JP2007258469A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体集積回路装置における配線性向上、配線層数低減、及び電源強化を可能にすること。
【解決手段】半導体チップに配置された複数の電源パッド(4b、4c、4g、4h)と、半導体チップに配置されるとともに、電源パッドよりも幅が狭く構成された複数の信号パッド(4a)と、を備える。信号パッドおよび電源パッドは、複数の配線層のうち最上位配線層に配設される。IOセルと信号パッドを電気的に接続する信号配線(4d)は、最上位配線層に配設される。IOセルと第1電源パッド(4b、4c)を電気的に接続する第1電源配線(4e、4f)は、最上位配線層に配設される。内部回路と第2電源パッド(4g、4h)を電気的に接続する第2電源配線(4i、4j)は、最上位配線層に配設される。
【選択図】図2

Description

本発明は、半導体集積回路装置に関し、特に、半導体集積回路チップに複数の電源パッド及び信号パッドが配設された半導体集積回路装置に関する。
半導体集積回路装置は、通常、半導体集積回路チップ(ICチップ)上に複数の絶縁層および配線層が交互に積層され、配線層間がビア接続され、配線層のうち最上位配線層に複数の電源パッドや信号パッドが配設されている。ICチップは、内部領域に配された内部回路と、その周辺又は近傍に配された複数のIOセル(IOバッファ)とを有する。内部回路は、配線を通じて対応するIOセルと電気的に接続されている。IOセルは、配線を通じて信号パッド及び電源パッドと電気的に接続されている。信号パッド及び電源パッドは、ICチップの外部と電気的に接続される。
このような半導体集積回路装置において、従来においては、ICチップに配置される1つの電源パッド(PVDD、PGND)と複数のIOセルとをそれぞれ独立した複数本の同一太さの配線(H2、HD、H1)で接続し、前記複数のIOセルは対応する信号パッド(PSIG)に対してそれぞれ独立した配線(HS)で接続し、前記電源パッドと前記複数のIOセルの間の領域に前記信号パッド(PSIG)が配列されたものが開示されている(図6参照;特許文献1参照)。これにより、太い電源配線を形成することなく、高集積化に有利でしかもレイアウト設計の自由度を高くすることができるというものである。
特開2005−93575号公報(図3)
しかしながら、従来の半導体集積回路装置では、以下のような課題がある。
第1に、ICチップ上の配線層数が増大してしまうおそれがある。つまり、従来の半導体集積回路装置では、信号パッド(PSIG)のサイズが電源パッド(PVDD、PGND)のサイズと同様に大きいため、最上位配線層の配線可能な領域(配線リソース)が小さくなることから、信号パッド用の配線(HS)と、電源パッド用の配線(H2、HD、H1)のために配線層が2層分増えてしまうおそれがある。
第2に、配線性が低下してしまうおそれがある。つまり、従来の半導体集積回路装置では、電源パッド(PVDD、PGND)がIOセルから離れて配設されているため、電源パッド用の配線(H2、HD、H1)を低抵抗にする(強化する)ためには配線の本数が増えてしまい、配線性が低下してしまうおそれがある。
第3に、信号パッド下の領域の内部回路などのマクロの配置の自由度が低下してしまうおそれがある。つまり、従来の半導体集積回路装置では、信号パッド(PSIG)下に、IOセルと電源パッド(PVDD、PGND)を電気的に接続する電源用配線(HD)が配設されているため、最上位配線層(第n配線層)にある信号パッド(PSIG)下に第n−1配線層を使用するマクロを配置することが困難になるおそれがある。
第4に、内部回路の電源の電圧降下が増大するおそれがある。つまり、従来の半導体集積回路装置では、信号パッド(PSIG)真下に、IOセルと電源パッドを電気的に接続する電源用配線(HD)が配設されているため、内部回路に供給するための電源配線密度が低下し、抵抗が増加する。
本発明の主な課題は、半導体集積回路装置における配線性向上、配線層数低減、及び電源強化を可能にすることである。
本発明の視点においては、半導体集積回路装置において、半導体チップに配置された複数の電源パッドと、前記半導体チップに配置されるとともに、前記電源パッドよりも幅が狭く構成された複数の信号パッドと、を備えることを特徴とする。
