一種3D-IC中的共振電感耦合互連通道制造技術

本發明專利技術公開了一種3D?IC中的共振電感耦合互連通道，包括：設置于發送層上的發送電感以及設置在接受層上的接受電感；發送層和接收層之間通過發送電感與接受電感之間形成的無線互連通道來進行耦合通信；當發送電感和接收電感工作在共振狀態時形成了共振電感耦合無線互連通道。本發明專利技術可以提升通道的電流電壓增益，增強電感耦合無線互連通道接收端的電壓，減少系統設計難度。本發明專利技術以兩個工作在共振狀態的無線電感作為本方法實施的最小單位。基于其工作頻率，電感的自身耦合電感不能被忽略，在引入自身耦合電感之后，通道傳輸性能得以加強。本發明專利技術基于電感耦合無線互連通道的共振效果，有效改善3D?IC標準電感耦合通道電流電壓增益低的問題。

A Resonant Inductively Coupled Interconnection Channel in 3D-IC

The invention discloses a resonant inductance coupling interconnection channel in 3D IC, which includes: a transmitting inductance set on the transmitting layer and a receiving inductance set on the receiving layer; a wireless interconnection channel formed between the sending inductance and the receiving inductance for coupling communication; and a resonant electricity formed when the sending inductance and the receiving inductance work in a resonant state. Inductively coupled wireless interconnection channel. The invention can improve the current and voltage gain of the channel, enhance the voltage of the receiving end of the inductively coupled wireless interconnection channel, and reduce the difficulty of system design. The invention takes two radio inductances working in resonance state as the minimum unit for the implementation of the method. Based on its working frequency, the self-coupling inductance of the inductor can not be ignored. After introducing the self-coupling inductance, the channel transmission performance can be enhanced. Based on the resonance effect of the inductively coupled wireless interconnection channel, the invention effectively improves the problem of low current and voltage gain of the standard inductively coupled channel of 3D IC.

