CN108964627A - 针对屏蔽差分硅通孔的rc无源均衡器结构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种针对屏蔽差分硅通孔的RC无源均衡器结构及其设计方法。此结构利用电阻‑电容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。本发明可精确计算特定差分传输系统所需的RC无源均衡器的器件参数，可使得差分传输信号的质量达到最优。

Description

针对屏蔽差分硅通孔的RC无源均衡器结构及其设计方法
技术领域
本发明属于无源电子器件技术领域，涉及一种针对差分信号传输的无源均衡器结构及其设计方法。
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效的抑制能力，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)结构的差分硅通孔传输结构来改善高速信号的传输质量，但此结构无法消除差分对之间的串扰。中国专利号第CN105810663 A号专利中提出的屏蔽差分硅通孔(Shield Differential Through-Silicon Via,SD-TSV)结构有效弥补了G-S-S-G结构的不足。此结构可以在传输差分信号的同时，有效屏蔽差分对之间的串扰，进而更加改善差分信号传输质量。
但随着信号频率提高到GHz频段，由硅通孔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，硅通孔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。研究表明，当硅通孔的堆叠层数超过8层时，高速数字信号的眼图会完全闭合。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。为解决有源均衡器所带来的问题，学者们提出利用无源均衡器进行频率补偿的思路。无源均衡器适用于高带宽、低功耗系统，因此其更具发展潜力。但是针对高速数字信号传输系统中屏蔽差分硅通孔传输存在的码间串扰问题还没有特制的无源均衡器。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，公开一种针对屏蔽差分硅通孔的RC无源均衡器结构及其设计方法，此结构利用电阻-电容(Resistance-Capacitance,RC)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。
本发明针对屏蔽差分硅通孔的RC无源均衡器由多个单元构成，输入端口位于硅基底与片上金属层之间的绝缘层中，输出端口位于最顶部金属层上。
所述单元由硅衬底到金属层向上方向依次包括位于硅衬底中的屏蔽差分硅通孔，位于绝缘层中的输入端口和构成均衡器的片上电阻，以及位于最外层金属层的片上电容和输出端口。
所述屏蔽差分硅通孔位于硅衬底中，由内向外依次包括内部差分硅通孔对和屏蔽外壳。所述内部差分硅通孔对由两个结构相同的柱状硅通孔组成，用于三维集成电路中层间差分信号的传输。所述柱状硅通孔由金属内芯和外圈氧化层组成，其中金属内芯用于传输电流，外圈氧化层用于隔绝直流泄漏。所述屏蔽外壳由环形金属内芯和内外两层氧化层组成，用于充当电流返回路径的同时隔绝外界干扰。所述环形金属内芯接地用于充当电流返回路径，内外圈氧化层用于隔绝直流泄漏。
所述均衡器的输入端口位于硅衬底和片上金属层之间的绝缘层中，输入端口与屏蔽差分硅通孔的内部差分硅通孔对相连。所述均衡器的输出端口位于最外层金属层上，输出端口与片上电容和片上电阻相连。差分信号由屏蔽差分硅通孔流出后流入输入端口，经均衡器作用之后由输出端口流出。
