每隔幾個月，各種新型、功能更強的電子產品便會問世。這些產品通常更精巧、更智慧、更快速、頻寬更大、而且更省電——這些都得歸功於新一代先進晶片和處理器的強大功能。
在現今的數位社會中，消費者期待新產品的推陳出新，就如同每天太陽升起一般的尋常。但在背後，這是工程師辛勤工作，努力跟上半導體技術發展藍圖腳步的結果，以確保新型電子產品所需的下一代晶片能夠就緒。
長期以來，晶片的進展都是透過縮小電晶體的尺寸來實現，這樣就可以在晶圓上製造出更多的電晶體，使電晶體數量每12~24個月便成長一倍——這就是眾所皆知的摩爾定律(Moore’s Law)。多年來，半導體產業推動了多項的重大創新，包括銅/低k互連、新的電晶體材料、多重曝光技術和三維(3D)架構等，以持續摩爾定律的發展。
如今，朝3D結構的轉變帶來了新的挑戰，而且這些挑戰正隨著深寬比的增加而加劇。正如預期的，3D結構需徹底改變元件的設計方式，需要新材料，以及新的沉積和蝕刻方法，才能使此願景成為現實。本文中將探討半導體產業在朝3D結構發展的過程中，所克服的一些重要里程碑。
半導體製造的基礎：平面製程
晶片製造是從一個二維(2D)問題開始的：利用一片平坦的矽晶片，在其表面上製作出各種結構，然後用線路把它們連接起來。而晶片製造的完成需透過沉積多層的材料，使用微影技術對其進行圖案化，並蝕刻曝光區域，以製作出所需的元件特徵來實現，這對電子產業來說是一個巨大的突破。
隨著技術微縮的持續演進，更多的電路需被建置在更緊湊的空間中，以支援更小的結構。當微縮到一定程度之後，過去相對簡單的製程現已變得越來越複雜。
當創建2D結構的成本不斷增加，以及在2D平面上實現微縮的可行方法已經用盡時，3D結構就變得更具吸引力。半導體產業早在十多年前就開始開發可支援3D結構的選擇性蝕刻應用。迄今，此技術的應用仍在繼續擴展，從封裝非揮發性記憶體，甚至到電晶體本身。
從2D到3D結構的發展。
電晶體朝3D結構發展
造就電子產品強大功能的幕後功臣是電晶體。傳統以來，電晶體一直是平面結構，它的特性取決於電晶體通道的寬度和長度，而電晶體行為的控制是透過通道上方的閘極來完成的。但此控制只有在單一面向，通道的其他面，以及底部都沒有受到控制。
從平面朝3D結構發展的第一步是為通道創建一個鰭(Fin)，該鰭可由閘極的三個面來控制。然而，為了實現最佳控制，最好使電晶體的所有四個面都能被控制，這就是現在業界正在推動的環繞式閘極(GAA)電晶體。在GAA結構中，多條導線或片材相互堆疊，閘極材料則是完全環繞通道。
平面朝3D結構發展的過程。
快閃記憶體開始長高
十年前，NAND快閃記憶體開始朝3D結構移轉，當時水平排列的記憶體位元串是向上堆疊的。
NAND記憶體的垂直結構是由交替的薄材料層組成，運用製程技術盡量堆疊最多的層數。因此，製造時有兩個要點：首先，每一層的厚度必須均勻且完全平整，使一層中的每個位元與其他位元的尺寸相同；其次，各層必須彼此互連。這是透過先建構堆疊層並穿越整個堆疊蝕刻孔洞，然後再以適當的連接材料填充這些孔洞來實現。這兩個製程都是極具挑戰性的蝕刻和沈積任務，需要精確執行。
這些挑戰限制了堆疊的層數，而且需要新的方法才能使層數進一步增加。
NAND記憶體的垂直結構。
展望未來：3D DRAM
動態隨機存取記憶體器(DRAM)的結構設計與3D NAND完全不同，因此需要截然不同的作法。
DRAM需要高的電容器，要在2D陣列中精確建構是一個挑戰。垂直堆疊這些電容器更為困難，需要更多的開發工作，才能找出在堆疊中建置多個介電層和主動矽晶的經濟方式。此外，還需要能同時影響多層的微影技術——而此量產製程尚未就緒。
3D封裝日益普及
晶片需先經過封裝，才能被放置在印刷電路板(PCB)上。過去，封裝只是一種保護精密矽晶片，並使其能夠連接到電路板的一種方法。但如今，封裝中會包含多顆晶片，在微縮以減少佔位面積的需求下，也開始朝3D發展。
3D封裝需要堆疊晶片，這涉及在晶片之間建立密集的連接——這些連結需能提高訊號速度，因為它們都更短，而且可以同時傳輸更多訊號。然而，在多於兩顆晶片的堆疊中，其中有些訊號需通過傳導通道才能連接到堆疊更高的晶片，這些通道被稱為「矽穿孔」(TSV)。
透過矽穿孔才能堆疊出更高的晶片。
最主要採用3D晶片堆疊的終端市場應用是記憶體——其中，高頻寬記憶體(HBM)是最顯著的例子。此外，還可以把記憶體晶片堆疊到CPU或其他邏輯晶片上，以加速記憶體資料的存取。
3D結構已成為微縮的重要關鍵
對半導體製造來說，當面對各種的微縮限制時，轉而採用3D結構現已成為標準做法。雖然3D或許不是解決所有問題的單一選項，但它在以上討論的多種應用中確實有用。
隨著各種創新應用持續問世，也帶來了如何實現所需功能的問題。這將有賴於更多的創新思維，以及半導體製程技術的持續發展。也因此，半導體製造設備的定位將更為重要，它將是推動晶片產業朝3D結構移轉的主要促成因素。
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年8月號
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