【芯論語(yǔ)】科普：芯片中的“層”，“層層”全解析

前言：集成電路(芯片)是用光刻為特征的制造工藝，一層一層制造而成。所以,芯片技術(shù)中就有了“層”的概念。那么，芯片技術(shù)中有多少關(guān)于“層”的概念？媒體報(bào)道說(shuō)美光公司推出了176層的3D NAND閃存芯片，這里的“層”又是什么意思？本文從科普的視角，來(lái)個(gè)“層層”全解析。

要說(shuō)明芯片技術(shù)中“層”的概念，要先大致了解一下芯片的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。這些科普內(nèi)容已在我的另一片文章“【芯論語(yǔ)】光刻如何一步一步變成了芯片制造的卡脖子技術(shù)？”中介紹過(guò)[5]。該文介紹了光刻工藝如何按照芯片設(shè)計(jì)布圖(Layout)，一層一層把不同的半導(dǎo)體材料制作在硅片上，最后形成了一個(gè)有結(jié)構(gòu)的電路元器件層的過(guò)程。本文不再展開(kāi)論述，僅引用了這篇文章中如下兩張圖加以說(shuō)明。

圖1.光刻工藝過(guò)程的示意圖

圖2.多次光刻工序“堆疊”形成立體的電路結(jié)構(gòu)

圖1是光刻工藝過(guò)程的示意圖。圖2a是芯片布圖上一個(gè)晶體管的設(shè)計(jì)布圖，芯片布圖在制造準(zhǔn)備過(guò)程中被分離成多個(gè)掩膜圖案，并制成一套多張的掩膜版(圖2b)。芯片制造廠按照工藝順序安排，逐層把掩膜版上的圖案制作在硅片上，形成了一個(gè)立體的晶體管(圖2c)。

一個(gè)芯片上可以包含數(shù)億～數(shù)百億個(gè)晶體管，并經(jīng)過(guò)互連實(shí)現(xiàn)了芯片的整體電路功能。經(jīng)過(guò)制造工藝的各道工序后，這些晶體管將被同時(shí)加工出來(lái)。并且，在硅晶圓上整齊排滿了數(shù)量巨大的相同芯片，經(jīng)過(guò)制造工藝的各道工序后，這些芯片也將被同時(shí)加工出來(lái)。

一、材料介質(zhì)層 vs 電路層

參見(jiàn)圖3，芯片布圖上的每一層圖案用不同顏色標(biāo)示。對(duì)應(yīng)每一層的圖案，制造過(guò)程會(huì)在硅晶圓上制做出一層由半導(dǎo)體材料或介質(zhì)構(gòu)成的圖形。本文把這些圖形層稱之為材料介質(zhì)層。例如P型襯底層、N型擴(kuò)散區(qū)層、氧化膜絕緣層、多晶硅層、金屬連線層等。芯片布圖有多少層，制造完成后的硅晶圓上基本就有多少材料介質(zhì)層。根據(jù)工藝安排，材料介質(zhì)層的層數(shù)也許還會(huì)有增加。

圖3.芯片布圖中的晶體管與硅片上制作而成的立體的晶體管的對(duì)應(yīng)示意圖

芯片制造就是按照芯片布圖，在硅晶圓上逐層制做材料介質(zhì)層的過(guò)程。材料介質(zhì)層在硅晶圓上疊加在一起，就形成了整個(gè)芯片上，乃至整個(gè)硅晶圓上所有的電路元器件。它們主要包括晶體管(三極管)、存儲(chǔ)單元、二極管、電阻、連線、引腳等。

圖4.芯片微觀示意圖 (從材料介質(zhì)層角度看是縱橫交錯(cuò)的線條，從電路層角度看是平鋪在硅片上的一層電路元器件)

