三维功率系统热管理研究

从第一块集成电路发明至今,集成电路技术的进步基本遵循着摩尔定律。随着特征尺寸的进一步缩小,集成规模的进一步扩大,晶体管的物理尺寸已接近器件技术极限,简单通过缩小特征尺寸提升性能的空间越来越小,摩尔定律面临严峻挑战。又由于材料性质的限制,导致制造成本和风险不断加大。如今,人们对电子产品大容量、多功能、高性能的追求,传统二维集成技术导致的互连线信号延迟、芯片功耗密度不断攀升等一系列问题日益突出,集成电路技术已进入“后摩尔时代”。三维集成技术是后摩尔时代应对集成技术面临挑战的重要技术之一。三维集成是一种系统级架构方法,它采用在垂直方向上堆叠多个器件、芯片或模块,在保证芯片面积不变的前提下提高芯片上的器件数目,使摩尔定律得以延续;而且三维集成还可以构建不同材料、不同结构及不同功能器件的高复杂性系统。其中,穿硅通孔(TSV)技术是三维集成的关键核心技术,芯片层间通过高速且高密度的硅通孔相连,有效缩短了片内互连线长度。三维集成技术在提高芯片集成度的同时缓解互连线延迟,允许更高的运行速度和更低的功率消耗,系统性能显著提高。将三维集成技术应用于功率系统,集成度得以显著提高。三维功率集成与二维功率集成相比,单位面积内的功耗密度显著增大,且三维堆叠层间低热导率介质层的高热阻,导致三维功率集成电路所产生的热量不能及时从芯片内部散发出去,在发热量大和散热难的双重压力下,三维功率集成的热可靠性问题更加严峻。三维功率集成系统的热管理,不仅要有正确描述系统热行为的热模型,还需有将系统工作温度控制在可控范围内的散热技术,才能保证三维功率系统工作的热可靠性。本论文围绕三维功率集成的热管理开展了一系列的研究工作,主要内容如下:1.散热硅通孔的制造工艺及其热应力的分析研究。通过对国内大量半导体厂商的工艺调研,完成了内嵌散热硅通孔(TTSV)的工艺制造,得到了一套盲孔刻蚀法、后通孔工艺散热硅通孔的工艺制造方法和工艺参数。在各种硅通孔的热应力模型基础上,使用COMSOL仿真软件对散热硅通孔进行了建模,用有限元法对模型进行大量验证,并根据TSV热应力引起载流子迁移率变化率为5%的评判标准,得出了深度为200μm,直径从10μm到60μm的TTSV与周围器件的安全距离。2.三维功率系统热传导模型研究。根据三维功率集成系统的结构特点和发热机理,提出了一种较为精密的一维稳态热阻模型和稳态热设计方法,并用COMSOL仿真软件验证了模型和设计方法的可行性。一维稳态热阻模型建立的过程是:首先对功率器件进行了热单元划分,将功率器件划分为多个功率块,散热硅通孔均匀地放置在功率块周围,一个功率块和一个TTSV构成一个微单元;然后假定纵向热传导路径完全被阻断情况下,建立一个微单元的等效热阻模型,最后再对热阻模型进行局部热路、横向热路、TSV绝缘套的修正。3.基于三维集成技术的功率VDMOS器件的设计和制造。提出了一种用于三维MOSFET器件漏极持续电流的评估方法,以功率VDMOS器件为对象在Silvaco仿真平台上进行了仿真验证;以一维稳态热阻模型为指导,将100V、60A的功率VDMOS器件平分制造在两个平面芯片上,并把每个平面芯片上的VDMOS并联元胞分割为多个功率块,在功率块之间的安全区域嵌入大量散热硅通孔实现对三维功率VDMOS器件的热管理,仿真和实验结果表明,器件电学性能良好。4.三维功率集成的工艺制造技术研究。设计了一套制作三维功率MOSFET器件的工艺流程,并在已制作功率MOSFET器件的芯片层上对TSV制作、层间堆叠键合等关键工艺进行了实验验证,并采用红外热像仪对样品进行了TSV热分布实验,结果表明TSV能快速、有效地传递热量,样品中的TTSV布局合理。