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隨著目前平面化的晶片開始出現(xiàn)多層式結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體制造的基礎(chǔ)將在未來幾年發(fā)生轉(zhuǎn)變。在全球主要的半導(dǎo)體工程領(lǐng)域花費(fèi)近十年的時間致力于使得這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)可制造化之后，立體的三維晶片(3D IC)終于可望在明年開始商用化──但這其實也已經(jīng)遠(yuǎn)落后于先前規(guī)劃的時程多年了。 過去幾年來，晶片制造商們一直在努力地使與3D IC互連的TSV技術(shù)更加完善。現(xiàn)在，TSV已經(jīng)可針對2D作業(yè)實現(xiàn)最佳化了，例如從平面晶片的正面?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)到背面的微凸塊，采用堆疊晶片的3D IC時代即將來臨。 去年冬天所舉行的國際固態(tài)電路會議(ISSCC)上所探討的主題幾乎都是3D晶片，例如三星(Samsung)公司大肆宣傳其1Gb行動DRAM，并計劃在2013年前量產(chǎn)4Gbit晶片。透過三星的2.5D技術(shù)，可使采用TSV的堆疊DRAM與系統(tǒng)級封裝(SiP)上的微凸塊密切配合。 預(yù)計今年秋天就能看到在2.5D技術(shù)方面的重大成就──賽靈思(Xilinx)公司將提供一種多級FPGA解決方案，它透過封裝技術(shù)而使四個平行排列的Virtex-7 FPGA與矽晶內(nèi)插器上的微凸塊實現(xiàn)互連。臺灣積體電路制造公司(TSMC)正在制造這種可為FPGA重新分配互連的矽晶內(nèi)插器──采用一種以‘塌陷高度控制晶片連接’(C4)技術(shù)接合基板封裝上銅球的TSV技術(shù)。臺積電承諾可望在明年為其代工客戶提供這種突破性的2.5D 至3D過渡技術(shù)。 然而，2011年所發(fā)布最令人驚喜的3D IC消息來自于IBM公司。該公司最近透露已經(jīng)秘密地大規(guī)模生產(chǎn)可用于大量行動消費(fèi)電子設(shè)備的成熟3D IC，不過使用的仍是低密度的TSV技術(shù)。由于累積了相當(dāng)?shù)募夹g(shù)經(jīng)驗，IBM聲稱目前已掌握了3D的其它工程障礙，并預(yù)計能在2012年時克服這些挑戰(zhàn)。 “憑藉一招半式闖天涯的時代已經(jīng)結(jié)束了，”IBM公司研究副總裁Bernard Meyerson指出，“如果只想依賴于某種材料、晶片架構(gòu)、網(wǎng)路、軟體或整合，就無法在3D性能戰(zhàn)中取得勝算。為了要在3D戰(zhàn)場上致勝，就必須盡可能地同時使用所有的資源。” IBM在今年九月宣布已經(jīng)與3M公司商討共同創(chuàng)造一種新的設(shè)計材料──這種材料可望解決3D IC最后剩余的工程障礙：過熱問題。3M公司的任務(wù)在于創(chuàng)造一種適合于堆疊晶片之間的填充材料，也是一種類似電介質(zhì)的電絕緣體，但比矽晶的導(dǎo)熱性更佳。3M承諾可在兩年內(nèi)使這種神奇的材料商用化。 “現(xiàn)在，我們一直在進(jìn)行試驗，希望能在2013年以前發(fā)展出一個可行的方案，以實現(xiàn)廣泛的商用化，”3M公司電子市場材料部門的技術(shù)總監(jiān)程明說。 然而，對于IBM-3M共同開發(fā)的努力能否使雙方公司處于3D IC競賽的領(lǐng)先位置，一些分析師們對此仍存疑。 “3M正在制造一種可為3D堆疊解決散熱問題的填充材料，”MEMS Investor Journal先進(jìn)封裝技術(shù)的首席分析師Francoise von Trapp說。