多維設(shè)計技術(shù)力促3D芯片

您可能聽說過這樣的宣傳：隨著目前還是平面結(jié)構(gòu)的裸片向多層結(jié)構(gòu)的過渡，半導體制造基礎(chǔ)在今后幾年內(nèi)將發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。為了使這種多層結(jié)構(gòu)具有可制造性，全球主要半導體組織作出了近10年的不懈努力，從明年開始三維（3D）IC將正式開始商用化生產(chǎn)——比原計劃落后了好幾年。

芯片制造商用了好幾年時間才使得用于互連3DIC的硅通孔（TSV）技術(shù)逐漸成熟。雖然硅通孔技術(shù)一直用于2D任務，比如將數(shù)據(jù)從平面芯片的前面?zhèn)魉偷椒疵娴耐箟K，但使用堆疊裸片的3DIC已經(jīng)排上議事日程。

去年舉行的國際固態(tài)電路會議主要討論的內(nèi)容是“近似3D”芯片，如三星公開宣揚的1Gbit移動DRAM（計劃到2013年躍升至4Gbit）。三星的這種2.5D技術(shù)非常適合位于系統(tǒng)級芯片之上且?guī)Ч柰缀臀⑼箟K的堆疊式DRAM裸片。

今年秋季則迎來第二個重大的2.5D成功事件，賽靈思公司推出一種使用某封裝工藝的多FPGA解決方案，這種工藝可在硅中介層上互連4個并排且?guī)⑼箟K的Virtex-7FPGA。臺灣的臺積電（TSMC）公司正在生產(chǎn)這種硅中介層，該中介層使用硅通孔技術(shù)重新分配FPGA的互連，而硅通孔則匹配使用受控塌陷芯片連接（C4）的基板封裝上的銅球。臺積電公司承諾明年將向其它代工客戶提供其開創(chuàng)性的2.5D至3D轉(zhuǎn)換技術(shù)。

然而，2011年令人驚訝的3DIC發(fā)布來自IBM。據(jù)IBM公司最近透露，公司正在秘密地大批量生產(chǎn)大眾化移動消費設(shè)備使用的成熟3DIC產(chǎn)品，盡管使用的是低密度硅通孔技術(shù)。作為收獲的經(jīng)驗之談，IBM聲稱現(xiàn)在已經(jīng)認識到3D芯片制造中的遺留工程技術(shù)問題，并表示有望在2012年解決這些問題。

“擁有一技之長的年代已經(jīng)過去。”IBM公司研究副總裁BernardMeyerson表示，“如果您僅依靠材料，或芯片架構(gòu)，或網(wǎng)絡架構(gòu)，或軟件和集成，您就可能無法贏得3D性能戰(zhàn)爭。要想打贏這場戰(zhàn)爭，您需要以盡可能最全面的角度使用所有這些資源。”

近期，IBM宣布聯(lián)合3M公司并開始研討創(chuàng)建設(shè)計師材料——就像是Meyerson描述的尋找“一個真正高的矮人”——這種材料將解決3DIC生產(chǎn)中面臨的最終工程技術(shù)問題：過熱。3M的任務是創(chuàng)建一種適合堆疊裸片間使用的底部填充材料，這是一種電氣絕緣材料（像電介質(zhì)），但導熱性比硅要好（像金屬）。3M公司承諾在兩年內(nèi)實現(xiàn)這種神奇材料的商用化。

“現(xiàn)在我們正在做試驗，到2013年我們希望開始廣泛的商用。”3M公司電子市場材料事業(yè)部技術(shù)總監(jiān)陳明（音譯）表示。

一些分析師不認為IBM-3M聯(lián)合研發(fā)努力會使他們的產(chǎn)品在3DIC領(lǐng)域中走得比別人更遠。

“3M正在研制的底部填充材料將解決3D堆疊中遇到的散熱問題。”MEMS投資者雜志高級封裝技術(shù)首席分析師FrancoisevonTrapp表示，“雖然在大批量生產(chǎn)3DIC之前肯定需要解決遺留下來的一些限制，但我認為任何人都不會相信這是解決3D堆疊遺留問題的終極方案。”

