研究背景

三维（3D）电子组件集成的需求正在稳步增加。尽管面临巨大的加工挑战，穿硅孔（TSV）技术仍然是唯一可行的单晶器件组件3D集成方法。尽管单体3D（M3D）集成方案展现出一定的前景，但尚未展示出单晶半导体在没有中间晶圆的情况下无缝连接的技术。这一挑战源于在低温下，在完成后端工艺后，如何在非晶或多晶表面上生长单晶以保持底层电路的完整性。因此，基于生长的单晶M3D集成的实际解决方案仍然未知。

在此，麻省理工学院Jeehwan Kim, 三星先进技术研究所Minsu Seol，Sang Won Kim以及成均馆大学Jin-Hong Park教授合作在“Nature”期刊上发表了题为“Growth-based monolithic 3D integration of single-crystal 2D semiconductors”的最新论文。作者提出了一种在低温下生长单晶通道材料的方法，特别是由过渡金属二硫化物组成，这些材料能够在非晶和多晶表面上生长，并能保持底层电子组件的完整性。

在这一技术的基础上，作者展示了垂直单晶逻辑晶体管阵列的无缝单体集成。这一成果促成了前所未有的垂直互补金属氧化物半导体（CMOS）阵列的开发，该阵列由生长的单晶通道组成。最终，这一成就为各种电子硬件的单晶M3D集成提供了机会。

研究亮点

1）实验首次在低于400°C的温度下实现了单晶过渡金属二硫化物（TMDs）材料的生长，成功在非晶和多晶表面上生长单晶通道材料，避免了高温对底层电路的损伤。

2）实验通过在受限区域内进行选择性生长，利用边缘和角落的异质成核位点，成功生长了单晶MoS₂和WSe₂材料。这一技术使得单晶材料在低温下的生长得以实现，比传统的700°C至900°C的生长温度低了约50%。

3）通过该技术，研究人员成功展示了无缝的单晶M3D集成，完成了垂直单晶逻辑晶体管阵列的集成，并构建了垂直互补金属氧化物半导体（CMOS）阵列。这些阵列由生长的单晶通道组成，展示了M3D集成的巨大潜力。

4）通过生长的单晶垂直CMOS，研究人员显著提高了集成电路的性能，实现了更高效的集成，并展示了更小的性能波动，特别是在pMOS和nMOS晶体管的Ion/Wch性能差异分别为16.95%和12.86%。

图文解读

图1：3D集成进展示意图

图2：单晶TMDs的低温生长

图3：无缝M3D集成

图4：M3D集成的垂直CMOS和逻辑电路

总结展望

本文提出了一种方法，通过在低于400°C的温度下生长单晶半导体，将其置于非晶或多晶中间层之间。该技术实现了nMOS和pMOS的无缝垂直集成，成功构建了垂直逆变器。该方法有望大幅缩短互连距离，从而减少RC延迟，并在给定的晶圆空间内实现晶体管密度的翻倍。作者相信，这种无缝M3D方法的特点可以被有效应用于现代电子和光电子组件的3D结构构建。然而，为了实现高性能基于二维材料的CMOS M3D集成，还需要进一步发展低温替代掺杂工艺（低于400°C）。未来，全面利用作者的异质成核策略，也可能实现掺杂TMDs的低温生长。

原文详情：

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