Через кремний через - Through-silicon via

TSV используется сложенными DRAM - игральные кости в сочетании с Память с высокой пропускной способностью (HBM) интерфейс

В электроинженерия, а через кремний через (TSV) или же через чип через это вертикаль электрическое подключение (через ), который полностью проходит через кремниевая пластина или же умереть. TSV - это высокопроизводительные методы межсоединений, используемые в качестве альтернативы проволочная связь и перевернуть фишки для создания 3D-пакетов и Трехмерные интегральные схемы. По сравнению с такими альтернативами, как упаковка на упаковке, плотность межсоединений и устройств существенно выше, а длина соединений становится короче.

Классификация

Визуализация промежуточных, промежуточных и последних TSV

В зависимости от производственного процесса существует три различных типа TSV: через первые TSV изготавливаются раньше отдельных устройств (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. д.) с рисунком (передний конец линии, ФЕОЛ), через средние TSV изготавливаются после нанесения рисунка на отдельные устройства, но до металлических слоев (бэк-энд-линия, BEOL) и промежуточные TSV изготавливаются после (или во время) процесса BEOL.[1][2] Промежуточные TSV в настоящее время являются популярным вариантом для продвинутых 3D ИС а также для посредник стеки.[2][3]

ТСВ через передний конец линии (FEOL) необходимо тщательно учитывать во время EDA и этапы производства. Это потому, что TSV вызывают термомеханическое напряжение в слое FEOL, тем самым влияя на транзистор поведение.[4]

Приложения

Датчики изображения

CMOS-датчики изображения (СНГ) были одними из первых приложений, которые внедрили TSV в массовое производство. В первоначальных приложениях для СНГ TSV были сформированы на обратной стороне датчик изображений пластина для формирования межкомпонентных соединений, устранения проводных соединений, а также для уменьшения форм-фактора и повышения плотности межсоединений. Укладка чипов произошла только с появлением с задней подсветкой (BSI) CIS, и включал в себя изменение порядка линз, схем и фотодиода по сравнению с традиционным фронтальным освещением, так что свет, проходящий через линзу, сначала попадает на фотодиод, а затем на схему. Это было достигнуто путем переворота пластины фотодиода, утонения тыльной стороны и последующего приклеивания ее поверх считывающего слоя с использованием прямого оксидного соединения с TSV в качестве межсоединений по периметру.[5]

3D пакеты

Пакет 3D (Система в пакете, Стек микросхем MCM и т. д.) содержит две или более микросхемы (интегральные схемы ) сложены вертикально, чтобы они занимали меньше места и / или имели больше возможностей подключения. Альтернативный тип 3D-корпуса можно найти в технологии IBM Silicon Carrier Packaging Technology, где ИС не складываются в стопку, а используется несущая подложка, содержащая TSV, для соединения нескольких ИС вместе в корпусе. В большинстве 3D-корпусов уложенные друг на друга чипы соединены проволокой по краям; эта разводка по краям немного увеличивает длину и ширину упаковки и обычно требует дополнительных «посредник ”Слой между стружкой. В некоторых новых 3D-корпусах TSV заменяют краевую разводку, создавая вертикальные соединения через корпус микросхем. Полученный пакет не имеет дополнительной длины или ширины. Поскольку никакого промежуточного устройства не требуется, пакет TSV 3D также может быть более плоским, чем пакет 3D с монтажом по краям. Этот метод TSV иногда также называют TSS (Through-Silicon Stacking или Thru-Silicon Stacking).

3D интегральные схемы

А 3D интегральная схема (3D IC) представляет собой единую интегральную схему, созданную путем наложения кремниевых пластин и / или кристаллов друг на друга и их вертикального соединения, чтобы они работали как единое устройство. Используя технологию TSV, 3D-микросхемы могут вместить большую функциональность на небольшую площадь. Различные устройства в стеке могут быть неоднородными, например объединение CMOS логика DRAM и материалы III-V в единую ИС. Кроме того, можно значительно сократить критические электрические пути через устройство, что приведет к более быстрой работе. Широкий ввод-вывод 3D DRAM стандарт памяти (JEDEC JESD229) включает TSV в конструкцию.[6]

История

Дальнейшая информация: Трехмерная интегральная схема § История

Истоки концепции TSV можно проследить до Уильям Шокли патент «Полупроводящая пластина и метод ее изготовления», поданный в 1958 году и выданный в 1962 году,[7][8] который получил дальнейшее развитие IBM исследователи Мерлин Смит и Эмануэль Стерн с их патентом «Методы создания сквозных соединений в полупроводниковых пластинах», зарегистрированным в 1964 году и выданным в 1967 году,[9][10] последняя описывает метод травления отверстия в кремнии.[11] TSV изначально не был разработан для 3D-интеграции, но первые 3D-чипы на основе TSV были изобретены позже, в 1980-х годах.[12]

