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STAND DER TECHNIK
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Taktung integrierter
Schaltungen, und im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung
optische Taktverteilungsnetzwerke bzw. Taktverteilungsnetze in integrierten
Schaltungen.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Ein
Aspekt, mit sich dem das Gebiet der integrierten Schaltungen heute
beschäftigt,
ist das Problem der Verteilung der Taktsignale durch einen Chip einer
integrierten Schaltung mit geringer Taktverschiebung (englisch:
Clock Skew). Bei der Taktverschiebung handelt es sich um die Differenz
der Ankunftszeiten von Taktflanken an unterschiedenen Bereichen
des Chips. Eine synchrone digitale Logik erfordert präzise Takte
zum zwischenspeichern von Daten. Die ideale synchrone Logik basiert
darauf, dass Takte gleichzeitig an allen Schaltungen ankommen. Die
Taktverschiebung reduziert die maximale Betriebsfrequenz der Schaltung,
da die Schaltung für einen
zuverlässigen
Betrieb in Bezug auf eine Verschiebung im ungünstigsten Fall gestaltet werden muss.
Die Hauptursache für
eine Taktverschiebung in der globalen Taktverteilung einer integrierten Schaltung
ist die Abweichung der Wegführung
der Impedanz der Taktverteilung in dem Chip. Somit entsteht eine
Taktverschiebung auch bei einem Taktverteilungsnetz mit gleicher
Länge,
wie etwa H-Tree (H-Baum). Eine gute Daumenregel in der Branche ist es,
dass für
Taktverschiebung etwa 10% der Zykluszeit berücksichtigt werden sollten.
In Bezug auf eine Taktfrequenz von 1 GHz, was einer Zykluszeit von
1 ns entspricht, beträgt
die tolerierbare Taktverschiebung somit höchstens 100 ps. Da VLSI-Taktfrequenzen über 1 GHz
ansteigen, werden die Anforderungen an die Taktverschiebung zunehmend
anspruchsvoll.
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In
dem heutigen dem Stand der Technik entsprechenden Taktverteilungsnetz
wird die Taktverschiebung durch den Einsatz hierarchischer H-Bäume geregelt.
Die Abbildung aus 1A zeigt ein Diagramm, das ein
derartiges Taktverteilungsnetz 101 mit hierarchischem H-Baum
veranschaulicht, das in integrierten Hochgeschwindigkeitsschaltungen
implementiert wird, um den Effekt der Taktverschiebung zu beseitigen
oder zu reduzieren. Wie dies in der Abbildung aus 1A dargestellt
ist, wird ein Takttreiber 103 verwendet, um das H-Baum-Netz 101 zu steuern.
Hiermit wird festgestellt, dass der Takttreiber 103 für gewöhnlich einen
sehr großen
Treiber darstellt, um eine ausreichende Steuerung bzw. Ansteuerung
des H-Baum-Netzes 101 vorzusehen, das in den heutigen komplexen
integrierten Hochgeschwindigkeitsschaltungen eine große Kapazität aufweist. Wie
dies aus 1A ersichtlich ist, weisen die
Taktpfade des zwischen den Knoten 107, 109, 111 und 113 gebildeten „H" gleiche Längen auf
zwischen dem zentralen Knoten 105 und jedem der peripheren Punkte
in dem „H" an den Knoten 107, 109, 111 und 113.
Wenn somit eine einheitliche Ausbreitungsverzögerung eines Taktsignals je
Längeneinheit
des H-Baum-Netzes 101 angenommen wird, so sollte keine
Taktverschiebung zwischen dem den Knoten 107, 109, 111 und 113 zugeführten Taktsignal
und von dem Takttreiber 103 existieren.
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Die
Abbildung aus 1A zeigt das H-Baum-Netz 101 ferner
auf einer anderen hierarchischen Ebene, wobei das „H" mit jedem entsprechenden
peripheren Knoten des „H" der ersten Ebene
gekoppelt ist. Demgemäß ist jeder
periphere Knoten 115 gleich weit von dem Knoten 107 entfernt.
Jeder periphere Knoten 117 ist gleich weit von dem Knoten 109 entfernt.
Jeder periphere Knoten 119 ist gleich weit von dem Knoten 111 entfernt.
Und schließlich
ist jeder periphere Knoten 121 gleich weit von dem Knoten 113 entfernt.
Die Taktpfade von allen Knoten 115, 117, 119 und 121 sind
somit alle gleich weit von dem Takttreiber 103 entfernt
und sollten somit zwischen sich keine Taktverschiebung aufweisen,
da die Taktverschiebung von dem Takttreiber 103 für alle periphere
Knoten des H-Baum-Netzes 101 gleich
sein sollte. Somit kann jeder Knoten 115, 117, 119 und 121 so
konfiguriert werden, dass er als eine Empfängerstation für ein Taktsignal
fungiert und die Taktanforderungen eines Bereichs der integrierten
Schaltung nahe dem Knoten erfüllt,
bei zu vernachlässigender
Taktverschiebung in Bezug auf die anderen der ähnlich konfigurierten Knoten
des H-Baum-Netzes 101.
