针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器及其设计方法与流程

本发明属于无源电子器件技术领域，涉及一种针对三维集成电路中差分硅通孔传输通道的无源均衡器及其设计方法。

背景技术：

差分传输方式已经成为高速数字信号传输系统的一项重要技术。差分传输对外界干扰拥有较高的效抑制能力，可有效提升信号的传输质量。在三维集成电路中，针对硅通孔技术的差分传输结构可以有效提高系统集成度、降低能量损耗、提高系统稳定性。对此，研究人员提出地-信号-信号-地(ground-signal-signal-ground,g-s-s-g)结构的差分硅通孔和片上互连线传输结构来改善高速信号的传输质量，来降低信号传输路径中的共模噪声。

但随着信号频率提高到ghz频段，由硅通孔和片上互连线结构导致的信号传输损耗也变得越来越严重。硅通孔周围的氧化层所形成的氧化层电容会起到隔绝直流泄漏的作用，但会加剧高频信号泄漏到衬底中。随着三维集成电路堆叠层数的增加，基于硅通孔的差分传输通道造成的传输损耗变得越来越明显，具体表现在高速数字信号传输系统中眼图的质量变差。此外，差分传输结构也很难解决数字通信系统中存在的码间串扰问题。随着信号传输速率的提高，硅衬底造成的频率损耗也带来了显著的码间串扰问题。

因此，在针对硅通孔的高速数字信号传输系统中需要均衡器来提高信号的传输质量。有源均衡器是解决码间串扰问题最普遍和传统的方法，但其带来的限制系统带宽和过多的接口能量损耗等负面效应影响了其功能的发挥。因此无源均衡器更适用于高带宽、低功耗系统，其更具发展潜力。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的一个目的是提出一种针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器，此结构利用电阻-电感(resistance-inductance,rl)谐振电路的思路设计而成。此结构可以有效解决数字差分信号传输系统中存在的码间串扰问题，使传输频带变得平坦，有效提高了高速数字信号的传输质量。本发明的另一个目的是提出针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器的结构参数设计方法，该方法基于一组闭式数学表达式和多目标优化函数，可以快速地获得均衡器的实际结构参数，有效地提高了设计效率。

本发明针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器，包括结构完全相同的第一无源均衡器和第二无源均衡器。所述的第一无源均衡器包括第一金属线以及连接在第一金属线两端的第一连接线和第二连接线；所述的第二无源均衡器包括第二金属线以及连接在第二金属线两端的第三连接线和第四连接线；第一金属线和第二金属线的整体形状均呈平面上的螺旋线。所述的螺旋线为多条直线拼接而成，且相邻两条直线的弯折角均为90°。

进一步，所述的第一无源均衡器和第二无源均衡器与差分传输结构连接时，第一金属线和第二金属线均位于金属层m2上，第二连接线和第三连接线的输入端口以及第一连接线和第四连接线的输出端口均位于金属层m1上；第一无源均衡器通过第一连接线与差分传输结构的第一片上互连线相连，且通过第二连接线与差分传输结构的第二片上互连线相连；第二无源均衡器通过第三连接线与差分传输结构的第三片上互连线相连，且通过第四连接线与差分传输结构的第四片上互连线相连。

该针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器的设计方法，具体如下：

步骤一，输入差分硅通孔的制造工艺信息，制造工艺信息包括硅通孔内芯半径、外部氧化层厚度、片上绝缘层厚度、片上互连线厚度、片上互连线宽度、片上互连线高度、硅衬底厚度、硅衬底的电学参数；硅衬底的电学参数包括介电常数、磁导率和电导率。

步骤二，利用制造工艺信息计算第一金属线和第二金属线的电学参数，包括目标电阻rtarget和目标电感ltarget。

步骤三，利用一组闭式数学表达式和多目标优化函数，求得结构参数，结构参数包括第一金属线和第二金属线的宽度w、厚度t、相邻两匝中平行直线之间的间隙s、匝数n和内部空隙直径din，第一金属线或第二金属线的最内部一圈共有两对相对的直线，且该两对相对的直线的相对距离相等，内部空隙直径din为第一金属线或第二金属线最内部一圈其中一对相对的两条直线的距离。