這些電路元器件從材料介質(zhì)層的角度上看是有結(jié)構(gòu)的、立體的。但是，電路元器件是平面分布在硅片上，乃至整個(gè)硅晶圓上，它們是二維(2D)分布的，是一個(gè)平面層。本文把硅晶圓上的電路元器件層稱之為電路層。這樣的芯片裸片封裝起來(lái)就是早期傳統(tǒng)的平面芯片(2D芯片)。

二、平面結(jié)構(gòu)器件 vs 側(cè)向結(jié)構(gòu)器件

電路層中，早期電路元器件的結(jié)構(gòu)是平面擺放的，稱為平面(Planar)結(jié)構(gòu)器件。為了提高芯片集成度，電路元器件特別是晶體管尺寸一直在按照摩爾定律縮小，當(dāng)器件尺寸縮小到不能再縮小的時(shí)候，業(yè)界發(fā)明了把電路元器件豎起來(lái)的結(jié)構(gòu)形式，以縮小芯片面積。有人把這種豎起來(lái)的器件稱為三維 (3D)、立體的結(jié)構(gòu)器件。筆者覺(jué)得將其稱為側(cè)向(Sideways)結(jié)構(gòu)器件更為準(zhǔn)確。因?yàn)槿缯撈矫娼Y(jié)構(gòu)器件還是側(cè)向結(jié)構(gòu)器件，雖然從材料介質(zhì)層角度看都是立體的，但是從元器件整體來(lái)看，它們平面分布在硅晶圓上，只是一層電路元器件，并沒(méi)有立體的概念。

圖5.平面和側(cè)向的晶體管結(jié)構(gòu)

圖6.平面和側(cè)向的閃存單元結(jié)構(gòu)

早期的芯片制造工藝比較傳統(tǒng)，在硅晶圓上只能制造一個(gè)電路層。以圖5所示的晶體管和圖6所示的閃存單元舉例，電路元器件的結(jié)構(gòu)不管是平面的(圖5a、圖6a)，或者是側(cè)向的(圖5b、圖6b)，元器件上面不再有元器件的堆疊。經(jīng)過(guò)電路層制造、劃片、封裝和測(cè)試，就完成了芯片制造的全過(guò)程。這種單個(gè)電路層的芯片就是早期傳統(tǒng)的平面芯片(2D芯片)。

三、多層芯片堆疊封裝，形成偽3D芯片

隨著芯片封裝工藝進(jìn)步，為了縮小芯片尺寸，業(yè)界發(fā)明了多層芯片堆疊封裝技術(shù)。開(kāi)始時(shí)，堆疊封裝是把多個(gè)芯片裸片堆疊放置在一起，把芯片之間的信號(hào)通過(guò)邦定(bonding)技術(shù)連結(jié)，組成內(nèi)部的完整系統(tǒng)，再把外部信號(hào)通過(guò)封裝引腳外連，最后封裝成為一個(gè)完整芯片(圖7a)。后來(lái)，業(yè)界發(fā)明了硅通孔(TSV)技術(shù)，堆疊的芯片裸片之間的信號(hào)是通過(guò)TSV連接，形成了更加緊湊的多芯片堆疊封裝芯片(圖7b)。

圖7.多芯片堆疊封裝示意圖(來(lái)源：Jin-Fu Li,EE,NCU)

這種芯片內(nèi)部有多個(gè)電路層，它們可以稱為立體芯片，或者稱為3D芯片。但是，這種3D芯片是在封裝階段通過(guò)多層芯片裸片堆疊形成的，從芯片制造角度看，這種3D芯片只能看作是偽3D芯片。

四、多層電路層堆疊制造，形成真3D芯片

目前，芯片制造工藝已發(fā)展到爐火純青的地步。為了節(jié)省硅片面積，在下面的電路層制作完成之后，可以繼續(xù)在其上制做另一層電路層，形成兩個(gè)、甚至多個(gè)電路層在硅晶圓上的堆疊，在芯片制造階段就完成了3D芯片的制造。這樣就實(shí)現(xiàn)了真正意義上的立體芯片，也簡(jiǎn)稱3D芯片。

