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先进三维集成电路(3D-IC)中硅通孔(TSV)和氮化镓(GaN)场效应管中的电—热—力特性研究

王晓鹏  
【摘要】:半个多世纪以来,一大批新技术、新结构和新材料的出现和应用使得半导体技术不断向前跃进。其中,三维集成的关键技术硅基孔(Throug Silicon Via, TSV)技术和GaN材料的的出现以其独特的优势和性能引起了人们极大地关注。然而这些新技术和材料的应用依然有很多挑战性的问题亟待解决。特别是作为3D集成互连的TSV技术,其等效电路的提取工作对TSV电路的性能研究有着重要作用。另外,在TSV使用过程中,通常会遇到周期性电磁脉冲(EMP)注入的情况,TSV互连的电热力耦合响应将严重威胁到集成电路的正常工作和其可靠性。此时,材料的物理参数是温度的函数,TSV互连的电-热-力耦合响应变得更加复杂。而基于GaN材料的高功率场效应管的应用,由门电路引起的焦耳热损耗也将引起一系列电热力耦合的可靠性问题。 本文将以半导体知识、电路知识、电场、热传导、动力学知识,结合解析和数值计算的方法,详细研究TSV技术和GaN器件在应用过程中所遇到的电、热和力多物理场耦合问题。 首先,推导并提取了单根TSV的等效电路参数,分析了这些电路参数在工作电压和环境温度对参数提取的影响。同时利用部分等效元电路(PEEC)法和等效电路方法在考虑温度和频率影响的前提下,提取了TSV阵列温变和频变的电阻、电感、电容和电导参数。同时,本文利用这些电路参数研究了TSV阵列的特征阻抗和插入损耗,并与商业软件的数值结果进行了对比验证。 其次,本文从电场、热场和力场相互耦合的机制出发,利用目前成熟的有限元技术(FEM)开发了改进的电-热-力多物理场耦合算法,并与相应的解析解和商业软件进行了对比验证。在考虑材料物理参数温变效应的情况下,该算法准确快速的求解得到电-热-力多物理场之间的耦合响应。这些温变的材料参数包括电导率、热导率、杨氏模量和热膨胀系数。本文利用该多物理场耦合算法系统地分析了单层TSV、多层TSV和TSV阵列在周期EMP作用下的电热力瞬态响应。并对EMP波形、TSV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。此外,本文利用该多物理场耦合算法对典型基于GaN的场效应管(FET)在不考虑材料温变特性的电热分析进行了重复验证。在此基础上,研究了具有不同单元个数的GaN-FET在考虑材料温变特性时的电热稳态响应,并分别研究了它们在人体ESD,周期EMP和双指数EMP注入情况下的瞬态电-热-力响应。 最后,本文利用解析和开发的多物理场耦合算法研究了TSV和GaN-FET的热阻和平均功率容量参数受到结构参数变化和材料温变效应的影响。同时,对于一些简单的结构,可以通过解析求解得到其热阻,其结果与数值求解非常吻合。


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