三維積體電路的TSV模型及熱管理技術研究

《三維積體電路的TSV模型及熱管理技術研究》是依託西安電子科技大學，由丁瑞雪擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：三維積體電路的TSV模型及熱管理技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：丁瑞雪
• 依託單位：西安電子科技大學

中文摘要

本項目針對銅TSV和碳納米管TSV技術，考慮不同TSV材料、長度、直徑、介電厚度和間距等因素，建立三維積體電路TSV通孔的電阻、電感、電容的解析模型及熱模型；考慮層間通孔和互連焦耳熱，獲得三維積體電路的熱解析模型和頂層互連線的熱解析模型，考慮三維積體電路的面積、通信頻寬和溫度的約束，套用多級路由技術實現三維積體電路熱通孔最最佳化分配技術，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基礎。

結題摘要

隨著傳統二維積體電路技術系統晶片的信號失真、延遲等問題日益嚴重，三維積體電路技術就成為被用來解決縮短連線、多級集成、改善性能和降低功耗等問題的有效方法之一，三維集成技術已經被國際上公認為積體電路技術的未來發展方向，也是摩爾定律繼續有效的有力保證。 基於銅TSV技術，電學特性方面研究了考慮MOS效應的錐形TSV的電容特性，同時分析了錐形TSV底部直徑、介電層厚度、介電常數、TSV高度、摻雜濃度等參數對錐形TSV電容特性的影響；研究了溫度對TSV寄生電阻的影響，考慮趨膚效應，建立了溫度相關TSV寄生電阻模型，分析了頻率和TSV結構參數對寄生電阻的影響。結果表明，隨著頻率和TSV半徑的增加，電阻溫度係數減小；採用保角變換法建立錐形TSV電容解析模型，結果表明氧化層電容和襯底電容的誤差率分別為1%和3%，驗證了模型的準確性，側面傾角為零時，模型可以套用到圓柱形TSV結構；提出了禁止差分矽通孔(Shield Differential Through-Silicon Via, SDTSV)結構並建立了它的等效電路模型，深入分析了SDTSV的電磁特性；建立了毫米波套用的空氣隙TSV等效電路模型、錐形TSV寄生電感模型。熱特性方面，研究了Cu和SiO2填充同軸TSV的熱性能，分析了金屬層厚度、介電層厚度、TSV高度等因素對同軸TSV熱性能的影響，結果表明金屬的填充尺寸對TSV熱性能影響較大；提出一種降低同軸TSV阻止區的方法，建立了同軸和同軸環形TSV熱應力解析模型，分析了銅的塑性、TSV材料及結構參數的影響。結果表明，同軸環形TSV與同軸TSV相比，阻止區減小了22%。基於碳納米管TSV技術，提出一種考慮溫度效應多壁碳納米管互連電導率模型；建立了單壁碳納米管束TSV的等效電路，並在局部互連、層間互連、全局互連層面與銅TSV進行了分析對比，結果表明單壁碳納米管束作為TSV互連具有明顯優勢；提出了無畸變TSV的概念，給出了無畸變TSV的設計要求和一種設計方法；研究了單壁碳納米管基TSV熱-機械特性。本項目的研究成果為三維積體電路技術的套用提供必要的理論基礎。