基于硅通孔（TSV）的三维集成电路（3D IC）关键特性分析

【摘要】过去的几十年里，微电子器件尺寸按照摩尔定律持续减小，电子产品性能得到空前提高。但是在半导体制作工艺尺寸缩小到深亚微米量级后，工艺技术逐渐达到物理极限，量子效应、短沟道效应等小尺寸效应越来越凸显，成为摩尔定律继续发展的瓶颈。三维集成电路（Three-DimensionalIntegratedCircuit,3DIC）不再一味追求小尺寸，而是采用三维堆叠的方式来提高系统集成度，通过硅通孔（Through-Silicon-Via,TSV）实现层间垂直互连，有效缩短了互连线长度，并且可以实现异构集成，成为业界公认使摩尔定律持续有效的有力保证。本文针对基于TSV互连的3DIC进行了系统的研究，所取得的主要成果为：1、提出了考虑MOS效应的锥型TSV寄生电容解析模型，并研究了其电容特性。首先，介绍了圆柱型TSV、锥型TSV、环型TSV和同轴TSV的寄生参数提取模型。然后通过求解泊松方程等数学方法，提出了考虑MOS效应的锥型TSV寄生电容解析模型，并对比了该解析模型与3D电磁寄生参数提取工具AnsoftQ3D的提取模型，结果表明，在偏置电压为-0.4V、0.5V和1V时，对于锥型TSV侧面倾角为75°、80°、85°和90°四种情况，多个参数变化时解析模型最大均方根误差分别为6.12%、4.37%、3.34%和4.84%，忽略MOS效应时，最大均方根误差分别达到210.42%、214.81%、214.52%和211.47%，验证了该解析模型的准确性和考虑MOS效应的必要性。最后，采用3D全波电磁场仿真软件ANSYS’HFSS研究了锥型TSV的散射参数，结果表明，考虑MOS效应以后散射系数（S11）的最大减幅大约为19dB，锥型TSV的传输性能得到改善。2、提出了环型和同轴TSV热应力和热应变的解析模型，并研究了其热机械性能。首先，基于准3DKane-Mindlin理论提出了环型TSV和同轴TSV热应力和热应变的解析模型，并针对多种填充金属和介质材料，采用有限元方法（FiniteElementMethod,FEM）进行验证，结果表明误差分别小于6.8%。然后，根据解析模型，分别针对pMOS和nMOS器件估算了热机械性能的重要表征参数——阻止区（Keep-Out-Zone,KOZ）。结果表明，1）pMOS器件对热应力比nMOS敏感：当采用除W以外的金属材料时，对于环型TSV，pMOS器件的KOZ比nMOS大2~3μm左右；对于同轴TSV，pMOS器件的KOZ比nMOS大6~7μm左右。2）W填充的TSV热失配最小，没有产生KOZ；Al和Cu填充的TSV热机械性能相差不大：Al或Cu填充的环型TSV引入的热应力与晶体管沟道平行时，pMOS器件的KOZ大约为5.6μm，垂直时大约为2.5μm，对于Al或Cu填充的同轴TSV，分别大约为12.2μm和7.2μm；BCB作为介质材料时，TSV的热机械性能最差，KOZ最大达到12.9μm。3）对于最常用材料Cu和SiO2填充的同轴TSV，内侧金属半径从3μm增加到7μm时，同轴TSV边缘的热应力增加了342MPa；外侧金属环厚度从1μm增加到5μm时，同轴TSV边缘的热应力增加了582MPa(245%)；介质厚度从1μm增加到5μm时，同轴TSV边缘的热应力只增加了大约60MPa；TSV高度增加对热应力几乎没有影响。3、提出一种新的TSV结构——双环TSV，并研究了该结构的热机械性能和电传输性能。首先，对比了双环TSV和同轴TSV的热应力所导致的KOZ及等效面积（TSV与其引入的KOZ所占的总面积），结果表明，当采用Cu和SiO2作为金属和介质材料时，与同轴TSV相比，双环TSV的KOZ减小了88.9%，等效面积减小了22.6%。然后，提出了双环TSV在硅中引入热应力的解析模型，与FEM结果相比，平均相对误差小于~6.7%。最后，采用ANSYS’HFSS软件仿真，验证了该结构具有与同轴TSV同样优越的传输系数（S21），相比圆柱型和环型TSV，S21在20GHz时最大可提高93%。