三维集成电路中新型互连及电源分配网络的电磁特性研究

摘要

随着半导体产业的发展，传统集成电路面临着严峻的挑战:芯片尺寸不断缩小，CMOS晶体管和互连线的尺寸即将趋近物理极限;互连线的延迟、串扰和功耗等问题随着工作频率的升高而愈加严重。为了解决这些问题，基于硅通孔的三维集成技术应运而生。虽然硅通孔能够显著提高芯片的集成度，提升信号的传输速率，减小系统功耗，但同时也面临着一些问题，例如信号、电源完整性问题，以及自热引起的可靠性问题。为了提高硅通孔的性能，工业界和学术界从衬底、绝缘层和填充部分三个方面着手改进传统互连技术。因此，如何设计新型互连结构和电源分配网络，保证它们的性能，是关注的重点。本论文主要研究工作和创新点可归纳为: (1)考虑到MOS效应、趋肤效应和温度效应，建立了硅通孔阵列的等效电路模型。通过与商业软件HFSS对比，证明该模型在100GHz频率范围内适用于多根地线均匀分布的的硅通孔阵列。在此基础上，深入研究了物理尺寸和材料参数对硅通孔电学性能的影响。 (2)采用自主开发的时域有限元算法同时求解电-热-力多物理场方程组，获得硅通孔阵列和链路结构在直流电压作用下的温度和热应力分布，以及外来电磁脉冲作用下的瞬态热-力响应，由此分析了它们的可靠性，并恰当地处理了材料参数的温变效应。进一步地，将该算法集成到合作单位—北京应用物理与计算数学研究所自主研发的大规模并行框架JAUMIN中，用于研究大规模硅通孔互连阵列的多物理场耦合特性。 (3)改进了硅通孔阵列的等效电路模型，将其用于对比分析玻璃通孔、聚合物绝缘层硅通孔与传统硅通孔在100GHz频率范围内电学特性的差异，并且考虑了聚合物绝缘层厚度变化的影响。 (4)利用自研的多物理场耦合算法，研究了在外来直流电压和周期性电磁脉冲作用下玻璃通孔、聚合物绝缘层硅通孔以及聚合物填充硅通孔阵列和链路中的电-热-力响应，并对它们进行了可靠性分析;深入研究了物理参数（如聚合物绝缘层厚度、填充聚合物的直径、水平互连的宽度等）改变对这些新型互连可靠性的影响。 (5)建立了碳纳米管硅通孔的等效电路模型，考虑了硅通孔两端与金属连接的接触电阻;详细研究了碳纳米管硅通孔的等效复电导率和电学特性，考虑了碳纳米管的动态电感、直径、非理想填充率以及环境温度的影响。进一步地，将提出的碳纳米管硅通孔阵列电路模型与片上电源分配网络相结合，搭建出多层堆叠的电源分配网络系统。在此基础上，系统地比较分析了碳纳米管物理参数、堆叠层数和硅通孔数量变化时电源分配网络系统的阻抗特性。

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致谢

摘要

缩略语

1绪论

1．1研究背景

1．2研究历史和现状

1．2．1硅通孔技术

1．2．2硅通孔技术改进方法

1．2．3三维集成电路中的电源分配网络

1．3论文结构和主要创新点

2硅通孔建模和特性研究

2．1硅通孔阵列楚模

2．2硅通孔对的电学特性

2．2．1 等效集总参数

2．2．2 传输特性

2．3硅通孔多物理场特性研究

2．3．1 多物理场计算方法

2．3．2多物理场大规模并行计算框架

2．3．3 算法验证

2．3．4多物理场特性分析

2．4本章小结

3玻璃通孔特性研究

3．1等效电路建模

3．2电学特性

3．3多物理场特性

3．3．1 玻璃通孔阵列

3．3．2玻璃通孔链路

3．3．3大规模玻璃通孔链路

3．4本章小结

4聚合物绝缘层硅通孔特性研究

4．1电学特性

4．1．1 BCB绝缘层硅通孔

4．1．2 Parylene-HT绝缘层硅通孔

4．2多物理场特性

4．2．1硅通孔阵列

4．2．2硅通孔链路

4．2．3大规模硅通孔链路

4．3本章小结

5聚合物填充硅通孔特性研究

5．1结构描述

5．2硅通孔阵列

5．3硅通孔链路

5．4本章小结

6基于碳纳米管硅通孔的电源分配网络建模方法和特性研究

6．1电源分配网络结构

6．2碳纳米管硅通孔

6．2．1 等效复电导率

6．2．2 电学性能

6．3片上电源分配网络

6．4碳纳米管硅通孔对电源分配网络系统的影响

6．5本章小结

7总结与展望

7．1论文总结

7．2未来工作展望

参考文献

作者简历