本発明(請求項1−15)によれば、通電量に応じて最適なサイズのパッドを採用しているので、それらの異なるサイズのパッド配置を最適化することにより、最上位配線層の配線性向上、配線層数の低減、及び電源強化を図ることができる。
(実施形態1)
本発明の実施形態1に係る半導体集積回路装置について図面を用いて説明する。図1は、本発明の実施形態1に係る半導体集積回路装置のバンプ配設面を模式的に示した平面図である。図2は、本発明の実施形態1に係る半導体集積回路装置における図1の2点鎖線で囲まれた部位のパッド及び配線のパターンを模式的に示した部分拡大平面図である。図3は、本発明の実施形態1に係る半導体集積回路装置の最上位配線層のパターンのみを模式的に示した部分平面図である。図4は、本発明の実施形態1に係る半導体集積回路装置を模式的に示した図2のX−X´間の部分断面図である。図5は、本発明の実施形態1に係る半導体集積回路装置を模式的に示した図2のY−Y´間の部分断面図である。
半導体集積回路装置1は、内部回路およびIOセルを有する半導体チップである。半導体集積回路装置1のバンプ配設面には、格子部分の「○」印が付された部分にバンプ2(はんだボール)が配設されている(図1参照)。バンプ2の下には、パッド(図示せず)が配設されている。バンプ配設面において、中央に配された内部回路領域1aと、その近傍(又は周囲)に配されたIOセル領域1bと、を有する。内部回路領域1aは、半導体集積回路装置1の内部において複数の内部回路(図示せず)が配される領域である。IOセル領域1bは、半導体集積回路装置1の内部において複数のIOセル(図示せず)が配される領域である。半導体集積回路装置1においては、半導体基板(図4、5の10)上に複数の絶縁層(同図の3、5、8)および配線層(同図の4、7)が交互に積層され、配線層(図示せず)間がビア接続された多層配線層が配されている。なお、図1に示した内部回路領域1a及びIOセル領域1bのパターンは一例であり、内部回路領域及びIOセル領域のセットが複数配されたものであってもよい。図1の2点鎖線で囲まれた部位のパッド及び配線のパターンを図2に示す。
半導体集積回路装置1の多層配線層においては、最上位配線層4と配線層7を有する(図2参照)。
最上位配線層4は、多層配線層のうち最上位(バンプ寄り)に配された配線層であり、絶縁層3と絶縁層5の間に配されている(図4、5参照)。最上位配線層4では、信号パッド4aと、第1VDDパッド4bと、第1GNDパッド4cと、信号配線4dと、第1VDD配線4eと、第1GND配線4fと、第2VDDパッド4gと、第2GNDパッド4hと、第2VDD配線4iと、第2GND配線4jと、を有する。
信号パッド4aは、IOセル1c用の信号パッドである。信号パッド4aは、内部回路領域1aおよびIOセル領域1bにあって、図1の格子部分の「○」印が付された部位のうち所定の部位のバンプ(図1の2)の下に配されている。信号パッド4aは、第1VDDパッド4bおよび第1GNDパッド4cを避けながら半導体集積回路装置1の外周側から順に配置される。信号パッド4aは、同一層の対応する信号配線4dと一体に構成されている(図3参照)。信号パッド4aは、信号配線4d、ビア6a、信号配線7a、及びビア9aを通じて、対応するIOセル1cの信号端子となる拡散層10aに電気的に接続されている(図4参照)。信号パッド4a(信号パッド4aの短手方向)は、電源パッド(第1VDDパッド4b、第1GNDパッド4c、第2VDDパッド4g、及び第2GNDパッド4h)よりも幅が狭く構成されており、例えば、長方形、八角形等の多角形とすることができる。これは、信号パッド4aでは電源パッドよりも小さな電流しか流れないからである。信号パッド4aの長手方向の向きは、電源パッド(第1VDDパッド4b、第1GNDパッド4c、第2VDDパッド4g、及び第2GNDパッド4h)、及びその配線(第1VDD配線4e、第1GND配線4f、第2VDD配線4i、及び第2GND配線4j)パターンに応じて、例えば、IOセル領域1bの信号パッド4aについては半導体集積回路装置1の外周辺と平行方向にし、内部回路領域1aの信号パッド4aについては半導体集積回路装置1の外周辺の直交方向にすることができる。信号パッド4aの真下には、電源配線(第1VDD配線4e、第1GND配線4f、第2VDD配線4i、第2GND配線4j)が配されていない。