证明了这种结构在保证了与同轴TSV同样优越的电传输性能的同时，减小了所引入的热应力和KOZ，提高了热机械性能。4、提出了考虑TSV的3DIC最高层芯片温度解析模型，并研究了其温度特性。由于3DIC将多层芯片堆叠在一起，导致热密度过高，尤其是距离热沉最远的最高层芯片，散热性能最差。针对圆柱型TSV，通过引入TSV面积比例因子r，提出了考虑TSV的3DIC最高层芯片温度解析模型。通过Matlab分析，结果表明，随着芯片层数的增加，最高层芯片温度几乎线性增加。对于8层的三维集成电路，1）相对于未考虑TSV散热作用的情况，当r为0.0001时，最高层芯片温度下降了6K，当r=0.001时，温度下降了35K，当r=0.01时，下降了67K；2）综合考虑温度和TSV所占的面积，得出硅通孔面积比例因子的最佳范围r为0.5%~1%。5、以3D单芯片多处理器（Chip-Multiprocessors,CMP）为例，研究了多核3DIC的温度特性。首先，给出2层4核3DCMP热阻矩阵的表达式，然后，基于热阻矩阵研究了输入阶跃热流时的瞬态温度特性，通过Matlab软件分析了热容、热阻和功耗对温度的影响。结果表明，1）上层芯片的稳态温度比下层芯片高约5K；2）热容的增大会导致3DCMP温度上升时间的变长，并不会影响其最终稳态温度；3）核功耗每增加5W，上层和下层芯片的稳态温度分别增加15K和14K；4）热阻每增加典型值的1/2倍，上层和下层芯片的稳态温度分别增加37K和35K。
【作者】王凤娟；
【导师】杨银堂；
【作者基本信息】西安电子科技大学，微电子学与固体电子学，2014，博士
【关键词】三维集成电路；硅通孔；寄生电容模型；热机械性能；热管理；

【参考文献】
[1]张翼飞.团购网站数据统计与分析系统的设计与实现[D].大连理工大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[2]王辉.大学生创业教育有效性研究[D].西南大学,思想政治教育,2012,硕士.
[3]刘铮谕.侵权责任法视域下的安全保障义务研究[D].沈阳师范大学,民商法学,2014,硕士.
[4]李勇.异步数据触发微处理器体系结构关键技术研究与实现[D].国防科学技术大学,2007.
[5]刘巍,陈少强.PLAN5000局部网络及其在中小企业管理信息系统中的应用[J].冶金自动化,1987,02:12-16.
[6]杨建莹.基于SEBAL模型的黄淮海冬小麦和夏玉米水分生产力研究[D].中国农业科学院,农业水土工程,2014,博士.
[7]刘志国.卫星导航信号模拟器研究与实现[D].中北大学,机械电子工程,2014,硕士.
[8]陈丁剑.基于语义的Web服务发现和组合技术研究[D].西北工业大学,2007.
[9]刘雅坤,于双元,罗四维.基于最小最大割算法的阈值分割算法[J].计算机科学,2014,01:95-99.
[10]刘文君.OSW虚拟仪器系统的开发研究[D].辽宁工程技术大学,机械设计及理论,2004,硕士.
[11]周莹莹.我国商业银行融资租赁业务的风险管理研究[D].北京交通大学,2012.
[12]孙婷婷.邳州市高中美术欣赏课开展现状的调查研究与对策分析[D].扬州大学,学科教学,2011,硕士.
[13]张扬帆,严成,邹莘剑,陈敏,徐德鸿.特定谐波消除法在T型三电平并网逆变器中的应用[J].电源学报,2014,04:1-9.
[14]熊峰.地震波入射方向对边坡动力响应的影响[D].中国地质大学（北京）,地质工程,2014,硕士.
[15]李海宏.基于企业数据仓库系统的数据挖掘工具的实现[D].四川大学,2003.
[16]耿燕芳.江苏区域城乡统筹差异的实证研究[D].扬州大学,产业经济学,2011,硕士.
[17]翟雪.基于PSTR模型的货币政策对银行风险的非线性影响研究[D].哈尔滨工业大学,金融学,2013,硕士.
[18]宁古月.论产品说明书的著作权保护[D].华中科技大学,法律,2013,硕士.
