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面向三维集成的硅通孔互连信号完整性与电气建模研究

作　者: 贺翔
导　师: 曹群生
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 三维集成硅通孔传输性能串扰信号完整性等效电路模型耗尽层 MOS电容
分类号: TN405.97
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

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0.1-20GHz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。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-21
  1.1 三维集成发展背景  13-17
    1.1.1 三维集成技术  13-14
    1.1.2 三维集成互连技术  14-15
    1.1.3 三维集成中的硅通孔互连技术  15-17
  1.2 基于硅通孔的三维集成设计挑战  17-19
    1.2.1 三维集成电路的信号完整性研究  17-18
    1.2.2 三维集成封装和互连等效建模  18-19
  1.3 本文的主要研究内容  19-21
第二章硅通孔互连通道传输特性分析  21-34
  2.1 硅通孔技术  21-25
    2.1.1 硅通孔类型  21-23
    2.1.2 硅通孔集成技术  23
    2.1.3 硅通孔工艺技术  23-25
  2.2 硅通孔互连通道的传输特性仿真分析  25-33
    2.2.1 硅通孔仿真模型  25-26
    2.2.2 时域仿真分析  26-28
    2.2.3 硅通孔通道的结构和材料参数仿真分析  28-33
  2.3 本章小结  33-34
第三章硅通孔互连通道的串扰研究  34-47
  3.1 串扰基础  34-36
  3.2 单攻击信号  36-42
    3.2.1 上升沿时间  37-38
    3.2.2 硅通孔直径  38-39
    3.2.3 硅通孔高度  39
    3.2.4 氧化物隔离层厚度  39-40
    3.2.5 硅通孔之间间距  40-41
    3.2.6 硅衬底类型  41-42
    3.2.7 防护线  42
  3.3 多攻击信号  42-45
    3.3.1 多攻击信号的影响  43-44
    3.3.2 同步开关模式的影响  44-45
    3.3.3 开关时延的影响  45
  3.4 不同 TSV 阵列布局的影响  45-46
  3.5 本章小结  46-47
第四章硅通孔互连通道等效建模  47-63
  4.1 硅通孔等效模型及参数提取方法  47-54
    4.1.1 π形等效电路模型  47-48
    4.1.2 T 形等效电路模型  48-49
    4.1.3 传输线等效电路模型  49-51
    4.1.4 交流方法  51
    4.1.5 准静态方法  51
    4.1.6 解析法  51-54
  4.2 硅通孔互连通道的可伸缩等效模型  54-60
    4.2.1 等效电容参数  56-58
    4.2.2 等效电导参数  58-59
    4.2.3 等效电阻参数  59-60
    4.2.4 等效电感参数  60
  4.3 硅通孔通道等效模型的仿真验证  60-62
  4.4 本章小结  62-63
第五章硅通孔的 MOS 电容效应研究  63-80
  5.1 硅通孔 MOS 电容概述  63-66
    5.1.1 硅通孔电容结构  63-64
    5.1.2 电容-电压特性  64-65
    5.1.3 频率特性  65-66
  5.2 硅通孔耗尽层近似分析  66-72
    5.2.1 导体外表面耗尽层  66-69
    5.2.2 导体内表面耗尽层  69-72
  5.3 参数扫描分析  72-76
    5.3.1 硅通孔直径  72
    5.3.2 氧化物隔离层厚度  72-73
    5.3.3 氧化物隔离层材料  73-74
    5.3.4 硅通孔中心导体材料  74-76
  5.4 考虑耗尽层的电磁仿真  76-78
  5.5 设计指南初步总结  78-79
    5.5.1 硅通孔应用于信号传输网络  78
    5.5.2 硅通孔应用于电源配送网络  78-79
    5.5.3 硅通孔用作变容器  79
  5.6 本章小结  79-80
第六章总结及展望  80-83
  6.1 总结  80-81
  6.2 展望  81-83
参考文献  83-87
致谢  87-88
在学期间的研究成果及发表的学术论文  88

面向三维集成的硅通孔互连信号完整性与电气建模研究

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