半导体情报，科学家在WSe₂场效应晶体管取得突破性成果！

【科学背景】

在过去六十年中，晶体管尺寸的不断缩小得益于诸如鳍式场效应晶体管（FET）技术的创新、高介电常数绝缘材料的集成、改进的互连技术以及极紫外光刻技术的进步。这些技术不断推动了集成电路（IC）组件密度的提升。然而，尽管器件级的缩放取得了显著进展，封装级的进展却相对滞后，这突显了三维（3D）集成作为一种“正交缩放”方法的重要性。3D集成通过减少占地面积、降低功耗、提高带宽、缩短连接布线以及降低寄生损耗等优点，提供了一种有前景的解决方案，能有效突破传统二维尺寸缩放的限制。

工业界目前主要采用铜微凸点和通过硅通孔（TSVs）来堆叠分别制造的芯片，但TSVs具有较大的占地面积，导致显著的寄生电容和热/机械应力。因此，单片3D（M3D）集成被认为是未来3D集成电路的关键技术，其通过在单个晶圆上顺序制造层间通孔，解决了TSVs带来的局限性。M3D集成实现了更高的垂直互连密度、更短的连线长度，从而提高了速度并降低了功耗，同时也允许在一个或多个层中集成非硅材料，以提升性能或丰富功能。然而，M3D集成在采用相同（非硅）半导体材料的互补FET方面仍处于探索阶段，这主要由于n型碳纳米管FET和p型二维FET的开发进展有限。

本研究针对这一现状，美国宾夕法尼亚州立大学Rahul Pendurthi，Saptarshi Das教授团队展示了基于n型和p型FET的两层互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片的M3D集成。这些FET采用通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术合成的大面积WSe₂制成。

作者成功实现了晶体管级分区，将340个n型FET和340个p型FET分别放置在第1层和第2层。此外，作者展示了宽度为300 nm、间距为1 µm的密集层间通孔，这在封装技术中达到了先进水平。同时，作者成功实现了包括27个反相器、12个NAND门和12个NOR门在内的3D CMOS电路。通过在不超过200°C的温度下制造M3D CMOS堆叠，本研究为2D/Si混合技术的后端集成提供了兼容的解决方案。这些成果不仅突破了传统封装技术的限制，还展示了二维材料在推动M3D集成方面的巨大潜力。

【表征解读】

本文通过拉曼光谱和光致发光（PL）测试，揭示了多层WSe2薄膜的晶体结构和光学特性。这些表征手段使我们能够深入理解WSe2的电子性质及其在CMOS电路中的应用潜力。针对WSe2薄膜中观察到的光致发光现象，作者利用透射电子显微镜（TEM）对样品进行了微观结构分析，得到了层间耦合效应及其对电子迁移率的影响，进而挖掘了WSe2在高效电子器件中的应用价值。

在此基础上，通过扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束（FIB）技术，本文获得了二维材料的详细形貌和结构特征。这些表征结果表明，WSe2在微米尺度下展现出良好的均匀性和层间一致性，进一步证明了其在集成电路中作为半导体材料的可靠性。特别是在对比不同厚度的WSe2样品时，作者发现其电学性能和光学响应显著依赖于层数，这为设计新型器件提供了重要指导。

总之，经过综合的拉曼、PL、TEM和SEM等表征手段，深入分析了WSe2的结构特性和电子特性，进而制备出新型二维材料。这些研究不仅推动了对WSe2在集成电路中应用的理解，也为发展更高效的电子器件奠定了基础，标志着二维材料领域的又一重要进展。通过这些手段的结合，我们能够系统地解析材料的性能，并为未来的研究指明方向。

【科学图文】

图1：互补金属氧化物半导体CMOS 硒化钨WSe2 场效应晶体管FET的单片三维集成M3D。

图2：大面积有机金属化学气相沉积法MOCVD WSe2合成和3D叠层制造。

图3：单片三维集成M3D 互补金属氧化物半导体CMOS WSe2 场效应晶体管FET。

图4：单片三维集成M3D逻辑门。

【科学结论】

本文首次成功实现了基于n型和p型WSe₂场效应晶体管的两层CMOS芯片的M3D集成，展示了二维材料在推动M3D技术方面的巨大潜力。这种集成方式突破了传统二维缩放的限制，为器件集成密度的提升和性能的优化提供了新的解决方案。其次，通过采用300 nm宽、间距为1 µm的密集层间通孔，本研究实现了在两层芯片中连接超过340个n型FET和340个p型FET，标志着在高密度集成领域的显著进展。这种高密度的垂直互连方式不仅有效减少了互连线的长度，还降低了功耗和寄生损耗，提高了整体电路的性能。

此外，本研究在200°C以下的温度下成功制造了3D CMOS电路，包括27个反相器、12个NAND门和12个NOR门，展示了M3D CMOS技术在实际应用中的可行性。这一成果表明，M3D技术不仅可以解决传统二维缩放中的热处理和性能问题，还为2D/Si混合技术的后端集成提供了兼容的解决方案。这些发现不仅扩展了M3D技术在高性能电子器件中的应用范围，还为未来在二维材料和3D集成技术方面的进一步研究奠定了基础。

原文详情：Pendurthi, R., Sakib, N.U., Sadaf, M.U.K. et al. Monolithic three-dimensional integration of complementary two-dimensional field-effect transistors. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01705-2