新型硅通孔寄生參數(shù)與等效電路研究.pdf

1、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?Through-Silicon Via，TSV)的三維集成電路(Three Dimensional Int

2、egratedCircuit，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(shí)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)(System onChip，SoC)的重要趨勢和方案

3、，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(diǎn)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

4、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0.75μm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-Ga

5、p 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(yàn)證以及測試結(jié)果都有較好的一致性?；谏鲜黾纳?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

6、連接高速電路中共面波導(dǎo)(CoplanarWaveguides，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(yàn)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TS

7、V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'sHFSS

8、軟件、ADS軟件以及Matlab軟件驗(yàn)證了模型的精確性。
　　由于3D IC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

9、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(shí)現(xiàn)互連線與TSV之間的阻抗匹配