基于硅通孔的三维集成电路分析及无源器件设计

发布时间：2020-07-31 08:56

【摘要】：为了延续甚至超越“摩尔定律”,三维集成技术开始兴起。硅通孔作为三维集成电路中的关键技术,可以实现高纵横比的垂直互连,从而缩小整体的互连长度并提高系统的集成度。随着系统集成度的提高,电源完整性问题进一步凸显出来。为了准确快速地评估硅通孔对信号传输的影响以及配电网络的电学性能,并进一步发挥硅通孔的性能优势,本文针对硅通孔和三维集成电路配电网络进行建模研究,并考虑利用硅通孔进行无源器件设计,相关工作分为以下三个部分:在第一部分中,研究了硅通孔的寄生参数的提取,其中考虑了铜硅通孔的趋肤效应和耗尽层宽度变化带来的影响。针对三维集成电路中工作频率越来越高时带来的噪声问题,研究了硅通孔差分对之间的串扰问题,分析了硅通孔差分对在时域和频域中的电学特性。第二部分研究了配电网络中片上电源/接地网络和硅通孔的宽带建模方法,给出了片上电源/接地网络的单元结构模型,并能在直流至100GHz范围内适用的等效电路模型。同时还研究了结构参数的变化对配电网络阻抗的影响,相关结论对三维集成电路中的优化设计有所帮助。第三部分致力于设计基于硅通孔的超紧凑型低通滤波器,基于垂直螺旋硅通孔电感和片上MIM电容,在竖直方向上将电容和电感组合在一起,形成超紧凑型滤波器。并对设计的滤波器进行建模分析,和全波仿真结果相互验证。总之,本论文对三维集成电路中的差分对和配电网络开展了电路建模和电学特性分析等研究工作,并探索在三维集成电路中利用冗余硅通孔设计无源器件。
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN40;TN713
【图文】：

子分析、计算机系统、军事系统、卫星系统、潜艇系统等等。从消费领域到超高端产品和军逡逑事用途，几乎所有的工业产品都包含了半导体器件。逡逑如图１．１（ａ）所示，近几十年来１Ｃ技术主要由“器件缩放”驱动，即减小门尺寸，降低工作逡逑２００３年逦２００５年逦２００７邋年逦２００９年逦２０丨１邋年逡逑９０ｎｍ逦６５邋ｎｍ逦４５ｎｒａ逦３２ｎｍ逦２２ｎｍ逡逑三栅邋Ｗ逡逑（ａ）逡逑逦逦逦逦逦逦邋．邋．邋．邋，邋．邋，逦逦逦邋４０，逦逡逑Ｂ邋ｍａｓ逦？逦ｆ邋ｉ逡逑ｉ0逦0邋＿逦，逡逑？邋＿逦３０邋－邋逦逡逑0邋ＣＫＰ逡逑１逦？邋－ｔＴ，邋up逦，逡逑：逦S胿|通逦v|▲，口逦v|２０－逦命，ｚ，逡逑Ｓ＇逦Ｂ逦留逡逑NB＇S
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以降低门开关延时和提高器件性能。在过去的几十年中，晶体管的特征尺寸从９０ｍｎ缩逡逑小到了邋１４ｎｍ。根据Ｉｎｔｅｌ公司预测，晶体管的特征尺寸最终将缩小至７ｎｍ［３］，由于硅材料的物逡逑理特性，７ｎｍ也将是硅材料芯片的物理极限。如图１．１（ｂ）所示，当晶体管尺寸缩小到４５ｎｍ以逡逑下时，晶体管的延迟将不再下降反而略有上升。而随着特征尺寸的缩小，互连线尺寸必然随逡逑之减小。随之带来的是减小的互连线横截面积导致互连线电阻增加，缩小的线间距将会导致逡逑耦合电容的增加，使得互连线整体延迟增加。如图１．１（ｃ）所示，随着制程节点的不断缩小，门逡逑电路的延迟在逐渐减少，但互连线的延迟在逐渐增加，并且互连线延迟在总延迟中占据的比逡逑例越来越高。另一方面，在高性能处理器中，由于互连线负载效应的增加，影响了高性能芯逡逑片的功耗，其中大部分功耗可以归因于互连线网络。因此我们可以说，互连线己经成为三维逡逑集成电路延迟和功耗的主要来源，集成电路的设计将由晶体管占主导地位变成互连线占主导逡逑地位［６１。传统的计算机辅助设计（ＣＡＤ）方法和工具也受到互连扩展的影响

义逡逑ｉｃｏｎ邋Ｖｉａ，ＴＳＶ）技术作为三维集成电路的核心，甚至距离ＷｉｌｌｉａｍＳｈｏｃｋｌｅｙ发明娃通孔（不用了邋１９５８年由Ｗｉｌｌｉａｍ邋Ｓｈｏｃｋｌｅｙ提出的ＴＳＶ结制造方法”，也正是他同Ｊｏｈｎ邋Ｂａｒｄｅｎｎ、Ｗａｌｔｅｒ邋发明一一晶体管。典型的硅通孔结构由基体（、绝缘体（一般为二氧化硅，Ｓｉ０２）组成，在电导体贯通整个基体以实现不同芯片层中器件程中形成的阶段，可以将桂通孔工艺分为ｖｉａ－ｆｉ娃通孔在不同的金属化之间形成）、ｖｉａ－ｌａｓｔ邋（，ＴＳＶ的制造过程可分为以下几个步骤：逡逑刻蚀（Ｄｅｅｐ邋Ｒｅａｃｔｉｖｅ邋Ｉｏｎ邋Ｅｔｃｈｉｎｇ，邋ＤＲＩＥ）或者等离子体增强化学气相沉积（Ｐｌａｓｍａ－ｅｎｈａ

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本文编号：2776256