三維積體電路的矽通孔串擾噪聲分析與最佳化技術研究

《三維積體電路的矽通孔串擾噪聲分析與最佳化技術研究》是錢利波為項目負責人，寧波大學為依託單位的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：三維積體電路的矽通孔串擾噪聲分析與最佳化技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：錢利波
• 依託單位：寧波大學

項目摘要

片上系統工作速度不斷增加與通孔分布密度急劇上升，導致矽通孔（TSV）串擾噪聲成為影響三維積體電路時序性能、信號完整性與電源完整性的重要因素。本項目從時域與頻域兩個方面研究了通孔串擾的耦合機理與相關最佳化技術。通過提取銅與碳納米管TSV頻率相關的電阻、電感、電容、電導等效電學參數，建立TSV傳輸線模型；基於ABCD參數矩陣與均勻線電流源近似方法，研究適用於銅與碳納米管通孔互連結構的TSV-TSV耦合與TSV-有源電路耦合的串擾噪聲分布解析模型，並與三維全波電磁仿真器HFSS的仿真結果進行比較驗證；在此基礎上分析隔離介質、通孔尺寸、孔間距、襯底電導率、管束金屬密度與平均自由程等關鍵工藝設計參數對於峰值串擾噪聲與耦合係數的影響；研究增加禁止通孔與同軸矽通孔設計等噪聲最佳化設計方法，仿真串擾的時域與頻率回響。本項目的研究成果可為三維集成技術套用於未來積體電路設計提供必要的理論和技術基礎。

結題摘要

片上系統工作速度不斷增加與通孔分布密度急劇上升，導致矽通孔（TSV）串擾噪聲成為影響三維積體電路時序性能、信號完整性與電源完整性的重要因素。本項目從時域與頻域兩個方面研究了通孔串擾的耦合機理與相關最佳化技術。 通過提取銅與碳納米管TSV頻率相關的電阻、電感、電容、電導等效電學參數，建立銅與碳納米管矽通孔互連的分布傳輸線模型與集總耦合解析模型，分析通孔材料參數與物理參數對於通孔傳輸損耗與耦合噪聲影響，提出基於空氣隔離的矽通孔傳輸性能最佳化技術與新型二氧化矽襯底的耦合噪聲抑制方法，上述的最佳化策略顯著降低了矽通孔的傳輸損耗與耦合噪聲，提高矽通孔互連的開眼面積。該兩項研究成果已經分別發表於SCI檢索期刊《IEEE Microwave and Wireless Component Letters》，24卷，12期，2014與《Microelectronics Journal》，46卷， 2015。根據提取的RLCG等效電學參數，採用傳輸線理論，分別建立了混合碳納米矽通孔與多層石墨烯納米帶互連的耦合串擾解析模型，在時域與頻域範圍下，研究了隔離介質厚度、碳納米管分布密度、襯底電導率等設計參數及接觸類型、邊沿粗糙度等非理想因素對於碳納米管互連插入損耗、特徵阻抗及石墨烯納米帶互連的傳輸增益、串擾延時等電學性能的影響，並研究差分信號模式下矽通孔互連的信號完整性問題。該兩項研究成果已經分別發表於SCI檢索期刊《IEEE Transactions on Nanotechnology》，15卷，2期，2016與《IEEE Transactions on Nanotechnology》，15卷，5期， 2016。提出採用低成本與低損耗的玻璃基板代替傳統的矽襯底，構建基於玻璃襯底的三維集成技術；在此基礎上建立了玻璃通孔的分布傳輸線模型，分析不同設計參量對於玻璃通孔信號傳輸特性影響；並採用商用仿真軟體COMSOL評估基於玻璃基板的三維集成系統的電熱特性。該研究成果已經發表於SCI檢索期刊《IEEE Transactions on Nanotechnology》，16卷，6期，2017。 本項目的研究成果可為三維集成技術套用於未來積體電路設計提供必要的理論和技術基礎。