一种集成系统的多功能二维闪存芯片

二维材料即使在单层厚度下也具有优异的电子特性，范德华异质结（由弱范德华力结合的层状结构）还能精确调控电子能带。这些特性使二维电子器件突破了硅技术的尺寸限制，并催生了全新的器件机制，例如二维闪存相比传统硅闪存，在编程速度和通道长度缩小方面更具优势。不过，二维半导体目前还无法实现与先进硅技术相当的逻辑电路，因此将二维电子器件与成熟的硅CMOS逻辑电路结合，成为在系统层面展现二维电子优势的重要途径。

然而，将二维器件集成到CMOS平台面临诸多挑战：CMOS芯片表面粗糙（经化学机械抛光后粗糙度仍达1-2纳米），会给原子级薄层的二维材料带来随机应力和界面气隙，影响其电学特性；需要合适的三维架构来兼容二维器件与CMOS平台；二维材料对电热机械冲击敏感，传统封装工艺易造成损伤。此外，二维电子与CMOS平台的跨平台系统设计也是一片空白。

为此，本研究提出了ATOM2CHIP技术，通过全栈片上工艺和跨平台系统设计，成功研制出全功能二维NOR闪存芯片。全栈片上工艺包括：1）共形附着工艺，使二维材料紧密贴合粗糙的CMOS表面，缓解应力，确保器件性能稳定；2）模块化三维架构，将二维存储核心与CMOS平台分别设计为功能模块，通过专用界面连接，将兼容性问题转化为界面设计问题；3）二维友好封装工艺，采用区域特异性静电放电保护、低热低应力超声键合和室温固化粘片，避免二维材料损伤。该工艺使芯片良率达到94.34%。

跨平台系统设计方面，通过串扰抑制（采用NOR架构和半选方案）、电压域兼容（电源开关模块采用隔离环和深埋N阱设计）、阻抗匹配（缓冲器逆变器链优化）和读出放大器优化（隔离位线寄生电容，提升70%读取速度），实现了8位指令、32位并行度、指令驱动的复杂功能芯片。

全芯片测试显示，该二维NOR闪存芯片在5MHz时钟下可实现指令驱动操作，棋盘图案编程准确率达93.55%，功耗接近商用NOR闪存。二维闪存单元具有20纳秒快速操作和0.644皮焦/位的低能耗，数据保持能力和耐久性良好。这项成果为二维电子器件从概念走向实用化提供了完整框架，展示了高效的系统集成策略和二维电子系统的优势。