美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究团队破解了三维芯片制造领域“最后堡垒”，他们开发出一种在严格热预算限制下，实现多层高性能单晶硅电路垂直集成的工艺。这项突破解决了因晶体管微缩趋近物理极限而面临的芯片性能提升难题，为延续摩尔定律提供了新方向。相关研究成果发表于最新一期《自然》杂志。
芯片产业长期遵循的摩尔定律正显现疲态。同时，随着晶体管尺寸缩小至原子级别，传统平面微缩技术面临根本性挑战。业界普遍认为，向上发展的三维集成是延续芯片性能提升趋势的关键路径。然而，实现理想的单片三维集成，即直接在已完成的下层电路上依次叠加制造新的硅器件层，长期面临一个难以逾越的障碍：制造高质量硅器件需要近1000摄氏度的高温，这会熔化下层电路中已有的金属互连线。因此，业界规定，在完成首层电路后，后续任何新增制造步骤的温度都不得超过400摄氏度，即存在严格的热预算限制。
过去，为应对此限制，科学界尝试使用多晶硅、非晶金属氧化物甚至碳纳米管等替代硅材料来制造上层器件，但这些材料的性能与可靠性始终无法与底层单晶硅器件匹配，限制了整体芯片性能。
团队通过创新性的工艺设计解决了这一核心矛盾。他们从施主晶圆上制备出厚度不足10纳米的独立单晶硅纳米薄膜，随后在不超过200摄氏度的条件下，将其通过卷对卷层压工艺精确转移并贴合到已制备好下层电路的接收基板上。这种超薄硅膜的柔韧性使其能与底层表面完美贴合，有效避免了界面缺陷。
为适应低温工艺，团队还调整了晶体管设计，采用了“无结”结构，避开了传统的高温掺杂步骤。利用此方法，他们制造出三层垂直堆叠的电路结构，每层包含625个晶体管，平均良率达到98%，输出电流性能与高温制备的标准硅晶体管相当，显著优于其他低温替代材料。
该研究表明，利用标准单晶硅实现高性能、可扩展的单片三维集成已成为可能。团队目前正着手将此项工艺技术转移至工业半导体代工厂，以验证其产业化潜力。
总编辑圈点
今天的晶体管已经越来越小，体积接近物理极限，要想在有限空间布放更多晶体管，就得去三维空间找方法。此前，散热问题是一道拦路虎。这次，科研人员没有用什么新的神奇材料，依然使用已经成熟的硅材料，不过，他们开辟了新的施工方法，像贴膜一样盖起高楼。这是一种冷压工艺，省掉了需要高温加工的步骤。如此一来，三维芯片有了可量产的施工路线图。芯片每一次结构上的突破，最终都会让我们口袋里那台机器变得更聪明、更便宜。
