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研发成功!三维芯片堆叠技术取得重大突破

类别:行业资讯 发布时间:2020-08-19 浏览人次:

2018年12月3日,武汉新芯集成电路制造有限公司,一家领先的半导体研发与制造企业,宣布基于其三维集成技术平台的三片晶圆堆叠技术研发成功。

武汉新芯的晶圆级集成技术可将三片不同功能的晶圆(如逻辑、存储和传感器等)垂直键合,在不同晶圆金属层之间实现电性互连。与传统的2.5D芯片堆叠相比,晶圆级的三维集成技术能同时增加带宽,降低延时,带来更高的性能与更低的功耗。

三维异构集成技术

伴随着集成度和性能提升的迫切要求,集成电路的设计和制造、封装开始从平面向3D立体方向发展,并且逐步出现了不同结构芯片的集成。早期是多层多芯片集成,用于在单个衬底上横向集成不同类型半导体器件以及无源元件(包括滤波器和天线)。运用这种技术,无源元件被嵌入到多个层叠中以达到高Q值和小型化,同时,其中的短距互连能得到比传统印刷电路板技术更高的性能和集成度。

随着频率的上升,在多个集成电路间的互联块和线内的损耗迅速增加。同时多芯片集成通常缺乏几何和互联清晰度,以达成横向和纵向的紧密度。因此,人们开始研究各类新技术形式,用以克服互联的寄生效应,在这样的背景下,三维异构集成技术应运而生。

三维异构集成通常分为四个基本类别,分别是:单片(monolithic)、小芯片(chiplet)、晶圆键合(wafer-bonding)、和外延转移(epitaxial transfer)。而此次武汉新芯就是在晶圆键合技术上实现了突破。

在晶圆级异构集成(小芯片、晶圆键合和外延转移)方式中,硅与化合物半导体器件是在独立完成了各自工艺后集成的,这对现有的工艺制造过程构成的风险很小,并能在化合物半导体(如磷化铟)与硅(CMOS和BiCMOS)器件间提供紧密纵向集成。

其中,chiplet集成能将各种不同的半导体技术,例如氮化镓HEMT、磷化铟双HBT、以及硅MEMS等彼此相临地安放在一个完整的CMOS晶圆上。此种键合技术也打破了化合物半导体技术的芯片尺寸缩小障碍,因为III-V元素化合物chiplet能被放置于任意大小的CMOS晶圆上。

应用已在提速

如今,三维芯片堆叠技术在一些设备中已经有统领性的运用,比如Apple Watch就由最先进的三维堆叠式芯片封装之一驱动,如果没有采用芯片堆叠技术,该手表的设计就无法做得如此紧凑。 

有报道称,英伟达硬件工程高级副总裁布莱恩·凯莱赫曾表示,英伟达针对AI打造的Volta微处理器的运作也运用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。 

而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图像处理芯片上,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。

去年三星研发了全新的三层堆栈式传感器,每秒可拍摄多达1000张照片,几乎达到了专业摄影机的水准。在现有大部分CMOS传感器都只有两层的基础上额外加入DRAM,成为实现超高速拍摄的关键。这一技术也将为传感器技术的升级换代带来全新的张力。

由此可见,三维芯片堆叠技术的应用市场空间广阔,这一扩维的思想亦将成一大趋势和必然。

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来源:芯通社、半导体行业观察、集微网

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