所述片上电容位于最顶部金属层上，其为构成均衡器的重要组件，片上电容结构为金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal,MIS)结构，会占据较大的片上空间。
所述片上电阻位于硅衬底和片上金属层之间的绝缘层中，其为构成均衡器的重要组件。
为使均衡器达到最佳工作效果，所述构成均衡器的电阻和电容组件的器件参数需要通过实际应用推导得出。本发明的另一种目的是公开上述针对差分屏蔽硅通孔的RC无源均衡器的器件参数计算方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，输入屏蔽差分硅通孔的制造工艺信息：
所述屏蔽差分硅通孔的制造工艺信息包括第一、二氧化层厚度，硅通孔高度，金属内芯、环形金属内芯的半径以及氧化层、金属内芯、环形金属内芯、硅衬底的电学参数(介电常数、磁导率、电导率)。
步骤二，利用步骤(1)的制造工艺信息计算差分屏蔽硅通孔的电学参数
所述的差分屏蔽硅通孔电学参数包括电阻R、电感L、互感Lm、第一氧化层电容Cox1、第二氧化层电容Cox2、第一衬底电容Csi1、第二衬底电容Csi2、第一衬底电导Rsi1和第二衬底电导Rsi2等。这里的计算过程属于常规技术，故不详解。
步骤三，利用步骤(2)获得的差分屏蔽硅通孔的电学参数推导等效电路图，由于差分屏蔽硅通孔被用于传输差分信号，遂由初始等效电路图再次推导差分信号传输时的奇模等效电路；这里的推导过程属于常规技术，故不详解。
步骤四，保证屏蔽差分硅通孔传输损耗在可接受误差(本领域技术人员根据经验获得)的条件下，将步骤(3)得出的奇模等效电路化简，以方便后续推导。
步骤五，在步骤(4)的最简化奇模等效电路中，求得差分传输系统的频率响应，并计算均衡器参数。
所述系统频率响应的计算公式属于常规技术。
由于常规系统频率响应均为复频率S的函数，但是为达到均衡目的，需要设计合适均衡器电阻Req和电容Ceq，使得系统频率响应与复频率S无关，此时均衡器工作在最优状态。故而将系统频率响应计算公式中包含复频率S的项消去，即可求是电阻Req和电容Ceq。
本发明的有益效果：
本发明设计了针对屏蔽差分硅通孔的RC无源均衡器，并公开了一种针对差分信号的无源均衡器器件参数设计方法，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，尤其体现在高速数字差分传输系统眼图质量变好。
2、本发明可精确计算特定差分传输系统所需的RC无源均衡器的器件参数，可使得差分传输信号的质量达到最优。
3、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1A-B为中国专利第105810663 A号专利中提出的屏蔽差分硅通孔俯视图和剖视图；
图2为本发明针对屏蔽差分硅通孔的RC无源均衡器剖视图；
图3为本发明RC无源均衡器中片上电容俯视图；
图4为本发明RC无源均衡器中片上电阻俯视图；
图5为本发明屏蔽差分硅通孔的完整等效电路图；
图6为本发明屏蔽差分硅通孔的简化电路以及与均衡器电路连接示意图；
图7为本发明针对屏蔽差分硅通孔的RC无源均衡器的工作效果图；
图8A为本发明屏蔽差分硅通孔传输结构的传输眼图；
图8B为本发明加入均衡器之后屏蔽差分硅通孔传输结构的传输眼图；
图1A-B中标记如下：屏蔽差分硅通孔100，内部柱状硅通孔内芯101，第一氧化层102，第二氧化层103，环形屏蔽外壳内芯104，第三氧化层105；
图2、3、4中标记如下：第一输入端口及第一过孔201，第二输入端口及第二过孔202，片上第三过孔203，片上电阻204，片上第四过孔205，片上第五过孔206，片上电容207和输出端口208。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
