构建芯片的新方法：顺序堆叠硅片以延续摩尔定律

# 构建芯片的新方法：顺序堆叠硅以延续摩尔定律 来源：https://matse.illinois.edu/news/85775 2026年5月26日 由Qing Cao领导的研究人员展示了一种可规模化地直接顺序堆叠高性能硅电路的方法。这一进展标志着实现三维芯片全部潜力的关键一步，这种芯片可以将计算能力超越传统缩放的限制。 作者：Michael O'Boyle *由伊利诺伊大学格兰杰工程学院教授Qing Cao领导的研究人员展示了一种可规模化地直接顺序堆叠高性能硅电路的方法。这一进展标志着实现三维芯片全部潜力的关键一步，这种芯片可以将计算能力超越传统缩放的限制。* 半个多世纪以来，计算机的性能一直通过缩小晶体管并将其更紧密地封装在平面芯片上来提升。这种方法效果太好，以至于设备如今变得如此微小，开始从根本上受到原子尺寸和量子效应的限制。 下一个飞跃可以来自增加一个新维度：向上构建。通过垂直堆叠硅电路层，芯片制造商可以大幅提高计算密度和速度，同时减少能耗，为无需进一步缩小晶体管即可延续摩尔定律提供了一条有前景的路径。 **“如今，存储一个比特的信息需要六个称为晶体管的微电子器件位于同一个平面上。通过垂直集成，你可以将它们分布在多个层上。”** 材料科学与工程系副教授 Qing Cao 伊利诺伊大学格兰杰工程学院材料科学与工程教授Qing Cao解释道：“以CPU和GPU中普遍存在的静态随机存取存储器这样简单的东西为例，今天存储一个比特的信息需要六个晶体管在同一平面上。通过垂直集成，你可以将它们分布在多个层上。这就像用高楼取代 sprawling 的郊区：功能相同，但空间占用量减少，同时层间通信更快、更高效。” 最高效的方法被称为单片三维集成，它将每一层直接构建在上一层之上，以最大化层间互连密度。然而，实现这一目标一直是一个长期的技术挑战。制备高质量硅和制造高性能器件通常需要1000摄氏度的工艺，这个温度足以破坏金属布线。对于第一层以上的上层，温度限制（即“热预算”）被严格设定为400摄氏度。 一张独立的单晶硅纳米膜被悬空放置在一个已刻有第一层电子电路的硅晶圆上方。 由Cao领导的伊利诺伊大学格兰杰工程学院研究团队现已证明，可以在保持这一温度限制的同时，在多个层级中实现高性能器件。他们新发明的工艺使用单晶硅（业界主要半导体材料），并已在学术实验室洁净室环境中实现了98-100%的器件良率，显示出强大的工业应用潜力。 “垂直集成已开始进入商用器件，特别是在专门的AI硬件中，但单片集成才是释放3D芯片全部潜力的关键，”Cao说道。“我们首次使用标准的单晶硅满足了单片3D集成的热预算要求，并提供了前所未有的性能。” 这项研究作为《自然》杂志罕见地专注于硅微电子学的研究文章之一发表。 这项工作是在伊利诺伊大学格兰杰工程学院的先进半导体芯片加速性能中心（https://asap.hmntl.illinois.edu/）进行的，该中心与IBM、英特尔和台积电等公司保持行业合作关系。该团队目前正准备将其工艺转移至工业半导体代工厂。 ## 在三维空间中构建电路 过去60年来，微电子制造一直由摩尔定律驱动，该定律指出芯片上的晶体管密度每两年翻一番。电子行业已将此原则作为生产目标，以提高计算机处理器的性能和效率。这一趋势几十年来一直成功且稳定，但有迹象表明它开始放缓。 “从某种意义上说，我们正触及物理定律的限制，”Cao说。“如果你看晶体管的实际尺寸，它们并没有变小，特别是在接触栅极间距方面。这是因为我们正受到硅材料的固有性质以及量子力学基本规则的制约。如果我们要保持微处理器处理能力增长的趋势，就必须开始思考超越在单一表面上挤入更多器件的方法。” 许多专家认为，前进的方向将是向上构建，实现器件的垂直集成。这为扩展提供了空间，而无需进一步缩小单个器件。它还缩短了所需的布线长度，减少了寄生电容，同时大幅提高了器件和电路模块之间的通信带宽。这些特性为人工智能和其他数据密集型计算提供了关键优势。 **“如果我们要保持微处理器处理能力增长的趋势，就必须开始思考超越在单一表面上挤入更多器件的方法。”** 材料科学与工程系副教授 Qing Cao 图片：副教授 Qing Cao手持一个覆盖有多层垂直堆叠硅膜的200毫米晶圆。 ## 单片集成的承诺 当前商用的三维芯片是通过先在不同晶圆衬底上制造半导体器件，然后将这些晶圆或芯片键合在一起制成的。虽然这种方法已经实现了高带宽内存和3D V-Cache等成功产品，但它存在显著限制。层间对准必然粗糙，层间垂直连接（称为硅通孔或TSV）的尺寸相对较大且稀疏。 相比之下，单片三维集成采取了根本不同的方法。不是堆叠完整的晶圆，而是在制造过程中将每个器件层直接顺序构建在前一层之上。这种方法允许实现更密集（10-100倍）的层间垂直连接、更小的层间间距以及纳米精度的精确层间对准。 