The main objective of this dissertation is to explore and develop computer-aided-design methodologies and optimization techniques for reliability, performance, and power of through-silicon-via-based 3D IC designs. Through-silicon-via (TSV), a vertical interconnect element between dies, is the key enabling technology in 3D ICs. This new design element provides unprecedented design freedom as well as challenges. To maximize benefits and overcome challenges in TSV-based 3D ICs, new analysis methodologies and optimization techniques should be developed. In this dissertation, first, the robustness of 3D power delivery network is assessed under different power/ground TSV placement schemes and TSV RC variations. Next, thermo-mechanical stress and reliability problems are examined in full-chip/stack scale using the principle of linear superposition of stress tensors. Finally, physical design methods for low power 3D designs are explored to enhance the 3D power benefit over the 2D counterpart.

Les innovations actuelles en électronique allient à la fois des critères de coût, de performance et de taille. Or à l'ère du tout numérique, les technologies CMOS sont confrontées à la stagnation de leurs performances électriques. Parallèlement, les systèmes hétérogènes multifonctions s'orientent vers une complexification extrême de leurs architectures, augmentant leur coût de conception. Les problématiques de performance électrique et d'hétérogénéité convergent vers un objectif commun. Une solution industriellement viable pour atteindre cet objectif d'architecture ultime est l'intégration tridimensionnelle de circuits intégrés. En empilant verticalement des circuits classiques aux fonctionnalités diverses, cette architecture ouvre la voie à des systèmes multifonctions miniaturisés dont les performances électriques sont meilleures que l'existant. Néanmoins, les technologies CMOS ne sont pas conçues pour être intégrées dans une architecture 3D. Cette thèse de doctorat s'intéresse à évaluer toute forme d'impact engendré par les technologies d'intégration 3D sur les performances électriques des composants CMOS. Ces impacts sont classifiés en deux familles d'origine thermomécanique et électrique. Une étude exploratoire réalisée par modélisation TCAD a permis de montrer l'existence d'un couplage électrique par le substrat provoqué par les structures d'intégration 3D dont l'influence s'avère non négligeable pour les technologies CMOS. La seconde partie de l'étude porte sur la mise en œuvre et le test de circuits conçus pour quantifier ces phénomènes d'interaction thermomécanique et électrique, et leur impact sur les performances de transistors et d'oscillateurs en anneau.

Le travail de doctorat réalisé s'attache à étudier les nouveaux types d'interconnexions comme les TSV (Through Silicon Via), les lignes de redistribution (RDL) et les piliers de cuivre (Cu-Pillar) présentes dans le domaine de l'intégration 3D en microélectronique avancée, par exemple pour des applications de type " imager " où une puce " capteur optique " est empilée sur une puce " processeur ". Afin de comprendre et quantifier le comportement électrique de ces nouveaux composants d'interconnexion, une première problématique de la thèse s'articulait autour de la caractérisation électrique, sur une très large bande de fréquence (10 MHz - 60 GHz) de ces éléments, enfouis dans leurs environnements complexes d'intégration, en particulier avec l'analyse de l'impact des pertes dans les substrats de silicium dans une gamme de conductivités allant de très faible (0 S/m) à très forte (10 000 S/m). Par la suite, une nouvelle problématique prend alors naissance sur la nécessité de développer des modèles mathématiques permettant de prédire le comportement électrique des interconnexions 3D. Les modèles électriques développés doivent tenir compte des pertes, des couplages ainsi que de certains phénomènes liés à la montée en fréquence (courants de Foucault) en fonction des caractéristiques matériaux, des dimensions et des architectures (haute à faible densité d'intégration). Enfin, à partir des modèles développés, une dernière partie propose une étude sur les stratégies de routage dans les empilements 3D de puces à partir d'une analyse sur l'intégrité de signaux. En opposant différents environnements, débit de signaux binaires ou dimensions des TSV et des RDL des conclusions émergent sur les stratégies à adopter pour améliorer les performances des circuits conçus en intégration 3D.

