В электронной инженерии сквозное кремниевое отверстие ( TSV ) или сквозное кристаллическое отверстие представляет собой вертикальное электрическое соединение ( via ), которое полностью проходит через кремниевую пластину или кристалл . TSV — это высокопроизводительные методы межсоединений, используемые в качестве альтернативы проволочным соединениям и перевернутым кристаллам для создания 3D-корпусов и 3D-интегральных схем. По сравнению с альтернативами, такими как корпус-на-корпусе , плотность межсоединений и устройств существенно выше, а длина соединений становится короче.
В зависимости от производственного процесса существует три различных типа TSV: TSV с первым отверстием изготавливаются до того, как отдельные компоненты ( транзисторы , конденсаторы , резисторы и т. д.) будут сформированы ( front end of line , FEOL), TSV с средним отверстием изготавливаются после формирования отдельных компонентов, но до нанесения металлических слоев ( back-end-of-line , BEOL), а TSV с последним отверстием изготавливаются после (или во время) процесса BEOL. [1] [2] TSV с средним отверстием в настоящее время являются популярным вариантом для усовершенствованных 3D-ИС, а также для стеков интерпозеров . [2] [3]
TSV через передний конец линии (FEOL) должны быть тщательно учтены на этапах EDA и производства. Это связано с тем, что TSV вызывают термомеханическое напряжение в слое FEOL, тем самым влияя на поведение транзистора . [4]
Датчики изображения CMOS (CIS) были одними из первых приложений, принявших TSV(s) в массовом производстве. В первоначальных приложениях CIS TSV формировались на задней стороне пластины датчика изображения для формирования межсоединений, устранения проволочных связей и обеспечения уменьшенного форм-фактора и более плотных межсоединений. Штабелирование кристаллов появилось только с появлением CIS с подсветкой сзади (BSI) и включало в себя изменение порядка линзы, схемы и фотодиода с традиционного освещения спереди, так что свет, проходящий через линзу, сначала попадал на фотодиод, а затем на схему. Это было достигнуто путем переворачивания пластины фотодиода, утончения задней стороны, а затем ее присоединения поверх считывающего слоя с использованием прямой оксидной связи, с TSV в качестве межсоединений по периметру. [5]
3D-корпус ( System in Package , Chip Stack MCM и т. д.) содержит два или более кристаллов , сложенных вертикально, чтобы они занимали меньше места и/или имели большую связность. Альтернативный тип 3D-корпуса можно найти в технологии Silicon Carrier Packaging Technology компании IBM, где ИС не сложены друг на друга, а для соединения нескольких ИС в корпусе используется подложка-носитель, содержащая TSV. В большинстве 3D-корпусов сложенные чипы соединены вместе по краям; эта краевая разводка немного увеличивает длину и ширину корпуса и обычно требует дополнительного слоя « интерпозера » между кристаллами. В некоторых новых 3D-корпусах TSV заменяют краевую разводку, создавая вертикальные соединения через тело кристаллов. Полученный корпус не имеет дополнительной длины или ширины. Поскольку интерпозера не требуется, 3D-корпус TSV также может быть более плоским, чем 3D-корпус с краевыми разводками. Эту технологию TSV иногда также называют TSS (Through-Silicon Stacking или Thru-Silicon Stacking).
