單片型3D芯片集成技術與TSV的研究

　　盡管晶體管的延遲時間會隨著晶體管溝道長度尺寸的縮小而縮短，但與此同時互聯(lián)電路部分的延遲則會提升。舉例而言，90nm制程晶體管的延遲時間大約在 1.6ps左右，而此時互聯(lián)電路中每1mm長度尺寸的互聯(lián)線路，其延遲時間會增加500ps左右;根據(jù)ITRS技術發(fā)展路線圖的預計，到22nm制程節(jié)點，晶體管的延遲時間會達到0.4ps水平，而互聯(lián)線路的延遲則會增加到1萬ps水平。

　　對晶體管而言，晶體管的尺寸越小則運行速度也越快，但與此同時，互聯(lián)層線路的電阻則會隨著線路截面積的縮小而增大。表面散射現(xiàn)象，晶界散射現(xiàn)象，和擴散勢壘層(這里指防止互聯(lián)層金屬材料相互擴散而制成的擴散阻擋層)電阻值的不斷增加，是導致互聯(lián)層RC延遲增加的主要原因。雖然3D集成(3-D integration)技術的顯見優(yōu)點之一是可以減小互聯(lián)線的長度，但是同時這種技術的應用能否對減小板級，或線路極互聯(lián)線長度起到積極作用也是應該考慮的。

　　以TSV為核心的3D集成技術：

　　以TSV穿硅互聯(lián)技術為核心的3D集成技術主要影響的是芯片之間的互聯(lián)結構，因此這種技術主要減小的是芯片間互聯(lián)需用的電路板面積。這種技術一般是采用將多塊存儲或邏輯功能芯片垂直堆疊在一起，并將堆疊結構中上一層芯中制出的TSV連接在下層芯片頂部的焊墊(Bond pad)上的方式來實現(xiàn)。不過此時堆疊結構中的每一層芯片都采用獨自的設計，仍為傳統(tǒng)的二維結構，因此每一層芯片內(nèi)部的電路級互聯(lián)仍為傳統(tǒng)的二維設計。

　　單片型3D堆疊技術：(MonolithIC 3D)

　　相比之下，單片型3D技術中，芯片內(nèi)部互聯(lián)層的3D化則更加徹底，因此人們通常稱這種技術為“真3D集成設計”。此時芯片堆疊結構中每一層芯片均作為整體中的一個功能單元來設計，這樣堆疊結構中各層芯片(此時應當稱之為功能單元可能較為合適些)內(nèi)部都可以采用同樣的互聯(lián)結構(不論是垂直方向，還是水平方向的互聯(lián))，因此這種設計可以讓互聯(lián)線的長度進一步降低。而且由于采用統(tǒng)一化設計，信號中繼電路等所占用的面積也更小，因此芯片的總體占地面積可以更小。根據(jù)華盛頓大學Lili Zhou等人在ICCD2007會議上發(fā)表的論文，這種真3D集成設計可以令芯片的尺寸減半，互聯(lián)線總長度則可減小2/3.

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　　SOI晶圓廠商Soitec的SMARTCUT技術

　　單片型3D技術實現(xiàn)的關鍵在于如何將各層功能單元轉換到單片3D堆疊結構之中去，其采用的方法非常類似于Soitec在制作SOI晶圓時所采用的SMARTCUT技術。由于單片3D堆疊芯片中的過孔只需要從各層功能單元的有源層(Active layer：簡單說就是晶體管中覆蓋在柵絕緣層之下的部分)部分穿過，因此其尺寸要比常規(guī)的TSV小得多，僅比2D芯片頂部互聯(lián)層的尺寸大3倍左右。據(jù)研發(fā)這種技術的公司宣稱，在許多應用中，這種技術可實現(xiàn)的芯片微縮程度可相當于進步了一個制程級別的水平，而且同時還不需要研發(fā)特別的制程技術或者購買昂貴的專用制造設備。

　　表面上看，單片型3D技術的特性是非常引人入勝的，但是由于目前這項技術還未能完全實現(xiàn)，因此現(xiàn)在要評估這項技術的未來發(fā)展狀況難度極大。