一种3D-IC中的共振电感耦合互连通道制造技术

本发明专利技术公开了一种3D‑IC中的共振电感耦合互连通道，包括：设置于发送层上的发送电感以及设置在接受层上的接受电感；发送层和接收层之间通过发送电感与接受电感之间形成的无线互连通道来进行耦合通信；当发送电感和接收电感工作在共振状态时形成了共振电感耦合无线互连通道。本发明专利技术可以提升通道的电流电压增益，增强电感耦合无线互连通道接收端的电压，减少系统设计难度。本发明专利技术以两个工作在共振状态的无线电感作为本方法实施的最小单位。基于其工作频率，电感的自身耦合电感不能被忽略，在引入自身耦合电感之后，通道传输性能得以加强。本发明专利技术基于电感耦合无线互连通道的共振效果，有效改善3D‑IC标准电感耦合通道电流电压增益低的问题。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种3D-IC中的共振电感耦合互连通道
本专利技术属于3D-IC电感耦合无线互连
，更具体地，涉及一种3D-IC中的共振电感耦合互连通道。
技术介绍
3D-IC是一种系统级架构的新方法，内部含有多个平面器件层的叠层，并经由穿透硅通孔(TSV)在垂直方向实现相互连接。采用这种方式可以大幅缩小芯片尺寸，提高芯片的晶体管密度，改善层间电气互联性能，提升芯片运行速度，降低芯片的功耗。在设计阶段导入3D-IC的概念，可以将一个完整、复杂的芯片，拆分成若干子功效芯片，在不同层实现，既增强了芯片功能，又避免了相关的成本、设计复杂度增加等问题。3D-IC芯片具有体积小、集成度高、功耗及成本低，有利于实现功能多样化的特点，符合当前数字电子产品轻薄短小发展趋势，近年来产业化进程加快。目前3D-IC中的层间互连方式主要有硅通孔(ThroughSiliconVia，TSV)互连，电容耦合互连和电感耦合互连三种。由于一般的半导体芯片仅仅在其顶部具有电气接口，所以一般这样的结构不太适合用来垂直堆叠。所以为了实现层间互连，就需要完全穿过半导体芯片的硅衬底的电气连接，这就是我们提到的硅通孔(ThroughSiliconVia，TSV)。与3D封装如边缘引线键合相比，TSV允许IC层之间的高密度垂直互连。这些互连可以在IC上的任何位置，而不仅仅是沿着IC层的周边。此外，由于其较小的寄生电容，电感和电阻，TSV可实现高速和低功耗的功能。但是，在制造IC时嵌入TSV需要额外的处理步骤，并且其制造仍然不稳定。TSV互连方式是一种接触式垂直互连。并且，非接触互连可以使用诸如电容耦合或电感耦合的无线技术来实现。因此，在过程中，利用现有的金属层3D-IC之间的无线信号和功率传输比是比采用传统的封装更好的选择。无线互连使用的电容器或电感器几乎和平面工艺兼容，并且其允许集成电路层之间的通信。电容耦合方法通过两个节点之间的电容来传输信号。电容耦合通过将小金属板垂直堆叠并保持彼此平行形成的电容器来形成电容耦合通道。电容通道通过传递交流信号来连接耦合电路。与其他无线互连方法相比，电容耦合方法具有信道建模简单以及由于电场更受限制而导致串扰更少的优势。但是，电容耦合通道的通信距离仅限于几微米。由于电容器基本上是电压驱动器件，因此想增加电容耦合通道的通信距离就必须增加电容器两端的电压。在大多数CMOS工艺中，提高电源电压上的信号电压是困难的，并且可能导致器件击穿，这就导致电容耦合互连的通信距离有限。电容耦合的短程通信可以用于无线测试。传统的晶圆级测试需要带有大量的探针。由于针尖在强力作用下在晶圆上形成物理接触，因此针尖的磨损和变形是不可避免的，这就增加了测试成本。电容耦合无线测试可以消除机械触点及其相应的问题。另外，用于无线测试的电容器可以重新用于引线键合焊盘。无线电感耦合由平面螺旋电感器对之间的耦合磁场产生。发射线圈中的时变电流产生磁通量，其在接收线圈中感应出电动势(EMF)。感应数据链路以交变电流的形式传输数据，并在接收器端感应感应电动势。感应电源链路收集EMF并将其转换为接收电路上的可用电源。信号强度和功率量与耦合电感器对之间的链接磁通量成正比。由于电感器是电流驱动器件，所以电感器周围的磁通量通过增加电流而增加，这在大多数现代CMOS工艺中比用于电容耦合的增加电压更容易的问题。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种3D-IC中的共振电感耦合互连通道，旨在兼容当前标准CMOS工艺，解决现有标准电感耦合无线互连通道的通信距离短和能量传输效率较低的问题。