3D-интегральная схема ( 3D IC) — это отдельная интегральная схема, созданная путем укладки кремниевых пластин и/или кристаллов и их вертикального соединения, так что они ведут себя как единое устройство. Используя технологию TSV, 3D-ИС могут упаковать большую часть функциональности в небольшой «отпечаток». Различные устройства в стеке могут быть неоднородными, например, объединяя логику КМОП , DRAM и материалы III-V в одну ИС. Кроме того, критические электрические пути через устройство могут быть радикально сокращены, что приводит к более быстрой работе. Стандарт памяти Wide I/O 3D DRAM ( JEDEC JESD229) включает TSV в конструкцию. [6]
Истоки концепции TSV можно проследить до патента Уильяма Шокли «Полупроводниковая пластина и метод ее изготовления», поданного в 1958 году и выданного в 1962 году, [7] [8] который был в дальнейшем развит исследователями IBM Мерлином Смитом и Эмануэлем Стерном в их патенте «Методы создания сквозных соединений в полупроводниковых пластинах», поданном в 1964 году и выданном в 1967 году, [9] [10] последний описывает метод травления отверстия в кремнии. [11] TSV изначально не был разработан для 3D-интеграции, но первые 3D-чипы на основе TSV были изобретены позже, в 1980-х годах. [12]
Первые трехмерные интегральные схемы (3D IC) с пакетированными кристаллами, изготовленные с помощью процесса TSV, были изобретены в 1980-х годах в Японии . Hitachi подала японский патент в 1983 году, а затем Fujitsu в 1984 году. В 1986 году Fujitsu подала японский патент, описывающий структуру пакетированного чипа с использованием TSV. [13] В 1989 году Мицумаса Коёнаги из Университета Тохоку впервые применил технологию соединения пластин с пластиной с помощью TSV, которую он использовал для изготовления 3D- чипа LSI в 1989 году. [13] [14] [15] В 1999 году Ассоциация сверхсовременных электронных технологий (ASET) в Японии начала финансировать разработку 3D-чипов IC с использованием технологии TSV, названную проектом «НИОКР по технологии интеграции электронных систем высокой плотности». [13] [16] Группа Коянаги в Университете Тохоку использовала технологию TSV для изготовления трехслойного чипа датчика изображения в 1999 году, трехслойного модуля памяти в 2000 году, трехслойного чипа искусственной сетчатки в 2001 году, трехслойного микропроцессора в 2002 году и десятислойного чипа памяти в 2005 году. [14]
Метод межкристальных отверстий (ICV) был разработан в 1997 году исследовательской группой Fraunhofer – Siemens , в которую входили Петер Рамм, Д. Боллманн, Р. Браун, Р. Бухнер, У. Као-Мин, Манфред Энгельхардт и Армин Клумпп. [17] Это была разновидность процесса TSV, и позже ее назвали технологией SLID (твердо-жидкостная интердиффузия). [18]
Термин «сквозное кремниевое отверстие» (TSV) был придуман исследователями Tru-Si Technologies Сергеем Савастюком, О. Синягиным и Э. Корчинским, которые предложили метод TSV для решения 3D -корпуса на уровне пластины (WLP) в 2000 году. [19]
Датчики изображения КМОП, использующие TSV, были выведены на рынок такими компаниями, как Toshiba , Aptina и STMicroelectronics в 2007–2008 годах, причем Toshiba назвала свою технологию «Through Chip Via» (TCV). 3D-стекированная память с произвольным доступом (RAM) была коммерциализирована компанией Elpida Memory , которая разработала первый модуль DRAM объемом 8 ГБ (состоявший из четырех кристаллов DDR3 SDRAM ) в сентябре 2009 года и выпустила его в июне 2011 года. TSMC объявила о планах по производству 3D-ИС с технологией TSV в январе 2010 года. [20] В 2011 году SK Hynix представила 16 ГБ DDR3 SDRAM ( класс 40 нм ) с использованием технологии TSV, [21] Samsung представила 3D-стекированную 32 ГБ DDR3 ( класс 30 нм ) на основе TSV в сентябре, а затем Samsung и Micron Technology анонсировали технологию гибридного куба памяти (HMC) на основе TSV в октябре. [20] В 2013 году SK Hynix изготовила первый модуль памяти с высокой пропускной способностью (HBM) на основе технологии TSV. [21] Технология via middle была разработана imec под руководством Эрика Бейна. via middle обеспечивала наилучший компромисс с точки зрения стоимости и плотности межсоединений. Работу поддержали Qualcomm , а затем Nvidia , Xilinx и Altera , которые искали способы превзойти Intel в ее игре — увеличивая память на кристалле, но тогда за счет стекирования, а не масштабирования.
TSV является сердцем 3-D интеграции IC/Si и является технологией, которой более 26 лет. Даже TSV (для электрического ввода) был изобретен Уильямом Шокли в 1962 году (патент был подан 23 октября 1958 года), но изначально он не был разработан для 3-D интеграции.