以密度为导向的3D芯片的布局设计

李同瀚　张玲

摘 要：3D芯片通过垂直集成提高了芯片的集成度，成为当前半导体产业发展最快的技术之一，被认为是一种延续摩尔定律增长趋势的新方法。硅通孔（TSV）设计是3D芯片设计的关键技术，其可靠性是影响3D芯片良率的主要因素。针对3D芯片的TSV结构进行研究，为多个垂直堆叠裸晶设计密度为导向的TSV布局结构，为后续TSV容错设计提供基础。

关键词：硅通孔；3D集成电路；布局

中图分类号：TU984.12

硅通孔（Through-Silicon-Via）技术将多个晶圆叠在一起，形成3D集成电路。所以对于3D集成电路来说，由于TSV相对电路单元来说具有较大的尺寸，所以这些TSV占据着不可忽略的面积[1]。其次，3D芯片将多个晶圆叠在一起，其散热性无疑变差，过热的温度会加快芯片老化，甚至导致芯片失效，具有热导率铜填充的硅通孔是3D集成电路导热的主要通道[2-3]。再者，TSV的布局设计对系统性能也有着不可忽略的影响，TSV的布局可以简单以阵列形式均匀分布，可以以总布线长度最短为准则，也可以以TSV密度导向为准则[4]。因此，这些TSV及其互联逻辑对芯片面积、功耗、性能及布局都有着非常大的影响[1]。好的TSV设计及管理方法可以减少布线之间的竞争，减少代价及提高性能，而TSV过多的布局不仅增加TSV的面积，而且抵消了3D芯片本该有的优点。

为了获得较优化的TSV设计布局，为后续TSV容错设计提供较好方法，本文对3D集成电路TSV布局进行优化，考虑TSV可靠性，对修复TSV和信号TSV进行统一设计，该过程经历两个阶段，第一阶段先以线长最短为原则设计信号TSV，第二阶段进行修复TSV的设计，以对信号TSV进行容错，较多的TSV可以获得较好的散热效果，却占据着较大的面积，本修复TSV的设计同时考虑面积和温度限制，并获得尽可能大修复率。……