多功能3D超級晶片 訊號傳遞更快 應用更廣

【本刊訊】人機合一的行動智慧裝置將成為未來趨勢,這個想法要能成真,需要積體電路(IC)的技術跟上發展。國家實驗研究院的積體電路,已從平面結構進展到立體,並藉由IC晶片的堆疊來加速訊號傳遞、降低耗能,可廣泛應用。

IC晶片為現在各種電子產品的靈魂,要發展更有前瞻性、未來性的新電子裝置,勢必要先在IC晶片上下功夫。提高IC晶片的傳輸速度,成為發展上相當重要的方向。

目前立體結構的3D IC技術為主流,是藉由堆疊的技術來壓縮訊號傳輸距離。目前半導體廠主要是以「矽穿孔3D IC」技術為主,將兩塊分別製作完成的IC晶片疊放,中間先將矽基板穿孔放入導線,連接上下兩層晶片,兩層IC之間的距離約為50微米。

這次國研院所發表的「積層型3D IC」,又再將兩片IC晶片的距離縮短到0.3微米。這種技術能直接在第一片晶片上直接製作第二片晶片,兩層晶片只有間隔絕緣層的厚度(0.3微米)。而且這種技術不需藉由矽基板穿孔放入導線,也不需多個電子元件共用一個導線;而可依IC設計者需求,提供IC間最近距離的垂直導線,不僅提供更有彈性的設計空間,也大幅提升訊號傳遞效率。

以往積層型3D IC的發展困境,是乘載電晶體的結晶矽晶薄膜,需要經過高溫1000℃的加熱,以形成高品質晶體。但是當堆疊的第二層IC晶片進行加熱時,會破壞製作好的第一層IC晶片。國研院以「奈米級雷射局部加熱法」突破這個瓶頸,僅針對第二層薄膜加熱,不會傷及第一層。

國研院研究團隊以簡單的譬喻來描述這兩個技術的差異,想像導線是載人的電梯,要將一群人從A樓層載到B樓層。傳統的矽穿孔3D IC技術,像是台北101大樓的一部電梯,要將所有人從一樓載到頂樓。新型的積層型3D IC像是僅有少數樓層,但有多部不同的電梯,能夠同時分散載運人到不同樓層。相較之下,新的技術不僅大幅縮短距離,提高效率,也提升彈性。

積層型3D IC一向被稱為「三維積體電路的聖盃」,現在由國研院奈米元件實驗室率先開發出來,並已成功於單晶片上整合及堆疊邏輯線路、非揮發性記憶體及SRAM應用。相關研究成果被2013年底舉行的「國際電子元件會議」(International Electron Devices Meeting, IEDM),選為公開宣傳資料,顯示此技術備受國際重視。

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