混合CMOS芯片堆疊層數大幅提升 有助電子設備小型化和性能提升

科技日報記者 張佳欣

沙特阿卜杜拉國王科技大學研究人員在微芯片設計領域創下新紀錄，成功研製出全球首個面向大面積電子器件的6層堆疊式混合互補金屬氧化物半導體（CMOS）芯片。此前公開報道的混合CMOS堆疊層數從未超過兩層，這一突破標誌着芯片集成密度與能效邁上新台階，有助電子設備的小型化和性能提升。

CMOS芯片幾乎存在於所有電子設備中，從手機、電視到衞星和醫療儀器。與傳統硅基芯片相比，混合CMOS芯片在大面積電子領域更具優勢，有望在柔性電子、智慧醫療和物聯網等領域發揮重要作用。

長期以來，半導體行業一直依靠縮小晶體管尺寸來提高集成密度，但已接近量子力學的極限，同時成本也在急劇上升。要繼續推進芯片性能，必須走出平面擴展的思路，垂直堆疊晶體管是最具潛力的方向之一。

芯片多層堆疊的最大挑戰在於製造温度。常規工藝往往需要幾百攝氏度的高温，這在添加新層時可能會損壞下層結構。而新方法中，所有工藝步驟的温度均未超過150℃，多數步驟甚至接近室温完成，顯著降低了材料受損風險。

此外，層與層之間的表面必須儘可能光滑。新設計中改進了工藝，使表面平整度優於以往。而在垂直堆疊中，層間精確對準尤為重要，研究團隊也在這方面顯著優化了製造流程。

在微芯片設計中，核心目標就是在更小的空間裏實現更高性能。此次研究通過優化多個關鍵步驟，為垂直擴展與功能密度的進一步提升提供了一條可行路徑。

總編輯圈點

科研人員建成了全球首個擁有6層功能電路的微縮芯片“摩天大樓”，可以在同樣“佔地面積”的地基上，通過加高“樓層”讓芯片容納更多晶體管，實現更精妙複雜的功能。一直以來，半導體行業致力於縮小晶體管尺寸，以在方寸之間排布更多晶體管，但這種方式已越發難以為繼。此次，科研人員改進了製造工藝，攻克了芯片多層堆疊的兩大核心挑戰——温度和平滑度，成功實現“平地起高樓”，為芯片進一步提升性能開闢了新的路徑和方向。