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Integrierte
Schaltungen werden immer größer, komplexer
und arbeiten mit höheren
Frequenzen, so dass die Taktverschiebung weiter eine Problem darstellt,
und zwar auch bei einem H-Baum-Netzwerk 101,
da die Taktleitungen des H-Baum-Netzwerks 101 nicht immer
einen einheitlichen charakteristischen Widerstand aufweisen. Folglich
kann eine uneinheitliche Ausbreitungsverzögerung eines Taktsignals auftreten,
das durch die Pfade des H-Baum-Netzes 101 verläuft, obwohl
die Knoten 115, 117, 119 und 121 gleich
weit von dem Takttreiber 103 entfernt sind. Folglich ist
an den Endpunkten des H-Baum-Taktverteilungsnetzwerks 101 eine
unvorhersehbare Taktverschiebung gegeben.
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Zusätzlich zu
der Taktverschiebung verbraucht die Taktverteilung auf dem Chip
wertvolle Routing-Ressourcen in integrierten Schaltungen, die für Signale
besser verwendet werden und somit die Wegführung der Signale verbessern
könnten.
Ein weiterer Aspekt, den die Entwickler von integrierten Schaltungen
berücksichtigen
müssen,
ist es, dass dem Stand der Technik entsprechende globale Taktverteilungsnetzwerke
auch eine zunehmend große Fläche des
integrierten Halbleiterchips sowie Leistung in Anspruch nehmen bzw.
verbrauchen. Die globale Taktverteilung ist in den heute eingesetzten
integrierten Hochgeschwindigkeits-Chips für gewöhnlich für ungefähr 10% der Chipleistung verantwortlich.
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Untersucht
wurden auch andere dem Stand der Technik entsprechende Techniken
der Verteilung von Taktsignalen durch eine integrierte Schaltung.
Einige dieser dem Stand der Technik entsprechenden Techniken weisen
ein optisches Taktverteilungsnetzwerk 151 auf, das in der
Abbildung aus 1B veranschaulicht ist. Eine
außerhalb
des Chips angeordnete optische Quelle 153 erzeugt ein optisches
Taktsignal 155, das mittels Hologramm 157 in die
geteilten Strahle 159 und 161 geteilt wird. Eine
direkte Sichtlinie ist von der vorderen Seitenoberfläche 179 des
integrierten Schaltungs-Halbleiterchips 171 zu den Detektoren 163 und 165 vorgesehen,
um die entsprechenden geteilten Strahlen 159 und 161 zu
empfangen. Das Taktsignal 167 wird von dem Detektor 163 erzeugt,
und das Taktsignal 169 wird von dem Detektor 165 erzeugt.
Da das Taktsignal danach von den Detektoren 163 und 165 lokal
verteilt wird unter Verwendung von auf dem Chip vorgesehenen Metallzwischenverbindungen,
stehen die Taktsignale 167 und 169 zur Verfügung, um
ihre entsprechenden Bereiche der integrierten Schaltung zu takten.
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Eine
besondere Schwierigkeit in Bezug auf die dem Stand der Technik entsprechende
optische Taktverteilung ist das Problem der Implementierung dieser
für moderne
bzw. hoch entwickelte Packungstechnologien wie etwa verschlossene
Chips vom Typ Control Collapse Chip Connection (C4) (teilweise auch
als Flip-Chips bezeichnet) sowie C4/MCM (Multichip-Module). Die
Abbildung aus 2B veranschaulicht einen verschlossenen
C4-Chip 251. C4 ist die Packung der Wahl für die Chips
mit hohen Frequenzen der Zukunft, da C4 eine hohe Dichte induktionsarmer
Anschlüsse
unter Verwendung von Kugelverbindungen 253 zwischen dem
Chip 255 und der Einheit 261 vorsieht, indem auf
Verbindungsdrähte mit
hoher Induktivität
verzichtet wird, die in den heutigen Drahtverbindungs- bzw. Drahtanschlusseinheiten
zum Einsatz kommen. Die Abbildung aus 2A zeigt
einen Chip 201 unter Verwendung der heute erhältlichen
Drahtverbindungseinheiten. Wie dies in der Abbildung aus 2A dargestellt
ist, werden Drahtanschlüsse
bzw. Drahtverbindungen 203 für Anschlüsse bzw. Verbindungen zwischen
der Einheit 211 und dem Chip 205 verwendet. In
Bezug auf eine C4-Einheit ist die Vorderseite des Chips nicht mehr zugänglich,
und in Bezug auf die dem Stand der Technik entsprechende optische
Wegführung
bzw. das optische Routing muss die Wegführung bzw. das Routing in die
Einheit selbst integriert werden. Dies sieht in Bezug auf das Design
des C4-Substrats außerordentlich
komplexe Einschränkungen
vor, wobei das Substrat in diesem Fall sowohl eine elektrische als
auch eine optische Wegführung
aufweisen muss.
