多维设计技术力促3D芯片

您可能听说过这样的宣传：随着目前还是平面结构的裸片向多层结构的过渡，半导体制造基础在今后几年内将发生重大转变。为了使这种多层结构具有可制造性，全球主要半导体组织作出了近10年的不懈努力，从明年开始三维（3D）IC将正式开始商用化生产——比原计划落后了好几年。

芯片制造商用了好几年时间才使得用于互连3DIC的硅通孔（TSV）技术逐渐成熟。虽然硅通孔技术一直用于2D任务，比如将数据从平面芯片的前面传送到反面的凸块，但使用堆叠裸片的3DIC已经排上议事日程。

去年举行的国际固态电路会议主要讨论的内容是“近似3D”芯片，如三星公开宣扬的1Gbit移动DRAM（计划到2013年跃升至4Gbit）。三星的这种2.5D技术非常适合位于系统级芯片之上且带硅通孔和微凸块的堆叠式DRAM裸片。

今年秋季则迎来第二个重大的2.5D成功事件，赛灵思公司推出一种使用某封装工艺的多FPGA解决方案，这种工艺可在硅中介层上互连4个并排且带微凸块的Virtex-7FPGA。台湾的台积电（TSMC）公司正在生产这种硅中介层，该中介层使用硅通孔技术重新分配FPGA的互连，而硅通孔则匹配使用受控塌陷芯片连接（C4）的基板封装上的铜球。台积电公司承诺明年将向其它代工客户提供其开创性的2.5D至3D转换技术。

然而，2011年令人惊讶的3DIC发布来自IBM。据IBM公司最近透露，公司正在秘密地大批量生产大众化移动消费设备使用的成熟3DIC产品，尽管使用的是低密度硅通孔技术。作为收获的经验之谈，IBM声称现在已经认识到3D芯片制造中的遗留工程技术问题，并表示有望在2012年解决这些问题。

“拥有一技之长的年代已经过去。”IBM公司研究副总裁BernardMeyerson表示，“如果您仅依靠材料，或芯片架构，或网络架构，或软件和集成，您就可能无法赢得3D性能战争。要想打赢这场战争，您需要以尽可能最全面的角度使用所有这些资源。”

近期，IBM宣布联合3M公司并开始研讨创建设计师材料——就像是Meyerson描述的寻找“一个真正高的矮人”——这种材料将解决3DIC生产中面临的最终工程技术问题：过热。3M的任务是创建一种适合堆叠裸片间使用的底部填充材料，这是一种电气绝缘材料（像电介质），但导热性比硅要好（像金属）。3M公司承诺在两年内实现这种神奇材料的商用化。

“现在我们正在做试验，到2013年我们希望开始广泛的商用。”3M公司电子市场材料事业部技术总监陈明（音译）表示。

一些分析师不认为IBM-3M联合研发努力会使他们的产品在3DIC领域中走得比别人更远。

“3M正在研制的底部填充材料将解决3D堆叠中遇到的散热问题。”MEMS投资者杂志高级封装技术首席分析师FrancoisevonTrapp表示，“虽然在大批量生产3DIC之前肯定需要解决遗留下来的一些限制，但我认为任何人都不会相信这是解决3D堆叠遗留问题的终极方案。”

3D无处不在

即使IBM宣称的领先的3DIC生产技术也不是没有挑战者。事实上，TezzaronSemiconductor公司为其钨硅通孔工艺提供3DIC设计服务已经有多年时间了。Tezzaron的FaStack工艺可以从薄至12微米晶圆上的异质裸片创建3D芯片。这种工艺具有针对堆叠式DRAM的宽I/O特性，而且其亚微米互连密度高达每平方毫米100万个硅通孔。

去年获得EETimes年度ACE创新大奖的ZviOr-Bach则认为3DIC设计师需要从硅通过技术过渡到超高密度的单片3D技术。对Or-Bach来说这个观点一点都不令人奇怪，因为他最近的角色是IP开发公司MonolithIC3DInc的总裁兼首席执行官。而BeSangInc等新创企业声称正在制造无硅通孔的单片3D内存芯片原型，并有望于2012年首次亮相。

然而，目前最先进的技术应该是使用硅通孔的3D芯片堆叠，而且每家主要的半导体公司都在研究这种技术。“IBM将这种技术发挥至了极致，并突破传统思维与3M公司开展合作。然而，IBM公司在3D领域做出的每次进步都将激发三星、Intel和台积电等竞争对手的创造性，所有这些公司都在独立开发3DIC技术。”市场观察人士、TheEnvisioneeringGroup总监RichardDoherty指出。

生产3DIC的技术并不是很新的技术，目前的工作专注于进一步完善。举例来说，现在许多CMOS成像器使用硅通孔将像素数据从前面带到基板后面，而堆叠芯片想法本身可以追溯到大约1958年颁发给晶体管先驱WilliamShockley的早期专利。从那以后，业界已经使用了许多堆叠式裸片配置——例如，将MEMS传感器堆叠在ASIC之上，或将小的DRAM堆叠在处理器内核上——但通常是使用绑定线实现互连。