美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校研究團隊破解了三維芯片制造領域“最后堡壘”，他們開發出一種在嚴格熱預算限制下，實現多層高性能單晶硅電路垂直集成的工藝。這項突破解決了因晶體管微縮趨近物理極限而面臨的芯片性能提升難題，為延續摩爾定律提供了新方向。相關研究成果發表于最新一期《自然》雜志。
芯片產業長期遵循的摩爾定律正顯現疲態。同時，隨著晶體管尺寸縮小至原子級別，傳統平面微縮技術面臨根本性挑戰。業界普遍認為，向上發展的三維集成是延續芯片性能提升趨勢的關鍵路徑。然而，實現理想的單片三維集成，即直接在已完成的下層電路上依次疊加制造新的硅器件層，長期面臨一個難以逾越的障礙：制造高質量硅器件需要近1000攝氏度的高溫，這會熔化下層電路中已有的金屬互連線。因此，業界規定，在完成首層電路后，后續任何新增制造步驟的溫度都不得超過400攝氏度，即存在嚴格的熱預算限制。
過去，為應對此限制，科學界嘗試使用多晶硅、非晶金屬氧化物甚至碳納米管等替代硅材料來制造上層器件，但這些材料的性能與可靠性始終無法與底層單晶硅器件匹配，限制了整體芯片性能。
團隊通過創新性的工藝設計解決了這一核心矛盾。他們從施主晶圓上制備出厚度不足10納米的獨立單晶硅納米薄膜，隨后在不超過200攝氏度的條件下，將其通過卷對卷層壓工藝精確轉移并貼合到已制備好下層電路的接收基板上。這種超薄硅膜的柔韌性使其能與底層表面完美貼合，有效避免了界面缺陷。
為適應低溫工藝，團隊還調整了晶體管設計，采用了“無結”結構，避開了傳統的高溫摻雜步驟。利用此方法，他們制造出三層垂直堆疊的電路結構，每層包含625個晶體管，平均良率達到98%，輸出電流性能與高溫制備的標準硅晶體管相當，顯著優于其他低溫替代材料。
該研究表明，利用標準單晶硅實現高性能、可擴展的單片三維集成已成為可能。團隊目前正著手將此項工藝技術轉移至工業半導體代工廠，以驗證其產業化潛力。
今天的晶體管已經越來越小，體積接近物理極限，要想在有限空間布放更多晶體管，就得去三維空間找方法。此前，散熱問題是一道攔路虎。這次，科研人員沒有用什么新的神奇材料，依然使用已經成熟的硅材料，不過，他們開辟了新的施工方法，像貼膜一樣蓋起高樓。這是一種冷壓工藝，省掉了需要高溫加工的步驟。如此一來，三維芯片有了可量產的施工路線圖。芯片每一次結構上的突破，最終都會讓我們口袋里那臺機器變得更聰明、更便宜。
