थ्रू-सिलिकॉन वाया

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उच्च बैंडविड्थ मेमोरी (एचबीएम) इंटरफ़ेस के साथ संयोजन में स्टैक्ड डायनेमिक रैंडम-एक्सेस मेमोरी-डाइस द्वारा उपयोग किए जाने वाले टीएसवी

इलेक्ट्रॉनिक अभियांत्रिकी में, थ्रू-सिलिकॉन वाया (टीएसवी) या थ्रू-चिप वाया वर्टिकल विद्युतीय संपर्क (वाया) है जो पूर्ण रूप से सिलिकॉन वेफर या डाई से होकर निकलता है। टीएसवी उच्च-प्रदर्शन इंटरकनेक्ट प्रौद्योगिकी हैं जिनका उपयोग 3डी पैकेज एवं 3डी एकीकृत परिपथ बनाने के लिए वायर-बॉन्ड एवं फ्लिप चिप्स के विकल्प के रूप में किया जाता है। पैकेज-ऑन-पैकेज जैसे विकल्पों की तुलना में, इंटरकनेक्ट एवं डिवाइस घनत्व अधिक है, एवं कनेक्शन की लंबाई अल्प हो जाती है।

वर्गीकरण

वाया-फर्स्ट, थ्रू-मिडिल एवं वाया-लास्ट टीएसवी को अनुमानित करना

निर्माण प्रक्रिया द्वारा निर्धारित, तीन भिन्न-भिन्न प्रकार के टीएसवी उपस्थित हैं: व्यक्तिगत घटक (अवरोध, संधारित्र, प्रतिरोधक, आदि) से पूर्व थ्रू-फर्स्ट टीएसवी को बनाया जाता है (लाइन का फ्रंट एंड, फेओल ), थ्रू-मिडल टीएसवी हैं व्यक्तिगत घटक के प्रारूप के पश्चात निर्मित किन्तु धातु की परतों (बैक-एंड-ऑफ-लाइन, बीईओएल) से पूर्व, एवं वाया-लास्ट टीएसवी बीईओएल प्रक्रिया के पश्चात (या उस समय) निर्मित किए जाते हैं।[1][2] वाया-मिडल टीएसवी वर्तमान में उन्नत 3डी आईसी के साथ-साथ इंटरपोजर स्टैक के लिए लोकप्रिय विकल्प है।[2][3]

ईडीए एवं विनिर्माण चरणों के समय फ्रंट एंड ऑफ लाइन (एफईओएल) के माध्यम से टीएसवी का सावधानीपूर्वक लेखा-जोखा रखा जाना चाहिए। ऐसा इसलिए है क्योंकि टीएसवी एफईओएल परत में थर्मो-यांत्रिक तनाव उत्पन्न करते हैं, जिससे ट्रांजिस्टर व्यवहार प्रभावित होता है।[4]

अनुप्रयोग

छवि संवेदक

सीएमओएस छवि संवेदक (सीआईएस) आयतन निर्माण में टीएसवी (एस) को अपनाने वाले पूर्व अनुप्रयोगों में से थे। प्रारंभिक सीआईएस अनुप्रयोगों में, टीएसवी छवि संवेदक वेफर के पीछे इंटरकनेक्ट बनाने, वायर बॉन्ड को समाप्त करने एवं अल्प फॉर्म फैक्टर एवं उच्च-घनत्व इंटरकनेक्ट की अनुमति देने के लिए निर्मित किये गए थे। चिप स्टैकिंग केवल बैकसाइड इलुमिनेटेड (बीएसआई) सीआईएस के आगमन के साथ ही आया, एवं इसमें पारंपरिक फ्रंट-साइड प्रकाश से लेंस, सर्किट्री एवं फोटोडायोड के क्रम को विपरीत करना सम्मिलित था जिससे कि लेंस के माध्यम से आने वाला प्रकाश पूर्व फोटोडायोड से एवं तत्पश्चात सर्किट्री टकराता है। यह फोटोडायोड वेफर को फ्लिप करके, बैकसाइड को पतला करके, एवं तत्पश्चात इसे डायरेक्ट ऑक्साइड बॉन्ड का उपयोग करके रीडआउट लेयर के शीर्ष पर जोड़कर, टीएसवी के साथ परिधि के चारों ओर इंटरकनेक्ट करके पूर्ण किया गया था।[5]