“雖然這絕對是在3D IC量產(chǎn)前必需解決的挑戰(zhàn)之一，但我認(rèn)為它不見得就是解決3D堆疊其余問題的最后關(guān)鍵。” 3D無處不在 即使IBM公司聲稱已在3D IC生產(chǎn)方面領(lǐng)先，但市場上也不乏其它競爭廠商。事實上，美國Tezzaron Semiconductor已經(jīng)為其鎢TSV制程提供3D IC設(shè)計服務(wù)多年了。Tezzaron的FaStack制程可從厚度僅12亳米晶圓的異質(zhì)晶片中制造出3D晶片。它能以每平方毫米1百萬TSV深次微米互連的密度為堆疊DRAM提供Wide I/O。 連續(xù)創(chuàng)業(yè)的企業(yè)家Zvi Or-Bach指出，3D IC設(shè)計的焦點(diǎn)必須跳脫TSV至超高密度的單片式3D。Or-Bach會這么說，一點(diǎn)都不令人意外，因為他最近還成為了IP開發(fā)公司MonolithIC 3D Inc.的總裁兼CEO。另一家新創(chuàng)的BeSang公司也聲稱即將制造出不必使用TSV技術(shù)的單片式3D記憶體原型晶片，可望在2012年首次亮相。 然而，當(dāng)今最先進(jìn)的技術(shù)還是采用TSV的3D晶片堆疊，幾乎每一家主要的半導(dǎo)體公司都專注于這項技術(shù)的研發(fā)。“IBM公司更挑戰(zhàn)該技術(shù)極限，透過與3M公司的合作以尋求超越當(dāng)前架構(gòu)的其它可能性。然而，IBM在3D方面取得的每項進(jìn)展也將激起像三星(Samsung)、英特爾(Intel)與臺積電等競爭廠商的創(chuàng)造力，這些廠商們都已在3D IC方面各自展開相關(guān)開發(fā)工作，”市場觀察公司The Envisioneering Group總監(jiān)Richard Doherty表示。 用于制造3D IC的技術(shù)并不是最近才開發(fā)的，而當(dāng)今的工作重點(diǎn)在進(jìn)于一步提升這些技術(shù)。例如，目前許多 CMOS成像器以TSV將畫素數(shù)據(jù)從基板前面?zhèn)髦帘趁妫询B的概念可追溯到電晶體先驅(qū)William Shockley早在1958年時的專利。此后，堆疊晶片的配置常常被加以利用──例如在ASIC上堆疊MEMS感測器，或在處理器核心上堆疊一個小型DRAM－－但通常是使用焊線接合的方式來實現(xiàn)互連。 從焊線接合過渡到TSV的方式，使得互連更為密集。它還讓設(shè)計者們免于嚴(yán)格的矩形布局要求，讓他們能像設(shè)計電路板一樣地進(jìn)行晶片設(shè)計。缺乏電路的地區(qū)則可用于其他結(jié)構(gòu)，如垂直互連匯流排或甚至是制冷劑氣體的煙囪等。異質(zhì)的3D堆疊晶片還提高了整合度，讓整個系統(tǒng)可組合成一個單一的矽晶塊。 “3D IC最重要的是帶來一個擺脫農(nóng)場般架構(gòu)的機(jī)會，每個晶片分割為毗鄰的矩形區(qū)域，”Doherty說。“3D晶片設(shè)者所使用的方式并不是試圖使用晶片上的所有空間，而是開始從晶片上切割出正方形、三角形和圓形以實現(xiàn)垂直互連，并使其得以散熱。 “3D技術(shù)啟發(fā)了更多的晶片設(shè)計新思維。設(shè)計人員們現(xiàn)在能以創(chuàng)新的方式來結(jié)合CPU、記憶體與I/O功能，使他們必須采取不同的思考方式來進(jìn)行設(shè)計。這在過去一切都得并排設(shè)計的傳統(tǒng)方式是無法實現(xiàn)的。” 全球主要的的半導(dǎo)體組織都為3D技術(shù)展開各種標(biāo)準(zhǔn)建立工作。國際半導(dǎo)體設(shè)備材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SEMI)成立了四個致力于3D IC標(biāo)準(zhǔn)制定的工作小組。