無線垂直傳輸之電感與電容耦合技術

三維積體電路無線傳輸架構可分為無線電容耦合與無線電感耦合，無線電容 耦合的傳輸距離屬於短距離傳輸一般在 10 微米以下，傳輸方式主要是依靠電容 之間的電場來傳輸的，而無線電感耦合的傳輸距離屬於較長距離傳輸，磁通量可 以輻射到幾百微米大小，傳輸方式主要是依靠電感之間的磁通量來傳輸的，在功 率消耗方面無線電感耦合比無線電容耦合還大。

在電感無線傳輸方面的研究上，日本的慶應大學在這方面發表了相當多的成 果[21-30]，使用被動元件電感作為訊號或電源的傳遞，而 Sun Microsystem 則提 出一個鄰近通訊(proximiity communication)[31]的觀念，當初這個觀念是希望可以 利用原有的 I/O Pad，將不同的兩個 IC 的 I/O Pad 以面對面的方式進行堆疊，一 個 Pad 作 Transmitter 另 一 個 Pad 就 作 Receiver 。 整 個 系 統 可 以 稱 為 PxC-MCM[32]。原理有點像我們常用的觸控開燈(touch lamp)。

透過 LC-Coupling 的方式傳遞資料，可以利用圖 13 所示，也就是上下兩個 電極，一個當作是訊號傳送端，一個當作是訊號接收者。不同的是，若是用電容 耦合，主要是上下兩個電極以面對面的方式傳遞訊號，其耗能的能源較低，浪費 的晶片面積也相當小。若是用電感耦合，其可以用超過兩個電層來耦合，方向上 不會有面對面或者是面對背的問題，最大的好處就是可以做功率的傳輸。這種透 過 LC 耦合的好處是高速與低功率，也因為是非接觸式，也就是沒有直流的接觸，

所以也不需要 ESD 的保護。因為僅需要薄化的動作，不需要特殊的 TSV 製程，

所 以 費 用 可 以 比 任 何 一 種 封 裝 方 式 便 宜 ; 因 為 不 管 是 C-Coupling 或 者 是 L-Coupling 其電極都是利用最上層的金屬層，所以堆疊的方式大致是用面對面的 形式。

TX

RX

圖13. 利用電容感應與電感感應傳遞資料的示意圖

對於無線傳輸有以下優點:

1. 密度:不需繞線，所以密度變大。

2. 成本:減少打線，可能也不需要 Socket 支架的介面電路，所以費用較低。

3. 速度:直接透過無線傳輸，速度更快。

4. 延遲:因為傳輸距離變短，所以延遲較少。

5. 功率:不需要繞線，負載變小，所以每個訊號接腳的功率消耗變小。

而無線傳輸有以下缺點:

1. 訊號電壓變異大:因為 Transmitter 需要將訊號放大用來推動另一個 Pad，所以 接收器必須可以忍受相當大的訊號變異。

2. 機械對準問題:因為上下兩個晶片的 I/O 要對準，所以必須要有一些方法來克 服製程堆疊不準的問題、使用時的震動問題、熱膨脹係數不同的問題。

3. 無法替換:當某一個晶片有問題時，將無法替換，即使要替換，依目前製程，

其成本相當昂貴。

第 第 第

第三 三 三 三章 章 章 章

3D TCAD 半導體元件製程 半導體元件製程 半導體元件製程 半導體元件製程設計模擬 設計模擬 設計模擬 設計模擬

3.1 簡介 簡介 簡介 簡介

此章節說明使用 TCAD 的電腦模擬分析流程及分析參數的設定。TCAD (Technology CAD)是一種元件與製程方面的電腦輔助設計與模擬軟體，具有大量 減少製程成本與時間的優點，是半導體研發過程中不可或缺的工具。TCAD 的應 用領域包括所有和物理現象有關而且是我們必須瞭解的事物，如半導體製程、元 件物理、電路缺陷(circuit defects)等，凡是像電磁、機械方面的物理現象，都是 TCAD 的應用領域，因此，TCAD 可以稱為物理基礎上的模擬(Physically Based Simulation)。我們所提出的共用傳導層傳送晶片多重信號設計，中間的介質材質 使用導電膠，因此如何使用 TCAD 粹取出 3D 電阻與 3D 電容模型為此章節重點。

