[논문]전력 무결성을 위한 온 칩 디커플링 커패시터

조승범; 김사라은경

doi:10.6117/kmeps.2017.24.3.001

[국내논문] 전력 무결성을 위한 온 칩 디커플링 커패시터
On-chip Decoupling Capacitor for Power Integrity 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.24 no.3, 2017년, pp.1 - 6

조승범 (서울과학기술대학교 나노IT디자인융합대학원) , 김사라은경 (서울과학기술대학교 나노IT디자인융합대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

As the performance and density of IC devices increase, especially the clock frequency increases, power grid network integrity problems become more challenging. To resolve these power integrity problems, the use of passive devices such as resistor, inductor, and capacitor is very important. To manage the power integrity with little noise or ripple, decoupling capacitors are essential in electronic packaging. The decoupling capacitors are classified into voltage regulator capacitor, board capacitor, package capacitor, and on-chip capacitor. For next generation packaging technologies such as 3D packaging or wafer level packaging on-chip MIM decoupling capacitor is the key element for power distribution and delivery management. This paper reviews the use and necessity of on-chip decoupling capacitor.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

성능/효과

증가한 임피던스 때문에 정전용량이 큰 디커플링 커패시터가 필요하며, 디커플링 커패시터 중 온 칩 디커플링 커패시터를 많이 사용하는 것이 효과적이다.¹⁾ SiP(system in package)과 같은 차세대 고성능 패키지 구조에서는 온 칩 디커플링 커패시터가 더욱 중요한 요소가 될 것이다.¹¹⁾
12) Ando 그룹은 등가 산화물 두께(equivalent oxide thickness, EOT)가 0.8 nm인 HfO2 유전체를 이용한 MIM 디커플링 커패시터를 제조하였고, 정전용량 밀도가 43fF/µm2이었고, 누설전류 밀도(leakage current density)가 전압 1V, 온도 125℃에서 5fA/µm2이었다고 발표하였다.
7(b)에서는 박막 BST 커패시터가 스퍼터 증착 시 기판 온도가 높을수록 유전율이 올라가는 것을 보여주고 있다.¹³⁾ 유전율이 30에서 200으로 넓은 분포를 가지는 것은 디커플링 커패시터 제조에 매우 유용하나, 칩 레벨의 디커플링 커패시터 공정에서는 낮은 증착온도가 매우 중요한 요소라 하겠다.

후속연구

전력 무결성 관리를 위해서는 수동소자에 관한 연구가 매우 필요하며, 그 중 디커플링 커패시터는 핵심 요소 중 하나이다. 디커플링 커패시터 중 온 칩 MIM 디커플링 커패시터는 3D 패키징과 같은 차세대 패키징 구조의 전력 분배나 전달에서 핵심 요소가 될 것이며, 디커플링 커패시터 활용을 극대화할 수 있는 공정과 디자인 측면에서 더 많은 연구가 이루어져야 한다.
^{25, 26)} 그러나 차세대 칩 레벨의 디커플링 커패시터 디자인 연구는 아직 부족한 면이 많이 있다. 앞으로 IC 소자의 전력 무결성 유지를 위해서는 디커플링 커패시터 중 온 칩 디커플링 패시터가 더욱 중요해질 것이며, 특히 고주파수 대역에서 발생하는 전력 네트워크의 높은 기생 임피던스 조절에는 온 칩 디커플링 커패시터가 가장 효과적이라 하겠다.²⁷⁾

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	트랜지스터의 밀도가 높아지고, 작동 속도가 빨라지고, 크기가 작아짐에 따라서 어떤 현상을 야기하는가?	트랜지스터(transistor)의 밀도가 높아지고, 작동 속도가 빨라지고, 크기가 작아짐에 따라서 전력 네트워크(network)의 총 전류는 증가하고, 전이 시간(transition time)은 짧아지고, 노이즈 범위(noise margin)는 작아지며, 또한 공급 전압(supply voltage)의 감소를 야기한다. 증가한 전류는 오믹(ohmic) 전압 강하(voltage drop)를 발생시키고, 빠른 전이 시간은 유도(inductive) 전압 강하를 발생시킨다.
	온 칩 디커플링 커패시터의 종류는 무엇들이 있는가?	• Polysilicon-insulator-polysilicon (PIP) decoupling capacitor • Metal-oxide-semiconductor (MOS) decoupling capacitor • Metal-insulator-metal (MIM) decoupling capacitor • Lateral flux decoupling capacitor
	수동소자들은 전자소자 시스템의 무엇에 중요한 기여를 해왔는가?	수동소자들은 전자소자 시스템의 소형화에 중요한 기여를 해왔으며, 전자패키징 분야에서 기판(substrate)이나 보드(PCB)의 가격 절감과 소자 성능 향상을 위해서 더욱 활발히 연구되고 있다. 그 중 노이즈(noixe)나 리플(ripple)이 거의 없는 최상의 전력 전달을 위해서는 높은 정전용량(capacitance)과 임피던스(impedance) 발생이 적은 짧은 전류 경로를 가지는 디커플링 커패시터(decoupling capacitor, DECAP)의 개발이 매우 중요한 요소라 하겠다.

