解析3D IC的技术和发展

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。但是目前，随着技术的发展，3D IC却有了其更新、更独特的含义。
 

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。



 

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：

 

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。
 

基于芯片制程的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。

目前应用在IC制造上的3D技术也仅限于NAND FLASH，随着技术的发展，应该很快也会应用到其它的IC领域，那时候，真正的3D IC时代就到来了！