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Ein
großes
Problem in Bezug auf das dem Stand der Technik entsprechende optische
Verteilungsnetzwerk 151 ist es, dass die Erfordernis der Positionierung
der Detektoren 163 und 165 in der Sichtlinie der
geteilten Strahlen 159 und 161 von der vorderen
Seitenoberfläche 179 der
integrierten Schaltung 171 eine herausfordernde Aufgabe
in Bezug auf moderne integrierte Schaltungen darstellt, die für gewöhnlich fünf oder
mehr metallische Zwischenverbindungsschichten verwenden. In Bezug auf
die Stapelanordnung einer großen
Anzahl von metallischen Zwischenverbindungsschichten, stellt das
Erzeugen einer Sichtlinie zwischen den geteilten Strahlen 159 und 161 und
den Detektoren 163 und 165, ohne einen Wegführungsstau
zu verursachen, eine besonders herausfordernde Aufgabe dar. Der Grund
dafür ist
es, dass die Sichtlinie impliziert, dass auf keiner Ebene der Zwischenverbindung
oberhalb der pn-Übergangsdetektoren
eine metallische Wegführung
gegeben sein sollte. Somit werden die pn-Übergangsdetektoren zu Hindernissen
in Bezug auf das Routing bzw. die Wegführung, und mit zunehmender
Anzahl von Detektoren führt
dies zu einem Anstieg der Größe der Halbleiterscheibe
bzw. des Chips, wodurch allgemein die Fertigungsergiebigkeit und
die Leistung reduziert werden.
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EP-A-5888746
offenbart ein Verfahren zur Taktung von integrierten Schaltungs-Chips
unter Verwendung eines Impulslasers, der auf das Substrat eines
IS-Moduls auftrifft.
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Das
Substrat des IS-Moduls diffundiert den Laserstrahl, der danach die
entgegengesetzte Oberfläche
des Substrats als diffundierte Lichtimpulse verlässt. Ein auf der oberen Oberfläche des
Substrats angebrachter IS-Chip weist zumindest einen optischen Empfänger auf,
der die Impulsenergie von den diffundierten Lichtimpulsen empfängt und
die Lichtimpulse in elektrische Impulse umwandelt, welche den Chip
takten.
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„Optical
Interconnections for VLSI Systems" von J. W. Goodman et al, Proceedings
of the IEEE, IEE New York, USA, Band 72, Nummer 7, Juli 1984 (1984-07),
Seiten 50–66,
XP000828033 ISSN:0018-9219, offenbart die Möglichkeit der Anwendung optischer
und elektrooptischer Technologien für Zwischenverbindungsprobleme
in VLSI-Schaltungen. Die Referenz offenbart die Anwendung von optischen
Zwischenverbindungen in Bezug auf das Problem der Taktverteilung,
wobei ein einzelnes Taktsignal zu vielen Abschnitten eines Chips
oder einer Schaltung geleitet wird. Diesbezüglich offenbart die Referenz
sowohl nicht fokussierte als auch fokussierte optische Verteilungsanordnungen
einer Taktsignalquelle.
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Benötigt wird
somit ein Taktverteilungsnetzwerk, das die dem Stand der Technik
zugeordneten Probleme behebt bzw. löst. Ein derartiges Taktverteilungsnetzwerk
würde eine
minimale Taktverschiebung in Bezug auf integrierte Schaltungen mit
hoher Leistung und hoher Geschwindigkeit vorsehen, die in C4-Einheiten (Flip-Chip)
und C4/CMC-Einheiten gepackt sind, und wobei es vollständig kompatibel
ist mit der rückseitigen
Kühlkörperanbringung
für diese Einheiten.
Zweitens sollte das Taktverteilungsnetzwerk den Leistungsverlust
durch die globale Taktverteilung reduzieren, indem die hohe kapazitive
Belastung des globalen Netzwerks eliminiert wird. Darüber hinaus
sollte ein derartiges Taktverteilungsnetzwerk nicht die auf dem
Chip vorgesehene Signalwegführung
beeinträchtigen,
und wobei es in der Lage wäre, mit
zunehmender Größe und Komplexität der Chips sowie
einem Betrieb auf zunehmenden Taktfrequenzen der integrierten Schaltung
eine Taktverteilung mit geringer Taktverschiebung vorzusehen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Empfängerstation
für ein
optisches Taktverteilungsnetzwerk für eine integrierte Schaltung.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Vorgesehen
ist gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Empfängerstation für ein optisches
Taktverteilungsnetzwerk gemäß dem gegenständlichen
Anspruch 1.
