層間介電層和層間垂直通孔等電路功能層首先預(yù)制備在犧牲晶圓上，之后在120 °C的低溫下范德華集成到半導(dǎo)體晶圓上。通過逐層集成范德華預(yù)制備電路層和半導(dǎo)體層，團(tuán)隊實現(xiàn)了10層的全范德華單芯片三維系統(tǒng)。同時，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)范德華集成工藝不會對底部的硫化鉬晶體管電學(xué)性能產(chǎn)生影響，能夠保證晶體管的本征性能。進(jìn)一步集成不同功能的電路層，團(tuán)隊實現(xiàn)了邏輯、傳感和存儲互聯(lián)的三維異質(zhì)集成和協(xié)同工作。該研究為單芯片三維集成系統(tǒng)提供了一條低能量路徑。
5月22日，該研究成果以“Monolithic three-dimensional tier-by-tier integration via van der Waals lamination”為題在線發(fā)表在《自然》雜志上，湖南大學(xué)為獨立完成單位，作者分別來自物電院、化工院、半導(dǎo)體學(xué)院。物電院陸冬林博士為第一作者，物電院劉淵教授為通訊作者。該工作得到了來自國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07406-z
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