碳納米管+RRAM+ILV 3DIC緣起!會(huì)否改變半導(dǎo)體行業(yè)?

日前，麻省理工學(xué)院助理教授Max Shulaker在DARPA電子復(fù)興倡議（ERI）峰會(huì)上展示了一塊碳納米管+RRAM通過ILV技術(shù)堆疊的3DIC晶圓。這塊晶圓的特殊意義在于，它是碳納米管+RRAM +ILV 3DIC技術(shù)第一次正式經(jīng)由第三方foundry（SkyWater Technology Foundry）加工而成，代表著碳納米管+RRAM +ILV 3DIC正式走出學(xué)校實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用。

碳納米管+RRAM+ILV 3DIC緣起

我們先從3DIC談起。隨著摩爾定律逐漸接近瓶頸，之前靠半導(dǎo)體工藝制程縮小來實(shí)現(xiàn)芯片性能提升的做法已經(jīng)越來越困難。為了解決這一問題，半導(dǎo)體行業(yè)提出了使用高級(jí)封裝配合異構(gòu)計(jì)算的方法來繼續(xù)提升芯片系統(tǒng)性能。傳統(tǒng)的通用型芯片試圖使用一塊通用處理器去解決所有應(yīng)用問題，因此在摩爾定律接近失效處理器性能增長變慢的今天難以滿足應(yīng)用的需求；而在高級(jí)封裝配合異構(gòu)計(jì)算的范式下，多塊芯片緊密集成在一個(gè)封裝內(nèi)，每塊芯片都針對(duì)專門應(yīng)用量身定制，因此能高效且有針對(duì)性地處理應(yīng)用，從而滿足應(yīng)用場(chǎng)景的需求。3DIC就是這種高級(jí)封裝技術(shù)的一種，使用3DIC可以將多塊芯片堆疊在一起，并且使用TSV技術(shù)來實(shí)現(xiàn)芯片間高速高效數(shù)據(jù)通信。當(dāng)使用3DIC的時(shí)候，芯片間的距離較近，互聯(lián)線密度較大且可以實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)傳輸，因此通過把處理器芯片和內(nèi)存芯片封裝在一起可以實(shí)現(xiàn)處理器-內(nèi)存的高速互聯(lián)，從而解決內(nèi)存存取瓶頸（內(nèi)存墻）問題，大大提升芯片系統(tǒng)的整體性能。

通過上述分析，我們可以看到3DIC的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)高密度芯片間互聯(lián)，而這也是本文的主角——碳納米管+RRAM+ILV 3DIC的主要突破。傳統(tǒng)的TSV 3DIC中，不同芯片堆疊在一起并使用TSV來實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，而TSV互聯(lián)線的間距在10微米左右。與TSV 3DIC相對(duì)，碳納米管+RRAM+ILV 3DIC并沒有制造多塊芯片并且用封裝堆疊，而是在一塊晶圓上直接實(shí)現(xiàn)多塊芯片（單片3DIC）。這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？我們知道，傳統(tǒng)的芯片的制造過程是首先制造出有源區(qū)，然后在有源區(qū)的上方再做多層金屬互聯(lián)，每次完成一層金屬互聯(lián)后會(huì)在其上方沉積一層絕緣的層間介電層(inter-layer dielectric, ILD)，然后在ILD層之上再次生長金屬互聯(lián)層，以此類推直到完成十?dāng)?shù)層金屬互聯(lián)為止。同時(shí)，在不同的金屬層之間可以通過金屬層間通孔(inter-layer via, ILV)來實(shí)現(xiàn)層間互聯(lián)。而碳納米管+RRAM+ILV 3DIC的實(shí)現(xiàn)方法有點(diǎn)類似傳統(tǒng)芯片上金屬互聯(lián)的制造方法：在底層標(biāo)準(zhǔn)CMOS有源區(qū)制造完成后，在其上面不僅僅是制造金屬互聯(lián)，還制造碳納米管和RRAM，例如Max Shulaker在2017年的Nature論文中就實(shí)現(xiàn)了NMOS有源區(qū)->ILD+ILV->碳納米管層->ILD+ILV->RRAM->ILD+ILV->碳納米管層。這樣一來就可以在一塊晶圓上實(shí)現(xiàn)多層晶體管堆疊3DIC，而無須借助封裝技術(shù)。更重要的是，使用ILV技術(shù)來實(shí)現(xiàn)3DIC的互聯(lián)密度極大，可以輕松達(dá)到幾十納米，從而大大提高整體芯片系統(tǒng)的性能。

為什么使用碳納米管和RRAM？其中的原因除了碳納米管和RRAM能實(shí)現(xiàn)超越傳統(tǒng)CMOS晶體管／Flash內(nèi)存的性能和能效比之外，更重要的原因是ILV工藝的溫度必須控制在400度以內(nèi)，否則會(huì)損害其他層的邏輯。而碳納米管和RRAM可以兼容低溫工藝，因此能和ILV實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合；相反傳統(tǒng)硅CMOS工藝需要的溫度高達(dá)1000度，因此只能作為3DIC中的最底層。

