Японские компании разработали тонкопленочные аналоговые 3D чипы

Этот спрос обусловлен развитием искусственного интеллекта, технологий Интернета вещей и автономных транспортных средств, которые используют аналоговые ИС для таких функций, как распознавание и управление питанием. В отличие от цифровых интегральных схем, которые обрабатывают только двоичные сигналы, аналоговые интегральные схемы могут обрабатывать непрерывные сигналы, такие как температура и звук, что делает их незаменимыми для взаимодействия с физической средой.

Ориентируясь на этот растущий рынок, две токийские компании, Oki Electric Industry и Nisshinbo Micro Devices, объединились для разработки тонкоплёночных аналоговых интегральных схем. Интегральные схемы также могут быть расположены вертикально, что, по утверждению компаний, улучшает возможности миниатюризации электроники и одновременной интеграции большего количества интегральных схем. Эта технология также снижает затраты и повышает функциональность, предоставляя больше возможностей или улучшая производительность на меньшем пространстве.

Разработка тонкоплёночных 3D аналоговых интегральных схем включает в себя процесс кристаллического плёночного соединения (CFB) компании OKI, при котором функциональный тонкоплёночный слой аналоговой интегральной схемы отделяется от подложки. (Точная технология является коммерческой тайной.) Затем отделённый слой соединяется с другим тонкоплёночным аналоговым слоем, разделённым изоляционным слоем, таким как оксид кремния. Соединение осуществляется за счёт сил притяжения между молекулами, явления, известного как межмолекулярное соединение. Обычное проволочное соединение электрически соединяет сложенные друг на друга слои.

«По сравнению с нашей технологией CFB, в стандартных процессах укладки обычно используется TSV [сквозное соединение через кремний, метод вертикальной разводки, соединяющий уложенные микросхемы] и требующий сложной обработки и специального оборудования», — говорит Кеничи Танигава, генеральный директор отдела разработки CFB компании OKI. Он говорит, что толщина отдельных микросхем в стопках, соединённых с помощью TSV, варьируется от десятков до сотен микрометров. «В то время как в стеках CFB толщина каждого чипа составляет всего от 5 до 10 [микрометров], поэтому можно использовать перекомпоновку с использованием более дешёвой традиционной полупроводниковой литографии в широко доступных устаревших системах».

Стеккинг CFB также позволяет использовать несколько различных методов 3D-интеграции. Один простой, но эффективный процесс использует идентичную конструкцию микросхемы с контактными площадками, расположенными вдоль одного края. После укладки первого слоя каждый последующий слой микросхемы немного уменьшается в размере и поворачивается на 90 градусов, оставляя открытыми контактные площадки предыдущих нижних слоёв. Этот метод можно использовать для соединения до четырёх слоёв микросхем.

Однако из-за того, что многослойные аналоговые микросхемы очень тонкие, между слоями возникают перекрестные помехи, которые могут вызывать сбои в работе микросхем, шумы и снижение производительности. Именно здесь на помощь приходит компания Nisshinbo со своей запатентованной технологией экранирования.

«Мы используем алюминий в качестве экранирующего материала, нанесённого с помощью обычных полупроводниковых процессов», — говорит Огата из Nisshinbo. Он объясняет, что если бы вся площадь слоя схемы была экранирована, «это создало бы большую паразитную ёмкость,» имея в виду нежелательное накопление электрического заряда между слоями схемы, которое может мешать работе схемы. «Это потому, что в отличие от цифровых микросхем, которые работают при напряжении ниже 5 вольт, аналоговые микросхемы выдерживают напряжение до 20 или 30 вольт, что увеличивает паразитную ёмкость».

Чтобы предотвратить это, экранирование применяется только в критических областях, где возникают помехи между расположенными рядом микросхемами. Эти области были определены компанией Nisshinbo на основе многолетних исследований и работы с аналоговыми микросхемами. Такая локализация снижает помехи сигнала, не влияя на функциональность схемы, говорит Огата.

Компании отмечают, что тонкослойное 3D-наращивание аналоговых интегральных схем также может использоваться в ситуациях, когда аналоговые и цифровые интегральные схемы комбинируются. Это позволит использовать их в чиплетах — модульных интегральных схемах, которые можно комбинировать для создания более сложных устройств.

«Чиплеты имеют ряд преимуществ по сравнению с большими монолитными устройствами», — говорит Огата. Вместо того чтобы размещать всё на одном большом чипе, различные функции, такие как распознавание, обработка и управление питанием, выполняются отдельно. Каждый чиплет можно оптимизировать для выполнения конкретной функции, что снижает затраты. Сложение чиплетов также сокращает занимаемую площадь, что приводит к уменьшению размеров устройств. Кроме того, потенциально повышается производительность, поскольку, если в одном чиплете возникает дефект, его можно выявить и заменить чиплет до сборки. (В то время как дефект на одном крупном чипе означает, что весь чип придётся выбросить.)

«Подход с использованием чиплетов очень важен для производства полупроводников нового поколения», — говорит Гордон Робертс, профессор компьютерной и электротехнической инженерии в Университете Макгилла в Монреале. В то время как современные чиплеты уже позволяют комбинировать и сочетать определённые компоненты, такие как центральные процессоры, графические процессоры и память, на следующем этапе эволюции полупроводников будут использоваться более разнообразные компоненты, такие как аналоговые, силовые и оптические чипы, которые будут легко интегрироваться с помощью инновационных технологий компоновки и межсоединений.

«Применение наших технологий в технологии чиплетов означает, что мы сможем предложить ряд различных аналоговых интегральных схем, — говорит Танигава. — А гетерогенная интеграция различных цифровых, аналоговых, оптических и других полупроводниковых устройств поможет в разработке новых полупроводниковых чипов в будущем». Он добавляет, что обе компании уже начали разрабатывать новые продукты на основе своих технологий и планируют начать массовое производство к 2026 году.

Сообщение Японские компании разработали тонкопленочные аналоговые 3D чипы появились сначала на Время электроники.