基于硅通孔技術(shù)的三維集成電路設(shè)計(jì)與分析

摘 要

硅通孔技術(shù)（TSV）是三維集成電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)之一，本文從其制備、應(yīng)用于系統(tǒng)中的性能參數(shù)及其意義、具體設(shè)計(jì)主要思路三個(gè)方面，對(duì)TSV在三維集成電路設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)概況進(jìn)行分析探討。

【關(guān)鍵詞】硅通孔技術(shù) 三維集成電路 設(shè)計(jì)原則

三維集成電路是指多層面構(gòu)建集成電路，可進(jìn)一步擴(kuò)展布局空間，減少線路相互之間的干擾，解決信號(hào)擁堵問(wèn)題，擴(kuò)大頻寬，降低功耗，最終提高系統(tǒng)性能。3D封裝是三維集成電路關(guān)鍵技術(shù)，主要包括裸片堆疊封裝、疊層封裝與封裝內(nèi)堆疊三種具體實(shí)現(xiàn)形式，各有優(yōu)劣。貫穿硅通孔技術(shù)（TSV）是一種系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)層級(jí)間裸片互聯(lián)，是目前最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的互聯(lián)方式之一。本次研究就基于硅通孔技術(shù)的三維集成電路基本設(shè)計(jì)進(jìn)行概述與分析。

1 TSV制備

TSV制備工藝據(jù)通孔制作工藝順序可分為先通孔與后通孔兩種，先通孔是指在制備IC時(shí)同時(shí)通孔，后者是指在制備IC后通孔。

前通孔主要特征包括：（1）工藝在CMOS或BEOL制備前應(yīng)用；（2）在元件設(shè)計(jì)階段即介入應(yīng)用；（3）需嚴(yán)格的CD控制；（4）通孔寬度為5-20μm；（5）深寬比AR3：1-10：1。而后通孔主要特征為：（1）工藝在BEOL或TSV鍵合（Bonding）制備后應(yīng)用；（2）在設(shè)計(jì)階段后期介入；（3）CD控制較寬松；（4）通孔寬度20-50μm；（5）深寬比AR3：1-15：1。

通孔刻蝕技術(shù)是TSV技術(shù)的核心，強(qiáng)調(diào)通孔尺寸一致性，無(wú)殘?jiān)纬尚柽_(dá)到一定速度，規(guī)格設(shè)計(jì)具有一定靈活性，目前僅有IBM及其部分代工廠掌握該核心技術(shù)。通孔刻蝕技術(shù)主要可分為博世工藝技術(shù)、激光刻蝕技術(shù)，兩者各有優(yōu)劣。博士工藝孔徑大小、數(shù)目、深度無(wú)特殊要求，但孔徑側(cè)面較粗糙，材料成本高，需要光刻。激光刻蝕僅適用于>10μm孔徑通孔，孔徑數(shù)目也受吞吐量影響，但通孔側(cè)壁表明光滑，耗材低，無(wú)需光刻。

通孔后，TSV需進(jìn)行填充，涉及通孔絕緣、淀積與電鍍多個(gè)工藝步驟，使用材料包括硅烷、正硅酸丁酯等。填充時(shí)需要考慮填充絕緣、沉積溫度等多個(gè)方面因素，一個(gè)細(xì)節(jié)的疏忽都可能影響通孔性能，進(jìn)而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性與功效。目前，主要填充技術(shù)包括濺射沉積、均勻淀積，但考慮到成本因素，電鍍銅是目前應(yīng)用最廣泛的硅通孔填充方式。

最后為實(shí)現(xiàn)晶體TSV互聯(lián)，需應(yīng)用TSV鍵合技術(shù)，目前最常用的鍵合技術(shù)包括金屬-金屬鍵合、氧化物共熔鍵合與高分子黏結(jié)鍵合。三種鍵合技術(shù)各有優(yōu)劣，應(yīng)用均十分廣泛，但均只適用于滿足電學(xué)特性的光滑鍵合表面，不能進(jìn)行機(jī)械表面與電學(xué)特性表面鍵合，金屬-金屬鍵合有望打破這種限制。

2 反映TSV性能的參數(shù)及其意義

2.1 互聯(lián)延時(shí)

全局互聯(lián)普遍被認(rèn)為是集成系統(tǒng)性能提升的設(shè)計(jì)瓶頸，全局互聯(lián)產(chǎn)生的連線延時(shí)決定系統(tǒng)時(shí)鐘頻率與速度傳輸限，創(chuàng)造一種更有效的互聯(lián)策略已成為當(dāng)今電路設(shè)計(jì)中研究熱點(diǎn)。緩沖器插入式目前應(yīng)用最廣泛的一種縮短全局互聯(lián)延時(shí)的設(shè)計(jì)，使用靈活，有助于減少硅通孔數(shù)目與集成密度，進(jìn)而降低互聯(lián)延時(shí)效應(yīng)，提高系統(tǒng)性能，降低誤差。

