研究人员如今能够制造出一种3D芯片，其中交替的半导体材料层直接生长在彼此之上。该方法去除了层间的厚硅衬底，从而实现更好、更快的计算，适用于更高效的AI硬件等应用。
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电子行业正逼近在计算机芯片表面所能容纳的晶体管数量的极限。因此，芯片制造商开始寻求向上而非向外扩展。
行业的目标不是将越来越小的晶体管挤压到单一表面上，而是堆叠多个晶体管和半导体元件层——类似于将平房改造成高层建筑。这种多层芯片相比当今的电子产品，能够处理指数级增长的数据并执行更多复杂功能。
然而，一个重大障碍是芯片构建的平台。目前，笨重的硅晶圆是生长高质量单晶半导体元件的主要骨架。任何可堆叠芯片的每一层都必须包含厚硅“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，采用了一种无需任何硅晶圆衬底的多层芯片设计，并且能在足够低的温度下工作，以保护底层电路。
在一项发表在《自然》期刊的研究中，该团队报告利用新方法制造了一种多层芯片，其中高质量半导体材料交替层直接生长在彼此之上。
该方法使工程师能够在任意随机晶体表面上构建高性能晶体管、存储器及逻辑元件，而不仅仅是在硅晶圆的 bulky 晶体骨架上。研究人员表示，没有了这些厚硅衬底，多个半导体层可以更直接地接触，从而实现层间更好、更快的通信与计算。
研究人员设想，该方法可用于构建AI硬件，例如用于笔记本电脑或可穿戴设备的堆叠芯片，其速度和能力可与当今的超级计算机相媲美，并能存储与物理数据中心相当的海量数据。
“这一突破为半导体行业带来了巨大潜力，允许芯片在没有传统限制的情况下进行堆叠，”研究作者表示。“这可能导致AI、逻辑和存储器应用的计算能力实现数量级的提升。”
种子口袋
2023年，该研究团队报告开发出一种方法，可在非晶表面（类似于成品芯片上半导体电路的多样化形貌）上生长高质量的半导体材料。他们所生长的材料是一种名为过渡金属二硫化物的二维材料，被认为是制造更小、高性能晶体管的有前途的硅替代品。这种二维材料即使在仅单原子大小的尺度上也能保持其半导体特性，而硅的性能会急剧下降。
在之前的工作中，该团队在带有非晶涂层的硅晶圆上以及在现有过渡金属二硫化物材料上生长了过渡金属二硫化物。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，研究人员首先在硅晶圆上覆盖一层非常薄的二氧化硅薄膜或“掩模”，并在掩模上刻出微小开口或口袋。然后，他们将原子气体流过掩模，发现原子沉降到口袋中作为“种子”。口袋限制种子以规则的、单晶的模式生长。
但当时，该方法仅在约900摄氏度下有效。
“你必须在400摄氏度以下生长这种单晶材料，否则底层电路会被完全破坏，”作者说。“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。如果我们能做到，影响将是巨大的。”
向上构建
在新工作中，研究人员着手微调他们的方法，以便在足够低以保护任何底层电路的温度下生长单晶二维材料。他们从冶金学——金属生产的科学与工艺——中找到了一个出奇简单的解决方案。当冶金学家将熔融金属倒入模具时，液体缓慢“成核”，形成晶粒并生长合并成规则图案的晶体，最终硬化成固体。冶金学家发现，这种成核最容易发生在倒入液态金属的模具边缘。
“众所周知，在边缘成核需要更少的能量和热量，”作者说。“因此，我们借用冶金学的这一概念，用于未来的AI硬件。”
该团队试图在已经制造了晶体管电路的硅晶圆上生长单晶过渡金属二硫化物。研究人员首先用二氧化硅掩模覆盖电路，就像之前的工作一样。然后，他们在每个掩模口袋的边缘沉积了过渡金属二硫化物“种子”，发现这些边缘种子在低至380摄氏度的温度下就生长成单晶材料，而在每个口袋中心（远离边缘）开始生长的种子则需要更高的温度才能形成单晶材料。
更进一步，研究人员利用新方法制造了一种多层芯片，其中交替排列两种不同的过渡金属二硫化物——二硫化钼（一种有望用于制造n型晶体管的有前途的材料）和二硒化钨（一种有潜力用于制造p型晶体管的材料）。p型和n型晶体管都是执行任何逻辑运算的电子构建模块。该团队能够以单晶形式将这两种材料直接生长在彼此之上，无需任何中间硅晶圆。作者表示，该方法将有效地使芯片半导体元件（尤其是金属氧化物半导体，现代逻辑电路的基本构建块）的密度翻倍。
“通过我们的技术实现的产品不仅是3D逻辑芯片，还包括3D存储器及其组合，”作者说。“通过我们这种基于生长的单片3D方法，你可以直接在彼此之上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。”
第一作者补充道：“传统的3D芯片是通过在硅晶圆之间钻孔来制造的，这一过程限制了堆叠层数、垂直对准分辨率和良率。我们的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，作者最近成立了一家公司。
“到目前为止，我们只是在小规模器件阵列上展示了一个概念，”他说。“下一步是扩大规模，以展示专业的AI芯片操作。”
本研究部分得到某先进技术研究所和某科学研究办公室的支持。FINISHED
