半导体器件和集成电路电-热-力特性的多物理场仿真研究

摘要

国际半导体技术蓝图(ITRS)-2009:建模和仿真部分预测，随着CMOS工艺的尺寸达到22nm，甚至更小，以及集成电路功能的多样化，使得热扩散问题成为实现三维集成电路优良性能的瓶颈。为了提高集成电路的可靠性和性能，防止其热失效，必须进行有效的热管理。有必要进行热硅通孔和薄的堆叠晶片（包括粘结层或者中介层）的热-力建模及其对有源器件和互连线影响的研究。而CMOS工艺集成电路制造技术集成度提高的同时，其绝缘层越来越薄，抗压能力也相应减弱。静电放电问题越来越成为集成电路中最主要的可靠性问题。因此开发一种高效的、能有效处理电-热-力多物理场耦合问题的算法并进行相应的实验，来分析热失效、热应力可靠性和电脉冲击穿问题变得尤为重要。
　　 本文将以半导体、电场、热传导和动力学理论，结合实验和数值仿真，详细研究相关半导体器件和集成电路在应用过程中所遇到的电、热和力多物理场耦合问题。
　　 首先，本文以电场、热场和力场之间的耦合机理为基础，利用改进的时域有限元法多物理场数值算法，并与相应的商业软件进行了对比验证。该算法考虑了温变的材料物理参数，可准确快速地得到电-热-力多物理耦合场。比如，电导率、热导率、热膨胀系数等都是温变的。本文用时域有限元算法深入地分析了一种新型的热硅通孔结构对单层、多层和热硅通孔阵列的热-力效应。并对静电放电幅值、热硅通孔衬底材料和其结构参数等影响其电热力响应的因素进行了详细分析。讨论了鳍结构的尺寸、热点位置的优化以及热点的对齐问题。并且给出了热点对齐和不同衬底材料的温变结果。
　　 其次，我们进行了砷化镓双异质结晶体管功率放大器的稳态多物理场和薄膜电阻的瞬态多物理场的实验和仿真研究。进行了功率与时间特性对DCS/GSM双波段手持设备上砷化镓双异质结晶体管功率放大器的影响的实验。进行了基于GMSK的GSM-900和DCS-1800制式的布局图的电热耦合的时域有限元法仿真，并与热扫描得到的热图像与仿真结果进行对比验证。另外，进行了静电放电对DCS/GSM双波段手持设备上砷化镓双异质结晶体管功率放大器的影响的实验。用时域有限元法算法进行了薄膜电阻在不同的静电放电电压下的电热耦合分析和验证。
　　 最后本文提出了一种用于三维集成电路和HEMT的全碳热管理结构。它包括横向的基于石墨烯GR的散热器和纵向的基于碳纳米管的热硅通孔。这种结构能将热点的温度移到底部散热器中，温度也能极大地降低。因此，该全碳结构对下一代三维集成电路可以进行有效的热管理。同样，石墨烯散热器也能用于有源器件如HEMT的散热。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究历史和现状

1．2．1 热应力的可靠性

1．2．2 静电放电(ESD)的影响

1．2．3 多物理场的耦合

1．3 本论文的主要创新点

1．4 本论文的结构安排

第二章 时域有限元方法

2．1 有限元法求解的一般步骤

2．2 电热力多物理场分析原理及验证

2．2．1 多物理场基本方程

2．2．2 时域有限元方法的应用

2．2．3 非线性场间耦合

2．2．4 算法验证

2．3 本章小结

第三章 TSV的热力分析

3．1 TTSV模型

3．2 TTSV的热应力分析

3．3 本章小结

第四章 GaAs HBT功率放大器的多物理场分析

4．1 GaAs HBT功率放大器的稳态多物理场研究

4．2 薄膜电阻的瞬态多物理场研究

4．3 本章小结

第五章 全碳集成的热管理仿真研究

5．1 全碳热管理用于3D IC散热

5．2 全碳热管理用于器件散热

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 论文总结

6．2 对后继工作的展望

参考文献

作者简历