先進三維集成電路(3D-IC)中硅通孔(TSV)和氮化鎵(GaN)場效應(yīng)管中的電-熱-力特性研究.pdf

1、半個多世紀以來，一大批新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)和新材料的出現(xiàn)和應(yīng)用使得半導(dǎo)體技術(shù)不斷向前躍進。其中，三維集成的關(guān)鍵技術(shù)硅基孔(Throug Silicon Via, TSV)技術(shù)和GaN材料的的出現(xiàn)以其獨特的優(yōu)勢和性能引起了人們極大地關(guān)注。然而這些新技術(shù)和材料的應(yīng)用依然有很多挑戰(zhàn)性的問題亟待解決。特別是作為3D集成互連的TSV技術(shù)，其等效電路的提取工作對TSV電路的性能研究有著重要作用。另外，在TSV使用過程中，通常會遇到周期性電磁脈沖(EMP)

2、注入的情況，TSV互連的電熱力耦合響應(yīng)將嚴重威脅到集成電路的正常工作和其可靠性。此時，材料的物理參數(shù)是溫度的函數(shù)，TSV互連的電-熱-力耦合響應(yīng)變得更加復(fù)雜。而基于GaN材料的高功率場效應(yīng)管的應(yīng)用，由門電路引起的焦耳熱損耗也將引起一系列電熱力耦合的可靠性問題。
　　 本文將以半導(dǎo)體知識、電路知識、電場、熱傳導(dǎo)、動力學(xué)知識，結(jié)合解析和數(shù)值計算的方法，詳細研究TSV技術(shù)和GaN器件在應(yīng)用過程中所遇到的電、熱和力多物理場耦合問題。

3、r>　　 首先，推導(dǎo)并提取了單根TSV的等效電路參數(shù)，分析了這些電路參數(shù)在工作電壓和環(huán)境溫度對參數(shù)提取的影響。同時利用部分等效元電路(PEEC)法和等效電路方法在考慮溫度和頻率影響的前提下，提取了TSV陣列溫變和頻變的電阻、電感、電容和電導(dǎo)參數(shù)。同時，本文利用這些電路參數(shù)研究了TSV陣列的特征阻抗和插入損耗，并與商業(yè)軟件的數(shù)值結(jié)果進行了對比驗證。
　　 其次，本文從電場、熱場和力場相互耦合的機制出發(fā)，利用目前成熟的有限元技術(shù)(

4、FEM)開發(fā)了改進的電-熱-力多物理場耦合算法，并與相應(yīng)的解析解和商業(yè)軟件進行了對比驗證。在考慮材料物理參數(shù)溫變效應(yīng)的情況下，該算法準確快速的求解得到電-熱-力多物理場之間的耦合響應(yīng)。這些溫變的材料參數(shù)包括電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、楊氏模量和熱膨脹系數(shù)。本文利用該多物理場耦合算法系統(tǒng)地分析了單層TSV、多層TSV和TSV陣列在周期EMP作用下的電熱力瞬態(tài)響應(yīng)。并對EMP波形、TSV材料和其結(jié)構(gòu)參數(shù)等影響其電熱力響應(yīng)的因素進行了詳細分析。此外，本文

5、利用該多物理場耦合算法對典型基于GaN的場效應(yīng)管(FET)在不考慮材料溫變特性的電熱分析進行了重復(fù)驗證。在此基礎(chǔ)上，研究了具有不同單元個數(shù)的GaN-FET在考慮材料溫變特性時的電熱穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，并分別研究了它們在人體ESD，周期EMP和雙指數(shù)EMP注入情況下的瞬態(tài)電-熱-力響應(yīng)。
　　 最后，本文利用解析和開發(fā)的多物理場耦合算法研究了TSV和GaN-FET的熱阻和平均功率容量參數(shù)受到結(jié)構(gòu)參數(shù)變化和材料溫變效應(yīng)的影響。同時，對于一些簡