随着三维（3D）集成成为关键的创新驱动力，半导体行业正经历一场前所未有的技术变革。通过整合模拟、射频（RF）、传感器、存储器件以及数字组件等多种技术，3D 集成正在全面重塑芯片功能和性能的设计理念。

图 1. 单片三维 (M3D) 堆叠结构示意图： M3D 堆叠结构，其中第二层包含基于石墨烯化学晶体管的化学传感器，与第一层的基于 MoS₂ 存储晶体管的比较器相连接，用于近传感计算应用。

长期以来，硅通孔（TSV）堆叠技术在3D集成领域占据主导地位，推动了诸如3D堆叠CMOS图像传感器、闪存以及动态随机存取存储器（DRAM）等技术的商业化。TSV技术可以实现高达10,000 I/O 每平方毫米的互连密度。然而，进一步突破这一性能瓶颈的关键在于单片3D集成（M3D）。这种技术通过实现更精细的互连间距、晶体管级的异质整合以及功能扩展，引入了超越传统硅材料的新型解决方案。

在一项具有里程碑意义的研究中，研究人员采用二维（2D）材料——石墨烯和单层二硫化钼（MoS₂），成功实现了 M3D 集成。这种创新性设计实现了 40,000 I/O 每平方毫米的前所未有的互连密度，每层堆叠中集成超过500个器件。此外，该研究中采用的低温制造工艺使工艺温度保持在200°C 以下，从而与混合 2D/硅技术的后端（BEOL）集成高度兼容。

图 2. 二维 (2D) 材料的表征及单片三维 (3D) 集成制造流程：(a) 使用金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 方法生长于 2 英寸蓝宝石晶圆上的单层 MoS₂ 光学图像。(b) 对应的拉曼光谱，特征峰：平面振动模式E2gE_{2g}位于 387 cm−1^{-1}，垂直振动模式A1gA_{1g}位于 404 cm−1^{-1}。(c) 商购单层石墨烯薄膜（基于铜衬底）的光学图像。(d) 使用 532 nm 激光获得的石墨烯薄膜拉曼光谱，所展现其特征峰。(e) 单片和异质 3D 集成制造流程，包括单层 MoS₂ 和基于石墨烯的器件的关键工艺步骤。该图全面展示了 2D 材料的特性分析及其在单片 3D 集成中器件制造的关键流程，直观地呈现了工艺细节与材料特性。

该M3D堆栈的设计亮点在于其功能分层结构：上层集成了基于石墨烯的化学传感器，下层则包括基于MoS₂存储晶体管的可编程电路，专为近传感器计算应用而设计。值得注意的是，本研究在传感器与计算元件之间实现了不到100纳米的物理距离，远远优于现有最先进封装技术的能力。这种超紧密的集成显著减少了计算延迟，同时极大提升了带宽，为下代边缘计算应用（如医疗、环境监测和智能基础设施）提供了技术支撑。

图 3. 单片及异质三维 (3D) 集成电路 (IC)：(a) 单层MoS₂和石墨烯构成的两层单片 3D 集成电路（M3D）的高密度单元阵列的光学图像。(b) 扫描电子显微镜 (SEM) 的放大图，展示阵列中每个单元包含四个器件（上层为两个石墨烯化学晶体管，下层为两个 MoS₂ 存储晶体管）。(c) 使用高角环形暗场 (HAADF) 模式扫描透射电子显微镜 (STEM) 在 (b) 中红色虚线标记位置拍摄的拼接截面图；(d) 该截面图的放大细节图。(e) 进一步放大的区域及能量色散 X 射线光谱 (EDS) 元素映射，展示了基于石墨烯化学晶体管的化学传感器堆叠在基于 MoS₂ 存储晶体管的比较器电路之上。(f) 展示两层之间的互联通孔 (inter-tier via)。该图形象地展示了单片 3D 集成的微观结构特征，揭示了多层异质材料及器件的集成细节，为理解其内部结构与性能提供了重要依据。

研究团队选择石墨烯和MoS₂的原因在于这两种材料具有高度互补的特性。石墨烯以其优异的载流子迁移率和化学惰性在气体、生物分子以及其他化学物质检测中表现出色。而MoS₂晶体管则在先进技术节点下展现了卓越的性能，并在神经形态计算和类脑计算等领域展现出广阔的应用潜力。这两种材料的结合，不仅在垂直堆栈中实现了传感、计算和存储功能的有机整合，也为 3D 集成电路的功能扩展开辟了新途径。

尽管之前已有研究探索了将2D材料与硅微芯片进行M3D集成的可能性，但本研究的独特之处在于，首次将多种类型的2D材料整合到单一M3D堆栈中。研究结果标志着半导体领域的一次重要突破，表明通过垂直堆叠异质材料层，可以突破传统硅技术的限制，在芯片性能与功能多样性方面实现质的飞跃。这一技术革新为未来多功能、高性能芯片的发展提供了全新思路和实现路径。

来源：光跬科技