作者：泛林集團
每隔幾個(gè)月就會(huì )有更新?lián)Q代的電子產(chǎn)品問(wèn)世。它們通常更小、更智能，不僅擁有更快的運行速度與更多帶寬，還更加節能，這一切都要歸功于新一代先進(jìn)的芯片和處理器。 跨入數字化時(shí)代，我們如同相信太陽(yáng)明天一定會(huì )升起那樣，確信新設備會(huì )不斷地推陳出新。而在幕后，則是工程師們積極研究半導體技術(shù)路線(xiàn)圖，以確保新設備所需的下一代芯片能夠就緒。 很長(cháng)一段時(shí)間以來(lái)，芯片的進(jìn)步都是通過(guò)縮小晶體管的尺寸來(lái)實(shí)現的，這樣就可以在一片晶圓上制造更多晶體管，從而使晶體管的數量在每12-24個(gè)月翻一番——這就是眾所周知的“摩爾定律”。多年來(lái)，為了跟上時(shí)代的步伐，整個(gè)行業(yè)進(jìn)行了諸多重大的創(chuàng )新，包括銅/低k互連、新型晶體管材料、多重圖形化方案和三維(3D)架構。 開(kāi)發(fā)3D結構的轉變帶來(lái)了新的挑戰，隨著(zhù)深寬比的增加，挑戰也在加劇。你可能已經(jīng)想到，3D架構需要從器件設計上做根本性改變，需要新的材料、新的沉積和刻蝕方法來(lái)實(shí)現。在本文中，我們將帶大家一起回顧半導體行業(yè)在實(shí)現3D架構過(guò)程中的重要里程碑。 準備階段：平面工藝 創(chuàng )建集成電路最初是一個(gè)二維的問(wèn)題：取一塊平坦的硅片，在表面放置各種結構，用導線(xiàn)將它們連接起來(lái)。這是通過(guò)沉積一層層的材料，利用光刻技術(shù)對其進(jìn)行圖形化處理，并在暴露的區域刻蝕出必要的特征來(lái)完成的。這曾是電子工業(yè)的一個(gè)巨大突破。 隨著(zhù)技術(shù)需求的不斷發(fā)展，需要在更緊湊的空間中構建更多的電路，以支持更小的結構。過(guò)去相對直接的過(guò)程變得越來(lái)越復雜。 隨著(zhù)創(chuàng )建2D結構的成本不斷增加，以及在二維平面上進(jìn)行微縮的可行方法逐漸枯竭，3D結構變得越來(lái)越有吸引力。半導體行業(yè)早在十多年前就開(kāi)始開(kāi)發(fā)早期的選擇性刻蝕應用以支持3D技術(shù)，并不斷擴展，從封裝到非易失性存儲器甚至晶體管本身。
晶體管走向3D 許多電子系統的主力都是晶體管。在過(guò)去，晶體管一直是扁平結構，其特性由晶體管通道的寬度和長(cháng)度決定。晶體管性能由放置在通道上的柵極控制，不過(guò)這只能提供有限的控制，因為通道的另一邊和底部不受控制。 從平面轉向3D的第一步是為通道設計一個(gè)鰭，它可以由三面的柵極控制。不過(guò)，為了實(shí)現最優(yōu)控制，需要接觸到晶體管的所有四面，因而推動(dòng)了全包圍柵極(GAA)晶體管的發(fā)展。在GAA結構中，多根導線(xiàn)或多個(gè)薄片相互堆棧在一起，柵極材料完全包圍著(zhù)通道。
閃存提升 向3D的轉變早在10年前就被應用于NAND閃存，當時(shí)內存位的水平字符串是向上堆棧的。 垂直結構由交替的薄層材料和盡可能多的工藝層堆棧而成。在構建這樣的結構時(shí)，至少在兩方面需要特別小心：第一，每一層都必須厚度均勻，并且非常平整，使每層中的位都與其他位具有相同的尺寸；第二，各層必須相互連接——這需要先建構一層堆棧并通過(guò)刻蝕在堆棧中進(jìn)行鉆孔，然后用適當的連接材料來(lái)填充這些孔，從而完成這樣的結構。這其中，無(wú)論是刻蝕還是沉積工藝都極具挑戰性，需要精確的執行。 這些挑戰限制了堆棧的層數，因此需要采用新的方法來(lái)增加層數。
展望未來(lái)：3D DRAM 動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器(DRAM) 的物理機制與3D NAND完全不同，所用的方法也做了徹底的改變。 DRAM需要高容量的電容器，這對于在2D陣列中進(jìn)行精確構建是一個(gè)挑戰。垂直堆棧的難度更大，還需要更多研發(fā)以找到經(jīng)濟的方法來(lái)將電介質(zhì)和活性硅堆棧在一起。光刻可能需要同時(shí)影響多層——目前還沒(méi)有可量產(chǎn)的工藝。 3D封裝越來(lái)越受歡迎 芯片經(jīng)過(guò)封裝后被放置在印制電路板(PCB)上。在過(guò)去，封裝只是為了保護脆弱的硅芯片，并將其連接到電路板上。如今，封裝通常包含多個(gè)芯片，隨著(zhù)縮小芯片占用空間的需求提升，封裝也開(kāi)始轉向3D。 3D封裝要求芯片被堆棧起來(lái)，這涉及到芯片之間的密集連接——這種連接可以提高信號速度，因為它們短得多，又可以同時(shí)傳輸更多信號。然而，在兩個(gè)以上芯片的堆棧中，其中一些信號還需要通過(guò)傳導通道連接到堆棧更高的芯片，這些通道被稱(chēng)為“硅通孔”(TSVs)。
3D芯片堆棧重要的終端市場(chǎng)應用一直在內存領(lǐng)域——高帶寬內存 (HBM) 是最為常見(jiàn)的。內存芯片還可以被堆棧到CPU或其他邏輯芯片上，以加快從內存中獲取數據的速度。 如今，3D是微縮的必要條件 在解決半導體制造中的所有微縮限制時(shí)，考慮3D已成為標準做法。雖然3D可能不是解決所有問(wèn)題的選擇，但它在上述應用中特別有用。 每一個(gè)新的應用都伴隨著(zhù)如何構建的難題，這需要創(chuàng )新的思維和硅工藝領(lǐng)域的持續發(fā)展，半導體制造設備就是芯片行業(yè)不斷實(shí)現3D結構的主要推動(dòng)者。 |
