【芯論語】科普:芯片中的“層”,“層層”全解析
前言:集成電路(芯片)是用光刻為特征的制造工藝,一層一層制造而成。所以,芯片技術(shù)中就有了“層”的概念。那么,芯片技術(shù)中有多少關(guān)于“層”的概念?媒體報道說美光公司推出了176層的3D NAND閃存芯片,這里的“層”又是什么意思?本文從科普的視角,來個“層層”全解析。
要說明芯片技術(shù)中“層”的概念,要先大致了解一下芯片的設(shè)計(jì)和制造過程。這些科普內(nèi)容已在我的另一片文章“【芯論語】光刻如何一步一步變成了芯片制造的卡脖子技術(shù)?”中介紹過[5]。該文介紹了光刻工藝如何按照芯片設(shè)計(jì)布圖(Layout),一層一層把不同的半導(dǎo)體材料制作在硅片上,最后形成了一個有結(jié)構(gòu)的電路元器件層的過程。本文不再展開論述,僅引用了這篇文章中如下兩張圖加以說明。
圖1.光刻工藝過程的示意圖
圖2.多次光刻工序“堆疊”形成立體的電路結(jié)構(gòu)
圖1是光刻工藝過程的示意圖。圖2a是芯片布圖上一個晶體管的設(shè)計(jì)布圖,芯片布圖在制造準(zhǔn)備過程中被分離成多個掩膜圖案,并制成一套多張的掩膜版(圖2b)。芯片制造廠按照工藝順序安排,逐層把掩膜版上的圖案制作在硅片上,形成了一個立體的晶體管(圖2c)。
一個芯片上可以包含數(shù)億~數(shù)百億個晶體管,并經(jīng)過互連實(shí)現(xiàn)了芯片的整體電路功能。經(jīng)過制造工藝的各道工序后,這些晶體管將被同時加工出來。并且,在硅晶圓上整齊排滿了數(shù)量巨大的相同芯片,經(jīng)過制造工藝的各道工序后,這些芯片也將被同時加工出來。
一、材料介質(zhì)層 vs 電路層
參見圖3,芯片布圖上的每一層圖案用不同顏色標(biāo)示。對應(yīng)每一層的圖案,制造過程會在硅晶圓上制做出一層由半導(dǎo)體材料或介質(zhì)構(gòu)成的圖形。本文把這些圖形層稱之為材料介質(zhì)層。例如P型襯底層、N型擴(kuò)散區(qū)層、氧化膜絕緣層、多晶硅層、金屬連線層等。芯片布圖有多少層,制造完成后的硅晶圓上基本就有多少材料介質(zhì)層。根據(jù)工藝安排,材料介質(zhì)層的層數(shù)也許還會有增加。
圖3.芯片布圖中的晶體管與硅片上制作而成的立體的晶體管的對應(yīng)示意圖
芯片制造就是按照芯片布圖,在硅晶圓上逐層制做材料介質(zhì)層的過程。材料介質(zhì)層在硅晶圓上疊加在一起,就形成了整個芯片上,乃至整個硅晶圓上所有的電路元器件。它們主要包括晶體管(三極管)、存儲單元、二極管、電阻、連線、引腳等。
圖4.芯片微觀示意圖 (從材料介質(zhì)層角度看是縱橫交錯的線條,從電路層角度看是平鋪在硅片上的一層電路元器件)
這些電路元器件從材料介質(zhì)層的角度上看是有結(jié)構(gòu)的、立體的。但是,電路元器件是平面分布在硅片上,乃至整個硅晶圓上,它們是二維(2D)分布的,是一個平面層。本文把硅晶圓上的電路元器件層稱之為電路層。這樣的芯片裸片封裝起來就是早期傳統(tǒng)的平面芯片(2D芯片)。
二、平面結(jié)構(gòu)器件 vs 側(cè)向結(jié)構(gòu)器件
電路層中,早期電路元器件的結(jié)構(gòu)是平面擺放的,稱為平面(Planar)結(jié)構(gòu)器件。為了提高芯片集成度,電路元器件特別是晶體管尺寸一直在按照摩爾定律縮小,當(dāng)器件尺寸縮小到不能再縮小的時候,業(yè)界發(fā)明了把電路元器件豎起來的結(jié)構(gòu)形式,以縮小芯片面積。有人把這種豎起來的器件稱為三維 (3D)、立體的結(jié)構(gòu)器件。筆者覺得將其稱為側(cè)向(Sideways)結(jié)構(gòu)器件更為準(zhǔn)確。因?yàn)槿缯撈矫娼Y(jié)構(gòu)器件還是側(cè)向結(jié)構(gòu)器件,雖然從材料介質(zhì)層角度看都是立體的,但是從元器件整體來看,它們平面分布在硅晶圓上,只是一層電路元器件,并沒有立體的概念。
圖5.平面和側(cè)向的晶體管結(jié)構(gòu)
圖6.平面和側(cè)向的閃存單元結(jié)構(gòu)
早期的芯片制造工藝比較傳統(tǒng),在硅晶圓上只能制造一個電路層。以圖5所示的晶體管和圖6所示的閃存單元舉例,電路元器件的結(jié)構(gòu)不管是平面的(圖5a、圖6a),或者是側(cè)向的(圖5b、圖6b),元器件上面不再有元器件的堆疊。經(jīng)過電路層制造、劃片、封裝和測試,就完成了芯片制造的全過程。這種單個電路層的芯片就是早期傳統(tǒng)的平面芯片(2D芯片)。
三、多層芯片堆疊封裝,形成偽3D芯片
隨著芯片封裝工藝進(jìn)步,為了縮小芯片尺寸,業(yè)界發(fā)明了多層芯片堆疊封裝技術(shù)。開始時,堆疊封裝是把多個芯片裸片堆疊放置在一起,把芯片之間的信號通過邦定(bonding)技術(shù)連結(jié),組成內(nèi)部的完整系統(tǒng),再把外部信號通過封裝引腳外連,最后封裝成為一個完整芯片(圖7a)。后來,業(yè)界發(fā)明了硅通孔(TSV)技術(shù),堆疊的芯片裸片之間的信號是通過TSV連接,形成了更加緊湊的多芯片堆疊封裝芯片(圖7b)。
