低维材料/CMOS片上集成芯片及其集成方法技术

本发明专利技术涉及一种低维材料/CMOS片上集成芯片及其集成方法，本发明专利技术的低维材料CMOS片上集成芯片为上下两层的堆叠式芯片。上层是低维材料器件功能层，依靠新型低维材料器件实现感光、忆阻等功能拓展；下层是CMOS电路层，为CMOS电路芯片，依靠CMOS工艺流片生产的CMOS芯片实现新型低维材料器件信号的读出、处理功能。两层之间通过CMOS电路芯片上表面预留的电极接口实现互联。本发明专利技术能够实现新型的低维材料器件与成熟的CMOS工艺异质集成。该集成方式制备工艺简单、成本低廉、集成度高，融合了低维材料的特有优势，能够极大地推动低维材料器件的应用和CMOS体系的拓展。低维材料CMOS片上集成芯片解决了传统CMOS芯片材料体系单一，功能难以拓展的局限，实现功能创新。实现功能创新。实现功能创新。

【技术实现步骤摘要】
低维材料/CMOS片上集成芯片及其集成方法


[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种低维材料/CMOS片上集成芯片及其集成方法。

技术介绍

[0002]基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的集成电路是过去40年技术革命的核心。近年来，以石墨烯、二硫化钼、量子点为代表的新型低维材料表现出优异性能。新型低维材料由于层状超薄特性和丰富的物理电子特性受到了广泛的关注。然而，由于难以将硅以外的材料与成熟的CMOS工艺体系相结合，低维材料器件的大规模集成一直面临着困难和挑战。
[0003]目前业界将硅以外的材料(例如铟镓砷)和CMOS集成的方案是采用铜铜堆叠、倒装焊等工艺实现两片晶圆或裸片的互联；其中铜铜键合堆叠工艺能够实现高精度的堆叠。索尼公司发布的基于Cu
‑
Cu键合技术的短波红外传感器IMX990和IMX991，其中受光型光电二极管的InGaAs层与构成读出电路的硅层通过铜铜连接，实现采用业界最小的5微米像素尺寸，整体尺寸小巧紧凑。铜铜堆叠实现了将硅以外的材料器件与成熟的CMOS工艺体系相结合集成，但该集成工艺复杂，集成成本非常高，且能够集成的器件限制在少部分成熟的商用器件上。
[0004]如何避免繁琐的互联工艺，实现低维材料甚至其他任意材料与CMOS低成本、高集成度的集成是一个亟待解决。因此，有必要提出一种低维材料/CMOS异质异构规模集成的设计方法和架构范式。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种低维材料/CMOS片上集成芯片及其集成方法，为低维材料/CMOS的异质异构规模集成提出了设计方法和架构范式。该集成方式制备工艺简单、成本低廉、集成度高，融合了低维材料的特有优势，能够极大地推动低维材料器件的应用和CMOS体系的拓展。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种低维材料/CMOS片上集成芯片，所述低维材料/CMOS片上集成芯片由低维材料器件功能层和CMOS电路层组成；
[0008]所述CMOS电路层为使用CMOS工艺流片生产的读出电路芯片，预留了用于互联低维材料器件阵列的电极接口阵列；
[0009]所述低维材料器件功能层由低维材料器件阵列组成；
[0010]所述低维材料器件功能层和CMOS电路层之间通过CMOS电路层上表面预留的电极接口阵列与低维材料器件阵列相互连接。
[0011]进一步地，组成低维材料器件功能层的低维材料器件为二维材料器件或薄膜材料器件。
[0012]进一步地，所述读出电路芯片为实现对低维材料器件阵列的信号读出、处理、控制
和输出的电路芯片；读出电路芯片通过输入/输出接口实现与片外的信息交互。
[0013]进一步地，所述低维材料器件产生的信号，由CMOS电路层通过电极接口读出、处理；并由CMOS电路层通过输入/输出接口输出信号到片外。
[0014]进一步地，所述的低维材料器件的工作电压通过自身的自供能器件提供或CMOS电路层的电极接口提供。
[0015]根据说明书的第二方面，提供了一种低维材料/CMOS片上集成芯片的集成方法，包括如下步骤：
[0016](1)专用集成电路设计与CMOS流片：设计用于读出低维材料器件的专用集成电路，该电路用于提供能够低维材料器件必要的激励，且能匹配读出低维材料器件产生的信号；在CMOS电路芯片的上表面预留用于互联低维材料器件阵列的电极接口阵列，使用CMOS流片工艺生产该读出电路芯片；
[0017](2)片上低维材料堆叠与器件制备：在读出电路芯片上单次或多次以转移、旋涂或生长的方式堆叠低维材料；单次或多次使用光刻、刻蚀工艺加工低维材料以获得低维材料器件阵列，并且实现低维材料器件阵列与电极接口阵列的互联；
