研究背景
三維（3D）電子組件集成的需求正在穩(wěn)步增加。盡管面臨巨大的加工挑戰(zhàn)，穿硅孔（TSV）技術(shù)仍然是唯一可行的單晶器件組件3D集成方法。盡管單體3D（M3D）集成方案展現(xiàn)出一定的前景，但尚未展示出單晶半導(dǎo)體在沒有中間晶圓的情況下無縫連接的技術(shù)。這一挑戰(zhàn)源于在低溫下，在完成后端工藝后，如何在非晶或多晶表面上生長單晶以保持底層電路的完整性。因此，基于生長的單晶M3D集成的實際解決方案仍然未知。
在此，麻省理工學(xué)院Jeehwan Kim, 三星先進技術(shù)研究所Minsu Seol，Sang Won Kim以及成均館大學(xué)Jin-Hong Park教授合作在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Growth-based monolithic 3D integration of single-crystal 2D semiconductors”的最新論文。作者提出了一種在低溫下生長單晶通道材料的方法，特別是由過渡金屬二硫化物組成，這些材料能夠在非晶和多晶表面上生長，并能保持底層電子組件的完整性。
在這一技術(shù)的基礎(chǔ)上，作者展示了垂直單晶邏輯晶體管陣列的無縫單體集成。這一成果促成了前所未有的垂直互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）陣列的開發(fā)，該陣列由生長的單晶通道組成。最終，這一成就為各種電子硬件的單晶M3D集成提供了機會。
研究亮點
1）實驗首次在低于400°C的溫度下實現(xiàn)了單晶過渡金屬二硫化物（TMDs）材料的生長，成功在非晶和多晶表面上生長單晶通道材料，避免了高溫對底層電路的損傷。
2）實驗通過在受限區(qū)域內(nèi)進行選擇性生長，利用邊緣和角落的異質(zhì)成核位點，成功生長了單晶MoS2和WSe2材料。這一技術(shù)使得單晶材料在低溫下的生長得以實現(xiàn)，比傳統(tǒng)的700°C至900°C的生長溫度低了約50%。
3）通過該技術(shù)，研究人員成功展示了無縫的單晶M3D集成，完成了垂直單晶邏輯晶體管陣列的集成，并構(gòu)建了垂直互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）陣列。這些陣列由生長的單晶通道組成，展示了M3D集成的巨大潛力。
4）通過生長的單晶垂直CMOS，研究人員顯著提高了集成電路的性能，實現(xiàn)了更高效的集成，并展示了更小的性能波動，特別是在pMOS和nMOS晶體管的Ion/Wch性能差異分別為16.95%和12.86%。
圖文解讀
圖1：3D集成進展示意圖
圖2：單晶TMDs的低溫生長
圖3：無縫M3D集成
圖4：M3D集成的垂直CMOS和邏輯電路
總結(jié)展望
本文提出了一種方法，通過在低于400°C的溫度下生長單晶半導(dǎo)體，將其置于非晶或多晶中間層之間。該技術(shù)實現(xiàn)了nMOS和pMOS的無縫垂直集成，成功構(gòu)建了垂直逆變器。該方法有望大幅縮短互連距離，從而減少RC延遲，并在給定的晶圓空間內(nèi)實現(xiàn)晶體管密度的翻倍。作者相信，這種無縫M3D方法的特點可以被有效應(yīng)用于現(xiàn)代電子和光電子組件的3D結(jié)構(gòu)構(gòu)建。然而，為了實現(xiàn)高性能基于二維材料的CMOS M3D集成，還需要進一步發(fā)展低溫替代摻雜工藝（低于400°C）。未來，全面利用作者的異質(zhì)成核策略，也可能實現(xiàn)摻雜TMDs的低溫生長。
原文詳情：
Kim, K.S., Seo, S., Kwon, J. et al. Growth-based monolithic 3D integration of single-crystal 2D semiconductors. Nature 636, 615–621 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08236-9