此外，其3DS-IC標(biāo)準(zhǔn)委員會包括SEMI會員Globalfoundries、HP、IBM、英特爾、三星與聯(lián)華電子(UMC)，以及Amkor、ASE、歐洲的IMEC、臺灣工研院(ITRI)、Olympus、高通(Qualcomm)、Semilab、Tokyo Electron與賽靈思等公司。 半導(dǎo)體制造聯(lián)盟(Sematech)已經(jīng)成立了一個3D晶片設(shè)計中心。參與成員包括Altera、ADI、LSI、安森美半導(dǎo)體(Semiconductor)和高通等公司。Sematech聯(lián)盟還在紐約州立大學(xué)阿爾巴尼分校科學(xué)與工程院設(shè)置一條300毫米的3D IC試產(chǎn)線。 比利時微子研究中心(IMEC)與Cascade Microtech公司合作為3D IC進(jìn)行測試與特征化。德國研究機(jī)構(gòu)Fraunhofer IZM表示可望在2014年以前將處理器、記憶體、邏輯、類比、MEMS和RF晶片整合于單片式3D IC中。 臺灣工研院贊助成立了一個3D IC聯(lián)盟，目前已有超過20家成員聯(lián)盟。聯(lián)盟中的許多廠商們均可望從明年初開始提供端至端的3D IC代工服務(wù)。 今年九月，在國際半導(dǎo)體展(Semicon)的3D IC技術(shù)論壇中，英特爾表示正致力于堆疊3D IC的開發(fā)工作(但這并不是指其FinFET三閘電晶體)。此外，在Semicon上，爾必達(dá)(Elpida)據(jù)稱其與力成科技(Powertech Technology)和聯(lián)電在2Gbit DRAM的共同研發(fā)上己取得了進(jìn)展，該合作團(tuán)隊采用了以高密度TSV連結(jié)的堆疊DDR3晶片。 聯(lián)合電子裝置工程協(xié)會(JEDEC)可望在今年底前率先為3D IC開發(fā)出Wide I/O標(biāo)準(zhǔn)。JEDEC規(guī)格將支援512位元寬的介面。 法國半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)CEA-LETI與意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)和矽晶內(nèi)插器制造商Shinko Electric Industries Co.共同合作，以推動2.5D至3D IC的順利過渡。該合作小組現(xiàn)于一座300毫米晶圓制造廠生產(chǎn)原型元件，預(yù)計最早在2012年推出商用化設(shè)計。 歐洲CMOSAIC專案則展開更長程的計劃，期望在2013年以前找到冷卻單片式3D IC堆疊的創(chuàng)新辦法。這項四年期的計劃還包括了蘇黎世IBM公司、巴黎高等洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)以及蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(the Swiss Federal Institute of Technology Zurich)等組織的共同參與。 Sidebar：IBM與3M攜手搶攻3D IC市場 IBM + 3M = 3D晶片。這已經(jīng)是一個瑯瑯上口的公式。“在這項合作計劃中，3M公司提供了可實現(xiàn)3D的技術(shù)平臺，”IBM公司研究副總裁Bernard Meyerson說。 經(jīng)過多年研究實現(xiàn)3D IC所需的每項元件技術(shù)后，IBM確定目前缺少一種非常重要的材料，因而決定與3M公司攜手共同創(chuàng)造這種材料。