面向三维集成的硅通孔互连信号完整性与电气建模研究

摘要

几十年以来，电子系统一直朝着高性能、小型化、低成本、低功耗和多功能的趋势发展。为满足这一发展需求，三维集成逐渐成为满足应用需求的关键技术。在三维集成系统或三维芯片中，硅通孔（Through Silicon Via，TSV）是其核心技术，它能够为堆叠芯片实现短的垂直互连。本论文针对三维集成中的硅通孔互连技术从高速信号完整性、硅通孔电气建模与硅通孔MOS电容效应几个方面展开深入的研究。本文主要研究工作可以概括为：
　　一、对TSV集成技术和工艺技术进行了学习和调研，在此基础上，建立TSV互连通道的三维全波仿真模型，对其结构和材料参数进行详细的频域仿真分析，对比研究各项参数对其传输特性的影响规律，得出具有实用价值的设计指导意见。
　　二、在对串扰机理深入研究的基础上，针对TSV互连之间的串扰问题分为以下几方面进行了深入细致的研究：1）在频域仿真的基础上，利用SPICE仿真工具从时域角度更为直观地评估TSV结构和材料配置对串扰的影响；2）分析多攻击线对串扰噪声的影响；3）仿真研究不同TSV阵列布局对TSV之间串扰的影响，并为抑制串扰提供技术参考。
　　三、针对后通孔工艺制作的带微凸块地-信号-地硅通孔互连通道，基于物理结构的RLGC解析公式，对通道的各个部位建立参数可调的等效电路模型。该等效电路模型中的每个元件都代表着明确的物理意义。此外，结合三维场求解工具对该TSV互连通道模型的仿真结果，验证该等效电路模型在0.1-20 GHz宽频带内的准确性和可伸缩性。
　　四、针对TSV的MOS电容效应进行了深入的理论研究和仿真分析。基于耗尽层完全耗尽的近似分析，得出TSV内外表面耗尽层的半径和电容的计算公式，对比研究TSV各项参数对TSV电容的影响。基于详实的研究数据，最后初步总结可用于信号传输网络、电源配送网络和变容器的TSV设计指南。

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图表清单

第一章 绪论

1.1 三维集成发展背景

1.2 基于硅通孔的三维集成设计挑战

1.3 本文的主要研究内容

第二章 硅通孔互连通道传输特性分析

2.1 硅通孔技术

2.2 硅通孔互连通道的传输特性仿真分析

2.3 本章小结

第三章 硅通孔互连通道的串扰研究

3.1 串扰基础

3.2 单攻击信号

3.3 多攻击信号

3.4 不同TSV阵列布局的影响

3.5 本章小结

第四章 硅通孔互连通道等效建模

4.1 硅通孔等效模型及参数提取方法

4.2 硅通孔互连通道的可伸缩等效模型

4.3 硅通孔通道等效模型的仿真验证

4.4 本章小结

第五章 硅通孔的MOS电容效应研究

5.1 硅通孔MOS电容概述

5.2 硅通孔耗尽层近似分析

5.3 参数扫描分析

5.4 考虑耗尽层的电磁仿真

5.5 设计指南初步总结

5.6 本章小结

第六章 总结及展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文