进一步，采用闭式数学表达式(1)-(7)计算第一金属线和第二金属线的实际电阻r和实际电感l，具体如下：

实际电阻r为：

其中ρcu为第一金属线或第二金属线的电阻率(本实施例金属线材质为铜)，l为第一金属线或第二金属线的长度，表示为：

其中ni为n取整后的值；

实际电感l由多部分组成，包括自电感lself、反向互电感lneg和正向互电感lpos，其中，自电感为：

式中等效长度μ0为真空磁导率。

反向互电感lneg为：

正向互电感lpos为：

其中dav表示为：

实际电感计算为：

l＝lself-lneg+lpos(7)。

进一步，利用基于遗传算法的多目标优化函数对闭式数学表达式(1)-(7)进行优化，从而得到w、t、s、n和din结构参数，使第一金属线和第二金属线的电学参数最接近当前差分硅通孔的目标电学参数，具体优化问题用数学表达式表示为：

minf1＝[r-rtarget],minf2＝[l-ltarget]

式中，r和l均是w、s、t、n、din的函数，w、s、t、n、din需满足：

本发明的有益效果主要体现在：

1、本发明可使得差分信号传输系统的频带变得平坦，显著提高了高频差分信号的传输质量，尤其体现在使高速数字差分传输系统眼图质量变好；

2、本发明可针对目标均衡器的电阻和电感参数，利用一组闭式的结构表达式和基于遗传算法的多目标优化方法对均衡器结构参数进行准确设计；

3、本发明提出的设计方法具有快速设计和精确设计等优点；

4、本发明适用于高带宽、低功耗差分信号传输系统。

附图说明

图1为硅通孔结构的纵截面剖切示意图；

图2a本发明无源均衡器的结构立体图；

图2b为本发明无源均衡器与片上互连线的连接示意图；

图3为本发明无源均衡器与差分硅通孔传输通道的整体连接示意图；

图4为本发明针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器的工作效果图；

图5a为差分硅通孔传输通道的传输眼图；

图5b为加入本发明均衡器之后差分硅通孔传输通道的传输眼图；

图中：101、第一金属内芯，102、第一外部绝缘层，103、第二硅通孔金属内芯，104、第二外部氧化层，105、第三硅通孔金属内芯，106、第三外部氧化层，107、第四硅通孔金属内芯，108、第四外部氧化层，109、硅衬底，201、第一片上互连线，202、第二片上互连线，203、第三片上互连线，204、第四片上互连线，205、片上绝缘层，301、第一无源均衡器，302、第一连接线，303、第二连接线，401、第二无源均衡器，402、第四连接线，403、第三连接线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

图1为现有硅通孔的纵截面剖切示意图，其位于硅衬底109中，包括第一金属内芯101和第一外部氧化层102。第一金属内芯101材质为铜或钨。第一外部绝缘层102一般选用二氧化硅材料来防止漏电流，若选用铜，为防止铜原子的扩散作用，还会在第一金属内芯101与第一外部绝缘层102间加一层隔离层。

图2a和图2b为本发明针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器结构图，包括结构完全相同的第一无源均衡器301和第二无源均衡器401。第一无源均衡器301包括第一金属线以及连接在第一金属线两端的第一连接线302和第二连接线303；第二无源均衡器401包括第二金属线以及连接在第二金属线两端的第三连接线403和第四连接线402；第一金属线和第二金属线的整体形状均呈平面上的螺旋线；螺旋线为多条直线拼接而成，且相邻两条直线的弯折角均为90°。第一金属线和第二金属线均位于金属层m2上；第二连接线303和第三连接线403的输入端口以及第一连接线302和第四连接线402的输出端口均位于金属层m1上，用于差分传输结构与金属线的连接。

图3为本发明针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器与差分传输结构的连接示意图。差分传输结构包括位于硅衬底109中的四个差分硅通孔、位于硅衬底顶端的片上绝缘层205以及位于片上绝缘层上的四根片上互连线。第一个差分硅通孔由第一金属内芯101和第一外部氧化层102组成；第二个差分硅通孔由第二硅通孔金属内芯103和第二外部氧化层104组成，第三个差分硅通孔由第三硅通孔金属内芯105和第三外部氧化层106组成，第四个差分硅通孔由第四硅通孔金属内芯107和第四外部氧化层108组成。第一金属内芯101与第一片上互连线201相连，第二硅通孔金属内芯103与第二片上互连线202相连，第三硅通孔金属内芯105与第三片上互连线203相连，第四硅通孔金属内芯107与第四片上互连线204相连，从而构成差分传输通道，第一片上互连线201、第二片上互连线202、第三片上互连线203和第四片上互连线204均位于金属层m1。第一无源均衡器301通过第一连接线302与第一片上互连线201相连，且通过第二连接线303与第二片上互连线202相连。第二无源均衡器401通过第三连接线403与第三片上互连线203相连，且通过第四连接线402与第四片上互连线204相连。

