二维3D集成的最难一关被打通了吗？

一种基于氧的工艺能够抑制多余晶体生成，帮助研究人员精准放置半导体材料。韩国研究团队开发出一项半导体制造技术，可控制单个晶体的成核位置，在400个图案化生长区域中成功率超过99%，为制造垂直堆叠的计算芯片提供了新的技术路径。借助这项技术，研究人员能够在预设位置生长单层二硫化钼（MoS₂）单晶——这种半导体材料仅有数个原子层厚——而不是任由多个晶体随机成核。

该成果由韩国科学技术院（KAIST）牵头，联合蔚山科学技术院（UNIST）、汉阳大学与TDS Innovation共同完成，论文题为《Spatially deterministic nucleation of 2D semiconductors by etching flux》（刻蚀通量介导的二维半导体空间确定性成核），10月8日发表于《Nature》。团队的核心思路，是利用氧化物阻挡层释放的氧气来控制晶体的起始生长点。研究人员表示，这一方案有望攻克堆叠芯片制造中的核心瓶颈：半导体层需要精准生长在既有电路之上，同时不能引入影响器件性能的缺陷。

氧气调控晶体成核

传统半导体薄膜生长工艺只能限定薄膜的大致区域，难以控制每颗晶体的精确成核点。论文摘要指出，既有方法可以调控成核密度，并通过区域选择性生长把沉积约束在指定范围内，但普遍无法决定单颗晶核在区域内的落点，单次成核事件仍具有空间随机性。当多颗晶体各自生长、最终相遇时，会形成晶界；晶界打乱原子的规整排布，阻碍电子在半导体内部的迁移，是二维材料器件性能退化的重要原因，也是该领域长期存在的难题。

研究团队将新工艺命名为"刻蚀通量介导的单中心成核"（etching-flux-mediated single-centered nucleation，EF-SCN）。成核是晶体形成的初始阶段，即原子开始有序排列形成晶核的过程。工艺在目标生长区域外围设置氧化物阻挡层（例如氧化铪，HfO₂），阻挡层释放的氧气充当刻蚀剂，抑制不必要的晶体成核。氧气的刻蚀效果在图案区域边缘最强，向中心逐渐减弱，由此营造出中心单点优先成核的条件；中心一旦开始生长，还会同步抑制周边新晶核的生成。

在400组图案中，超过99%在预设中心位置长出独立的二硫化钼单晶。团队还以二硫化钼与二硒化钼（MoSe₂）的复合结构演示了金属选择性沉积：钌金属薄膜选择性生长在二硒化钼区域，展示了另一种在半导体制造中控制材料落位的方式。

堆叠芯片向前推进

二维半导体被视为后硅时代的重要候选材料：即使只有几个原子层厚，仍能保持半导体特性。随着硅基晶体管逼近物理极限，二硫化钼等二维材料正成为全球先进制程研究的新焦点，台积电、英特尔、三星等头部厂商与imec等研究机构均有布局，重点方向之一就是可控的大面积单晶生长。其极薄特性也让制造商有望将计算单元与存储单元垂直堆叠，缩短数据在芯片内部的传输距离；数据传输消耗功耗、带来延迟，在算力密集型场景中尤为突出。

3D集成本身已是半导体产业的主流方向——存储领域3D NAND早已量产，逻辑芯片的3D堆叠（如台积电SoIC、英特尔Foveros）也已进入商用阶段。不过，堆叠芯片的难点在于必须在已完成电路制造的表面精准生长半导体材料；目前业界普遍采用"先单独制备、再转移贴合"的路线，转移过程容易引入污染与缺陷，影响器件一致性。KAIST的技术提供了一种原位生长的可能：直接在指定位置生长高质量二维材料，省去转移环节。

需要强调的是，该成果仍处于基础研究阶段。团队已通过生长实验与仿真厘清机理，但尚未制造出完整的堆叠处理器，也未实测运算速度或能耗提升；论文解决的是晶体成核的精准控制问题，而非直接达到商用芯片性能。从实验室的400个图案到量产晶圆，仍需验证工艺均匀性、设备兼容性与成本，能否大规模导入产线尚无定论。