先進(jìn)三維集成電路(3D-IC)中硅通孔(TSV)和氮化鎵(GaN)場(chǎng)效應(yīng)管中的電-熱-力特性研究.pdf

1、半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，一大批新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)和新材料的出現(xiàn)和應(yīng)用使得半導(dǎo)體技術(shù)不斷向前躍進(jìn)。其中，三維集成的關(guān)鍵技術(shù)硅基孔(Throug Silicon Via, TSV)技術(shù)和GaN材料的的出現(xiàn)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和性能引起了人們極大地關(guān)注。然而這些新技術(shù)和材料的應(yīng)用依然有很多挑戰(zhàn)性的問(wèn)題亟待解決。特別是作為3D集成互連的TSV技術(shù)，其等效電路的提取工作對(duì)TSV電路的性能研究有著重要作用。另外，在TSV使用過(guò)程中，通常會(huì)遇到周期性電磁脈沖(EMP)

2、注入的情況，TSV互連的電熱力耦合響應(yīng)將嚴(yán)重威脅到集成電路的正常工作和其可靠性。此時(shí)，材料的物理參數(shù)是溫度的函數(shù)，TSV互連的電-熱-力耦合響應(yīng)變得更加復(fù)雜。而基于GaN材料的高功率場(chǎng)效應(yīng)管的應(yīng)用，由門(mén)電路引起的焦耳熱損耗也將引起一系列電熱力耦合的可靠性問(wèn)題。
　　 本文將以半導(dǎo)體知識(shí)、電路知識(shí)、電場(chǎng)、熱傳導(dǎo)、動(dòng)力學(xué)知識(shí)，結(jié)合解析和數(shù)值計(jì)算的方法，詳細(xì)研究TSV技術(shù)和GaN器件在應(yīng)用過(guò)程中所遇到的電、熱和力多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題。

3、r>　　 首先，推導(dǎo)并提取了單根TSV的等效電路參數(shù)，分析了這些電路參數(shù)在工作電壓和環(huán)境溫度對(duì)參數(shù)提取的影響。同時(shí)利用部分等效元電路(PEEC)法和等效電路方法在考慮溫度和頻率影響的前提下，提取了TSV陣列溫變和頻變的電阻、電感、電容和電導(dǎo)參數(shù)。同時(shí)，本文利用這些電路參數(shù)研究了TSV陣列的特征阻抗和插入損耗，并與商業(yè)軟件的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
　　 其次，本文從電場(chǎng)、熱場(chǎng)和力場(chǎng)相互耦合的機(jī)制出發(fā)，利用目前成熟的有限元技術(shù)(

4、FEM)開(kāi)發(fā)了改進(jìn)的電-熱-力多物理場(chǎng)耦合算法，并與相應(yīng)的解析解和商業(yè)軟件進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。在考慮材料物理參數(shù)溫變效應(yīng)的情況下，該算法準(zhǔn)確快速的求解得到電-熱-力多物理場(chǎng)之間的耦合響應(yīng)。這些溫變的材料參數(shù)包括電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、楊氏模量和熱膨脹系數(shù)。本文利用該多物理場(chǎng)耦合算法系統(tǒng)地分析了單層TSV、多層TSV和TSV陣列在周期EMP作用下的電熱力瞬態(tài)響應(yīng)。并對(duì)EMP波形、TSV材料和其結(jié)構(gòu)參數(shù)等影響其電熱力響應(yīng)的因素進(jìn)行了詳細(xì)分析。此外，本文

5、利用該多物理場(chǎng)耦合算法對(duì)典型基于GaN的場(chǎng)效應(yīng)管(FET)在不考慮材料溫變特性的電熱分析進(jìn)行了重復(fù)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，研究了具有不同單元個(gè)數(shù)的GaN-FET在考慮材料溫變特性時(shí)的電熱穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，并分別研究了它們?cè)谌梭wESD，周期EMP和雙指數(shù)EMP注入情況下的瞬態(tài)電-熱-力響應(yīng)。
　　 最后，本文利用解析和開(kāi)發(fā)的多物理場(chǎng)耦合算法研究了TSV和GaN-FET的熱阻和平均功率容量參數(shù)受到結(jié)構(gòu)參數(shù)變化和材料溫變效應(yīng)的影響。同時(shí)，對(duì)于一些簡(jiǎn)