基于三维光电混合集成的光TSV与端口耦合特性研究

发布时间：2020-06-19 16:18

【摘要】：随着集成电路晶体管尺寸不断缩小,由互连效应引起的信号传输延迟与交互干扰噪声成为制约集成电路性能提升的瓶颈。三维集成技术为互连问题提供了解决方案,硅通孔(Through-Silicon Vias,TSV)技术作为三维集成的关键技术,实现了电路模块的垂直互连,从而有效缩短了互连长度、提高了集成密度。但传统的电TSV互连依然存在寄生效应等问题,而片上光互连作为电互连的替代方案具有功耗低、延迟小、带宽大和抗干扰能力强等优势,吸引了众多研究者的关注。TSV技术与片上光互连技术为光TSV互连提供了必备条件,光TSV互连是一种新型的互连方式,结合了三维集成与片上光互连的各自优势,使集成电路的性能和面积都能得到明显优化,因此具有巨大的应用潜力。本文主要围绕光TSV互连中的关键问题展开研究。首先,采用光束传播法(Beam Propagation Method,BPM)对光TSV的传输特性进行了研究。利用Rsoft软件对硅芯层波导型光TSV进行了建模,研究了光束直径、对准偏差对光TSV传输特性的影响;对侧壁粗糙的光TSV进行了模拟和仿真,研究了侧壁粗糙度对不同芯层直径的光TSV传输特性的影响。粗糙度同为0.2μm的情况下,芯层直径为7μm和芯层直径为15μm光TSV的损耗分别为3.9dB/mm和0.4dB/mm,表明通孔尺寸越小,散射损耗对侧壁粗糙度越敏感;对侧壁倾斜的光TSV进行了模拟和仿真,讨论了倒梯形和正梯形结构光TSV的传输特性。倾斜度同为1°的情况下,倒梯形结构光TSV的损耗为4.2dB/mm,正梯形结构光TSV的损耗为3.1dB/mm。其次,采用时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)算法对光TSV的端口耦合特性进行了研究。利用Rsoft软件对光TSV与光栅的耦合结构进行了建模,研究了埋氧层带反射镜光栅结构的耦合效率;对光栅耦合结构的关键参数进行了仿真分析,深入研究了光栅周期、刻蚀槽深、占空比、反射镜位置等参数对耦合效率的影响,得到了周期为561nm、刻蚀深度为70nm、占空比为50%的光栅结构在1550nm波长处的耦合效率达到34%的仿真结果。最后,分析了光TSV与光栅耦合损耗的因素,对耦合结构进行了改进设计。设计了光TSV端面带反射镜的结构,以解决光波向光TSV包层泄露的问题,并使得耦合效率提高至45%;进一步设计了在耦合光栅侧面分别添加反射光栅或DBR的耦合结构,实现了光的单向垂直耦合输出,并得到了耦合效率分别为70%和80%的仿真结果。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN405
【图文】：

铜互连,芯片

芯片中的铜互连结构

示意图,互连结构,示意图

3(a)Wirebond 互连 (b)TSV 互连图1.2 常见 3D 互连结构示意图TSV 内部通常由金属材料铜构成导体，导体外部包裹了绝缘层和阻挡层。绝缘层材料为二氧化硅，用于隔离金属导体与硅基板之间的电流。阻挡层可选择钛为材料，作用是防止在 TSV 制作过程中铜原子穿过二氧化硅进入硅基，同时可以提高金属导体与氧化层之间的粘附性。TSV 制造工艺的主要流程包括：(1)使用深硅刻蚀技术在硅基板刻蚀出盲孔；(2)采用化学沉积和物理气相沉积的方法分别沉积二氧化硅绝缘层和阻挡层；(3)在盲孔中填充电镀铜；(4)使用化学机械抛光法和背面减薄法抛光硅基板上下表面，直至露出 TSV[12]。典型的 TSV 互连结构如图 1.3 所示。图1.3 TSV 互连结构图与传统的平面集成电路相比，基于 TSV 的三维集成具有众多优势：(1) 缩短互连长度，提高集成度三维集成电路利用垂直方向上的维度，采用芯片堆叠的结构实现了短而密的垂直互连

【相似文献】