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Vorgesehen
ist gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren gemäß dem gegenständlichen
Anspruch 4.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird in den beigefügten Abbildungen der Zeichnungen
beispielhaft und ohne einzuschränken
veranschaulicht. Es zeigen:
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1A ein
hierarchisches H-Baum-Taktverteilungsnetzwerk;
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1B ein
Diagramm eines dem Stand der Technik entsprechenden optischen Taktverteilungsnetzwerks
unter, Verwendung von Fotodetektoren, die auf der Oberfläche der
Vorderseite eines integrierten Schaltungs-Chips angeordnet sind;
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2A eine
heutige Drahtanschlusstechnologie;
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2B eine
Flip-Chip- oder C4-Packungstechnologie;
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3 ein
Diagramm eines durch eine Rückseite
eines Halbleiters in einen pn-Übergang
emittierten Laserimpulses;
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4 ein
Blockdiagramm einer optischen Taktempfängerstation gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung;
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5 ein
Diagramm eines optischen Taktverteilungsnetzwerks, das die optische
Taktempfängerstation
verwendet;
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6 ein
Diagramm eines weiteren optischen Taktverteilungsnetzwerks; und
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7 ein
Diagramm eines wiederum weiteren optischen Taktverteilungsnetzwerks.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Offenbart
werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Taktung
einer integrierten Schaltung in einem Halbleiter. In der folgenden
Beschreibung sind zahlreiche spezifische Einzelheiten ausgeführt, um
ein umfassendes Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Für den Durchschnittsfachmann
auf dem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, dass die spezifischen
Einzelheiten nicht eingesetzt werden müssen, um die vorliegende Erfindung
auszuführen.
In anderen Fällen
wurde auf die nähere
Beschreibung allgemein bekannter Materialien oder Verfahren verzichtet,
um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verschleiern.
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Vorgesehen
sind gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Takten einer integrierten
Schaltung, indem über
die Rückseite
des Halbleiters optische Taktsignale eingeführt werden, und zwar unter
Verwendung eines phasenverriegelten oder modulierten Infrarot- oder sichtbaren
Lasers und das Fokussieren des Lichts in die pn-Übergangsempfänger, die
durch das Siliziumsubstrat in die integrierte Chip-Schaltkreisanordnung integriert
sind. Die vorliegende Erfindung weist den Vorteil des Einsatzes optischer
Techniken auf, die eingesetzt werden können, ohne das herkömmliche CMOS-Verfahren
und die C4-Packungstechnologie zu beeinträchtigen. Die Strahlenteilungs-
und Fokussierungselemente können
in einem Beispiel in optischen Elementen ausgebildet werden, die
von dem Silizium getrennt sind, oder Lichtwellenleiter können auf
die Rückseite
des Siliziums abgeschieden oder mikrobearbeitet werden. Indem eine
gleiche Pfadlänge
von dem Master-Laser gemäß der vorliegenden Erfindung
zu den pn-Übergangs-Fotodetektoren
sichergestellt wird, kann der Anteil an der Taktverschiebung, die
in dem globalen Taktverteilungsnetzwerk auftritt, durch die vorliegende
Erfindung bei weiterem Anstieg der Taktfrequenzen minimiert werden.
Durch den Ersatz des globalen Taktverteilungsnetzwerks in dem Siliziumchip
durch das hierin beschriebene optische Taktverteilungsnetzwerk lassen
sich auch Chipfläche
und Chipverlustleistung einsparen. Durch die Freisetzung von Siliziumchipfläche, die
gemäß dem Stand
der Technik vorher für
die globale Taktwegführung
verwendet worden ist, können
ferner auch die Größen von
Schaltungschips reduziert werden. Da die Taktverteilung bei der
vorliegenden Erfindung von dem Silizium und der Einheit bzw. Packung
getrennt ist, wird die Taktverteilung skalierbar, so dass Entwicklungen
und die optische Technologie in vorteilhafter Weise genützt werden
können.
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In
einem Beispiel für
ein optisches Taktverteilungsnetzwerk ist ein außerhalb des Chips vorgesehener
Infrarot-Laser als ein optischer Takt konfiguriert, um Infrarot-Laserimpulse
auf einer gewünschten
Taktfrequenz zu erzeugen und zu emittieren. Da Silizium in Bezug
auf Infrarotlicht teilweise transparent bzw. durchlässig ist,
können
die Laserimpulse so konfiguriert werden, dass sie in das Silizium
eindringen, und sie können
in Empfängerstationen
fokussiert werden, die pn-Übergänge aufweisen,
die sich in dem Silizium befinden, so dass Fotoströme erzeugt
werden. Hiermit wird festgestellt, dass stark dotiertes Silizium
in Bezug auf Infrarotstrahlung auf einer Wellenlänge, die ungefähr im Bereich
des Siliziumenergieabstands liegt, teilweise transparent ist. Im Besonderen
entspricht der Bandabstand von innerem Silizium bei Zimmertemperatur
1,11 eV. Eine starke Dotierung bewirkt einen Rückgang des Bandabstands um
etwa 100 meV auf 1,01 eV.