2.2 互聯(lián)功耗

互聯(lián)功耗與系統(tǒng)電路規(guī)模與集成密度有關(guān)，目前，互聯(lián)電容已取代門(mén)電路成為片上功耗與動(dòng)態(tài)功耗主導(dǎo)因素，插入緩沖器后功耗與全局互聯(lián)規(guī)模有關(guān)。應(yīng)用硅通孔三維互聯(lián)構(gòu)架，可減少互聯(lián)需要，但卻需要更多的緩沖器，增加片上功耗，在設(shè)計(jì)PSV時(shí)，需充分考慮PSV功耗。

3 TSV三維集成具體設(shè)計(jì)主要思路

3.1 阻抗特性差異

三維集成雖然可緩解不同材料、工藝差異所產(chǎn)生的串?dāng)_噪聲，降低混合技術(shù)同化復(fù)雜度與電路模塊電磁干擾，最終降低成本，提高效效能，但與此同時(shí)，三維設(shè)計(jì)也增加了阻抗差異。阻抗差異后是源層互聯(lián)固有缺陷，應(yīng)用TSV技術(shù)互聯(lián)則增加了阻抗差異，進(jìn)一步放大了這種缺陷。因此將TSV應(yīng)用三維集成系統(tǒng)構(gòu)架中，需綜合考慮阻抗差異，盡力減少阻抗差異對(duì)互聯(lián)信號(hào)的影響，避免信號(hào)發(fā)生反射或失真。

3.2 熱管理與優(yōu)化

電路工作之中不可避免的發(fā)散熱量，熱效應(yīng)已成為影響集成電路功效、元件可靠性的重要因素之一。三維集成技術(shù)增加了芯片物理層數(shù)，頂端物理層與散熱片距離顯著增加；三維集成技術(shù)縮短了物理尺寸，芯片功耗密度顯著增加，熱效應(yīng)增加，芯片內(nèi)溫度上升，可能造成元件性能下降，電遷移失敗，甚至可能造成物理?yè)p毀。應(yīng)用TSV技術(shù)，可能影響整個(gè)芯片熱擴(kuò)散效果、途徑，因此在設(shè)計(jì)TSV系統(tǒng)構(gòu)架時(shí)，需對(duì)熱擴(kuò)散進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析芯片內(nèi)外溫度分布，并提出熱優(yōu)化技術(shù)與策略，降低消熱阻。目前常采用的熱優(yōu)化技術(shù)策略為減薄襯底厚度，降低散熱片等效熱阻，熱驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，布局優(yōu)化，熱通孔插入，等。

4 碳納米管TSV設(shè)計(jì)

碳納米管具有優(yōu)良的電熱傳輸特性，平均自由程較長(zhǎng)，耐高溫，是一種較理想的互聯(lián)材料，具有較大的發(fā)展?jié)摿ΑＬ技{米管電流承載密度極限遠(yuǎn)高于銅，電子遷移穩(wěn)定，有助于克服承載不穩(wěn)定性TSV技術(shù)這一固有缺陷。碳納米管具有一維導(dǎo)體特性，熱特性較高，熱傳導(dǎo)率極高，可達(dá)到3000～8000W/m-K，將碳納米管應(yīng)用于TSV集成可極大的提高系統(tǒng)散熱能力。

5 小結(jié)

硅通孔技術(shù)是三維集成電路制造核心技術(shù)之一，其技術(shù)水平直接影響系統(tǒng)性能、穩(wěn)定性。電路設(shè)計(jì)工作者，在應(yīng)用TSV技術(shù)過(guò)程中，應(yīng)盡量采用時(shí)下成熟的TSV制備技術(shù)，把握具體設(shè)計(jì)思路，從提升系統(tǒng)整體性能出發(fā)，提升設(shè)計(jì)水平。同時(shí)，應(yīng)具有創(chuàng)新、探索精神，積極嘗試引入新材料、技術(shù)與理念，大膽嘗試，開(kāi)闊設(shè)計(jì)思路，以探索更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

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作者簡(jiǎn)介

祝竹（1983-），女，安徽省宣城市人。2006年畢業(yè)于合肥學(xué)院，電子信息工程專業(yè)。現(xiàn)為宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院電工與電子技術(shù)專業(yè)教師。研究方向?yàn)殡姽ぜ夹g(shù)與汽車(chē)電子類。

作者單位

宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽省宣城市 242000endprint