基于硅通孔技术的三维集成电路设计与分析

摘 要

硅通孔技术（TSV）是三维集成电路设计关键技术之一，本文从其制备、应用于系统中的性能参数及其意义、具体设计主要思路三个方面，对TSV在三维集成电路设计中的基础概况进行分析探讨。

【关键词】硅通孔技术 三维集成电路 设计原则

三维集成电路是指多层面构建集成电路，可进一步扩展布局空间，减少线路相互之间的干扰，解决信号拥堵问题，扩大频宽，降低功耗，最终提高系统性能。3D封装是三维集成电路关键技术，主要包括裸片堆叠封装、叠层封装与封装内堆叠三种具体实现形式，各有优劣。贯穿硅通孔技术（TSV）是一种系统级架构技术，可实现层级间裸片互联，是目前最先进、应用最广泛的互联方式之一。本次研究就基于硅通孔技术的三维集成电路基本设计进行概述与分析。

1 TSV制备

TSV制备工艺据通孔制作工艺顺序可分为先通孔与后通孔两种，先通孔是指在制备IC时同时通孔，后者是指在制备IC后通孔。

前通孔主要特征包括：（1）工艺在CMOS或BEOL制备前应用；（2）在元件设计阶段即介入应用；（3）需严格的CD控制；（4）通孔宽度为5-20μm；（5）深宽比AR3：1-10：1。而后通孔主要特征为：（1）工艺在BEOL或TSV键合（Bonding）制备后应用；（2）在设计阶段后期介入；（3）CD控制较宽松；（4）通孔宽度20-50μm；（5）深宽比AR3：1-15：1。

通孔刻蚀技术是TSV技术的核心，强调通孔尺寸一致性，无残渣，形成需达到一定速度，规格设计具有一定灵活性，目前仅有IBM及其部分代工厂掌握该核心技术。通孔刻蚀技术主要可分为博世工艺技术、激光刻蚀技术，两者各有优劣。博士工艺孔径大小、数目、深度无特殊要求，但孔径侧面较粗糙，材料成本高，需要光刻。激光刻蚀仅适用于>10μm孔径通孔，孔径数目也受吞吐量影响，但通孔侧壁表明光滑，耗材低，无需光刻。

通孔后，TSV需进行填充，涉及通孔绝缘、淀积与电镀多个工艺步骤，使用材料包括硅烷、正硅酸丁酯等。填充时需要考虑填充绝缘、沉积温度等多个方面因素，一个细节的疏忽都可能影响通孔性能，进而影响系统稳定性与功效。目前，主要填充技术包括溅射沉积、均匀淀积，但考虑到成本因素，电镀铜是目前应用最广泛的硅通孔填充方式。

最后为实现晶体TSV互联，需应用TSV键合技术，目前最常用的键合技术包括金属-金属键合、氧化物共熔键合与高分子黏结键合。三种键合技术各有优劣，应用均十分广泛，但均只适用于满足电学特性的光滑键合表面，不能进行机械表面与电学特性表面键合，金属-金属键合有望打破这种限制。

2 反映TSV性能的参数及其意义

2.1 互联延时

全局互联普遍被认为是集成系统性能提升的设计瓶颈，全局互联产生的连线延时决定系统时钟频率与速度传输限，创造一种更有效的互联策略已成为当今电路设计中研究热点。缓冲器插入式目前应用最广泛的一种缩短全局互联延时的设计，使用灵活，有助于减少硅通孔数目与集成密度，进而降低互联延时效应，提高系统性能，降低误差。

2.2 互联功耗

互联功耗与系统电路规模与集成密度有关，目前，互联电容已取代门电路成为片上功耗与动态功耗主导因素，插入缓冲器后功耗与全局互联规模有关。应用硅通孔三维互联构架，可减少互联需要，但却需要更多的缓冲器，增加片上功耗，在设计PSV时，需充分考虑PSV功耗。

3 TSV三维集成具体设计主要思路

3.1 阻抗特性差异

三维集成虽然可缓解不同材料、工艺差异所产生的串扰噪声，降低混合技术同化复杂度与电路模块电磁干扰，最终降低成本，提高效效能，但与此同时，三维设计也增加了阻抗差异。阻抗差异后是源层互联固有缺陷，应用TSV技术互联则增加了阻抗差异，进一步放大了这种缺陷。因此将TSV应用三维集成系统构架中，需综合考虑阻抗差异，尽力减少阻抗差异对互联信号的影响，避免信号发生反射或失真。

3.2 热管理与优化

电路工作之中不可避免的发散热量，热效应已成为影响集成电路功效、元件可靠性的重要因素之一。三维集成技术增加了芯片物理层数，顶端物理层与散热片距离显著增加；三维集成技术缩短了物理尺寸，芯片功耗密度显著增加，热效应增加，芯片内温度上升，可能造成元件性能下降，电迁移失败，甚至可能造成物理损毁。应用TSV技术，可能影响整个芯片热扩散效果、途径，因此在设计TSV系统构架时，需对热扩散进行预测，分析芯片内外温度分布，并提出热优化技术与策略，降低消热阻。目前常采用的热优化技术策略为减薄衬底厚度，降低散热片等效热阻，热驱动优化，布局优化，热通孔插入，等。

4 碳纳米管TSV设计

碳纳米管具有优良的电热传输特性，平均自由程较长，耐高温，是一种较理想的互联材料，具有较大的发展潜力。碳纳米管电流承载密度极限远高于铜，电子迁移稳定，有助于克服承载不稳定性TSV技术这一固有缺陷。碳纳米管具有一维导体特性，热特性较高，热传导率极高，可达到3000～8000W/m-K，将碳纳米管应用于TSV集成可极大的提高系统散热能力。

5 小结

硅通孔技术是三维集成电路制造核心技术之一，其技术水平直接影响系统性能、稳定性。电路设计工作者，在应用TSV技术过程中，应尽量采用时下成熟的TSV制备技术，把握具体设计思路，从提升系统整体性能出发，提升设计水平。同时，应具有创新、探索精神，积极尝试引入新材料、技术与理念，大胆尝试，开阔设计思路，以探索更优的设计方案。

参考文献

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[3]王高峰，赵文生.三维集成电路中的关键技术问题综述[J].杭州电子科技大学学报，2014，34（2）：1-5.

作者简介

祝竹（1983-），女，安徽省宣城市人。2006年毕业于合肥学院，电子信息工程专业。现为宣城职业技术学院电工与电子技术专业教师。研究方向为电工技术与汽车电子类。

作者单位

宣城职业技术学院 安徽省宣城市 242000endprint