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Die
Abbildung aus 3 zeigt einen Abschnitt einer
Empfängerstation 301 gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung, der einen pn-Übergang 303 aufweist,
der sich in einem Halbleiter 307 befindet. In einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung besteht der Halbleiter 307 aus
Silizium. Hiermit wird festgestellt, dass der Halbleiter 307 Bestandteil
einer integrierten Schaltung einer C4-Einheit ist, so dass die Rückseite 305 der
integrierten Schaltung somit frei liegt. Folglich kann ein Infrarot-Laserimpuls 309 durch
die Rückseite 305 des
Halbleiters 307 in den pn-Übergang 303 fokussiert
werden. Als Folge dessen kann ein Infrarot-Laserimpuls 309 durch die Rückseite 305 des
Halbleiters 307 in den pn-Übergang 303 fokussiert
werden. Durch die Energie des in den pn-Übergang 303 fokussierten
Laserimpulses 309 wird ein Fotostrom erzeugt, der, wie
dies nachstehend im Text näher
beschrieben wird, gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung in eine Spannung und letztlich in ein
Taktsignal umgewandelt wird. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird der Laserimpuls 309 optisch geteilt und
durch die Rückseite 305 des
Halbleiters 307 in eine Reihe von ähnlich konfigurierten pn-Übergängen 303 fokussiert.
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In
einem Beispiel des optischen Taktverteilungsnetzwerks wird ein Neodym:Ytrium,
Lithiumfluorid (Nd:YLF) Laser verwendet, der Photonen mit einer
Wellenlänge
von 1.054 μm
erzeugt, und mit einer Energie von ungefähr 1,178 eV. Demgemäß können die
Nd:YLF-Photonen von dem Infrarot-Laser von der Rückseite durch das Silizium
direkt in Fotoempfängerdioden
oder pn-Übergänge, die
in die Schaltkreisanordnung eines C4-Chips eingebettet sind, übertragen.
Die Laserstrahlung penetriert das Silizium und erzeugt Fotoströme in den
pn-Übergängen. In
einem Beispiel wurde für
die Übertragung
der Photonen eines Lasers mit einer Wellenlänge von 1,06 μm mit ungefähr 1–2% durch
ein Substrat mit einer Dicke von ungefähr 720 μm gemessen.
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Die
Abbildung aus 4 zeigt eine Empfängerstation 401 gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung, welche einen Fotodetektor 407 aufweist, der
sich in einem Halbleiter befindet, wobei ein Laserimpuls 403 durch
die Rückseite 405 des
Halbleiters auf den Fotodetektor 407 fokussiert wird. Als
Folge des Laserimpulses 403 wird ein Fotostrom I 409 erzeugt,
der mit einem Strom-Spannungs-Umsetzer 411 in eine Spannung
V 413 umgewandelt wird. Die Spannung V 413 wird
mit einem Puffer 415 gepuffert, so dass ein Taktsignal 417 erzeugt
wird. In einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Fotodetektor 407 um
einen in dem Halbleiter angeordneten pn-Übergang. Eine Mehrzahl von
Empfängerstationen 401 kann
durch den Chip der integrierten Schaltung verteilt sein, um ein
Taktsignal 417 vorzusehen, um einen bezeichneten Bereich
der integrierten Schaltung zu takten. In einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung taktet das Taktsignal 417 einen
Bereich der integrierten Schaltung in der Nähe der Empfängerstation 401. Durch
eine Mehrzahl von vorgesehenen Empfängerstationen 401 zur
Erzeugung der Taktsignale 417 kann der Takt mit minimaler
Taktverschiebung optisch durch die integrierte Schaltung verteilt werden.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden allgemein bekannte Schaltungstechniken
eingesetzt, um den Fotostrom I 409 in eine Spannung V 413 umzuwandeln,
und um V 413 zu puffern, so dass das Taktsignal 417 erzeugt wird.
Der Fotodetektor 407, der Strom-Spannungs-Umsetzer 411 und
der Puffer 415 sind in Bezug auf Empfindlichkeit und Jitter-Verhalten optimiert,
da anerkannt wird, dass der tatsächliche
Chipversatz teilweise durch den Grad der Anpassung der Empfängerstationen 401 auf
dem Chip bestimmt wird. Darüber
hinaus wird hiermit festgestellt, dass das Ausmaß der in jeder Empfängerstation 401 eingesetzten
Pufferung die tatsächliche
Taktverschiebung beeinflusst, da jede zusätzliche lokale Pufferstufe
entsprechend zusätzliche
Taktverschiebung hinzufügt.
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Die
Abbildung aus 5 zeigt das vorliegend beschriebene
optische Taktverteilungsnetzwerk 501. Ein Master-Laser 503 ist
so konfiguriert, dass er Master-Laserimpulse 505 mit einer
gewünschten Taktfrequenz
emittiert. Ein Optikelement 507 empfängt die Master-Laserimpulse 505 und
erzeugt geteilte Laserimpulse 509A–J, wie dies in der Abbildung aus 5 dargestellt
ist. In einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet das optische Element 507 allgemein
bekannte Techniken, um die geteilten Laserstrahlen 509A–J zu teilen,
parallel zu richten und durch die Rückseite 511 eines Halbleiters 513 einer
integrierten Schaltung mit C4-Packung in die pn-Übergänge 515A–J zu fokussieren.
