研究人員以碳納米管實現真正的3D芯片

美國史丹佛大學(Stanford University)的研究人員們在日前舉辦的2014年國際電子元件會議(IEDM) 上展示了真正的3D 晶片。大部份的3D晶片采用矽穿孔(TSV)的方式堆疊不同的制造晶片，例如美光科技(Micron Technology)的混合記憶體立方體(HMC)堆疊DRAM 晶粒。

此外，總部設于美國奧勒岡州的新創公司BeSang 將其專有制程技術授權給南韓的海力士半導體 (SK Hynix Inc.)，用于打造出無需透過TSV 的真正3D 技術。

然而，史丹佛大學所展示的是任何晶圓廠都能在標準的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)上堆疊任何層數的邏輯與記憶體。在IEDM 上，史丹佛大學在CMOS 晶片上堆疊了2 層的金屬氧化物電阻型隨機存取記憶體(PRAM)，以及1 層利用碳納米管(CNT)作為電晶體通道的邏輯電路。

圖示是史丹佛大學展示的3D 晶片以標準過孔方式連接4 層電路，最底層是標準CMOS，最上層是碳納米管邏輯電晶體，中間夾著2 層RRAM。（來源：Stanford，Mitra/Wong Lab）

史丹佛大學所采用的方法是在底層制造一種標準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。在第二層的RRAM 是由氮化鈦、氧化鉿(作為主動交換層)和鉑組成，然后在CMOS 層上以200℃的溫度利用傳統TSV 進行制造 (以免損壞CMOS )，以實現互連。

然后，在經過PRAM 以及另一層絕緣二氧化矽沉積后，另一層絕緣二氧化矽則沉積于RRAM之上并實現平面化。最上層則先以碳納米管進行同向覆蓋，利用剝離(lift-off)方式形成石英晶片。為了實現足夠的密度，研究人員們進行13 次的碳納米管轉換。然后再用傳統的內層過孔(ILV)與微影技術，將碳納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制造出任意層數，”史丹佛大學教授H.S.Philip Wong 說：“我們使用相當寬松的設計規則在學校的晶圓廠中制造這些電路層，在其他的展示中則已證明我們的制程能一直微縮到現有采用過孔技術的20 nm 商用級。”

圖示為標準的平面型CMOS 晶片(圖左)透過TSV 分別堆疊邏輯元件與記憶體于不同的結構；史丹佛大學的工程師為采用標準TSV 的CMOS 晶片上3 層結構進行低溫制程，以實現更高密度。

史丹佛大學的研究人員們還積極地展示在平面二氧化矽表面的碳納米管性能，這是在平行碳納米管上層利用標準圖形化技術，在場效電晶體(FET)中形成每通道約50 個納米管。研究人員們認為，這種碳納米管電晶體由于具備較矽晶更高10倍的能效，因而可望在未來取代矽晶電晶體技術。

“我們想表達的是你可以先以標準矽晶CMOS 作為底層，仍然能夠打造出3D 晶片，但在未來，我們希望人們轉換成利用碳納米管電晶體，因為他們的性能可進一步擴展到超越矽晶，這就是為什么我們展示真正的碳納米管電路，而不只是堆疊上的一個測試電晶體。”

研究團隊們強調，必須確保這種碳納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 ，才不會損壞到底層的CMOS 晶片。數以千計的過孔實現各層的互連，才能使得這種納米管場效電晶體(CNTFET)成為PRAM 的理想選擇。