三維集成是通過在垂直方向上將多個(gè)獨(dú)立的芯片或功能層堆疊在一起的器件系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯、存儲和傳感等功能的垂直集成和協(xié)同工作，是后摩爾時(shí)代的重要技術(shù)路線。

目前，商用的三維集成主要是通過封裝技術(shù)將多芯片或者多芯粒垂直堆疊和互聯(lián)。單芯片三維集成則是直接在同一芯片內(nèi)部垂直集成多個(gè)器件層。通過將每一器件層直接制備在另一器件層之上，能夠進(jìn)一步提高芯片的互聯(lián)密度和性能。然而，硅基單芯片三維集成面臨著嚴(yán)重的熱預(yù)算問題，其上層的硅溝道制備工藝會(huì)導(dǎo)致下層硅器件摻雜擴(kuò)散和性能退化，限制了三維集成的發(fā)展。

針對這一挑戰(zhàn)，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院教授劉淵科研團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種低溫的范德華單芯片三維集成工藝。在該工藝中，源/漏/柵電極、層內(nèi)互連金屬、高κ柵介電質(zhì)、低κ層間介電層和層間垂直通孔等電路功能層首先預(yù)制備在犧牲晶圓上，之后在120 °C的低溫下范德華集成到半導(dǎo)體晶圓上。

通過逐層集成范德華預(yù)制備電路層和半導(dǎo)體層，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了10層的全范德華單芯片三維系統(tǒng)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)范德華集成工藝不會(huì)對底部的硫化鉬晶體管電學(xué)性能產(chǎn)生影響，能夠保證晶體管的本征性能。進(jìn)一步集成不同功能的電路層，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了邏輯、傳感和存儲互聯(lián)的三維異質(zhì)集成和協(xié)同工作。該研究為單芯片三維集成系統(tǒng)提供了一條低能量路徑。

5月22日，該研究成果在線發(fā)表于《自然》雜志，湖南大學(xué)為獨(dú)立完成單位，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院博士生陸冬林為第一作者，劉淵為唯一通訊作者。

該研究得到了來自國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。