多維設(shè)計(jì)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(dǎo)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(dǎo)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(jì)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(wù)，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(yáng)的1Gbit移動DRAM（計(jì)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(fèi)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(yàn)之談，IBM聲稱現(xiàn)在已經(jīng)認(rèn)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(luò)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(jì)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(wù)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(dǎo)熱性比硅要好（像金屬）。3M公司承諾在兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)這種神奇材料的商用化。

“現(xiàn)在我們正在做試驗(yàn)，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(rèn)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(yuǎn)。

“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(rèn)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(shí)上，TezzaronSemiconductor公司為其鎢硅通孔工藝提供3DIC設(shè)計(jì)服務(wù)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(dá)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(rèn)為3DIC設(shè)計(jì)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(diǎn)一點(diǎn)都不令人奇怪，因?yàn)樗罱慕巧荌P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(jìn)的技術(shù)應(yīng)該是使用硅通孔的3D芯片堆疊，而且每家主要的半導(dǎo)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(jìn)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(dú)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(jìn)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?cái)?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(shí)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(jì)師脫離矩形的“農(nóng)場地”框框的束縛，使他們在設(shè)計(jì)芯片版圖時更像是在設(shè)計(jì)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(dá)到新的集成度，因?yàn)檎麄€系統(tǒng)可以組合成單個硅塊。

“3DIC帶來的最重要影響是遠(yuǎn)離農(nóng)場式設(shè)計(jì)的機(jī)會，這種農(nóng)場式設(shè)計(jì)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(jì)師可以從裸片上切割出方形、三角形和圓形進(jìn)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(jì)帶來許多新的想法。設(shè)計(jì)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?xùn)|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(dǎo)體協(xié)會都在研究制訂3D技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國際半導(dǎo)體設(shè)備與材料組織（SEMI）有4個小組專攻3DIC標(biāo)準(zhǔn)。其三維堆疊式集成電路標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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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