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《美国宾夕法尼亚大学开发出后端兼容的铁电场效应晶体管》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： 李衍
  • 发布时间：2023-05-25

  • 垂直堆叠、密集、高效和紧密集成的存算一体架构因可克服数据存储和处理瓶颈而备受关注。与传统计算存储器体系结构相比，在前道（front end of line，FEOL）工艺直接垂直堆叠存储器阵列可以在面密度和能效方面提供巨大优势并降低延迟。在单个处理单元级别上，这种方案需要快速、可靠和低能耗的非易失性存储器（NVM）且容易实现晶体管集成，从而推动了与后道工序（back-end-of-line，BEOL）兼容的材料和设备的需求。因此，NVM器件和硅基CMOS逻辑器件的单片式三维（monolithic

    three-dimensional, M3D）集成是可行的技术路径。

    随着HfxZr1-xO2（HZO）等铁电材料不断发展，铁电场效应晶体管（FE-FET）因其可进行无损读取操作的特性，被视为M3D集成中最有前途、最紧凑、最节能的NVM候选者之一。

    美国宾夕法尼亚大学的研究团队利用二硫化钼（MoS2）沟道和铝钪氮（AlScN）铁电材料，通过晶圆级可扩展工艺制备了后端兼容的铁电场效应晶体管（FE-FETs）[1]。在约80nm沟道长度下，实验展示了记忆窗口大于7.8V、开关比大于107、导通电流密度大于250μA/um的超大阵列铁电场效应晶体管，并显示出长达10年的稳定保持力。该研究成果为二维半导体存储器与硅基CMOS逻辑器件的三维异质集成技术开辟了一条新道路。

    [1] Kwan-Ho Kim, Seyong Oh, Merrilyn Mercy Adzo Fiagbenu, et al. Scalable

    CMOS back-end-of-line-compatible AlScN/two-dimensional channel ferroelectric

    field-effect transistors, Nature Nanotechnology, 2023. https://www.nature.com/articles/s41565-023-01399-y



