先進三維集成電路(3D-IC)中硅通孔(TSV)和氮化鎵(GaN)場效應管中的電-熱-力特性研究.pdf

1、半個多世紀以來，一大批新技術、新結構和新材料的出現和應用使得半導體技術不斷向前躍進。其中，三維集成的關鍵技術硅基孔(Throug Silicon Via, TSV)技術和GaN材料的的出現以其獨特的優(yōu)勢和性能引起了人們極大地關注。然而這些新技術和材料的應用依然有很多挑戰(zhàn)性的問題亟待解決。特別是作為3D集成互連的TSV技術，其等效電路的提取工作對TSV電路的性能研究有著重要作用。另外，在TSV使用過程中，通常會遇到周期性電磁脈沖(EMP)

2、注入的情況，TSV互連的電熱力耦合響應將嚴重威脅到集成電路的正常工作和其可靠性。此時，材料的物理參數是溫度的函數，TSV互連的電-熱-力耦合響應變得更加復雜。而基于GaN材料的高功率場效應管的應用，由門電路引起的焦耳熱損耗也將引起一系列電熱力耦合的可靠性問題。
　　 本文將以半導體知識、電路知識、電場、熱傳導、動力學知識，結合解析和數值計算的方法，詳細研究TSV技術和GaN器件在應用過程中所遇到的電、熱和力多物理場耦合問題。

3、r>　　 首先，推導并提取了單根TSV的等效電路參數，分析了這些電路參數在工作電壓和環(huán)境溫度對參數提取的影響。同時利用部分等效元電路(PEEC)法和等效電路方法在考慮溫度和頻率影響的前提下，提取了TSV陣列溫變和頻變的電阻、電感、電容和電導參數。同時，本文利用這些電路參數研究了TSV陣列的特征阻抗和插入損耗，并與商業(yè)軟件的數值結果進行了對比驗證。
　　 其次，本文從電場、熱場和力場相互耦合的機制出發(fā)，利用目前成熟的有限元技術(

4、FEM)開發(fā)了改進的電-熱-力多物理場耦合算法，并與相應的解析解和商業(yè)軟件進行了對比驗證。在考慮材料物理參數溫變效應的情況下，該算法準確快速的求解得到電-熱-力多物理場之間的耦合響應。這些溫變的材料參數包括電導率、熱導率、楊氏模量和熱膨脹系數。本文利用該多物理場耦合算法系統地分析了單層TSV、多層TSV和TSV陣列在周期EMP作用下的電熱力瞬態(tài)響應。并對EMP波形、TSV材料和其結構參數等影響其電熱力響應的因素進行了詳細分析。此外，本文

5、利用該多物理場耦合算法對典型基于GaN的場效應管(FET)在不考慮材料溫變特性的電熱分析進行了重復驗證。在此基礎上，研究了具有不同單元個數的GaN-FET在考慮材料溫變特性時的電熱穩(wěn)態(tài)響應，并分別研究了它們在人體ESD，周期EMP和雙指數EMP注入情況下的瞬態(tài)電-熱-力響應。
　　 最后，本文利用解析和開發(fā)的多物理場耦合算法研究了TSV和GaN-FET的熱阻和平均功率容量參數受到結構參數變化和材料溫變效應的影響。同時，對于一些簡