考虑键合凸点的TSV宽频带建模研究

发布时间：2020-09-09 20:12

　　传统集成电路的特征尺寸不断逼近物理极限,其面临的挑战越来越多,微电子技术的发展遇到了颈瓶。三维集成技术的出现为半导体的持续发展提供了新的途径,其实质是将多层芯片在垂直方向进行堆叠互连实现各层之间的电信号连接,使得芯片的面积更小、芯片之间的互连更短、提供更高的传输带宽以及实现异质集成,从而极大的降低了功耗、减小了延时和提高了性能。硅通孔(Through Silicon Via,TSV)作为三维集成互连中的关键部位,对芯片整体的信号传输性能起着决定性作用,深入研究TSV的特性具有重要的意义。本文首先针对考虑键合凸点的GS(Ground-Signal,GS)型TSV构建了宽频带等效电路模型。结合TSV的物理结构模型,综合考虑高频传输中的趋肤效应、TSV金属导体和硅衬底之间形成的金属-氧化物-半导体(Metal Oxide Semiconductor,MOS)效应、键合凸点引入的寄生效应、硅衬底的涡流损耗以及临近效应,提取了等效阻抗和等效导纳参数,构建了π型等效电路模型。由等效电路模型推导计算S矩阵参数,并在频率为100MHz-100GHz范围内,将计算得到的结果与三维电磁仿真软件(High Frequency Structure Simulator,HFSS)仿真结果进行对比,分析回波损耗S_(11)与插入损耗S_(21),误差低于5%,验证了等效电路模型的正确性。利用考虑键合凸点的GS型TSV的宽频带等效电路分析了TSV的结构参数与传输特性的关系。由仿真结果得出,TSV的间距、TSV的高度以及键合凸点的高度越小TSV的传输特性越好;TSV的半径越大、衬底掺杂浓度越低、键合凸点的半径越大TSV的传输性能越高。根据分析结果得到了各个参数的优化解,构建出了TSV的优化结构,与最初结构的传输特性进行对比,在100GHz时,优化前回波损耗S_(11)为-9dB,优化后为-14dB,插入损耗S_(21)优化前为-1.25dB,优化后为-0.35dB,传输特性得到显著的提升。在GS型TSV结构的基础上建立了GSG(Ground-Signal-Ground,GSG)型TSV结构模型,并对其结构进行分析,构建出了宽频带等效电路模型。通过对比GSG型TSV与GS型TSV传输特性的区别,分析得出相同结构参数下前者高频传输性能较好,后者更加适用于低频传输。改变绝缘层填充材料发现相对介电常数低的材料有利于提升TSV的传输特性。分析了衬底的掺杂浓度对传输特性的影响,得出降低衬底掺杂浓度更有利于提升TSV的传输特性。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN405
【部分图文】：

贝尔实验室,晶体管,第一,集成电路

年仙童公司推出平面集成工艺以来，微电子技术走过了 60 多年的历史。历经半个多世纪的高速发展，集成电路技术已经对人类社会的进步产生了革命性的影响。图1.1 贝尔实验室于 1947 年发明了第一只晶体管虽然集成电路仅仅存在了六十多年，但是它在人类社会的发展和繁荣中发挥了至关重要的作用。它已经应用于人类社会的各个方面，如航天、通信、军事、教育、金融、医疗等领域。集成电路的极速发展使得微处理器的出现成为可能，微处理器的发明使得人类社会向前迈进了一大步，自此进入了信息化时代。集成电路是由半导体器件和多层互连线构成的高密度微型器件。最初提高集成电路性能和功能扩展主要的方式是减小特征尺寸来提高电路的速度，降低功耗，提高集成度。根据 Gordon Moore在 1965 年提出的“摩尔定律”，即大约每 18 个月集成电路的集成度增大一倍[1]。目前较为复杂的微处理器晶体管数量已经达到几十亿个，器件的特征尺寸减小到了 7nm。摩尔定律的进步和发展

示意图,三维集成,芯片,倒装芯片技术

这些技术实现的共同之处在于将多层芯片堆叠，区别是互连实现的方式不同。图 1.2 显示了典型的 3D IC 示意图。图1.2 典型的三维集成芯片3D SiP 是使用引线键合或者倒装芯片技术实现多层堆叠芯片的连接。每层芯片利用键合引线与基底互连，但是这种方式只是空间上的堆叠，并且引线依旧较长，密度低，只能提高集成度而不能提高电路速度。采用倒装芯片技术虽然可以实现芯片之间的信号传输，但是芯片堆叠数目受到限制。3D WLP 是通过圆片级封装技术和三维堆叠技术实现的，其典型的应用是通过 TSV 引出信号线的圆片级真空封装，如图 1.3所示[4]。3D Stacted-IC 即三维集成，利用芯片制造设备实现穿通衬底的 TSV 以获得多层堆叠芯片的互连。其特点是可以连接不同层的模块级电路，可以实现高密度的TSV

考虑键合凸点的TSV宽频带建模研究

利用TSV的3DWLP

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