Через кремний через
В электронной технике сквозное кремниевое отверстие ( TSV ) или сквозное отверстие кристалла представляет собой вертикальное электрическое соединение ( отверстие ), которое полностью проходит через кремниевую пластину или кристалл . TSV — это высокопроизводительные методы межсоединений, используемые в качестве альтернативы проводному соединению и перевернутым микросхемам для создания 3D-корпусов и 3D-интегральных схем. По сравнению с такими альтернативами, как «пакет на упаковке» , плотность межсоединений и устройств существенно выше, а длина соединений становится короче.
Классификация
[ редактировать ]
В зависимости от производственного процесса существует три различных типа TSV: TSV с переходным отверстием изготавливаются до того, как отдельные компоненты ( транзисторы , конденсаторы , резисторы и т. д.) формируются ( передний конец линии , FEOL), с переходным отверстием TSV изготавливаются после создания рисунка отдельного компонента, но до того, как металлические слои ( back-end-of-line , BEOL) и переходные TSV изготавливаются после (или во время) процесса BEOL. [1] [2] TSV через промежуточное соединение в настоящее время являются популярным вариантом для продвинутых 3D-микросхем, а также для стеков промежуточных устройств . [2] [3]
TSV на начальном этапе линии (FEOL) необходимо тщательно учитывать на этапах EDA и производства. Это связано с тем, что TSV вызывают термомеханические напряжения в слое FEOL, тем самым влияя на поведение транзистора . [4]
Приложения
[ редактировать ]Датчики изображения
[ редактировать ]Датчики изображения CMOS (CIS) были одними из первых приложений, которые использовали TSV в массовом производстве. В первоначальных приложениях CIS TSV формировались на обратной стороне пластины датчика изображения для формирования межсоединений, устранения проводных связей и обеспечения уменьшения форм-фактора и более высокой плотности межсоединений. Укладка кристаллов возникла только с появлением CIS с задней подсветкой (BSI) и включала изменение порядка линз, схем и фотодиодов по сравнению с традиционным передним освещением, так что свет, проходящий через линзу, сначала попадает на фотодиод, а затем на фотодиод. схема. Это было достигнуто путем переворачивания пластины фотодиода, утончения задней стороны и последующего соединения ее поверх слоя считывания с использованием прямой оксидной связи с TSV в качестве межсоединений по периметру. [5]
3D-пакеты
[ редактировать ]3D-пакет ( «Система в пакете» , «Стек микросхем MCM» и т. д.) содержит два или более кристалла , расположенных вертикально, так что они занимают меньше места и/или имеют большую возможность подключения. Альтернативный тип 3D-корпуса можно найти в технологии IBM Silicon Carrier Packaging Technology, где микросхемы не складываются друг в друга, а несущая подложка, содержащая TSV, используется для соединения нескольких микросхем вместе в корпусе. В большинстве 3D-корпусов сложенные друг на друга чипы соединены вместе по краям; эта краевая проводка немного увеличивает длину и ширину корпуса и обычно требует дополнительного « промежуточного » слоя между кристаллами. В некоторых новых 3D-пакетах TSV заменяют краевую проводку, создавая вертикальные соединения через корпус матрицы. Полученный пакет не имеет добавленной длины или ширины. Поскольку промежуточный элемент не требуется, 3D-пакет TSV также может быть более плоским, чем 3D-пакет с краевой проводкой. Этот метод TSV иногда также называют TSS (сквозное кремниевое уложение или сквозное кремниевое уложение).
