登录
 机构网站
  1. 首页
  2. 情报产品
  3. 快讯详情

《美国麻省理工学院等研发出无缝堆叠晶体管技术制造单片三维集成芯片》

  • 来源专题：集成电路与量子信息
  • 发布时间：2025-01-27

  • 对电子元件三维（3D）集成的需求正在稳步增长。尽管存在巨大的加工挑战，但硅通孔（TSV）技术成为3D集成单晶器件组件的唯一可行方法。尽管单片3D（M3D）集成方案显示出发展前景，但没有中间晶圆的单晶半导体无缝连接尚未得到证实。这一挑战源于在低温下进行生产线后端工艺后，在非晶或多晶表面上生长单晶保护底层电路存在很大困难。因此，单晶M3D的实用生长解决方案仍未见报道。

    近期，由美国麻省理工学院、韩国三星先进技术学院、韩国成均馆大学和美国德克萨斯大学达拉斯分校研究人员组成的团队，设计了一种多层芯片，这种芯片不需要任何硅晶圆衬底，并且能在足够低的温度下、在非晶和多晶表面生长单晶沟道材料实现3D集成，以保留底层电路[1]。

    通过充分利用该新生长技术，研究团队展示了基于单晶过渡金属二硫化物（TMD）的无缝单片集成CMOS，也称为互补FET（CFET）或3D堆叠FET（3DS FET），在基于WSe2的pMOS上成功生长单晶MoS2 n型沟道而不会造成损坏，为M3D以单晶形式集成各种电子硬件提供了发展机会。

    研究团队将两种不同的过渡金属二硫化物（TMD）层二硫化钼和二硒化钨直接交替堆叠，允许高性能晶体管、内存以及逻辑元件可以在任何随机晶体表面上构建，可成倍增加芯片上的晶体管数量，不需要任何硅晶圆衬底，从而实现更好、更快的层间通信和计算。


    [1] Ki Seok Kim, Seunghwan Seo, Junyoung Kwon, et al. Growth-based monolithic 3D integration of single-crystal 2D semiconductors [J]. Nature, 2024, 636:615–621. https://www.nature.com/articles/s41586-024-08236-9



  • 原文来源：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08236-9
90浏览量
原文链接
相关报告

  • 《美国麻省理工学院成功在硅基芯片上快速有效集成二硫化钼的原子级薄晶体管》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：李衍
    • 发布时间：2023-06-13
    • MIT News 4月27日报道，美国麻省理工学院的一个跨学科团队开发出一种低温生长工艺，可直接在硅芯片上有效且高效地“生长”二维（2D）过渡金属二硫化物（TMD）材料层，以实现更密集的集成。这项技术绕过了之前与高温和材料传输缺陷相关的问题，缩短了生长时间，并允许在较大的8英寸晶圆上形成均匀的层，这使其成为商业应用的理想选择。这项技术可能会让芯片密度更高、功能更强大。用二维原子级材料，可以制造出更小，更复杂、耗电更低、速度更快的芯片，将为计算机、智能手机、物联网等领域发展提供强力支持，也能给人工智能、量子计算等领域提供更多新的可能性。 让二维材料直接在硅片上生长是一个重大挑战，因为这一过程通常需要大约600℃的高温，而硅晶体管和电路在加热到400℃以上时可能会损坏。新开发的低温生长过程则不会损坏芯片。过去，研究人员在其他地方培育2D材料后，再将它们转移到芯片或晶片上。这往往会导致缺陷，影响最终器件和电路的性能。此外，在晶片规模上顺利转移材料也极其困难。相比之下，这种新工艺可在8英寸晶片上生长出一层光滑、高度均匀的层。这项新技术还能显著减少“种植”这些材料所需的时间。以前的方法需要一天多的时间才能生长出一层2D材料，而新方法可在不到一小时内在8英寸晶片上生长出均匀的TMD材料层。 该研究收到TSMC University Shuttle 项目支持，研究成果以题名“Low-thermal-budget synthesis of monolayer molybdenum disulfide for silicon back-end-of-line integration on a 200?mm platform”发表在《Nature Nanotechnology》期刊上。 论文信息：Jiadi Zhu, Ji-Hoon Park, Steven A. Vitale, Wenjun Ge, Gang Seob Jung, Jiangtao Wang, Mohamed Mohamed, Tianyi Zhang, Maitreyi Ashok, Mantian Xue, Xudong Zheng, Zhien Wang, Jonas Hansryd, Anantha P. Chandrakasan, Jing Kong, Tomás Palacios. Low-thermal-budget synthesis of monolayer molybdenum disulfide for silicon back-end-of-line integration on a 200?mm platform. Nature Nanotechnology, 2023，https://www.nature.com/articles/s41565-023-01375-6 信息参考链接：http://www.kepu.gov.cn/www/article/dtxw/6a014124344745c5b015042947d306cc https://news.mit.edu/2023/mit-engineers-2d-materials-computer-chips-0427 https://www.eecs.mit.edu/mit-engineers-grow-atomically-thin-transistors-on-top-of-computer-chips/
    238浏览量
    原文链接

