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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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工研院3DIC研發實驗室 引領下10年半導體致勝關鍵

文/王秀芳

半導體界所熟知的「摩爾定律」(Moore's Law),指的是IC上的電晶體數目,約每隔18個月就會增加一倍,性能也會提升一倍。姑且不論這個理論現在是否依然成立,但由此可以看出,半導體技術的演進相當驚人,而科技人也一直朝新技術的研發邁進。

身為台灣技術研發的搖籃與火車頭的工研院,於經濟部科技專案計畫的大力支持下,設置「三維立體積體電路(3DIC)研發實驗室」,並於今年6月30日正式啟用。此實驗室不但是亞洲首座擁有完整12吋3DIC核心製程——矽基板穿孔(Through-Silicon Via, TSV)的實驗室,更具有整合電子設計自動化(Electronic Design Automation, EDA)、IC設計、製造、封裝到試量產完整製程特色,是一開放合作的國際化研發平台,肩負了主導台灣半導體產業下個10年的發展關鍵。

解決系統晶片瓶頸問題

經濟部技術處處長吳明機指出,面臨競爭對手的環伺,以及半導體技術的快速發展,「台灣該如何在層層挑戰中,選擇自有的核心能力,提早做準備,於未來的市場中佔有先發位置?二、三年前我們就開始思索這個問題。經過行政院產業科技策略會議的集思廣益,3DIC技術成為我們努力攻堅的目標,因此預計在四年之中,將投入新台幣16億元來推動,而3DIC也是目前投入經費最大的計畫。」

3DIC技術的前瞻性,也使得台灣必須儘早投入研發,工研院電子與光電研究所所長詹益仁表示,目前的系統晶片(SoC)技術的發展已遭遇瓶頸,而3DIC技術是現在看來唯一可以解決SoC問題的方式,因為3DIC可減低功耗、降低成本、縮小體積、有效增加產品效能、整合異質IC,是未來的主流技術。

所謂的3DIC,是將不同功能的IC堆疊,提高產品的效能,其優勢是運用現有的製程,節省設備成本,也讓產品可以快速進入市場。可堆疊的晶片包括CMOS影像感測器、高速記憶體、先進邏輯晶片、射頻積體電路(RF IC)等。

3DIC最大的特點,在於讓不同功能性質,甚至不同基板的晶片,各自應用最合適的製程分別製作後,再利用矽基板穿孔技術進行立體堆疊整合,可縮短金屬導線長度及連線電阻,更能減少晶片面積,具有體積小、整合度高、效率高、耗電量及成本更低的特點。

亞洲首座12吋TSV製程實驗室

TSV是3DIC堆疊式晶片的未來重點技術,是透過以垂直導通來整合晶圓堆疊的方式,以達到晶片間的電氣互連,讓未來晶片如高樓般堆疊,節省空間。其關鍵在於晶圓片上鑿孔,做為訊號連接的通道,而孔道邊緣的平整度、高深寬比例,都將攸關晶片間訊號傳遞的距離與速度。目前工研院的矽基板的穿孔技術的製程的深寬比為10:1,遠遠超過一般的大於4:1的蝕刻製程能力。

除了矽基板穿孔技術,晶圓薄化與堆疊的精確度也是3DIC的關鍵技術。一般的12吋晶圓片的厚度為725微米,而為了讓堆疊後的晶片厚度甚至小於單一晶片厚度,技術團隊已可將12吋晶圓薄化至20-25微米。經過薄化的晶片,在多層(4至10層)堆疊、封裝後,厚度還可小於1mm。於堆疊技術上,晶片間的間距可達20微米,讓矽基板穿孔的接點密度與整合度大幅的提升。

為了達到3DIC在矽基板穿孔、晶圓薄化、堆疊精確度的要求,工研院技術團隊在3DIC研發實驗室建構了25項製程設備,包括黃光、蝕刻、電漿強化化學氣相沉積、物理氣相沉積、銅金屬電鍍、化學機械研磨及晶片/晶圓接合機等,有些設備是由研發團隊自行組裝,所以堪稱是台灣第一台或是世界上的首台的半導體製程設備。

整合產業往高價值技術移動

詹益仁指出,3DIC技術的研發是以產品技術為導向,「在製程設備上,我們與美國Applied Materials、德國SUSS MicroTec等半導體設備大廠進行設備合作研發;而在技術上,則與聯電、漢民、矽品、日月光、Atotech、DuPont、力鼎、AirProducts、Brewer Science、住程科技、弘塑、東京大學、DISCO、智勝、Cadence、BASF、Tazmo等19家Ad-STAC聯盟廠商合作開發。」目前3DIC研發實驗室的成員為40人,明年工研院資通所的80位同仁將加入,研發陣容更為堅強。

他進一步強調,台灣擁有世界第一的半導體與電子構裝產業,長期發展而言,台灣也將是全球12吋晶圓廠密度最高的國家。12吋的3DIC研發實驗室設備開發,能快速銜接半導體產業製程設備,整合產業往高價值的3DIC關鍵技術移動,開拓在無線通訊、高速運算、高記憶容量、感測及生醫等各種主流技全新應用,創造重大產業效益,為台灣建立全新3DIC晶圓級構裝產業,開創新世代電子技術,帶動半導體產業技術的另一波浪潮。



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