碳纳米管在三维集成电路芯片硅通孔中的应用

杨哲铭

(黑龙江大学 黑龙江 150080)

随着计算机科技不断进步，集成电路设计技术飞速发展，要在单个芯片集成更多晶体管数目，随着集成度要求不断提高，面积及功耗等方面的性能，二维电路需要提高。传递器件层信号，采用硅通孔实现垂直互联，将器件层进行三维集成电路芯片受到重视。三维芯片可降低互联线功耗，提高芯片处理速度，具有信号延迟小，走线短等特点。可通过三维芯片减少芯片面积。芯片内部器件产生热量增大。如何合理处理散热是设计三维芯片需要考虑的问题。

一、硅通孔技术的研究

随着半导体产业发展，传统集成电路面临挑战。SMOS晶体管趋近物理极限，互连线延迟等问题随着工作频率升高严重，硅通孔三维集成技术应运而生。硅通孔可提高芯片集成度，但面临信号完整性等问题，为提高硅通孔性能，学界从衬底等方面改进传统互连技术，如何设计新型互连结构是当前关注的重点。

硅通孔是穿过硅衬底垂直互连，由于硅衬底为半导体，需在导体周围引入地缘层防止漏电流，为防止铜硅通孔铜原子扩散，需在绝缘层间加超薄阻挡金属。硅通孔电学特性对三维集成电路性能影响很大，通常采用等效电路建模方法进行研究。韩国科技研究所提出硅通孔对高频可扩展电路模型，在20GHz范围内准确。德国柏林科技大学Ndip教授分析准TEM时，硅通孔在高中低阻硅中电学性能。比利时学者Katti等人研究温度变化对硅通孔寄生电容影响。随着工作频率提高，三维集成电路易出现信号完整性等问题。圣地亚哥大学研究团根据多导体传输线模型，对硅通孔矩阵列中出串扰效应研究。

芯片尺寸缩小导致功耗剧增，自热及其他电磁脉冲影响使温度升高，引发散热问题。构成硅通孔材料膨胀系数不匹配，可能引发硅通孔形变。佐治亚理工大教授团队建立高密度硅通孔阵列电热模型。美国学者Bakir教授等通过芯片刻蚀得到微通道，人们提出用导热硅通孔将热量传导到底部热沉积的方法散热。学界研究不同的方法改进传统硅通孔技术，通常从填充部分与衬底方面入手。

二、硅通孔互连简介

硅通孔是硅片制作垂直方向通孔，在内部填充导电物质，实现不同硅层互连，使用硅通孔制作三维芯片可在垂直方向堆叠较多硅层，能获得较短的互连线长度，提高芯片速度。使用硅通孔对硅层基层，粘合层位于硅层中间，硅层位于粘合层上下面，硅层互联利用穿过粘合层硅通孔实现[1]。

制作硅通孔工艺包括使用离子反应刻蚀通孔。使用等离子体增强化学相沉积工艺积淀绝缘层。使用化学电镀工艺在硅通孔中填充金属铜。使用物理气相沉积等方法淀积金属粘附层。使用化学机械抛光等工艺对硅层减薄处理。制作硅通孔所用材料与用于制作金属互连线相同，为对三维芯片散热，芯片制作专门散热硅通孔。硅通孔长度对三维芯片散热性能有重要影响。

三、三维芯片散热性能实验

通过实验说明硅通孔长度对三维芯片热效应影响。设四周为绝热便捷，粘合层地面为等温平面，硅层厚度hsi=50μm，TSV直径d=2μm，粘合层和TSV热导率为Ksi=150W/(m·k)，Ktsv=400W/(m·K)，加载热量Q=10-4W。含有整根TSV与含有1段TSV等对应芯片表面温度分布，峰值温度为33.148℃，22.909℃[2]。

实验说明采用整根TSV可使芯片温度降低，峰值温度降到22.869℃，使用粘合层中TSV可降低峰值温度，降低幅度为10.239℃，对使用粘合层中TSV情况，由于粘合层中支座TSV，比芯片中制作TSV成本少，使峰值温度降低。峰值温度降低幅度说明粘合层中部分TSV降温中起到积极的作用，一些情况下起到主要作用，原因是粘合层热阻大热导率低。三维芯片中制作专用于散热TSV，在三维芯片中设计粘合层用于散热TSV，可降低TSV制造成本，芯片中期间分布在硅层中，不影响芯片内期间层信号线互连。

研究使用碳纳米材料做粘合层制作TSV材料。碳纳米管具有横向导热率小特点，粘合层中TSV材料替换为碳纳米管，芯片散热通道热阻变小，对八个硅层芯片实验，芯片面积为S=12mm×12mm，粘合层导热率为0.1W/m·K，TSV热导率为400W/(m·K)，硅层厚度为50μm，芯片热沉为Rhs=3K/W，硅层热量为5W。芯片中含有TSV，TSV执行用p表示，TSV直径小时芯片层温度低，说明TSV导热性强。随着TSV直径增大，TSV导热能力增加缓慢，针对大面积大小确定芯片，可根据实验结果选取最优TSV执行，TSV导热能力不再明显增加，TSV直径最优。

四、结束语

三维集成电路相比传统二维集成具有提高系统性能，降低功耗，缩小芯片尺寸等优势，得到广泛的应用，硅通孔互连是三维集成的关键技术，面临尺寸缩小导致信号延迟，电源传输中电压下降，电热力耦合响应等问题。研究人员从绝缘层，填充部分与衬底方面着手改进传统技术，玻璃通孔绝缘层硅通孔呈现显著电学性能，碳纳米管填充硅通孔可靠性方面具有明显优势。硅通孔三维芯片信号互连等方面起到重要的作用，本文说明硅通孔长度对散热效应的影响，使用碳纳米管为硅通孔材料，可提高芯片散热能力。