什么是3D芯片堆叠技术3D芯片堆叠技术的发展历程和详细资料简介

近日，武汉新芯研发成功的三片晶圆堆叠技术备受关注。有人说，该技术在国际上都处于先进水平，还有人说能够“延续”摩尔定律。既然3D芯片堆叠技术有如此大的作用，那今天芯师爷就跟大家一起揭开它的面纱。

日前，武汉新芯对外宣布称，基于其三维集成技术平台的三片晶圆堆叠技术研发成功。该消息一出就有业内人士表示，随着这一技术的突破，武汉新芯3D芯片堆叠技术居于国际先进、国内领先的水平。

还有业内人士指出，3D芯片堆叠是新的技术，可将存储、逻辑、传感器于一体，能够缩小尺寸且提供性能，是朝摩尔定律的方向迈进了一步。那么问题来了，3D芯片堆叠技术到底是什么？

3D芯片堆叠技术发展历程

上世纪九十年代，BGA封装（球栅阵列封装）替代了外引脚封装，焊料球凸点面阵使封装尺寸减小，输入和输出端口数量增加，功能和性能增加。然而随着封装技术的发展，在平面方向上的封装已经达到了极限。

另一方面，随着CMOS工艺的不断发展，继续等比例缩小的局限越发明显，系统设计师们开始越来越多地转向芯片封装，而不是继续依赖在单一芯片上集成更多的器件来提高性能。

在传统的集成电路技术中，作为互连层的多层金属位于2D有源电路上方，互连的基本挑战是全局互连的延迟，特别随着等比例缩小的持续进行，器件密度不断增加，延迟问题就更为突出。

为了避免这种延迟，同时也为了满足性能、频宽和功耗的要求，设计人员开发出在垂直方向上将芯片叠层的新技术，也就是三维堆叠封装技术，该技术可以穿过有源电路直接实现高效互连。

另外一些组织和公司也都在积极开发基于TSV（硅通孔，through silicon via）的3D芯片技术。究其原因，是因为许多芯片厂商都担心将来继续缩减制程尺寸时，所花费的成本难以承受，甚至不久的将来可能会被迫停止芯片制程缩减方面的开发。

随着硅片减薄技术的成功使用，多芯片堆叠封装的厚度几乎与过去BGA封装具有相同的厚度（约1.2毫米）。因此，3D芯片堆叠技术在缩小芯片尺寸的同时，还能有效地增强电子产品的功能和性能。

3D芯片堆叠技术简介

与传统的二维芯片把所有的模块放在平面层相比，三维芯片允许多层堆叠，而过TSV用来提供多个晶片垂直方向的通信。其中，TSV是3D芯片堆叠技术的关键。

3D芯片堆叠结构示意图

3D堆叠技术是把不同功能的芯片或结构，通过堆叠技术或过孔互连等微机械加工技术，使其在Z轴方向上形成立体集成、信号连通及圆片级、芯片级、硅帽封装等封装和可靠性技术为目标的三维立体堆叠加工技术。该技术用于微系统集成，是继片上系统（SOC）、多芯片模块（MCM）之后发展起来的系统级封装的先进制造技术。

3D芯片技术的类别

从SiP系统级封装的传统意义上来讲，凡是有芯片堆叠的都可以称之为3D，因为在Z轴上有了功能和信号的延伸，无论此堆叠是位于IC内部还是IC外部。但是，随着技术的发展，3D芯片技术却有了其更新、更独特的含义。

1.基于芯片堆叠式的3D技术

3D IC的初期型态，目前仍广泛应用于SiP领域，是将功能相同的裸芯片从下至上堆在一起，形成3D堆叠，再由两侧的键合线连接，最后以系统级封装(System-in-Package，SiP)的外观呈现。堆叠的方式可为金字塔形、悬臂形、并排堆叠等多种方式，参看下图。

另一种常见的方式是将一颗倒装焊(flip-chip)裸芯片安装在SiP基板上，另外一颗裸芯片以键合的方式安装在其上方，如下图所示，这种3D解决方案在手机中比较常用。

2.基于有源TSV的3D技术

在这种3D集成技术中，至少有一颗裸芯片与另一颗裸芯片叠放在一起，下方的那颗裸芯片是采用TSV技术，通过TSV让上方的裸芯片与下方裸芯片、SiP基板通讯。如下图所示：

下图显示了无源TSV和有源TSV分别对应的2.5D和3D技术。

以上的技术都是指在芯片工艺制作完成后，再进行堆叠形成3D，其实并不能称为真正的3D IC 技术。这些手段基本都是在封装阶段进行，我们可以称之为3D集成、3D封装或者3D SiP技术。

3.基于无源TSV的3D技术

在SiP基板与裸芯片之间放置一个中介层（interposer）硅基板，中介层具备硅通孔（TSV），通过TSV连结硅基板上方与下方表面的金属层。有人将这种技术称为2.5D，因为作为中介层的硅基板是无源被动元件，TSV硅通孔并没有打在芯片本身上。如下图所示：

4.基于芯片制造的3D技术

目前，基于芯片制造的3D技术主要应用于3D NAND FLASH上。东芝和三星在 3D NAND 上的开拓性工作带来了两大主要的 3D NAND 技术。

东芝开发了 Bit Cost Scalable(BiCS)的工艺。BiCS 工艺采用了一种先栅极方法(gate-first approach)，这是通过交替沉积氧化物(SiO)层和多晶硅(pSi)层实现的。然后在这个层堆叠中形成一个通道孔，并填充氧化物-氮化物-氧化物(ONO)和 pSi。然后沉积光刻胶，通过一个连续的蚀刻流程，光刻胶修整并蚀刻出一个阶梯，形成互连。最后再蚀刻出一个槽并填充氧化物。如下图所示：

