淺談3D芯片堆疊技術現(xiàn)狀

　　盡管最近幾年以TSV穿硅互聯(lián)為代表的3D芯片技術在各媒體上的出鏡率極高，但許多人都懷疑這種技術到底有沒有可能付諸實用，而且這項技術的實際發(fā)展速度也相對緩慢，目前很大程度上仍停留在“紙上談兵”的階段。不過，許多芯片制造商仍在竭力推進基于TSV的3D芯片技術的發(fā)展并為其投入研發(fā)資金，這些廠商包括IBM,Intel，三星，東芝等等，3D芯片技術的優(yōu)勢在于可以在不需要改變現(xiàn)有產(chǎn)品制程的基礎上增加產(chǎn)品的集成度，從而提高單位芯片面積內(nèi)的晶體管數(shù)量。

　　在最近舉辦的GSA存儲大會上，芯片制造業(yè)的四大聯(lián)盟組織-IMEC, ITRI, Sematech以及SEMI都展示了他們各自在基于TSV的3D芯片技術方面的最新進展。

　　SEMI聯(lián)盟組織旗下的一個3D芯片技術工作組本周召開了第一次聯(lián)合會議，會上他們草擬出了一套TSV技術用晶圓坯以及制造用設備的標準。SEMI聯(lián)盟組織旗下共有三個與3D芯片技術有關的工作組，而且他們目前還在組織第四個與之有關的工作組，這個新成立的工作組將由芯片生產(chǎn)用設備制造行業(yè)的老大應用材料公司領銜。

　　而另外一個工業(yè)聯(lián)盟組織Sematech也在積極拓展自己的3D芯片研發(fā)計劃。令人稍感意外的是，Analog Devices最近也宣布加入了由Sematech組織的“3D芯片設計啟動中心”組織，目前該組織的成員有Altera, LSI, 安森美半導體以及高通等幾家。

　　3D堆疊技術的誘因：

　　另外一些組織和公司也都在積極開發(fā)基于TSV的3D芯片技術。究其原因，是因為許多芯片廠商都擔心將來繼續(xù)縮減制程尺寸時，所花費的成本將難以承受，甚至不久的將來可能會被迫停止芯片制程縮減方面的研發(fā)。

　　所有這些行動表明，除了向二維方向縮減制程尺寸之外，業(yè)界也在積極考慮向三維TSV芯片堆疊方向發(fā)展的方案。多年以來，芯片制造商一直在談論基于TSV的3D芯片堆疊技術，不過除了在CMOS圖像傳感器領域有推出過采用類似技術的產(chǎn)品之外，這項技術還遠遠沒有進入主流范疇，導致這種現(xiàn)象的原因則是研發(fā)成本高，缺乏標準等因素。

　　2.5D與3D芯片堆疊技術：

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　　2.5D芯片堆疊結構

　　理論上說，3D芯片堆疊技術的實現(xiàn)可分兩步走，第一階段是先采用借助硅中間互連層的2.5D技術，這種技術中雖然也有使用TSV技術，但如上圖所示，功能芯片(chip1/2)中并沒有制出TSV結構，而是把TSV結構設置在專門的襯底中，功能芯片通過microbump與中間互連層(interposer)連接，再通過一層TSV襯底連接到3D芯片封裝用襯底上;而第二階段則會將TSV結構直接植入功能芯片之中。

　　而現(xiàn)在，多家組織已經(jīng)組建了許多新的，面向主流應用的3D芯片堆疊項目組。舉例而言，Semtech組織便正在與IBM公司進行這方面的合作，這個項目的目標是將模數(shù)轉換器芯片與DSP芯片利用TSV 3D堆疊技術連接在一起，這兩種芯片將通過一層中間互聯(lián)層(interposer)連接在一起，該互連層的峰值帶寬可超過1.3Tbps.

　　3DIC技術在內(nèi)存領域的應用熱點：Wide I/O

　　另外，以Hynix，三星等為首的組織則在積極推廣可將TSV 3D堆疊技術帶入主流應用領域的另外一項計劃，即Wide I/O內(nèi)存接口技術，這項技術面向手機，平板電腦等相關產(chǎn)品。

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　　三星的Wide I/O內(nèi)存芯片內(nèi)部結構

　　JEDEC組織目前還在審核Wide I/O內(nèi)存接口技術標準，這種內(nèi)存接口的位寬達512bit，可以增大內(nèi)存芯片與邏輯芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，其峰值傳輸率可達12.8GB/s，帶寬要比常規(guī)的LP DDR2接口高出了3倍之多。

　　LPDDR2是目前移動設備用內(nèi)存的主流接口標準。而Wide I/O則是三星等廠商計劃用于取代LPDDR2的接口標準，Wide I/O計劃將分兩個階段實現(xiàn)，第一階段的Wide I/O將實現(xiàn)將4塊內(nèi)存芯片通過TSV技術實現(xiàn)互聯(lián)，組建高位寬4通道芯片，然后再利用TSV技術將這種高位寬4通道芯片堆疊在一起。高位寬4通道芯片內(nèi)部的四塊芯片采用微凸焊(microbump或稱μ-bump)互聯(lián)的方法實現(xiàn)相互連接。據(jù)預測，采用這種技術的產(chǎn)品有望在2014/2015年間出現(xiàn)，不過也有人認為這項技術實用化可能需要更多的時間。

　　Rambus公司高級副總裁兼半導體業(yè)務部門的總經(jīng)理Sharon Holt則認為，由于這項技術十分復雜加上高額的研發(fā)成本，因此基于TSV的Wide I/O接口技術可能要再過“5-10年”才有望實用化。同時他還認為業(yè)界不太可能直接從現(xiàn)有的LPDDR2標準轉換到Wide I/O標準，因為從時間上看，LPDDR2技術去年便已經(jīng)有實際的產(chǎn)品問世，而Wide I/O技術現(xiàn)在看則仍是八字還沒一撇。

　　這樣，LPDDR2和Wide I/O之間便會出現(xiàn)一個空檔期。而Rambus則正好可以見縫插針地推廣其移動內(nèi)存用XDR接口標準。

　　在這次GSA大會上，Holt還表示移動用內(nèi)存標準與PC用內(nèi)存標準終將實現(xiàn)一統(tǒng)，也就是說目前移動設備上使用的LPDDR2技術有可能被PC內(nèi)存用上，他并稱其為“統(tǒng)一內(nèi)存系統(tǒng)”。

　　不過其它廠商則看法不同。比如三星公司的高管Jim Elliott雖然同意“統(tǒng)一內(nèi)存系統(tǒng)”的提法，但他認為促成內(nèi)存標準一統(tǒng)的技術將是基于TSV的Wide I/O技術。