图1A-B为中国专利号第105810663A号公开的屏蔽差分硅通孔100结构的俯视图和中心剖视图。所述屏蔽差分硅通孔100位于硅衬底中，由内向外依次包括内部差分硅通孔对和屏蔽外壳。所述内部差分硅通孔对由两个结构相同的柱状硅通孔组成，用于三维集成电路中层间差分信号的传输。所述柱状硅通孔由金属内芯101和外圈氧化层102 组成，其中金属内芯101用于传输电流，外圈氧化层102用于隔绝直流泄漏。所述屏蔽外壳由内层氧化层103、环形金属内芯104和外层氧化层105组成，用于充当电流返回路径的同时隔绝外界干扰。所述环形金属内芯104接地用于充当电流返回路径，内外圈氧化层103和105用于隔绝直流泄漏；
图2为本发明针对屏蔽差分硅通孔的RC无源均衡器剖视图。所述均衡器的第一输入端口201和第二输入端口202位于硅衬底和片上金属层之间的绝缘层中，第一输入端口201和第二输入端口202与屏蔽差分硅通孔的内部差分硅通孔内芯101相连。片上电阻204位于底部金属层中，分别通过第三过孔203、第四过孔205与第二输入端口202、第五过孔206相连。第五过孔206再与输出端口208相连。片上电容207位于最外层金属层，与第一输入端口201相连并通过片上金属线与输出端口208相连。差分信号由屏蔽差分硅通孔101流出后流入第一输入口201和第二输入端口202，经均衡器作用之后由输出端口208流出；
图3为本发明RC无源均衡器中片上电容204俯视图，所述片上电容207位于最顶部金属层上，其为构成均衡器的重要组件，其与第一输入端口201所在的片上第一过孔和输出端口208相连。
图4为本发明RC无源均衡器中片上电阻204的俯视图，所述片上电阻204位于硅衬底和片上金属层之间的绝缘层中，其与片上第三过孔203和片上第四过孔205相连。
本发明的工作过程如下：差分信号从屏蔽差分硅通孔100的内部差分硅通孔101输出，之后进入均衡器第一输入端口201和第二输入端口202。差分信号经由第一输入端口201所在的第一片上过孔后进入片上电容207，之后由输出端口208流出。同时，差分信号经由第二输入端口202所在的第二片上过孔后流入第三片上过孔203，之后流经片上电阻204后，流过第四片上过孔205后经由片上第五过孔206流到输出端口208，
为使均衡器达到最佳工作效果，所述构成均衡器的电阻和电容组件的器件参数需要通过实际应用推导得出。针对差分屏蔽硅通孔的RC无源均衡器的器件参数计算方法，该方法包括以下具体步骤：
步骤一，输入屏蔽差分硅通孔的制造工艺信息：
所述屏蔽差分硅通孔的制造工艺信息包括第一、二氧化层厚度，硅通孔高度，金属内芯、环形金属内芯的半径以及氧化层、金属内芯、环形金属内芯、硅衬底的电学参数 (介电常数、磁导率、电导率)。
步骤二，利用步骤(1)的制造工艺信息计算差分屏蔽硅通孔的电学参数
所述的差分屏蔽硅通孔电学参数包括电阻R、电感L、互感Lm、第一氧化层电容Cox1、第二氧化层电容Cox2、第一衬底电容Csi1、第二衬底电容Csi2、第一衬底电导Rsi1和第二衬底电导Rsi2等。这里属于常规技术，故不详解。
步骤三，利用步骤(2)获得的差分屏蔽硅通孔的电学参数推导等效电路图，由于差分屏蔽硅通孔被用于传输差分信号，遂由初始等效电路图再次推导差分信号传输时的奇模等效电路；这里属于常规技术，故不详解。
步骤四，保证屏蔽差分硅通孔传输损耗在可接受误差(本领域技术人员根据经验获得)的条件下，将步骤(3)得出的奇模等效电路化简，以方便后续推导。简化电路推导步骤如下：
因为硅衬底导纳在高频时对系统传输特性其主要影响，第二氧化层电容Cox2，第一衬底电容Csi1和第二衬底电容Csi2可以忽略，此时硅衬底导纳参数为Rsi＝1/(2Gsi1+Gsi2)。且通过比较传输结构的串联阻抗Zserise＝(R+jω(L-Lm))/Z0和并联导纳 Yshunt＝Z0/(Rsi+1/(2Csi1+Csi2))可知，Zserise远小于Yshunt,因此可将R，L，Lm忽略。
