單片型3D芯片集成技術(shù)與TSV的研究

盡管晶體管的延遲時(shí)間會(huì)隨著晶體管溝道長度尺寸的縮小而縮短，但與此同時(shí)互聯(lián)電路部分的延遲則會(huì)提升。舉例而言，90nm制程晶體管的延遲時(shí)間大約在 1.6ps左右，而此時(shí)互聯(lián)電路中每1mm長度尺寸的互聯(lián)線路，其延遲時(shí)間會(huì)增加500ps左右;根據(jù)ITRS技術(shù)發(fā)展路線圖的預(yù)計(jì)，到22nm制程節(jié)點(diǎn)，晶體管的延遲時(shí)間會(huì)達(dá)到0.4ps水平，而互聯(lián)線路的延遲則會(huì)增加到1萬ps水平。

　　對(duì)晶體管而言，晶體管的尺寸越小則運(yùn)行速度也越快，但與此同時(shí)，互聯(lián)層線路的電阻則會(huì)隨著線路截面積的縮小而增大。表面散射現(xiàn)象，晶界散射現(xiàn)象，和擴(kuò)散勢壘層(這里指防止互聯(lián)層金屬材料相互擴(kuò)散而制成的擴(kuò)散阻擋層)電阻值的不斷增加，是導(dǎo)致互聯(lián)層RC延遲增加的主要原因。雖然3D集成(3-D integration)技術(shù)的顯見優(yōu)點(diǎn)之一是可以減小互聯(lián)線的長度，但是同時(shí)這種技術(shù)的應(yīng)用能否對(duì)減小板級(jí)，或線路極互聯(lián)線長度起到積極作用也是應(yīng)該考慮的。

　　以TSV為核心的3D集成技術(shù)：

　　以TSV穿硅互聯(lián)技術(shù)為核心的3D集成技術(shù)主要影響的是芯片之間的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此這種技術(shù)主要減小的是芯片間互聯(lián)需用的電路板面積。這種技術(shù)一般是采用將多塊存儲(chǔ)或邏輯功能芯片垂直堆疊在一起，并將堆疊結(jié)構(gòu)中上一層芯中制出的TSV連接在下層芯片頂部的焊墊(Bond pad)上的方式來實(shí)現(xiàn)。不過此時(shí)堆疊結(jié)構(gòu)中的每一層芯片都采用獨(dú)自的設(shè)計(jì)，仍為傳統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)，因此每一層芯片內(nèi)部的電路級(jí)互聯(lián)仍為傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)。

　　單片型3D堆疊技術(shù)：(MonolithIC 3D)

　　相比之下，單片型3D技術(shù)中，芯片內(nèi)部互聯(lián)層的3D化則更加徹底，因此人們通常稱這種技術(shù)為“真3D集成設(shè)計(jì)”。此時(shí)芯片堆疊結(jié)構(gòu)中每一層芯片均作為整體中的一個(gè)功能單元來設(shè)計(jì)，這樣堆疊結(jié)構(gòu)中各層芯片(此時(shí)應(yīng)當(dāng)稱之為功能單元可能較為合適些)內(nèi)部都可以采用同樣的互聯(lián)結(jié)構(gòu)(不論是垂直方向，還是水平方向的互聯(lián))，因此這種設(shè)計(jì)可以讓互聯(lián)線的長度進(jìn)一步降低。而且由于采用統(tǒng)一化設(shè)計(jì)，信號(hào)中繼電路等所占用的面積也更小，因此芯片的總體占地面積可以更小。根據(jù)華盛頓大學(xué)Lili Zhou等人在ICCD2007會(huì)議上發(fā)表的論文，這種真3D集成設(shè)計(jì)可以令芯片的尺寸減半，互聯(lián)線總長度則可減小2/3.

　　SOI晶圓廠商Soitec的SMARTCUT技術(shù)

　　單片型3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于如何將各層功能單元轉(zhuǎn)換到單片3D堆疊結(jié)構(gòu)之中去，其采用的方法非常類似于Soitec在制作SOI晶圓時(shí)所采用的SMARTCUT技術(shù)。由于單片3D堆疊芯片中的過孔只需要從各層功能單元的有源層(Active layer：簡單說就是晶體管中覆蓋在柵絕緣層之下的部分)部分穿過，因此其尺寸要比常規(guī)的TSV小得多，僅比2D芯片頂部互聯(lián)層的尺寸大3倍左右。據(jù)研發(fā)這種技術(shù)的公司宣稱，在許多應(yīng)用中，這種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的芯片微縮程度可相當(dāng)于進(jìn)步了一個(gè)制程級(jí)別的水平，而且同時(shí)還不需要研發(fā)特別的制程技術(shù)或者購買昂貴的專用制造設(shè)備。

　　表面上看，單片型3D技術(shù)的特性是非常引人入勝的，但是由于目前這項(xiàng)技術(shù)還未能完全實(shí)現(xiàn)，因此現(xiàn)在要評(píng)估這項(xiàng)技術(shù)的未來發(fā)展?fàn)顩r難度極大。