三維晶片是將不同電路單元製作在多個平面晶片上，並通過矽通孔（Through Silicon Vias, TSVs）層間垂直互連技術將多個晶片（ Die）在垂直方向進行堆疊互連而形成的一種全新的晶片結構，具有集成度高、功耗低、頻寬高、面積小、互連線短、支持異構集成等特點。
基本介紹
- 中文名：三維晶片
- 外文名：Three-dimensional chip
- 關鍵技術：矽通孔層間垂直互連技術
- 堆疊：垂直方向
- 特點：集成度高、功耗低、頻寬高等
- 行業：半導體
- 部件：晶片、體矽層和綁定材料層
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三維晶片
三維晶片是將不同電路單元製作在多個平面晶片上，並通過矽通孔（ThroughSiliconVias,TSVs）層間垂直互連技術將多個晶片（Die）在垂直方向進行堆疊互連而形成的一種全新的晶片結構，具有集成度高、功耗低、頻寬高、面積小、互連線短、支持異構集成等特點。
三維晶片的出現為半導體行業的發展帶來了新的生機與活力，引起了諸多工業廠商和研究機構對其的重視，下頁圖1-2是根據YoleDevelopment研究數據的預測圖，縱坐標表示每年用於製作三維晶片的晶圓使用量，其預計2012年晶圓的使用量將達到近千萬數量級。由此可見三維晶片的生命力之強大。
三維晶片的關鍵技術是TSV垂直互連技術，這一技術的使用大大提高了晶片的集成度、急劇縮短了線長、減小了晶片面積；但是由此也帶來了一系列問題：（1）、就垂直互連本身來說，TSV的工藝尺寸較大，過多的引入TSV將增加三維晶片的面積、降低面積利用率、提高三維晶片的製造成本；另外，過多的TSV也將給三維晶片布局布線造成障礙[3-4]，提高設計複雜度；（2）、三維晶片是一種全新的三維晶片，商業EDA工具和設計方法並不能有效地移植到三維晶片，要充分地利用三維晶片技術和建立高性能處理器就必須開發全新的EDA工具和探索全新的設計方法；文獻提出的是一種全新的三維晶片設計工具；（3）、三維晶片的垂直堆疊在大大縮短線長、減小晶片面積的同時也使得晶片在相同單位面積內的發熱量翻番，電晶體是晶片的主要熱量源，堆疊技術使得單位面積內的電晶體數目成倍增長導致了發熱量的成倍增長，堆疊技術使用了較低熱傳導率的綁定材料，這帶來了晶片散熱較差的問題，過高的發熱量和較差的散熱性使得晶片峰值溫度升高，降低了晶片性能和可靠性。因此，降低TSV數目和峰值溫度對於設計出成本低和性能優越的三維晶片具有重大的理論和實用價值。
矽通孔
矽通孔（ThroughSiliconVia，TSV），又稱過矽通孔，或稱矽直通孔；如下圖2-13所示，每個晶片相當於一個二維晶片，不同層的多個二維晶片使用TSV進行垂直導通互連，TSV在進行層間互連時，將穿過矽材料，由此而得名。與傳統的二維晶片封裝綁定技術不同，TSV通過晶片的垂直堆疊能夠使晶片的封裝密度更大，外形尺寸更小，並且大大提高晶片工作頻率和降低互連線功耗。矽通孔常用的材料與一般的金屬互連線一致，都使用銅沉積而成。
雖然TSV有眾多優點，但是就工藝尺寸而言，其占用的晶片面積較大，過多的引入TSV將降低晶片面積利用率，而且晶片中的TSV會對晶片布局布線造成障礙，增大設計複雜度，下圖2-14為TSV與SRAM單元、反相器單元的大小對比圖[22]，可見特徵工藝尺寸下TSV的尺寸遠遠大於一般邏輯單元尺寸。因此在三維晶片的設計中，降低TSV數目成為一個研究熱點。
三維晶片研發意義
21世紀的頭十年，我國積體電路產量的年平均增長率已超過25%，積體電路銷售額的年平均增長率則達到23%。我國積體電路產業規模也已由2001年不足世界產業總規模的2%提高到2010年的近9%。毫無疑問，我國已成為過去10年中世界積體電路產業發展最快的地區之一。但是，同時值得注意的是，若除去積體電路產業中由境外委託代工的銷售額外，我國積體電路實際自給率還不到10%，國內市場所需的的主要核心晶片全部依賴進口。
積體電路產業是我國的重要的戰略性新興支柱產業，是國民經濟及社會高度信息化的重要基礎。其自給率會直接影響到國內信息安全，尤其是航空、航天、軍事、經濟等重要領域；如果這些領域使用的晶片完全受國外控制，則中國根本不可能成為一個軍事強國和經濟大國。因此，研製和生成具有自主智慧財產權的晶片已提升為國家發展戰略。過去的十幾年中，在國家加大對晶片自主研發的投入下，我國的積體電路產業在經歷了多年的風風雨雨之後邁上了新的台階，在諸多領域取的核心技術上取得了令人矚目的成就。在手機晶片、IC晶片、HDTV晶片、專用通信晶片、多媒體顯示晶片、軍用晶片等多個領域取得獨創性成果。但我們也應清醒地認識到，在處理器、存儲器、微控制器、DSP等通用晶片方面，國內還基本處於空白。為了進一步加快積體電路產業的發展，國務院於2011年1月28日正式發布了《國務院關於印發進一步鼓勵軟體產業和積體電路產業發展若干政策的通知》。這是對積體電路產業的重大鼓勵與扶持，表明了國家重點發展積體電路產業的決心，我國積體電路產業必將在“十二五”期間有一個新的騰飛。因此研究積體電路設計與製造技術正是回響了國家政策與號召。
三維晶片作為一種全新的晶片結構，其完全顛覆了傳統的晶片設計理念，前景無可估量；因此，各國政府都將大量資金投入到相關研究中，但是三維晶片的各種相關技術也只是處於起步階段，與國際上對三維晶片的投入力度保持同步並試圖使我國在三維晶片技術上處於領先地位對於彌補我國相對落後的積體電路產業具有重要意義。