该针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器的工作过程如下：

差分信号由两路幅值相等但相位相反的信号组成，在实际传输过程中差分信号的第一路信号通过第二硅通孔金属内芯103流入第二片上互连线202；差分信号的第二路信号通过第三硅通孔金属内芯105流入第三片上互连线203。然后第一路信号的一部分信号由第二连接线303流入第一无源均衡器301中，再由第一连接线302流到第一片上互连线201中，另外一部分信号直接由第二片上互连线202流出；差分信号的第二路信号的一部分信号由第三连接线403流入第二无源均衡器401中，再由第四连接线402流到第四互连线204中，另外一部分信号直接由第三片上互连线203流出。

在实际应用中，需要针对不同的传输通道制造出不同结构参数的均衡器。针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器的结构参数设计方法，包括以下具体步骤：

步骤一，输入差分硅通孔的制造工艺信息，制造工艺信息包括硅通孔内芯半径、外部氧化层厚度、片上绝缘层厚度、片上互连线厚度、片上互连线宽度、片上互连线高度、硅衬底厚度、硅衬底的电学参数(电学参数包括介电常数、磁导率和电导率)。

步骤二，利用制造工艺信息计算第一金属线和第二金属线的电学参数，包括目标电阻rtarget和目标电感ltarget。步骤二计算过程属于公知技术，这里不作详细阐述。

步骤三，利用一组闭式数学表达式和多目标优化函数，求得结构参数，结构参数包括第一金属线和第二金属线的宽度w、厚度t、相邻两匝中平行直线之间的间隙s、匝数(缠绕的圈数)n和内部空隙直径din(金属线最内部一圈其中一对相对的两条直线的距离，金属线最内部一圈共有两对相对的直线，且该两对相对的直线的相对距离相等)，具体如下：

首先，采用一组闭式数学表达式(1)-(7)计算第一金属线和第二金属线的实际电阻r和实际电感l参数；

实际电阻r为：

其中ρcu为第一金属线或第二金属线的电阻率(本实施例金属线材质为铜)，l为第一金属线或第二金属线的长度，表示为：

其中ni为n取整后的值；

实际电感l由多部分组成，包括自电感lself、反向互电感lneg和正向互电感lpos，其中，自电感为：

式中等效长度μ0为真空磁导率。

反向互电感lneg为：

正向互电感lpos为：

其中dav表示为：

实际电感计算为：

l＝lself-lneg+lpos(7)

然后，利用基于遗传算法的多目标优化方法对公式(1)-(7)进行优化，具体优化问题用数学表达式表示为：

minf1＝[r-rtarget],minf2＝[l-ltarget]

式中，r和l均是w、s、t、n、din的函数，w、s、t、n、din需满足：

考虑到实际工艺w与s设为相等，将t设为0.5μm。利用基于遗传算法的多目标优化函数可求得f1和f2均取最小值情况下的w、t、s、n和din结构参数。此时设计的第一金属线和第二金属线的电学参数最接近当前差分硅通孔的目标电学参数，整个过程可在matlab中编程实现，从而达到快速设计的目的。

仿真与验证：

为了验证本发明所提出的无源均衡器的性能，利用三维仿真软件对构建的无源均衡器进行模型仿真。

图4为本发明无源均衡器的工作效果图，无源均衡器工作效果类似于高通滤波器，通过差模插入损耗sdd21来表征差分传输通道的传输性能。与原始传输通道相比，加入本发明均衡器之后的差模插入损耗sdd21(补偿后结果)低频部分非常平坦，图4中还描绘了发明均衡器单独的传输性能。因此本发明达到改善高频差分信号传输质量的目的。

图5a为差分硅通孔传输通道的传输眼图，图5b为加入本发明均衡器之后差分硅通孔传输通道的传输眼图。可见，加入本发明均衡器之后差分传输通道的眼图质量有了明显提升，加入本发明均衡器之后差分系统的眼高和眼宽都有明显增大。具体体现为：眼高由0.799v增大到了1.092v，眼宽由42.75ps增大到了49ps。