なお、信号パッド4aは、幅の狭いパッドであるが、IOセルの許容電流を満たすことができるサイズとしているため、問題は生じない。また、信号パッド4a上に配設されるバンプ2は、電源パッド(第1VDDパッド4b、第1GNDパッド4c、第2VDDパッド4g、及び第2GNDパッド4h)上に配設されるバンプ2の大きさと略同一である。また、大電流の流れる電源パッドに信号パッド4aよりも幅の広い大きな面積のパッドを用いることにより、バンプとの接触面積を大きくすることができ、接続抵抗が高くならないようにしている。
第1VDDパッド4bは、IOセル1c用のVDD側の電源パッドである。第1VDDパッド4bは、内部回路領域1aにあって、図1の格子部分の「○」印が付された部位のうち所定の部位のバンプ(図1の2)の下に配されている。なお、第1VDDパッド4bは、IOセル領域1b近傍又はIOセル領域1b内の部位にあることが好ましい。第1VDDパッド4bは、同一層の第1VDD配線4e(VDDバス)と一体に構成されている。第1VDDパッド4bは、第1VDD配線4e、ビア(図示せず;ビア6aと同層で抵触しない領域のもの)、第1VDD配線(図示せず;信号配線7aと同層で抵触しない領域のもの)、ビア(図示せず;ビア9aと同層で抵触しない領域のもの)を通じて、各IOセルの第1VDD端子10bに電気的に接続されている。第1VDDパッド4bは、大電流が流れることを考慮して、信号パッド4aよりも幅が広く構成されており、例えば、正方形、八角形等の多角形とすることができる。
第1GNDパッド4cは、IOセル1c用のGND側の電源パッドである。第1GNDパッド4cは、IOセル領域1bであって、図1の格子部分の「○」印が付された部位のうち所定の部位のバンプ(図1の2)の下に配されている。なお、第1GNDパッド4cは、半導体集積回路装置1の外周辺の近傍に配されることが好ましい。第1GNDパッド4cは、同一層の第1GND配線4f(GNDバス)と一体に構成されている。第1GNDパッド4cは、第1GND配線4f、ビア6b、第1GND配線7b、ビア9bを通じて、各IOセルの第1GND端子となる拡散層10cに電気的に接続されている(図5参照)。第1GNDパッド4cは、大電流が流れることを考慮して、信号パッド4aよりも幅が広く構成されており、例えば、正方形、八角形等の多角形とすることができる。
信号配線4dは、同一層の対応する信号パッド4aと一体に構成され、主に内部回路領域1aに配されている。第1VDD配線4e(VDDバス)は、同一層の第1VDDパッド4bと一体に構成され、主にIOセル領域1bに配されている。第1GND配線4f(GNDバス)は、同一層の第1GNDパッド4cと一体に構成され、IOセル領域1bに配されている。信号配線4d、第1VDD配線4e、及び第1GND配線4fは、電源パッド(第1VDDパッド4b、第1GNDパッド4c、第2VDDパッド4g、及び第2GNDパッド4h)やバンプ(図1の2)との抵触を避けて、できる限り最上位配線層4に配されることが好ましい。信号配線4dは、自動配線でレイアウトされることが好ましい。また、第1VDD配線4eおよび第1GND配線4fは、専用パターンでレイアウトされるが、可能であれば自動配線でレイアウトしてもよい。
第2VDDパッド4gは、内部回路用のVDD側の電源パッドである。第2VDDパッド4gは、内部回路領域1aにあって、図1の格子部分の「○」印が付された部位のうち所定の部位のバンプ(図1の2)の下に配されている。第2VDDパッド4gは、同一層の第2VDD配線4i(VDDバス)と一体に構成されている。第2VDDパッド4gは、第2VDD配線4i、ビア(図示せず;ビア6bと同層で抵触しない領域のもの)、VDD配線(図示せず;GND配線7bと同層で抵触しない領域のもの)、ビア(図示せず;ビア9bと同層で抵触しない領域のもの)を通じて、内部回路の第2VDD端子10dに電気的に接続されている。なお、第2VDD端子10dは、第2VDD配線4iの真下又はその周辺に配される。第2VDDパッド4gは、大電流が流れることを考慮して、信号パッド4aよりも幅が広く構成されており、例えば、正方形、八角形等の多角形とすることができる。
