二维场效应晶体管的三维集成
在计算机芯片上的晶体管数量大约每18个月翻一番，这一产业发展的规律被称为摩尔定律。然而，随着近年来晶体管的尺寸趋近物理极限，摩尔定律的进一步发展对半导体工程师来说是一场噩梦，因为他们需要制造更小、更强大的芯片。构建分层的3D芯片是应对这一挑战的一种方法，但这是一项艰巨的任务，因为各层所需的处理条件各不相同。例如，顶层的温度不得超过约450°C，这对于半导体加工来说相对较低，而且各层的质量也因底层产生的粗糙表面而受损。
鉴于此，近日来自美国宾州州立大学Darsith Jayachandran, Rahul Pendurthi和Saptarshi Das等领导的研究团队在Nature上以Three-dimensional integration of two-dimensional field-effect transistor为题发表重磅文章，制造了一种由两个纳米级晶体管集成层组成的晶圆（用于制造芯片的基板），有望克服莫尔定律进一步发展所面临的这些问题。研究人员利用每一层都包含超过10000个由单原子厚度的二硫化钼（MoS2）薄片制成的晶体管，并在将MoS2薄膜转移到晶圆之前分别生长了这些薄膜，这一过程不需要高温，为摩尔定律的发展提供了新的思路。
图1. 用二维材料制备三维电路。
图源： Nature 625, 276–281 (2024).
摩尔定律是半导体行业中的一个著名预测，由英特尔创始人戈登·摩尔在1965年提出。他预测，随着技术进步和制程不断缩小，集成电路上的晶体管数量大约每18个月会增加一倍。这个预测是基于当时的技术趋势和市场预期做出的。摩尔定律的主要思想是通过缩小晶体管的尺寸，在同样大小的芯片上集成更多的晶体管，从而实现更高的性能和更低的成本。
摩尔定律的发展历程可以追溯到20世纪60年代初，当时半导体行业刚刚起步，集成电路的概念还没有被提出。随着技术的不断进步，人们开始尝试将多个晶体管集成在一个芯片上，以实现更复杂的功能。随着制程技术的不断缩小，晶体管的尺寸也在不断减小，从而提高了晶体管的开关速度和集成度。到了20世纪70年代末期，随着大规模集成电路的出现，摩尔定律开始被广泛接受和引用。
摩尔定律的成功在于它准确地预测了半导体行业的发展趋势，并且为该行业的发展提供了指导。随着摩尔定律的推进，半导体行业经历了飞速的发展，晶体管的集成度不断提高，性能也在不断提升。同时，这也推动了其他相关领域的发展，比如计算机、通信、消费电子等。
然而，摩尔定律也面临着一些挑战。随着制程技术的不断缩小，晶体管的结构和性能都受到了一定的限制。同时，随着芯片上晶体管数量的不断增加，芯片的功耗和散热问题也越来越突出。这些问题都给摩尔定律的延续带来了困难。
为了应对这些挑战，半导体行业正在不断探索新的技术和材料。比如，人们正在研究新的制程技术，如纳米线、石墨烯等新材料，以提高晶体管的开关速度和集成度。同时，也有人在研究新的芯片架构和设计方法，以提高芯片的性能和降低功耗。
图2. 二维场效应晶体管的三维集成。
图源： Nature 625, 276–281 (2024).
摩尔定律下硅场效应晶体管（ FET）的缩小对于实现更快、更小、更便宜的电子设备起到了关键作用。虽然最新的FinFET技术和全环绕栅极（GAA） FET有望将摩尔定律的缩小延续到2030年左右，但半导体行业越来越强调三维（3D）设备堆叠以推进“超越摩尔定律”。此外，3D集成可以提供一个混合平台，用于将基于新兴材料的非计算设备集成到3D堆叠的不同层中，这可能不容易通过Si技术实现。这一概念通常被称为“超越摩尔定律”。
目前，许多著名的芯片制造公司已经展示了他们在3D封装解决方案方面的进步，例如Intel的Foveros3、TSMC的3DFabric4和AMD的3D V-Cache5。与封装不同，单片3D集成可以实现更高的互连密度和减少静电耦合。然而，对于硅基逻辑，上层温度限制在约450°C左右，限制了单片集成的开发。引入高迁移率通道材料如锗和InGaAs在上层可以补偿性能，但会使制造变得复杂。此外，体半导体如硅由于在低于3纳米通道厚度制度下通道与介电层之间的界面上电荷载流子散射加剧，因此无法用于晶体管尺寸进一步的缩放。
图3. 二维场效应晶体的器件示意图。
图源： Nature 625, 276–281 (2024).
为了克服这些挑战，研究人员考虑使用超薄体通道材料，如二维（2D）半导体、碳纳米管和纳米线。这些材料被视为有前途的候选材料，因为它们具有潜在的优势。
二维材料是一类新兴的材料，具有独特的物理和化学性质，因此在许多领域都有广泛的应用前景。在芯片制造中，二维材料也展现出了巨大的潜力。
首先，二维材料由于其出色的电子性能，被广泛应用于制造晶体管。传统的晶体管是由硅材料制成的，但是随着芯片上晶体管数量的不断增加，硅材料的性能已经接近极限。二维材料中的一些材料，如二硫化钼、二硒化钨等，具有更高的电子迁移率和更强的耐热性，因此在制造高速、低功耗的晶体管方面具有巨大的优势。
其次，二维材料还可以用作芯片中的存储介质。传统的存储介质如闪存和硬盘驱动器存在容量和速度的限制。二维材料中的一些材料，如石墨烯和过渡金属硫化物，具有超高的存储密度和快速的读写速度，因此在制造高容量、高速的存储芯片方面具有巨大的潜力。
此外，二维材料还可以用于制造光电器件和传感器。二维材料中的一些材料，如黑磷和二硫化钨，具有优异的光电性能和化学敏感性，因此在制造光电器件和传感器方面具有广泛的应用前景。
最近在晶片规模合成方面得的显著成就，使2D半导体进入了各个行业的路线图。此外，最近对基于硅的微芯片的2D材料3D异构集成的展示表明，发展功能多样化的处理器具有显著的潜力。
总而言之，这里研究人员展示了基于大面积生长的MoS2和WSe2的多功能2D FET的晶片级单片3D集成。研究人员的主要贡献包括4个方面：（1）每个层中超过10000个设备的MoS2 FET的晶片级单片两层3D集成；（2）第一层800个设备，第二层800个设备和第三层450个设备的MoS2和WSe2 FET的三层3D集成；（3）每个层中超过200个缩放的MoS2 FET的两层3D集成，通道长度LCH＝45nm；（4）基于MoS2的3D电路的演示。这是目前第一个基于大面积生长的2D材料的三层3D芯片以及晶片级3D集成的演示，为摩尔定律的未来发展开辟了新的思路。
随着人工智能、物联网等新兴技术的快速发展，对于高性能、低功耗的芯片需求也在不断增加。这为摩尔定律的发展提供了新的机遇和挑战。未来的芯片制造需要更加注重功能性和集成度的提升，以满足这些新兴领域的需求。因此，二维场效应晶体管的三维集成方法有望在未来芯片的进一步小型化和集成化，以及摩尔定律的发展中发挥出重要的作用。
参考文献：Jayachandran, D., Pendurthi, R., Sadaf, M.U.K. et al. Three-dimensional integration of two-dimensional field-effect transistors. Nature 625, 276–281 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06860-5