DARPA ERI峰會(huì)上的最新發(fā)布

本周麻省理工學(xué)院助理教授Max Shulaker在DARPA ERI峰會(huì)上展示碳納米管+RRAM+ILV 3DIC晶圓時(shí)，收獲了觀眾熱烈的掌聲。如前所述，Shulaker在2017年已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室的foundry中完成了碳納米管+RRAM+ILV 3DIC的原型制備并發(fā)表了Nature論文，而這次展示的晶圓則是在碳納米管+RRAM+ILV 3DIC第一次在第三方Foundry（SkyWater Technology）制備成功。

Shulaker教授周二在底特律告訴數(shù)百名工程師：“這個(gè)晶圓是在上周五制造的，它是Foundry廠生產(chǎn)出來的第一個(gè)單片3DIC”。這塊在第三方Foundry制備的碳納米管+RRAM+ILV 3DIC 得到了DARPA的3DSoC項(xiàng)目支持，該項(xiàng)目意在使得3DIC技術(shù)獲得進(jìn)一步突破，最終目標(biāo)是讓使用90nm半導(dǎo)體特征尺寸的3DIC系統(tǒng)與現(xiàn)在使用最先進(jìn)7納米工藝的芯片相比，具有50倍的性能優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)目只有一年左右的歷史，但在其3到5年的運(yùn)行結(jié)束時(shí)，DARPA想要做到的是，制造5000萬個(gè)邏輯門的芯片，4千兆字節(jié)的非易失性存儲(chǔ)器，邏輯層之間互聯(lián)密度達(dá)到每平方毫米900萬個(gè)互連，總互聯(lián)數(shù)據(jù)率達(dá)到50Tb/s，而互聯(lián)的能效比達(dá)到 2pJ/bit。

Shulaker教授周二所展示的3DIC系統(tǒng)尚不能做到這一切，但這是一個(gè)重要里程碑。他說:"我們與Skywater Technology Foundry和其他合作伙伴一道，徹底改變了我們制造這一技術(shù)的方式，將這一技術(shù)從僅在我們的學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室工作的技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蚨夷壳耙呀?jīng)在美國Foundry廠的商業(yè)制造設(shè)施中工作的技術(shù)。"

目前SkyWater Technology用來生產(chǎn)碳納米管+RRAM+ILV 3DIC的工藝是90納米工藝，未來可望能實(shí)現(xiàn)更小的特征尺寸，從而實(shí)現(xiàn)更高的性能。此外，在工藝良率達(dá)到量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)后，SkyWater將會(huì)提供PDK。在此基礎(chǔ)上，Skywater將能夠圍繞碳納米管+RRAM+ILV 3DIC的流程建立業(yè)務(wù)，并將該技術(shù)授權(quán)給其他代工廠。

碳納米管+RRAM+ILV 3DIC是否會(huì)改變半導(dǎo)體行業(yè)？

碳納米管+RRAM+ILV 單片3DIC能提供遠(yuǎn)高于TSV的互聯(lián)密度，從而為3DIC帶來進(jìn)一步的性能突破。然而，碳納米管+RRAM+ILV 3DIC想要進(jìn)入主流應(yīng)用，還需要跨越工程上的幾道坎。

首先是碳納米管的集成規(guī)模。目前，我們看到斯坦福大學(xué)完成了200萬碳納米管晶體管的芯片，但是這樣的規(guī)模相對(duì)于目前的SoC來說還是太小。如果碳納米管想要走入主流，至少還需要把集成規(guī)模提升100-1000倍，其中也包括了大規(guī)模集成時(shí)良率的提升。

其次是設(shè)計(jì)方法和生態(tài)的問題。碳納米管需要專門設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)單元庫，此外在EDA工具和流程上也會(huì)需要相應(yīng)的設(shè)計(jì)（例如DRC等）。

至少在目前看來，碳納米管+RRAM+ILV 3DIC還只是一個(gè)學(xué)術(shù)項(xiàng)目，但這也是DARPA力推該項(xiàng)目的原因，因?yàn)橐坏┙鉀Q了上述的工程問題，并且能把生態(tài)搭建起來，碳納米管+RRAM+ILV 3DIC將有可能成為下一代半導(dǎo)體技術(shù)的關(guān)鍵。同時(shí)，由于美國在半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域正在漸漸失去領(lǐng)先的地位，因此DARPA也希望借碳納米管+RRAM+ILV 3DIC技術(shù)來復(fù)興美國在半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。

對(duì)于我國的半導(dǎo)體行業(yè)來說，碳納米管+RRAM+ILV 3DIC是一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域。目前碳納米管+RRAM+ILV 3DIC是否能真正成為下一代標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝還存在很大的不確定因素，因此在適當(dāng)關(guān)注的同時(shí)鼓勵(lì)高校和公司做一些常識(shí)性的探索也有利于降低我國半導(dǎo)體行業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，避免該技術(shù)一旦成為主流我國的技術(shù)被拉開距離。事實(shí)上，我國的高校對(duì)于碳納米管的研究已經(jīng)有不少成果，只是能做到Shulaker一樣真正把關(guān)鍵技術(shù)整合成完整系統(tǒng)并且向商業(yè)化推進(jìn)的還沒有。這也正是需要我們半導(dǎo)體人齊心協(xié)力，在腳踏實(shí)地填補(bǔ)國內(nèi)半導(dǎo)體過去的空缺的同時(shí)不忘仰望星空研究前沿性技術(shù)。