Многие удивляются, неужели массовое производство 3D-кристаллов с использованием сквозных межсоединений (TSV) когда-нибудь станет возможным, учитывая нерешенные индустрией проблемы. Технология объемной интеграции развивается медленными темпами, и предстоит еще большая работа по ее совершенствованию.
Однако полупроводниковая отрасль прилагает немалые усилия, пытаясь создать TSV 3D-кристаллы. Большое число компаний, среди которых IBM, Intel, Samsung, Toshiba, TSMC и др., изучает возможность многоярусного монтажа устройств в объемной конфигурации.
31-го марта на состоявшейся в Сан-Хосе конференции GSA Memory Conference четыре отраслевые организации – IMEC, ITRI, Sematech и SEMI – устроили презентации, посвященные вопросам разработки 3D-кристаллов на основе сквозных межсоединений.
Рабочая группа SEMI рассказала о положении дел со стандартами TSV для кремниевых пластин и инструментов. В SEMI три исследовательские группы занимаются разработкой 3D-кристаллов. Четвертую формируемую группу, возможно, возглавит компания Applied Materials.
Консорциум Sematech также расширяет свою деятельность в рамках программы 3D. В настоящее время к центру 3-D Design Enablement Center этого консорциума присоединяется компания Analog Devices. Компании Altera, LSI, On Semiconductor и Qualcomm – уже члены этой организации.
Стремление многих компаний к реализации технологии TSV объясняется просто – известно, что дальнейшее уменьшение элементов микросхем становится слишком дорогостоящим и, вероятно, в недалеком будущем станет невозможным. По этим причинам целесообразно развивать альтернативную технологию послойного размещения устройств, соединяя их в объемной конфигурации с помощью сквозных отверстий. В течение нескольких лет производители полупроводников говорят о 3D-кристаллах на основе TSV, однако этот метод был реализован только в таких изделиях как КМОП-датчики изображения. Причина тому – высокая стоимость, отсутствие требуемых стандартов и другие обстоятельства.
Теоретически, 3D-кристаллы могут совершенствоваться в два этапа.
Первый из них – создание 2,5D-схемы с использованием полупроводниковых интерфейсов (silicon interposers). Затем возможен переход к TSV при условии решения многочисленных проблем, связанных с этой технологией.
В настоящее время разрабатывается несколько проектов создания объемных кристаллов. Например, компания Semtech совместно с IBM пытается создать комбинацию АЦП и DSP-платформы на базе сквозных межсоединений. Эти два устройства соединяются одним проводящим интерфейсным слоем, который поддерживает передачу данных со скоростью выше 1,3 Тбит/с.
В прошлом году компания Xilinx анонсировала первую в отрасли технологию межсоединений, которая обеспечивает рекордную производительность, полосу пропускания и экономию энергии. В этой технологии несколько FPGA на одном кристалле помещаются в один корпус. Такие устройства можно использовать в приложениях с высокой плотностью транзисторов и логических элементов. Объединив технологии объемного корпусирования и сквозного межсоединения для 28-нм FPGA, Xilinx удастся создать системы, возможности которых в два раза превысят характеристики самых быстродействующих однокристальных FPGA. Первые устройства должны появиться во второй половине 2011 г.
В свою очередь, компании Hynix, Samsung др. определили новое средство, которое могло бы стимулировать совершенствование объемных кристаллов на основе технологии TSV – широкий интерфейс ввода-вывода между DRAM-памятью и логикой для сотовых телефонов, планшетных ПК и схожей продукции. В настоящее время ведется разработка стандарта этого интерфейса памяти, который позволит передавать данные со скоростью 12,8 Гбайт/с, в 4 раза превышающей производительность стандартных модулей памяти с малым энергопотреблением.
В настоящее время работа DRAM-памяти мобильных устройств основана на технологии LPDDR2 (low-power double data rate 2). Samsung и другие компании совершенствуют интерфейс ввода-вывода DRAM для мобильных приложений. Его развитие будет проходить в два этапа. На первом из них появятся 4-секционные устройства, соединенные с помощью микростолбиковых выводов. Их появление ожидается в 2013 г.
В будущем поставщики надеются соединять несколько блоков DRAM-памяти с широким интерфейсом ввода-вывода с помощью сквозных межсоединений. Такие устройства появятся в 2014–2015 гг. или позже. Шэрон Холт (Sharon Holt) вице-президент компании Rambus, считает, что индустрии не удастся одним махом мигрировать с LPDDR2 на DRAM с широким интерфейсом ввода-вывода.
Rambus разрабатывает технологию XDR – одну из многих технологий DRAM-памяти следующего поколения.
