更上一層樓:單片型3D芯片集成技術(shù)與TSV的意義與區(qū)別簡(jiǎn)述

盡管晶體管的延遲時(shí)間會(huì)隨著晶體管溝道長(zhǎng)度尺寸的縮小而縮短，但與此同時(shí)互聯(lián)電路部分的延遲則會(huì)提升。舉例而言，90nm制程晶體管的延遲時(shí)間大約在 1.6ps左右，而此時(shí)互聯(lián)電路中每1mm長(zhǎng)度尺寸的互聯(lián)線(xiàn)路，其延遲時(shí)間會(huì)增加500ps左右；根據(jù)ITRS技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖的預(yù)計(jì)，到22nm制程節(jié)點(diǎn)，晶體管的延遲時(shí)間會(huì)達(dá)到0.4ps水平，而互聯(lián)線(xiàn)路的延遲則會(huì)增加到1萬(wàn)ps水平。

對(duì)晶體管而言，晶體管的尺寸越小則運(yùn)行速度也越快，但與此同時(shí)，互聯(lián)層線(xiàn)路的電阻則會(huì)隨著線(xiàn)路截面積的縮小而增大。表面散射現(xiàn)象，晶界散射現(xiàn)象，和擴(kuò)散勢(shì)壘層（這里指防止互聯(lián)層金屬材料相互擴(kuò)散而制成的擴(kuò)散阻擋層）電阻值的不斷增加，是導(dǎo)致互聯(lián)層RC延遲增加的主要原因。雖然3D集成（3-D integration）技術(shù)的顯見(jiàn)優(yōu)點(diǎn)之一是可以減小互聯(lián)線(xiàn)的長(zhǎng)度，但是同時(shí)這種技術(shù)的應(yīng)用能否對(duì)減小板級(jí)，或線(xiàn)路極互聯(lián)線(xiàn)長(zhǎng)度起到積極作用也是應(yīng)該考慮的。

以TSV為核心的3D集成技術(shù)：

以TSV穿硅互聯(lián)技術(shù)為核心的3D集成技術(shù)主要影響的是芯片之間的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此這種技術(shù)主要減小的是芯片間互聯(lián)需用的電路板面積。這種技術(shù)一般是采用將多塊存儲(chǔ)或邏輯功能芯片垂直堆疊在一起，并將堆疊結(jié)構(gòu)中上一層芯中制出的TSV連接在下層芯片頂部的焊墊（Bond pad）上的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。不過(guò)此時(shí)堆疊結(jié)構(gòu)中的每一層芯片都采用獨(dú)自的設(shè)計(jì)，仍為傳統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)，因此每一層芯片內(nèi)部的電路級(jí)互聯(lián)仍為傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)。

單片型3D堆疊技術(shù)：(MonolithIC 3D)

相比之下，單片型3D技術(shù)中，芯片內(nèi)部互聯(lián)層的3D化則更加徹底，因此人們通常稱(chēng)這種技術(shù)為“真3D集成設(shè)計(jì)”。此時(shí)芯片堆疊結(jié)構(gòu)中每一層芯片均作為整體中的一個(gè)功能單元來(lái)設(shè)計(jì)，這樣堆疊結(jié)構(gòu)中各層芯片（此時(shí)應(yīng)當(dāng)稱(chēng)之為功能單元可能較為合適些）內(nèi)部都可以采用同樣的互聯(lián)結(jié)構(gòu)（不論是垂直方向，還是水平方向的互聯(lián)），因此這種設(shè)計(jì)可以讓互聯(lián)線(xiàn)的長(zhǎng)度進(jìn)一步降低。而且由于采用統(tǒng)一化設(shè)計(jì)，信號(hào)中繼電路等所占用的面積也更小，因此芯片的總體占地面積可以更小。根據(jù)華盛頓大學(xué)Lili Zhou等人在ICCD2007會(huì)議上發(fā)表的論文，這種真3D集成設(shè)計(jì)可以令芯片的尺寸減半，互聯(lián)線(xiàn)總長(zhǎng)度則可減小2/3.