第2GNDパッド4hは、内部回路用のGND側の電源パッドである。第2GNDパッド4hは、内部回路領域1aであって、図1の格子部分の「○」印が付された部位のうち所定の部位のバンプ(図1の2)の下に配されている。第2GNDパッド4hは、同一層の第2GND配線4j(GNDバス)と一体に構成されている。第2GNDパッド4hは、第2GND配線4j、ビア(図示せず;ビア6bと同層で抵触しない領域のもの)、GND配線(図示せず;GND配線7bと同層で抵触しない領域のもの)、ビア(図示せず;ビア9bと同層で抵触しない領域のもの)を通じて、内部回路の第2GND端子10eに電気的に接続されている。なお、第2GND端子10eは、第2GND配線4jの真下又はその周辺に配される。第2GNDパッド4hは、大電流が流れることを考慮して、信号パッド4aよりも幅が広く構成されており、例えば、正方形、八角形等の多角形とすることができる。
第2VDD配線4i(VDDバス)は、同一層の第2VDDパッド4gと一体に構成され、内部回路領域1aに配されている。第2GND配線4j(GNDバス)は、同一層の第2GNDパッド4hと一体に構成され、内部回路領域1aに配されている。第2VDD配線4iおよび第2GND配線4jは、電源の補強を行うため、最上位配線層4を用いて、パッドからIOセル領域1bの近傍まで延在している。
配線層7は、多層配線層のうち最上位配線層4の1段下に配された配線層であり、絶縁層5と絶縁層8の間に配されている(図4、5参照)。配線層7では、第1信号配線7aと、第1VDD配線(図示せず)と、第1GND配線7bと、第2VDD配線(図示せず)と、第2GND配線(図示せず)と、を有する。各配線は、対応する最上位配線層4の配線と端子の間を電気的に接続するための配線である。
なお、図2、3に示す実施形態1では、電源配線に信号配線より太幅の配線を用いている。特許文献1が出願された当時においては、幅寸法が異なる配線が混在していると、設計フローが複雑になり、特に自動設計を進める上で障害になっていた。しかし、本願発明者らが、特願2004−350946号において開示したような太幅配線と細幅配線が混在する場合における自動レイアウトの技術を用いれば、電源配線に信号配線より太い配線を用いて自動設計を行うことも可能である。特に、図2、3に示すように内部回路領域1aに配置する信号パット4aを細幅にすることにより、レイアウト面積を大きくせずに、内部回路用電源配線4i、4jの配線幅を太くすることが可能であり、内部回路の電位変動を低減させることができる。
また、IOセル領域1bに配置する信号パッド4aも細幅の信号パッドを用いることにより、IOセル用電源配線4e、4f、IOセル−パッド間信号配線4d、内部回路用電源配線4i、内部回路用信号配線(図示せず)を強化することで、IOセル及び内部回路の電位変動を低減させることができる。さらには、電源配線の強化によりEM等の信頼性を向上させる効果もある。
また、内部回路領域1aでは、電源配線4i、4jを半導体チップの外周辺と直角な方向に配線しているので、内部回路領域1aに配置される信号パッド4aは、電源配線4i、4jが配線しやすくなるように、半導体チップ外周辺に平行な方向の幅が狭くなる向きに配置されている。一方、IOセル領域1bでは、電源配線4e、4fを半導体チップの外周辺に沿って配線しているので、IOセル領域1bに配置される信号パッド4aは、電源配線4e、4fの配線の妨げとならないよう、半導体チップ外周辺に直角な方向の幅が狭くなる向きに配置されている。
また、図4、5では、多層配線層の最上位配線層4下の配線層が配線層7のみとなっているが、さらに多層配線化されたものであってもよい。さらに、図2、3において、最上位配線層の空き領域を電源配線の強化に使用することも可能である。また、実施形態1では、バンプをはんだボールで形成したものを示したが、バンプの材質は適宜好適な材料を選択できることは言うまでもない。
また、図2、3では、許容電流量に応じて、パッドの大きさを2種類としているが、さらに多くの種類の大きさのパッドを用いてもよい。
実施形態1によれば、以下のような効果を奏する。
