As demands for the small form factor, wide bandwidth, high performance, and low power consump-tion have become greater in number, through silicon via (TSV) based 3-dimensional integrated circuit (3D IC) is expected to be the key to the solution of next generation technology.
One of the most significant issues in 3D IC is noise coupling problem. As various function of ICs such as digital core, RF, and memory are combined with TSV for 3D IC, TSV noise can be easily coupled to near ICs. Especially, highly sensitive RF/analog components like LC-VCO can be strongly affected by TSV cou-pling noise through various paths. As a result, performance of RF circuit can be degraded. Many studies have focused on estimation of noise coupling coefficient. However the previous studies only consider TSV to TSV or TSV to contact coupling, and there is lack of research on TSV to active circuit noise coupling.
In this thesis, noise coupling between TSV and LC-VCO which is targeted active circuit is analyzed. 5 paths of TSV to LC-VCO noise coupling are determined, and model of each path is proposed by 3D-TLM method. From the model, the voltage transfer function as the coupling coefficient is obtained. Then TSV noise coupling mechanism of each path is analyzed under several parameter variations The Model was veri-fied by 3D EM solver simulation.
Noise coupling effect on LC VCO phase noise is investigated in each coupling path. Results of 5 noise coupling paths are compared, and the critical path is determined. After analysis of LC-VCO performance degradation due to TSV noise coupling, several shielding methods are proposed for noise suppression. Com-paring with each other, shielding methods are applied for improving performance of LC-VCO.
반도체의 집적도가 나날이 증가하는 가운데, 넓은 대역폭과 고성능, 그리고 저전력 소모를 위한 차세대 기술의 핵심으로서 실리콘 관통 비아 (TSV) 기반 3차원 집적 회로 (3D IC) 기술이 떠오르고 있다. 많은 이점에도 불구하고 아직 해결되어야 할 문제점들이 많은데, 그 중 하나가 바로 잡음 전달 현상이다. 기존의 2차원 구조에서 3차원 구조로 변하면서 새로운 잡음 전달 현상 들이 발생하였고, 그 중 하나로 TSV에서 인접한 능동 회로로 잡음이 전달 될 수 있다. 3차원 집적 회로에서 잡음에 민감한 RF 회로들이, 다양한 경로로 전달 되는TSV 잡음에 의해 그 성능이 감소하게 되어 결국 구성하는 시스템 전체에 문제를 야기할 수 있다. 따라서 이에 대한 분석과 해결책이 시급하게 된다. 기존 연구에서는 TSV 간의 잡음 전달 현상만이 분석 되었고, TSV와 능동회로 간의 잡음 전달 현상에 대한 연구는 부족하기에 3차원 집적 회로에서 이에 대한 분석이 더욱 필요 시 되고 있다.
이에 본 연구에서는 능동 회로로서 RF 회로에서 중추적인 역할을 담당하는 LC 전압제어발진기를 선정하여TSV와의 잡음 전달 현상을 모델하고 분석하였다. 우선, 5가지의 주요 잡음 전달 경로를 정의하였고, 모델을 통해서 얻어지는 전압전달함수를 통해 각각의 경로를 분석하였다. 그리고 각 경로에서의 잡음 전달에 의한 발진기의 성능 저하를 위상잡음 결과를 통하여 비교 하였으며 가장 취약한 경로를 찾고 이에 대한 보완 및 개선의 필요성을 제시하였다. 아울러 잡음 전달 현상을 줄이기 위한 방안으로서 3차원 집적 회로에서 적용 될 수 있는 몇 가지 차폐 구조-가드링, 접지 TSV, 혼합 구조-를 제안하였고 각 구조에 대한 잡음 전달 현상 억제 효과를 비교 분석하였다. 본 연구 결과들을 토대로 3차원 구조에서 TSV와 LC 전압제어 발진기 설계가 한층 개선될 수 있으며 3차원 혼성 신호 집적회로 구현에 있어서 주요한 한걸음이 될 것으로 기대 된다.
