芯片的3D化

中科院半导体所 · 公众号 · · 2020-03-17 18:00

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摩尔定律遇到发展瓶颈，但市场对芯片性能的要求却没有降低。在这种情况下，芯片也开始进行多方位探索，以寻求更好的方式来提升性能。通过近些年来相关半导体企业发布的成果显示，我们发现，芯片正在从二维走向三维世界——芯片设计、芯片封装等环节都在向3D结构靠拢。

晶体管架构发生了改变

当先进工艺从28nm向22nm发展的过程中，晶体管的结构发生了变化——传统的平面型晶体管技术（包括体硅技术(Bulk SI)和绝缘层覆硅(SOI)技术等）的发展遇到了瓶颈，为了延续摩尔定律，拥有三维结构的FinFET技术出现了。

在传统晶体管结构中，控制电流通过的闸门，只能在闸门的一侧控制电路的接通与断开，属于平面的架构。在FinFET的架构中，闸门成类似鱼鳍的叉状3D架构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开。这种设计可以大幅改善电路控制并减少漏电流(leakage)，也可以大幅缩短晶体管的闸长。

2011年5月英特尔宣布使用FinFET技术，而后台积电、三星也都陆续采用FinFET。晶体管开始步入了3D时代。在接下来的发展过程中，FinFET也成为了 14 nm ， 10 nm 和 7 nm 工艺节点的主要栅极设计。

FinFET是胡正明教授基于DELTA技术而发明的，由于FinFET技术为半导体的创新带来了新契机，国际电子电气工程学会(IEEE)授予了胡正明2020年IEEE荣誉奖章，IEEE称其获奖是“开发半导体模型并将其投入生产实践，尤其是3D器件结构，使摩尔定律又持续了数十年。”

2015年曾有报道称，FinFET未来预期可以进一步缩小至9nm。发展至今，我们也看到，FinFET技术仍然还被用于7nm中，但从市场发展中看，FinFET技术还没有走到尽头，根据台积电2019中国技术论坛上的透露的消息显示，台积电在今年第二季度量产的5nm中，将使用High Mobility Channel FinFET的节点。

3D封装引发新的竞争

除了晶体管结构走向了3D以外，封装技术也在向3D方向发展。有报道指出，用先进封装技术提供的高密度互联将多颗Chiplet包在同一个封装体内，将是未来的发展趋势。而在这其中，3D封装将产生巨大的影响。

日前，AMD在其2020年财务分析师日发布了其新型的封装技术——X3D封装，据悉，该技术是将3D封装和2.5D封装相结合。AMD称其X3D芯片封装技术将把其MCM带入三维，并将带宽密度提高10倍。

在CES 2019展会上，Intel也正式公布了Foveros 3D立体封装技术，Foveros 3D可以把逻辑芯片模块一层一层地堆叠起来，而且可以做到2D变3D后，性能不会受到损失，电量消耗也不会显著增加。据wikichip的消息显示，第一代Foveros是采用英特尔的 10 nm工艺引入的，它具有每比特0.15皮焦耳的超低功率，其带宽是类似2.5D Si中介层的 2-3倍，并且可扩展至3 W至1 kW。

而我们都知道，近些年来，英特尔和AMD之间在CPU上的竞争很是激烈。而伴随着大规模数据中心的发展，让CPU承担所有的计算任务似乎是有些困难，于是GPU逐渐加入了进来——CPU适合日常进行的通用计算，侧重主要在整数计算方面，而GPU在浮点运算和并行处理方面占据巨大优势，如果能够将两者优势结合起来，更强大的处理器就会诞生，因此，AMD和英特尔也先后启动了相关GPU的项目。CPU与GPU如果相集成，也就成为了近些年来备受关注的Chiplet模式。对于Chiplet来说，封装就显得十分重要。而AMD的X3D，英特尔的Foveros 3D，都是发展Chiplet的基础。

CPU和GPU的整合会推动百亿级别的超算的发展，而这或许也会将英特尔与AMD之间的竞争带到另外一个阶段。据外媒报道称，AMD和Intel都赢得了美国DOE百亿级超级计算机的合同。

除此以外，台积电也在积极发展3D封装业务。据相关报道显示，2019年4月，台积电完成全球首颗3D IC封装技术，预计2021年量产。业界认为，台积电正式揭露3D IC封装迈入量产时程，意味全球芯片后段封装进入真正的3D新纪元，台积电掌握先进制程优势后，结合先进后段封装技术，对未来接单更具优势，将持续维持业界领先地位。