3डी पैकेज

3डी पैकेज (पैकेज में प्रणाली, मल्टी-चिप मॉड्यूल, आदि) में दो या अधिक चिप्स (एकीकृत परिपथ) लंबवत रूप से स्टैक्ड होते हैं जिससे कि वे अल्प स्थान घेरते हैं या अधिक कनेक्टिविटी रखते हैं। आईबीएम की सिलिकॉन कैरियर पैकेजिंग टेक्नोलॉजी में वैकल्पिक प्रकार का 3डी पैकेज पाया जा सकता है, जहां आईसी को स्टैक नहीं किया जाता है, किन्तु पैकेज में कई आईसी को एक साथ जोड़ने के लिए टीएसवी युक्त वाहक सब्सट्रेट का उपयोग किया जाता है। अधिकांश 3डी पैकेजों में, स्टैक्ड चिप्स को उनके किनारों के साथ साथ तारित किया जाता है; यह एज वायरिंग पैकेज की लंबाई एवं चौड़ाई को थोड़ा बढ़ा देती है एवं सामान्यतःचिप्स के मध्य अतिरिक्त "इंटरपोजर" परत की आवश्यकता होती है। कुछ नए 3डी पैकेजों में, टीएसवी चिप्स की बॉडी के माध्यम से वर्टिकल कनेक्शन बनाकर एज वायरिंग को प्रतिस्थापित करते हैं। परिणामी पैकेज में कोई अतिरिक्त लंबाई या चौड़ाई नहीं है। क्योंकि किसी इंटरपोजर की आवश्यकता नहीं है, टीएसवी 3डी पैकेज एज-वायर्ड 3डी पैकेज की तुलना में अनुनय भी कर सकता है। इस टीएसवी प्रौद्योगिकी को कभी-कभी टीएसएस (थ्रू-सिलिकॉन स्टैकिंग या थ्रू-सिलिकॉन स्टैकिंग) भी कहा जाता है।

3डी इंटीग्रेटेड परिपथ

तीन आयामी एकीकृत परिपथ (3डी आईसी) एकल एकीकृत परिपथ है जिसे सिलिकन वेफर्स एवं डाइज को स्टैक करके बनाया गया है एवं उन्हें लंबवत रूप से आपस में जोड़ा जाता है जिससे कि वे एकल उपकरण के रूप में व्यवहार करें। टीएसवी प्रौद्योगिकी का उपयोग करके, 3डी आईसी छोटे से "पदचिह्न" में अधिक कार्य क्षमता पैक कर सकते हैं। स्टैक में विभिन्न उपकरण विषम हो सकते हैं, उदा, सीएमओएस तर्क, डायनेमिक रैंडम-एक्सेस मेमोरी एवं III-V सामग्री को एक ही आईसी में संयोजित किया जाता है। इसके अतिरिक्त, डिवाइस के माध्यम से महत्वपूर्ण विद्युत पथों को अधिक छोटा किया जा सकता है, जिससे तीव्रता से संचालन हो सकता है। वाइड आई/ओ 3डी डीरैम मेमोरी मानक (जेडईसी जेईएसडी229) में डिज़ाइन में टीएसवी सम्मिलित है।[6]

इतिहास

Further information: त्रि-आयामी एकीकृत परिपथ इतिहास

टीएसवी अवधारणा की उत्पत्ति 1958 में प्रस्तावित विलियम शॉक्ले के पेटेंट "सेमीकंडक्टिव एंड मेथड ऑफ मेकिंग द सेम" में देखी जा सकती है, जिसे 1962 में प्रदान किया गया था।[7][8] जिसे आगे आईबीएम के शोधकर्ताओं मर्लिन स्मिथ एवं इमानुएल स्टर्न द्वारा विकसित किया गया था। उनके पेटेंट के साथ "सेमीकंडक्टर वेफर्स में थ्रू-कनेक्शन बनाने के प्रकार" 1964 में प्रस्तुत किए गए एवं 1967 में प्रदान किए गए,[9][10] उत्तरार्द्ध सिलिकॉन के माध्यम से छिद्र बनाने के लिए एक विधि का वर्णन करता है।[11] टीएसवी को मूल रूप से 3डी एकीकरण के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया था, किन्तु टीएसवी पर आधारित पूर्व 3डी चिप्स का आविष्कार पश्चात में 1980 के दशक में किया गया था।[12]

