2014/05/11 台灣國研院奈米元件實驗室:開發多功能3D超級晶片─積層型三維IC技術 (TSV 3D IC) @ 真乄科技業的頂尖投資團隊

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(左起)左圖為傳統的矽穿孔3D IC，右圖則為國研院奈米元件實驗室研發的積層型3D IC。
可以用樓房來比喻矽穿孔3D IC和積層型3D IC：矽穿孔3D IC的兩層IC分別位於101大樓的底層及頂層，中間只有一部電梯連接；積層型3D IC則是一棟兩層樓的房子，卻有數千部電梯連接。當很多人(電子)要在樓層間移動時，積層型3D IC的運送速度比矽穿孔3D IC要快得多(即傳輸頻寬大得多)；且由於電子移動距離縮短很多，能量的損耗也減少很多。

IC晶片是由結晶矽(在其上製作電晶體等各種電子元件)及絕緣層所構成，目前半導體廠製作3D IC主要是以「矽穿孔3D-IC」技術，將兩塊分別製作完成的IC晶片疊放，並以垂直的導線連通上下兩層晶片，兩層IC之間的距離約為50微米。

「積層型3D-IC」技術則可在第一片晶片的絕緣層上，直接製作第二層結晶矽薄膜以及其上的IC。一般在製作第二層結晶矽薄膜時，必須加熱到高溫1000℃，以形成高品質晶體，但此高溫會損壞已經製作好的第一層IC。國研院奈米元件實驗室所開發出的「奈米級雷射局部加熱法」，可以僅加熱第二層結晶矽薄膜，而不損及第一層IC，突破了長久以來「積層型3D IC」的製作瓶頸。

研究團隊同時亦開發出「奈米級超薄高品質矽薄膜技術」，可將結晶矽薄膜磨薄到僅0.015微米厚，因此兩層IC之間的距離僅0.3微米(絕緣層的厚度)，是矽穿孔3D-IC技術50微米的1/150。

國研院奈米元件實驗室開發的積層型3D IC具有兩層IC間距離極短的優勢，可依IC設計者之需要，提供IC間最近距離的垂直導線，相較於矽穿孔3D IC必須先將矽基板穿孔才能製作導線，往往由數千個電子元件共用一條導線，不但大幅提升了設計彈性及訊號傳輸速率，同時也減少了能耗⁽^註1)。

積層型3D IC一向被稱為「三維積體電路的聖盃」，現在由國研院奈米元件實驗室率先開發出來，研究團隊並已成功於單晶片上整合及堆疊邏輯線路、非揮發性記憶體及SRAM，相關成果撰寫成兩篇論文，發表於2013年底舉行的「國際電子元件會議」(International Electron Devices Meeting, IEDM)^(註2)，且被IEDM大會選為公開宣傳資料(publicity materials)。2013年度僅11篇文章獲選為公開宣傳資料，獲選率1/100，台灣僅台積電與國研院之文章獲選，奈米元件實驗室的積層型3D-IC技術，已成為國際重要的技術指標。

備註：