3-D芯片研發(fā)期待大型半導(dǎo)體公司的加盟

今年也許是三維(3-D)芯片走出研發(fā)階段的一年。但是業(yè)界專家指出，為了實現(xiàn)縱維連接電路的真正進(jìn)展，大型半導(dǎo)體公司將必須帶頭開路，因為只有他們才同時擁有成功所需的設(shè)計和制造專業(yè)技能。

與此同時，幾家新創(chuàng)公司已經(jīng)在3-D技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了成功嘗試，International Sematech互聯(lián)項目部副總監(jiān)Ken Monnig說。但他強(qiáng)調(diào)：“除非有針對3-D的產(chǎn)品開發(fā)，否則該技術(shù)不可能得到發(fā)展。如果3-D要得到飛速發(fā)展，那么就需要有一家大型的集成器件制造商(IDM)瞄準(zhǔn)3-D技術(shù)開發(fā)一種專用產(chǎn)品。”

International Sematech有九家大半導(dǎo)體公司成員，目前它正試圖為3-D開發(fā)提供一個工業(yè)框架。該機(jī)構(gòu)啟動了一個內(nèi)部3-D研究項目，目的是為發(fā)展縱向連接芯片所需的制造基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)建一個路線圖。

“我們的愿景是制定若干表格，以便供應(yīng)商能夠清楚地理解業(yè)界需要的東西，”前貝爾實驗室的互連研究員Susan Vitkavage說，“我們的目標(biāo)是在今年做到這點(diǎn)。”

此外，Vitkavage表示，Sematech正在創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)模型以評估與制造3-D電路所需的附加工藝步驟相關(guān)的費(fèi)用?！百M(fèi)用需要詳細(xì)地計算出來。我們想要把所有產(chǎn)品類型的成本列出來，包括存儲器和MPU。我們需要了解各種產(chǎn)品類型的3-D?！彼f。

Sematech正在同各種各樣的設(shè)備供應(yīng)商展開合作，包括那些制造各種用于對準(zhǔn)、晶圓研磨、化學(xué)-機(jī)械拋光、蝕刻實現(xiàn)硅通硅和銅淀積工具的廠商。該機(jī)構(gòu)將幫助評估設(shè)備的性能，包括高性能部件所需的對準(zhǔn)容差。Sematech還正在研究確?？煽啃缘姆椒ǎM(jìn)而開發(fā)用于檢驗兩個芯片之間邦定的穩(wěn)定性測試。

本文中3-D術(shù)語指的是與成千上萬個縱向連接點(diǎn)連接的芯片，有些連接點(diǎn)直徑只有1微米?？v向芯片的說法多少有些模糊。“堆疊式”封裝常常用于蜂窩電話和其它空間受到約束的產(chǎn)品，它將SRAM、閃存和DRAM堆疊在一起并用導(dǎo)線邦定。其他供應(yīng)商通過封裝級上的導(dǎo)線或焊點(diǎn)把微控制器同存儲器相連，從而實現(xiàn)我們稱之為系統(tǒng)級封裝的解決方案。

“堆疊式”封裝只有數(shù)量有限的導(dǎo)線可連接到外圍的各個芯片，而3-D芯片可以在每毫米上有數(shù)萬個連接。在過去五年中，業(yè)界的興趣已經(jīng)轉(zhuǎn)到將3-D作為減小存儲器和邏輯電路之間延遲的一種手段，或者作為將一種非標(biāo)準(zhǔn)工藝制造的裸片連接到一個CMOS芯片的手段。例如，由幾家新創(chuàng)公司研制的幾種3-D芯片可以把用坤化鎵工藝制造的光電器件連接到邏輯電路和存儲器上。

許多公司完成了3-D技術(shù)的早期開拓。例如，2005年9月Ziptronix公司宣布它正在發(fā)售一種為“一個重要的網(wǎng)絡(luò)客戶”研制的芯片，該芯片可以把一個閃存存儲器裸片縱向連接到另一個含有可編程邏輯和微處理器電路的裸片上。

Ziptronix公司已經(jīng)開發(fā)了一種去除氧化物以暴露金屬互連的邦定工藝，它們通過一種共價邦定工藝實現(xiàn)縱向連接。該方法可以用于在裸片到晶圓連接工藝中來連接一個已知良好的裸片，或者用于晶圓級的邦定。