Первый трехмерная интегральная схема (3D IC) сложенные чипы сфабрикованный с технологией TSV были изобретены в Япония 1980-х. Hitachi подала заявку на патент Японии в 1983 г., после чего Fujitsu в 1984 году. В 1986 году Fujitsu подала заявку на патент Японии, описывающий многослойную структуру микросхем с использованием TSV.[13] В 1989 году Мицумаса Койонаги из Университет Тохоку впервые применил технику соединения пластин с пластиной с помощью TSV, который он использовал для изготовления 3D LSI чип в 1989 году.[13][14][15] В 1999 году Японская ассоциация сверхсовременных электронных технологий (ASET) начала финансирование разработки микросхем 3D IC с использованием технологии TSV, получившей название «НИОКР по технологии интеграции электронных систем высокой плотности».[13][16] Группа Koyanagi в Университете Тохоку использовала технологию TSV для изготовления трехслойной штабелированной датчик изображений микросхема 1999 г., трехслойная микросхема памяти в 2000 г. - трехслойный чип искусственной сетчатки, в 2001 г. - трехслойный микропроцессор в 2002 году и десятислойный чип памяти в 2005 году.[14]

Метод межчиповых переходов (ICV) был разработан в 1997 г. Фраунгофер –Сименс исследовательская группа, в которую входят Питер Рамм, Д. Боллманн, Р. Браун, Р. Бюхнер, У. Као-Мин, Манфред Энгельхардт и Армин Клумпп.[17] Это была разновидность процесса TSV, позже получившая название SLID (твердо-жидкая взаимная диффузия).[18]

Термин «сквозные кремниевые переходы» (TSV) был придуман исследователями Tru-Si Technologies Сергеем Савастюком, О. Синягин и Э. Корчински, которые предложили метод TSV для трехмерного изображения. упаковка на уровне вафель (WLP) в 2000 году.[19] Позже Савастюк стал соучредителем и генеральным директором АЛЛВИЯ Inc. С самого начала его видение бизнес-плана заключалось в создании сквозного кремниевого межсоединения, поскольку оно обеспечит значительное улучшение производительности по сравнению с проводными соединениями. Савастюк опубликовал две статьи на эту тему в журнале Solid State Technology, сначала в январе 2000 г., а затем в 2010 г. Первая статья «Закон Мура - Z-измерение» была опубликована в журнале Solid State Technology в январе 2000 г.[20] В этой статье изложена дорожная карта развития TSV как перехода от 2D-стекирования чипа к стекированию на уровне пластин в будущем. В одном из разделов, озаглавленном «Через кремниевые переходные отверстия», доктор Сергей Савастюк написал: «Вложения в технологии, которые обеспечивают как вертикальную миниатюризацию на уровне пластины (утончение пластины), так и подготовку к вертикальной интеграции (через кремниевые переходные отверстия), имеют смысл». Он продолжил: «Устраняя произвольный 2D концептуальный барьер, связанный с законом Мура, мы можем открыть новое измерение в простоте проектирования, тестирования и производства корпусов ИС. Когда нам это нужно больше всего - для портативных компьютеров, карт памяти, смарт-карт, сотовых телефонов и других целей - мы можем следовать закону Мура в Z-измерении ». Это был первый раз, когда термин «сквозные переходы через кремний» был использован в технической публикации.

CMOS-датчики изображения с использованием TSV были коммерциализированы компаниями, в том числе Toshiba, Аптина и STMicroelectronics в 2007–2008 гг. компания Toshiba назвала свою технологию «Through Chip Via» (TCV). 3D-стек оперативная память (RAM) была коммерциализирована Эльпида Память, которые разработали первые 8 ГБ DRAM чип (сложен с четырьмя DDR3 SDRAM dies) в сентябре 2009 года и выпустил его в июне 2011 года. TSMC объявила о планах по производству 3D ИС с технологией TSV в январе 2010 года.[21] В 2011, SK Hynix представил 16 DDR3 SDRAM ГБ (40 нм класс) по технологии TSV,[22] Samsung Electronics представила 3D-стек 32 ГБ DDR3 (30 нм class) на базе TSV в сентябре, а затем Samsung и Микронная технология анонсирован на базе ТСВ Гибридный куб памяти (HMC) в октябре.[21] SK Hynix изготовил первый Память с высокой пропускной способностью (HBM) чип, основанный на технологии TSV, в 2013 году.[22]