참고문헌 (34)

M. Popovich, "High Performance Power Distribution Networks with on-Chip Decoupling Capacitors for Nanoscale Integrated Circuits(in USA.)", in Ph.D. Thesis, Univ. Rochester, NY (2007).
M. Popovich, and E. G. Froed,am, "Decoupling Capacitors for Multi-Voltage Power Distribution Systems", IEEE Trans. VLSI Systems., 14(3), 217 (2006).

상세보기
S. Ramesh, B. A. Shutzberg, and C. Huang, "Dielectric Nanocomposites for Integral Thin Film Capacitors: Materials Design, Fabrication and Integration Issues", IEEE Trans. Adv. Packag., 26(1), 17 (2003).

상세보기
T. Lenihan, L. Schaper, and Y. Shi, "Embedded Thin Film Resistors, Capacitors and Inductors in Flexible Polyimide Films", Proc. 46th Electron. Compon. Technol. Conf., 119 (1996).
F. Wang, and Y. Wang, "Development and Utilization of Integral Thin Film Capacitors", Procedia Environ. Sci., 18, 871 (2013).

상세보기
A. M. Saleem, G. Goransson, and V. Des,aros, "CMOS Compatible on-Chip Decoupling Capacitor Based on Vertically Aligned Carbon Nanofibers", Solid State Electron., 107, 15 (2015).

상세보기
T. Ando, E. Carther, and P. Jamison, "CMOS Compatible MIM Decoupling Capacitor with Reliable sub-nm EOT High-k Stacks for the 7 nm Node and Beyond", Proc. IEEE Int. Electron Devices Meeting (2016).
G. Carchon, K. Vaesen, and S. Brebets, "Multilayer Thin-Film MCM-D for the Integration of High-Performance RF and Microwave Circuits", IEEE Trans. Compon., Packag., Manuf. Technol., 24(3), 510 (2001).

상세보기
P. Chahal, R. R. Tummara, and M. G. Allen, "A Novel Integrated Decoupling Capacitor for MCM-L Technology", IEEE Trans. Compon., Packag., Manuf. Technol., Part B., 21(2), 184 (1998).

상세보기
D. DimosI, S. Llockwood, and R. Schwartz, "Thin-Film Decoupling Capacitors for Multichip Modules", IEEE Trans. Compon., Packag., Manuf. Technol., Part B., 18(1), 174 (1995).
Y. Rao, and C. Wong, "Material Characterization of a highdielectric- constant polymer-ceramic Composite for Embedded Capacitor for RF Applications", J. Appl. Polym. Sci., 92(4), 2228 (2004).

상세보기
K. Fischer, M. Agostimelli, and C. Allen, "Low-k Interconnect Stack with Multi-Layer Air Gap and Tri-Metal-Insulator- Metal Capacitors for 14nm High Volume Manufacturing", Proc. IEEE Int. Intercon. Technol. Conf., (2015).
K. Kurhara, T. Shioga, and J. D. Banecki, "Electrical Properties of Low-Inductance Barium Strontium Titanate Thin Film Decoupling Capacitors", J. Eur. Ceram. Soc., 24(6), 1873 (2004).

상세보기
G. Banhegyi, "Comparison of Electrical Mixture Rules for Composites", Colloid. Polym. Sci., 264(12), 1030 (1986).

상세보기
B. Lestriez, A. Maazouz, and J. Gerard, "Is the Maxwell-Sillars- Wagner Model Reliable for Describing the Dielectric Properties of a core-shell particle-epoxy System?", Polymer., 39(26), 6733 (1998).

