三维集成电路的TSV模型及热管理技术研究

Based on Copper filled and carbon nanotubes filled TSVs, considering different TSV fill materials, length, diameter, dielectric thickness and spacing, the analytical models of of the three dimensional integrated circuits TSV resistance, inductance, capacitance will be established. Considering the joule heating of through inter-layer vias and interconnect, thermal analytical models of three-dimensional integrated circuits and the top-level interconnect are accomplished. Due to the area , communications bandwidth, and temperature distribution of three dimensional integrated circuits, the optimization of placement technology of 3D IC thermal vias is completed adopting the multi-level routing technology. Our results will provide the necessary theoretical basis for the design and development of the three- dimensional integration technology.

本项目针对铜TSV和碳纳米管TSV技术，考虑不同TSV材料、长度、直径、介电厚度和间距等因素，建立三维集成电路TSV通孔的电阻、电感、电容的解析模型及热模型；考虑层间通孔和互连焦耳热，获得三维集成电路的热解析模型和顶层互连线的热解析模型，考虑三维集成电路的面积、通信带宽和温度的约束，应用多级路由技术实现三维集成电路热通孔最优化分配技术，为三维集成技术应用于未来集成电路设计提供必要的理论基础。

随着传统二维集成电路技术系统芯片的信号失真、延迟等问题日益严重，三维集成电路技术就成为被用来解决缩短连线、多级集成、改善性能和降低功耗等问题的有效方法之一，三维集成技术已经被国际上公认为集成电路技术的未来发展方向，也是摩尔定律继续有效的有力保证。. 基于铜TSV技术，电学特性方面研究了考虑MOS效应的锥形TSV的电容特性，同时分析了锥形TSV底部直径、介电层厚度、介电常数、TSV高度、掺杂浓度等参数对锥形TSV电容特性的影响；研究了温度对TSV寄生电阻的影响，考虑趋肤效应，建立了温度相关TSV寄生电阻模型，分析了频率和TSV结构参数对寄生电阻的影响。结果表明，随着频率和TSV半径的增加，电阻温度系数减小；采用保角变换法建立锥形TSV电容解析模型，结果表明氧化层电容和衬底电容的误差率分别为1%和3%，验证了模型的准确性，侧面倾角为零时，模型可以应用到圆柱形TSV结构；提出了屏蔽差分硅通孔(Shield Differential Through-Silicon Via, SDTSV)结构并建立了它的等效电路模型，深入分析了SDTSV的电磁特性；建立了毫米波应用的空气隙TSV等效电路模型、锥形TSV寄生电感模型。热特性方面，研究了Cu和SiO2填充同轴TSV的热性能，分析了金属层厚度、介电层厚度、TSV高度等因素对同轴TSV热性能的影响，结果表明金属的填充尺寸对TSV热性能影响较大；提出一种降低同轴TSV阻止区的方法，建立了同轴和同轴环形TSV热应力解析模型，分析了铜的塑性、TSV材料及结构参数的影响。结果表明，同轴环形TSV与同轴TSV相比，阻止区减小了22%。. 基于碳纳米管TSV技术，提出一种考虑温度效应多壁碳纳米管互连电导率模型；建立了单壁碳纳米管束TSV的等效电路，并在局部互连、层间互连、全局互连层面与铜TSV进行了分析对比，结果表明单壁碳纳米管束作为TSV互连具有明显优势；提出了无畸变TSV的概念，给出了无畸变TSV的设计要求和一种设计方法；研究了单壁碳纳米管基TSV热-机械特性。. 本项目的研究成果为三维集成电路技术的应用提供必要的理论基础。