三维“高楼式”芯片的突破性制造技术

工程师“培育”出“高楼式”三维芯片

电子行业正接近计算机芯片表面可容纳晶体管数量的极限。因此，芯片制造商正在寻求向上而非向外发展。

行业的目标不再是努力将更小的晶体管挤压到单一表面上，而是堆叠多层晶体管和半导体元件——类似于将平房变为高楼。这种多层芯片可以处理比当今电子产品指数级更多的数据，并执行更复杂的功能。

然而，一个重大障碍是芯片的构建平台。目前，厚重的硅晶圆作为主要支架，用于生长高质量的单晶半导体元件。任何可堆叠芯片都必须在每一层中包含厚厚的硅“地板”，这会减慢功能半导体层之间的任何通信。

现在，某机构的工程师找到了绕过这一障碍的方法，他们设计出一种多层芯片，无需任何硅晶圆衬底，并且其工作温度足够低，可以保护底层电路的完整性。

在一项发表于《自然》期刊的研究中，该团队报告了使用这种新方法制造出一种多层芯片，其交替的高质量半导体材料层直接生长在彼此的顶部。

该方法使工程师能够在任何随机的晶体表面上构建高性能晶体管、存储器和逻辑元件——而不仅仅是在硅晶圆的笨重晶体支架上。研究人员表示，没有了这些厚厚的硅衬底，多个半导体层可以更直接地接触，从而实现层间更好更快的通信和计算。

研究人员设想，这种方法可用于构建人工智能硬件，即用于笔记本电脑或可穿戴设备的堆叠芯片，其速度和性能可与当今的超级计算机相媲美，并能够存储与物理数据中心相当的海量数据。

该研究的作者表示：“这一突破为半导体行业开辟了巨大潜力，使芯片堆叠摆脱了传统限制。这可能会为人工智能、逻辑和存储应用带来计算能力的数量级提升。”

种子“口袋”

2023年，该团队报告开发出一种在非晶表面上生长高质量半导体材料的方法，类似于成品芯片上半导体电路的多样形貌。他们生长的材料是一种称为过渡金属二硫属化合物（TMDs）的二维材料，被认为是制造更小、更高性能晶体管的有前途的硅材料继任者。这种二维材料即使在单个原子尺度也能保持其半导体特性，而硅的性能则会急剧下降。

在他们之前的工作中，该团队在带有非晶涂层的硅晶圆上以及现有的TMDs上生长了TMDs。为了促使原子排列成高质量的单晶形式，而不是随机的多晶无序状态，研究人员首先在硅晶圆上覆盖一层极薄的二氧化硅“掩膜”，并在其上刻画出微小的开口或“口袋”。然后，他们将原子气体流过掩膜，发现原子会作为“种子”沉积在口袋中。这些口袋限制种子以规则的单晶模式生长。

但当时，该方法仅在约900摄氏度下有效。

“你必须将这种单晶材料的生长温度控制在400摄氏度以下，否则底层电路会被完全‘烤熟’并损坏，”研究人员解释道。“因此，我们的任务是必须在低于400摄氏度的温度下完成类似的技术。如果成功，其影响将是巨大的。”

向上构建

在这项新工作中，研究人员希望调整他们的方法，以便在低至足以保护任何底层电路的温度下生长单晶二维材料。他们在冶金学中找到了一个令人惊讶的简单解决方案。当冶金学家将熔融金属倒入模具时，液体会缓慢地“成核”，形成晶粒，这些晶粒生长并合并成规则图案的晶体，最终硬化成固体形态。冶金学家发现，这种成核最易发生在倒入液态金属的模具边缘。

“已知在边缘成核需要的能量——和热量——更少，”研究人员说。“因此，我们借鉴了冶金学的这一概念，将其用于未来的人工智能硬件。”

该团队希望在已经制造有晶体管电路的硅晶圆上生长单晶TMDs。他们首先像以前的工作一样，用二氧化硅掩膜覆盖电路。然后，他们在每个掩膜口袋的边缘沉积了TMD“种子”，并发现这些边缘种子在低至380摄氏度的温度下就能生长成单晶材料。相比之下，在远离口袋边缘的中心处开始生长的种子，需要更高的温度才能形成单晶材料。

更进一步，研究人员使用这种新方法制造了一个多层芯片，该芯片交替堆叠了两种不同的TMD材料——二硫化钼（一种有前景的n型晶体管制造候选材料）和二硒化钨（一种有潜力制成p型晶体管的材料）。p型和n型晶体管都是执行任何逻辑操作的电子基础构建块。该团队能够使这两种材料都以单晶形式直接生长在彼此之上，而不需要任何中间的硅晶圆。研究人员表示，该方法将有效使芯片半导体元件（特别是现代逻辑电路的基本构建块——金属氧化物半导体）的密度加倍。

“通过我们的技术实现的产品不仅是三维逻辑芯片，还包括三维存储器及其组合，”研究人员解释道。“利用我们基于生长的单片三维方法，你可以直接在上面生长数十到数百层逻辑和存储层，并且它们能够很好地通信。”

“传统的三维芯片在层与层之间有硅晶圆，通过晶圆钻孔进行连接——这一过程限制了堆叠层数、垂直对准精度和良率，”该研究的第一作者补充道。“我们基于生长的方法一次性解决了所有这些问题。”

为了进一步商业化其可堆叠芯片设计，研究人员最近分离出了一家公司。

“迄今为止，我们展示了小规模器件阵列的概念，”研究人员说。“下一步是扩大规模，以展示专业的人工智能芯片操作。”

这项研究得到了某研究机构和某科研办公室的部分支持。