3.2 導電 導電 導電 導電膠 膠 膠 膠材料 材料 材料 材料應用 應用 應用分析 應用 分析 分析 分析

導電膠是一種固化或乾燥後具有一定導電性能的膠黏劑，它通常以基體樹脂 和導電填料即導電粒子為主要組成成分，通過基體樹脂的粘接作用把導電粒子結 合在一起，形成導電通路，實現被粘材料的導電連接.由於導電膠的基體樹脂是 一種膠黏劑，可以選擇適宜的固化溫度進行粘接，由於電子元件的小型化、微型 化及印刷電路板的高密度化和高度集成化的迅速發展，而且導電膠工藝簡單，易 於操作，可提高生產效率並降低成本，所以導電膠是替代鉛錫焊接，實現導電連 接的理想選擇，在此篇論文中，我們使用導電膠當作印刷電路板對印刷電路板的 面對面連接或是晶片對晶片的面對面堆疊如圖 14 所示。

圖14. 導電膠黏接示意圖

導電膠主要由樹脂基體、導電粒子和分散添加劑、助黏劑等組成。目前市場 上使用的導電膠大都是填料型，填料型導電膠的樹脂基體，原則上講是可以採用 各種膠勃劑類型的樹脂基體，常用的一般有熱固性膠黏劑如環氧樹脂、有機矽樹 脂、聚醯亞胺樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯、丙烯酸樹脂等膠黏劑體系。這些膠黏劑 在固化後形成了導電膠的分子骨架結構，提供了力學性能和粘接性能保障，並使 導電填料粒子形成通道。由於環氧樹脂可以在室溫或低於 150℃固化，並且具有 豐富的配方可設計性能，目前環氧樹脂基導電膠占主導地位。導電膠要求導電粒 子本身要有良好的導電性能且粒子直徑要在合適的範圍內，能夠添加到導電膠基 體中形成導電通路。導電填料可以是金、銀、銅、鋁、鋅、鐵、鎳的粉末和石墨 及一些導電化合物[33]，如表 3 所示為各種填充粒子及不同材料的導電程度。

Chip1

Chip2

導電膠

表3. 部份導電金屬與及導電黏著劑的導電性質[33]

Electrical Conductivity of Metals. Conductive Plastics And Various Insulation Materials at 25℃

Specific Gravity

Graphite or carbon –filled coatings - 10-100 Oxide-filled epoxy adhesive 1.5-2.5 10¹⁴-10¹⁵

dielectrics - 10¹⁶

3.3 面對面接合 面對面接合 面對面接合堆疊 面對面接合 堆疊 堆疊 堆疊

在第二章節中，我們提到使用無線傳輸的架購，利用電場傳輸的電容感應或 磁場傳輸的電感感應，它們的電極都是利用最上層的金屬層，所以堆疊的方式大 致是用面對面的形式。而在此我們所提出的使用共用傳導層傳送晶片多重信號架 購是使用導電膠當做中間介質，也是採用面對面的形式堆疊，因此需要晶片最上 層金屬的規格與參數，圖 15 所示為 TSMC 0.18um 1P6M 的剖面圖，由表 4 參數 規格所示可以得知最上層金屬的厚度為 1 微米。

圖15. TSMC 0.18um 1P6M 的剖面圖

表4. TSMC 0.18um 1P6M 參數規格 DielectricThickness %Var Dielectric constant

FOX 3500 +17.1% 3.9

首先先介紹 Raphael 的介面如圖 17 所示，因為我們所萃取的三維電阻與電 容結構不在 Raphael 原本建立的介面環境內，所以需要先使用 Laker 軟體 Layout 建立面對面接合環境再產生 GDS 檔案，讓 Taurus-Layout & Net Extraction System 讀入 GDS 檔案，進一步把 2D 環境修改成此論文所要模擬的 3D 介面，設定好實 驗參數後轉成 RC3 檔案，經過 Field Solvers 執行就可得到 3D 電阻與電容值。

圖17. Raphael 介面流程

圖18. 面對面接合環境(9 個金屬層墊)

.gds 檔 .rc3 檔

Spice 檔 .rc3 (R)

.rc3 (C)

R/C 分析設定

Space

Upper Metal

Lower Metal Width

如上圖 18 所示，先在 Laker 軟體方面佈局 9 個金屬層墊，設計參數如寬度 (Width)和間距(Space)，以 TSMC 0.18um 1P6M 製程來看，上層金屬可以是 Metal6 層，中間材質為 Metal5 層，下層金屬為 Metal4 層，此時為 GDS 檔讓 Taurus-Layout