Рекомендации

  1. ^ «Международная технологическая дорожная карта для полупроводников. Издание 2009 года. Interconnect» (PDF). 2009. С. 4–5.. Получено 2 января 2018.
  2. ^ а б Я. Кнехтель; и другие. (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.
  3. ^ Бейн, Э. (июнь 2016 г.). «Трехмерный ландшафт технологии межсоединений». Дизайн и тестирование IEEE. 33 (3): 8–20. Дои:10.1109 / mdat.2016.2544837. ISSN  2168-2356. S2CID  29564868.
  4. ^ Лим, С.К. (2013). Дизайн для высокопроизводительных, маломощных и надежных трехмерных интегральных схем - Springer. Дои:10.1007/978-1-4419-9542-1. ISBN  978-1-4419-9541-4.
  5. ^ Ф. фон Трапп, Будущее датчиков изображения - это наложение чипов http://www.3dincites.com/2014/09/future-image-sensors-chip-stacking
  6. ^ Дежарден, Э. «JEDEC публикует революционный стандарт для мобильной DRAM с широким вводом-выводом». JEDEC. JEDEC. Получено 1 декабря 2014.
  7. ^ J.H. Лау, Кто изобрел сквозные кремниевые переходники (TSV) и когда? 3D InCites, 2010 г.
  8. ^ Патент США 3044909
  9. ^ Када, Морихиро (2015). "История исследований и развития технологии трехмерной интеграции" (PDF). Трехмерная интеграция полупроводников: обработка, материалы и приложения. Springer. С. 6–7. ISBN  9783319186757.
  10. ^ Патент США 3,343,256
  11. ^ Павлидис, Василис Ф .; Савидис, Иоаннис; Фридман, Эби Г. (2017). Трехмерная интегральная схема. Newnes. п. 68. ISBN  9780124104846.
  12. ^ Лау, Джон Х. (2010). Надежность межкомпонентных соединений 2D и 3D, соответствующих требованиям RoHS. McGraw Hill Professional. п. 1. ISBN  9780071753807. TSV - это сердце интеграции 3-D IC / Si, которому уже более 26 лет. Даже TSV (для проходного электрического тока) был изобретен Уильямом Шокли в 1962 году (патент был подан 23 октября 1958 года), но изначально он не был разработан для 3-D интеграции.
  13. ^ а б c Када, Морихиро (2015). «История исследований и разработок технологии трехмерной интеграции» (PDF). Трехмерная интеграция полупроводников: обработка, материалы и приложения. Springer. С. 8–9. ISBN  9783319186757.
  14. ^ а б Фукусима, Т .; Танака, Т .; Коянаги, Мицумаса (2007). «Тепловые проблемы трехмерных ИС» (PDF). SEMATECH. Университет Тохоку. Архивировано из оригинал (PDF) 16 мая 2017 г.. Получено 16 мая 2017.
  15. ^ Танака, Тецу; Ли, Кан Ук; Фукусима, Такафуми; Коянаги, Мицумаса (2011). «Технология трехмерной интеграции и гетерогенная интеграция». Семантический ученый. S2CID  62780117. Получено 19 июля 2019.
  16. ^ Такахаши, Кенджи; Танида, Казумаса (2011). «Вертикальное соединение по ASET». Справочник по 3D-интеграции, Том 1: Технология и приложения 3D-интегральных схем. Джон Вили и сыновья. п. 339. ISBN  9783527623068.
  17. ^ Ramm, P .; Bollmann, D .; Braun, R .; Buchner, R .; Cao-Minh, U .; и другие. (Ноябрь 1997 г.). «Трехмерная металлизация вертикально-интегральных схем». Микроэлектронная инженерия. 37-38: 39–47. Дои:10.1016 / S0167-9317 (97) 00092-0. S2CID  22232571.
  18. ^ Macchiolo, A .; Andricek, L .; Moser, H.G .; Nisius, R .; Richter, R.H .; Вайгель, П. (1 января 2012 г.). «Технология вертикальной интеграции SLID-ICV для обновления пикселей ATLAS». Физические процедуры. 37: 1009–1015. arXiv:1202.6497. Дои:10.1016 / j.phpro.2012.02.444. ISSN  1875-3892. S2CID  91179768.
  19. ^ Savastionk, S .; Siniaguine, O .; Корчинский, Э. (2000). «Кремниевые переходные отверстия для 3D WLP». Труды Международного симпозиума по современным процессам, свойствам и интерфейсам упаковочных материалов (№ по каталогу 00TH8507): 206–207. Дои:10.1109 / ISAPM.2000.869271. ISBN  0-930815-59-9. S2CID  110397071.
  20. ^ АВТОР (ы) Савастюк, Сергей, Закон Мура в Z-направлении, Технология твердого тела; Янв.2000, т. 43 Выпуск 1, стр 84 http://connection.ebscohost.com/c/articles/2668333/moores-law-z-dimension
  21. ^ а б Када, Морихиро (2015). "История исследований и развития технологии трехмерной интеграции". Трехмерная интеграция полупроводников: обработка, материалы и приложения. Springer. С. 15–8. ISBN  9783319186757.
  22. ^ а б «История: 2010-е». SK Hynix. Получено 19 июля 2019.

внешняя ссылка