第1に、配線性が向上する。つまり、信号パッド4aに電源パッド(第1VDDパッド4b、第1GNDパッド4c、第2VDDパッド4g、及び第2GNDパッド4h)よりも幅の狭いパッドを用いることにより、最上位配線層4の信号パッド4a間の配線可能な領域が広がり、配線性が向上する。また、IOセル1c用の電源パッド(第1VDDパッド4b、第1GNDパッド4c)をIOセル領域1b近傍又はIOセル領域1b内の部位に配置することにより、信号パッド4a間の配線可能な領域を圧迫しなくなるので、配線性が向上する。
第2に、配線層数を低減することができる。つまり、信号パッド4aに電源パッド(第1VDDパッド4b、第1GNDパッド4c、第2VDDパッド4g、及び第2GNDパッド4h)よりも幅の狭いパッドを用いることにより、内部回路領域1aにおいては主に最上位配線層4を用いて信号配線4dを配設することが可能となり、内部回路領域1aにおいては信号配線7aを最上位配線層4の1段下の配線層7にて使用する頻度が減少し(使用してもIOセル領域1bおよびその近傍のみ)、低層化が実現できる。また、最上位配線層より一段下の配線層は、電源強化の役割の強い配線層であるので、他の配線層で電源が供給できれば、最上位配線層より一段下の配線層をなくすこともできる。
第3に、IOセル1cの電源強化と電源ノイズ低減を実現することができる。IOセル1c上又は近傍に電源パッド(第1VDDパッド4b、第1GNDパッド4c)を配置することにより、電源パッド間の配線抵抗を最小にできるからである。
第4に、内部回路の電源強化と電源ノイズ低減を実現することができる。信号パッド4aに電源パッド(第1VDDパッド4b、第1GNDパッド4c、第2VDDパッド4g、及び第2GNDパッド4h)よりも幅の狭いパッドを用いることにより、内部回路の電源用の配線領域も確保することができるからである。
第5に、内部回路領域1aにおける信号パッド4a下のマクロ配置の自由度が向上する。内部回路領域1aにおいて、主に最上位配線層4を用いて信号配線4dが形成され、信号配線7aが配線層7にて使用する頻度が減少するので、内部回路領域1aにおける信号パッド4a下のマクロ配置が可能な領域が広がるからである。
本発明の実施形態1に係る半導体集積回路装置のバンプ配設面を模式的に示した平面図である。 本発明の実施形態1に係る半導体集積回路装置における図1の2点鎖線で囲まれた部位のパッド及び配線のパターンを模式的に示した部分拡大平面図である。 本発明の実施形態1に係る半導体集積回路装置の最上位配線層のパターンのみを模式的に示した部分平面図である。 本発明の実施形態1に係る半導体集積回路装置を模式的に示した図2のX−X´間の部分断面図である。 本発明の実施形態1に係る半導体集積回路装置を模式的に示した図2のY−Y´間の部分断面図である。 従来例に係る半導体集積回路装置のIOセルとパッドとの接続状態を示した配線レイアウト図である。
符号の説明
1 半導体集積回路装置
1a 内部回路領域
1b IOセル領域
1c IOセル
2 バンプ
3 絶縁層
4 最上位配線層
4a 信号パッド
4b 第1VDDパッド(電源パッド、第1電源パッド)
4c 第1GNDパッド(電源パッド、第1電源パッド)
4d 信号配線
4e 第1VDD配線(第1電源配線)
4f 第1GND配線(第1電源配線)
4g 第2VDDパッド(電源パッド、第2電源パッド)
4h 第2GNDパッド(電源パッド、第2電源パッド)
4i 第2VDD配線(第2電源配線)
4j 第2GND配線(第2電源配線)
5 絶縁層
6a ビア
6b ビア
7 配線層
7a 第1信号配線(信号配線)
7b 第1GND配線(第1電源配線)
8 絶縁層
9a ビア
9b ビア
10 半導体基板
10a 信号端子(拡散層)
10b 第1VDD端子
10c 第1GND端子(拡散層)
10d 第2VDD端子
10e 第2GND端子

Claims (15)

  1. 半導体チップに配置された複数の電源パッドと、
    前記半導体チップに配置されるとともに、前記電源パッドよりも幅が狭く構成された複数の信号パッドと、
    を備えることを特徴とする半導体集積回路装置。
  2. 前記電源パッドは、正方形のパッドであり、