【技術實現步驟摘要】
一種3D-IC中的共振電感耦合互連通道
本專利技術屬于3D-IC電感耦合無線互連
，更具體地，涉及一種3D-IC中的共振電感耦合互連通道。
技術介紹
3D-IC是一種系統級架構的新方法，內部含有多個平面器件層的疊層，并經由穿透硅通孔(TSV)在垂直方向實現相互連接。采用這種方式可以大幅縮小芯片尺寸，提高芯片的晶體管密度，改善層間電氣互聯性能，提升芯片運行速度，降低芯片的功耗。在設計階段導入3D-IC的概念，可以將一個完整、復雜的芯片，拆分成若干子功效芯片，在不同層實現，既增強了芯片功能，又避免了相關的成本、設計復雜度增加等問題。3D-IC芯片具有體積小、集成度高、功耗及成本低，有利于實現功能多樣化的特點，符合當前數字電子產品輕薄短小發展趨勢，近年來產業化進程加快。目前3D-IC中的層間互連方式主要有硅通孔(ThroughSiliconVia，TSV)互連，電容耦合互連和電感耦合互連三種。由于一般的半導體芯片僅僅在其頂部具有電氣接口，所以一般這樣的結構不太適合用來垂直堆疊。所以為了實現層間互連，就需要完全穿過半導體芯片的硅襯底的電氣連接，這就是我們提到的硅通孔(ThroughSiliconVia，TSV)。與3D封裝如邊緣引線鍵合相比，TSV允許IC層之間的高密度垂直互連。這些互連可以在IC上的任何位置，而不僅僅是沿著IC層的周邊。此外，由于其較小的寄生電容，電感和電阻，TSV可實現高速和低功耗的功能。但是，在制造IC時嵌入TSV需要額外的處理步驟，并且其制造仍然不穩定。TSV互連方式是一種接觸式垂直互連。并且，非接觸互連可以使用諸如電容耦合或電感耦合的無線技術來實現。因此，在過程中，利用現有的金屬層3D-IC之間的無線信號和功率傳輸比是比采用傳統的封裝更好的選擇。無線互連使用的電容器或電感器幾乎和平面工藝兼容，并且其允許集成電路層之間的通信。電容耦合方法通過兩個節點之間的電容來傳輸信號。電容耦合通過將小金屬板垂直堆疊并保持彼此平行形成的電容器來形成電容耦合通道。電容通道通過傳遞交流信號來連接耦合電路。與其他無線互連方法相比，電容耦合方法具有信道建模簡單以及由于電場更受限制而導致串擾更少的優勢。但是，電容耦合通道的通信距離僅限于幾微米。由于電容器基本上是電壓驅動器件，因此想增加電容耦合通道的通信距離就必須增加電容器兩端的電壓。在大多數CMOS工藝中，提高電源電壓上的信號電壓是困難的，并且可能導致器件擊穿，這就導致電容耦合互連的通信距離有限。電容耦合的短程通信可以用于無線測試。傳統的晶圓級測試需要帶有大量的探針。由于針尖在強力作用下在晶圓上形成物理接觸，因此針尖的磨損和變形是不可避免的，這就增加了測試成本。電容耦合無線測試可以消除機械觸點及其相應的問題。另外，用于無線測試的電容器可以重新用于引線鍵合焊盤。無線電感耦合由平面螺旋電感器對之間的耦合磁場產生。發射線圈中的時變電流產生磁通量，其在接收線圈中感應出電動勢(EMF)。感應數據鏈路以交變電流的形式傳輸數據，并在接收器端感應感應電動勢。感應電源鏈路收集EMF并將其轉換為接收電路上的可用電源。信號強度和功率量與耦合電感器對之間的鏈接磁通量成正比。由于電感器是電流驅動器件，所以電感器周圍的磁通量通過增加電流而增加，這在大多數現代CMOS工藝中比用于電容耦合的增加電壓更容易的問題。
技術實現思路
針對現有技術的缺陷，本專利技術的目的在于提供一種3D-IC中的共振電感耦合互連通道，旨在兼容當前標準CMOS工藝，解決現有標準電感耦合無線互連通道的通信距離短和能量傳輸效率較低的問題。本專利技術提供了一種3D-IC中的共振電感耦合互連通道，包括：設置于發送層上的發送電感以及設置在接受層上的接受電感；所述發送層和接收層之間通過發送電感與接受電感之間形成的無線互連通道來進行耦合通信；當發送電感和接收電感工作在共振狀態時形成了共振電感耦合無線互連通道。當發射層和接受層的耦合電感線圈都處于共振狀態時，整個電感互連通道處于共振耦合狀態，此時系統的傳輸效率高，從而提升了3D-IC的層間傳輸效率和層間通信距離。本專利技術可以提升通道的電流電壓增益，增強電感耦合無線互連通道接收端的電壓，減少系統設計難度。本專利技術以兩個工作在共振狀態的無線電感作為本方法實施的最小單位。基于其工作頻率，電感的自身耦合電感不能被忽略，在引入自身耦合電感之后，通道傳輸性能得以加強。本專利技術基于電感耦合無線互連通道的共振效果，可以有效改善3D-IC標準電感耦合通道電流電壓增益低的問題。其中，發送電感和所述接受電感均為多層平面電感，且層間與層間首尾相連。更進一步地，平面電感為方形螺旋電感，方形螺旋電感具有單位面積最高電感值，便于在耦合電感對中形成更大的磁通量來達成更有效的通信過程。更進一步地，方形螺旋電感線圈的金屬繞線均為由外到內的順序進行繞制，此時電感端口在外部，無需從內圈引出導線。更進一步地，發送電感和接收電感均可以基于標準CMOS工藝制備。本專利技術提出一種3D-IC中的基于共振電感耦合對的電感耦合無線互連通道；并且該共振電感模型為多層平面方形電感。包括設置于發送層上的發送電感；以及設置在接受層上的接受電感；發送層和接收層之間通過發送電感與接受電感之間形成的無線互連通道來進行耦合通信。發射層和接受層的耦合電感線圈都處于共振狀態時整個電感互連通道處于共振耦合狀態，此時系統的傳輸效率較高。共振電感技術通過使耦合電感線圈共振來產生更強的耦合效果，從而來有效提升3D-IC的性能。附圖說明圖1是本專利技術提供的平面方形電感示意圖；圖2是本專利技術提供的共振電感耦合無線互連通道示意圖；圖3是本專利技術提出的共振電感耦合無線互連通道的等效電路和標準電感耦合無線互連通道的等效電路對比示意圖；圖4是本專利技術提供的實現共振電感耦合的電路示意圖；圖5是基于共振電感耦合無線互連的3D-IC結構示意圖。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。本專利技術提供了一種多層的由內至外繞線的金屬方形電感線圈來保證單位面積最大的電感值，并且發射層和接收層的電感線圈要保持完全一致。其中，電感的繞線順序均為由內向外進行繞制；電感為多層結構，并且層間與層間首尾相連；且所有電感均基于標準CMOS工藝下制備。本專利技術提出的共振電感耦合無線互連通道的傳輸效率較高，所以相鄰的耦合電感之間的距離比標準電感耦合無線互連通道的距離要大，這樣就減小了系統的設計難度。隨著現在半導體集成電路的迅猛發展，IC集成的核的數量一直在增加。在傳統的二維IC結構中，連線過長導致的延遲和功耗問題始終是IC設計發展過程中的需要面對的重要問題。隨著三維堆疊集成電路(3D-IC)技術日趨完善，并備受矚目，3D-IC的層間互連技術也是現在的重要研究方向。下面結合附圖對技術方法的實施做進一步的說明：如圖1所示，本專利技術提供的有著單位面積最高電感值優勢的方形螺旋電感可以用作產生共振電感耦合通道。本專利技術提供的多層方形螺旋電感可以用于共振電感耦合無線互連通道中，如圖2所示，包括設置于發送層上的發送電感201；以及設置在接受層上的接受電感202；所述發送層和接收層之間通過發送電感與接受電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種3D?IC中的共振電感耦合互連通道，其特征在于，包括：設置于發送層上的發送電感以及設置在接受層上的接受電感；所述發送層和接收層之間通過發送電感與接受電感之間形成的無線互連通道來進行耦合通信；當發送電感和接收電感工作在共振狀態時形成了共振電感耦合無線互連通道。

【技術特征摘要】
1.一種3D-IC中的共振電感耦合互連通道，其特征在于，包括：設置于發送層上的發送電感以及設置在接受層上的接受電感；所述發送層和接收層之間通過發送電感與接受電感之間形成的無線互連通道來進行耦合通信；當發送電感和接收電感工作在共振狀態時形成了共振電感耦合無線互連通道。2.如權利要求1所述的共振電感耦合互連通道，其特征在于，所述發送電感和所述接受電感均為多層平面電感，且層間與層間首尾相連。3.如權利要...

【專利技術屬性】
技術研發人員：雷鑑銘，褚軼，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：湖北,42