一台滚轮层压机将超薄、独立的硅膜转移到接收晶圆上，实现了晶圆级均匀堆叠用于3D芯片制造。 实际实现这一过程的主要障碍是温度。形成高质量晶体硅以及制造高性能半导体器件都需要接近1000摄氏度的温度，而用于器件间通信的金属互连在远低于该温度时就会熔化。 “一般来说，业界公认一旦第一层电路完成，任何额外层的热预算限制为400摄氏度，”Cao说。“学术界和工业界的研究人员曾尝试通过使用单晶硅以外的半导体材料来避开这一问题。但由此产生的器件都不可避免地存在性能和可靠性问题。” 已被探索的替代材料包括多晶硅、非晶或纳米晶金属氧化物，以及碳纳米管和二维半导体等纳米材料。它们都受限于材料固有性质或加工过程中引入的外在缺陷，导致底层硅晶圆衬底上的硅晶体管与上层器件之间存在不匹配。 伊利诺伊大学格兰杰工程学院团队设计了一种使用标准单晶硅实现单片三维集成的工艺。该方法首先从供体晶圆上创建超薄、独立的硅纳米膜，然后使用滚轮层压机将这些膜转移到已包含完整底层电路的接收衬底上。该过程仅需不超过200摄氏度的温度，即可在衬底和转移层之间产生牢固的键合。因此，硅膜保持了高结晶质量，从而维持了高性能和高可靠性，同时工艺完全符合热预算要求。 “我们的方法不仅更容易实现且成本更低，而且与之前堆叠硅晶圆的方法相比具有多个优势，”Cao说。“我们转移的膜厚度仅为10纳米或更薄，而典型晶圆的厚度为500到700微米。由于薄膜很薄，它们在机械上具有柔性，能够贴合底层表面。这种贴合性有助于避免界面缺陷（如空洞），而通过晶圆键合强制将两个刚性晶圆压在一起时常见此类缺陷。” 该团队还需要重新思考晶体管设计和制造。传统的晶体管制造需要一种称为“掺杂”的工艺，即在硅中引入杂质以控制其电学性质。这是一个高温工艺，通常超过600摄氏度，并且器件的不同区域需要不同的掺杂类型。为了避开这一点，研究人员使用了称为“无结晶体管”的器件，其中硅在叠层步骤之前就已均匀且重掺杂。由于薄膜极薄，栅极仍能有效控制沟道，而较高的掺杂水平降低了寄生接触电阻。 单片三维静态随机存取存储器单元的示意图（左）和假彩色电子显微镜图像（右），展示了分布在三个垂直堆叠层上的六个晶体管。 利用这一工艺，该团队构建了三个堆叠层，每层包含625个晶体管，具有良好的良率和均匀性。这些晶体管的输出电流密度可与在更高温度下在体硅晶圆上制造的标准硅晶体管相媲美，并且至少是使用替代材料制成的单片器件的三到四倍，表明性能大幅提升。通过使用垂直金属线连接各层，研究人员展示了三维集成逻辑电路和静态随机存取存储器单元。 “但最重要的是，我们已经证明这一工艺是可规模化的，”Cao说。“你可以继续堆叠超过我们展示的三层。而且该工艺将产生高性能、高良率和低变异性晶体管。我们现在有了坚实的基础，可以将这项技术转移并在工业半导体代工厂中展示其即时前景。” *Bao Lam, Yung Man Yu, Hyunjun Nam, Hsu-Chih Ni, Shomik Chatterjee, Shaloo Rakheja, 和 Jian-Min Zhuo 也对本研究做出了贡献。* *文章《硅晶体管的单片三维集成》(https://www.nature.com/articles/s41586-026-10496-6) 可在线上获取。DOI:10.1038/s41586-026-10496-6* *本研究得到了国家科学基金会、伊利诺伊大学格兰杰工程学院先进半导体芯片加速性能中心的行业合作伙伴，以及硅十字路口微电子共同体的支持。* **伊利诺伊大学格兰杰工程学院附属信息** Qing Cao (https://matse.illinois.edu/people/profile/qingcao2) 是伊利诺伊大学格兰杰工程学院材料科学与工程系的副教授。他还隶属于电气与计算机工程系 (https://ece.illinois.edu/) 和化学系 (https://chemistry.illinois.edu/)。他是材料研究实验室 (https://mrl.illinois.edu/) 和 Holonyak 微纳米技术实验室 (https://hmntl.illinois.edu/) 的成员。 Shaloo Rakheja (https://grainger.illinois.edu/about/directory/faculty/rakheja) 是伊利诺伊大学格兰杰工程学院电气与计算机工程系的副教授。她是先进半导体芯片加速性能中心（ASAP）(https://asap.hmntl.illinois.edu/) 的主任。她是 Holonyak 微纳米技术实验室 (https://hmntl.illinois.edu/) 和协调科学实验室 (https://csl.illinois.edu/) 的成员。她拥有英特尔校友捐赠教师院士任命。 Jian-Min Zhuo 是伊利诺伊大学格兰杰工程学院材料科学与工程系的荣誉教授。