三维集成电路的电磁问题分析和关键技术研究

This project, which is aligned with our national strategy to foster first-class semiconductor industries, systematically investigates the key challenging electromagnetic problems facing a new wave of frontier microelectronic technologies, i.e., 3D-IC-SI (three-dimensional integrated-circuit and its system integration).In this project, the multi-physics modeling algorithms will be developed, which encompass: 1) multi-scale method for the modeling of the interaction among the electromagnetic wave and silicon carrier; 2) thermal-electrical/electromagnetic coupling method. The above modeling methodologies will be applied to investigate the multiple coupling mechanism and identify coupling paths through which electromagnetic waves propagate to and affect the micro/nano structures and devices in 3D integrated circuits. At the same time, we will carry on the novel experimental method for 3D system integration testing. Moreover, we will develop multi-layered and multi-modal vertical interconnect to achieve low loss for high speed signals, and perform electromagnetic-thermal co-design to develop novel hybrid electromagnetic shielding and heat dissipation structures for 3D integrated circuits and systems. We believe that the achievements from this project, including proprietary core technologies, novel designs, and manpower training will contribute fundamentally to our national strategic development in the 3D integrated circuits in specific and microelectronic industries in general.

本项目围绕国家对集成电路产业发展的重大需求，瞄准微电子业中三维集成电路系统级封装关键技术，借助模拟和实验手段系统并深入地分析其所面临的复杂电磁问题。首先将重点研究三维集成电路系统封装中的电磁波与半导体器件中的载流子、电磁与热耦合机理及建模方法,并开展基于硅通孔的系统级封装电磁特性试验研究。在此基础之上,进而研发多层、多模垂直互连结构实现高频信号的低损耗传输,同时设计新型的电磁屏蔽-散热多功能一体结构，综合改善三维集成系统封装内的电磁环境及热分布。为三维集成电路设计提供系统级封装的电磁理论、分析方法、测试技术及结构优化设计工具，最终为我国三维集成电路发展提供自主知识产权的关键核心技术及设计理论。

随着晶体管的特征尺寸不断减小，互连线性能的瓶颈效应，以及摩尔定律对尺寸极限的制约，呼唤一种新的集成电路系统架构的出现，以垂直互连为基础三维集成电路。三维集成电路技术，已成为国际公认的微电子业中可持续发展的关键性前沿技术，而硅通孔结构作为三维集成电路核心技术，更是成为国际研究的热点。本项目针三维集成电路封装存在的关键电磁科学问题进行研究，该项目的主要研究内容及重要成果为：.1）开发了三维集成电路系统封装中的电磁波与半导体器件中的载流子的耦合机理及建模方法，得到的重要内容和关键数据包括硅通孔周围耗尽层电容随偏压变化关系、金属-半导体欧姆接触的应用条件和对应的等效模型、利用重掺杂环构造地硅通孔-硅欧姆接触的阈值与该结构的屏蔽效能，以及利用金属-半导体欧姆接触在“再布线层”上应用的屏蔽效能，并获得实验数据，其科学意义在于为给硅通孔建立精细模型、设计及使用基于金属-半导体欧姆接触的屏蔽结构提供了详尽的科学依据；.2）开发了电磁与热耦合机理及建模方法，得到的重要内容和关键数据包括应用新型热界面材料的封装性能的实验数据，以及应用机器学习进行电、热性能优化的计算时间成本与优化效果，其科学意义在于为三维集成电路的电磁与热协同优化提供了新的思路；.3）开展了基于硅通孔的系统级封装电磁特性试验研究，得到的重要内容和关键数据包括使用“L-2L”的去嵌入方法测量多端口硅通孔电特性时需要注意的问题、加入屏蔽硅通孔对测试结构的影响以及最终获得的较为准确的多端口硅通孔的电特性测试结构和实验数据，其科学意义在于提供了一种较为准确的多端口硅通孔电特性的测试方法。