[19]安应飞,邰志新,阎兴斌,刘斌,裴金莹.在胎牛血清蛋白润滑环境下GO/UHMWPE复合材料的摩擦学性能研究[J].摩擦学学报,2012,06:533-537.
[20]宋嵘嵘.高职院校科研管理系统建设研究[D].宁波大学,公共管理（专业学位）,2014,硕士.
[21]闫鹏.从生活真实到艺术真实的转化[D].南京大学,戏剧（专业学位）,2013,硕士.
[22]蔡魏瑞.宁夏某煤矿三维地质建模及矿坑涌水量预测[D].石家庄经济学院,地质工程,2014,硕士.
[23]李鹏.开心果中血管紧张素转化酶（ACE）抑制肽的制备、构效关系和抑制机理研究[D].华东理工大学,食品科学,2014,硕士.
[24]刁小芃.双通道buck型同步降压DC-DC芯片设计[D].电子科技大学,电子与通信工程（专业学位）,2012,硕士.
[25]钟声震.基于以人为本理念的中学管理探讨[D].江西师范大学,教育管理,2003,硕士.
[26]于硕.高校国防生思想政治教育实证研究[D].中北大学,思想政治教育,2014,硕士.
[27]王刚.基于高阶离散格式的CFD与DEM耦合方法及其应用[D].吉林大学,农业机械化工程,2013,硕士.
[28]桂勋,姚兰,钱清泉.基于COMTRADE的可跨平台在线自动故障分析软件系统[J].电力系统自动化,2009,04:58-61+76.
[29]齐丽英,王琛琛,周明磊,王剑.一种异步电机的电流环解耦控制方法[J].电工技术学报,2014,05:174-180.
[30]刘少鑫.调和Bergman空间上的Toeplitz算子性质[D].大连理工大学,基础数学,2013,硕士.
[31]徐立江.麦金的认知封闭思想研究[D].华中师范大学,马克思主义哲学,2014,硕士.
[32]静丰羽.等离子熔覆—注射B_4C熔覆层组织及性能的研究[D].郑州大学,材料工程（专业学位）,2013,硕士.
[33]杨少敏.工程项目管理中的信任模式研究[D].西安建筑科技大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[34]陈继超.基于WEB的产品几何误差评定系统中的滤波技术研究[D].郑州大学,机械设计及理论（专业学位）,2013,硕士.
[35]闫飞,汪生,朱磊明.数据融合在入侵检测系统中的应用[J].信息网络安全,2003,08:54-55.
[36]王新华.几类奇异微分方程边值问题的正解[D].曲阜师范大学,应用数学,2004,硕士.
[37]史忠科.高速公路交通状态的联合估计方法[J].控制与决策,2003,06:747-750.
[38]潘立武,李绪成,王保保.企业知识管理及其知识仓库的解决方案[J].计算机工程与设计,2002,11:15-20.
[39]付宏程.长安轿车营销渠道模式优化研究[D].长安大学,企业管理,2014,硕士.
[40]万丽娟.石墨烯的制备及其改性锂离子电池电极材料的研究[D].西北大学,2011.
[41]段然.保险禁反言制度研究[D].西南政法大学,民商法学,2012,硕士.
[42]徐润芳.城市增殖经营研究[D].西安理工大学,2004.
[43]李先林.电力推进船舶电网谐波分析[D].大连海事大学,电力电子与电力传动,2004,硕士.
[44]卢敏.潍坊市公安局绩效考核管理系统的设计与实现[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[45]殷静燕.随机环境下变保费双分红复合帕斯卡模型的研究[D].南京航空航天大学,概率论与数理统计,2012,硕士.
[46]陈慧文.袁晓岑与王晋元写意花鸟画风格比较研究[D].云南艺术学院,写意花鸟画研究,2014,硕士.
[47]王玉峰,李立伟,邹积岩,廖敏夫,李洪春.纳秒级上升时间的高压脉冲群电源[J].电力系统自动化,2006,22:96-100.
[48]王飞跃.《自动化学报》第41卷卷首语[J].自动化学报,2015,01:3.
[49]董洁.锻造用钢锭凝固过程温度场、应力场的数值模拟及其应用[D].西安建筑科技大学,2005.
[50]刘静.WSN中基于概率聚类成簇的数据融合算法研究[D].湖南大学,软件工程,2011,硕士.