3D無處不在

即使IBM宣稱的領(lǐng)先的3DIC生產(chǎn)技術(shù)也不是沒有挑戰(zhàn)者。事實上，TezzaronSemiconductor公司為其鎢硅通孔工藝提供3DIC設(shè)計服務已經(jīng)有多年時間了。Tezzaron的FaStack工藝可以從薄至12微米晶圓上的異質(zhì)裸片創(chuàng)建3D芯片。這種工藝具有針對堆疊式DRAM的寬I/O特性，而且其亞微米互連密度高達每平方毫米100萬個硅通孔。

去年獲得EETimes年度ACE創(chuàng)新大獎的ZviOr-Bach則認為3DIC設(shè)計師需要從硅通過技術(shù)過渡到超高密度的單片3D技術(shù)。對Or-Bach來說這個觀點一點都不令人奇怪，因為他最近的角色是IP開發(fā)公司MonolithIC3DInc的總裁兼首席執(zhí)行官。而BeSangInc等新創(chuàng)企業(yè)聲稱正在制造無硅通孔的單片3D內(nèi)存芯片原型，并有望于2012年首次亮相。

然而，目前最先進的技術(shù)應該是使用硅通孔的3D芯片堆疊，而且每家主要的半導體公司都在研究這種技術(shù)。“IBM將這種技術(shù)發(fā)揮至了極致，并突破傳統(tǒng)思維與3M公司開展合作。然而，IBM公司在3D領(lǐng)域做出的每次進步都將激發(fā)三星、Intel和臺積電等競爭對手的創(chuàng)造性，所有這些公司都在獨立開發(fā)3DIC技術(shù)。”市場觀察人士、TheEnvisioneeringGroup總監(jiān)RichardDoherty指出。

生產(chǎn)3DIC的技術(shù)并不是很新的技術(shù)，目前的工作專注于進一步完善。舉例來說，現(xiàn)在許多CMOS成像器使用硅通孔將像素數(shù)據(jù)從前面帶到基板后面，而堆疊芯片想法本身可以追溯到大約1958年頒發(fā)給晶體管先驅(qū)WilliamShockley的早期專利。從那以后，業(yè)界已經(jīng)使用了許多堆疊式裸片配置——例如，將MEMS傳感器堆疊在ASIC之上，或?qū)⑿〉腄RAM堆疊在處理器內(nèi)核上——但通常是使用綁定線實現(xiàn)互連。

從綁定線轉(zhuǎn)變到硅通孔能使互連密度更高，還能幫助設(shè)計師脫離矩形的“農(nóng)場地”框框的束縛，使他們在設(shè)計芯片版圖時更像是在設(shè)計電路板。沒有電路的區(qū)域可以用于其它結(jié)構(gòu)，例如垂直互連總線甚至用于冷空氣的煙道。異質(zhì)3D堆疊式裸片還能達到新的集成度，因為整個系統(tǒng)可以組合成單個硅塊。

“3DIC帶來的最重要影響是遠離農(nóng)場式設(shè)計的機會，這種農(nóng)場式設(shè)計是將每個芯片分割成相鄰且完全拼接式的矩形塊。”Doherty指出，“與用光芯片上的所有面積不同，3D芯片設(shè)計師可以從裸片上切割出方形、三角形和圓形進行垂直互連，并很好地釋放出熱量。”

“3D技術(shù)可以給芯片設(shè)計帶來許多新的想法。設(shè)計師必須采用不同的思維方式，以創(chuàng)新的方式組合他們的CPU、內(nèi)存和I/O功能，這是每樣東西只能在郵票大小的面積上并排放置的方法所不能做到的。”

有許多半導體協(xié)會都在研究制訂3D技術(shù)標準。國際半導體設(shè)備與材料組織（SEMI）有4個小組專攻3DIC標準。其三維堆疊式集成電路標準委員會包括SEMI成員Globalfoundries、惠普、IBM、Intel三星和UnitedMicroelectronicsCorp.（UMC）以及Amkor、ASE、歐洲的校際微電子中心（IMEC）、亞洲的工業(yè)技術(shù)研究院（ITRI）、奧林巴斯、高通、Semilab、東京電子和賽靈思公司。

圖1：賽靈思公司組合運用硅通孔和受控塌陷芯片連接焊球在臺積電生產(chǎn)的硅中介層上安裝4個FPGA。（圖片來源：賽靈思）

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