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隨著三維（3D）集成成為關鍵的創新驅動力，半導體行業正經歷一場前所未有的技術變革。通過整合模擬、射頻（RF）、傳感器、存儲器件以及數字組件等多種技術，3D 集成正在全面重塑芯片功能和性能的設計理念。

圖 1. 單片三維 (M3D) 堆疊結構示意圖： M3D 堆疊結構，其中第二層包含基于石墨烯化學晶體管的化學傳感器，與第一層的基于 MoS? 存儲晶體管的比較器相連接，用于近傳感計算應用。

長期以來，硅通孔（TSV）堆疊技術在3D集成領域占據主導地位，推動了諸如3D堆疊CMOS圖像傳感器、閃存以及動態隨機存取存儲器（DRAM）等技術的商業化。TSV技術可以實現高達10,000 I/O 每平方毫米的互連密度。然而，進一步突破這一性能瓶頸的關鍵在于單片3D集成（M3D）。這種技術通過實現更精細的互連間距、晶體管級的異質整合以及功能擴展，引入了超越傳統硅材料的新型解決方案。

在一項具有里程碑意義的研究中，研究人員采用二維（2D）材料——石墨烯和單層二硫化鉬（MoS?），成功實現了 M3D 集成。這種創新性設計實現了 40,000 I/O 每平方毫米的前所未有的互連密度，每層堆疊中集成超過500個器件。此外，該研究中采用的低溫制造工藝使工藝溫度保持在200°C 以下，從而與混合 2D/硅技術的后端（BEOL）集成高度兼容。

圖 2. 二維 (2D) 材料的表征及單片三維 (3D) 集成制造流程：(a) 使用金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD) 方法生長于 2 英寸藍寶石晶圓上的單層 MoS? 光學圖像。(b) 對應的拉曼光譜，特征峰：平面振動模式E2gE_{2g}位于 387 cm?1^{-1}，垂直振動模式A1gA_{1g}位于 404 cm?1^{-1}。(c) 商購單層石墨烯薄膜（基于銅襯底）的光學圖像。(d) 使用 532 nm 激光獲得的石墨烯薄膜拉曼光譜，所展現其特征峰。(e) 單片和異質 3D 集成制造流程，包括單層 MoS? 和基于石墨烯的器件的關鍵工藝步驟。該圖全面展示了 2D 材料的特性分析及其在單片 3D 集成中器件制造的關鍵流程，直觀地呈現了工藝細節與材料特性。

該M3D堆棧的設計亮點在于其功能分層結構：上層集成了基于石墨烯的化學傳感器，下層則包括基于MoS?存儲晶體管的可編程電路，專為近傳感器計算應用而設計。值得注意的是，本研究在傳感器與計算元件之間實現了不到100納米的物理距離，遠遠優于現有最先進封裝技術的能力。這種超緊密的集成顯著減少了計算延遲，同時極大提升了帶寬，為下代邊緣計算應用（如醫療、環境監測和智能基礎設施）提供了技術支撐。

圖 3. 單片及異質三維 (3D) 集成電路 (IC)：(a) 單層MoS?和石墨烯構成的兩層單片 3D 集成電路（M3D）的高密度單元陣列的光學圖像。(b) 掃描電子顯微鏡 (SEM) 的放大圖，展示陣列中每個單元包含四個器件（上層為兩個石墨烯化學晶體管，下層為兩個 MoS? 存儲晶體管）。(c) 使用高角環形暗場 (HAADF) 模式掃描透射電子顯微鏡 (STEM) 在 (b) 中紅色虛線標記位置拍攝的拼接截面圖；(d) 該截面圖的放大細節圖。(e) 進一步放大的區域及能量色散 X 射線光譜 (EDS) 元素映射，展示了基于石墨烯化學晶體管的化學傳感器堆疊在基于 MoS? 存儲晶體管的比較器電路之上。(f) 展示兩層之間的互聯通孔 (inter-tier via)。該圖形象地展示了單片 3D 集成的微觀結構特征，揭示了多層異質材料及器件的集成細節，為理解其內部結構與性能提供了重要依據。

研究團隊選擇石墨烯和MoS?的原因在于這兩種材料具有高度互補的特性。石墨烯以其優異的載流子遷移率和化學惰性在氣體、生物分子以及其他化學物質檢測中表現出色。而MoS?晶體管則在先進技術節點下展現了卓越的性能，并在神經形態計算和類腦計算等領域展現出廣闊的應用潛力。這兩種材料的結合，不僅在垂直堆棧中實現了傳感、計算和存儲功能的有機整合，也為 3D 集成電路的功能擴展開辟了新途徑。

盡管之前已有研究探索了將2D材料與硅微芯片進行M3D集成的可能性，但本研究的獨特之處在于，首次將多種類型的2D材料整合到單一M3D堆棧中。研究結果標志著半導體領域的一次重要突破，表明通過垂直堆疊異質材料層，可以突破傳統硅技術的限制，在芯片性能與功能多樣性方面實現質的飛躍。這一技術革新為未來多功能、高性能芯片的發展提供了全新思路和實現路徑。

來源：光跬科技