步骤五，在步骤(4)的最简化奇模等效电路中，求得差分传输系统的频率响应，并计算均衡器参数。所述系统频率响应为：
由频率响应计算结果可以看出，其为复频率S的函数，其中均衡器电阻Req和电容Ceq为未知数，Z0为传输系统的特征阻抗通常为50欧姆。只需将包含复频率S的项消去，联立方程组：
求得电阻Req和电容Ceq即为使得均衡器工作在最优状态的器件参数，如下：
步骤六，利用公式求得器件参数并设计均衡器，均衡结果如图7所示。可见加入均衡器之后的差分传输系统频带相比无均衡传输时明显平坦很多，因此本发明达到了提高高频差分信号传输质量的目的。同时，通过仿真得到本差分传输系统的眼图，可以看到相较无均衡器的情况(图8A)，加入RC均衡器之后差分系统的眼高和眼宽都有明显增大(图8B)。所述眼高由32mV增大到0.189V，眼宽由19ps增大到49.75ps。

Claims (3)

1.针对屏蔽差分硅通孔的RC无源均衡器结构，其特征在于由多个单元构成；所述单元由硅衬底到金属层方向依次包括位于硅衬底中的屏蔽差分硅通孔，位于绝缘层中的两个输入端口和构成均衡器的片上电阻，以及位于最外层金属层的片上电容和输出端口；
所述屏蔽差分硅通孔由内向外依次包括内部差分硅通孔对和屏蔽外壳；所述内部差分硅通孔对由两个结构相同的柱状硅通孔组成，用于三维集成电路中层间差分信号的传输，其中柱状硅通孔由金属内芯和外圈氧化层组成，金属内芯用于传输电流，外圈氧化层用于隔绝直流泄漏；所述屏蔽外壳由环形金属内芯和内外两层氧化层组成，用于充当电流返回路径的同时隔绝外界干扰，其中环形金属内芯接地用于充当电流返回路径，内外圈氧化层用于隔绝直流泄漏；
所述均衡器的两个输入端口分别与屏蔽差分硅通孔的内部差分硅通孔相连；所述均衡器的输出端口与片上电容、片上电阻相连；
差分信号从屏蔽差分硅通孔的内部差分硅通孔输出，进入均衡器第一输入端口和第二输入端口；差分信号经由第一输入端口进入片上电容，之后由输出端口流出；同时差分信号经由第二输入端口流入片上电阻后，最后由输出端口流出。
2.如权利要求1所述的针对屏蔽差分硅通孔的RC无源均衡器结构，其特征在于所述的片上电容为金属-绝缘体-金属结构。
3.如权利要求1所述的针对屏蔽差分硅通孔的RC无源均衡器结构的器件参数设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，输入屏蔽差分硅通孔的制造工艺信息：
所述屏蔽差分硅通孔的制造工艺信息包括第一、二氧化层厚度，硅通孔高度，金属内芯、环形金属内芯的半径以及氧化层、金属内芯、环形金属内芯、硅衬底的电学参数(介电常数、磁导率、电导率等)；
步骤二，利用步骤(1)的制造工艺信息计算差分屏蔽硅通孔的电学参数
所述的差分屏蔽硅通孔电学参数包括电阻R、电感L、互感Lm、氧化层电容Cox、衬底电容Csi、衬底电导Gsi等；
步骤三，利用步骤(2)获得的差分屏蔽硅通孔的电学参数推导等效电路图，由于差分屏蔽硅通孔被用于传输差分信号，遂由初始等效电路图再次推导差分信号传输时的奇模等效电路；
步骤四，保证屏蔽差分硅通孔传输损耗在可接受误差的条件下，将步骤(3)得出的奇模等效电路化简，以方便后续推导；
步骤五，在步骤(4)的最简化奇模等效电路中，求得差分传输系统的频率响应，并计算均衡器参数；
由于常规系统频率响应均为复频率s的函数，但是为达到均衡目的，需要设计合适均衡器电阻Req和电容Ceq，使得系统频率响应与复频率s无关，此时均衡器工作在最优状态；故而将系统频率响应计算公式中包含复频率s的项消去，即可求得电阻Req和电容Ceq。
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