Jeder pn-Übergang 515A–J ist einzeln
in einer Empfängerstation
enthalten, die der Station entspricht, wie sie vorstehend in Bezug
auf die Abbildungen der 3 und 4 beschrieben
worden ist. Folglich kann ein separates Taktsignal durch jeden pn-Übergang 515A–J erzeugt
und somit zur Taktung eines spezifizierten Bereichs der Schaltkreisanordnung
in der integrierten Schaltung verwendet werden.
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Wie
dies aus der Abbildung aus 5 deutlich
wird, wird der Takt der integrierten Schaltung optisch durch den
Chip verteilt, wodurch das Taktverteilungsnetzwerk von dem Silizium
entfernt wird, und wodurch die Probleme eliminiert werden, die dem Stand
der Technik entsprechenden Taktverteilungsnetzwerken zugeordnet
sind, wie etwa dem H-Baum-Netzwerk 101, das vorstehend
in Bezug auf die Abbildung aus 1 beschrieben
worden ist.
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Durch
die optische Verteilung der Taktsignale durch die Rückseite 511 des
Halbleiters 513 werden ferner die Probleme und Komplexitäten verhindert,
die dem dem Stand der Technik entsprechenden optischen Taktverteilungsnetzwerk 151 aus 1B zugeordnet
sind. Im Besonderen beeinträchtigt
das vorliegend beschriebene optische Taktverteilungsnetzwerk 501 nicht
die Wegführung
des Chipsignals. Da der Zugang zu den pn-Übergängen 515A–J nicht
durch Metallzwischenverbindungen oder ein Packungs- bzw. Einheitssubstrat
verdeckt ist, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist, führt die
Bereitstellung einer Sichtlinie zu den pn-Übergängen 515A–J bei der
vorliegenden Erfindung nicht zu den gleichen komplexen Wegführungsanforderungen
und einer dichten Drängung
von Metallzwischenverbindungen 173 des dem Stand der Technik
entsprechenden optischen Taktverteilungsnetzwerks 151.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden die Pfadlängen des Master-Laserstrahls 505 durch
geteilte Laserstrahlen 509A–J in die pn-Übergänge 515A–J alle
mit der gleichen Länge
vorgesehen, um etwaige Taktverschiebungen zwischen jedem pn-Übergang 515A–J so gering
wie möglich
zu gestalten. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird unter Verwendung
der vorliegenden Erfindung eine geregelte Verschiebung leicht dadurch
erreicht, dass das optische Signal verzögert wird, indem eine längere optische
Pfadlänge
in dem optischen Element 507 implementiert wird. In einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist das optische Element 507 über einen
Lichtwellenleiter mit dem Laser 503 verbunden. In einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung befindet sich das optische Element 507 zwischen
dem Silizium des Substrats 513 und einem Kühlkörper (nicht
abgebildet). In diesem Ausführungsbeispiel
befindet wird das optische Element 507 unter Verwendung
allgemein bekannter Techniken in einer Sandwich-Konfiguration zwischen
dem Silizium und dem Kühlkörper angeordnet,
so dass die Wärme in
ausreichendem Ausmaß von
dem Chip der integrierten Schaltung verteilt wird.
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Wie
dies vorstehend im Text beschrieben worden ist, führt das
optische Element 507 die Teilung, das Parallelrichten und
die Fokussierung der Laserstrahlen 509A–J in die pn-Übergänge 515A–J unter
Verwendung allgemein bekannter Techniken aus. In einem Beispiel
weist das optische Element bzw. das Optikelement 507 ein
Lichtwellenleitersystem auf, das eingesetzt wird, um die Laserleistung
zu teilen, zu verteilen und in die pn-Übergänge 515A–J zu fokussieren.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel weist
an den Enden der Lichtwellenleiterelemente einzelne Mikrolinsen
auf sowie jede erforderliche Angleichung des Brechungsindex von
Silizium und Luft, um die Lichtkopplung in das Silizium zu maximieren.
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In
einem weiteren Beispiel kann ein per Computer erzeugtes Hologramm
zur Erzeugung jedes der geteilten Laserstrahlen 509A–J verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist das Optikelement 507 Ätzphasen-Hologrammraster direkt
auf der Rückseite
des Siliziums auf, um das Infrarot-Laserlicht zu teilen und zu fokussieren.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel
weist den Vorteil der Selbstausrichtung der Ausfächerungs- bzw. Fan-Out-Strahlen
der Empfänger
mit der Genauigkeit der lithografischen Deckung bzw. Übereinstimmung des
eingesetzten Fertigungsverfahrens auf. In einem anderen Beispiel
weist das optische Element 507 Wellenleiter auf, die aus
Glas oder einem Polymer auf der Rückseite des Siliziums ausgebildet
sind, um die Laserstrahlen 509A–J zu teilen, zu biegen, parallel
zu richten und in die pn-Übergänge 515A–J zu fokussieren.