3D интегральные схемы
[ редактировать ]( 3D-интегральная схема 3D IC) — это единая интегральная схема, построенная путем укладки кремниевых пластин и/или кристаллов и их вертикального соединения так, чтобы они вели себя как единое устройство. Используя технологию TSV, 3D-ИС могут объединить большую функциональность при небольшом занимаемом пространстве. Различные устройства в стеке могут быть разнородными, например, объединять логику CMOS , DRAM и материалы III-V в одну микросхему. Кроме того, критические электрические пути через устройство могут быть значительно сокращены, что приведет к более быстрой работе. Стандарт памяти Wide I/O 3D DRAM ( JEDEC JESD229) включает в себя TSV. [6]
История
[ редактировать ]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 дополнительно развит исследователями IBM Мерлином Смитом и Эмануэлем Стерном с их патентом «Методы создания сквозных соединений в полупроводниковых пластинах», поданным в 1964 году и выданным в 1967 году. [9] [10] последний описывает метод травления отверстия в кремнии. [11] TSV изначально не был разработан для интеграции 3D, но первые 3D-чипы на основе TSV были изобретены позже, в 1980-х годах. [12]
Первые многослойные кристаллы трехмерных интегральных схем (3D IC), изготовленные по технологии TSV, были изобретены в Японии в 1980-х годах . Hitachi подала патент в Японии в 1983 году, а затем Fujitsu в 1984 году. В 1986 году Fujitsu подала японский патент, описывающий многослойную структуру микросхем с использованием TSV. [13] В 1989 году Мицумаса Койонаги из Университета Тохоку впервые применил технику соединения пластин с пластинами с помощью TSV, которую он использовал для изготовления 3D- чипа LSI в 1989 году. [13] [14] [15] В 1999 году Ассоциация сверхпередовых электронных технологий (ASET) в Японии начала финансировать разработку 3D-микросхем с использованием технологии TSV, получившую название «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 десятислойный чип памяти в 2005 году. [14]
Метод межчипового перехода (ICV) был разработан в 1997 году исследовательской группой Фраунгофера - Сименс , в которую входили Питер Рамм, Д. Боллманн, Р. Браун, Р. Бюхнер, У. Цао-Мин, Манфред Энгельхардт и Армин Клумп. [17] Это была разновидность процесса TSV, позже названная технологией SLID (взаимная диффузия твердой жидкости). [18]
Термин «сквозное кремниевое соединение» (TSV) был придуман исследователями Tru-Si Technologies Сергеем Савастюком, О. Синягином и Э. Корчински, которые предложили метод TSV для решения 3D -упаковки на уровне пластины (WLP) в 2000 году. [19]
КМОП-датчики изображения, использующие TSV, были коммерциализированы такими компаниями, как Toshiba , Aptina и STMicroelectronics , в 2007–2008 годах, при этом Toshiba назвала свою технологию «Through Chip Via» (TCV). (ОЗУ) с 3D-стеком Память с произвольным доступом была коммерциализирована компанией Elpida Memory , которая разработала первый объемом 8 ГБ модуль DRAM (с четырьмя кристаллами 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] В сентябре компания Samsung представила 32- гигабайтную память DDR3 с 3D-стеком ( класс 30 нм ) на базе TSV, а затем в октябре Samsung и Micron Technology (HMC) на основе TSV . Hybrid Memory Cube анонсировали технологию [20] В 2013 году SK Hynix выпустила первый модуль памяти с высокой пропускной способностью (HBM) на основе технологии TSV. [21] Технология via middle была разработана компанией imec под руководством Эрика Бейна. Промежуточное соединение обеспечивает наилучший компромисс с точки зрения стоимости и плотности межсоединений. Работу поддержала компания Qualcomm , а затем и Nvidia , Xilinx и Altera , которые искали способы превзойти Intel в ее игре — увеличение встроенной памяти, но тогда за счет стекирования, а не масштабирования.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Международная технологическая дорожная карта полупроводников на 2009 год (ITRS) . 5 сентября 2009 г. стр. 4–5.
- ^ Jump up to: а б Кнехтель, Иоганн; Синаноглу, Озгур; Эльфадель, Ибрагим (Абэ) М.; Линиг, Йенс; Сзе, Клифф CN (2017). «Крупномасштабные 3D-чипы: проблемы и решения для автоматизации проектирования, тестирования и надежной интеграции» . Транзакции IPSJ по методологии проектирования системных LSI . 10 : 45–62. дои : 10.2197/ipsjtsldm.10.45 .
- ^ Бейн, Эрик (2016). «Технологический ландшафт 3-D Interconnect». Проектирование и тестирование IEEE . 33 (3): 8–20. дои : 10.1109/mdat.2016.2544837 . S2CID 29564868 .
- ^ Лим, Сон Гю (2013). Разработка высокопроизводительных, маломощных и надежных 3D-интегральных схем . дои : 10.1007/978-1-4419-9542-1 . ISBN 978-1-4419-9541-4 .
- ^ Фон Трапп, Франсуаза (15 сентября 2014 г.). «Будущее датчиков изображения – это стекинг микросхем» . 3D InCites .
