后摩尔时代:可堆叠三维集成电路制造技术

超越摩尔定律(More than Moore)近几年来在世界级半导体元件会议上占有极重要的研究地位,晶体管尺寸的缩小将面临物理极限的考验,而积层型三维集成电路(monolithic 3DIC)即是其中解决问题最重要的工程技术之一,台湾半导体研究中心(Taiwan Semiconductor Research Institute, TSRI)自2010年开始研究相关技术,是开发前瞻物联网芯片与人工智能芯片的关键技术。

利用纳秒绿光激光局部与瞬间加热法将非晶硅薄膜再结晶,可用于制作三维可堆叠晶体管硅通道,完成积层型三维堆叠超薄结构晶体管(UTB transistors)、纳米线晶体管(Nanowire)、纳米鳍式晶体管(FinFET)及相关积层型三维堆叠集成电路(如SRAM、 Decoder…等),近年来TSRI团队和交通大学胡正明院士及陈冠能教授研发团队合作提出前瞻晶粒边界控制技术,以及与清华大学张孟凡教授研发团队合作制作内存内运算单元(CIM units),可用于高效能且省电的积层型三维集成电路。相关研究成果已在2012至2019年间发表二十余篇论文于国际顶尖固态电子元件会议IEDM(International Electron Devices Meeting)及国际超大集成电路指标会议VLSI(Very large-scale integration),并与世界顶尖半导体研发团队及半导体晶片制造公司同场发表研究成果,TSRI研发团队持续与国内学术单位及台湾的半导体产业界合作,创新研发技术及提供服务平台,将为台湾集成电路学研的发展,扮演重要协助角色。


后摩尔时代:可堆叠三维集成电路制造技术--图一:摩尔定律(Moore's Law)与超越摩尔定律(More than Moore)

图一:摩尔定律(Moore’s Law)与超越摩尔定律(More than Moore) 

超越摩尔定律(More than Moore)近几年来在世界级半导体元件会议上占有极重要的研究地位。摩尔定律下,晶体管尺寸的缩小将面临物理极限的考验,而制造中三维(3D)堆叠晶体管即是其中解决问题最重要的方法之一,即由垂直叠加各晶片层,进而提高单位面积的元件数量及整合不同功能元件,使得制作成本下降,而金属导线连线距离也可因此而缩短,减少电子信号的延迟,满足物联网芯片与人工智能芯片高速且节能需求。然而,半导体晶片制造过程中,垂直叠加晶体管元件的过程有其限制,一般的半导体高温制造将破坏晶体管及金属连导线,大幅降低半导体晶片成品的良率。

为克服此问题,由于激光热扩散深度仅有数百纳米,以激光表面加热技术制作低温多晶硅(poly-Si)材料,相当适合作为三维堆叠晶体管的开发,更重要的是其制造简单且便宜。然而多数以多晶硅做为电子元件的物理及电特性并不如结晶硅来得好,主要原因在于晶粒内与晶粒边界(Grain boundary)的缺陷对半导体元件电性来说是一个很严重的问题,因此如何将多晶硅材料品质提升至与结晶硅接近或形成可控制的单晶颗粒,对于制作积层型三维堆叠晶体管是一项非常重要的课题。

图二:积层型三维堆叠晶片技术与纳米鳍式晶体管应用晶粒边界控制技术之比较
图二:积层型三维堆叠晶片技术与纳米鳍式晶体管应用晶粒边界控制技术之比较

台湾半导体研究中心(TSRI)研究团队利用纳秒绿光激光局部与瞬间加热法将非晶硅薄膜再结晶,用于制作可三维堆叠硅通道,完成积层型三维堆叠超薄结构晶体管(UTB transistors)、纳米线晶体管(Nanowire)、纳米鳍式晶体管(FinFET)及相关积层型三维堆叠集成电路(如SRAM、Decoder…等)研发,近年来和交通大学胡正明院士及陈冠能教授共同合作,提出一种晶粒边界控制技术(Location-controlled-grain Technique),可用于制造三维可堆叠单晶硅通道,先在绝缘层上蚀刻出可控制规则的孔洞(via hole) ,并利用纳秒绿光激光局部与瞬间加热将非晶硅薄膜再结晶,以孔洞结构为中心向外侧延伸成长为单晶硅(single grain Si),这样制作的积层型纳米鳍式晶体管(FinFETs),可大幅提高晶片效能与良率。团队也与清华大学张孟凡教授研发团队合作开发内存内运算单元(Computing in memory),研发制作人工智能芯片原型单元,相关研究成果已在2012至2019年间发表二十余篇论文于国际顶尖固态电子元件会议(IEDM)及国际超大积体电路指标会议(VLSI),与世界顶尖半导体研发团队及半导体晶片制造公司同场发表研究最新成果。

TSRI研究团队长期支援台湾大型研发计划,协助开发具量产价值的原型产品,提供学界定制化集成电路制造技术,持续与学术单位及台湾的半导体产业界合作,创新研发技术及服务平台,为台湾集成电路产学研发展,扮演重要协助角色。 

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作者简介:杨智超博士任职台湾半导体研究中心(TSRI)芯片整合技术小组副研究员,研究专长包括三维集成电路开发及先进三维AI与物联网(IoT)芯片设备。

文章来源:

Chih-Chao Yang, Tung-Ying Hsieh, Po-Tsang Huang, Kuan-Neng Chen, Wan-Chi Wu, Shih-Wei Chen, Chia-He Chang, Chang-Hong Shen, Jia-Min Shieh, Chenming Hu, Meng- Chyi Wu, and Wen-Kuan Yeh, IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 2018.

Ping-Yi Hsieh, Yi-Jui Chang, Pin-Jun Chen, Chun-Liang Chen, Chih-Chao Yang, Po-Tsang Huang, Yi-Jing Chen, Chih-Ming Shen, Yu-Wei Liu, Chien-Chi Huang, Ming-Chi Tai, Wei-Chung Lo, Chang-Hong Shen, Jia-Min Shieh, Da-Chiang Chang, Kuan-Neng Chen, Wen-Kuan Yeh, and Chenming Hu, IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 2019.

 

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