stringtranslate.com

сквозной кремниевый переход

TSV, используемые стекированными кристаллами DRAM в сочетании с интерфейсом памяти с высокой пропускной способностью (HBM)

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.

Классификация

Визуализация TSV via-first, via-middle и via-last

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]

Приложения

Датчики изображения

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 пакеты

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 интегральные схемы

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]

История

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 FraunhoferSiemens , 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.       

Ссылки

  1. Международная технологическая дорожная карта для полупроводников (ITRS) 2009 г. 5 сентября 2009 г. С. 4–5.
  2. ^ ab Knechtel, Johann; Sinanoglu, Ozgur; Elfadel, Ibrahim (Abe) M.; Lienig, Jens; Sze, Cliff CN (2017). «Крупномасштабные 3D-чипы: проблемы и решения для автоматизации проектирования, тестирования и надежной интеграции». IPSJ Transactions on System LSI Design Methodology . 10 : 45–62. doi : 10.2197/ipsjtsldm.10.45 .
  3. ^ Бейне, Эрик (2016). «Технология 3-D Interconnect». IEEE Design & Test . 33 (3): 8–20. doi :10.1109/mdat.2016.2544837. S2CID  29564868.
  4. ^ Лим, Сунг Кю (2013). Проектирование высокопроизводительных, маломощных и надежных 3D-интегральных схем . doi :10.1007/978-1-4419-9542-1. ISBN 978-1-4419-9541-4.
  5. ^ Фон Трапп, Франсуаза (15 сентября 2014 г.). «Будущее датчиков изображения — это стекирование чипов». 3D InCites .
  6. ^ "JEDEC публикует прорывной стандарт для широкополосного ввода-вывода мобильной DRAM". JEDEC (пресс-релиз). Арлингтон, Вирджиния. 5 января 2012 г. Получено 1 декабря 2014 г.
  7. ^ Фон Трапп, Франсуаза (24 апреля 2010 г.). «Кто и когда изобрел TSV?». 3D InCites .
  8. ^ Патент США 3,044,909
  9. ^ Када, Морихиро (2015). «История исследований и разработок технологии трехмерной интеграции». Трехмерная интеграция полупроводников . стр. 1–23. doi :10.1007/978-3-319-18675-7_1. ISBN 978-3-319-18674-0.
  10. ^ Патент США 3,343,256
  11. ^ Павлидис, Василис Ф.; Савидис, Иоаннис; Фридман, Эби Г. (2017). Проектирование трехмерных интегральных схем. Ньюнес. п. 68. ИСБН 978-0-12-410484-6.
  12. ^ Лау, Джон Х. (2010). Надежность межсоединений 2D и 3D ИС, соответствующих RoHS . McGraw Hill Professional . стр. 1. ISBN 978-0-07-175380-7. 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.
  13. ^ abc Када, Морихиро (2015). "История исследований и разработок технологии трехмерной интеграции". Трехмерная интеграция полупроводников: обработка, материалы и приложения . Springer. стр. 8–9. ISBN 978-3-319-18675-7.
  14. ^ аб Фукусима, Т.; Танака, Т.; Коянаги, Мицумаса (2007). «Тепловые проблемы 3D-микросхем» (PDF) . СЕМАТЕХ . Университет Тохоку. Архивировано из оригинала (PDF) 16 мая 2017 года . Проверено 16 мая 2017 г.
  15. ^ Танака, Тецу; Ли, Кан Ук; Фукусима, Такафуми; Коянаги, Мицумаса (2011). Технология 3D-интеграции и гетерогенная интеграция (Доклад). S2CID  62780117.
  16. ^ Такахаши, Кэндзи; Танида, Казумаса (2011). "Вертикальное соединение с помощью ASET". Справочник по 3D-интеграции . Том 1: Технология и применение 3D-интегральных схем. John Wiley & Sons. стр. 339. ISBN 978-3-527-62306-8.
  17. ^ Рамм, П.; Больманн, Д.; Браун, Р.; Бухнер, Р.; Као-Минь, У.; и др. (ноябрь 1997 г.). «Трехмерная металлизация для вертикально-интегральных схем». Microelectronic Engineering . 37–38: 39–47. doi :10.1016/S0167-9317(97)00092-0. S2CID  22232571.
  18. ^ Macchiolo, A.; Andricek, L.; Moser, HG; Nisius, R.; Richter, RH; Weigell, P. (1 января 2012 г.). «SLID-ICV Vertical Integration Technology for the ATLAS Pixel Upgrades». Physics Procedia . 37 : 1009–1015. arXiv : 1202.6497 . Bibcode : 2012PhPro..37.1009M. doi : 10.1016/j.phpro.2012.02.444. S2CID  91179768.
  19. ^ Savastionk, S.; Siniaguine, O.; Korczynski, E. (2000). "Сквозные кремниевые отверстия для 3D WLP". Труды Международного симпозиума по передовым упаковочным материалам: процессы, свойства и интерфейсы (Кат. № 00TH8507) . стр. 206–207. doi :10.1109/ISAPM.2000.869271. ISBN 0-930815-59-9. S2CID  110397071.
  20. ^ ab Kada, Morihiro (2015). "История исследований и разработок технологии трехмерной интеграции". Трехмерная интеграция полупроводников: обработка, материалы и приложения . Springer. стр. 15–8. ISBN 978-3-319-18675-7.
  21. ^ ab "История: 2010-е". SK Hynix . Архивировано из оригинала 17 мая 2021 г. Получено 19 июля 2019 г.

Внешние ссылки