新型硅通孔寄生参数提取与等效电路建立

摘要

随着集成电路的发展，特征尺寸不断减小，集成度不断提高，互连线长度急剧增加带来的传输延迟和串扰越来越严重，已成为决定集成电路性能的主要因素。三维集成技术就是将多个芯片在垂直方向堆叠在一起，并利用硅通孔（Through-Silicon Via， TSV）实现其间的电学连接，可以有效减小全局互连线的长度、芯片面积以及提高集成度。三维集成是实现微电子产品向着微型化、高集成、高性能以及低成本方向发展的重要技术，被认定为是微电子领域未来发展的关键技术。TSV作为三维集成的重要部分，对其进行深入研究具有重要的理论意义。本文对新型 TSV的传输特性进行了深入研究分析。
　　本文在锥形和环形TSV基础上，提出了基于GSG(Ground-Signal-Ground)模式下锥环形TSV的三维结构模型，分析了锥环形TSV结构中的寄生效应，提取了电阻、电感和电容等TSV结构寄生参数，并构建了TSV等效电路。采用ADS对等效电路进行电磁仿真，并与HFSS全波电磁场仿真结果进行了对比，结果表明插入损耗和回波损耗都可以较好地匹配，进而验证了等效电路的正确性。
　　采用单一变量法分别对锥环形 TSV的高度、导电金属厚度、衬底的电导率等结构参数进行了扫描分析，对比分析结构参数对传输特性的影响，获得相关结构参数的较优解，构建了锥环形 TSV的优化结构模型，并与之前的结构进行了对比。对比可知，在20GHz处优化前的回波损耗S11为-28dB，插入损耗S21为-0.3dB；而优化后的的回波损耗S11为-47dB，插入损耗S21为-0.045dB，优化后的TSV具有更低的反射系数和更高的传输系数，传输特性得到较大的提升。
　　在锥环形TSV结构基础上，通过改变介质材料和结构形成了两种新型TSV：空气隙锥环形TSV和锥形同轴TSV。空气隙TSV具有更好的传输特性，在20GHz处其回波损耗S11和插入损耗S21分别可达-32.5dB和-0.15dB。锥形同轴TSV传输信号的金属导体被外环导体屏蔽层包围，减小了外来信号的干扰，高频特性和可靠性相对较好，并对其介质层材料、高度和导电金属内外半径等结构参数进行了分析对比，改善了TSV的传输特性。

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2三维集成的优势

1.3三维集成的挑战

1.4本文的研究内容与安排

第二章 TSV三维集成工艺技术

2.1三维集成制造工艺分类

2.2 TSV工艺技术

2.3本章小结

第三章 锥环形TSV寄生参数提取

3.1锥环形TSV模型建立

3.2寄生参数提取

3.3等效电路的建立与仿真

3.4本章小结

第四章 锥环形TSV传输特性研究

4.1锥环形TSV基本结构

4.2锥环形TSV结构参数对传输特性的影响

4.3锥环形TSV结构参数优化

4.4本章小结

第五章 新型TSV结构研究

5.1空气隙的锥环形TSV

5.2锥形同轴TSV

5.3锥形同轴TSV结构参数对传输特性的影响

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2工作展望

参考文献

致谢

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