计算机芯片的晶体管密度正逐步接近物理极限，传统方法已难以在芯片表面继续增加更多晶体管。因此，芯片制造商开始将目光投向垂直叠加的全新方向，而不再局限于平面扩展。
这种方式类似于将平房改建成摩天大楼，通过将多个晶体管和半导体元件层叠起来，打造多层芯片。这种设计能处理远超现有电子设备的数据量，支持更多复杂功能。
然而，目前的一个关键挑战在于芯片的构建平台。笨重的硅晶圆仍是制造高质量单晶半导体元件的主要基底，但在传统架构下，每层都需要厚厚的硅“地板”，这会显著降低功能性半导体层之间的通信速度。
对此，MIT 工程师开发了一种无需硅晶圆基底的全新多层芯片制造技术。这种方法在低温条件下完成，能够保护底层电路的完整性，并突破传统硅基底带来的限制。目前，这项研究成果已发表在Nature上。
研究团队展示了一种高质量半导体材料直接堆叠的多层芯片原型。这项技术使工程师可以在任意晶体表面上制造高性能的晶体管、存储器和逻辑元件，完全摆脱了传统硅晶圆基底的束缚。没有这些厚重的硅层，各半导体层之间的直接接触变得更加紧密，从而显著提升层间通信和整体计算速度。
研究人员预计，这项技术将在 AI 硬件领域带来突破，例如设计出堆叠芯片，用于笔记本电脑或可穿戴设备，性能可与当前的超级计算机媲美，同时拥有媲美物理数据中心的数据存储能力。
“这一突破为半导体行业开辟了新的可能性，使芯片堆叠技术不再受传统限制。”研究负责人、MIT 机械工程系副教授 Jeehwan Kim 表示，“这可能显著提升 AI 计算、逻辑运算和存储设备的性能。”
这项研究由 MIT 团队主导，作者包括 Ki Seok Kim、Seunghwan Seo、Doyoon Lee、Jung-El Ryu、Jekyung Kim、Jun Min Suh、June-chul Shin、Min-Kyu Song、Jin Feng 和 Sangho Lee。此外，还有三星高级研究院、韩国成均馆大学及美国德克萨斯大学达拉斯分校的多位合作者参与。
种子囊技术
2023 年，Kim 的团队宣布开发出一种在非晶表面上生长高质量半导体材料的方法，这些表面类似于完成芯片上半导体电路的多样化地形。这是一种被称为过渡金属二硫化物（TMDs）的二维材料，TMDs 被认为是制造更小型、高性能晶体管的硅潜在替代材料。这类二维材料即使在单原子级别的小尺度下也能保持其半导体特性，而硅在这种尺度下性能会急剧下降。
在此前的研究中，团队成功在涂有非晶涂层的硅晶圆以及现有的 TMDs 表面上生长了 TMDs。为了让原子排列成高质量的单晶形式，而不是随机的多晶无序结构，Kim 和他的同事首先在硅晶圆上覆盖了一层非常薄的二氧化硅膜，作为“掩膜”，并在其上设计了微小的开口或“种子囊”。接着，他们将气态原子流引入这些掩膜，发现原子会沉积在这些开口中形成“种子”。这些种子囊将原子限制在规则的单晶图案中生长。
然而，这种方法当时只能在约 900 摄氏度的高温下进行。“要在低于 400 摄氏度的条件下生长这种单晶材料，否则底层的电路会被完全破坏。”Kim 说道，“因此，我们的任务是开发一种类似的技术，但温度要低于 400 摄氏度。如果能做到这一点，其影响将是巨大的。”
垂直构建技术突破
在最新的研究中，Kim 团队成功开发出一种低温生长单晶二维材料的方法，为保护底层电路免受高温破坏提供了突破性进展。他们借鉴了金属冶金学中的成核原理，这一方法简单而高效。冶金学家在模具边缘观察到的成核现象——因所需热量和能量较少，液态金属在边缘处更易形成规则的晶粒结构——为这一研究提供了启发。
“众所周知，边缘成核更为容易。”Kim 解释道，“我们将这一概念引入到下一代人工智能硬件的开发中。”
团队在已有晶体管电路的硅晶圆上进行了实验。他们首先覆盖了一层二氧化硅掩膜，在每个“种子囊”的边缘沉积 TMD 种子。结果发现，这些种子能够在最低 380 摄氏度的条件下成功生长为单晶材料，而位于囊中心的种子则需要更高的温度才能完成单晶生长。这一突破性成果使低温制造二维材料成为可能，同时避免了对底层电路的热损伤。
进一步研究中，团队利用该技术制造了一个多层芯片，每层材料交替使用两种 TMD 材料：二硫化钼（适用于 n 型晶体管）和二硒化钨（适用于 p 型晶体管）。p 型与 n 型晶体管是逻辑运算的基本组成部分。他们成功地将两种材料直接堆叠，无需中间硅晶圆，从而将现代逻辑电路的基础单元——CMOS 的半导体元件密度提升了一倍。
“我们的技术不仅可以实现 3D 逻辑芯片，还能够结合 3D 存储器。”Kim 表示，“通过这种单片 3D 生长方法，理论上可以在同一芯片上堆叠数十甚至上百层逻辑和存储层，并实现出色的层间通信性能。”
论文第一作者 Kiseok Kim 进一步强调：“传统的 3D 芯片需要在硅晶圆之间打孔连接，这种工艺极大限制了堆叠层数、垂直对齐精度和产量。而我们的基于生长的技术一次性解决了这些问题。”
为推动该技术的商业化应用，Kim 近期创立了一家名为 Future Semiconductor 2D materials 的公司，致力于可堆叠芯片设计的产业化。
“目前，我们已在小型设备阵列中验证了这一概念。”Kim 补充道，“接下来的目标是扩大规模，展示这一技术在专业级 AI 芯片中的应用潜力。”
这项研究得到了三星高级研究院和美国空军科学研究办公室的部分资助。
https://news.mit.edu/2024/mit-engineers-grow-high-rise-3d-chips-1218