圖7.多芯片堆疊封裝示意圖(來源:Jin-Fu Li,EE,NCU)
這種芯片內(nèi)部有多個電路層,它們可以稱為立體芯片,或者稱為3D芯片。但是,這種3D芯片是在封裝階段通過多層芯片裸片堆疊形成的,從芯片制造角度看,這種3D芯片只能看作是偽3D芯片。
四、多層電路層堆疊制造,形成真3D芯片
目前,芯片制造工藝已發(fā)展到爐火純青的地步。為了節(jié)省硅片面積,在下面的電路層制作完成之后,可以繼續(xù)在其上制做另一層電路層,形成兩個、甚至多個電路層在硅晶圓上的堆疊,在芯片制造階段就完成了3D芯片的制造。這樣就實(shí)現(xiàn)了真正意義上的立體芯片,也簡稱3D芯片。
這種技術(shù)目前主要用在3DNAND閃存等很規(guī)則的芯片制造領(lǐng)域。存儲單元(Memory Cell)采用側(cè)向結(jié)構(gòu)。一般地,閃存芯片如果號稱是N層的NAND閃存,就至少有N個電路層。目前,三星的3D V-NAND存儲單元的層數(shù)已由2009年的2層逐漸提升至24層、64層,再到2018年的96層[2],2019年8月完成128層V-NAND閃存的開發(fā),并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。三星計(jì)劃2021年下半年則會量產(chǎn)第7代V-NAND閃存,堆疊層數(shù)提升到176層。美光已發(fā)布了采用最新技術(shù)的第五代176層3D NAND閃存芯片[4]。
圖8.3D NAND閃存芯片的多電路層堆疊結(jié)構(gòu)示意圖
(來源:參考資料2,經(jīng)作者整理)
在國內(nèi),長江存儲2017年7月研制成功了國內(nèi)首顆3D NAND閃存芯片;2018年三季度32層產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)量產(chǎn);2019年三季度64層產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。目前已宣布成功研發(fā)出128層3D NAND閃存芯片系列[3]。長江存儲3D NAND閃存技術(shù)的快速發(fā)展,得益于其獨(dú)創(chuàng)的“把存儲陣列(Cell Array)和外圍控制電路(Periphery)分開制造,再合并封裝在一起”的XtackingTM技術(shù)。
據(jù)報道,美光最新一代的176層3D NAND將直接取代96層的版本。目前已知的是,美光首批176層3D NAND采用了將雙88層融合到一起的設(shè)計(jì)(堆疊512Gbit TLC閃存)。該芯片技術(shù)換用了電荷陷阱存儲單元的方案,似乎也極大地降低了每一層的厚度。目前176層的裸片僅為45μm,與美光的64層浮柵3D NAND相同。16層裸片堆疊式封裝的厚度不到1.5 mm,適用于大多數(shù)移動/存儲卡使用場景[4]。
后記:本文通過光刻技術(shù)和芯片制造技術(shù)介紹,理清了芯片技術(shù)中的材料介質(zhì)層與電路層的概念,從而更清楚知道什么是2D芯片,什么是3D芯片?也了解到目前的3D閃存芯片,在制造時就可以堆疊集成多達(dá)176層的電路層。更甚者,這種3D芯片在封裝時還可以進(jìn)行多達(dá)16層裸片的堆疊封裝。在一塊厚度不到1.5mm的閃存卡中,竟然有多達(dá)2816層的電路層在工作,芯片技術(shù)的精妙之處可見一斑。
參考資料:
1.Helen,什么是3D NAND?與2D NAND相比有什么優(yōu)勢?,中國閃存市場:https://www.chinaflashmarket.com/Instructor/163856,2018.11.6
2.天極網(wǎng),一文讓你看懂三星第五代V-NAND技術(shù),搜狐:https://www.sohu.com/a/299871029_115479,2019.3.8
3.愛集微,長江存儲宣布成功研發(fā)128層3D NAND Flash芯片系列,電子發(fā)燒友:http://www.elecfans.com/d/1286790.html,2020.9.2
4.cnBeta,美光發(fā)布第五代3D NAND閃存堆疊達(dá)到176層,百度:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1682951127434407581,2020.11.10
5.天高云淡,【芯論語】光刻如何一步一步變成了芯片制造的卡脖子技術(shù)?,騰訊網(wǎng):https://mp.weixin.qq.com/s/wC4Q31J26DGnHZFaA6ldwQ,2020.11.30
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