颠覆世界半导体产业:3D纳米管晶圆问世

2019年07月22日 作者:Teardown

SkyWater科技的晶圆厂生产出第一批可以匹敌先进硅芯片性能的3D纳米管晶圆。

万众期待的晶圆:麻省理工学院助理教授Max Shulaker在DARPA电子复兴倡议峰会上拿出了第一颗晶圆厂生产的单片3D碳纳米管IC。

在政府主办的技术会议上,到处充斥着空洞的、形式主义的掌声,你很少看到大家自发地为某个发言鼓掌。但是,在近日举行的DARPA电子复兴倡议峰会上,人们把真诚的掌声送给了麻省理工学院的助理教授Max Shulaker。Max Shulaker拿着一片3D碳纳米管IC走上舞台,在某种程度上,它标志着DARPA将落后的晶圆厂变得可以生产与世界上最先进的晶圆厂竞争的芯片的计划走出了坚实的一步。

“这个晶圆是上周五刚刚制造出来的,它是晶圆厂生产出来的第一个单片3D IC,”Shulaker在底特律告诉参会的数百名工程师。这个晶圆上包含多颗IC,这种芯片由一层CMOS碳纳米管晶体管和一层RRAM存储器单元组成的复合层叠加组成,这些复合层彼此叠置并通过一种被称为通孔的密集阵列连接器垂直连接在一起。这项由DARPA资助的3D SoC背后的理念是,在同样的工艺下,采用多个碳纳米管+RRAM存储器复合层制造的芯片比现在的7纳米芯片具有50倍的性能优势。这种芯片基于的工艺是2004年时的90纳米平板印刷工艺,以这种工艺取得比现在7纳米还要出色的性能,DARPA的这个计划不可不谓雄心勃勃。

这个项目刚刚运行了一年左右的时间,DARPA希望在持续运行三年半之后,就可以生产出带有5000万逻辑门电路、4G字节非易失性存储器、每平方毫米存在900万个互联通道的芯片。互联通道之间的传输速度为每秒50太比特,每比特的功率消耗小于两个皮焦耳。

当然,Shulaker这次所展示的东西还达不到这个目标,但是,这是该计划进展过程中的一个重要里程碑。Shulaker表示,“与Skywater科技电工厂和其它合作伙伴一道,我们在如何制造这种3D芯片上进行了彻底的革命,并把这一个仅仅只能在我们的学术实验室里有效的技术成功地转化为可以在美国的商业晶圆厂中实施的技术。”

和当今主流的2D芯片相比,这项技术潜在优势的关键在于,它能够将多层CMOS逻辑和非易失性存储器堆叠在一起,并将这些层链接在一起,3DSoC团队将这种方式成为“阶层”,这种垂直连接方式实现的封装密集性比其它任何3D技术都要高出几个数量级。

这种技术无法在硅中实现,因为使用硅来构建这种“阶层”里的逻辑层时需要高达1000摄氏度的高温,这种温度足以破坏掉位于该层之下的那些层。3DSoC技术使用了基于碳纳米管的晶体管,它可以在低于450摄氏度的温度下构建,而且RRAM层也采用低温工艺制造。这样就可以把多个层堆叠构建在一起,而不用担心对下面的阶层造成伤害。

3DSoC团队是怎么把这种实验室下的技术成功转化到商业制造工艺上的呢?“这是一个逐步实现的过程,”SkyWater的首席技术官Brad Ferguson告诉记者。比如,他们先分别试验了NMOS碳纳米管晶体管和PMOS晶体管的工艺,在把它们组合到其它CMOS电路晶圆之前先分别构建了自己的晶圆。然后他们单独制造了RRAM晶圆,最后想出了将碳纳米管晶体管层和RRAM层垂直连接的方法。“这种逐步进行的方法克服了很多挑战,也消灭了很多风险,在这个过程中我们也学到了很多东西。”

Ferguson表示,下一个重要的里程碑将是在今年年底之前实现将两层碳纳米管和两层RRAM层整合在一起。在那之后,SkyWater和团队其它成员将致力于提高这种生产工艺的良率。他接着表示,“我们在现在的阶段实现了比较经济可行的比特收益率(目前只限于RRAM),第一次里程碑就达到这种效果,我们很满意。”

到这个项目的最后阶段,合作伙伴和潜在客户们将拿到该团队提供的工艺设计套件,现在团队已经完成了第一版工艺设计套件,可以利用它获得原型芯片。到项目最后,SkyWater将能够围绕这个工艺建立业务,并将工艺授权给其它代工厂。

同样令人兴奋的是,性能的提升可能还会进一步持续改善。这种工艺可以升级到65纳米甚至是更先进的工艺节点上,从而实现密度更高、速度更快、功能更强大的系统。“一旦可以轻松地在成熟的90纳米节点上实施3D SoC的生产制造,我们就可以未来几十年的创新在传统制造工艺上进行。”Shulaker说。

这将使得SkyWater进入另一个不同的竞争环境中。“这可能使我们与那些需要先进性能芯片的客户产生交集,比如高通公司这样的,”Ferguson踌躇满志地引用了高通公司首席执行官史蒂夫莫伦科普夫刚刚发表过的一句声明,“史蒂夫说他们必须处于领先地位,我想,我们这个90纳米工艺的传统晶圆厂可能会帮到他们。”

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