フリップFETからフリップ3D集積化（F3D）へ：従来の3D集積化を超えてウェーハ両面のスケーリングの可能性を最大化する

核心概念

フリップ3D集積化（F3D）は、フリップFET（FFET）構造、両面インターコネクト、両面モノリシック3D（M3D）を組み合わせることで、従来の3D集積化技術を超えたチップ集積密度を実現する。

要約

フリップ3D集積化（F3D）：概要

本稿は、従来のムーアの法則の終焉に伴い、チップ集積密度を向上させるための新たな3次元集積化技術として、フリップ3D集積化（F3D）を提案する研究論文である。

従来のムーアの法則の限界により、半導体業界はチップ集積密度を向上させる新しい方法を模索しており、大きく分けて2つの技術ルートが存在する。
1つ目は、DTCOによる先進ロジック技術のスケーリングであり、CFET（Complementary FET）[1-3]や裏面（BS）インターコネクト[4-9]などの3次元トランジスタ積層へと進歩している。本論文では、3次元積層チャネルFETと両面インターコネクトを組み合わせたFFET（Flip FET）[10]を提案しており、図1に示すように、2次元および3次元トランジスタ集積化ロードマップにおいて優れた候補となっている。
2つ目は、3次元パッケージング[4,11]によって実現される3次元ダイスタッキングを含む3次元IC、またはモノリシック3次元集積化（M3D）[12-14]などの3次元ティアスタッキングである。

本論文では、FFETを拡張したウェーハ反転プロセスを繰り返し使用することから、フリップ3次元集積化（F3D）と呼ばれる新しい3次元集積化技術を提案する。F3Dは、3次元トランジスタ積層、3次元両面インターコネクト、3次元フェイスツーフェイス/バックツーバック/フェイストゥーバックダイスタッキング、両面M3Dを初めて統合したものである。

抽出されたキーインサイト

From Flip FET to Flip 3D Integration (F3D): Maximizing the Scaling Potential of Wafer Both Sides Beyond Conventional 3D Integration

by Heng Wu, Hao... 場所 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00309.pdf

深掘り質問

F3Dの実用化には、どのような技術的課題が残されているのだろうか？

F3Dの実用化には、克服すべき技術的課題がいくつか存在します。

多重フリッププロセスにおける熱収支の制御: 多重フリッププロセスは、F3Dを実現するための鍵となる技術ですが、複数回のウェハ接合と反転プロセスは、熱収支の厳しい制約をもたらします。特に、下層の層が上層の層の形成プロセスにおける高温に耐えられるよう、材料選択やプロセス温度の最適化が重要となります。
裏面プロセス技術の高度化: F3Dでは、従来の裏面電力供給ネットワーク (BSPDN) 技術に加えて、裏面信号配線や裏面実装も必要となります。そのため、裏面プロセス技術の高度化、特に微細化、高密度化、歩留まり向上が求められます。
欠陥管理と歩留まりの向上: 多層構造を持つF3Dでは、製造プロセスにおける欠陥がデバイス全体の性能に大きな影響を与える可能性があります。そのため、欠陥検査技術の高度化や歩留まり向上のためのプロセス制御技術の確立が不可欠です。
設計ツールの開発: F3Dのような複雑な3次元構造を持つデバイスの設計には、専用の設計ツールが必要となります。特に、多層配線や裏面信号配線を考慮した設計ルールや、熱収支を考慮した設計最適化技術などを備えたEDAツールの開発が急務です。
コスト削減: F3Dは、従来の2次元集積回路に比べて製造プロセスが複雑になるため、製造コストの増加が懸念されます。そのため、プロセス simplification や歩留まり向上などによるコスト削減が実用化には不可欠です。
これらの課題解決には、材料、プロセス、装置、設計など、半導体製造の幅広い分野における技術革新が必要となります。

F3Dは、量子コンピューティングなどの他の新しいコンピューティングパラダイムにも適用できるのだろうか？

F3Dは、量子コンピューティングのような新しいコンピューティングパラダイムにも適用できる可能性を秘めています。
量子コンピュータは、その動作原理から極低温環境が必要となるため、熱密度が課題となる可能性があります。F3Dは、裏面も活用した放熱経路の設計や、熱伝導率の高い材料の使用などにより、熱問題解決に貢献できる可能性があります。
また、量子コンピュータは、量子ビットの制御や読み出しのために複雑な配線構造が必要となります。F3Dは、多層配線や裏面信号配線技術により、これらの複雑な配線構造を実現できる可能性があります。
さらに、F3Dは、チップの集積密度を高めることができるため、量子ビットの集積化にも貢献できる可能性があります。
しかし、量子コンピュータへのF3Dの適用には、量子ビットの動作特性への影響や、極低温環境における材料の特性変化など、克服すべき課題も存在します。

チップの集積密度が限界に達した後、コンピューティングの未来はどうなるのだろうか？

チップの集積密度が限界に達した後も、コンピューティングの進化は続くと考えられます。

新しい材料やデバイスの開発: グラフェンやカーボンナノチューブなどの新材料や、スピントロニクスデバイス、光デバイスなどの新しいデバイスの開発により、従来のシリコンベースのトランジスタを超える性能を持つコンピュータの実現が期待されます。
3次元集積技術の進化: F3Dのような3次元集積技術は、チップの集積密度をさらに高めるだけでなく、プロセッサ、メモリ、センサーなどを3次元的に集積化することで、従来にない機能や性能を持つコンピュータの実現を可能にします。
新しいコンピューティングアーキテクチャの開発: ニューロモーフィックコンピューティングや量子コンピューティングなどの新しいコンピューティングアーキテクチャの開発は、従来のコンピュータでは解決できなかった問題を解決する可能性を秘めています。
分散コンピューティングの進化: クラウドコンピューティングやエッジコンピューティングなどの分散コンピューティング技術の進化により、膨大な量のデータを効率的に処理することが可能になります。
これらの技術革新により、コンピューティングは、より高速、高性能、低消費電力、多機能になると同時に、私たちの生活のあらゆる場面に浸透し、社会に大きな変革をもたらすと考えられます。