碳納米管在三維集成電路芯片硅通孔中的應用

楊哲銘

(黑龍江大學 黑龍江 150080)

隨著計算機科技不斷進步，集成電路設計技術飛速發展，要在單個芯片集成更多晶體管數目，隨著集成度要求不斷提高，面積及功耗等方面的性能，二維電路需要提高。傳遞器件層信號，采用硅通孔實現垂直互聯，將器件層進行三維集成電路芯片受到重視。三維芯片可降低互聯線功耗，提高芯片處理速度，具有信號延遲小，走線短等特點。可通過三維芯片減少芯片面積。芯片內部器件產生熱量增大。如何合理處理散熱是設計三維芯片需要考慮的問題。

一、硅通孔技術的研究

隨著半導體產業發展，傳統集成電路面臨挑戰。SMOS晶體管趨近物理極限，互連線延遲等問題隨著工作頻率升高嚴重，硅通孔三維集成技術應運而生。硅通孔可提高芯片集成度，但面臨信號完整性等問題，為提高硅通孔性能，學界從襯底等方面改進傳統互連技術，如何設計新型互連結構是當前關注的重點。

硅通孔是穿過硅襯底垂直互連，由于硅襯底為半導體，需在導體周圍引入地緣層防止漏電流，為防止銅硅通孔銅原子擴散，需在絕緣層間加超薄阻擋金屬。硅通孔電學特性對三維集成電路性能影響很大，通常采用等效電路建模方法進行研究。韓國科技研究所提出硅通孔對高頻可擴展電路模型，在20GHz范圍內準確。德國柏林科技大學Ndip教授分析準TEM時，硅通孔在高中低阻硅中電學性能。比利時學者Katti等人研究溫度變化對硅通孔寄生電容影響。隨著工作頻率提高，三維集成電路易出現信號完整性等問題。圣地亞哥大學研究團根據多導體傳輸線模型，對硅通孔矩陣列中出串擾效應研究。

芯片尺寸縮小導致功耗劇增，自熱及其他電磁脈沖影響使溫度升高，引發散熱問題。構成硅通孔材料膨脹系數不匹配，可能引發硅通孔形變。佐治亞理工大教授團隊建立高密度硅通孔陣列電熱模型。美國學者Bakir教授等通過芯片刻蝕得到微通道，人們提出用導熱硅通孔將熱量傳導到底部熱沉積的方法散熱。學界研究不同的方法改進傳統硅通孔技術，通常從填充部分與襯底方面入手。

二、硅通孔互連簡介

硅通孔是硅片制作垂直方向通孔，在內部填充導電物質，實現不同硅層互連，使用硅通孔制作三維芯片可在垂直方向堆疊較多硅層，能獲得較短的互連線長度，提高芯片速度。使用硅通孔對硅層基層，粘合層位于硅層中間，硅層位于粘合層上下面，硅層互聯利用穿過粘合層硅通孔實現[1]。

制作硅通孔工藝包括使用離子反應刻蝕通孔。使用等離子體增強化學相沉積工藝積淀絕緣層。使用化學電鍍工藝在硅通孔中填充金屬銅。使用物理氣相沉積等方法淀積金屬粘附層。使用化學機械拋光等工藝對硅層減薄處理。制作硅通孔所用材料與用于制作金屬互連線相同，為對三維芯片散熱，芯片制作專門散熱硅通孔。硅通孔長度對三維芯片散熱性能有重要影響。

三、三維芯片散熱性能實驗

通過實驗說明硅通孔長度對三維芯片熱效應影響。設四周為絕熱便捷，粘合層地面為等溫平面，硅層厚度hsi=50μm，TSV直徑d=2μm，粘合層和TSV熱導率為Ksi=150W/(m·k)，Ktsv=400W/(m·K)，加載熱量Q=10-4W。含有整根TSV與含有1段TSV等對應芯片表面溫度分布，峰值溫度為33.148℃，22.909℃[2]。

實驗說明采用整根TSV可使芯片溫度降低，峰值溫度降到22.869℃，使用粘合層中TSV可降低峰值溫度，降低幅度為10.239℃，對使用粘合層中TSV情況，由于粘合層中支座TSV，比芯片中制作TSV成本少，使峰值溫度降低。峰值溫度降低幅度說明粘合層中部分TSV降溫中起到積極的作用，一些情況下起到主要作用，原因是粘合層熱阻大熱導率低。三維芯片中制作專用于散熱TSV，在三維芯片中設計粘合層用于散熱TSV，可降低TSV制造成本，芯片中期間分布在硅層中，不影響芯片內期間層信號線互連。

研究使用碳納米材料做粘合層制作TSV材料。碳納米管具有橫向導熱率小特點，粘合層中TSV材料替換為碳納米管，芯片散熱通道熱阻變小，對八個硅層芯片實驗，芯片面積為S=12mm×12mm，粘合層導熱率為0.1W/m·K，TSV熱導率為400W/(m·K)，硅層厚度為50μm，芯片熱沉為Rhs=3K/W，硅層熱量為5W。芯片中含有TSV，TSV執行用p表示，TSV直徑小時芯片層溫度低，說明TSV導熱性強。隨著TSV直徑增大，TSV導熱能力增加緩慢，針對大面積大小確定芯片，可根據實驗結果選取最優TSV執行，TSV導熱能力不再明顯增加，TSV直徑最優。

四、結束語

三維集成電路相比傳統二維集成具有提高系統性能，降低功耗，縮小芯片尺寸等優勢，得到廣泛的應用，硅通孔互連是三維集成的關鍵技術，面臨尺寸縮小導致信號延遲，電源傳輸中電壓下降，電熱力耦合響應等問題。研究人員從絕緣層，填充部分與襯底方面著手改進傳統技術，玻璃通孔絕緣層硅通孔呈現顯著電學性能，碳納米管填充硅通孔可靠性方面具有明顯優勢。硅通孔三維芯片信號互連等方面起到重要的作用，本文說明硅通孔長度對散熱效應的影響，使用碳納米管為硅通孔材料，可提高芯片散熱能力。