纳米集成电路有源转接板电磁干扰机制与抑制方法

Active interposers made of integrated circuit (IC) on 14nm or more advanced technical nodes in combination with through-substrate-vias, can provide power management, switching network and co-processing to the logic-memory stacks, radio frequency/analog/optoelectronic devices and non-circuit devices like sensors carried by itself. The integration of these elements may produce a 3D module with powerful computing, multi-dimensional sensing and communication capabilities, effectively supporting the medium and long term development of three dimensional (3D) high density heterogeneous integration and eventually the More-than-Moore strategy implementation. The size, pitch of its vertical vias and the structural features of the complex 3D circuit networks formed by the vias and IC are far different from current semiconductor or dielectric interposers; therefore a series of new challenges concerning the electromagnetic (EM) interference (EMI) mechanisms and corresponding rejection methods, have emerged and become the R&D bottleneck. Thus the following topics will be investigated: 1) interaction between EM field/wave and electrical carriers and its impact on noise coupling properties of interposer substrate; 2) new EM phenomena induced by the size effect of dense micron-scale via array in combination with IC interconnects and redistribution layers (RDL), and the interference mechanism; 3) efficient physical modeling, simulation and impact evaluation methods for EMI inside the complex interconnect network consisting of micro-to-nano scale vias, RDLs, IC interconnects and transistors; 4) the blocking/shielding of EMI and enhancement of anti-interference capability of victim circuitry; 5) extraction method of eventual analytical, circuit and 3D EM models for highly efficient interconnect design and simulation, the physical design rules and evaluation techniques.

14nm及更先进集成电路（IC）与基板通孔结合而成的有源转接板可为所承载的逻辑IC—存储器叠层、模拟/射频/光电器件和传感器等提供电源管理、通信交换和协同计算功能，相应集成组件具备强大计算、多维感知和通信能力，有力支撑三维高密度异质集成的未来发展及拓展摩尔定律战略的实施。其通孔尺寸、节距及与IC构成的复杂三维电路网络的结构特征迥异于现有半导体或介质转接板，因而在电磁干扰机制和抑制方法方面存在新的科学问题，成为发展瓶颈。相应开展如下研究：1）基板中电磁场—载流子互作用机制及其对基板噪声耦合特性影响；2）密集微米级通孔阵列、IC互连和再分布线尺寸效应引入的电磁传播新现象及其干扰机制；3）通孔与IC互连、再分布线、晶体管构成的跨微纳尺度高密度网络中电磁干扰的物理建模、仿真与评估方法；4）干扰屏蔽及受扰电路抗干扰能力提升方法；5）互连设计用解析、电路和物理模型的提取，相应物理设计规则和评价方法。

先进集成电路（IC）与基板通孔结合而成的有源转接板具备通信交换、电源调控及协同计算功能，为高性能三维异质集成多芯片组件研发以及拓展摩尔定律战略实施提供全新途径。其结构特征和电磁物理特性迥异于现有半导体或介质无源转接板，在电磁干扰机制和抑制方法方面存在新的科学问题，成为发展瓶颈。本项目针对上述挑战，认真依照计划书要求开展研究攻关，完成全部研究内容，适当拓展部分研究内容；实现了研究目标，在各关键科学问题和技术难点上均取得突破。主要研究内容、重要结果及其科学意义可归纳为：1）通过基板中电磁场—载流子互作用机制及其对基板电磁耦合特性影响规律的分析，揭示了影响硅通孔电路参数的少子再分布等物理效应，提出了更为精确的等效模型；2）系统分析了跨微纳尺度互连尺寸效应引入的电磁传播新现象及其干扰机制、高密度互连网络中电磁场分布与波传播的行为规律，揭示了信号/电源完整性/电磁干扰（SI/PI/EMI）三者的关联性，有针对性地建立了建模、仿真与评估方法；3）针对电磁干扰与传输噪声抑制需求，提出了具有抑噪能力的互连结构、信号编码方式、功能器件设计，完成了验证；4）完成互连解析、电路和物理模型的提取，提炼出供不同层次物理设计与综合使用的指导原则和性能评价方法；5）完成电磁传播分析求解器算法与原型程序开发，制作转接板传输特性分析及抑噪功能器件验证样品并完成实测，设计了有源转接板通信交换功能芯片并进行了流片。总体上项目实施揭示了先进IC有源转接板电磁干扰相关机制，掌握了相应的建模、干扰抑制方法，突破了设计优化及其分析评测技术，建立了坚实的技术基础。技术成果应用于某型转接板集成计算组件的电设计工作中；项目研制工作基础上提炼的微系统与三维集成领域发展思路设想在工信部刊物发表，供国家有关部门及领域专家决策参考，成员应邀在国内重要学术期刊上和产业论坛上发表相关展望综述。