芯片设计晶圆代工的3D IC架构挑战

世界不是平的，晶圆代工行业也是如此。对性能的需求不断变化，竞争格局也在持续改变，这是一个因创新而繁荣的多维市场。尽管晶圆代工行业经历了天翻地覆的变化，芯片设计基本上仍然拘泥于传统的平面架构。

不过，平面架构是否真能释放理想的性能？

Samsung Foundry 却并不认为这就是终点，因此打造出了 3D IC，这种立方体式的解决方案提供更高水平的性能，超越了传统的性能尺度。3D IC 这种多层基础架构是我们从二维芯片转向三维立体芯片转型的关键，它实现了存储和性能的结合，让“延续摩尔定律”的未来成为现实。

改变形态，改变未来

在圣何塞举行的 2022 年三星SAFE论坛上，当Samsung Foundry设计技术团队负责人Sangyun Kim迈上讲台发表主题演讲时，他向半导体行业传递了一条熟悉的讯息。

他说：“计算需求在快速增加。”并且工艺升级本身不足以赶上需求的增长步伐。他的团队需要确保客户跑赢这些快速的变化，这也是Cube（立体）技术诞生背后的主要推手。

3D IC Cube技术将芯片堆叠为一个立体的结构，将多种解决方案的性能集成到一个统一的单元中。堆叠后芯片之间的通信速度更快，因为与一维平面芯片设计相比，交换信息时信息的传递距离更短。节省空间和成本也是这种方案的优点之一。

不过也许更重要的是，它改进了对所谓“异构集成”的应用，即在单个堆栈中综合多个互补的芯片，从而综合利用各自的优点。

“例如，顶部裸片可能是用于实现高性能的3GAA。底部裸片可能是SF4，甚至传统节点的芯片，用于节省成本或进行 IP 复用”，Kim介绍说。

通过在小空间容纳更多的功能，3D IC解决方案扩展了摩尔定律的翻倍能力，这在平面芯片时代是不可想象的。

而正如预期的那样，在平面芯片中创建立体设计带来了新的晶圆代工挑战。

3D设计的挑战

3D IC解决方案只能利用先进的晶圆代工工艺来实现，没有硅通孔(TSV)技术，立体解决方案根本无法实现。

这种技术让晶圆之间的连接更快速、更高效。在立体结构中，TSV用于为顶部裸片构建PDN，同时对于顶部和底部裸片之间的信号传输也至关重要，从而提供客户需要的超快连接。使用TSV技术需要克服多方面的挑战。除此之外，我们需要提供一个电量传输网络，以通过这些TSV和Ubump来支持3D IC堆栈，同时还必须满足IR和电磁辐射（EM）要求。

在同一裸片中支持中间层TSV和最后一层TSV，是我们找到的低电阻电量传输解决方案。我们还支持多种类型的TSV捆绑，以进一步减少高性能应用的IR/EM风险。此外，我们通过应力模拟和硅验证减少了TSV及其排除区城浪费，从而可以将某些器件放置到排除区城中，减少面积浪费。最后，我们开发了一种更倾向宏观整体的平面摆放指南，以让我们的设计流程具有TSV意识。

基于Ubump键合技术是3D IC工艺的另一关键技术。Samsung Foundry的Ubump键合技术经过了各种解决方案的测试，并已获准量产，让3D IC能够以低成本在各种设备中实现。这让客户可以利用这些基本的技术以及 PDK、DK、IP、DM设计基础设施，轻松开始设计3D IC。

一个设计问题

不过在实施3D IC解决方案时，存在另一个平面芯片不会出现的问题：功能模组是该放在顶部还是底部？

为帮助客户解答这一问题，我们与 EDA 合作伙伴联合开发了一种分区方法论，以在早期设计阶段使用。借助这些方法论，每个DOE都可以进行电压降（IR）分析，并让设计师可以选择适合其用途的候选方案。其优势是多方面的：通过从适合的候选分区方案开始3D IC设计，相较传统方法，可缩短交付周期。

尽管立体设计存在多方面的挑战，我们只需在传统2D设计工作流程的基础上增加几个额外的步骤，即可创建 3D 设计。其中大部分额外的步骤都在于TSV的放置，此外顶部和底部裸片之间的 Ubump对齐也需要单独的步骤。

为确保性能达到并超越标准，我们高度重视测试。我们首先对顶部和底部裸片进行单独测试，然后对整个3D结构进行IEEE标准1838测试，以确保理想的裸片堆叠。

“由于这种解决方案为键合前和键合后测试提供了基本的3D测试架构，它不仅让我们有机会提高堆叠裸片模式的效率，同时也有利于保证质量”，Kim向参加三星SAFE论坛的观众解释道。如果测试结果显示存在预料之外的缺陷，三星的智能通道修复解决方案可进行必要的修改来提高良率。

减少关口以改进签收时序

签收挑战是3D IC架构的天然结果——这是指不同的签收关口可能缺乏控制。这是在每个芯片上使用不同的技术进行制造的副作用。为解决这一问题，三星开发了一种称为减少关口的新方法学，这种方法在时序签收中使用主导关口，而不是全部的组合。

而对于IR/EM签收，三星面临了一种完全不同的挑战。由于裸片通过TSV供电，后者在现有的 2D 设计中是不存在的，每个裸片的电压降（IR）/ 电迁移（EM）可能会相互影响。为解决这一问题，我们同时分析了多芯片的 IR/EM。

携手重塑性能

紧密合作是半导体创新的重要推动力量，许多解决方案都是我们与EDA生态系统合作伙伴共同努力的直接结晶。

“当然，克服新的技术挑战只是我们与EDA合作的内容之一”，Kim提醒观众。Samsung Foundry与四家主要的EDA携手，成功开发了从合成到签核的3D IC设计工作流程，这一成功的实现与专注于创造更优工作流程的SAFE EDA合作伙伴的帮助不可分割。

无论是哪种技术，变革都来自于客户的需求。对多芯片堆叠技术的需求与日俱增，催生出2.5D和3D解决方案，打开了新的性能和能效维度。而要满足这些需求，并没有一招鲜吃遍天的方法。这需要我们走出平面思维的局限，在全新的维度中探索。就如人类摆脱地球是平的这一认识，Samsung Foundry不断突破自我，以重塑其产品和行业，努力为客户提供更高层次的创新。

编辑：黄飞