随着半导体工艺特征尺寸进入纳米量级,进一步减小晶体管沟道长度越发困难。为了继续提升集成电路性能,半导体产业界一方面通过鳍式场效应管(FinFET)等新型晶体管工艺来继续减小特征尺寸,另一方面则通过三维封装集成(3-Dintegration)等新型封装技术来减小全局互连长度从而提升电路整体性能。这两方面的技术可能出现在同一种集成电路产品中,本文将其简称为三维封装集成电路(3-DIC)。集成电路的电热性能之间存在相互作用,即电路工作过程中产生的功耗会引起温度上升,温变材料参数的相应改变又反过来影响电性能。在3-DIC中,电路的温度上升更为显著,电热耦合效应对性能的影响更加难以忽略。具体而言,在器件层面,电热耦合效应会通过热载流子注入等机制带来晶体管阈值电压漂移等可靠性问题;在封装层面,电热耦合效应会影响3-DIC中的关键互连结构——硅通孔(TSV)的电热性能,并进一步带来信号完整性、电磁串扰等问题。为了准确预测3-DIC的电热性能以实现精确设计,需要深入研究其中关键结构的电热耦合机理。本文对3-DIC中的硅通孔和FinFET器件分别进行了电热耦合建模与仿真,并对电热性能和可靠性等指标进行了深入分析研究。主要研究内容和成果包括以下几个方面:(一)为快速获取硅通孔阵列中的三维瞬态热分布,本文提出了硅通孔阵列的三维瞬态等效热路模型,该模型考虑了热传递的多方向性、热导率的温变特性,可用于不同热边界条件(恒温、对流),不同阵列规模大小,不同排列方式的硅通孔阵列的三维瞬态热仿真。与商业软件对比仿真结果表明,在满足毕渥数足够小的前提下,该模型可大幅减少硅通孔阵列的瞬态热仿真时长并且仿真结果精度良好。(二)为探究硅通孔MOS效应的温变特性及其在电热耦合过程中对硅通孔电热性能的影响,本文首先对硅通孔MOS效应的温变特性进行了精细建模,仿真获得的不同温度下的MOS电容值与文献中的测量结果吻合良好。随后基于等效电路和等效热路模型实现了同轴硅通孔的瞬态电热耦合仿真,并提出了利用常见电路求解器进行电热耦合仿真的实现方法。最后通过对比不同情形下的电热耦合仿真结果,本文研究表明MOS效应的温变特性会引起同轴硅通孔S参数的显著变化。(三)为分析FinFET有源器件在电路场景下的电热可靠性,本文以九阶环形振荡器为例,进行版图设计并基于版图构造了电路的三维结构,通过对版图进行电路仿真和对三维结构进行瞬态热传导仿真,获得了整个电路结构的瞬态电热响应。基于上述电热响应,本文成功预测了电路级电热效应作用下FinFET晶体管由热载流子注入机制引起的阈值电压漂移的时变过程,并进一步探究了电路的不同电热参数带来的影响。所得结论对实际电路设计具有较好的指导意义。