В своем выступлении на конференции GSA Холт заявил, что однажды произойдет конвергенция между памятью для мобильных устройств и ПК. Другими словами, некоторые технологии малого потребления для DRAM-памяти мобильных устройств мигрируют в DRAM для персональных компьютеров, приведя к созданию унифицированной системы памяти.
Другие участники этого мероприятия считают иначе. Джим Эллиотт (Jim Elliott), вице-президент Samsung Semiconductor, заявил, что эта конвергенция относится к изделиям на основе сквозных межсоединений и широкого интерфейса ввода-вывода.
Одной из проблем применения технологии TSV заключается в недостатке стандартов. В декабре прошлого года SEMI попыталась исправить это положение, образовав комитет по разработке стандартов 3DS-IC (Three-Dimensional Stacked Integrated Circuits).
SEMI совместно с Sematech взаимодействует с отраслевыми компаниями, определяя вопросы стандартизации в области создания многоярусных кристаллов мо сквозными межсоединениями. Sematech представляет семь компаний, в т.ч. Globalfoundries, HP, IBM, Intel, Samsung и UMC. К числу других компаний, которые поддерживают комитет по разработке стандартов 3DS-IC, относятся Amkor, ASE, IMEC, ITRI, Olympus, Qualcomm, Semilab, Tokyo Electron и Xilinx.
В начале прошлой недели комитет 3DS-IC обсуждал первые проекты стандартов в отношении параметров кремниевых пластин и других технологий. Появление проекта спецификации ожидается в начале следующего года.
В прошлом году Sematech в рамках программы 3D Interconnect объявила о завершении создания 300-мм пилотной линии для производства многоярусных кристаллов, которая стала работать в колледже CNSE в Олбани.
Среди участников этой программы – компании Globalfoundries, HP, IBM, Intel, Samsung, TSMC, UMC и CNSE. Sematech разрабатывает план производства устройств с широким интерфейсом ввода-вывода на основе сквозных межсоединений шириной 5 мкм и глубиной 500 мкм.
Кроме того, в прошлом году организации Sematech, Semiconductor Industry Association (SIA) и Semiconductor Research Corp. (SRC) разработали программу 3D Design Enablement, чтобы стимулировать усилия отраслевых компаний по стандартизации и разработке технических спецификаций для гетерогенной объемной интеграции устройств.
Недавно Sematech продемонстрировала новый технологический процесс 3D-соединения кристаллов с 300-мм подложкой. К подложкам с тонкими 50-мкм межсоединениями крепились кристаллы с использованием низкотемпературного техпроцесса. Данный метод позволяет осуществить быструю интеграцию кристалла на подложку, необходимую для усовершенствования технологии создания гетерогенных объемных микросхем.
Соединение подложка-подложка – ключевой этап процесса для объемного межсоединения пластин. Стратегический план ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) предусматривает создание сквозных межсоединений высокой плотности размещения диаметром 0,8–4,0 мкм уже в 2012 г.
IMEC, конкурирующая организация Sematech, также разработала программу создания объемных кристаллов. В начале марта Cascade Microtech и IMEC заявили о совместных исследованиях в области испытания и определения параметров структур объемных кристаллов. IMEC будет тесно сотрудничать с Cascade Microtech в разработке методов испытаний и методологий объемных TSV-структур, а также в создании мировых стандартов проектирования объемных микросхем и производственных испытаний.
Сложности проведения испытаний новых объемных кристаллов станут основным предметом изучения исследовательских центров IMEC в Бельгии, где будут производиться и тестироваться кремниевые пластины с тестовыми структурами, имеющими шаг в 40-мкм и меньше. В процессе исследования IMEC воспользуется первой тестовой системой с зондовой установкой 3D-TSV и зондовой платой компании Cascade Microtech. С помощью этой установки и платы будут определяться параметры сквозных межсоединений в многоярусных кристаллах для оптимизации их рабочих характеристик и надежности.
В области создания объемных кристаллов работают и другие организации. Так, в Гренобле этой проблемой занимается французский научно-исследовательский центр CEA-Leti. В настоящее время развернуто производство 300-мм пластин, предназначенных для приложений с использованием объемно интегрированных структур. Являясь партнером STMicroelectronics, центр CEA-Leti планирует совместную работу с компанией Shinko Electric Industries – разработчиком кремниевых материалов для создания упомянутого интерфейса.
Группа исследователей из Сингапурского института микроэлектроники недавно создала консорциум по реализации технологии объемного корпусирования. Тайваньский институт ITRI также создал свой консорциум, в который входят 22 участника. В прошлом году компании Elpida Memory, Powertech Technology и United Microelectronics Corp. (UMC) образовали альянс по разработке объемных 28-нм кристаллов.