一种TSV诱发应力的迁移率模型及其对SRAM性能分析的应用研究

摘要

近几年，基于TSV技术的三维集成电路(3D IC)已经逐渐演变为微电子集成电路技术发展的主要方向之一。TSV技术是三维集成中芯片之间，晶圆之间的垂直互连技术，其最大的优点是能够降低互连线的长度，减小互连线的电阻，缩短互连线的延迟，减小互连线之间的耦合效应，改善芯片性能，减小芯片面积，提高集成度，以及实现异质集成。但是TSV技术由于通孔互连材料与硅衬底材料的热膨胀系数的差异，所诱发产生的机械热应力，会使硅衬底的载流子迁移率变化,导致MOS管器件的电流特性发生变化，CMOS反相器的时序特性发生改变，最终会影响芯片电路以及整个系统的性能。
　　该论文首先提出了TSV矩阵诱发应力及引起的迁移率变化的解析模型；然后基于该模型，研究TSV矩阵诱发应力对器件的影响，包括TSV矩阵诱发应力对MOS管电流特性的影响，和TSV矩阵诱发应力对反相器时序特性的影响，并根据KOZ区对MOS管的排布进行优化；最后研究TSV矩阵诱发应力对静态存储器(SRAM)电路单元可靠性能的影响，并基于TSV诱发应力对电路性能的影响对SRAM电路中的各个单元进行优化排布。该论文的主要研究成果概括如下：
　　1.基于单个TSV诱发应力的应力分布解析模型及引起迁移率变化的解析模型，根据线性叠加原理，提出了TSV矩阵按正方形排布和菱形排布两种模式下的TSV矩阵诱发应力分布解析模型及引起迁移率变化的解析模型。分析讨论 TSV矩阵诱发应力所引起的迁移率的变化与通孔之间的距离与通孔直径之比，晶向，载流子类型，工艺温度以及通孔材料之间的关系。
　　2.分析了TSV矩阵诱发应力对器件性能的影响。基于TSV矩阵迁移率变化模型,结合ISE-TCAD仿真分析了邻近TSV衬底的MOS管的电流特性的影响,结合HSPISE软件仿真分析了TSV应力对CMOS反相器上升、下降时间的时序特性的影响。并基于TSV诱发应力产生的迁移率变化的KOZ区，对器件的排布进行了优化。
　　3.进行了TSV矩阵诱发应力对芯片SRAM电路单元的性能分析的应用研究。基于TSV矩阵诱发应力所引起的迁移率变化模型，结合HSPISE仿真软件，研究TSV矩阵诱发应力对三维集成电路中SRAM电路单元的可靠性能的影响。根据TSV诱发应力对SRAM电路的静态噪声容限(SNM)的影响，来对TSV矩阵结构的SRAM电路中的各个单元进行排布优化，使得电路单元的可靠性能有所提升。

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第一章 绪论

1.1 基于硅通孔（TSV）三维集成技术的发展

1.2 基于TSV的三维集成电路的可靠性

1.3 论文研究内容及组织结构

第二章 三维集成中TSV诱发应力引起的可靠性问题

2.1 TSV互连技术

2.2 TSV诱发应力

2.3 诱发应力对可靠性的影响

第三章 TSV诱发应力引起的迁移率变化模型

3.1 单个TSV诱发应力分布及引起迁移率变化的模型

3.2 TSV矩阵应力分布解析模型及迁移率变化模型

3.3 基于TSV矩阵迁移率变化解析模型分析与讨论

3.4 总结

第四章 TSV诱发应力对器件性能的影响分析

4.1 TSV诱发应力对MOS管的影响

4.2 TSV诱发应力对反相器性能的影响

4.3 MOS器件的布局优化分析

4.4 总结

第五章 基于TSV诱发应力引起的迁移率变化模型及对SRAM性能分析

5.1 基于TSV技术的SRAM

5.2 TSV诱发应力对SRAM性能影响分析

5.3 应力对SRAM的性能影响

5.4 基于TSV诱发应力对电路性能的影响优化排布

5.5 总结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

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