    前記信号パッドは、長方形のパッドであることを特徴とする請求項1記載の半導体集積回路装置。
  3. 前記半導体チップは、IOセルと内部回路を有し、
    前記電源パッドは、前記IOセル用の第1電源パッドと、前記内部回路用の第2電源パッドを有し、
    前記第1電源パッドは、前記IOセル上ないしその近傍に配置され、
    前記第2電源パッドは、前記内部回路上に配置されることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体集積回路装置。
  4. 前記内部回路は、前記半導体チップの中央に配置され、
    前記IOセルは、前記半導体チップの外周辺の近傍に配置されることを特徴とする請求項3記載の半導体集積回路装置。
  5. 前記信号パッドおよび前記電源パッドは、複数の配線層のうち最上位配線層に配設されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一に記載の半導体集積回路装置。
  6. 前記IOセルと前記信号パッドを電気的に接続する信号配線の少なくとも一部は、前記最上位配線層に配設されることを特徴とする請求項5記載の半導体集積回路装置。
  7. 前記IOセルと前記第1電源パッドを電気的に接続する第1電源配線の少なくとも一部は、前記最上位配線層に配設されることを特徴とする請求項5又は6記載の半導体集積回路装置。
  8. 前記内部回路と前記第2電源パッドを電気的に接続する第2電源配線の少なくとも一部は、前記最上位配線層に配設されることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか一に記載の半導体集積回路装置。
  9. 前記信号パッドは、前記第1電源パッドを避けながら前記半導体チップの外周近傍から順に配置されることを特徴とする請求項4乃至8のいずれか一に記載の半導体集積回路装置。
  10. 前記電源パッドおよび前記信号パッドのそれぞれの上に配設される複数のバンプを備え、
    各前記バンプは、大きさが略同一であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一に記載の半導体集積回路装置。
  11. 前記第1電源配線のうち前記最上位配線層に配設された部分は、前記半導体チップの外周に沿って配線され、
    前記信号パッドの少なくとも一部は、前記IOセル上に配置され、かつ、前記半導体チップの外周辺に直角な方向の幅が狭いパッドであることを特徴とする請求項7乃至10のいずれか一に記載の半導体集積回路装置。
  12. 前記第2電源配線のうち前記最上位配線層に配設された少なくとも一部は、前記半導体チップの外周辺に対して直角な方向に配線され、
    前記信号パッドの少なくとも一部は、前記内部回路上であって前記第2電源配線の間に配置され、かつ、前記半導体チップの外周辺と平行な方向の幅が狭いパッドであることを特徴とする請求項8乃至11のいずれか一に記載の半導体集積回路装置。
  13. 前記複数の電源パッドのうち、一の電源パッドの対向する2辺の両端から同一方向に平行に配線された一対の電源配線をさらに備え、
    前記複数の信号パッドは、前記一対の電源配線に挟まれて配置された第1信号パッドを含み、
    前記第1信号パッドの幅は、前記一対の電源配線の間隔より狭いことを特徴とする請求項1乃至12のいずれか一に記載の半導体集積回路装置。
  14. 前記複数の信号パッドは、前記一対の電源配線に挟まれて配置されるとともに前記第1信号パッドと抵触しない領域に配置された第2信号パッドを含み、
    前記第2信号パッドは、第2信号配線と接続され、
    前記複数の電源パッド、前記第1及び第2信号パッド、前記一対の電源配線、並びに前記第2信号配線は、同一配線層を用いて配置され、
    前記第2信号配線は、前記第1信号パッドと前記一対の電源配線との間を通過する配線であることを特徴とする請求項13記載の半導体集積回路装置。
  15. 前記一対の電源配線の間隔は、前記電源パッドの前記対向する2辺の間隔より狭いことを特徴とする請求項13又は14記載の半導体集積回路装置。
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