考虑自热效应互连性能优化及硅通孔结构热传输分析

【摘要】随着集成电路进入纳米时代，芯片的特征尺寸不断减小而集成度持续上升，片上晶体管数目的增加大大提高了芯片的复杂度，连接芯片内部功能块的互连线结构也变的复杂，集成电路的设计重心由原来器件为主逐步向互连线上转移。集成电路的互连结构目前已经达到13层，加上低k低热导率介质材料的引入，导致互连线的热耗散路径变长、难度增大。互连线自身产生的焦耳热无疑升高了互连温度，而受温度影响的互连电阻的改变使得现有的互连线性能估算方法不再准确，这势必阻碍集成电路的发展。本文从自热效应的影响、互连线性能优化以及3DIC热管理角度开展研究，并取得了以下成果：(1)针对单根互连线，本文引进了可以减小互连线延时的非均匀互连线结构，验证了其在减小功耗方面也做出了一定的贡献。基于二端口电路的电流电压理论，推导出非均匀互连线输入、输出电流和电压，建立了包含前端驱动和后端负载在内的非均匀互连电路各部分能耗分布。在65nm工艺下，非均匀互连线的输出电压仿真结果同Hspice仿真结果比较非常吻合。针对互连线不同长度和不同负载电容值进行讨论，结果表明非均匀互连线的能耗分布模型比较适合长互连线和负载电容较大的互连电路。与均匀互连线相比较，非均匀互连线在功耗优化方面也起到了积极的作用。(2)基于分布式功耗模型，考虑自热效应，采用非均匀互连线结构建立了一种基于延时、带宽、面积、最小线宽和最小线间距约束的互连线动态优化模型。分别在90nm和65nmCMOS工艺节点下验证本文功耗优化模型的有效性,与同等条件的均匀互连线相比，在工艺约束下同时不牺牲延时、带宽、和面积所提模型能够降低高达35%的互连线功耗；分析结果表明该模型更适合负载电容小和驱动电阻大的互连电路；通过定性分析再次证明该模型互连线功耗优化的合理之处。该模型适用于片上网络构架中大型互连路由结构和时钟网络优化设计。(3)缓冲器插入的互连线一般都是较长的全局互连线，其位于离热沉较远的互连线结构顶层，散热较差，因此互连线自热效应严重影响到了全局互连线性能和电磁可靠性。传统缓冲器插入优化方法的建立都是基于互连线恒温状态，本文针对这一不足，利用互连线单位电阻与温度的线性关系，考虑互连线自热效应修正了电阻表达式。并通过作图的方式分析出自热效应对互连线延时、带宽、功耗和面积的影响。采用互连线各性能折中优化方法，引入性能品质因子这一概念，合理的建立了考虑自热效应后的插入缓冲器优化模型。针对90nm、65nm和40nm工艺节点进行仿真，仿真结果与不考虑自热效应情况相比，互连线线宽wopt、线间距sopt、缓冲器大小kopt和插入缓冲器的间距hopt的值都明显增大，并且考虑自热效应后互连线的延时、功耗和带宽能够获得更好的优化值。结果表明在实际生产中，由于不考虑自热效应，互连线性能优化所需结构尺寸明显偏小，导致互连工艺技术要求苛刻。(4)三维集成电路与二维集成电路相比，降低了全局互连和整个互连线长度，提高了互连延时、功耗方面的性能。特别是三维集成电路系统包含多个功能模块（数字模块、模拟模块、RF模块）和不同工艺技术(SOI,SiGe,GaAs等)，为集成电路的设计拓展了空间。在影响3D集成电路发展的诸多问题中，热管理无疑是最为重要的因素之一。基于AnkurJain的三维集成电路一维热管理模型，本文提出了考虑横向热扩散效应的含硅通孔结构的三维热传输模型。仿真结果与ANSYS软件仿真结果比较具有很高的吻合度，针对变化的通孔密度、通孔直径、后端互连线层厚度和硅通孔填充材料，仿真比较了考虑通孔结构和不考虑通孔结构的叠层芯片各层温升，结果显示考虑通孔结构后的三维集成电路热扩散能力显著提高，证明了硅通孔结构在三维集成电路热扩散中的重要地位；对含有硅通孔结构的三维集成电路，同样比较了上述参数变化下考虑横向热扩散和不考虑横向热扩散的各层温升，结果表明，横向热扩散对于含硅通孔结构的三维集成电路热分析而言是不可忽视的。
【作者】张岩；
【导师】杨银堂；
【作者基本信息】西安电子科技大学，微电子学与固体电子学，2013，博士
【关键词】非均匀互连线；缓冲器插入；自热效应；三维集成电路；硅通孔；

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