Сквозное кремниевое отверстие (TSV), обычно называемое сквозным кремниевым отверстием (SV), представляет собой вертикальное электрическое соединение, полностью проходящее через кремниевую пластину или кристалл. Оно стало основополагающей технологией для современных корпусов полупроводников, позволяя размещать несколько кристаллов в компактной структуре с более короткими путями прохождения сигнала и сниженными потерями мощности. Понимание принципа работы TSV помогает понять, почему оно широко используется в 3D-интегральных схемах, памяти с высокой пропускной способностью и современных логических корпусах.

структура tsv

TSV представляет собой точно вытравленное цилиндрическое отверстие внутри кремниевой подложки. Это отверстие впоследствии заполняется проводящим материалом, обеспечивающим передачу электроэнергии. Конструкция разработана для обеспечения механической стабильности, электрической надежности и тепловых характеристик в многослойной полупроводниковой матрице. Упрощенное изображение ее структуры показано ниже:

как tsv работает в 3D-интегрированной структуре

Технология TSV сокращает длину межсоединений между микросхемами. Вместо того чтобы полагаться на длинные горизонтальные дорожки или проволочные соединения, TSV действуют как сверхкороткие вертикальные магистрали, передающие сигналы, питание и заземление непосредственно через кремний.

Процесс начинается с глубокого реактивного ионного травления, в результате которого внутри пластины образуются вертикальные каналы. Эти каналы покрываются изоляцией для предотвращения утечек. Для защиты структуры от миграции меди добавляется барьерный слой. Затем отверстие заполняется металлом, образуя дорожку с низким сопротивлением. Наконец, поверхность пластины полируется, чтобы гарантировать ровность и надежность электрических контактов.

При установке нескольких кристаллов друг на друга TSV-перемычки выравниваются по микровыступам или слоям перераспределения. Такое выравнивание обеспечивает прямую вертикальную связь между кристаллами, поддерживая чрезвычайно высокую пропускную способность и низкую задержку. По сравнению со старыми технологиями корпусирования расстояние передачи сигнала значительно сокращается, что снижает потребление энергии и улучшает целостность данных.

преимущества производительности межсоединений TSV

Одним из основных преимуществ технологии TSV является ее способность минимизировать паразитную емкость и сопротивление. Вертикальная трассировка уменьшает длину пути, что помогает поддерживать высокое качество сигнала. Уменьшенная длина проводников может значительно снизить рассеиваемую мощность, особенно при интеграции памяти и процессора. Технология TSV также обеспечивает превосходную тепловую трассировку, поскольку тепло может более эффективно распространяться по вертикально расположенным структурам. Это важно для микросхем высокой плотности, которые выделяют значительное количество тепла во время работы.

Кроме того, стеки на основе TSV позволяют создавать компактные и легкие архитектуры. Поскольку полупроводниковые приборы становятся меньше, TSV поддерживает повышенную плотность транзисторов, не требуя при этом более крупных корпусов.

типичные варианты использования в современных корпусах полупроводников

TSV используется в приложениях, требующих быстрой и плотной связи между кристаллами, расположенными друг над другом. Память с высокой пропускной способностью в значительной степени опирается на TSV для достижения пропускной способности, необходимой для рабочих нагрузок искусственного интеллекта, графики и центров обработки данных. Датчики изображений также используют TSV для разделения слоя фотодиодов и слоя обработки, что позволяет повысить производительность без увеличения размера датчика. Многие современные интеграции логики и памяти зависят от TSV для обеспечения скорости и эффективности, ожидаемых от современных устройств.

Производители, ориентированные на решения для 3D-корпуса, такие как Plutosemi, предлагают процессы с поддержкой TSV, которые соответствуют строгим стандартам надежности и производительности для полупроводниковых продуктов следующего поколения.

краткое содержание

Технология TSV создает вертикальный токопроводящий путь через кремниевую пластину, позволяя установленным друг на друга кристаллам обмениваться данными с минимальными потерями сигнала. Ее структура включает в себя вытравленное отверстие, изоляцию, барьерные слои и заполнение из проводящего металла. Эта технология значительно сокращает длину межсоединений, повышает скорость, повышает энергоэффективность и поддерживает компактную интеграцию 3D-чипов. Поскольку полупроводниковые приборы продолжают требовать более высокой производительности при меньших габаритах, TSV остается одним из важнейших решений для межсоединений в отрасли.