|武汉新芯3D IC技术平台，实现晶圆堆叠无限可能
连于慧
根据调研机构 Yole 统计 ， 3D IC(三维集成)整体市场规模(涵盖3D SoC、2.5D Interposer/Foveros、HBM、CIS等)在 2020 年约 30 亿美元出头 ， 预计 2023 年将成长至 60 亿美元 ， 其中 ， 年复合成长率最高的是 3D SoC ， 其次是高带宽存储 HBM 。
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虽然 3D IC 技术已经是当今半导体产业炙手可热的议题 ， 引发英特尔、台积电、三星等重兵投入 ， 但在图像传感器 CIS 领域 ， 3D IC 技术早已十分普及 。
武汉新芯从 2012 年投身 3D IC 技术研发 CIS 产品 ， 至今累积了超过 84 万片晶圆出货量 。
武汉新芯 3D IC 技术的缘起
成立于 2006 年的武汉新芯 ， 是华中地区第一个 12 寸半导体项目 。
2012 年武汉新芯开始与 CIS 大厂豪威 OmniVision（已被韦尔半导体收购）合作 ， 切入 CIS 技术与产品线 。这奠定了今日武汉新芯晶圆堆叠技术的基础 ， 公司更将 3D IC 技术作为晶圆代工业务发展的主要平台之一 。经过多年技术积累 ， 武汉新芯已成为全球少数可提供 3D IC 代工的半导体企业之一 。
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2019 年 9 月 ， 武汉新芯的母公司长江存储正式量产 64 层 3D NAND 存储芯片 ， 其采用的 Xtacking 技术便是源于武汉新芯的 3D IC 技术 ， 成为武汉新芯 3D IC 技术在除 CIS 之外的又一应用实例 。
把两片晶圆堆叠一起 ， 已经是现在很前瞻的技术 ， 但武汉新芯并不满足于此 。
武汉新芯晶圆代工部门业务兼行销总监沈亮表示 ， 公司正在开发多片晶圆堆叠技术 ， 后续计划是实现 die to wafer 堆叠技术 。
3D IC技术已经广泛应用于CIS产品
为什么 CIS 是目前 3D IC 技术应用最广的领域？
随着消费类产品的持续升级 ， 大家都在同时追求更高的性能和更小的元器件尺寸 。为了缩小芯片面积 ， 遵循摩尔定律来进行晶体管微缩是通常的做法 ， 但 CIS 芯片却无法这样做 。原因在于感光芯片对进光量有一定要求 ， 尺寸过小会影响进光量 ， 所以需要平衡尺寸和进光量之间的关系 。
所以 ， 采用 3D IC 技术将感光芯片和逻辑电路上下堆叠起来 ， 减小了芯片整体面积 ， 同时保证了一定的感光面积 ， 兼顾了性能和尺寸需求 。
3D IC 应用的创新范例
以长江存储 64 层 3D NAND 闪存举例 。它作为全球首款基于 Xtacking 架構设计并实现量产的闪存产品 ， 拥有同代产品中最高的存储密度 。
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Xtacking 可实现在两片独立的晶圆上分别加工外围电路和存储单元 ， 这样有利于选择更先进的制造工艺 。
当两片晶圆各自完工后 ， 创新的 Xtacking 技术只需一个处理步骤就可通过数十亿根垂直互联通道（VIA）将两片晶圆键合 。相比传统 3D NAND 闪存架构 ， Xtacking 可带来更快的 I/O 传输速度、更高的存储密度和更短的产品上市周期 。
3D IC技术最理想境界：存算一体
现在人工智能是大家都非常关注的应用 ， 解决方案有 CPU、GPU、ASIC 等 ， 但是随着算力需求的增加 ， 这些方案都面临“存储墙”的问题 ， 即 CPU 和内存之间的数据传输带宽成为了瓶颈 ， 影响了整体处理能力的提升 。
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