[发明专利]一种基于硅直通孔的三维集成系统热解析方法

说明书

本发明公开了一种基于硅直通孔的三维集成系统热解析方法，它包括将三维集成系统分解成单个功率元胞，在该功率元胞中，考虑硅通孔横向热阻和纵向热阻的影响，建立分段热阻模型；根据基尔霍夫定律得出包含上下层芯片温度的矩阵方程；根据传热学中热阻表达方式，建立热阻R₁～R₈的表达式；将热阻R₁～R₈的表达式代入包含上下层芯片温度的矩阵方程中求解关于温度T的方程组，从而得到三维集成系统中各层芯片的温升情况；解决了现有技术对维集成系统的热解析采用一维热阻模型，它只考虑三维集成系统的纵向传热而没有考虑三维集成系统TSV的横向热阻问题，使得三维集成系统的热可靠性差等问题。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，尤其涉及一种基于硅直通孔的三维集成系统热解析方法。

背景技术

由于电路规模的不断扩大及对单个衬底上实现更多功能的需求不断提升，集成电路中的互连结构越来越复杂，由互连结构所带来的延迟和功耗也越发的明显。将多层芯片堆叠键合在一起，由TSV(Through Silicon Via，硅直通孔)垂直连接不同层上的信号，实现三维集成电路，不仅能够有效缩短信号互连线的长度，还能提高系统的集成度。三维集成技术被认为是能够延续甚至加速集成电路技术快速发展的有效方法之一，最近十几年来已受到学术界和行业界的广泛关注。TSV技术是实现三维集成的关键技术，通过TSV可以缩短互连长度、减小封装尺寸，因而TSV被看做是三维集成的核心。堆叠系统中每一层芯片都需要一套TSV来连接信号，针对不同的功率范围和不同的时钟信号合理配置TSV，可确保堆叠系统的功能和性能。TSV通常是一个由金属铜(Cu)、铝、钨或者重掺杂多晶硅为导电或导热材料的圆柱形结构。TSV的制造有多种方法，根据制造顺序可以分为先通孔、中通孔和后通孔三种。

随着集成度和功率密度的提高，三维集成的热问题对整个电子系统的可靠性至关重要。TSV中填充的金属具有较高的热导率，可以迅速将热量疏导至热沉。因此，除了用作信号互连外，TSV还可以用来实现三维集成系统内部的热疏导，提高系统的散热效率。在三维集成系统中，热流会经过各种具有不同热导率的材料，这会使得热路径以及热阻的计算变得较为复杂。为了简化计算，一维热阻模型只考虑三维集成系统的纵向传热，给出系统热预算的一个粗略估计值。尽管TSV绝缘层的厚度通常是通孔直径的2％～10％，但它依然对三维集成系统的热流密度有着显著影响，因此TSV的横向热阻不能忽略不计。同时，需要考虑硅通孔对有源器件沟道载流子迁移率的影响，避免载流子迁移率过度退化，嵌套的硅通孔和有源器件之间应该留有一定的安全工作间距(Keep-Out-Zone，KOZ)。综合考虑TSV的横向传热以及KOZ的影响。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于硅直通孔的三维集成系统热解析方法，以解决现有技术对维集成系统的热解析采用一维热阻模型，它只考虑三维集成系统的纵向传热而没有考虑三维集成系统TSV的横向热阻问题，使得三维集成系统的热可靠性差等问题。

本发明技术方案

一种基于硅直通孔的三维集成系统热解析方法，它包括：

步骤1、将三维集成系统分解成单个功率元胞，在该功率元胞中，考虑硅通孔横向热阻和纵向热阻的影响，建立分段热阻模型；

步骤2、以R1和R3表示堆叠系统中顶层芯片和底层芯片硅衬底的热阻，R2和R4表示堆叠系统中顶层键合层和底层键合层的热阻，R5和R6表示散热硅通孔的横向热阻，R7和R8表示散热硅通孔的纵向热阻，根据基尔霍夫定律得出包含上下层芯片温度的矩阵方程；

步骤3、根据传热学中热阻表达方式，建立热阻R₁～R₈的表达式；

步骤4、将热阻R₁～R₈的表达式代入包含上下层芯片温度的矩阵方程中求解关于温度T的方程组，从而得到三维集成系统中各层芯片的温升情况。

所述矩阵方程的表达式为