本专利技术提供了一种3D-IC中的共振电感耦合互连通道，包括：设置于发送层上的发送电感以及设置在接受层上的接受电感；所述发送层和接收层之间通过发送电感与接受电感之间形成的无线互连通道来进行耦合通信；当发送电感和接收电感工作在共振状态时形成了共振电感耦合无线互连通道。当发射层和接受层的耦合电感线圈都处于共振状态时，整个电感互连通道处于共振耦合状态，此时系统的传输效率高，从而提升了3D-IC的层间传输效率和层间通信距离。本专利技术可以提升通道的电流电压增益，增强电感耦合无线互连通道接收端的电压，减少系统设计难度。本专利技术以两个工作在共振状态的无线电感作为本方法实施的最小单位。基于其工作频率，电感的自身耦合电感不能被忽略，在引入自身耦合电感之后，通道传输性能得以加强。本专利技术基于电感耦合无线互连通道的共振效果，可以有效改善3D-IC标准电感耦合通道电流电压增益低的问题。其中，发送电感和所述接受电感均为多层平面电感，且层间与层间首尾相连。更进一步地，平面电感为方形螺旋电感，方形螺旋电感具有单位面积最高电感值，便于在耦合电感对中形成更大的磁通量来达成更有效的通信过程。更进一步地，方形螺旋电感线圈的金属绕线均为由外到内的顺序进行绕制，此时电感端口在外部，无需从内圈引出导线。更进一步地，发送电感和接收电感均可以基于标准CMOS工艺制备。本专利技术提出一种3D-IC中的基于共振电感耦合对的电感耦合无线互连通道；并且该共振电感模型为多层平面方形电感。包括设置于发送层上的发送电感；以及设置在接受层上的接受电感；发送层和接收层之间通过发送电感与接受电感之间形成的无线互连通道来进行耦合通信。发射层和接受层的耦合电感线圈都处于共振状态时整个电感互连通道处于共振耦合状态，此时系统的传输效率较高。共振电感技术通过使耦合电感线圈共振来产生更强的耦合效果，从而来有效提升3D-IC的性能。附图说明图1是本专利技术提供的平面方形电感示意图；图2是本专利技术提供的共振电感耦合无线互连通道示意图；图3是本专利技术提出的共振电感耦合无线互连通道的等效电路和标准电感耦合无线互连通道的等效电路对比示意图；图4是本专利技术提供的实现共振电感耦合的电路示意图；图5是基于共振电感耦合无线互连的3D-IC结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供了一种多层的由内至外绕线的金属方形电感线圈来保证单位面积最大的电感值，并且发射层和接收层的电感线圈要保持完全一致。其中，电感的绕线顺序均为由内向外进行绕制；电感为多层结构，并且层间与层间首尾相连；且所有电感均基于标准CMOS工艺下制备。本专利技术提出的共振电感耦合无线互连通道的传输效率较高，所以相邻的耦合电感之间的距离比标准电感耦合无线互连通道的距离要大，这样就减小了系统的设计难度。随着现在半导体集成电路的迅猛发展，IC集成的核的数量一直在增加。在传统的二维IC结构中，连线过长导致的延迟和功耗问题始终是IC设计发展过程中的需要面对的重要问题。随着三维堆叠集成电路(3D-IC)技术日趋完善，并备受瞩目，3D-IC的层间互连技术也是现在的重要研究方向。下面结合附图对技术方法的实施做进一步的说明：如图1所示，本专利技术提供的有着单位面积最高电感值优势的方形螺旋电感可以用作产生共振电感耦合通道。本专利技术提供的多层方形螺旋电感可以用于共振电感耦合无线互连通道中，如图2所示，包括设置于发送层上的发送电感201；以及设置在接受层上的接受电感202；所述发送层和接收层之间通过发送电感与接受电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D‑IC中的共振电感耦合互连通道，其特征在于，包括：设置于发送层上的发送电感以及设置在接受层上的接受电感；所述发送层和接收层之间通过发送电感与接受电感之间形成的无线互连通道来进行耦合通信；当发送电感和接收电感工作在共振状态时形成了共振电感耦合无线互连通道。

【技术特征摘要】
1.一种3D-IC中的共振电感耦合互连通道，其特征在于，包括：设置于发送层上的发送电感以及设置在接受层上的接受电感；所述发送层和接收层之间通过发送电感与接受电感之间形成的无线互连通道来进行耦合通信；当发送电感和接收电感工作在共振状态时形成了共振电感耦合无线互连通道。2.如权利要求1所述的共振电感耦合互连通道，其特征在于，所述发送电感和所述接受电感均为多层平面电感，且层间与层间首尾相连。3.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷鑑铭，褚轶，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42