隨著半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)的空前發(fā)展,超大規(guī)模集成(Very Large Scale Integrated, VLSI)電路的性能也得以空前的提高,但隨著半導(dǎo)體工藝的特征尺寸縮小至深亞微米量級,工藝技術(shù)幾乎達(dá)到了物理極限。另一方面,由數(shù)量巨大的互連線所帶來的傳輸延時與干擾噪聲效應(yīng)越來越嚴(yán)重,并取代門延時成為決定電路性能的關(guān)鍵因素�；诠柰ǹ�(Through-Silicon Via, TSV)的三維集成電路(Three Dimensional Integrated Circuit,3D IC)互連技術(shù),將具有不同功能的異質(zhì)芯片垂直堆疊在一起以實現(xiàn)三維互連,能夠大幅度的降低全局互連線的長度,提高信號傳輸?shù)膸捙c速度,提高系統(tǒng)的集成度與芯片利用率,進(jìn)而使得互連延遲、各種寄生效應(yīng)以及功耗都能夠顯著的降低。三維集成電路的這些最本質(zhì)的優(yōu)點,使得其電路性能、體積、重量等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)的優(yōu)于二維平面集成電路,是未來集成電路進(jìn)一步發(fā)展以及實現(xiàn)片上系統(tǒng)(System on Chip, SoC)的重要趨勢和方案,也是業(yè)界所公認(rèn)的能夠使摩爾定律持續(xù)有效的新技術(shù)。因此,3D IC與TSV的設(shè)計就變得尤為重要,為了有效低提供大規(guī)模3D IC系統(tǒng),前端的理論設(shè)計與后端的制造工藝都是必不可少的。本文從空氣隙(Air-Gap) TSV入手,重點分析了高速3D IC中TSV的寄生效應(yīng)以及等效電路；并在Air-Gap TSV的基礎(chǔ)之上,提出了空氣腔(Air-Cavity)TSV結(jié)構(gòu),并分析了高溫與高頻工作條件對這些新材料與新結(jié)構(gòu)的TSV所帶來的影響。本文的主要研究成果如下：本文采用空氣隙作為TSV銅導(dǎo)體的絕緣介質(zhì)層,深入研究了GSG(Ground-Signal-Ground)模式Air-Gap TSV結(jié)構(gòu)的寄生電容效應(yīng)。與Si02介質(zhì)層相比,Air-Gap介質(zhì)層一方面能夠顯著降低TSV的寄生電容；另一方面,當(dāng)Air-Gap的厚度超過0.75 μm且外加偏置電壓達(dá)到平帶電壓時,TSV的寄生電容可近似為Air-Gap介質(zhì)層的寄生電容,而無需再計算閾值電壓以及耗盡層電容。Air-Gap TSV寄生電容提取過程的簡化,也正是得益于空氣隙的低介電常數(shù)。本文采用部分電感解析方法,提出了GSG模式錐型TSV結(jié)構(gòu)的高頻寄生電感解析模型,包括趨膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)等高頻特性。當(dāng)TSV外側(cè)壁傾角為90。時寄生電感可簡化為圓柱形TSV的寄生電感,具有更好的適用性,所提出的數(shù)值模型與HFSS仿真驗證以及測試結(jié)果都有較好的一致性。基于上述寄生效應(yīng)的研究,綜合TSV其他部分的寄生參數(shù),如硅襯底的寄生效應(yīng)與TSV銅導(dǎo)體的寄生電阻等,提出了用于連接高速電路中共面波導(dǎo)(Coplanar Waveguides, CPW)的GSG模式TSV的等效電路以及π型集總模型。根據(jù)不同空氣隙的厚度,提出了兩種等效電路模型,使得本文所提出的模型具有更好的適用性。采用3D電磁寄生參數(shù)提取工具Ansys's HFSS軟件、ADS軟件以及Matlab軟件驗證了模型的精確性。本文基于對Air-Gap TSV各寄生效應(yīng)的深入研究,提出了一種新型的TSV結(jié)構(gòu),即Air-Cavity TSV。該TSV結(jié)構(gòu)是通過刻蝕掉TSV周圍的硅襯底來降低高頻電路中硅襯底的渦流損耗。通過對空氣腔TSV傳輸結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)及S參數(shù)研究,可以發(fā)現(xiàn)該空氣腔TSV結(jié)構(gòu)在低阻硅襯底上,就能夠?qū)崿F(xiàn)較為理想的品質(zhì)因數(shù)與S參數(shù)。本文基于品質(zhì)因數(shù)與S參數(shù)的研究,討論了最佳的空氣腔物理尺寸,即不僅能夠提供最佳的信號傳輸質(zhì)量,亦能得到較高的互連結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。進(jìn)一步提出了GSG模式空氣腔TSV的等效電路與π型集總電路模型,并采用3D電磁寄生參數(shù)提取工具Ansys's HFSS軟件、ADS軟件以及Matlab軟件驗證了模型的精確性。由于3D 1C將多層芯片堆疊在一起以及電路工作頻率的不斷提高,導(dǎo)致熱密度過高,并面臨嚴(yán)重的散熱問題,尤其是距離熱沉最遠(yuǎn)的最高層芯片,散熱性能最差。由于銅的電阻率受溫度變化的影響,因而TSV銅導(dǎo)體的寄生電阻也受到溫度變化的影響。