二维材料异质M3D集成：提高互连密度与性能！

【研究背景】

三维（M3D）集成是指将功能多样的电子器件层按顺序堆叠在同一晶圆上，以提高晶体管密度和芯片功能，因其在高性能计算、传感器集成等领域的应用潜力而备受关注。与传统的通硅通孔（TSV）技术相比，M3D集成具有更高的互连密度和更低的延迟等优点。然而，现有的M3D集成技术多集中于硅材料，缺乏对非硅材料的广泛应用，尤其是在大面积集成方面。因此，如何实现基于非硅材料的M3D集成成为了一个重要的研究挑战。

近日，来自，宾夕法尼亚州立大学的Saptarshi Das及其课题组的研究团队在二维材料的异质M3D集成方面取得了新进展。该团队设计并制备了一种基于石墨烯和二硫化钼（MoS₂）材料的M3D堆叠结构，实现了超过62,500 I/O/mm²的互连密度。这一新型堆叠结构中，第二层集成了石墨烯基化学传感器，第一层则集成了MoS₂基记忆晶体管，每层均包含超过500个设备。这种设计大幅度缩小了传感器与计算元件之间的物理距离，降低至50纳米，从而有效减少了近传感器计算中的延迟。

利用这一创新的M3D集成工艺，研究人员成功地在低于200°C的温度下制造出整个堆叠，确保了与标准后道（BEOL）工艺的兼容性。通过实现高密度的互连和功能多样的集成，该研究显著提高了器件性能，成功获得了优秀的电气特性。这些成果为非硅材料在M3D集成中的应用开辟了新的方向，为高性能电子器件的开发奠定了基础，具有广阔的应用前景。

【表征解读】

本文通过多种表征手段，深入研究了单层MoS₂和石墨烯基化学晶体管及其在3D集成电路中的应用。首先，采用场发射扫描电子显微镜（SEM）对2D MoS₂晶体管的形貌进行观察，揭示了其均匀性和结构特征。通过高分辨透射电子显微镜（TEM），作者进一步分析了MoS₂薄膜的微观结构，发现其层数及晶体质量均满足单层的标准。这些结果为后续的器件性能评估提供了坚实的基础。

针对MoS₂薄膜的生长过程，本文采用原子力显微镜（AFM）表征了其表面形态、覆盖率和厚度，结果显示所制备的MoS₂层厚度均匀且稳定。通过拉曼光谱分析，作者对MoS₂和石墨烯材料的质量和结晶性进行了评估，发现其拉曼特征峰的强度比以及峰位与理论值相符，进一步证实了材料的优良特性。

在电气特性测试方面，利用半自动化的探针站对所制备器件进行了电性能测量。结果表明，基于MoS₂的器件在光照条件下展现出优越的响应速度和灵敏度。这一发现不仅揭示了MoS₂在光电应用中的潜力，也为今后器件的优化设计提供了指导。

在微观机理方面，本文通过扫描透射电子显微镜（STEM）和能谱（EDS）分析了3D集成结构中的元素分布，深入理解了材料的相互作用及其在电性能上的贡献。结合这些表征手段，作者进一步挖掘了MoS₂和石墨烯在异质集成中的协同效应，为实现高性能的3D集成电路奠定了理论基础。

总之，经过以上多种表征技术的综合应用，本文深入分析了单层MoS₂和石墨烯基器件的特性，进而制备出新型的3D异质集成材料。该研究不仅推动了新材料的发展，也为下一代高效能电子设备的设计与应用提供了重要的技术支持。作者的工作展示了低温制备和高密度互连结构的优势，为未来的集成电路技术发展提供了新的方向。

【图文速递】

图1：二维材料的表征和M3D集成的制造过程流程。

图2：单体和异构3D集成电路（ICs）。

图3：一级的MoS2记忆晶体管的表征。

图4：石墨烯化学晶体管的电气特性表征。

图5：使用M3D集成电路的近传感器计算。

【结论展望】

本文的研究揭示了单层MoS₂与石墨烯在3D异质集成电路中的协同效应，为新型电子器件的设计提供了重要的科学价值。首先，低温制备技术的应用展示了材料在集成电路中的兼容性，降低了对基材的热影响，开辟了更广泛的材料选择范围。其次，通过高密度互连结构的设计，显著提高了传输效率和带宽，为解决当前3D封装技术面临的延迟和带宽瓶颈提供了有效的解决方案。此外，结合多种表征手段，深入理解了材料的微观机制及其在器件性能中的影响。这一系列发现不仅推动了石墨烯和MoS₂在柔性电子和光电器件中的应用，也为未来材料科学研究提供了新的视角。

文献信息：Ghosh, S., Zheng, Y., Zhang, Z. et al. Monolithic and heterogeneous three-dimensional integration of two-dimensional materials with high-density vias. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01251-8