[0018](3)将已经完成片上制备低维材料器件阵列的低维材料/CMOS片上集成芯片进行封装保护，获得低维材料/CMOS片上集成芯片。
[0019]本专利技术具有以下有益效果：
[0020]1.该专利技术依据范德华异质集成原理和后端集成方式实现低维材料和CMOS电路芯片的片上融合异质集成，依靠种类丰富的低维材料各自优势实现优势互补和功能集成。
[0021]2.该专利技术提出的低维材料CMOS片上集成芯片解决了传统CMOS芯片材料体系单一，功能难以拓展的局限；引入低维材料作为功能层与CMOS芯片融合集成，实现功能创新。
[0022]3.本专利技术的低维材料/CMOS片上集成芯片为上下两层的堆叠式芯片，拥有堆叠式单片集成的紧凑结构，实现器件和电路双重功能融合。相比于铜铜互联等集成方式，本专利技术的集成方式具有集成成本更低、集成度更高、集成功能更广等优势。
[0023]4.本专利技术的低维材料/CMOS片上集成芯片的集成方式制备工艺简单、成本低廉、集成度高，融合了低维材料的特有优势，能够极大地推动低维材料器件的应用和CMOS体系的拓展。
附图说明
[0024]图1为本专利技术低维材料CMOS片上集成芯片三维结构示意图；
[0025]图2为本专利技术低维材料CMOS片上集成芯片刨面示意图及典型读出电路架构；
[0026]图3为单层CVD二硫化钼器件的光响应曲线。
[0027]图中：CMOS电路层(1)、低维材料器件功能层(2)、低维材料器件(3)、电极接口(4)、输入/输出接口(5)。
具体实施方式
[0028]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术的保护范围。
[0029]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。如图1所示，所述低维材料/CMOS片上集成芯片由低维材料器件功能层2和CMOS电路层1组成；所述CMOS电路层1为使用CMOS工艺流片生产的读出电路芯片，预留了用于互联低维材料器件3阵列的电极接口4阵列；
[0030]所述低维材料器件功能层2由低维材料器件3阵列组成；
[0031]所述低维材料器件功能层2和CMOS电路层1之间通过CMOS电路层1上表面预留的电极接口4阵列与低维材料器件3阵列相互连接。
[0032]进一步地，所述组成功能层2的低维材料器件3为二维材料器件或薄膜材料器件。
[0033]进一步地，所述读出电路芯片为实现对低维材料器件3阵列的信号读出、处理、控制和输出的电路芯片；该芯片在设计时预留了用于互联低维材料器件3阵列的电极接口4阵列。该芯片通过输入/输出接口5(I/O Pad)实现与片外的信息交互，例如芯片寄存器配置、芯片信号输出。
[0034]进一步地，所述低维材料器件3产生的信号，由CMOS电路层1通过电极接口4读出、处理；并由CMOS电路层1通过输入/输出接口5输出信号到片外。
[0035]进一步地，所述的低维材料器件3可以由CMOS电路层1通过电极接口4提供器件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低维材料/CMOS片上集成芯片，其特征在于，所述低维材料/CMOS片上集成芯片由低维材料器件功能层(2)和CMOS电路层(1)组成；所述CMOS电路层(1)为使用CMOS工艺流片生产的读出电路芯片，预留了用于互联低维材料器件(3)阵列的电极接口(4)阵列；所述低维材料器件功能层(2)由低维材料器件(3)阵列组成；所述低维材料器件功能层(2)和CMOS电路层(1)之间通过CMOS电路层(1)上表面预留的电极接口(4)阵列与低维材料器件(3)阵列相互连接。2.根据权利要求1所提出的低维材料/CMOS片上集成芯片，其特征在于，组成低维材料器件功能层(2)的低维材料器件(3)为二维材料器件或薄膜材料器件。3.根据权利要求1所提出的低维材料/CMOS片上集成芯片，其特征在于，所述读出电路芯片为实现对低维材料器件(3)阵列的信号读出、处理、控制和输出的电路芯片；读出电路芯片通过输入/输出接口(5)实现与片外的信息交互。4.根据权利要求3所提出的低维材料/CMOS片上集成芯片，其特征在于，所述低维材料器件(3)产生的信号，由CMOS电路层(1)通过电极接口(4)读出、处理；并由CMOS电路层(1)通...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐杨，宁浩，汪晓晨，谢永亮，蔺江铭，俞滨，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：