盡管這些早期產(chǎn)品令人印象深刻，但越來越多的專家認(rèn)為3-D芯片的重頭戲必須由大型集成器件制造商來完成，當(dāng)然可能也要和Ziptronix這樣的公司合作，因為Ziptronix等公司在該領(lǐng)域擁有特殊的技能。

然而，新興的技術(shù)總會有成長的痛苦，Tezzaron公司的首席技術(shù)官Bob Patti表示。大型IDM的許多3-D開發(fā)項目已經(jīng)消耗了大量的金錢，因為它們是由開發(fā)過一種3-D工藝的工藝工程師啟動的，可到頭來卻發(fā)現(xiàn)公司的設(shè)計團(tuán)隊并沒興趣采用它。

幾乎沒有工程師樂意接受很大程度上沒經(jīng)過試驗的技術(shù)，Patti表示，“沒幾個設(shè)計人員樂意在碼頭的邊緣行走”。他指的是邏輯結(jié)合存儲器方法的早期采納者。

如同開發(fā)了一種3-D工藝又沒能吸引公司設(shè)計團(tuán)隊的IDM一樣，這個領(lǐng)域的新創(chuàng)公司受困于要完全開發(fā)一種3-D工藝，但沒有任何客戶在設(shè)計中使用。

Tezzaron已經(jīng)同許多大的IDM合作開展過3-D研發(fā)項目，它現(xiàn)在將自己定位成“一個恰巧采用3-D技術(shù)的存儲器公司。”Patti說。通過把模擬類存儲器陣列放在一個裸片上并把邏輯類控制電路放在另一個裸片上、然后再縱向連接它們，Tezzaron已經(jīng)研制成功了性能優(yōu)于常規(guī)2-D存儲器的高速緩存器產(chǎn)品。

作為3-D技術(shù)的另一個早期采納者，Ziptronix正在大型IDM中尋求客戶，包括授權(quán)該公司的3-D設(shè)計和制造知識產(chǎn)權(quán)，該公司首席執(zhí)行官Phil Nyborg說。此外，該公司正在同領(lǐng)先代工廠談判，它們可以提供高產(chǎn)能以補(bǔ)充Ziptronix在北卡羅來納州的原型晶圓廠。

Nyborg介紹說他的公司已經(jīng)和大公司客戶開發(fā)了幾種3-D芯片。與常規(guī)的器件相比，該公司芯片的性能提高了，尺寸減小了。

“把器件推向市場才真正有意義?！彼f。與此同時，幾個Sematech成員正在尋找研發(fā)項目?！皫准掖蠊疽呀?jīng)投資了，”Vitkavage說，“IBM公司一直樂意公布其研究成果，但其它公司希望保護(hù)它們的3-D技術(shù)?！?

“許多公司希望充分利用晶圓級的經(jīng)濟(jì)，包括晶圓上晶圓(wafer-on-wafer)和晶圓上裸片(die-on-wafer)技術(shù)。這意味著某些公司必須多種多樣的工藝流程進(jìn)行分類整理。”Vitkavage說。

在2005年國際電子器件大會上，IBM的一篇報告介紹了一種在絕緣體硅元件上創(chuàng)建3-D電路的辦法。一種用透明硼硅酸鹽玻璃制成的操作晶圓(handle wafer)使得對準(zhǔn)精度比用光技術(shù)好得很多。

與常規(guī)的互連相比，把一個器件層同另一個器件層連接的內(nèi)層垂直通孔有一個高縱橫比，因而電阻級別要高兩到三倍，IBM的團(tuán)隊報告說。

IBM的方法基于“氧化聚合邦定”，它不需要兩個裸片之間的粘性層。此外，該工藝在室溫下運(yùn)行，由于避免了多種材料中出現(xiàn)的熱膨脹率不同，從而提高了對準(zhǔn)精度。

良好的3-D對準(zhǔn)需要一種控制晶圓彎曲度的方法，該彎曲度在不同的工藝步驟期間會有所改變。為了達(dá)到最佳對準(zhǔn)，200毫米的晶圓彎曲度應(yīng)該保持在20微米以下。IBM團(tuán)隊發(fā)明了一種彎曲度補(bǔ)償方法，它應(yīng)用在邦定工序之前，可以將對準(zhǔn)精度控制在0.18微米以內(nèi)，不管是在x軸方向還是在y軸方向上。 [!--empirenews.page--]

該IBM邦定方法支持晶圓到晶圓的工藝，可以達(dá)到每平方厘米1億個節(jié)點(diǎn)的內(nèi)層垂直互連密度。