空气隙同轴TSV（CTSV）宽频带建模研究

发布时间：2020-07-19 01:31

【摘要】：随着半导体技术的发展,遇到的瓶颈越来越难以克服,短沟道效应、载流子速度饱和等效应所带来的问题越来越明显。三维集成电路(Three-Dimension Integrated Circuit,3D IC)技术可以将多个不同功能的芯片堆叠在一起,并利用硅通孔(Through-Silicon Via,TSV)将多个器件连接起来,有效减小了互连线长度,实现芯片异质集成。TSV是半导体三维集成技术的关键因素,其工作频率呈现多样化趋势,因此对TSV的宽频带研究具有重要意义。本文针对空气隙同轴TSV进行了深入研究,在考虑了金属-绝缘体-半导体(Metal-Insulator-Semiconductor,MIS)结构、衬底涡流损耗、电流趋肤效应的影响后,求得了此结构的寄生参数,并建立了等效电路。将此模型和HFSS软件仿真曲线进行对比,结果显示回波损耗S_(11)和插入损耗S_(21)误差在5%以内,验证了模型在宽频带的正确性。模型可以模拟100MHz到100GHz的传输情况,适用范围较广。研究了非耗尽层近似下的精确TSV电容,对比发现实际TSV电容与耗尽层近似下的值相差达10%,将此结果应用到模型中可以进一步提升模型的准确性。在此基础上,采用控制变量法对模型的结构参数和掺杂浓度进行了研究,对比分析不同模型下的传输参数,结果表明TSV高度和空气隙数量对传输特性的影响最大。优化了原有TSV结构,在100GHz时,回波损耗S_(11)优化前后分别为-15dB和-30dB,插入损耗S_(21)优化前后分别为-0.26dB和-0.03dB,优化后的TSV具有更小的反射系数和更高的传输系数,传输特性提升了一倍以上。针对工艺方面的特点,对锥形空气隙同轴TSV结构和传输特性进行了研究。仿真显示同等尺寸下,垂直结构TSV传输特性比锥形结构好,二者在低频段差值较大,在中高频差值变小。研究了TSV高度、侧壁倾角、温度、衬底介质材料对传输特性的影响,结果表明衬底介质种类对传输特性的影响最大。在100GHz时,回波损耗S_(11)优化前后分别为-14dB和-22dB,插入损耗S_(21)优化前后分别为-0.31dB和-0.1dB,传输特性变好。
【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】：TN43
【图文】：

示意图,示意图,硕士学位论文,西安电子科技大学

西安电子科技大学硕士学位论文方式融合到一个芯片中，同时减少功耗，系片的结构具有高效、低功耗等特点，会极大行深入研究。TSV 传输性能要求的多样化和率产生变化，结构不同将导致其特性有很特性分析出现偏差。以往所建立的模型大不能模拟 TSV 在不同频率下的传输特性，本文将对一种新型的 TSV 结构——空气隙频率的要求。

异质,集成芯片

异质集成芯片

扩散速率,导电介质

（4）具有良好的稳定性，能够适应化学机械抛光(ChemicalMechanicalPolishing，CMP)过程，以及抗侵蚀特性。图2.1 铜扩散速率2.1.3 导电介质填充TSV 的信号传输依靠深孔内的介质实现，在高深宽比的 TSV 结构中有效填充导电介质是 TSV 工艺中最重要的技术之一。导电介质可选的有多晶硅、钨和铜[39]，由于主流 CMOS 工艺使用的金属介质一般都是铜[40]，综合考虑技术难度、材料性质、制造设备等因素，TSV 主流技术方案中使用铜作为 TSV 导电介质，铜的热膨胀系数、电阻率、工艺成熟度、应力等条件都能满足深孔 TSV 的要求，填充铜的方式多为电化学淀积(Electrochemical Deposition，ECD)。研究铜工艺在三维集成电路制造中有重要的影响：铜电镀的时间较长

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