Интерес к идее производства 3D-микросхем растет. Например, эта технология позволяет поместить целый датчик в крошечный пластиковый корпус и создать миниатюрный компьютер с большим объемом памяти с высокой скоростью. Но в некотором смысле индустрия уже прошла этот путь.
В начале 1990-х гг. появились многокристальные модули – предшественники 3D-микросхем, которые предназначались для решения проблем проектирования ИС с высокой плотностью размещения элементов. Увы, эта технология оказалась дорогостоящей и потому стала применяться лишь в специализированных приложениях.
Производители также обнаружили, что помимо специализированных РЧ-применений, где компоненты устанавливались непосредственно на керамическую подложку, в многокристальные модули можно было интегрировать память. Индустрия разработала методы отбраковки компонентов для последующей их интеграции в модуль, где они проходили полное тестирование.
На самом деле, только ИС памяти обеспечивали прогнозируемые рабочие характеристики после интеграции в кристалл.
В тех применениях, где это возможно, Intel и другие компании перешли на технологию монолитного кремния. Появление мобильного телефона изменило положение дел с трехмерными ИС, т.к. усовершенствование проводного соединения, уменьшение толщины подложек и упрощение манипулирования этими микросхемами позволили комбинировать разные типы памяти в одном корпусе и уменьшить занимаемое на плате место.
Увеличение стоимости разработки СнК заставляет многие компании присмотреться к трехмерным кристаллам как к альтернативному способу монтажа компонентов (не только ИС памяти), а также воспользоваться намного более близким соединением отдельных кристаллов для улучшения рабочих параметров. На первый взгляд, эта перспектива выглядит заманчиво для схем смешанного сигнала.
Во-первых, такая интеграция позволяет избавиться от шума подложек цифровых цепей. Во-вторых, исключается работа с неотлаженными технологическими моделями в условиях ограниченного запаса по напряжению. В-третьих, можно попрощаться с широко распространенными техпроцессами, где требуется множество готовых IP-блоков. При этом в трехмерных ИС стоимость подложки для компонентов смешанного сигнала гораздо ниже, чем для цифровой цепи высокой плотности.
Однако переход на 3D не является однозначно лучшим выбором. Вопрос стоимости остается существенной проблемой. Даже по самым оптимистичным прогнозам дополнительные затраты на установку кристаллов друг над другом с помощью высокоскоростных межсоединений с низкой индуктивностью составит около 15 центов на один кристалл. Такие затраты нивелируют выигрыш в стоимости кремниевых подложек для производства более дешевых 3D-кристаллов по старым технологиям.
Существует также практическая проблема, которая приводит к увеличению совокупной стоимости трехмерных ИС. Эта проблема менее серьезна для тех 3D ИС, в которых применяется кремниевый промежуточный слой (silicon interposer) для монтажа стандартных кристаллов в одном корпусе с высокоскоростными межсоединениями. Однако при этом следует учесть стоимость самого промежуточного слоя, для которого может потребоваться металлизация. Например, компания Xilinx изготавливает этот слой по 65-нм технологии для многокристальных FPGA.
Учитывая эти дополнительные расходы, технология сквозных межсоединений (through-silicon via, TSV) выглядит намного привлекательнее, т.к. позволяет обойтись без большой пассивной кремниевой ИС и сэкономить место на плате за счет вертикального монтажа компонентов. В идеальном случае обеспечивается контакт на самом нижнем уровне рядом с транзисторами. К сожалению, такой монтаж трудно реализуется и вызывает большие механические напряжения, что негативно отражается на работе устройства. По этой причине межсоединения проходят до половины металлического стека, где дорожки относительно широки. Таким образом, сквозные отверстия не только занимают полезную площадь кристалла, но и блокируют разводку, вызывая проблемы в аналоговых цепях.
Даже несмотря на усовершенствованные процессы изготовления сквозных отверстий (via-middle и via-last), вокруг больших сквозных отверстий, покрытых медью, остаются значительные напряжения: кремний вытягивается в направлении отверстия. Эта проблема наиболее серьезно отражается на аналоговых цепях, поэтому вокруг отверстий должна быть достаточно большая свободная зона порядка 20 мкм. Симуляции IMEC и Synopsys показали, что у аналоговых цепей эта зона должна быть в 10 раз больше, чем у цифровых (см. рисунок).
Зависимость размеров свободной зоны от числа сквозных межсоединений
Таким образом, целесообразно располагать кластеры сквозных отверстий ближе друг к другу, обращаясь с ними как с неиспользуемым блоком. Однако свободная зона при этом может достигать 200 мкм. Данное обстоятельство ограничивает плотность TSV-отверстий, вынуждая располагать цепи смешанного сигнала в верхней части стека, чтобы ограничить число тех сквозных отверстий, которые неблагоприятно влияют на работу кристалла. В результате размеры цепи смешанного сигнала увеличиваются, что может быть терпимо с точки зрения стоимости, учитывая низкую цену подложки, но в каждом отдельном случае это обстоятельство следует принимать во внимание.
3D-кристаллы, безусловно, выглядят интересной возможностью реализации аналого-цифровых СнК, однако высокая стоимость проектирования монолитных ИС может окупиться за счет лучшей маржи, обеспечиваемой конечной продукцией.