通過引入電阻溫度系數(shù)TCR來表征TSV銅導(dǎo)體的寄生電阻隨溫度的變化規(guī)律。通過對TCR的推導(dǎo),可知TSV的半徑、工作頻率都對TCR有顯著的影響。另一方面,硅襯底中的載流子遷移率亦受到溫度變化的影響,通過對其遷移率隨溫度變化的研究,推導(dǎo)其寄生電導(dǎo)隨溫度的變化規(guī)律。隨著三維集成密度的顯著提高,不同芯片層上互連線尺寸的差異以及TSV與互連線的阻抗失配問題,會在三維信號通道中引入較多的信號反射,該問題在高頻電路中尤為顯著�；诓煌墓ぷ黝l段,提出了不同的阻抗匹配方案。當(dāng)工作頻率為5 GHz時,在三維信號通道中加入匹配集總電容,構(gòu)成LC匹配網(wǎng)絡(luò),以實現(xiàn)互連線與TSV之間的阻抗匹配。當(dāng)工作頻率達(dá)到微波范圍內(nèi)(20 GHz)時,采用分布式的切比雪夫多節(jié)阻抗變換器來實現(xiàn)不同芯片層互連線以及TSV之間的阻抗匹配,并研究了阻抗匹配對三維集成電路的功耗、延遲等性能的影響。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TN405
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
符號對照表
縮略語對照表
第一章 緒論
    1.1 三維集成技術(shù)研究背景和意義
    1.2 基于TSV技術(shù)三維集成的優(yōu)勢
    1.3 基于TSV技術(shù)三維集成的挑戰(zhàn)
    1.4 本論文的研究工作和結(jié)構(gòu)安排
第二章 基于TSV的三維集成的關(guān)鍵工藝技術(shù)
2介質(zhì)層的TSV工藝技術(shù)'>    2.1 基于SiO₂介質(zhì)層的TSV工藝技術(shù)
        2.1.1 TSV制造的工藝順序
        2.1.2 TSV制造的鍵合方式
        2.1.3 TSV制造的鍵合方向
2介質(zhì)層TSV的制作工藝'>        2.1.4 基于后通孔技術(shù)的SiO₂介質(zhì)層TSV的制作工藝
    2.2 基于BCB介質(zhì)層的TSV工藝技術(shù)
    2.3 基于Air-Gap介質(zhì)層的TSV工藝技術(shù)
    2.4 結(jié)論
第三章 空氣隙TSV寄生參數(shù)與等效電路研究
    3.1 圓柱形TSV寄生參數(shù)提取
        3.1.1 圓柱形TSV寄生電阻
        3.1.2 圓柱形TSV寄生電感
        3.1.3 圓柱形TSV寄生電容
        3.1.4 圓柱形TSV硅襯底的寄生電導(dǎo)與電容
        3.1.5 圓柱形TSV的其它寄生效應(yīng)
    3.2 錐形TSV寄生電感的提取
    3.3 TSV等效電路研究
        3.3.1 GSG模式TSV等效電路
        3.3.2 GSG與GS模式TSV結(jié)構(gòu)對比
    3.4 結(jié)論
第四章 空氣腔TSV寄生參數(shù)與等效電路研究
    4.1 空氣腔互連工藝
    4.2 空氣腔TSV性能研究
        4.2.1 空氣腔TSV的品質(zhì)因數(shù)
        4.2.2 空氣腔TSV的S參數(shù)
    4.3 空氣腔TSV等效電路研究
    4.4 結(jié)論
第五章 熱效應(yīng)對TSV寄生參數(shù)的影響
    5.1 熱效應(yīng)對TSV導(dǎo)體金屬的影響
        5.1.1 溫度對TSV銅導(dǎo)體寄生電阻的影響
        5.1.2 電阻溫度系數(shù)TCR
        5.1.3 工作頻率對TCR的影響
        5.1.4 TSV導(dǎo)體半徑對TCR的影響
    5.2 熱效應(yīng)對TSV介質(zhì)層的影響
    5.3 熱效應(yīng)對TSV硅襯底的影響
    5.4 熱效應(yīng)對TSV的S參數(shù)的影響
    5.5 結(jié)論
第六章 高速三維集成互連通道電磁特性的研究
    6.1 集總元件匹配
        6.1.1 基于TSV技術(shù)的三維高速信號通道
        6.1.2 基于TSV的T-型等效電路模型
        6.1.3 基于TSV的π-型等效電路模型
    6.2 切比雪夫多節(jié)互連線匹配
        6.2.1 小信號反射理論
        6.2.2 切比雪夫多節(jié)互連線匹配原理
        6.2.3 三維傳輸模型中的切比雪夫多節(jié)互連線
        6.2.4 切比雪夫多節(jié)互連線對三維傳輸延遲的影響
        6.2.5 切比雪夫多節(jié)互連線對三維通道功耗的影響
    6.3 結(jié)論
第七章 總結(jié)與展望
    7.1 研究總結(jié)
    7.2 研究展望
參考文獻(xiàn)
致謝
作者簡介

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 王皇;基于傳遞函數(shù)分析的毫米波片上無源元件建模技術(shù)研究[D];華東師范大學(xué);2012年

本文編號：2876572