近日，復旦大學周鵬、劉春森團隊在二維電子學領域取得突破性進展，突破性成功研發出二維-硅基混合架構全功能 2D NOR 閃存芯片。該成果以 “A full-featured 2D flash chip enabled by system integration" 為題發表于《Nature》期刊，而小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3在芯片核心電路模塊加工中發揮關鍵支撐作用，這也是該設備助力發表的第7篇 Nature 正刊。

二維電子學應用轉化的三大核心瓶頸

二維材料有著優異的電子性能（如高載流子遷移率、可調控能帶結構）及范德華異質結特性，是成為突破硅基技術縮放極限的關鍵方向，尤其是在存儲領域，二維閃存相比傳統硅閃存，具備更快的福勒-諾德海姆（Fowler-Nordheim）隧穿編程速度和更優的通道長度縮放能力。

然而，2D電子學向系統級集成與實際應用轉化仍面臨三大核心瓶頸：1）2D與CMOS集成兼容性差：CMOS芯片表面經化學機械拋光后仍存在1-2 nm的粗糙度（遠高于2D材料所需的<300pm平整基底），會導致2D材料產生隨機應力和界面空隙，破壞其電學性能；2）片上工藝與封裝難： 2D材料對電-熱-機械（ETM）沖擊極敏感，傳統封裝（高溫鍵合、機械應力）易導致其性能退化甚至損壞；3）缺乏2D電路與CMOS模塊的協同仿真-驗證方法。

ATOM2CHIP 技術實現高效集成，MicroWriter ML3 提供關鍵工藝支撐

針對上述瓶頸，復旦大學周鵬、劉春森團隊創新性提出原子器件到芯片（ATOM2CHIP）技術，通過“全棧片上工藝+跨平臺系統設計"的雙重創新，實現2D NOR閃存模塊與CMOS平臺的高效集成，最終制備出全功能2D NOR閃存芯片。

在該芯片的核心工藝環節，團隊采用小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3完成了關鍵加工任務，包括字線/位線/源線緩沖器、二硫化鉬溝道、HfO?/Pt/HfO?存儲堆疊的貫穿過孔等核心電路模塊。

MicroWriter ML3 之所以成為該前沿研究的優選設備，得益于其四大核心優勢：一是緊湊性，設備外觀尺寸僅為70 cm X 70 cm X 70 cm，節省了實驗空間；二是高精度，具備0.4 μm的加工分辨率，滿足微納尺度核心結構的加工要求；三是高效性，加工速度可達180 mm²/min，保障研發進程效率；四是穩定性，擁有很高的加工重現性，為實驗數據的可靠性與芯片良率提供堅實保障。這些特性使其成為各個實驗室微納加工的設備。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3

【精彩圖文展示】

基于 ATOM2CHIP 技術的全功能二維閃存芯片

a. 基于 ATOM2CHIP 技術的技術藍圖，用于將原子級器件概念轉化為通過流片驗證的芯片。

b. 采用商用 0.13 微米技術節點制造的 CMOS 管芯。左圖為包含所制造 CMOS 管芯的 8 英寸晶圓；中圖為 CMOS 管芯的光學圖像；右圖為主要模塊的功能說明。

c. 二維閃存芯片的光學圖像。二維閃存模塊集成于 CMOS 管芯上方，通過貫通玻璃孔TGVs實現連接。

d. 二維閃存芯片的掃描透射電鏡（STEM）和高分辨透射電鏡（HR-TEM）圖像。STEM 圖像證實了 CMOS 管芯與二維閃存模塊的集成結構。HR-TEM 圖像展示了二維閃存單元的逐級放大剖面。比例尺：c 圖為 250 微米；d 圖左為 1 微米；d 圖右上為 200 納米；d 圖右下為 5 納米。

全棧式片上工藝

a. 所制備二維閃存芯片的三維架構。左圖：CMOS 管芯作為襯底，其上設有 800 納米的鈍化層（PA 層）用于隔離，以及用于信號傳輸的貫通玻璃孔（TGVs）；右圖：通過模塊化設計將兼容性問題轉化為二維 - CMOS 模塊的接口設計問題。

b. CMOS 管芯的放大光學顯微圖像，突出展示了密集的隨機電路布線。插圖：對應的原子力顯微鏡（AFM）圖像，均方根粗糙度（RMS）為 1.35 納米（振幅范圍 5 納米）。

c. 集成于 CMOS 管芯上的二維閃存的 AFM 圖像（振幅范圍 8 納米）。二維材料與粗糙 CMOS 管芯表面的共形附著有助于應力釋放。

d. 二維閃存存儲窗口表征的統計結果。通過共形附著片上工藝制備的二維閃存單元，其開關態閾值電壓（Vth）分布緊湊且可區分（紅色實線，數據取自擴展數據圖 1a 中的 60 個單元）；受良率和均勻性限制導致的非理想特性，表現為分布更寬且存在重疊（藍色虛線）。

e. 二維友好型封裝中綜合保護方案的示意圖。左圖：分區靜電放電（ESD）保護設計 ——ESD1 用于字線 / 位線 / 源極線（WL/BL/SL），ESD2 用于電源 / 地（VDD/VSS），ESD3 用于輸入端，ESD4 用于輸出端；陰影區域表示與對應焊盤相連的內部電路。右上：二維專用超聲鍵合（右側，低熱預算、低應變）與傳統熱壓鍵合（左側，高熱預算、高應變）的對比。右下：芯片貼裝過程中的室溫固化工藝。比例尺：b、c 圖為 5 微米。

芯片核心性能與技術突破

全功能2D NOR閃存芯片基于ATOM2CHIP技術構建，通過全棧片上工藝（共形附著、模塊化3D架構、2D友好封裝），解決了2D材料在粗糙CMOS基底上的集成難題，實現94.34%的高良率； 2D閃存單元具備20 ns超快操作速度與0.644pJ/bit低能耗，芯片支持32位并行、指令驅動與隨機訪問，滿足系統級應用需求；創新性建立“2D器件-CMOS平臺"的協同集成框架，為2D電子學向實際應用轉化提供了可復用的技術范式。