真3D芯片而非TSV方式？用碳纳米管来实现

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美国史丹佛大学(Stanford University)的研究人员们在日前举办的2014年国际电子组件会议(IEDM)上展示了真正的3D芯片。大部分的3D芯片采用硅穿孔(TSV)的方式推迭不同的制造芯片，例如美光科技(Micron Technology)的混合内存立方体(HMC)推迭DRAM晶粒。

此外，总部设于美国奥勒冈州的新创公司BeSang将其专有制程技术授权给韩国的海力士半导体(SK Hynix Inc.)，用于打造出无需透过TSV的真正3D技术。

然而，史丹佛大学所展示的是任何晶圆厂都能在标准的互补式金属氧化物半导体(CMOS)上堆栈任何层数的逻辑与内存。在IEDM上，史丹佛大学在CMOS芯片上堆栈了2层的金属氧化物电阻型随机存取内存(PRAM)，以及1层利用碳纳米管(CNT)作为晶体管信道的逻辑电路。



史丹佛大学展示的3D芯片以标准过孔方式连接4层电路，最底层是标准CMOS，最上层是碳纳米管逻辑晶体管，中间夹着2层RRAM。（来源：Stanford, Mitra/Wong Lab）

“对于使用传统的跨层过孔而言， TSV 技术至关重要，但关键在于如果你想达到无法以TSV实现的极高能源密度效率之时，”史丹佛大学电子工程系教授Subhasish Mitra表示，“然而，我们能够利用传统过孔分别在各层之上顺利地打造这些电路层，显示我们的方法是可行的。”

史丹佛大学所采用的方法是在底层制造一种标准CMOS逻辑芯片，然后以二氧化硅绝缘体加以覆盖，并且利用氩气溅镀蚀刻的方式使其平面化。在第二层的RRAM是由氮化钛、氧化铪(作为主动交换层)和铂组成，然后在 CMOS 层上以200℃的温度利用传统 TSV进行制造(以免损坏 CMOS )，以实现互连。

然后，在经过 PRAM 以及另一层绝缘二氧化硅沈积后，另一层绝缘二氧化硅则沈积于 RRAM 之上并实现平面化。最上层则先以碳纳米管进行同向覆盖，利用剥离(lift-off)方式形成石英芯片。为了实现足够的密度，研究人员们进行13次的碳纳米管转换方式。然后再用传统的内层过孔(ILV)与微影技术，将碳纳米管制造于逻辑层上的晶体管信道中。

“我们可以利用这种技术制造出任意层数，”史丹佛大学教授H.S. Philip Wong说：“我们使用相当宽松的设计规则在学校的晶圆厂中制造这些电路层，但在其他的展示中则已证明我们的制程能一直微缩到现有采用过孔技术的20nm商用级。”



标准的平面型CMOS芯片(图左)透过TSV分别堆栈逻辑组件与内存于不同的结构；史丹佛大学的工程师为采用标准TSV的CMOS芯片上3层结构进行低温制程，以实现更高密度。

史丹佛大学的研究人员们还积极地展示在平面二氧化硅表面的碳纳米管性能，这是在平行碳纳米管上层利用标准图形化技术，在场效晶体管(FET)中形成每通道约50个纳米管。研究人员们认为，这种碳纳米管晶体管由于具备较硅晶更高10倍的能效，因而可望在未来取代硅晶晶体管技术。

“我们想表达的是你可以先以标准硅晶CMOS作为底层，仍然能够打造出3D芯片，但在未来，我们希望人们转换成利用碳纳米管晶体管，因为他们的性能可进一步扩展到超越硅晶，这就是为什么我们展示真正的碳纳米管电路，而不只是堆栈上的一个测试晶体管。”

研究团队们强调，必须确保这种碳纳米层在温度够低的情况下制造，才不至于损坏PRAM ，而在足够的低温下制造PRAM ，才不会损坏到底层的CMOS芯片。数以千计的过孔实现各层的互连，才能使得这种碳纳米管场效晶体管(CNTFET)成为 PRAM 的理想选择。

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