  • 原文来源：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01399-y#citeas
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  • 《美国宾夕法尼亚州立大学帕克分校在二维场效应晶体管的三维集成研究方面取得突破性进展》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：李衍
    • 发布时间：2024-01-22
    • 2024年1月10日，美国宾夕法尼亚州立大学帕克分校研究团队在《自然》上发表了一项研究成果，首次演示了基于大面积生长的二维（2D）材料的晶圆级三维（3D）集成以及三层堆叠三维芯片，为大规模二维器件走向更复杂、高密集和多功能的三维集成电路奠定了基础。 在半导体领域，3D集成不仅能够在单位面积内封装更多器件，实现“扩展摩尔定律”，还能为“超越摩尔定律”引入更多潜在技术。尽管硅基3D集成电路已实现商用，最新的鳍式场效应晶体管（FinFET）技术和全环绕栅极场效应晶体管（Gate-All-Around FET）技术预计将延续“摩尔定律”至2030年，但针对2D材料等新兴纳米材料的3D集成研究仍在初步阶段。3D集成可以提供一个混合异质平台，用于在3D堆栈的不同层上集成基于新兴材料的非计算器件，从而“超越摩尔定律”。 全球知名芯片制造公司，如英特尔（Intel）、台积电公司（TSMC）和超威半导体公司（AMD），都认为3D集成提供了广泛可能性，并已经展示了在封装解决方案方面的进展，如Intel的Foveros、TSMC的3D Fabric和AMD的3D V-Cache等3D封装工艺。与3D封装相比，单片式3D集成可以提高互连密度并降低静电耦合。然而，对于硅基逻辑器件，约450℃的工艺加工温度限制了单片式集成的发展。虽然引入如锗（Ge）和铟镓砷（InGaAs）等高迁移率沟道材料可以补偿性能，但会增加制造复杂性。此外，块材半导体（如体硅）在低于3纳米的沟道厚度下，由于沟道与介电层界面上的电荷载流子散射加剧，不适用于进一步缩放。 为了克服这些挑战，2D半导体、碳纳米管和纳米线等纳米材料被视为有前景的候选材料。其中，2D材料是一类具有独特的物理和化学性质的新兴材料，在许多领域展示出应用前景，不仅被广泛应用于高速、低功耗的晶体管制造，还可用作芯片中的存储介质，并用于制造光电器件和传感器。最近，2D半导体还在晶圆级制备、器件性能和集成策略方面取得了显著进展，并被列入各个行业技术路线图。此外，2D材料与硅基微芯片在3D异质集成方面的最新进展也展示了其在开发多功能处理器方面的潜力。 基于以上研究进展和发展挑战，美国宾夕法尼亚州立大学帕克分校研究人员展示了基于大面积生长的二硫化钼（MoS2）和二硒化钨（WSe2）的多功能2D场效应晶体（FETs）的晶圆级单片式3D集成。该研究主要取得了4方面突破性进展：（1）实现了MoS2 FETs的晶圆级单片式双层3D集成，每层包含超过10，000个场效应晶体管；（2）实现了MoS2 FETs和WSe2 FETs的三层3D集成，第一、二、三层分别包含约800个、800个和450个场效应晶体管；（3）实现了按比例缩放的MoS2 FETs的双层3D集成，每层有200多个场效应晶体管、沟道长度（LCH）?为45?nm；（4）基于MoS2的3D电路功能演示，实现传感和存储等功能。 随着人工智能、物联网等新兴技术的快速发展，对高性能、低功耗芯片的需求日益增加。此外，未来的芯片制造还需要更加注重集成度和功能性的提升，以满足新兴领域的发展需求。2D场效应晶体管的3D集成方法有望促进未来芯片进一步实现小型化和集成化，为后摩尔时代的芯片发展开辟了新思路、提供了新机遇。 论文信息： Darsith Jayachandran, Rahul Pendurthi, Muhtasim Ul Karim Sadaf, et al. Three-dimensional integration of two-dimensional field-effect transistors[J]. Nature,2024, 625:276–281. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06860-5
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  • 《宾夕法尼亚大学开发3D打印超韧钢》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2021-03-08
    • 在不少科幻游戏中，很多坦克、飞机等大型武器只需工厂简简单单就能生产出来，然而现实上这类武器的制造是一个复杂的事情，近期美国宾夕法尼亚大学的研究人员正在研究3D打印高强度合金的方法，用于制造坦克、舰船船体等需要高强度防爆保护的物体。 在国防应用方面，3D打印作为按需制造备件的一种方式显示出了特殊的潜力，这可能对战场上孤立的士兵有利。结果，国防部委托ExOne开发了一个“便携式3D打印工厂”，该工厂能够在世界任何地方生产备件。 同样，美国陆军先前已经购买了Rize One 3D打印机用于按需生产，并采用了MELD Manufacturing技术来维修移动中的军用车辆。但是，可靠性方面的问题继续阻止军方内附加零件的进一步推广，因为它们通常需要证明是防弹的才能使其在最终使用场景中有用。 为了解决这个问题，美国陆军研究实验室（ARL）选择采用机器学习（ML），以更好地了解零件磨损。例如，ARL最近部署了Senvol的ML软件来评估3D打印导弹部件的功效，并且使用类似的模拟，宾夕法尼亚州立大学的工程师现在正在寻求对他们基于合金的方法进行认证，尽管适用于大幅面应用。 显然，坚固的3D打印金属零件在军事屏蔽方面具有巨大潜力，但某些高性能合金可能难以加工。特别是，与常规材料相比，高级钢更容易开裂，并且焊接性低，从而限制了其与国防相关的应用。 为了解决这个问题，Basak现在打算与该项目的首席研究员托德·帕尔默（Todd Palmer）合作，开发一种优化的电焊生产工艺。与粉料喂养的机器相反，工程师们希望采用基于焊丝的方法可以使它们使该过程更具成本效益，同时也减少了材料浪费。 根据Palmer的说法，宾夕法尼亚州立大学处于进行研究的独特位置：“我们围绕AM的垂直整合是宾夕法尼亚州立大学的真正优势，” Palmer说。“我们在实验方面以及材料，数值方法和机器学习方面都有专家。那就是使我们与众不同的地方：我们可以将这些人跨学科汇聚在一起。” 在项目本身期间，团队将设置为使用计算机建模来测试和完善其过程的参数，然后再模拟最终零件的性能。一旦完善，工程师们便着眼于实际评估他们的方法，使用宾州州立大学的机器创建大幅面的测试零件，并生成实验数据，这些数据可能被证明对将来的最终用途军事场景有用。 对于Basak而言，能够使用Penn State丰富的3D打印资源对于证明其方法的有效性至关重要。“在这个项目中，我们正在探索非常大的结构，”巴萨克总结说。“如果我们没有足够大的3D打印机来创建这些打印机，我们将无能为力。但是我们有很多，我们将需要他们全部来成功完成该项目。”
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