這種技術(shù)目前主要用在3DNAND閃存等很規(guī)則的芯片制造領(lǐng)域。存儲(chǔ)單元(Memory Cell)采用側(cè)向結(jié)構(gòu)。一般地，閃存芯片如果號(hào)稱是N層的NAND閃存，就至少有N個(gè)電路層。目前，三星的3D V-NAND存儲(chǔ)單元的層數(shù)已由2009年的2層逐漸提升至24層、64層，再到2018年的96層[2]，2019年8月完成128層V-NAND閃存的開(kāi)發(fā)，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。三星計(jì)劃2021年下半年則會(huì)量產(chǎn)第7代V-NAND閃存,堆疊層數(shù)提升到176層。美光已發(fā)布了采用最新技術(shù)的第五代176層3D NAND閃存芯片[4]。

圖8.3D NAND閃存芯片的多電路層堆疊結(jié)構(gòu)示意圖

(來(lái)源：參考資料2，經(jīng)作者整理)

在國(guó)內(nèi)，長(zhǎng)江存儲(chǔ)2017年7月研制成功了國(guó)內(nèi)首顆3D NAND閃存芯片；2018年三季度32層產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；2019年三季度64層產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。目前已宣布成功研發(fā)出128層3D NAND閃存芯片系列[3]。長(zhǎng)江存儲(chǔ)3D NAND閃存技術(shù)的快速發(fā)展，得益于其獨(dú)創(chuàng)的“把存儲(chǔ)陣列(Cell Array)和外圍控制電路(Periphery)分開(kāi)制造，再合并封裝在一起”的XtackingTM技術(shù)。

據(jù)報(bào)道，美光最新一代的176層3D NAND將直接取代96層的版本。目前已知的是，美光首批176層3D NAND采用了將雙88層融合到一起的設(shè)計(jì)(堆疊512Gbit TLC閃存)。該芯片技術(shù)換用了電荷陷阱存儲(chǔ)單元的方案，似乎也極大地降低了每一層的厚度。目前176層的裸片僅為45μm，與美光的64層浮柵3D NAND相同。16層裸片堆疊式封裝的厚度不到1.5 mm，適用于大多數(shù)移動(dòng)/存儲(chǔ)卡使用場(chǎng)景[4]。

后記：本文通過(guò)光刻技術(shù)和芯片制造技術(shù)介紹，理清了芯片技術(shù)中的材料介質(zhì)層與電路層的概念，從而更清楚知道什么是2D芯片，什么是3D芯片？也了解到目前的3D閃存芯片，在制造時(shí)就可以堆疊集成多達(dá)176層的電路層。更甚者，這種3D芯片在封裝時(shí)還可以進(jìn)行多達(dá)16層裸片的堆疊封裝。在一塊厚度不到1.5mm的閃存卡中，竟然有多達(dá)2816層的電路層在工作，芯片技術(shù)的精妙之處可見(jiàn)一斑。

參考資料：

1.Helen，什么是3D NAND？與2D NAND相比有什么優(yōu)勢(shì)？，中國(guó)閃存市場(chǎng)：https://www.chinaflashmarket.com/Instructor/163856，2018.11.6

2.天極網(wǎng)，一文讓你看懂三星第五代V-NAND技術(shù)，搜狐：https://www.sohu.com/a/299871029_115479，2019.3.8

3.愛(ài)集微，長(zhǎng)江存儲(chǔ)宣布成功研發(fā)128層3D NAND Flash芯片系列，電子發(fā)燒友：http://www.elecfans.com/d/1286790.html，2020.9.2

4.cnBeta，美光發(fā)布第五代3D NAND閃存堆疊達(dá)到176層，百度：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1682951127434407581，2020.11.10

5.天高云淡，【芯論語(yǔ)】光刻如何一步一步變成了芯片制造的卡脖子技術(shù)？，騰訊網(wǎng)：https://mp.weixin.qq.com/s/wC4Q31J26DGnHZFaA6ldwQ，2020.11.30