研究人員以低溫材料制造低成本的3D IC

　　通常一提到3D晶片就會(huì)聯(lián)想到采用矽穿孔(TSV)連接的晶片堆疊。但事實(shí)上，還有一些技術(shù)并未采用TSV，如BeSang公司最近授權(quán)給韓國海力士(SKHynix)的垂直晶體陣列技術(shù)。此外，由半導(dǎo)體研究聯(lián)盟(SRC)贊助加州柏克萊大學(xué)最近開發(fā)出采用低溫材料的新技術(shù)，宣稱可帶來一種低成本且靈活的3D晶片制造方法。

　　該技術(shù)直接在標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶片上的金屬薄層之間制造主動(dòng)元件，從而免除了垂直堆疊電晶體或以TSV堆疊晶片的開銷。

　　「對我來說，令人振奮的部份在于它是一款單晶片的整合，而不是采用至今在實(shí)現(xiàn)3D整合時(shí)所用的晶片堆疊技術(shù)，」SRC奈米制造科學(xué)總監(jiān)BobHavemann表示，「這種方法能夠以更低得多的成本提供更大的靈活性?！?/p>

　　利用金屬頂層之間的主動(dòng)元件，為晶片設(shè)計(jì)者提供一款有利的新工具。

　　「這種方式為設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來了一個(gè)全新的境界──能夠在任何金屬層之間加進(jìn)主動(dòng)元件。設(shè)計(jì)者將為此新途徑感到振奮，他們的夢想一直是能夠隨心所欲地在任何層加進(jìn)主動(dòng)元件，從而增加他們想要的功能與性能，現(xiàn)在他們的夢想得以成真?！?/p>

　　可以確定的是，能以夠低的溫度制造而又不至于干擾下層CMOS晶片層的電晶體在性能方面將會(huì)有所限制，但柏克萊大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)宣稱，這些低溫材料目前已經(jīng)相當(dāng)實(shí)用了，未來還會(huì)進(jìn)展的更好。

　　「許多氧化物材料利用了工程師針對顯示應(yīng)用而開發(fā)的錫、銦、鋅與鎵，」加州大學(xué)柏克萊分校電子工程與電腦科學(xué)教授VivekSubramanian表示，「但它們所能達(dá)到性能數(shù)據(jù)夠高，沈積溫度夠低，因而十分適合整合于CMOS金屬層中。」

　　該技術(shù)的工作原理是先制造出CMOS晶片和第一層金屬薄層。其后，設(shè)計(jì)者可自行選擇在各金屬層(目前的晶片最多達(dá)15層)之間添加更多主動(dòng)元件，。

　　「事實(shí)證明，利用旋轉(zhuǎn)涂層以及各種印制技術(shù)，你可以使用由該方案沉積而來的材料在CMOS金屬層間制作出相當(dāng)高性能的電晶體，」Subramanian說。

　　不過，這項(xiàng)制作電晶片的技術(shù)目前仍處于試驗(yàn)階段，但其范圍涵蓋從旋轉(zhuǎn)涂層以及用傳統(tǒng)微影技術(shù)到制作圖案，到以噴墨直接列印，或甚至是次微米級的凹印、奈米壓印等其他技術(shù)。

　　「首先，我們在金屬層表面增添一層電介質(zhì)，然后在其上添加一層電晶體，」Subramanian說，「而最妙之處在于你可加進(jìn)更多的電介質(zhì)層，在各金屬層之間任意交錯(cuò)電晶體。為此，你必需使用相容的材料，并在400℃(752℉)的溫度下進(jìn)行制造。我們目前已能沈積出氧化物與氮化物，并取得良好的性能了。」

　　可以確定的是，這些交錯(cuò)的電晶體還無法達(dá)到像CMOS上的矽晶電晶體一樣的高性能，但在用于驅(qū)動(dòng)感測器或存取記憶體等特定目的時(shí)，Subramanian表示使用這些交錯(cuò)的電晶體已經(jīng)綽綽有余了。

　　「下一步我們打算利用透明導(dǎo)體在金屬層上添加感測器，以便實(shí)現(xiàn)互連;此外，更有意義的是我們考慮用于3D晶片的許多材料與其他人打算用于‘電阻式隨機(jī)存取記憶體’(RRAN)的材料是一樣的，因而可能讓我們在處堙上堆疊RRAM層。我們的下一步持續(xù)改善電晶體，以便能提供更多設(shè)計(jì)靈活度，然后再使其與RRAM、記憶體存取進(jìn)行整合。」

　　SRC所贊助的這項(xiàng)開發(fā)計(jì)劃屬于一個(gè)三年計(jì)劃中的第二年，接下來還將在SRC的半導(dǎo)體技術(shù)先進(jìn)研究網(wǎng)路(STARnet)計(jì)劃下展開進(jìn)一步的研發(fā)，以期能在感測器、記憶體、顯示器、封裝與，可穿戴電子產(chǎn)品中找到更多新應(yīng)用。