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Die
Abbildung aus 6 veranschaulicht ein weiteres
Beispiel des vorliegend beschriebenen optischen Taktverteilungsnetzwerks 601,
das einen Master-Laser 603 aufweist, der Laserimpulse 605 mit
einer Taktfrequenz in ein optisches Element 607 emittiert.
Das optische Element 607 teilt den Master-Laserstrahl 605 in
die geteilten Laserstrahlen 609A–D und 609G–J. Die
geteilten Laserstrahlen 609A–D werden durch die Rückseite 611 des
Halbleiters 613 in die pn-Übergänge 615A–D fokussiert.
Die geteilten Laserstrahlen 609G–J werden durch die Rückseite 612 des
Halbleiters 614 in die pn-Übergänge 615G–J fokussiert.
Wie dies aus der Abbildung aus 6 deutlich
wird, sind die Halbleiter 613 und 614 nicht in dem
gleichen Chip enthalten. Folglich sieht das vorliegende optische
Taktverteilungsnetzwerk ein Taktsignal an alle Empfängerstationen
mit besonders geringer Taktverschiebung an mehrere Chips in einem Computersystem
vor.
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In
einem Beispiel handelt es sich bei den Halbleitern 613 und 614 um
Chips integrierter Schaltungen eines Mehrchip-Moduls.
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In
einem weiteren Beispiel sind die Halbleitern 613 und 614 in
den Chips der integrierten Schaltung eines ganzen Computersystems
integriert. Das heißt,
das optische Taktverteilungsnetzwerk 601 stellt den Takt
für ein
ganzes Computersystem mit minimaler Taktverschiebung bereit und
ist somit nicht auf die reine Bereitstellung eines Taktsignals für einen
einzelnen Chip einer integrierten Schaltung beschränkt. Jeder
Chip einer integrierten Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
weist pn-Übergänge 615 auf,
um ein lokales Taktsignal zu erzeugen, um einen naheliegenden Bereich
auf der integrierten Schaltung zu takten.
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Die
Abbildung aus 7 zeigt ein weiteres Beispiel
eines optischen Taktverteilungsnetzwerks 701 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Master-Laser 703 ist so konfiguriert, dass
er Master-Laserimpulse 705 mit einer gewünschten
Taktfrequenz in das optische Element 707 emittiert, das
den Master-Laserstrahl 705 in die geteilten Laserstrahlen 709A–J teilt.
Zur Kompensation der Dämpfung,
die in den geteilten Laserstrahlen 709A–J nach der Penetration der
Rückseite 711 des
Halbleiters 713 auftritt, wurden die Aussparungen 717A–J auf der
Rückseite 711 dem
Halbleiter 713 hinzugefügt,
um den Halbleiter 713 zwischen den pn-Übergängen 715A–J und dem
Master-Laser 703 lokal dünner zu gestalten. Als Folge
dessen verlaufen die geteilten Strahlen 709A–J im Vergleich
zu dem optischen Taktverteilungsnetzwerk 501 aus 5 nicht
durch so viel Halbleitermaterial. Somit wird das Ausmaß der Dämpfung des
geteilten Laserstrahls 709A–J vor dem Erreichen der pn-, Übergänge 715A–J reduziert, und
die Übertragung
von Infrarot-Laser
in jeden pn-Übergang 715A–J wird
verbessert. In einem Beispiel können
die Aussparungen 717A–J
unter Verwendung allgemein bekannter Techniken mikrobearbeitet oder
gefräst
werden, wie zum Beispiel durch anisotropes Nassätzen oder eine beliebige andere Technik,
die zum Bilden von Gräben,
Durchkontaktierungen oder dergleichen heute in Verbindung mit integrierten
Schaltungen eingesetzt wird.
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Eine
weitere Technik, die zur Steigerung der Effizienz der geteilten
Laserstrahlen 709A–J
verwendet wird, die die pn-Übergänge 715A–J erreichen,
ist die Minimierung der von der Rückseite 711 des Halbleiters 713 reflektierten
Laserleistung. Ein Beispiel wist eine Antireflexionsschicht 719 auf,
die sich auf der Rückseite 711 des
Halbleiters 713 befindet. Durch die Antireflexionsschicht 719 auf
der Rückseite 711 des
Halbleiters 713 wird die Menge der von der Rückseite 711 des
Halbleiters 713 reflektierten Energie reduziert, was zu
einer verbesserte Lichtkopplung in den Halbleiter 713 führt. Unter
Verwendung von Techniken wie des Auftrags der Antireflexionsschicht 719 und
des Fräsens
des Halbleiters 713 oberhalb jedes pn-Übergangs 715A–J wird
die Menge der jeder Empfängerstation
zugeführten
Laserenergie erhöht,
was zu einer höheren
Effizienz des optischen Taktverteilungsnetzwerks 701 führt.
