本文来源：高绩、湖南大学

5月22日，国际顶级期刊Nature在线发表了题为“Monolithic three-dimensional tier-by-tier integration via van der Waals lamination”的研究论文，报道了一种低温的范德华单芯片三维集成工艺。

本文的第一作者为湖南大学物理与微电子科学学院陆冬林博士，通讯作者为刘渊教授。作者分别来自物电院、化工院、半导体学院，湖南大学为论文独立完成单位。

三维集成是通过在垂直方向上将多个独立的芯片或功能层堆叠在一起的器件系统，能够实现逻辑、存储和传感等功能的垂直集成和协同工作，是后摩尔时代的重要技术路线。目前商用的三维集成主要是通过封装技术将多芯片或者多芯粒垂直堆叠和互联。单芯片三维集成则是直接在同一芯片内部垂直集成多个器件层。通过将每一器件层直接制备在另一器件层之上，能够进一步提高芯片的互联密度和性能。然而，硅基单芯片三维集成面临着严重的热预算问题，其上层的硅沟道制备工艺会导致下层硅器件掺杂扩散和性能退化，限制了三维集成的发展。

针对这一挑战，湖南大学物理与微电子科学学院刘渊教授团队报道了一种低温的范德华单芯片三维集成工艺。在该工艺中，源/漏/栅电极、层内互连金属、高κ栅介电质、低κ层间介电层和层间垂直通孔等电路功能层首先预制备在牺牲晶圆上，之后在120 °C的低温下范德华集成到半导体晶圆上。通过逐层集成范德华预制备电路层和半导体层，团队实现了10层的全范德华单芯片三维系统。同时，团队发现范德华集成工艺不会对底部的硫化钼晶体管电学性能产生影响，能够保证晶体管的本征性能。进一步集成不同功能的电路层，团队实现了逻辑、传感和存储互联的三维异质集成和协同工作。该研究为单芯片三维集成系统提供了一条低能量路径。

该工作得到了来自国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

据了解，刘渊教授以一作或通讯已在Nature上发表4篇论文，本次为刘渊教授在Nature上发表的第5篇成果。刘渊教授本科毕业于浙江大学，后在美国加州大学洛杉矶分校获得博士学位，2017年加入湖南大学物理与微电子科学学院。他主要从事新型半导体微纳电子器件设计、制造、加工、测量的工作，迄今共发表SCI论文120余篇，总引用为20000余次。连续5年入选“科睿唯安全球高被引学者”，连续2年入选“爱思唯尔中国高被引学者”，并在2023年获得国家杰出青年科学基金资助。