三星则开发了 Terabit Cell Array Transistor (TCAT)工艺。TCAT 是一种后栅极方法( gate-last approach)，其沉积的是交替的氧化物和氮化物层。然后形成一个穿过这些层的通道并填充 ONO 和 pSi。然后与 BiCS 工艺类似形成阶梯。最后，蚀刻一个穿过这些层的槽并去除其中的氮化物，然后沉积氧化铝(AlO)、氮化钛(TiN)和钨(W)又对其进行回蚀(etch back)，最后用坞填充这个槽。如下图所示：

3D NAND目前已经能做到64层甚至更高，其产量正在超越 2D NAND，而且随着层数的进一步扩展，3D NAND还能继续将摩尔定律很好地延续。

TSV——层间互连技术

上文提到，在3D芯片堆叠技术当中，TSV是其关键，那TSV到底又是什么呢？

TSV（through silicon via），中文为硅通孔。TSV通过再芯片与芯片之间、晶圆与晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连，能够使三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和降低功耗。

采用TSV技术堆叠的器件

TSV与目前应用于多层互连的通孔有所不同。一方面，TSV通孔的直径通常仅为1-100Lm（光通量的物理单位），深度10-400Lm，为集成电路或其他多功能器件高密度混合集成提供可能；另一方面，它们不仅需要穿透组成叠层电路的各种材料，还需要穿透很厚的硅衬底，因此对通孔的刻蚀机技术具有较高的要求。

3D TSV互连概念模型

上图是一个3D TSV互连的概念模型，TSV是利用垂直硅通孔完成芯片互连的方法，由于连接距离更短、强度更高，它能实现更薄更小而性能更好、密度更高、尺寸和重量明显减小的封装。同时还能用于异种芯片之间的互连。

根据通孔制作的时间不同，3D TSV通孔集成方式可以分为四类：

1.先通孔工艺，即在CMOS制程之前完成硅通孔制作。先通孔工艺中的盲孔需电镀绝缘层并填充导电材料，通过硅晶圆减薄，使盲孔开口形成与背面的连接。

2.中通孔工艺，即在CMOS制程和后段制程（BEOL）之间制作通孔。

3.后通孔工艺，即在BEOL完成之后再制作通孔，由于先进行芯片减薄，通孔制成后即可与电路相连。

4.键合后通工艺，即在硅片减薄、划片之后再制作TSV。

圆片上通孔制造是TSV技术的核心，目前，钻蚀TSV技术主要有两种，一种是干法刻蚀或称博世刻蚀，另一种是激光刻蚀。博世工艺为MEMS工艺而开发，快速地在去除硅的SF6等离子刻蚀和实现侧壁钝化的C4F8等离子沉积步骤之间循环切换。下图为南京电子器件所（NEDI）利用博世工艺制作的TSV硅通孔。

NEDI研制的3D TSV通孔

激光技术作为一种不需掩膜的工艺，避免了光刻胶涂布、布刻曝光、显影和去胶等工艺步骤，三星在存储器叠层中采用了这一技术。激光加工系统供应商Xsil公司（爱尔兰）为TSV带来了另一种解决方案，Xsil称激光钻孔工艺首先应用到低密度闪存及CMOS传感器中，随着工艺及生产能力的提高，将会应用到DRAM中。

TSV被许多半导体厂和研究机构认为是最有前途的封装方法，世界上50%以上的厂商都参与3D TSV互连相关方面的研究。其中，以三星，SK海力士等为首的企业在积极推广可将3D TSV的计划。此外，英特尔、台积电、格芯、高通、安森美、惠普、IBM、联电、纽约州立大学等都有在研究3D芯片堆叠技术。

3D芯片堆叠技术应用及行业影响

如今，3D芯片堆叠技术在一些设备中已经有总领性的作用。从第一代开始，Apple Watch就是由最先进的3D堆叠式芯片封装之一驱动。在该智能手表中，30种不同的芯片密封在一个塑料包层里面。为了节省空间，存储芯片堆叠在逻辑电路上面。如果没有采用芯片堆叠技术，该手表的设计就无法做到如此紧凑。

英伟达硬件工程高级副总裁布莱恩·凯莱赫表示，公司针对AI打造的Volta微处理器的运作也运用了3D堆叠技术。通过直接在GPU上面堆叠八层的高频宽存储器，这些芯片在处理效率上创造了新的记录。“我们在电力上是受限的，我们能够从存储系统腾出的任何电力，都可以用在计算上。”凯莱赫如是说。

芯片堆叠也带来了一些全新的功能。有的手机摄像头将图像传感器直接叠加在处理图像的芯片上面，额外的速度意味着它们能够对照片进行多次曝光，并将其融合在一起，在昏暗的场景里捕捉到更多的光线。

由此可见，3D芯片堆叠技术的应用市场非常大，一旦全面投入市场，将极大的提升计算机芯片性能。可以说，3D芯片堆叠技术是一个趋势和必然，日后会越来越普通。

结语：

半导体业晶圆制程即将达到瓶颈，也就代表摩尔定律可能将失效。在晶圆制程无法继续微缩下，封测业将暂时以系统级封装等技术将芯片做有效整合，提高芯片制造利润，挑起超越摩尔定律的角色。

中国***半导体协会理事长卢超群指出，未来半导体将要做3D垂直堆叠，全球半导体产业未来会朝向类摩尔定律成长。封测业人士指出，目前不论是在逻辑芯片上抑或是NAND Flash上，都需要3D堆叠技术，才能让芯片效益发挥最大化，也才能达到轻薄短小的程度。从这一点上看，武汉新芯基于其三维集成技术平台的三片晶圆堆叠技术研发成功，确实代表了芯片未来方向。