三维单晶整合的概念验证

慢慢的，新闻及文献中的三维单晶堆叠（3D monolithic stacking）开始转化为三维单晶整合(3D monolithic integration)了，主要是避免与以封装为主要手段的三维芯片堆叠混淆，虽然二者都是异质整合时代的重要技术。

用封装来整合三维堆叠芯片的，由多数个已完成单片制程的芯片堆叠，上下几层芯片之间的连线靠矽穿孔（Through Silicon Via；TSV）；三维单晶整合顾名思义只有单一芯片，但是于其上可以有各种手段增长各层同质或异质的芯片，执行不一样的模块功能。而层与层之间金属连线的连接则靠层间孔（Inter-Layer Via；ILV）来处理。TSV与ILV之间密度有很大的差距：TSV的间距大概在10 μm左右，ILV则在数十nm之谱，二者之间密度差了近千倍，而且ILV连线都在同一芯片上，性能的优异自不待言。

有好处的当然有难处，否则也不会被列为未来科技重要课题。三维单晶整合的最大挑战之一在于热积存（thermal budget）的控制。传统CMOS的制程温度髙达1000度，一般的逻辑线路在400度左右就会受影响，所以三维单晶整合中CMOS的制层得放在最底层先做完。但这不只限制狭义的逻辑线路，许多上层结构中所需要的CMOS也必须在这一层考虑、设计进去。譬如上层若有存储器1T1X的结构（T是晶体管，X是存储器单元），晶体管就得在底层先做好，其他如存储器单元中的感应放大器（sense amplifier）、存储器的复用器（multiplexer）等周边线路也需要遵守相同考虑。底层以上的各层目前受限于此条件，只能是低温制程的元件。

7月在DARPA ERI会议Max Schulaker展示了他计划的成果，这成果很能说明三维单晶整合的样态。这想法是他团队在2017年发表在《Nature Letter》上的，进入DARPA ERI计划仅一年，但是现在已在SkyWater Foundry以90 nm的制程做出来了。

最底层自然是CMOS和逻辑元件。最上层—也就是第4层—是纳米碳管场效晶体管（Carbon Nanotube FET；CNFET），功能是气体传感器。底下一层(第3层)是RRAM，记忆从传感器经由ILV直接送下来的数据。第2层还是CNTEF，但是功能是分类加速器（classification accelerator），做计算的，依RRAM中数据分类传感器所侦测到的气体。

这个元件虽然功能比较简单，却是一个不折不扣用三维单晶整合的异质整合产品，长期目标是用90 nm的制程达到7 nm制程效能的50倍。3~5年后，CMOS的gate count要达到50M，非挥发性存储器容量要达4GB，互联数据速率到50Tb/s，互联的能效达2pJ/bit，这目标实在髙远。

三维单晶整合现在刚发轫，代工做出来的第一个产品只是概念可行性的印证。有很多技术的改进空间，譬如第二层以上的物质还是可以用矽基底的线路，先在矽上制程上做到某一阶段，然后转印（transfer）到底层－也是矽的线路上。转印这技术已开始进入二维材料的领域，将二维材料转印到矽基板上。用在三维单晶整合也看似理所当然，而转印与芯片粘着（bonding）中间效果的差距就是ILV与TSV中间效能的差距。这技术有可能缓解对于上层元件热积存的限制，对于三维单晶整合的应用领域有机会大幅拓展。

三维单晶整合目前各家的指涉还有所分歧，但这也是技术创新迭起导致的现象。我对于这条路寄予厚望。