- ^ «JEDEC публикует революционный стандарт для мобильной DRAM с широким вводом-выводом» . JEDEC (Пресс-релиз). Арлингтон, Вирджиния. 5 января 2012 года . Проверено 1 декабря 2014 г.
- ^ Фон Трапп, Франсуаза (24 апреля 2010 г.). «Кто и когда изобрел TSV?» . 3D InCites .
- ^ Патент США 3 044 909.
- ^ Када, Морихиро (2015). «История исследований и разработок технологии трехмерной интеграции». Трехмерная интеграция полупроводников . стр. 1–23. дои : 10.1007/978-3-319-18675-7_1 . ISBN 978-3-319-18674-0 .
- ^ Патент США 3343256.
- ^ Павлидис, Василис Ф.; Савидис, Джон; Фридман, Эби Г. (2017). Проектирование трехмерных интегральных схем . Ньюнес п. 68. ИСБН 978-0-12-410484-6 .
- ^ Лау, Джон Х. (2010). Надежность межкомпонентных соединений 2D и 3D IC, соответствующих требованиям RoHS . МакГроу Хилл Профессионал . п. 1. ISBN 978-0-07-175380-7 .
TSV — это сердце интеграции 3-D IC/Si, и этой технологии 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 предназначен для трехмерной интеграции.
- ^ Jump up to: а б с Када, Морихиро (2015). «История исследований и разработок технологии трехмерной интеграции». Трехмерная интеграция полупроводников: обработка, материалы и приложения . Спрингер. стр. 8–9. ISBN 978-3-319-18675-7 .
- ^ Jump up to: а б Фукусима, Т.; Танака, Т.; Коянаги, Мицумаса (2007). «Тепловые проблемы 3D-микросхем» (PDF ) СЕМАТЕХ . Университет Тохоку. Архивировано из оригинала (PDF) мая. 16 Получено 16 мая.
- ^ Танака, Тецу; Ли, Кан Ук; Фукусима, Такафуми; Коянаги, Мицумаса (2011). Технология 3D-интеграции и гетерогенная интеграция (Доклад). S2CID 62780117 .
- ^ Такахаши, Кенджи; Танида, Казумаса (2011). «Вертикальное соединение от ASET» . Справочник по 3D-интеграции . Том. 1: Технология и применение 3D-интегральных схем. Джон Уайли и сыновья. п. 339. ИСБН 978-3-527-62306-8 .
- ^ Рамм, П.; Боллманн, Д.; Браун, Р.; Бюхнер, Р.; Цао-Мин, Ю.; и др. (ноябрь 1997 г.). «Трехмерная металлизация вертикально-интегральных схем». Микроэлектронная инженерия . 37–38: 39–47. дои : 10.1016/S0167-9317(97)00092-0 . S2CID 22232571 .
- ^ Маккиоло, А.; Андричек, Л.; Мозер, Х.Г.; Нисиус, Р.; Рихтер, Р.Х.; Вайгель, П. (1 января 2012 г.). «Технология вертикальной интеграции SLID-ICV для обновления пикселей ATLAS». Процессия по физике . 37 : 1009–1015. arXiv : 1202.6497 . Бибкод : 2012PhPro..37.1009M . дои : 10.1016/j.phpro.2012.02.444 . S2CID 91179768 .
- ^ Савастионк, С.; Синиагин, О.; Корчинский, Э. (2000). «Сквозные кремниевые переходы для 3D WLP». Труды Международного симпозиума по процессам, свойствам и взаимодействиям с современными упаковочными материалами (кат. № 00TH8507) . стр. 206–207. дои : 10.1109/ISAPM.2000.869271 . ISBN 0-930815-59-9 . S2CID 110397071 .
- ^ Jump up to: а б Када, Морихиро (2015). «История исследований и разработок технологии трехмерной интеграции» . Трехмерная интеграция полупроводников: обработка, материалы и приложения . Спрингер. стр. 15–8. ISBN 978-3-319-18675-7 .
- ^ Jump up to: а б «История: 2010-е» . СК Хайникс . Архивировано из оригинала 17 мая 2021 года . Проверено 19 июля 2019 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «3D-интеграция: революция в дизайне» . Реальные мировые технологии . 2 мая 2007 г.
- Патент США 7 683 459
- Патент США 7 633 165