研究背景
随着半导体技术的迅猛发展，集成电路（IC）在各个领域的应用日益广泛，尤其是在高性能计算、物联网和人工智能等领域，推动了对更高密度、更高性能和更低功耗电子器件的需求。因此，如何提高集成电路的功能和性能成为了研究的热点。其中，单体三维（M3D）集成作为一种新兴的集成技术，因其能够在同一晶圆上堆叠不同功能的电子器件，极大地提高了集成度和性能，受到了广泛关注。
M3D集成的核心概念是通过将功能多样的器件层级叠加，以实现晶体管级别的异质性，从而在设计上提供更大的灵活性和更短的信号传输延迟。然而，传统的通过硅通孔（TSV）技术在异质集成方面的应用仍然面临许多挑战，包括高成本、复杂的制造流程以及材料选择的局限性。此外，使用非硅材料进行大面积的M3D集成演示仍然相对较少，限制了其在更广泛应用中的发展。
为了解决这些问题，科学家们探索了多种新的集成技术。其中，通过堆叠二维材料（2D材料）如石墨烯和二硫化钼（MoS₂），研究者们成功实现了更高的I/O密度和更小的器件间距，进而推动了M3D集成技术的发展。例如，近期的研究报告了使用密集的通孔结构实现的62,500 I/O/mm²的互连密度，这种设计显著提高了传感器与计算元件之间的物理接近性，从而降低了近传感器计算应用中的延迟。
研究内容
为此，宾夕法尼亚州立大学的Saptarshi Das及其团队携手在Nature Electronics期刊上发表了题为“Monolithic and heterogeneous three-dimensional integration of two-dimensional materials with high-density vias”的最新论文。本研究针对现有M3D集成技术中的上述挑战，提出了一种新颖的方法，利用石墨烯基化学传感器和MoS₂基记忆晶体管的异质集成，构建近传感器计算平台。通过该方法，我们实现了每层超过500个设备的堆叠，并将处理器与传感器之间的垂直距离缩小至50纳米。此外，整个制造过程在200°C以下进行，兼容后道工艺集成。研究结果显示，我们的M3D集成方法在提高互连密度、降低制造温度以及提升器件性能方面具有显著优势，为下一代高性能电子器件的设计与实现提供了新的技术路径。
图文导读
1. 实验首次实现了基于石墨烯的化学晶体管与单层MoS₂基记忆晶体管的单体三维（M3D）集成，构建了一个具有62,500 I/O/mm²互连密度的异质M3D堆叠结构。
2. 实验通过在200°C以下的温度条件下制造M3D堆叠，成功将每层的MoS₂记忆晶体管和石墨烯化学晶体管的数量超过500个，实现了传感器与计算元件之间的物理距离缩小至50纳米。这一成果显著降低了近传感器计算应用中的延迟。
3. 通过采用密集的通孔结构和互连设计，实验展示了层间通孔尺寸为3×3微米²，间距为4微米的优越性能，表明M3D集成在提高器件密度和减少互连延迟方面的潜力。
图 1 | 二维材料的表征和M3D集成的制造过程流程。
图 2 | 单体和异构3D集成电路（ICs）。
图 3 | 一级的MoS2记忆晶体管的表征。
图 4 | 石墨烯化学晶体管的电气特性表征。
图 5 | 使用M3D集成电路的近传感器计算。
科学启迪
本文报告了一种单片异质三维（M3D）集成技术，利用密集的层间通孔结构将基于石墨烯的化学晶体管和单层MoS2基记忆晶体管集成于两个层级中，具有62,500 I/O/mm²的互连密度。该M3D堆栈可以在低于200°C的温度下制造，确保与后端集成（BEOL）的兼容性。值得注意的是，传感器和计算元件之间的垂直距离为50 nm，超越了当前的3D封装解决方案，可能减少计算延迟并提高带宽。
该工作发表在Nature Electronics上
文章链接（点击“阅读原文”）：https://doi.org/10.1038/s41928-024-01251-8
信息来源：低维材料前沿
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