基于硅通孔（TSV）的三维集成电路（3D IC）关键特性分析

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-Dimensional Integrated Circuit,3D IC）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3D IC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Ansoft Q3D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3D Kane-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（Finite ElementMethod, 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3D IC最高层芯片温度解析模型，并研究了其温度特性。由于3D IC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3D IC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3D CMP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3D CMP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。