  • 《光刻机将成为历史？麻省理工华裔研制出原子级别芯片技术》
    • 来源专题：智能制造
    • 编译者：icad
    • 发布时间：2023-06-13
    •   过去，在摩尔定律的驱动下，晶圆厂一直在紧追先进工艺，这场决赛的最后仅剩台积电、三星和英特尔这几家。   制程工艺的先进程度，也成为了全球晶圆代工领域的排名依据。目前，几位晶圆代工巨头在3nm、2nm竞相追赶。其中，台积电率先于去年宣布量产3nm芯片，并在近日透露已开启2nm芯片试产前期工作，目标今年试产近千片。   近日，三星半导体也宣布在其位于韩国的华城工厂开始量产全球最先进的3nm制程工艺，引起了业界的广泛关注。   就在众大厂还在集中精力攻克3nm、2nm制程之时， 一位27岁的华人将美国的芯片制造工艺突破到极限“ 1nm ”，并称未来可能不再依赖EUV光刻机，打破了世界难题。   华裔研究生，率队突破芯片制程极限   近日，麻省理工学院（MIT）电气工程与计算机科学系的华裔研究生 朱佳迪 （Jiadi Zhu），在Nature Nanotechnology发布的一篇论文，引起科技界轰动。   朱佳迪带领团队成功研制出原子级别厚度的芯片技术，这被认为是芯片行业又一个重要的技术突破。   朱家迪的研究， 突破了常温条件下由二维（2D）材料制造成功的原子晶体管，每个晶体管只有3个原子的厚度，堆叠起来制成的芯片工艺将轻松突破1nm。 甚至美媒喊出：这是属于美国的荣耀！  朱佳迪拿着一块8英寸的二硫化钼薄膜CMOS晶圆   更值得关注的是，朱佳迪带队研发的1nm芯片未来可能不再依赖EUV光刻机 ，这对于业界来说，才是重中之重。正如任正非所说：华为可以设计出世界上最先进的芯片，但是造不出世界上最先进的芯片。其原因就是缺少最先进的光刻机，而世界顶级的光刻机被荷兰阿斯麦给把控。   目前的半导体芯片都是在晶圆上通过光刻/蚀刻等工艺加工出来的三维立体结构，所以堆叠多层晶体管以实现更密集的集成是非常困难的 。而且，现在先进制程工艺的发展似乎也在1~3nm这里出现了瓶颈，所以不少人都认为摩尔定律到头了。 但是由超薄2D材料制成的半导体晶体管，单个只有3个原子的厚度，可以大量堆叠起来制造更强大的芯片。   正因如此，朱佳迪及其团队研发并展示了一种新技术 ，可以直接在硅芯片上有效地生成二维过渡金属二硫化物 (TMD) 材料层，以实现更密集的集成。   但是，直接将2D材料生成到硅CMOS晶圆上有一个问题，就是这个过程通常需要约600摄氏度的高温，但硅晶体管和电路在加热到400摄氏度以上时可能会损坏。   而 朱佳迪等人开发出了一种不会损坏芯片的低温生成工艺，可直接将2D半导体晶体管集成在标准硅电路之上。   此外，新技术还有两个优势： 拥有更好的工艺+减少生成时间。   