新型硅通孔(TSV)的電磁特性研究.pdf

1、三維集成電路(Three-Dimensional Integrated Circuit，3D IC)就是將多個(gè)芯片或電路模塊在垂直方向堆疊起來，并利用硅通孔(Through-Silicon Via，TSV)實(shí)現(xiàn)不同層的器件之間的電學(xué)連接，共同完成一個(gè)或多個(gè)功能。它具有減小互連線長度、減小芯片面積、提高互連線密度、實(shí)現(xiàn)異質(zhì)集成等優(yōu)點(diǎn)。TSV是實(shí)現(xiàn)3D IC的關(guān)鍵組件，它的電磁特性對(duì)3D IC的總體性能具有決定性作用。本文深入研究了新型TS

2、V的電磁特性，主要的研究成果如下:
　　1.提出了圓錐形硅通孔(Tapered-Through-Silicon Via, T-TSV)的氧化層電容和硅襯底電容的精確計(jì)算公式。T-TSV屬于非均勻三維結(jié)構(gòu)，所以其電場(chǎng)也非均勻分布。為了得到精確的電容計(jì)算公式，在T-TSV局部電場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的基礎(chǔ)之上，本文采用了保角變換法和微積分法。將提出的計(jì)算公式和三維準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)寄生參數(shù)提取軟件Q3D得到的結(jié)果加以比較，結(jié)果表明氧化層電容和硅襯底

3、電容的最大相對(duì)誤差分別只有1％和3％。當(dāng)T-TSV的傾角等于零時(shí)，提出的電容計(jì)算公式退化為圓柱形TSV的電容計(jì)算公式。
　　2.建立了T-TSV的等效電路模型。鑒于T-TSV尺寸在長度方向上的漸變特性，將T-TSV在長度方向上等分，等分后的兩部分均可當(dāng)作近似圓柱形TSV處理。然后仿照?qǐng)A柱形TSV的等效電路結(jié)構(gòu)并結(jié)合T-TSV的電阻-電感-電容-電導(dǎo)(Resistance-Inductance-Capacitance-Conduct

4、ance，RLCG)參數(shù)模型分別建立了這兩部分T-TSV的等效電路模型。最后將兩部分的T-TSV等效電路模型串聯(lián)得到完整的T-TSV等效電路模型。使用三維全波電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS驗(yàn)證等效電路模型的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明建立的等效電路模型在10GHz頻率范圍內(nèi)具有較高的準(zhǔn)確度。進(jìn)一步使用建立的等效電路模型分析了T-TSV的底面半徑、氧化層厚度、信號(hào)和地T-TSV之間的距離、硅襯底的電導(dǎo)率對(duì)其S參數(shù)的影響。
　　3.提出了屏蔽差分硅通孔(

5、Shield Differential Through-Silicon Via，SDTSV)結(jié)構(gòu)并建立了它的等效電路模型。SDTSV的結(jié)構(gòu)與同軸TSV類似，不過它在中心使用兩根TSV傳輸差分信號(hào)。它的外圍金屬層既作為抑制周圍電磁干擾的屏蔽層又作為內(nèi)部差分傳輸線的返回通路。相比同軸TSV，SDTSV不需要額外的工藝步驟，并且它兼具同軸型TSV和差分TSV的優(yōu)點(diǎn)。由于原始的SDTSV等效電路模型比較復(fù)雜，不便于應(yīng)用，所以本文進(jìn)一步通過“Δ-

6、Y-Δ”變換法對(duì)其進(jìn)行簡化得到了SDTSV的簡化等效電路模型。由HFSS仿真和簡化等效電路模型得到的SDTSV的S參數(shù)在高達(dá)100GHz的頻率范圍內(nèi)匹配良好。
　　4.提出了SDTSV的RLCG參數(shù)全波提取方法。首先將SDTSV全波仿真得到的S參數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換為ABCD矩陣。然后根據(jù)SDTSV的理論ABCD矩陣得到它的奇偶模特性阻抗和傳播常數(shù)。最后根據(jù)SDTSV奇偶模特性阻抗和傳播常數(shù)的理論表達(dá)式得到SDTSV的RLCG參數(shù)全波提取表

7、達(dá)式。由HFSS全波提取和理論模型計(jì)算得到的SDTSV的RLCG參數(shù)在高達(dá)100GHz的頻率范圍內(nèi)匹配良好。另外，提出的SDTSV的RLCG參數(shù)全波提取方法適合于所有差分傳輸線。
　　5.使用簡化的SDTSV的等效電路模型深入分析了SDTSV的電磁特性。在實(shí)際應(yīng)用中，最關(guān)心的是SDTSV的差分插入損耗的幅度和差分阻抗的實(shí)部。本文主要分析了的內(nèi)部兩根差分信號(hào)線的半徑、氧化層的厚度、兩根信號(hào)線之間的距離、外部屏蔽層的半徑和硅襯底的電導(dǎo)

8、率對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的影響。這為將來在3D IC中使用SDTSV提供有用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
　　6.提出了無畸變TSV的概念并給出了其設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方法。根據(jù)傳輸線理論推導(dǎo)得到了無畸變TSV的RLCG參數(shù)應(yīng)滿足的關(guān)系式即設(shè)計(jì)要求。使用部分元等效電路(Partial Element Equivalent Circuit，PEEC)法計(jì)算多壁碳納米管(Multi-WalledCarbon Nanotube，MWCNT)束的有效電阻和電感并和傳統(tǒng)的