Ces dernières années ont vu l'émergence d'un nouveaux concept dans le domaine de la microélectronique pour répondre aux besoins grandissant en termes de performances et taille des puces et trouver une alternative au loi de Moore et de More than Moore qui atteignent leur limites. Il s'agit de l'intégration tridimensionnelle des circuits intégrés. Cette innovation de rupture repose sur l'empilement de puces aux fonctionnalités différentes et la transmission des signaux au travers des substrats de silicium via des TSV (via traversant le silicium). Très prometteurs en termes de bande passante et de puissance consommée devant les circuits 2D, les circuits intégrés 3D permettent aussi d'avoir des facteurs de forme plus agressifs. Des points clés par rapport aux applications en vogue sur le marché (téléphonie, appareils numériques) Un prototype nommé Wide I/O DRAM réalisé à ST et au Leti a démontré ses performances face à une puce classique POP (Package on Package), avec une bande passante multipliée par huit et une consommation divisée par deux. Cependant, l'intégration de plus en plus poussée, combinée à la montée en fréquence des circuits, soulève les problèmes des diaphonies entre les interconnexions TSV et les circuits intégrés, qui se manifestent par des perturbations dans le substrat. Ces TSV doivent pouvoir véhiculer des signaux agressifs sans perturber le fonctionnement de blocs logiques ou analogiques situés à proximité, sensibles aux perturbations substrat. Cette thèse a pour objectif d'évaluer ces niveaux de diaphonies sur une large gamme de fréquence (jusqu'à 40 GHz) entre le TSV et les transistors et d'apporter des solutions potentielles pour les réduire. Elle repose sur de la conception de structure de test 3D, leur caractérisation, la modélisation des mécanismes de couplage, et des simulations.

Abstract des Vortrages: The reliability-limiting effects in 3D IC structures using TSVs including mechanical stress distributions and the resulting effects on material integrity (e.g. failure modes like interface delamination, cohesive cracking, metallurgical degradation at joints, and chip-package interaction) and finally on device performance degradation are challenges in advanced 3D integration technologies and product development. Managing internal mechanical stress is a key task to ensure high reliability of products manufactured in advanced CMOS technology nodes, and it is a highly ranked concern for 3D TSV technologies. It requires the determination of materials properties, including Young’s modulus, Poisson ratio and coefficient of thermal expansion (CTE), for each material used. For polycrystalline materials, their microstructure has to be considered. In this talk, one reliability-limiting effect, interface delamination and so-called “pop-up” of copper TSV structures will be addressed. Shear stress along the Cu/Si interface and adhesion of the interfaces in a complex stack (Si/liner/barrier/seed/Cu) are parameters that have to be considered. Metal barrier and seed films and the respective surfaces will be discussed in the context of interface strength. Nano X-ray tomography is currently the only analytical technique to study the so-called “pop-up” effect quantitatively, without modifying the region of interest.

As the convergence of multiple functions in a single electronic device drives current electronic trends, the need for increasing integration density is becoming more emphasized than in the past. To keep up with the industrial need and realize the new system integration law, three-dimensional (3-D) integration called System-on-Package (SoP) is becoming necessary. However, the commercialization of 3-D integration should overcome several technical barriers, one of which is the difficulty for the electrical design of interconnections. The 3-D interconnection design is difficult because of the modeling challenge of electrical coupling from the complicated structures of a large number of interconnections. In addition, mixed-signal design requires broadband modeling, which covers a large frequency spectrum for integrated microsystems. By using currently available methods, the electrical modeling of 3-D interconnections can be a very challenging task. This dissertation proposes a new method for constructing a broadband model of a large number of 3-D interconnections. The basic idea to address the many interconnections is using modal basis functions that capture electrical effects in interconnections. Since the use of global modal basis functions alleviates the need for discretization process of the interconnection structure, the computational cost is reduced considerably. The resultant interconnection model is a RLGC model that describes the broadband electrical behavior including losses and couplings. The smaller number of basis functions makes the interconnection model simpler, and therefore allows the generation of network parameters at reduced computational cost. Focusing on the modeling of bonding wires in stacked ICs and through-silicon via (TSV) interconnections, this research validates the interconnection modeling approach using several examples from 3-D full-wave EM simulation results.

