三维集成电路（3D IC）中硅通孔（TSV）链路的多场分析

发布时间：2020-05-16 14:25

【摘要】：随着半导体技术的发展,集成电路的特征尺寸不断减小,摩尔定律受到了多方面的挑战。为了延续摩尔定律,人们开始把目光转向TSV基3D IC。TSV基3D IC通过金属填充硅通孔实现更短的互连线使得互连线的延迟和功耗更小,通过垂直堆叠不同层电路实现更高的集成密度使得电学性能更优。然而,在散热和热应力以及电性能分析方面还有许多问题阻碍了TSV基3D IC的发展。本文主要研究TSV基3D IC中不同结构TSV与RDL层中不同结构金属传输线等组成的链路的性能,从电场,热场和应力场等角度分别研究了其各自的性能。主要工作内容包括:1、提出了四种不同结构TSV(圆柱型,圆环型,同轴型和双环型)的RLCG模型,建立了高频阻抗模型。电阻与电感根据传统传输线模型求得,电容则考虑了MOS效应根据同轴电容公式求得,同轴TSV中绝缘层的厚度影响了电容从而增加了损耗;中心介质孔半径影响低频的电阻和高频电感,但是对高频损耗影响并不大;双环型TSV同时具有金属屏蔽层和中心介质孔结构,同时具有两者的电学特性。2、分析了RDL层微带线结构、共面波导结构、共面带状线结构和带状线结构传输线的电学特性。其中,微带线结构传输线对TSV数量要求较低,链路工作频带比较窄;共面波导结构传输线设计灵活,色散低,接地可以有效防止来自同平面传输线的干扰,要求衬底厚度比较厚;共面带状线结构传输线中,缝隙越小线宽越大时损耗越小,对工艺精度要求较高;带状线结构传输线链路损耗较大,工作频带较窄,适合介质层附近表面有接地时使用。分析了包括传输线宽度跃变,TSV附近半径跃变和直角弯等结构在内的TSV基3D IC中不连续结构的电学特性。3、分析了TSV矩阵的电学特性,包括TSV排列时的电容,电感和损耗问题。由于不同排列时信号TSV的电场分布不同,总电容并不是根据接地TSV数量按照传统电容公式叠加而来。通过HFSS软件的电场分布验证了电场分布不均匀的特性,通过ANSYS Q3D Extractor验证了电容与接地TSV数量的非线性关系和电感与接地TSV数量的近似线性关系(误差小于1%)。4、分析了TSV基3D IC中多场耦合,热载荷产生的热应力比较明显。焦耳热主要与链路电阻和输入信号有关;高频失配损耗与链路阻抗失配情况有关,可以根据RLCG模型和阻抗模型分析;介质损耗与输入信号和材料的介质损耗正切值有关。电生成的热和有源区传出的热量导致链路温度分布不均衡,在边角处容易导致局部温度过高和应力集中。5、分析了绝缘层和信号传输线对电热力多场的影响。共面带状线在多场分析时有独特的优势,电学性能允许灵活的物理尺寸设计。分析了微流道降温技术对电场的影响,微流道尺寸设计合理时可以补偿一部分电容,减小损耗。
【图文】：

美国贝尔实验室（Bell Labs）研制了第一个点接触型的锗晶体管，如图1.1 所示。其中，约翰 巴丁（John Bardeen）和和沃尔特 布拉顿（Walter Brattain）发明了点接触型晶体管[3,4]，威廉 肖克利（Willian Shockley）则是在 1950 年研制了PN 结型二极管[5]。此后，，晶体管代替了体积大、成本高、易碎且功耗大的真空管，电子技术由真空管时代转向晶体管时代，人类社会迎来了一次伟大的变革。图 1.1 世界上第一只晶体管（美国贝尔实验室，1947 年）

西安电子科技大学博士学位论文，半导体制造技术的进步使得集成电路（Integ美国德州仪器（TI）公司的杰克 基尔比（Ja路[6]。该集成电路将一支晶体管、数个电阻器和的锗片上制作而成。同年，美国仙童（Farichild）ert Norton Noyce）研制了更为实用的集成电路。体的绝缘层，通过铝条连线使元件和导线连接。电路。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN405.97

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本文编号：2666869