铜硅通孔热-电-磁特性及滤波器应用

The electrical models of the conventional copper TSVs will be researched by this project, which functions with different configurations and geometrical parameters. The electromagnetism, thermal, microwave and millimeter wave characteristics are also included. Based on the theoretical research, filters exploiting copper TSVs are studied. Considering two kinds of dielectric layers (heavily doped silicon and air-gap), kinds of parasitic effects of copper TSVs and the schematic equivalent electrical model are established including temperature effects, with taking into account the configurations, diameters, height, and aspect ratio of TSVs. Then we can optimize and choose the best configurations and materials to reduce the detrimental crosstalk and loss due to the TSV insertion. Based on the equivalent electrical model and T- or π-type models of copper TSVs, the high-speed signal integrity problems caused by TSVs and transmission lines on different chips in 3-D ICs are studied. Effects of geometrical parameters and materials on the microwave and millimeter wave characteristics of TSV channel, including insertion loss, return loss, power loss and propagation delay. Then technologies of the reduction of signal reflection problem in high-speed 3-D ICs are proposed to improve the signal transmission quality. Based on the equivalent electrical model of copper TSVs, TSVs together with other passive devices get the on-chip microwave and millimeter wave filters into reality, and provide the necessary theoretical basis for future 3D-IC design exploiting air-gap and heavily doped silicon TSV technologies.

本项目研究应用于三维集成电路中不同形状和结构的铜TSV建模、电磁特性、热特性分析以及TSV的微波、毫米波特性等内容。针对空气隙与重掺杂薄层硅两种不同绝缘层结构的TSV模型，考虑TSV的直径、深宽比、形状、数量以及耦合等因素，建立包含温度效应的空气隙与重掺杂薄层TSV的解析模型，研究几何参数和温度对TSV电热特性的影响。基于提出的TSV解析模型，研究由不同芯片层上的互连线与TSV构成的三维高速信号通道的信号完整性问题，分析几何参数和材料特性对信号通道的微波、毫米波特性的影响 ，提出降低信号反射的技术方案。基于获得的TSV解析模型，综合芯片上其它无源器件，研究三维片上滤波器实现技术，为空气隙TSV与重掺杂薄层硅TSV技术应用于未来三维集成电路设计提供必要的理论基础。

基于硅通孔的三维集成电路互连技术，将具有不同功能的异质芯片垂直堆叠在一起以实现三维互连，能够大幅度的降低全局互连线的长度、互连延迟、各种寄生效应以及功耗等。考虑到TSV对3D IC的重要性，新型TSV结构及特性研究变得非常重要。. 本项目提出了空气隙同轴TSV，在考虑了金属-绝缘体-半导体结构、衬底涡流损耗、电流趋肤效应以及温度的影响后，求得了此结构的寄生参数，并建立了考虑温度效应的等效电路，模型可以模拟100MHz到100GHz的传输情况，适用范围较广。. 提出了考虑键合凸点的GS(Ground-Signal, GS)型TSV，构建了宽频带等效电路模型。结合TSV的物理结构模型，综合考虑高频传输中的趋肤效应、TSV金属导体和硅衬底之间形成的金属-氧化物-半导体效应、键合凸点引入的寄生效应、硅衬底的涡流损耗以及临近效应，提取了等效阻抗和等效导纳参数，构建了π型等效电路模型。.提出了包含微凸块（Bump）的TSV以及RDL结构，充分考虑了TSV信号通道中各部分的耦合效应，提取出了电阻、电感、电容、电导（RLCG）等众多寄生参数，并且结合TSV信号通道的三维模型结构，给出了等效电路模型。根据不同的RDL互连线长度，可以分别使用不同的等效电路模型。. 依据矩形波导的传输特，提出了滤波器模型结构与矩形波导的尺寸等效关系，并在三维电磁仿真软件HFSS中构建了耦合谐振带通滤波器设计参数的提取模型，通过仿真分析给出了单腔谐振频率、电磁耦合系数、单腔双模腔体尺寸及耦合系数、端口过渡结构及其外部品质因数随各自模型参数的变化曲线。根据计算得出的耦合矩阵，在HFSS中建立了单层直线型滤波器、单层折叠型滤波器和多层折叠型滤波器仿真模型，且均为一般Chebyshev特性响应的非交叉耦合滤波器，并建立了单层双模滤波器和具有广义Chebyshev特性响应的多层折叠型交叉耦合滤波器模型，且在滤波器的通带两侧均有传输零点，提高了带外抑制能力。. 本项目为基于硅通孔的硅基可配置微波滤波器以及高速三维集成电路的发展与应用提供了必要的理论和技术基础。