10、3D IC的硅通孔技术解析

3D IC的硅通孔技术解析

1. 3D集成与硅通孔技术概述

三维（3D）集成是半导体技术发展中的重要方向，它能够在提高集成密度的同时，实现异构技术的集成。通过3D芯片堆叠，可以让每个3D芯片的功能数量远超传统缩放技术在短期内所能达到的水平。3D层可以采用先进的CMOS技术节点实现，也能利用各种不同的器件技术来优化系统性能。其中，建立穿过半导体器件所在硅衬底的电连接是一项关键技术，这些连接通常被称为硅通孔（TSV）。

目前，已经有各种各样的技术被提出用于实现TSV连接。下面将基于系统级互连层次结构对3D技术进行分类，并介绍实现TSV结构的不同技术选项以及主要的技术挑战。

2. 3D互连层次结构

电子系统具有分层的互连结构。在晶体管层面，互连线路短且横截面小，属于局部互连；为了连接晶体管块，会使用更长且横截面更大的线路，即中间互连；在集成电路层面，大型电路块（如IP块、内核等）则通过最长且最粗的线路进行集成，这就是全局互连。为了实现集成电路之间的通信，信号会被缓冲并连接到键合焊盘级互连层，其尺寸（间距）更大，以适应封装级互连的能力。这种互连层次结构在封装和印刷电路板互连层中也会延续。

这种互连层次结构的共同特点是互连几何形状会随着互连线路长度而缩放。每一层互连本质上都是二维拓扑结构，有源器件分布在一个平面上，需要长线路来连接远处的器件。在这种分层互连中，互连数量呈指数级增长。线路的交叉在相邻的互连平面上实现，平面之间的连接则通过通孔、镀通孔、引脚、焊球和连接器等特征来完成。这些“通孔”互连使得互连层能够进行3D堆叠。

将基本电路元件与多个二维互连平面相结合的结构被视为二维器件，如集成电路或印刷电路板。像柔性印刷电路板和模