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In
einem Beispiel der Empfängerstation
in erneutem Bezug auf die Abbildung aus 3 ist der Laserimpuls 309 nicht
auf einen Infrarot-Laser beschränkt.
In diesem Beispiel wird ein erheblicher Abschnitt 308 des
Halbleiters 307 weggefräst,
so dass ein Graben oder eine Aussparung gebildet wird, so dass der
Laserimpuls 309 nicht um mehr als ungefähr 0,2–1,0 μm des Halbleitermaterials penetrieren muss
(abhängig
von der präzise
verwendeten Wellenlänge),
bevor der pn-Übergang 303 erreicht
wird. Wenn der größte Teil
des Abschnitts 308 von dem Halbleiter 307 entfernt
worden ist, kann ein Laserimpuls 309 mit Licht im sichtbaren
Bereich (~0,4–0,7 μm) oder im
nahen Infarotbereich (~0,7–1,0 μm) direkt
von der Rückseite 305 des
Halbleiters 307 in den pn-Übergang 303 fokussiert
werden und Fotoströme erzeugen.
Indem ungefähr
0,2 bis 1,0 μm
des Halbleitermaterials erhalten bleiben, bleibt der pn-Übergang
unversehrt.
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Der
Hauptvorteil des Einsatzes einer Quelle für Licht im sichtbaren Bereich
oder im nahen Infrarotbereich betrifft die Effizienz der Umsetzung
von optisch in elektrisch in den Empfängern. Grund dafür ist es,
dass die Fotonenenergie für
Teile des Spektrums (Wellenlänge ≤ 1,1 μm) im sichtbaren
oder nahen Infrarotbereich deutlich höher ist als in dem Infrarotabschnitt
des Spektrums, und dass die Lichtabsorption in den Dioden deutlich
effizienter ist (λ × E = 1,24,
wobei λ die
Photonenenergie in μm
bezeichnet, und wobei E der Fotonenenergie in eV entspricht). Dies
bedeutet auch, dass bei einer sichtbaren Quelle weniger optische
Leistung erforderlich ist. Die 0,2–1,0 μm des verbleibenden Halbleitermaterials reichen
aus, um sicherzustellen, dass ein pn-Übergang vorhanden ist, während die
optische Dämpfung durch
das Halbleitermaterial minimiert wird.
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Zum
Beispiel werden optische Strahlen mit einer Fotonenenergie, die
höher ist
als der Bandabstand von Silizium, exponential durch das Silizium gedämpft. Die
kennzeichnende Dämpfung
wird mit abnehmender Wellenlänge
größer. Wenn
die Dicke des Siliziums jedoch nur 0,2 bis 1,0 μm beträgt, so ist die Dämpfung zu
vernachlässigen.
Für einen
Betrieb im nahen Infrarotbereich kann die Dicke des verbleibenden
Siliziums bis zu 1,0 μm
betragen, ohne dass. eine signifikante Dämpfung gegeben ist. Für einen Betrieb
im sichtbaren Bereich sollte die Dicke des verbleibenden Siliziums
im Bereich von 0,2 μm
liegen. In einem Beispiel wird der Graben oder die Aussparung mit
Material hinterfüllt,
das für
Strahlung im sichtbaren Bereich oder im nahen Infrarotbereich transparent
bzw. durchlässig
ist, um die frei liegenden Empfänger
bei dieser Anordnung zu schützen.
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Beschrieben
wurden vorstehend somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen
Taktung einer integrierten Schaltung in einem Halbleiter. In Verbindung
mit dem vorliegend beschriebenen optischen Taktverteilungsnetzwerk
können
zahlreiche identische Takte mit praktisch keiner Verschiebung an
eine integrierte Schaltung mit hoher Frequenz verteilt werden. Ferner
sieht die vorliegende Erfindung eine optische Taktung ohne Taktverschiebung
für Mehrchip-Module
oder die Chips eines ganzen Computersystems vor. Darüber hinaus
kommt das vorliegend beschriebene Taktverteilungsnetzwerk ohne große globale
Takttreiber und die globale Taktverteilung von dem Siliziumchip
aus, was zu Einsparungen hinsichtlich der Chip-Verlustleistung führt, zusätzliche Chipfläche für die Signalwegführung zur
Verfügung
stellt oder eine Reduzierung der Gesamtgröße des Chips ermöglicht,
was wiederum zu höherer
Produktivität
in der Fertigung und einem höheren
Frequenzbetrieb führt,
der ein Resultat der kürzeren
Zwischenverbindungslängen
darstellt.
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In
der vorstehenden genauen Beschreibung wurden das Verfahren und die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben. Es ist jedoch erkennbar, dass diesbezüglich verschiedene
Modifikationen und Abänderungen
möglich
sind, ohne dabei vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen,
der ausschließlich
in den anhängigen Ansprüchen definiert
ist. Die vorliegende Beschreibung und die Zeichnungen dienen somit
Veranschaulichungszwecken und schränken die Erfindung nicht ein.