1980 के दशक में जापान में टीएसवी प्रक्रिया निर्मित पूर्व त्रि-आयामी एकीकृत परिपथ (3डी आईसी) स्टैक्ड चिप्स का आविष्कार किया गया था। हिताची ने 1983 में जापानी पेटेंट प्रस्तुत किया, उसके पश्चात 1984 में फुजित्सु ने प्रस्तुत किया। 1986 में, फुजित्सु ने टीएसवी का उपयोग करके स्टैक्ड चिप संरचना का वर्णन करते हुए जापानी पेटेंट प्रस्तुत किया।[13] 1989 में, तोहोकू विश्वविद्यालय के मित्सुमसा कोयोनागी ने टीएसवी के साथ वेफर-टू-वेफर बॉन्डिंग की प्रौद्योगिकी का प्रयास किया, जिसका उपयोग उन्होंने 1989 में 3डी एलएसआई चिप बनाने के लिए किया।[13][14][15] 1999 में, जापान में एसोसिएशन ऑफ़ सुपर-एडवांस्ड इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नोलॉजीज (एएसईटी) ने टीएसवी प्रौद्योगिकी का उपयोग करके 3डी आईसी चिप्स के विकास का वित्तपोषण प्रारंभ किया, जिसे "उच्च घनत्व इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम एकीकरण प्रौद्योगिकी पर आर एंड डी" परियोजना कहा जाता है।[13][16] तोहोकू विश्वविद्यालय में कोयनागी समूह ने 1999 में तीन-परत स्टैक्ड छवि संवेदक चिप, 2000 में तीन-परत मेमोरी चिप, 2001 में तीन-परत कृत्रिम रेटिना चिप, 2002 में तीन-परत माइक्रोप्रोसेसर, 2005 में दस-परत मेमोरी चिप बनाने के लिए टीएसवी प्रौद्योगिकी का उपयोग किया।[14]

इंटर-चिप वाया (आईसीवी) विधि 1997 में फ्रौनहोफर-सीमेंस अनुसंधान सोसायटी द्वारा विकसित की गई थी– जिसमें पीटर रैम, डी बोलमैन, आर ब्रौन, आर बुचनर, यू काओ-मिन्ह, मैनफ्रेड एंजेलहार्ट एवं अर्मिन क्लुम्प सम्मिलित थे।[17] यह टीएसवी प्रक्रिया का रूपांतर था, एवं पश्चात में इसे एसएलआईडी (ठोस तरल अंतर-प्रसार) प्रौद्योगिकी कहा गया।[18]

शब्द "थ्रू-सिलिकॉन वाया" (टीएसवी) को ट्रू-सी टेक्नोलॉजीज के शोधकर्ताओं सर्गेई सवास्तिओक, ओ सिनियाग्यूइन एवं ई कोर्कज़िन्स्की द्वारा निर्मित किया गया था, जिन्होंने 2000 में 3डी वेफर-स्तरीय पैकेजिंग (डब्ल्यूएलपी) समाधान के लिए टीएसवी विधि प्रस्तावित की थी।[19] सावास्तिओक पश्चात में अल्वियाइंक. के सह-संस्थापक एवं सीईओ बन गए। प्रारम्भ से, व्यवसाय योजना के विषय में उनकी दृष्टि सिलिकॉन इंटरकनेक्ट के माध्यम से बनाने की थी क्योंकि ये वायर बॉन्ड पर महत्वपूर्ण प्रदर्शन सुधार प्रदान करते हैं। सावास्तिओक ने सॉलिड स्टेट टेक्नोलॉजी में विषय पर दो लेख प्रथम जनवरी 2000 में एवं तत्पश्चात 2010 में प्रकाशित किए। प्रथम लेख "मूर का नियम - द जेड डायमेंशन" जनवरी 2000 में सॉलिड स्टेट टेक्नोलॉजी पत्रिका में प्रकाशित हुआ था।[20] इस लेख ने भविष्य में 2डी चिप स्टैकिंग से वेफर लेवल स्टैकिंग में संक्रमण के रूप में टीएसवी विकास के रोडमैप को रेखांकित किया। सिलिकॉन वायस के माध्यम से शीर्षक वाले वर्गों में से में, डॉ सर्गेई सवास्तियौक ने लिखा, "प्रौद्योगिकियों में निवेश जो वेफर-लेवल वर्टिकल मिनिएचराइजेशन (वेफर थिनिंग) एवं वर्टिकल इंटीग्रेशन (सिलिकॉन वायस के माध्यम से) दोनों प्रदान करता है, उत्तम समझ में आता है।" उन्होंने प्रस्तावित किया, "मूर के नियम से जुड़े इच्छानुसार 2डी वैचारिक अवरोध को विस्थापित करके, हम आईसी पैकेजों के डिजाइन, परीक्षण एवं निर्माण में सरलता से नया आयाम खोल सकते हैं। जब हमें इसकी सबसे अधिक आवश्यकता होती है - पोर्टेबल कंप्यूटिंग, मेमोरी कार्ड, स्मार्ट कार्ड, सेलुलर फोन एवं अन्य उपयोगों के लिए - हम मूर के नियम का जेड आयाम में पालन कर सकते हैं। यह प्रथम बार था जब किसी प्रौद्योगिकी प्रकाशन में थ्रू-सिलिकॉन वाया शब्द का प्रयोग किया गया था।