之前研究人员是先在其他地方生成2D材料，然后将它们转移到晶圆上，但这种方式通常会导致缺陷，进而影响设备和电路的性能，而且在转移2D材料时也非常困难。   相比之下， 这种新工艺会直接在整个8英寸晶圆上生成出光滑、高度均匀的材料层。   其次就是能够显著减少生成2D材料所需的时间。 以前的方法需要超过一天的时间来生成2D材料，新方法则将其缩短到了一小时内。   “使用二维材料是提高集成电路密度的有效方法。我们正在做的就像建造一座多层建筑。如果你只有一层，这是传统的情况，它不会容纳很多人。但是随着楼层的增加，大楼将容纳更多的人，从而可以实现惊人的新事物。”   朱佳迪在论文中这样解释，“由于我们正在研究的异质集成，我们将硅作为第一层，然后我们可以将多层2D材料直接集成在上面。”   该技术不需要光刻机就可以使芯片轻松突破 1nm 工艺，也能大幅降低半导体芯片的成本， 如果现阶段的光刻机技术无法突破 1nm 工艺的话，那么这种新技术将从光刻机手中拿走接力棒，届时光刻机也将走进历史。   业界呼吁：加强对半导体人才的重视   据了解，朱佳迪于2015年入读北京大学微电子专业，2019年本科毕业后，进入麻省理工学院电气工程计算机科学系攻读博士学位，为异构集成和3D IC研究组成员，研究重点是将新兴的低维材料设备与设计技术协同优化 (DTCO) 方法相结合。   朱佳迪的研究成果，对于芯片行业来说无疑是一项重大突破。与此同时，国内业界人士也纷纷感叹，又一位优秀的华人为美国所用。   事实上，半导体行业向来不乏华人的身影。我们最为熟悉的 英伟达CEO黄仁勋 ，便是一个典型代表。   黄仁勋于1963年2月17在中国台湾省台北市出生，祖籍浙江省青田县。1993年黄仁勋创立英伟达，经过30年，英伟达市值突破万亿美元，创造了历史。与此同时，黄仁勋身价也暴涨，突破330亿美元，成为今年彭博亿万富豪榜上财富增值最快的人，同时也是单日财富增加幅度最大的一位。   此外， AMD CEO苏姿丰、台积电创始人张忠谋、帮助光刻机厂商ASML坐上光刻机老大位置的林本坚等等都是华人。   中微半导体创始人尹志尧，也是硅谷芯片大神。他曾总结称，华人对美国集成电路历史的发展做出了巨大贡献。在创办中微半导体发展国产刻蚀机之前，尹志尧曾在硅谷有一段工作经历。 他表示英特尔某些研究题库组组长，经理绝大部分是华人，工艺集成部门最能干的几位工程师多数也是华人。   因此，尹志尧、任正非都曾呼吁国内要对人才加强重视。任正非曾说：“要让中国的鸡回中国下蛋。”因此，华为对待人才也从不吝啬，“天才少年”计划就是其吸引顶尖人才、重视人才的一项重要举措。   目前，我国半导体行业高端人才仍然存在较大缺口，若相关企业、科研机构能加强对这方面的重视，加大人才吸引力度，相信会有越来越多的人才回归祖国，为中国半导体突破“卡脖子”难题做出贡献。
    391浏览量
    原文链接