根據(jù)IBM表示，影響3D IC發(fā)展的關(guān)鍵障礙是一種未填充的材料，它可同時用來作為電絕緣體和熱導(dǎo)體，并從熱點(diǎn)耗散熱。IBM打算使用這種材料來接合3D結(jié)構(gòu)上包含冷卻劑的微流體通道。 “3M公司的技術(shù)能夠滿足3D IC接合的真正不同需求，”Meyerson說。 “我們既想要有無限的導(dǎo)熱接合劑，也想要電導(dǎo)率為零。” 根據(jù)Meyerson表示，最不利的限制是接合劑的熱膨脹系數(shù)必須與用于互連的金屬配合；否則，接合劑加熱時將破壞金屬化特性。 “熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和熱膨脹等都是彼此有關(guān)的，更遑論其易碎性。這就是我們所謂過度受限的系統(tǒng)。” 3M電子市場材料部技術(shù)總監(jiān)程明說，3M“基本上是一家有能力調(diào)合接合劑與聚合物特性的材料公司，甚至能符合相互沖突的規(guī)范需求。我們的接合劑將結(jié)合不同類型的聚合物、低聚物和單體，以及必備的觸角與粘著劑，以滿足IBM的規(guī)格需求。” 根據(jù)3M公司表示，該公司尚未決定這款共同開發(fā)的3D IC接合劑是否將會出售給其他晶片制造商。但根據(jù)IBM過去的做法，該公司甚至?xí)䦟Ω偁帉κ质跈?quán)其關(guān)鍵專利。 3M公司也擁有目前機(jī)架式電腦用于冷卻熱點(diǎn)的流體開發(fā)經(jīng)驗──那些流體可能會快速地流經(jīng)微流體通道而進(jìn)入3D IC中。Meyerson說：“就算你擁有著完美的接合劑，也可能必須排除較高堆疊內(nèi)層的熱量。透過堆疊的微流體通道水冷散熱器可以從矽磚中間耗散掉大量的熱。” 程明表示：“我們現(xiàn)有的Fluorinert電子氟化液針對資料中心的伺服器與硬碟，協(xié)助其冷卻設(shè)備進(jìn)行散熱，但與IBM的合作上，我們還將探索用于協(xié)助冷卻3D IC的液體。” 除了使制程技術(shù)更加精煉，以實現(xiàn)堆疊晶片的互連與維持冷卻狀態(tài)外，設(shè)計人員們還必須思考可能從3D IC串流而出的資料量。在這方面，光子將成為3D IC處理大量I/O時不可分割的一部份。 “目前的電子數(shù)據(jù)傳輸可能消耗高達(dá)50%的晶片功率。而光子在每位元瓦數(shù)方面具備更高能效，將成為3D IC的基本要素。”Meyerson指出，“在堆疊3D IC時，我們將會需要用到雷射器、諧調(diào)器和偵測器。” 雖然3M與IBM合作的消息不久前才對外發(fā)布，但3M公司開發(fā)3D解決方案其實已經(jīng)有一段時間了。事實上，今年稍早，3M公司就曾經(jīng)發(fā)布一款用于處理3D堆疊晶圓的技術(shù)。該公司這款晶片承載系統(tǒng)(Wafer Support System；WSS)簡化專為堆疊而磨薄晶圓的處理過程。 WSS系統(tǒng)“首先以臨時黏著劑將磨薄的晶圓黏在玻璃上，使玻璃在接合過程中可支撐晶圓，”程明解釋，“接著，在兩塊晶圓堆疊后，再透過雷射剝離過程移除用于承載的玻璃。” 預(yù)計在2013年以前，3M公司和IBM公司可望準(zhǔn)備好這款端對端制程方案，為有如矽晶摩天大樓般堆疊高達(dá)100層晶片的處理器、記憶體、混合訊號、連網(wǎng)與I/O等異質(zhì)性晶片堆疊實現(xiàn)廣泛的商用化量產(chǎn)。 
1 三星在ISSCC上發(fā)表針對智慧手機(jī)與平板電腦的Wide I/O 1Gbit DRAM。該元件采用可與微凸塊接合的3D TSV。 圖片來源：三星電子
2 賽靈思使用TSV接合C4焊接凸點(diǎn)以及矽晶內(nèi)插器上的四顆FPGA。 圖片來源：Xilinx
3 IBM公司展示3D IC未來將如何在相同矽磚上層疊處理器、記憶體與光學(xué)網(wǎng)路等元件。 圖片來源：IBM。 |