2007–2008 के समय तोशिबा, आप्टिना एवं एसटी माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक सहित कंपनियों द्वारा टीएसवी का उपयोग करने वाले सीएमओएस छवि संवेदक का व्यावसायीकरण किया गया था, जिसमें तोशिबा ने अपनी प्रौद्योगिकी का नामकरण "चिप के माध्यम से" (टीसीवी) किया था। 3डी-स्टैक्ड रैंडम एक्सेस मेमोरी (रैम) का एल्पिडा मेमोरी द्वारा व्यावसायीकरण किया गया था, जिसने सितंबर 2009 में प्रथम 8 जीबी डीआरएएम चिप (चार डीडीआर3 एसडीआरएएम डाइस के साथ स्टैक) विकसित की थी, एवं इसे जून 2011 में प्रस्तुत किया गया था। टीएसएमसी ने जनवरी 2010 में टीएसवी प्रौद्योगिकी के साथ 3डी आईसी उत्पादन की योजना की घोषणा की।[21] 2011 में, एसके हाइनिक्स ने टीएसवी प्रौद्योगिकी का उपयोग करते हुए 16 जीबी डीडीआर3 एसडीआरएएम (40एनएम वर्ग) प्रस्तुत किया,[22] सैमसंग इलेक्ट्रॉनिक्स ने सितंबर में टीएसवी पर आधारित 3डी-स्टैक्ड 32 जीबी डीडीआर3 (30एनएम वर्ग) प्रस्तुत किया, एवं तत्पश्चात सैमसंग एवं माइक्रोन प्रौद्योगिकी ने अक्टूबर में टीएसवी-आधारित हाइब्रिड मेमोरी क्यूब (एचएमसी) प्रौद्योगिकी की घोषणा की।[21] एसके हाइनिक्स ने 2013 में टीएसवी प्रौद्योगिकी पर आधारित प्रथम हाई बैंडविड्थ मेमोरी (एचबीएम) चिप का निर्माण किया।[22]

