3D IC 的概念和發展

來源:內容整理自「SiP 系統級封裝技術」,作者:李揚,謝謝。

從 SiP 系統級封裝的傳統意義上來講,凡是有芯片堆疊的都可以稱之爲 3D,因爲在 Z 軸上有了功能和信號的延伸,無論此堆疊是位於 IC 內部還是 IC 外部。
但是目前,隨着技術的發展,3D IC 卻有了其更新、更獨特的含義。

基於芯片堆疊式的 3D 技術

3D IC 的初期型態,目前仍廣泛應用於 SiP 領域,是將功能相同的裸芯片從下至上堆在一起,形成 3D 堆疊,再由兩側的鍵合線連接,最後以系統級封裝(System-in-Package,SiP)的外觀呈現。堆疊的方式可爲金字塔形、懸臂形、並排堆疊等多種方式,參看下圖。3D IC 的概念和發展另一種常見的方式是將一顆倒裝焊(flip-chip)裸芯片安裝在 SiP 基板上,另外一顆裸芯片以鍵合的方式安裝在其上方,如下圖所示,這種 3D 解決方案在手機中比較常用。

3D IC 的概念和發展

基於無源 TSV 的 3D 技術

在 SiP 基板與裸芯片之間放置一箇中介層(interposer)硅基板,中介層具備硅通孔(TSV),通過 TSV 連結硅基板上方與下方表面的金屬層。有人將這種技術稱爲 2.5D,因爲作爲中介層的硅基板是無源被動元件,TSV 硅通孔並沒有打在芯片本身上。如下圖所示:
3D IC 的概念和發展

基於有源 TSV 的 3D 技術

在這種 3D 集成技術中,至少有一顆裸芯片與另一顆裸芯片疊放在一起,下方的那顆裸芯片是採用 TSV 技術,通過 TSV 讓上方的裸芯片與下方裸芯片、SiP 基板通訊。如下圖所示:
3D IC 的概念和發展
下圖顯示了無源 TSV 和有源 TSV 分別對應的 2.5D 和 3D 技術。3D IC 的概念和發展
以上的技術都是指在芯片工藝製作完成後,再進行堆疊形成 3D,其實並不能稱爲真正的 3D IC 技術。
這些手段基本都是在封裝階段進行,我們可以稱之爲 3D 集成、3D 封裝或者 3D SiP 技術。

基於芯片製程的 3D 技術

3D IC 的概念和發展3D IC 的概念和發展3D IC 的概念和發展

3D IC 的概念和發展
目前,基於芯片製造的 3D 技術主要應用於 3D NAND FLASH 上。

東芝和三星在 3D NAND 上的開拓性工作帶來了兩大主要的 3D NAND 技術。
東芝開發了 Bit Cost Scalable (BiCS)的工藝。BiCS 工藝採用了一種先柵極方法(gate-first approach),這是通過交替沉積氧化物(SiO)層和多晶硅(pSi)層實現的。然後在這個層堆疊中形成一個通道孔,並填充氧化物-氮化物-氧化物(ONO)和 pSi。然後沉積光刻膠,通過一個連續的蝕刻流程,光刻膠修整並蝕刻出一個階梯,形成互連。最後再蝕刻出一個槽並填充氧化物。如下圖所示。
3D IC 的概念和發展
三星則開發了 Terabit Cell Array Transistor (TCAT)工藝。TCAT 是一種後柵極方法( gate-last approach),其沉積的是交替的氧化物和氮化物層。然後形成一個穿過這些層的通道並填充 ONO 和 pSi。然後與 BiCS 工藝類似形成階梯。最後,蝕刻一個穿過這些層的槽並去除其中的氮化物,然後沉積氧化鋁(AlO)、氮化鈦(TiN)和鎢(W)又對其進行回蝕(etch back),最後用塢填充這個槽。如下圖所示。
3D IC 的概念和發展
3D NAND 目前已經能做到 64 層甚至更高,其產量正在超越 2D NAND,而且隨着層數的進一步擴展,3D NAND 還能繼續將摩爾定律很好地延續。
目前應用在 IC 製造上的 3D 技術也僅限於 NAND FLASH,隨着技術的發展,應該很快也會應用到其它的 IC 領域,那時候,真正的 3D IC 時代就到來了!

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