三维功率系统热管理研究

摘要

从第一块集成电路发明至今，集成电路技术的进步基本遵循着摩尔定律。随着特征尺寸的进一步缩小，集成规模的进一步扩大，晶体管的物理尺寸已接近器件技术极限，简单通过缩小特征尺寸提升性能的空间越来越小，摩尔定律面临严峻挑战。又由于材料性质的限制，导致制造成本和风险不断加大。如今，人们对电子产品大容量、多功能、高性能的追求，传统二维集成技术导致的互连线信号延迟、芯片功耗密度不断攀升等一系列问题日益突出，集成电路技术已进入“后摩尔时代”。三维集成技术是后摩尔时代应对集成技术面临挑战的重要技术之一。三维集成是一种系统级架构方法，它采用在垂直方向上堆叠多个器件、芯片或模块，在保证芯片面积不变的前提下提高芯片上的器件数目，使摩尔定律得以延续；而且三维集成还可以构建不同材料、不同结构及不同功能器件的高复杂性系统。其中，穿硅通孔（TS V）技术是三维集成的关键核心技术，芯片层间通过高速且高密度的硅通孔相连，有效缩短了片内互连线长度。三维集成技术在提高芯片集成度的同时缓解互连线延迟，允许更高的运行速度和更低的功率消耗，系统性能显著提高。 将三维集成技术应用于功率系统，集成度得以显著提高。三维功率集成与二维功率集成相比，单位面积内的功耗密度显著增大，且三维堆叠层间低热导率介质层的高热阻，导致三维功率集成电路所产生的热量不能及时从芯片内部散发出去，在发热量大和散热难的双重压力下，三维功率集成的热可靠性问题更加严峻。三维功率集成系统的热管理，不仅要有正确描述系统热行为的热模型，还需有将系统工作温度控制在可控范围内的散热技术，才能保证三维功率系统工作的热可靠性。本论文围绕三维功率集成的热管理开展了一系列的研究工作，主要内容如下： 1.散热硅通孔的制造工艺及其热应力的分析研究。通过对国内大量半导体厂商的工艺调研，完成了内嵌散热硅通孔（TTSV）的工艺制造，得到了一套盲孔刻蚀法、后通孔工艺散热硅通孔的工艺制造方法和工艺参数。在各种硅通孔的热应力模型基础上，使用COMSOL仿真软件对散热硅通孔进行了建模，用有限元法对模型进行大量验证，并根据TS V热应力引起载流子迁移率变化率为5%的评判标准，得出了深度为200μm，直径从10μm到60μm的TTSV与周围器件的安全距离。 2.三维功率系统热传导模型研究。根据三维功率集成系统的结构特点和发热机理，提出了一种较为精密的一维稳态热阻模型和稳态热设计方法，并用COMSOL仿真软件验证了模型和设计方法的可行性。一维稳态热阻模型建立的过程是：首先对功率器件进行了热单元划分，将功率器件划分为多个功率块，散热硅通孔均匀地放置在功率块周围，一个功率块和一个TTSV构成一个微单元；然后假定纵向热传导路径完全被阻断情况下，建立一个微单元的等效热阻模型，最后再对热阻模型进行局部热路、横向热路、TSV绝缘套的修正。 3.基于三维集成技术的功率VDMOS器件的设计和制造。提出了一种用于三维MOSFET器件漏极持续电流的评估方法，以功率VDMOS器件为对象在Silvaco仿真平台上进行了仿真验证；以一维稳态热阻模型为指导，将100V、60A的功率VDMOS器件平分制造在两个平面芯片上，并把每个平面芯片上的VDMOS并联元胞分割为多个功率块，在功率块之间的安全区域嵌入大量散热硅通孔实现对三维功率VDMOS器件的热管理，仿真和实验结果表明，器件电学性能良好。 4.三维功率集成的工艺制造技术研究。设计了一套制作三维功率MOSFET器件的工艺流程，并在已制作功率MOSFET器件的芯片层上对TSV制作、层间堆叠键合等关键工艺进行了实验验证，并采用红外热像仪对样品进行了TSV热分布实验，结果表明TSV能快速、有效地传递热量，样品中的TTSV布局合理。

目录

第一章 绪 论

1.1功率系统概述

1.1.1功率半导体器件

1.1.2功率半导体集成技术

1.2三维集成

1.2.1三维集成概述

1.2.2国内外三维集成研究现状

1.2.3三维集成的关键制造技术

1.2.4三维集成的热管理技术

1.3本论文的主要工作

第二章 固体器件导热理论和散热设计

2.1固体导热理论基础

2.1.1热传递的机理

2.1.2导热基本定律

2.1.3一维稳态导热分析

2.2半导体功率器件的热特性

2.2.1半导体功率器件的功率损耗

2.2.2半导体功率器件的散热设计

2.3三维集成电路的热特性

2.3.1三维集成电路的热模型

2.3.2三维集成电路的散热设计

2.4本章小结

第三章 基于盲孔法的散热TSV的研究

3.1 TTSV的工艺研究

3.1.1盲孔的干法刻蚀

3.1.2 TTSV绝缘层的沉积

3.1.3 TTSV阻挡层和种子层的沉积

3.1.4 TTSV中铜的电镀

3.2 TTSV热应力研究

3.2.1 TSV热应力分析模型研究

3.2.2 TTSV热应力的实验验证

3.3本章小结

第四章 三维功率系统热模型研究

4.1三维功率集成稳态热阻模型

4.1.1硅芯片到TSV的热阻计算

4.1.2等效热阻的修正

4.1.3 TSV绝缘套热阻

4.2仿真验证

4.3模型的应用

4.4本章小结

第五章 基于三维集成的功率VDMOS设计

5.1VDMOS器件的结构和主要电学参数

5.1.1 VDMOS器件的结构及工作原理

5.1.2 VDMOS的主要电学参数

5.2三维功率VDMOS的设计

5.2.1 VDMOS的设计和仿真

5.2.2 VDMOS的终端设计

5.2.3三维MOSFET器件漏极持续电流分析方法

5.2.4三维VDMOS器件漏极持续电流的仿真验证

5.2.5三维VDMOS的热设计

5.3设计结果

5.4本章小结

第六章 三维功率集成的制造技术

6.1三维功率系统的集成架构

6.2三维功率VDMOS制造工艺

6.2.1 VDMOS的工艺流程

6.2.2 VDMOS的三维集成工艺流程

6.2.3实验结果

6.3本章小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2下一步工作

参考文献

致谢

发表的论文、专利及科研项目

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