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三維積體電路的聖盃–積層型3D-IC技術

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IC之音廣播電台｜

新世代的行動裝置，不只是手機，而是藉著多功能、可攜式的智慧型電子產品，達到人機合一的境界。然而，什麼樣的技術，才能讓積體電路達到新世代行動裝置的需求呢？請聽今天科學三分鐘，為您介紹：「三維積體電路的聖盃─積層型3D-IC技術」。

積體電路，就是您常聽到的IC，如果要滿足新世代行動裝置的需求，必須讓傳輸速度更快，就是所謂的高頻寬。同時，能量的消耗也要更少。那要怎麼做到呢？

目前備受重視的技術，是由平面2D-IC，衍伸出立體結構的3D-IC。您可以把平面的積體電路想像成一張紙，紙上畫了一張電路圖，如果A點和B點分別位於這張紙的兩個角落，訊號的傳遞可能需要走蠻遠的距離，但是如果立體化，比如把紙摺起來，讓電路圖變成兩層，那麼A點和B點之間的距離就可以大幅縮短。

所謂立體結構的3D-IC，就是藉由IC的堆疊來縮短訊號傳輸的距離。距離縮短了，傳輸的速度當然變快。另外因為電路一定有電阻，而電阻會消耗掉傳輸訊號的能量，並且發熱。所以傳輸距離縮短，也可以減少能量的消耗，並且讓IC發熱的狀況改善。

目前半導體廠製作3D-IC，主要是用簡稱TSV的「矽穿孔3D-IC」技術來做。以兩層式的立體化3D-IC為例，對於TSV技術而言，其實兩層IC晶片是分開製作的，疊在一起之後，才用垂直的導線連通上下兩層晶片，兩層IC之間的距離，大約有50微米。

國家實驗研究院的奈米元件實驗室，所發表的「積層型3D-IC」技術，則可以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薄膜上的IC。一般來說，在製作第二層結晶矽的時候，必須加熱到超過攝氏1000℃，以形成高品質晶體，但高溫會損壞第一層IC，讓這項技術無法實現。而國研院發展的「奈米級雷射局部加熱法」，卻可以單單加熱第二層結晶矽，而不損傷第一層IC，這才突破了製作的瓶頸。

同時，國研院的技術，還可以把結晶矽磨成非常薄的薄膜，適合製作半導體廠商所開發的先進奈米級電晶體製程。這樣一層、一層的IC堆疊製作技術，讓兩層IC之間的距離只有0.3微米，是矽穿孔3D-IC技術50微米的150分之一。研究團隊用台北101大樓做了生動的比喻，矽穿孔3D-IC就像只有一樓跟頂樓兩層樓，而同樣的高度下，「積層型3D-IC」卻可以容納150層樓。

「積層型3D-IC」這項技術還有另一個優勢，因為兩層IC距離短，它可以依照IC設計者的需要，提供電晶體之間最近距離的許多條垂直導線，就像大樓可以裝很多部電梯，運輸當然更方便。矽穿孔3D-IC技術，卻往往由幾千個電晶體，共用一條垂直導線，就像幾千個人共用一部電梯，而影響了效能。綜合種種優勢，「積層型3D-IC」技術可能讓訊號傳輸速度比現有技術提昇數百倍，並使能量消耗減少一半。

展望未來，國研院「積層型3D-IC」技術將積極與國內晶圓代工、記憶體、面板等產業公司進行合作研究與技術推廣工作。當然，它跟矽穿孔3D-IC技術也可能同時發展，應用到不同需求的領域，未必一定是相互競爭的關係。

您也可以透過「積層型3D-IC」這個關鍵字，進一步查詢或做延伸閱讀。

【本單元由行政院國家科學委員會（科技部前身）補助製播，感謝國研院奈米元件實驗室前瞻元件組謝嘉民組長擔任本單元科學顧問】
2014-01-19 16:55:00播出

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