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研究人員以碳納米管實(shí)現(xiàn)真正的3D芯片

發(fā)布時(shí)間:2014-12-24 17:00:51 分類(lèi):行業(yè)新聞

 昆山smt    美史丹佛大學(xué)(Stanford University)的研究人員們?cè)谌涨芭e辦的2014年際電子元件會(huì)議(IEDM)上展示了真正的 3D 晶片。大部份的 3D 晶片采用矽穿孔(TSV)的方式推疊不同的制造晶片,例如美光科技(Micron Technology)的混合記憶體立方體(HMC)推疊 DRAM 晶粒。

此外,總部設(shè)于美奧勒岡州的新創(chuàng)公司BeSang將其專(zhuān)有制程技術(shù)授權(quán)給南韓的海力士半導(dǎo)體(SK Hynix Inc.),用于打造出無(wú)需透過(guò) TSV 的真正 3D 技術(shù)。

然而,史丹佛大學(xué)所展示的是任何晶圓廠都能在標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)上堆疊任何層數(shù)的邏輯與記憶體。在IEDM上,史丹佛大學(xué)在 CMOS 晶片上堆疊了2層的金屬氧化物電阻型隨機(jī)存取記憶體(PRAM),以及1層利用碳奈米管(CNT)作為電晶體通道的邏輯電路。


史丹佛大學(xué)展示的3D晶片以標(biāo)準(zhǔn)過(guò)孔方式連接4層電路,底層是標(biāo)準(zhǔn)CMOS,上層是碳奈米管邏輯電晶體,中間夾著2層RRAM。
 

“對(duì)于使用傳統(tǒng)的跨層過(guò)孔而言, TSV 技術(shù)至關(guān)重要,但關(guān)鍵在于如果你想達(dá)到無(wú)法以 TSV 實(shí)現(xiàn)的極高能源密度效率之時(shí),”史丹佛大學(xué)電子工程系教授Subhasish Mitra表示,“然而,我們能夠利用傳統(tǒng)過(guò)孔分別在各層之上順利地打造這些電路層,顯示我們的方法是可行的。”

史丹佛大學(xué)所采用的方法是在底層制造一種標(biāo)準(zhǔn) CMOS 邏輯晶片,然后以二氧化矽絕緣體加以覆蓋,并且利用氬氣濺鍍蝕刻的方式使其平面化。在二層的 RRAM 是由氮化鈦、氧化鉿(作為主動(dòng)交換層)和鉑組成,然后在 CMOS 層上以200℃的溫度利用傳統(tǒng) TSV進(jìn)行制造(以免損壞 CMOS ),以實(shí)現(xiàn)互連。

然后,在經(jīng)過(guò) PRAM 以及另一層絕緣二氧化矽沈積后,另一層絕緣二氧化矽則沈積于 RRAM 之上并實(shí)現(xiàn)平面化。上層則先以碳奈米管進(jìn)行同向覆蓋,利用剝離(lift-off)方式形成石英晶片。為了實(shí)現(xiàn)足夠的密度,研究人員們進(jìn)行13次的碳奈米管轉(zhuǎn)換方式。然后再用傳統(tǒng)的內(nèi)層過(guò)孔(ILV)與微影技術(shù),將碳奈米管制造于邏輯層上的電晶體通道中。

“我們可以利用這種技術(shù)制造出任意層數(shù),”史丹佛大學(xué)教授H.S. Philip Wong說(shuō):“我們使用相當(dāng)寬松的設(shè)計(jì)規(guī)則在學(xué)校的晶圓廠中制造這些電路層,但在其他的展示中則已證明我們的制程能一直微縮到現(xiàn)有采用過(guò)孔技術(shù)的20nm商用級(jí)。”


標(biāo)準(zhǔn)的平面型CMOS晶片(圖左)透過(guò)TSV分別堆疊邏輯元件與記憶體于不同的結(jié)構(gòu);史丹佛大學(xué)的工程師為采用標(biāo)準(zhǔn)TSV的CMOS晶片上3層結(jié)構(gòu)進(jìn)行低溫制程,以實(shí)現(xiàn)更高密度。
 

史丹佛大學(xué)的研究人員們還積極地展示在平面二氧化矽表面的碳奈米管性能,這是在平行碳奈米管上層利用標(biāo)準(zhǔn)圖形化技術(shù),在場(chǎng)效電晶體(FET)中形成每通道約50個(gè)奈米管。研究人員們認(rèn)為,這種碳奈米管電晶體由于具備較矽晶更高10倍的能效,因而可望在未來(lái)取代矽晶電晶體技術(shù)。

“我們想表達(dá)的是你可以先以標(biāo)準(zhǔn)矽晶 CMOS 作為底層,仍然能夠打造出 3D 晶片,但在未來(lái),我們希望人們轉(zhuǎn)換成利用碳奈米管電晶體,因?yàn)樗麄兊男阅芸蛇M(jìn)一步擴(kuò)展到超越矽晶,這就是為什么我們展示真正的碳奈米管電路,而不只是堆疊上的一個(gè)測(cè)試電晶體。”

研究團(tuán)隊(duì)們強(qiáng)調(diào),必須確保這種碳奈米層在溫度夠低的情況下制造,才不至于損壞 PRAM ,而在足夠的低溫下制造 PRAM ,才不會(huì)損壞到底層的 CMOS 晶片。數(shù)以千計(jì)的過(guò)孔實(shí)現(xiàn)各層的互連,才能使得這種碳奈米管場(chǎng)效電晶體(CNTFET)成為 PRAM 的理想選擇。

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