新纪录！6层堆叠混合CMOS芯片问世

沙特阿卜杜拉国王科技大学研究人员在微芯片设计领域创下纪录，成功研制出全球首个面向大面积电子器件的6层堆叠式混合互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片。目前尚无公开报道的混合CMOS能突破两层堆叠，这一成就为集成密度和效率设立了新基准，为电子设备的微型化与性能提升开辟了新可能。该团队的研究详情已发表在《自然・电子学》（Nature Electronics）期刊上。

在各类微芯片技术中，CMOS 微芯片的应用几乎遍及所有电子设备，从手机、电视到卫星和医疗设备均有涉及。与传统硅基芯片相比，混合 CMOS 微芯片在大面积电子设备领域具有更大潜力。电子微型化对柔性电子、智能健康和物联网至关重要，但当前的设计方法正逐渐逼近极限。

研究项目负责人、 KAUST 副教授Xiaohang Li表示，“从历史上看，半导体行业一直通过缩小晶体管尺寸来提高集成密度。但如今我们正逼近量子力学极限，且成本也在飙升。要继续取得突破，我们必须跳出平面缩放的思维；将晶体管垂直堆叠是一种很有前景的解决方案。”

微芯片制造通常需要数百摄氏度的高温，而在添加新层时，这种高温可能会损坏芯片的底层结构。但在 KAUST 的制造流程中，所有步骤的温度均未超过 150°C，且大部分步骤在接近室温的环境下即可完成。

此外，层与层之间的表面必须尽可能光滑。新设计中改进了工艺，使表面平整度优于以往。而在垂直堆叠中，层间精确对准尤为重要，研究团队也在这方面显著优化了制造流程。

在微芯片设计中，核心目标就是在更小的空间里实现更高性能。此次研究通过优化多个关键步骤，为垂直扩展与功能密度的进一步提升提供了一条可行路径。

值得注意的是，该研究中用到的比较关键的方法包括电极沉积工艺。六层混合互补晶体管中，氧化物晶体管（OxTs）和有机晶体管（OrTs）的栅极、源极及漏极均采用直流溅射法沉积。对于氧化物晶体管，栅极、源极和漏极均使用 20nm 厚的铝（Al）电极，直流溅射条件为：直流功率 20W、氩气（Ar）流量 20 标准立方厘米每分钟（s.c.c.m.）、压力 5 毫托（mtorr）。对于有机晶体管，源极和漏极采用钛/金（Ti/Au，厚度 10/20nm），以与 C16IDT-BT 沟道形成欧姆接触；栅极则使用 20nm 厚的铝电极。其中，钛电极的直流溅射条件为：直流功率 20W、氩气流量 10s.c.c.m.、压力 5mtorr；金电极的直流溅射条件为：直流功率 20W、氩气流量 10s.c.c.m.、压力 15mtorr。

电极图形化工艺，铝、钛、金电极均采用电感耦合等离子体 - 反应离子刻蚀（ICP-RIE）工艺进行图形化处理。铝的刻蚀速率为 10nm / 分钟，刻蚀条件包括：温度 10°C、射频发生器（RF generator）功率 130W、电感耦合等离子体发生器（ICP generator）功率 800W、氩气流量 30s.c.c.m.。钛的刻蚀速率为 5nm / 分钟，刻蚀条件包括：温度 20°C、射频发生器功率 100W、电感耦合等离子体发生器功率 1200W、气体流量比（Ar:SF₆:CF₄）15:10:15s.c.c.m.。金的刻蚀速率为 10nm / 分钟，刻蚀条件包括：温度 10°C、射频发生器功率 150W、电感耦合等离子体发生器功率 1800W、氩气流量 30s.c.c.m.。电极刻蚀过程中，采用 2μm 厚的 AZ514E 光刻胶作为软掩模。

聚对二甲苯C沉积与图形化工艺，聚对二甲苯C二聚体为固体颗粒状材料，在真空环境下被加热至 690°C，其中在 175°C 时会汽化形成二聚体气体；该气体随后经热解分解为单体形式，最终在室温下的沉积室内沉积成透明聚合物薄膜。聚对二甲苯C的图形化同样采用 ICP-RIE 刻蚀法，其刻蚀速率为 25nm / 分钟，刻蚀条件包括：温度 10°C、射频发生器功率 50W、电感耦合等离子体发生器功率 700W、气体流量比（CHF₃:O₂）5:50s.c.c.m.，并使用 AZ5214 作为刻蚀掩模。需特别说明的是，聚对二甲苯C与 AZ5214E 掩模的刻蚀速率相同。由于有效刻蚀要求掩模刻蚀速率低于目标材料，因此对于厚度不超过 200nm 的聚对二甲苯C层，采用 2μm 厚的 AZ5214E 软掩模；而对于 1.5μm 和 2μm 厚的较厚聚对二甲苯C层，需改用 10μm 厚的 AZ10XT 光刻胶作为掩模。

氧化铟（In₂O₃）沉积与图形化工艺，氧化铟活性沟道层（厚度 10nm）采用射频溅射法在室温下沉积，溅射条件为：射频功率 100W、氩气流量 20s.c.c.m.、氧气（O₂）流量 20s.c.c.m.、压力 10mtorr。氧化铟沟道通过丙酮剥离工艺实现图形化。

C16IDT-BT 工艺条件，通过凝胶渗透色谱法（在 80°C 氯苯中，以聚苯乙烯为标准品）测得其数均分子量（Mn）为 65000g/mol，多分散性为 2.52。

探测垫沉积工艺，探测垫采用钛/金（厚度 10/100nm），通过直流溅射系统沉积。其中，钛电极的直流溅射条件为：直流功率 20W、氩气流量 10s.c.c.m.、压力 5mtorr；金电极的直流溅射条件为：直流功率 20W、氩气流量 10s.c.c.m.、压力 15mtorr。