상세보기
J. Xu, and C. Wong, "Characterization and Properties of an organic-inorganic Dielectric Nanocomposite for Embedded Decoupling Capacitor Applications", Composites, Part A., 38(1), 13 (2007).

상세보기
P. Zhou, K. Sridharan, and S. S. Sapatnekar, "Optimizing Decoupling Capacitors in 3D Circuits for Power Grid Integrity", IEEE Design & Test of Computers., 26(5), 15 (2009).

상세보기
M. Kang, K. Cho, and S. Nahm, "Effects of Vanadium Substitution on the Electrical Performance of Amorphous $SrBi_2$ - $Ta_2O_9$ Thin-Film Capacitors", Scr. Mater., 7745 (2014).
T. Bertaud, C. Bermond, and S. Blonkowski, "Electrical Characterization of Advanced MIM Capacitors with $ZrO_2$ Insulator for High-Density Packaging and RF Applications", IEEE Trans. Compon., Packag., Manuf. Technol., 2(3), 502 (2012).

상세보기
S. Cimno, A. Padovani, and L. Larcher, "A Study of the Leakage Current in TiN/ $HfO_2$ /TiN Capacitors", Microelectron. Eng., 95, 71.(2012).

상세보기
J. H. Han, S. Han, and W. Lee, "Improvement in the Leakage Current Characteristic of Metal-Insulator-Metal Capacitor by Adopting RuO2 Film as Bottom Electrode", Appl. Phys. Lett., 99(2), 022901 (2011).

상세보기
B. Ma, D. Kwon and M. Narayanan, "Dielectric Properties of PLZT Film-on-Foil Capacitors", Mater Lett., 62(20), 3573 (2008).

상세보기
J. Choi, C. Choi, and K. Cho, "Effect of Oxygen Vacancy and Mn-Doping on Electrical Properties of $$ Thin Film Grown by Pulsed Laser Deposition", Acta Mater., 57(8), 2454 (2009).

상세보기
X. Zhu, E. Defay, and Y. Lee, "High Permittivity $Bi_{24}Fe_2O_{39}$ Thin Films Prepared by a Low Temperature Process", Appl. Phys. Lett., 97(23), 232903 (2010).

상세보기
J. Wang, J. Lu, and Y. Li, "Placement of Decoupling Capacitor on Packages Based on Effective Decoupling Radius", 18th IEEE Electron. Packag. Technol. Conf. (2016).
J. Y. Choi, and M. Swaminathan, "Decoupling Capacitor Placement in Power Delivery Networks using MFEM", IEEE Trans. Compon., Packag., Manuf. Technol., 1(10), 1651 (2011).

상세보기
M. Popovich, and E. G. Fredman, "Impedance Characteristics of Decoupling Capacitors in Multi-Power Distribution Systems", Proc. 11th IEEE Int. Conf. Electronics, Circuits Systems., (2004).
X. Zhao, M. R. Scheuermann, and S. K. Lim, "Analysis and Modeling of DC Current Crowding for TSV-Based 3-D Connections and Power Integrity", IEEE Trans. Compon., Packag., Manuf. Technol., 4(1), 123.(2014).

상세보기
Y. C. Tan, C. M. Tan, X. W. Zhang, T. C. Chai, and D. Q. Yu, "Electromigration performance of through silicon via (TSV), a modeling approach", Microelectron. Rel., 50(9-11), 1336 (2010).

상세보기
L. H. Allen, and M. Y. Zhang, "Solutions to current crowding in circular vias for contact resistance measurements", J. Appl. Phys., 70(1), 253 (1991).

상세보기
M. B. Healy, and S. K. Lim, "Distributed TSV topology for 3-D powersupply networks", IEEE Trans. Very Large Scale Integr. Syst., 20(11), 2066 (2012).

상세보기
K. Oh, J. Ma, and S. Kim, "Interconnect Process Technology for High Power Delivery and Distribution", J. Microelectron. Packag. Soc., 19(3), 9 (2012).
G. Schrom, P. Hazucha, and J. Hahn, "Feasibility of Monolithic and 3D-Stacked DC-DC Converters for Microprocessors in 90 nm Technology Generation", Proc. Int. Symp. Low Power Electron. Design., 263 (2004).
J. Sun, J. Lu, and D. Giuliano, "3D Power Delivery for Microprocessors and High-Performance ASICs", Appl. Power Electron. Conf., 127 (2007).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증