संदर्भ

  1. ↑ 2009 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). 5 September 2009. pp. 4–5.
  2. ↑ 2.0 2.1 Knechtel, Johann; Sinanoglu, Ozgur; Elfadel, Ibrahim (Abe) M.; Lienig, Jens; Sze, Cliff C. N. (2017). "Large-Scale 3D Chips: Challenges and Solutions for Design Automation, Testing, and Trustworthy Integration". IPSJ Transactions on System LSI Design Methodology. 10: 45–62. doi:10.2197/ipsjtsldm.10.45.
  3. ↑ Beyne, Eric (June 2016). "The 3-D Interconnect Technology Landscape". IEEE Design & Test. 33 (3): 8–20. doi:10.1109/mdat.2016.2544837. S2CID 29564868.
  4. ↑ Lim, Sung Kyu (2013). Design for High Performance, Low Power, and Reliable 3D Integrated Circuits. doi:10.1007/978-1-4419-9542-1. ISBN 978-1-4419-9541-4.
  5. ↑ F. von Trapp, The Future Of Image Sensors is Chip Stacking http://www.3dincites.com/2014/09/future-image-sensors-chip-stacking
  6. ↑ Desjardins, E. "JEDEC Publishes Breakthrough Standard for Wide I/O Mobile DRAM". JEDEC. JEDEC. Retrieved 1 December 2014.
  7. ↑ J.H. Lau, Who Invented the Through Silicon Via (TSV) and When? 3D InCites, 2010
  8. ↑ U.S. Patent 3,044,909
  9. ↑ Kada, Morihiro (2015). "Research and Development History of Three-Dimensional Integration Technology". सेमीकंडक्टर का त्रि-आयामी एकीकरण. pp. 1–23. doi:10.1007/978-3-319-18675-7_1. ISBN 978-3-319-18674-0.
  10. ↑ U.S. Patent 3,343,256
  11. ↑ Pavlidis, Vasilis F.; Savidis, Ioannis; Friedman, Eby G. (2017). त्रि-आयामी एकीकृत सर्किट डिजाइन. Newnes. p. 68. ISBN 978-0-12-410484-6.
  12. ↑ Lau, John H. (2010). Reliability of RoHS-Compliant 2D and 3D IC Interconnects. McGraw Hill Professional. p. 1. ISBN 978-0-07-175380-7. TSV is the heart of 3-D IC/Si integration and is a more-than-26-year-old technology. Even the TSV (for electrical feed-through) was invented by William Shockley in 1962 (the patent was filed on October 23, 1958), but it was not originally designed for 3-D integration.
  13. ↑ 13.0 13.1 13.2 Kada, Morihiro (2015). "Research and Development History of Three-Dimensional Integration Technology" (PDF). Three-Dimensional Integration of Semiconductors: Processing, Materials, and Applications. Springer. pp. 8–9. ISBN 978-3-319-18675-7.
  14. ↑ 14.0 14.1 Fukushima, T.; Tanaka, T.; Koyanagi, Mitsumasa (2007). "Thermal Issues of 3D ICs" (PDF). SEMATECH. Tohoku University. Archived from the original (PDF) on 16 May 2017. Retrieved 16 May 2017.
  15. ↑ Tanaka, Tetsu; Lee, Kang Wook; Fukushima, Takafumi; Koyanagi, Mitsumasa (2011). "3D Integration Technology and Heterogeneous Integration". S2CID 62780117. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)
  16. ↑ Takahashi, Kenji; Tanida, Kazumasa (2011). "Vertical Interconnection by ASET". Handbook of 3D Integration, Volume 1: Technology and Applications of 3D Integrated Circuits. John Wiley & Sons. p. 339. ISBN 978-3-527-62306-8.
  17. ↑ Ramm, P.; Bollmann, D.; Braun, R.; Buchner, R.; Cao-Minh, U.; et al. (November 1997). "लंबवत एकीकृत सर्किट के लिए तीन आयामी धातुकरण". Microelectronic Engineering. 37–38: 39–47. doi:10.1016/S0167-9317(97)00092-0. S2CID 22232571.
  18. ↑ Macchiolo, A.; Andricek, L.; Moser, H. G.; Nisius, R.; Richter, R. H.; Weigell, P. (1 January 2012). "ATLAS पिक्सेल अपग्रेड के लिए SLID-ICV वर्टिकल इंटीग्रेशन टेक्नोलॉजी". Physics Procedia. 37: 1009–1015. arXiv:1202.6497. Bibcode:2012PhPro..37.1009M. doi:10.1016/j.phpro.2012.02.444. S2CID 91179768.
  19. ↑ Savastionk, S.; Siniaguine, O.; Korczynski, E. (2000). "Thru-silicon vias for 3D WLP". Proceedings International Symposium on Advanced Packaging Materials Processes, Properties and Interfaces (Cat. No.00TH8507). pp. 206–207. doi:10.1109/ISAPM.2000.869271. ISBN 0-930815-59-9. S2CID 110397071.
  20. ↑ Savastiouk, Sergey (January 2000). "Z- दिशा में मूर का नियम". Solid State Technology. 43 (1): 84.
  21. ↑ 21.0 21.1 Kada, Morihiro (2015). "Research and Development History of Three-Dimensional Integration Technology". Three-Dimensional Integration of Semiconductors: Processing, Materials, and Applications. Springer. pp. 15–8. ISBN 978-3-319-18675-7.
  22. ↑ 22.0 22.1 "History: 2010s". SK Hynix. Retrieved 19 July 2019.


बाहरी संबंध

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