三维集成电路热管理及TSV结构优化技术研究

The project will study the key underlying scientific issues of thermal management technology, thermo-mechanical performance of TSV-based three-dimensional integrated circuits, and TSV structure optimization for multi-objective constraint. Based on the air-gap TSV filled with various materials, such as copper, aluminum, tungsten, and so on, considering factors of thermal contact resistance and thermal wake, using the parameters of TSV structure and material, and composition and flow rate of fluid, create the heat dissipation model of three-dimensional integrated circuits, and then propose the best cooling solution. Based on the methods of finite element and theoretical analysis, model the thermo-mechanical performance of TSV, and study the quantitative impact of the TSV-induced thermal stress on the keep out zone, threshold voltage, saturated velocity and mobility of carriers of the surrounding devices. Through comparison and combination the advantages, including the thermo-mechanical performance, temperature characterization, and signal integrity, of various TSV structures, such as cylindrical, annular, coaxial, and tapered TSVs, optimize the TSV structure and size. The project will provide necessary theoretical and technical foundation for the development and application of TSV-based three-dimensional integrated circuits in future.

本项目研究基于TSV的三维集成电路热管理技术、热机械性能、以及基于多目标约束的TSV结构优化方面的关键基础科学问题。针对由铜、铝、钨等不同金属材料填充的气隙TSV，考虑接触热阻、热尾流等因素，基于气隙TSV材料参数与结构参数、流体成分及流动速度，建立三维集成电路散热模型，进而提出最佳散热方案。针对TSV的热机械特性进行有限元和理论建模，研究TSV在周围硅片引入的热应力对阻止区、阈值电压、载流子饱和速度、迁移率等器件性能的定量影响。对比研究圆柱型、环型、同轴、锥型等不同结构TSV的热机械性能、温度特性和信号完整性，结合不同结构的性能优势，优化TSV结构和尺寸，为基于TSV的三维集成电路的发展与应用提供必要的理论和技术基础。

虽然基于TSV的三维集成电路具有集成度高、异构集成、成本低等诸多优势，但是也面临着热密度过高散热困难、热机械可靠性差、应用领域有限等挑战。本项目研究三维集成电路热管理技术、TSV热机械性能、TSV结构优化及应用方面的关键基础科学问题，为三维集成电路在军事国防和民用等领域的进一步应用提供了重要的理论基础和技术储备，具有十分重要的科学意义。.在三维集成电路热管理方面，本项目提出了基于同轴TSV的3D IC的一维温度解析模型，给出了热管理设计准则。建立并验证了考虑横向散热的热阻网络模型和温度解析模型，研究了其温度特性。在TSV热机械性能方面，本项目提出并验证了环形TSV在硅衬底中引入热应力的解析模型，给出了晶体管距离TSV的安全距离，以避免晶体管性能退化。考虑硅衬底的各向异性和压阻效应，研究了同轴TSV在其周围硅衬底中引入的热应力对器件沟道载流子迁移率的影响，得到了为了提高热机械可靠性，nMOS和pMOS器件的最佳放置方式。证明了同轴环形TSV相对于传统同轴TSV优越的热机械性能。在TSV结构优化及应用方面，本项目提出了一种基于PN结的TSV结构及其制造方法。提出了一种带有重掺杂层的TSV结构及其制造工艺流程，验证了该结构在减少了TSV引入噪声的同时，提高了热机械性能。研究了同轴-环形TSV的微波特性。建立并验证了慢波模式下GS-TSV的等效模型。建立并验证了一种简单且精确的TSV电感器的电感解析模型。提出了基于TSV的巴特沃斯低通滤波器，其面积仅为0.01 mm2。