格芯亦投身于3D封装领域，2019年8月，格芯宣布采用12nm FinFET工艺，成功流片了基于ARM架构的高性能3D封装芯片。据相关报道显示，3D 封装解决方案（F2F）不仅为设计人员提供了异构逻辑和逻辑 / 内存整合的途径，而且可以使用最佳生产节点制造，以达成更低的延迟、更高的带宽，更小芯片尺寸的目标。另外，格芯还表示，因为当前的12纳米工艺成熟稳定，因此目前在3D空间上开发芯片更加容易，而不必担心新一代 7 纳米工艺所可能带来的问题。

从数据来看，据相关资料显示，与传统封装相比，使用3D技术可缩短尺寸、减轻重量达40-50倍;在速度方面，3D技术节约的功率可使3D元件以每秒更快的转换速度运转而不增加能耗，寄生性电容和电感得以降低，同时，3D封装也能更有效地利用硅片的有效区域。基于3D封装的种种优势，或许，未来将有更多的玩家参与其中。

存储产品的3D时代

伴随着三星、美光、东芝、英特尔纷纷开始投入到3D NAND的生产和研发中来，存储产品也开始走向了3D时代。在这些厂商发展3D闪存的过程当中，也衍生了一些新的技术，来助力其闪存产品向3D方向发展。其中，就包括了三星的V-NAND、东芝的BiCS技术3D NAND、英特尔的3D XPoint等。

三星在3D NAND闪存上首先选择了CTF电荷撷取闪存（charge trap flash ，简称CTF）路线，相比传统的FG（Floating Gate，浮栅极）技术难度要小一些。最终，三星量产的是VG垂直栅极结构的V-NAND闪存，目前已经发展了六代V-NAND技术。据三星官方消息显示，新款 V-NAND 运用三星电子有的“通道孔蚀刻”技术，向前代 9x 层单堆叠架构增加了约 40% 单元。这是通过构建由 136 层组成的导电模具堆栈，然后垂直自上而下穿过圆柱孔，形成统一的 3D 电荷撷取闪存 (CTF) 单元实现的。

东芝方面，东芝的BiCS闪存是Bit Cost Scaling，强调的就是随NAND规模而降低成本，号称在所有3D NAND闪存中BiCS技术的闪存核心面积最低，也意味着成本更低。此外，铠侠今年推出的UFS 3.1嵌入式Flash闪存芯片，同样是基于东芝BiCS 3D存储技术打造，设计容量包括128GB、256GB、512GB和1TB，主控和闪存都按照规范要求封装在11.5 x 13mm的尺寸之内。去年12月，铠侠还宣布，其已开发出一种名叫“Twin BiCS FLASH”的新式半圆形 3D 存储单元结构。据悉，与传统循环设计的电荷陷阱单元相比，铠侠首创的这种半圆形 3D 浮栅单元结构，具有更大的编程 / 擦除窗口和斜率，且单元尺寸做到了更小。

而SK海力士方面，则在去年6月宣布了其关于4D NAND的进展。据相关报道显示，SK海力士将在世界上首次开发和量产128层1Tb级的TLC(Triple-Level cell，三层单元格)4D Nand闪存。据悉，在占据NAND市场85%以上的TLC产品中，SK海力士是第一个推出1Tb级产品的公司。

3D XPoint则是由英特尔和美光科技于2015年7月发布的非易失性存储器（NVM）技术。英特尔为使用该技术的存储设备冠名Optane，而美光称之为QuantX。2019年初，英特尔和美光在3D存储芯片市场上的合作走到了尽头。在3D Xpoint技术上，英特尔率先在2017年完成了3D Xpoint的商业化，推出了傲腾，而2019年11月，美光也终于拿出了自己的QuantX。而根据最新的一些消息来看，英特尔下一代采用3D XPoint的产品或许将要延后发布。根据DOIT的报道显示，在英特尔最新的年度报告中显示，英特尔或将从美光购买3D Xpoint芯片。

此外，长江存储也在3D NAND上有所突破，并推出了其独特的Xtacking技术。据相关报道显示，传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20—30％，降低了芯片的存储密度。随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高，外围电路可能会占到芯片Xtacking技术将外围电路连接到存储单元之上，从而实现比传统3D NAND更高的存储密度。据悉，长江存储的64层3D NAND闪存产品将在2020年进入大规模量产，此外，长江存储还将在今年跳过96层，直接投入128层闪存的研发和量产工作。

结语

芯片从二维走向三维的过程中，出现了很多新技术，这些新技术的出现，不仅突破了某个行业内的瓶颈，也促进了半导体产业的继续创新。同样，在技术变革的过程中，半导体企业也要面临着新的竞争，这种竞争也为新进玩家带来了发展壮大的机会。

来源：半导体行业观察

编辑|范闲