& Net Extraction System 讀入後轉出為 RC3 檔案，就可以重新定義每一層的特性 與參數，如圖 19 所示，設計厚度(Thickness)的參數方法，因此使用者可以去控 制 W、S、T 三種參數去找出之間對電阻與電容影響的關係，圖 20 所示為圖 18 的剖面圖，新增厚度方面的參數設定。

圖19. 厚度與名稱定義

圖20. 剖面圖(9 個金屬層墊) Thickness

當寬度(W)、間距(S)、厚度(T)都設計好後，再來決定粹取 3D 電阻或電容，

分析電阻方面需要把介質定義為電阻係數(RHO)，分析電容方面需要把介質定義 成介電係數(Diel)，個別分析萃取節點的電阻與電容後，就可以合在一起成為 3D RC Model 電路。

圖21. 輸出檔案設定

如圖 21 所示，Raphael 讀取修改後的 RC3 檔，再個別去分析萃取節點的電 阻與電容時，我們會去選擇產生 TDF 檔案以及輸出的 Output 檔，產生 TDF 的目 的是可以用 Taurus Visual(TV)軟體來驗證所設定的參數如寬度(W)、間距(S)、厚 度(T)是否為我們所設定的參數，而產生 Output 檔的目的是為了把各節點所產生 的 3D 電阻、電容值合併成一個提供給電路模擬的通道模型。

3.5 Taurus Visual 驗證 驗證 驗證環境設定 驗證 環境設定 環境設定 環境設定

為了驗證之前所設定的寬度(W)、間距(S)、厚度(T)是否正確，我們可以使 用 Taurus Visua 來讀取 TDF 檔來顯示 3D 的圖形並量測是否為所設計的，如圖 22 所示，使用尺規、放大與旋轉功能就能把設計參數如寬度(W)、間距(S)、厚度 (T)，作後模擬的再次驗證參數設定，使 3D RC Model 更為精確。

圖22. 三維圖形界面

由於節點與節點之間的電阻與電容值辨別方法，從圖形上只能從顏色去區 別，故從產生的 Spice 檔中，我們必須先確定上層金屬的個別位置與下層金屬的 個別位置，這樣才能正確宣告輸入與輸出相對應的電阻與電容值。如圖 22 所示，

在 Edit 方面可以找出相對顏色所對應的相對節點，因此我們可以從設計參數如 寬度(W)、間距(S)、厚度(T)到產生節點與節點之間的 3D 電阻與電容，才能真正 模擬出 I/O 輸出入之間所有影響電路的 3D 電阻與電容值。

3.6 電阻與電容粹取 電阻與電容粹取 電阻與電容粹取 電阻與電容粹取

我們先建構出三個金屬層墊 C1、C2 與 C3 在兩個基底上如圖 3-10 所示，並 定義出每一層的特性跟電阻系數，其中 C1、C2 和 C3 的大小一樣，參數設定為 寬度為 5um、長度為 5um、厚度為 1.4um 以及之間的間距為 6um，設定好這些 參數加上每一層的電阻係數就可以依以上的步驟，Raphael 粹取出圖 23 所示的電 阻值。

圖23. 三個金屬層墊在兩個基底

由圖 23 粹取出電阻如圖 24 所示，可以得知 C1 與 C3 之間的電阻非常大，

可以視為開路，C1、C2 與 C3 電阻之間的電阻都遠大於對地的電阻。

圖24. 等效電阻模型

我們建構出一個三維的元件如圖 25 所示，為一用於非揮發性記憶體單元的 浮動閘電晶體，設定好介電係數、厚度與長寬的參數與不同材質的特性，Raphael 可以粹取出圖 26 所示的電容值。

圖25. 浮動閘電晶體

圖26. 等效電容模型

從以上的步驟可以萃取出精確的三維電阻與電容值，尤其在三維積體電路的 設計中需要更可靠的模型來做電路的模擬的驗證，因此在我們所提出的新三維積 體電路架構使用共用傳導層傳送訊號機制中，利用 TCAD 所粹取的 RC 模型讓我

從以上的步驟可以萃取出精確的三維電阻與電容值，尤其在三維積體電路的 設計中需要更可靠的模型來做電路的模擬的驗證，因此在我們所提出的新三維積 體電路架構使用共用傳導層傳送訊號機制中，利用 TCAD 所粹取的 RC 模型讓我