3DCSI
Motivation und Ziel
Dresden hat sich in den letzten Jahrzehnten zum führenden Mikroelektronik-Standort in Europa entwickelt. Neben großen Leuchtturm-Ansiedlungen, wie Infineon und Globalfoundries, tragen die TU Dresden und die lokal ansässigen Forschungseinrichtungen massiv zur Innovationskraft der Region bei. Dies führt zu einem stetigen Wachstum dieser High-Tech-Branche: für 2011 wird die Zahl der Mitarbeiter im Raum Dresden auf mittlerweile 50.000 geschätzt. Die Mikroelektronik ist die treibende Kraft hinter einer Vielzahl von Innovationen in Wirtschaft und Gesellschaft. Diese Innovationsdynamik basiert dabei im wesentlichen auf dem rasanten Tempo der Technologieentwicklung in der Halbleiterindustrie. Der nächste bedeutende Durchbruch für die Mikroelektronik kann durch die 3-dimensionale Anordnung und Integration von Halbleiterchips zu Stapeln solcher Chips erreicht werden. Bevor jedoch die 3D Integration als Technologie breit eingesetzt werden kann, sind eine Vielzahl von Forschungsfragen zu lösen.
Einer der vielversprechensten Aspekte der 3D Integration von Halbleitern ist die Fähigkeit, heterogene Chips aus unterschiedlichen Materialien mit verschiedenen Funktionalitäten in einer dreidimensionalen Baugruppe zu integrieren. Im Vergleich zu klassischen zweidimensionalen Ansätzen kann die 3D Integration genutzt werden, einen sehr hohen Integrationsgrad zu erreichen, was zur Realisierung von Systemen führt, die sich durch sehr kleine Formfaktoren, geringen Stromverbrauch, hohe Datenrate bzw. Kommunikations-Bandbreite auszeichnen. Beispiele für solche Systeme sind:
- 2D Bildgeber/ Bildsensoren mit hochparalleler Analog-Digital-Wandlung;
- Multi-Core-Prozessoren mit optischen On-Chip-Kommunikationsstrukturen;
- Anordnungen von piezoelektrischen und/oder kapazitiven MEMS-Sensoren, die direkt über IC-Prozessoren aufgebracht werden können;
- Rechen- bzw. Sensor-Knoten mit integrierter Energiegewinnung (EnergyHarvester) - wie 3D Integration von hocheffizienten Solarzellen.
Neben der TSV-Technologie bietet die Si-Photonik die Möglichkeit der Einbindung kompakter Laser-Quellen, die Materialien mit abstimmbaren Brechungsindex, wie Chalkogenidglas, verwenden. In Bilderfassungs-/-verarbeitungsanwendungen ermöglicht die heterogene 3D Integration den Einsatz von SiGe / Ge-Photodetektoren als Front-End eines Si-basierten AMS und DSP-Chips. Vor allem für Chips, die in der drahtlosen Kommunikation eingesetzt werden, ermöglicht die 3D Integration heterogener Materialien die Entkopplung des analogen vom digitalen Bereich und leistet damit einen Beitrag zur Beseitigung von Störsignalen auf dem Substrat des analogen Front-Ends. Das führt zu einer höheren Leistungsfähigkeit und zu einem geringeren Energieverbrauch von drahtlosen Kommunikationssystemen. Um die hohe Bandbreite der Durchkontaktierungen im vollen Umfang nutzen zu können, müssen neue Wege/Ansätze für die Architektur und Partitionierung von Halbleiter-Schaltkreisen erforscht werden, um diese optimal in 3D Chips integrieren zu können.
Die Arbeiten der Nachwuchsforschergruppe "3D Chip Stack Intraconnects" werden sich auf die Intraconnect-Aspekte der 3D Integration konzentrieren, insbesondere auf die essentielle Rolle von TSV’s in den Back-end-of-the-line-Strukturen der 3-dimensional gestapelten Chips. Ziel ist es, Module (Design-Bausteine) für die Kontaktierungen zu entwerfen, die bestmöglich sowohl die materialspezifischen als auch die geometrischen Gegebenheiten der Übertragungswege zwischen den einzelnen Halbleitern im Chip-Stapel berücksichtigen. Dazu werden die Kontaktierungsstellen und die Übertragungswege für die Intra-Stack-Kommunikation in 3D-integrierten Halbleiter untersucht und diese für verschiedene Übertragungstechniken (entweder über Kupferleitungen, optische Leiter, oder kontaktlose Kopplungen), Herstellungstechnologien (z.B. SOI, SiGe) und Kontaktierungstechniken/Art der TSVs (face-to-face oder back-to-face) charakterisiert. Die spezielle Herausforderung an die Herstellungstechnologie der verschiedenen TSV´s wird sein, die materialspezifischen und technologischen Grenzen für die Anwendbarkeit der Strukturierungs- und Beschichtungsverfahren auszuloten.
Beteiligte Professoren
Prof. Gerhard Fettweis, Vodafone Stiftungslehrstuhl Mobile Nachrichtensysteme
Prof. Johann W. Bartha, Institut für Halbleiter- und Mikrosystemtechnik, Professur Halbleitertechnik
Prof. Dirk Plettemeier, Lehrstuhl Hochfrequenztechnik
Prof. Rene Schüffny, Stiftungsprofessur für Hochparallele VLSI-Systeme und Neuromikroelektronik
Prof. Frank Ellinger, Lehrstuhl für Schaltungstechnik und Netzwerktheorie
Jun.-Prof. Kambiz Jamshidi, Lehrstuhl Hochfrequenztechnik
Projektlaufzeit
01.03.2012 - 31.12.2014
Projektfinanzierung
Das Projekt wird aus Mitteln der Europäischen Union - dem Europäischen Sozialfonds - gefördert.