Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук
Технологии гетерогенной интеграции
Полупроводниковая промышленность много лет развивалась в соответствии с законом Мура. С 1998 по 2017 год основой для такого плана служила Международная технологическая дорожная карта для полупроводников (ITRs) - ежегодный отчет, подготовленный группой экспертов полупроводниковой промышленности. В ITRS документируются исследования во всех областях, имеющих отношение к полупроводникам, и приводятся сроки на 15 лет вперед. Сегодня эту задачу взяла на себя Международная дорожная карта для устройств и систем (IRDS) [1]
Концепция “Больше, чем Мур” (“More than Moore”) была введена в издание ITRS 2005 года. Из наблюдений следовало, что многие функциональные требования, такие как энергопотребление, беспроводная связь, пассивные компоненты, датчики и актюаторы, а также биологические функции, не соответствуют закону Мура, поскольку для этого потребовались бы технологии, не основанные на технологическом базисе КМОП.
Ожидалось, что интеграция КМОП-систем на кристалле (т.е. «систем на кристалле (СнК) и не-КМОП-систем в технологиях «систем в корпусе» (СвК) в рамках единых технологий будет приобретать все большее значение. Было осознано, что концепции “Более Мура” и” Больше, чем Мур" должны были рассматриваться не как альтернативные технологии, конкурирующие друг с другом, а скорее, как взаимодополняющие технологические варианты, которые можно было бы объединить для создания новых систем с высокой добавленной стоимостью. Это было изображено на диаграмме (рисунок MtM-1), которая с тех пор служит “предметом обсуждения”.
Особая проблема, которую «Больше, чем Мур», ставил перед процессом составления дорожной карты, заключалась в том, что он должен был определяться потребностями приложений, а не технологическими требованиями. Следовательно, необходимо было разработать методологию, которой можно было бы руководствоваться при составлении дорожной карты.
Рисунок1. MtM-1 Закон Мура и многое другое (2005 г.)
Одним из основных направлений развития концепции «Больше, чем Мур» являются технологии, обеспечивающие соединение чипов, созданных по разным технологиям в единую интегральную конструкцию.
Следуя за глобальными изменениями в мировой электронике, ведущие международные организации в этой области разработали документ Heterogenious Integration Roadmap (HIR) [2] – «Дорожная карта гетерогенной интеграции» (ДКГИ).
В 2016 году появилась Дорожная карта развития гетерогенной интеграции (HIR - Heterogeneous Integration Roadmap). В нём гетерогенная интеграция определяется как интеграция отдельно изготовленных элементов в компоненты более высокого уровня для повышения функциональности и улучшения общих эксплуатационных характеристик.
Очевидно, что развитие перспективных технологий многих устройств и, соответственно, их дальнейшая миниатюризация основано в первую очередь на технологиях гетерогенной интеграции. К таким устройства относятся как «чисто электронные» системы, технологии изготовления компонентов которых существенно отличаются, так и устройства, в которых интегрируются электронный и другие функции (механические, химико-аналитические, сенсорные и т.п.). К первым можно отнести трёхмерные схемы памяти сверхвысокой степени интеграции уже реализуемые передовыми компаниями, исследования агентства DARPA, с целью существенного снижения потребляемой мощности при сохранении быстродействия (обобщённая идея представлена на рисунке), «умных» силовых ключей, в которых управляющая схема выполнена из кремния, а силовой транзистор на основе карбида кремния и т.п.;
Рис. 2. Трехмерная интеграция электронных компонентов
Ко вторым относится много типов сенсорных и микроаналитических систем, многие микроэлектромеханические системы (МЭМС), микроактюаторные системы и т.п.
Пример создания функционально сложной комплексной гетерогенной системы представлен на рисунке 3. Очевидно, что по сравнению с таким же по функциональности устройством, компоненты которого были бы классически размещены на печатной плате, эта система имеет во много раз меньшие размеры.
Рис. 3. Пример комплексного гетерогенного устройства, совмещающего в себе цифровой, высокочастотный и фотонный модули. Источник: ASE Group
Примером массового применения гетероинтеграции, являются микросхемы NAND FLASH памяти. Кроме того, что они выполняются с применением трехмерной интеграции в составе чипов, еще упаковка в корпуса осуществляется с применением монтажа двух или нескольких чипов «друг на друга» и реализацией сквозных вертикальных межсоединений. Наиболее передовым изделием данного типа на 2022 год была 232-х слойная СБИС TLC 3D NAND FLASH фирмы Micron информационной ёмкостью 1 Тбит.
Основная концепция – создание научно-технологической платформы проектирования и изготовления функционально сложных микросистем с использованием пассивных и активных интерпозеров.
Подготовлена и запущена в эксплуатацию экспериментальная линия металлизации СБИС на пластинах 300 мм. Разработаны и опробованы технологические процессы и маршрут формирования многослойной металлизации для изготовления интерпозеров. Изготовлены пластины с кристаллами тестовых структур, на которых проверено соответствие характеристик требованиям качества.
Создан научный задел для формирования дополнительной металлизации (UBM) и перераспределения контактных площадок (RDL), которая обеспечит установку бампов и монтаж кристаллов методом «флип-чип»
Таким образом подготовлена научно-технологическая основа для исследований и разработок электронных систем гетерогенной интеграции для различных применений в области интернета вещей, биомедицинских систем, промышленных и бытовых сенсоров, телекоммуникации и автомобильной промышленности.
Ссылки
1. INTERNATIONAL ROADMAP FOR DEVICES AND SYSTEMS™, 2021 Update /
2021 IRDS More than Moore (ieee.org)
2. ITRS 2015 edition. Source: http://standards.ieee.org/develop/indconn/irds/index.html.
Heterogeneous Integration Roadmap 2019 Edition, http://eps.ieee.org/hir.