Abstract des Vortrages: The reliability-limiting effects in 3D IC structures using TSVs including mechanical stress distributions and the resulting effects on material integrity (e.g. failure modes like interface delamination, cohesive cracking, metallurgical degradation at joints, and chip-package interaction) and finally on device performance degradation are challenges in advanced 3D integration technologies and product development. Managing internal mechanical stress is a key task to ensure high reliability of products manufactured in advanced CMOS technology nodes, and it is a highly ranked concern for 3D TSV technologies. It requires the determination of materials properties, including Young’s modulus, Poisson ratio and coefficient of thermal expansion (CTE), for each material used. For polycrystalline materials, their microstructure has to be considered. In this talk, one reliability-limiting effect, interface delamination and so-called “pop-up” of copper TSV structures will be addressed. Shear stress along the Cu/Si interface and adhesion of the interfaces in a complex stack (Si/liner/barrier/seed/Cu) are parameters that have to be considered. Metal barrier and seed films and the respective surfaces will be discussed in the context of interface strength. Nano X-ray tomography is currently the only analytical technique to study the so-called “pop-up” effect quantitatively, without modifying the region of interest.

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L'intégration tridimensionnels (3D) ont été couronnés de succès dans les dispositifs traditionnels pour augmenter la densité logique et réduire les distances de mouvement des données. Il résout les limites fondamentales de la mise à l'échelle, par ex. retard croissant dans les interconnexions, les coûts de développement et la variabilité. La plupart des périphériques de mémoire livrés aujourd'hui comportent une forme d'empilage de puce. Mais en raison des limites de dissipation de puissance des circuits intégrés, la fréquence de fonctionnement du MPU d'aujourd'hui a été limitée à quelques GHz. Le but de la thèse est de fournir une méthode de conception globale pour le circuit intégré 3D dans le domaine électrique, thermique, électrothermique et aussi le bruit. À cette fin, la question de recherche est la suivante: Comment réaliser la conception 3D IC, comment gérer VLS 3D IC et comment résoudre les problèmes thermiques dans le CI 3D. Dans ce contexte, les méthodes de simulation pour le substrat et également la connectivité relative (TSV, RDL, Micro strip et circuits intégrés dans le substrat) sont proposées. Afin de satisfaire la demande de recherche, un 3D-TLE et une impédance de substrat sont programmés dans Matlab, qui peut automatiquement extraire de tous les contacts; impédance, de forme arbitraire et de matière arbitraire. L'extracteur est compatible à 100% avec le simulateur de cœur SPICE et vérifié avec les résultats de mesure et les résultats de simulation FEM. Et comme pour une démo, une fréquence de 26 GHz et un filtre RF de bande passante 2GHz sont proposés dans ce travail. Un autre simulateur électrothermique est également programmé et vérifié avec ADS. En tant que solution à la dissipation thermique locale, le caloduc plat est proposé comme composant potentiel. Le modèle caloduc est vérifié avec une simulation FEM. La méthode d'analyse du bruit des substrats et les méthodes de calcul de électriques et thermo-mécanique KOZ sont également présentées. / Three Dimensional (3D) Integration and Packaging has been successful in mainstream devices to increase logic density and to reduce data movement distances. It solves the fundamental limits of scaling e.g. increasing delay in interconnections, development costs and variability. Most memory devices shipped today have some form of chip-stacking involved. But because of the power dissipation limits of ICs, today’s MPU’s operating frequency has been limited to a few GHz. The aim of the thesis is to provide a global design method for the 3D integrated circuit in electrical, thermal, electro-thermal and also noise field. To this end, the research question is as follows: How to realize the 3D IC design, how to manage VLS 3D IC and how to solve the thermal issues in the 3D IC. In this context, the simulation methods for substrate and also relative connectivity (TSV, RDL, Micro strip and circuits embedded into the substrate) are proposed. In order to satisfy the research demand, a 3D-TLE and a substrate impedance are programmed in Matlab, which can automatically extract from any contacts; impedance, of arbitrary shape and arbitrary material. The extractor is 100% compatible with SPICE core simulator, and verified with measurement results and FEM simulation results. And as for a demo, a 26 GHz frequency and 2GHz bandwidth RF filter is propose in this work. Another electro-thermal simulator is also programmed and verified with ADS. As a solution to the local heat dissipation, flat heat pipe (FHP) is proposed as a prospective component. The heat-pipe model is verified with FEM simulation. The substrates noise analysis method and electrical and thermos-mechanical keep-out-of-zone (KOZ) calculation methods are also presented.

