3-D芯片研发期待大型半导体公司的加盟

今年也许是三维(3-D)芯片走出研发阶段的一年。但是业界专家指出，为了实现纵维连接电路的真正进展，大型半导体公司将必须带头开路，因为只有他们才同时拥有成功所需的设计和制造专业技能。

与此同时，几家新创公司已经在3-D技术领域进行了成功尝试，International Sematech互联项目部副总监Ken Monnig说。但他强调：“除非有针对3-D的产品开发，否则该技术不可能得到发展。如果3-D要得到飞速发展，那么就需要有一家大型的集成器件制造商(IDM)瞄准3-D技术开发一种专用产品。”

International Sematech有九家大半导体公司成员，目前它正试图为3-D开发提供一个工业框架。该机构启动了一个内部3-D研究项目，目的是为发展纵向连接芯片所需的制造基础设施创建一个路线图。

“我们的愿景是制定若干表格，以便供应商能够清楚地理解业界需要的东西，”前贝尔实验室的互连研究员Susan Vitkavage说，“我们的目标是在今年做到这点。”

此外，Vitkavage表示，Sematech正在创建经济模型以评估与制造3-D电路所需的附加工艺步骤相关的费用。“费用需要详细地计算出来。我们想要把所有产品类型的成本列出来，包括存储器和MPU。我们需要了解各种产品类型的3-D。”她说。

Sematech正在同各种各样的设备供应商展开合作，包括那些制造各种用于对准、晶圆研磨、化学-机械抛光、蚀刻实现硅通硅和铜淀积工具的厂商。该机构将帮助评估设备的性能，包括高性能部件所需的对准容差。Sematech还正在研究确保可靠性的方法，进而开发用于检验两个芯片之间邦定的稳定性测试。

本文中3-D术语指的是与成千上万个纵向连接点连接的芯片，有些连接点直径只有1微米。纵向芯片的说法多少有些模糊。“堆叠式”封装常常用于蜂窝电话和其它空间受到约束的产品，它将SRAM、闪存和DRAM堆叠在一起并用导线邦定。其他供应商通过封装级上的导线或焊点把微控制器同存储器相连，从而实现我们称之为系统级封装的解决方案。

“堆叠式”封装只有数量有限的导线可连接到外围的各个芯片，而3-D芯片可以在每毫米上有数万个连接。在过去五年中，业界的兴趣已经转到将3-D作为减小存储器和逻辑电路之间延迟的一种手段，或者作为将一种非标准工艺制造的裸片连接到一个CMOS芯片的手段。例如，由几家新创公司研制的几种3-D芯片可以把用坤化镓工艺制造的光电器件连接到逻辑电路和存储器上。

许多公司完成了3-D技术的早期开拓。例如，2005年9月Ziptronix公司宣布它正在发售一种为“一个重要的网络客户”研制的芯片，该芯片可以把一个闪存存储器裸片纵向连接到另一个含有可编程逻辑和微处理器电路的裸片上。

Ziptronix公司已经开发了一种去除氧化物以暴露金属互连的邦定工艺，它们通过一种共价邦定工艺实现纵向连接。该方法可以用于在裸片到晶圆连接工艺中来连接一个已知良好的裸片，或者用于晶圆级的邦定。

尽管这些早期产品令人印象深刻，但越来越多的专家认为3-D芯片的重头戏必须由大型集成器件制造商来完成，当然可能也要和Ziptronix这样的公司合作，因为Ziptronix等公司在该领域拥有特殊的技能。

然而，新兴的技术总会有成长的痛苦，Tezzaron公司的首席技术官Bob Patti表示。大型IDM的许多3-D开发项目已经消耗了大量的金钱，因为它们是由开发过一种3-D工艺的工艺工程师启动的，可到头来却发现公司的设计团队并没兴趣采用它。

几乎没有工程师乐意接受很大程度上没经过试验的技术，Patti表示，“没几个设计人员乐意在码头的边缘行走”。他指的是逻辑结合存储器方法的早期采纳者。

如同开发了一种3-D工艺又没能吸引公司设计团队的IDM一样，这个领域的新创公司受困于要完全开发一种3-D工艺，但没有任何客户在设计中使用。

Tezzaron已经同许多大的IDM合作开展过3-D研发项目，它现在将自己定位成“一个恰巧采用3-D技术的存储器公司。”Patti说。通过把模拟类存储器阵列放在一个裸片上并把逻辑类控制电路放在另一个裸片上、然后再纵向连接它们，Tezzaron已经研制成功了性能优于常规2-D存储器的高速缓存器产品。

作为3-D技术的另一个早期采纳者，Ziptronix正在大型IDM中寻求客户，包括授权该公司的3-D设计和制造知识产权，该公司首席执行官Phil Nyborg说。此外，该公司正在同领先代工厂谈判，它们可以提供高产能以补充Ziptronix在北卡罗来纳州的原型晶圆厂。

Nyborg介绍说他的公司已经和大公司客户开发了几种3-D芯片。与常规的器件相比，该公司芯片的性能提高了，尺寸减小了。

“把器件推向市场才真正有意义。”他说。与此同时，几个Sematech成员正在寻找研发项目。“几家大公司已经投资了，”Vitkavage说，“IBM公司一直乐意公布其研究成果，但其它公司希望保护它们的3-D技术。”

“许多公司希望充分利用晶圆级的经济，包括晶圆上晶圆(wafer-on-wafer)和晶圆上裸片(die-on-wafer)技术。这意味着某些公司必须多种多样的工艺流程进行分类整理。”Vitkavage说。

在2005年国际电子器件大会上，IBM的一篇报告介绍了一种在绝缘体硅元件上创建3-D电路的办法。一种用透明硼硅酸盐玻璃制成的操作晶圆(handle wafer)使得对准精度比用光技术好得很多。

与常规的互连相比，把一个器件层同另一个器件层连接的内层垂直通孔有一个高纵横比，因而电阻级别要高两到三倍，IBM的团队报告说。

IBM的方法基于“氧化聚合邦定”，它不需要两个裸片之间的粘性层。此外，该工艺在室温下运行，由于避免了多种材料中出现的热膨胀率不同，从而提高了对准精度。

良好的3-D对准需要一种控制晶圆弯曲度的方法，该弯曲度在不同的工艺步骤期间会有所改变。为了达到最佳对准，200毫米的晶圆弯曲度应该保持在20微米以下。IBM团队发明了一种弯曲度补偿方法，它应用在邦定工序之前，可以将对准精度控制在0.18微米以内，不管是在x轴方向还是在y轴方向上。 [!--empirenews.page--]

该IBM邦定方法支持晶圆到晶圆的工艺，可以达到每平方厘米1亿个节点的内层垂直互连密度。