三维集成电路的硅通孔串扰噪声分析与优化技术研究

Due to the continuous increase in operating speed of system on chip and a sharp rise in TSV distribution density, TSV noise coupling is expected to be a major concern for timing performance,signal integrity and power integrity in 3-D ICs design.This project studies TSV coupling mechanisim and related optimization techniques from the two aspects of time- and frequency- domain.Firstly, by extracting the accurate frequency dependent resistance inductance capacitance conductance (RLCG) parameters for Cu and carbon nanotube (CNT) through silicon vias (TSVs), we develop a distributed TSV transmission line model.Secondly, based on the ABCD parameter matrix approach and uniform line current source approximation, the compact noise coupling models from TSV to TSV and TSV to the active circuits are proposed. The proposed models are verified againest a commercial full wave electromagnetic simulation tool HFSS and subsquently employed for estimating the effects of various design and process parameters involved on the coupling coefficient and peak crosstalk noise, such as isolation layer thickness, TSV size, TSV-TSV and TSV-active circuits spacing, silicon resistivity, metallic density and electron mean free paths of CNT.Two approaches are proposed to alleviate TSV crosstalk coupling noise,namely TSV shiedling and coaxial TSV design.The frequency- and time- domain responses are given for demonstrating the effectiveness of that both approaches in reducing the TSV caused coupling. Research results in this project can provide necessary theoretical and technical support for the application of 3-D integration in the future integrated circuits design.

片上系统工作速度不断增加与通孔分布密度急剧上升，导致硅通孔（TSV）串扰噪声成为影响三维集成电路时序性能、信号完整性与电源完整性的重要因素。本项目从时域与频域两个方面研究了通孔串扰的耦合机理与相关优化技术。通过提取铜与碳纳米管TSV频率相关的电阻、电感、电容、电导等效电学参数，建立TSV传输线模型；基于ABCD参数矩阵与均匀线电流源近似方法，研究适用于铜与碳纳米管通孔互连结构的TSV-TSV耦合与TSV-有源电路耦合的串扰噪声分布解析模型，并与三维全波电磁仿真器HFSS的仿真结果进行比较验证；在此基础上分析隔离介质、通孔尺寸、孔间距、衬底电导率、管束金属密度与平均自由程等关键工艺设计参数对于峰值串扰噪声与耦合系数的影响；研究增加屏蔽通孔与同轴硅通孔设计等噪声优化设计方法，仿真串扰的时域与频率响应。本项目的研究成果可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和技术基础。

片上系统工作速度不断增加与通孔分布密度急剧上升，导致硅通孔（TSV）串扰噪声成为影响三维集成电路时序性能、信号完整性与电源完整性的重要因素。本项目从时域与频域两个方面研究了通孔串扰的耦合机理与相关优化技术。. 通过提取铜与碳纳米管TSV频率相关的电阻、电感、电容、电导等效电学参数，建立铜与碳纳米管硅通孔互连的分布传输线模型与集总耦合解析模型，分析通孔材料参数与物理参数对于通孔传输损耗与耦合噪声影响，提出基于空气隔离的硅通孔传输性能优化技术与新型二氧化硅衬底的耦合噪声抑制方法，上述的优化策略显著降低了硅通孔的传输损耗与耦合噪声，提高硅通孔互连的开眼面积。该两项研究成果已经分别发表于SCI检索期刊《IEEE Microwave and Wireless Component Letters》，24卷，12期，2014与《Microelectronics Journal》，46卷， 2015。根据提取的RLCG等效电学参数，采用传输线理论，分别建立了混合碳纳米硅通孔与多层石墨烯纳米带互连的耦合串扰解析模型，在时域与频域范围下，研究了隔离介质厚度、碳纳米管分布密度、衬底电导率等设计参数及接触类型、边沿粗糙度等非理想因素对于碳纳米管互连插入损耗、特征阻抗及石墨烯纳米带互连的传输增益、串扰延时等电学性能的影响，并研究差分信号模式下硅通孔互连的信号完整性问题。该两项研究成果已经分别发表于SCI检索期刊《IEEE Transactions on Nanotechnology》，15卷，2期，2016与《IEEE Transactions on Nanotechnology》，15卷，5期， 2016。提出采用低成本与低损耗的玻璃基板代替传统的硅衬底，构建基于玻璃衬底的三维集成技术；在此基础上建立了玻璃通孔的分布传输线模型，分析不同设计参量对于玻璃通孔信号传输特性影响；并采用商用仿真软件COMSOL评估基于玻璃基板的三维集成系统的电热特性。该研究成果已经发表于SCI检索期刊《IEEE Transactions on Nanotechnology》，16卷，6期，2017。. 本项目的研究成果可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和技术基础。