Vertical stacking—based on modern manufacturing and integration technologies—of multiple 2D chips enables three-dimensional integrated circuits (3D ICs). This exploitation of the third dimension is generally accepted for aiming at higher packing densities, heterogeneous integration, shorter interconnects, reduced power consumption, increased data bandwidth, and realizing highly-parallel systems in one device. However, the commercial acceptance of 3D ICs is currently behind its expectations, mainly due to challenges regarding manufacturing and integration technologies as well as design automation. This work addresses three selected, practically relevant design challenges: (i) increasing the constrained reusability of proven, reliable 2D intellectual property blocks, (ii) planning different types of (comparatively large) through-silicon vias with focus on their impact on design quality, as well as (iii) structural planning of massively-parallel, 3D-IC-specific interconnect structures during 3D floorplanning. A key concept of this work is to account for interconnect structures and their properties during early design phases in order to support effective and high-quality 3D-IC-design flows. To tackle the above listed challenges, modular design-flow extensions and methodologies have been developed. Experimental investigations reveal the effectiveness and efficiency of the proposed techniques, and provide findings on 3D integration with particular focus on interconnect structures. We suggest consideration of these findings when formulating guidelines for successful 3D-IC design automation. / Dreidimensional integrierte Schaltkreise (3D-ICs) beruhen auf neuartigen Herstellungs- und Integrationstechnologien, wobei vor allem “klassische” 2D-ICs vertikal zu einem neuartigen 3D-System gestapelt werden. Dieser Ansatz zur Erschließung der dritten Dimension im Schaltkreisentwurf ist nach Expertenmeinung dazu geeignet, höhere Integrationsdichten zu erreichen, heterogene Integration zu realisieren, kürzere Verdrahtungswege zu ermöglichen, Leistungsaufnahmen zu reduzieren, Datenübertragungsraten zu erhöhen, sowie hoch-parallele Systeme in einer Baugruppe umzusetzen. Aufgrund von technologischen und entwurfsmethodischen Schwierigkeiten bleibt jedoch bisher die kommerzielle Anwendung von 3D-ICs deutlich hinter den Erwartungen zurück. In dieser Arbeit werden drei ausgewählte, praktisch relevante Problemstellungen der Entwurfsautomatisierung von 3D-ICs bearbeitet: (i) die Verbesserung der (eingeschränkten) Wiederverwendbarkeit von zuverlässigen 2D-Intellectual-Property-Blöcken, (ii) die komplexe Planung von verschiedenartigen, verhältnismäßig großen Through-Silicion Vias unter Beachtung ihres Einflusses auf die Entwurfsqualität, und (iii) die strukturelle Einbindung von massiv-parallelen, 3D-IC-spezifischen Verbindungsstrukturen während der Floorplanning-Phase. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, Verbindungsstrukturen mit deren wesentlichen Eigenschaften bereits in den frühen Phasen des Entwurfsprozesses zu berücksichtigen. Dies begünstigt einen qualitativ hochwertigen Entwurf von 3D-ICs. Die in dieser Arbeit vorgestellten modularen Entwurfsprozess-Erweiterungen bzw. -Methodiken dienen zur effizienten Lösung der oben genannten Problemstellungen. Experimentelle Untersuchungen bestätigen die Wirksamkeit sowie die Effektivität der erarbeiten Methoden. Darüber hinaus liefern sie praktische Erkenntnisse bezüglich der Anwendung von 3D-ICs und der Planung deren Verbindungsstrukturen. Diese Erkenntnisse sind zur Ableitung von Richtlinien für den erfolgreichen Entwurf von 3D-ICs dienlich.