JP3123762B2 - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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Description
に超伝導配線を用いて高集積化した半導体装置に関す
る。
度が上がり配線が微細化されるにつれて、能動回路など
の各種回路素子による信号遅延の外に、配線による信号
遅延も考慮する必要が生じてきた。本発明は、このよう
な配線による信号遅延に対応するために超伝導配線を用
いた半導体装置に関する。
を介して配線容量へ充電されることに基づく信号遅延が
生じている。しかしながら、通常の設計ルールの範囲
(例えば、長さ1cm,幅 1.8μm,厚さ 1μm)において
は、当該配線抵抗はその前段の能動回路の内部抵抗に比
べて十分に小さいので、この配線による信号遅延は能動
回路による信号遅延に対して無視できる程度のものにな
っている。
ば長さ1cm,幅0.3μm,厚さ 0.3μm 程度のスケールに
なると、その抵抗値も増加して配線による信号遅延を無
視できなくなってくる。
来、次のような手法 ′Al配線を液体窒素温度で動作させる。 ′配線として、液体窒素温度で超伝導状態となる高温
超伝導体を用いる(日経エレクトロニクス,1987年11月
30日号,P153〜164 参照)。を採ることにより、その抵
抗値を抑えて配線による信号遅延が大きくならないよう
にしている。
る信号遅延を説明する。なお、これらの信号遅延は回路
シミュレータ(SPICE)を用いたシミュレーション
によって求めたものである。
体チップ内の配線構造の概要を示す説明図である。
コン酸化膜,23は配線,aは配線23の長さ,wは配線23
の幅,h は配線23の厚さ,dはシリコン基板21と配線23
との間隔,sは隣接する配線間の距離を示し、a=1c
m,w= 0.3μm, h= 0.3μm,d= 0.2μm, s= 0.5μm
に設定してある。そして、配線とシリコン基板との間お
よび配線相互間を平行平面板で近似したときの、この配
線23の単位長当たりの容量CとインダクタンスLはそれ
ぞれC=0.7pF/cm,L=6.0nH/cm、またAl配線の場合の
単位長当たりの抵抗は、液体窒素温度で470オーム/cm
である。
は、配線23を 100分割した集中定数系として取扱ってお
り、図5は配線23としてAl配線31を液体窒素温度(78K)
で用いたときの等価回路、また図6は配線23として終端
開放の超伝導配線32を用いたときの等価回路である。こ
こで、各配線31,32 の前段にはCMOS回路33からなる
能動回路が、後段には負荷となるゲート回路34が接続さ
れており、またCMOS回路33への入力としては立ち上
がり時間10ps, 降下時間10ps, パルス巾500ps の台形波
電圧が用いられている。なお、ゲート回路34の入力容量
は無視できる程度のものであり、当該シミュレーション
では考慮に入れていない。
6の等価回路についてのシミュレーション結果であり、
実線は5Vの入力電圧,破線は出力電圧を示している。
ここで、5Vの入力電圧が与えられてから出力電圧が
4.5Vになるまでの伝播遅延時間td は、液体窒素温度
(78K) でAl配線31を用いた場合には324ps 、終端開放の
超伝導配線32を用いた場合には72psである。また、後者
の場合には入力電圧が5V,0Vのいずれの定常状態に
おいても、配線終端での信号の反射によるリンギング
(出力電圧の振動)が生じている。
ために、図9の等価回路で示される、終端抵抗35を並列
接続した超伝導配線36を用いることが提案されている。
特性インピーダンスである92.6オーム(他の回路要素
は、図5および図6の等価回路と同一)としたときのシ
ミュレーション結果であり、終端開放の超伝導配線32を
用いた場合(図8)に比べてリンギングが著しく減少し
ていることがわかる。
延時間td は、各配線31,32,36に共通な位相速度〔(1
/LC)1/2 =1.55×1010cm/s〕に基づくもので超伝
導配線を用いても小さくすることはできない。
列終端抵抗を接続した超伝導配線を高集積化半導体チッ
プの配線として用いることにより、配線容量と配線抵抗
に基づく信号遅延を小さくするとともに、配線終端での
信号の反射によるリンギングを抑えている。
の並列終端抵抗の部分で電力消費が生じ、特に図9の等
価回路から明らかなように出力電圧が「H」の間は当該
並列終端抵抗に直流電流が流れ続けるので、この並列終
端抵抗での電力消費が大きなものになるという問題点が
あった。
るための抵抗を超伝導配線とその前段の能動回路との間
に直列に接続し、当該抵抗には入力電圧が「L」と
「H」との間で変化する遷移期間でのみしか直流電流が
流れないようにすることにより、当該抵抗での電力消費
の低減化を図ることを目的とする。
するさいに超伝導配線を用いて配線抵抗の値が大きくな
らないようにすることにより、配線による信号遅延を依
然として無視できる程度のものにした高集積化半導体チ
ップにおいて、超伝導配線の使用に伴うリンギングを抑
えるための抵抗を、当該抵抗での電力消費が少なくてす
む部分に設けるようにしたものである。
おいて、 1は、半導体装置であり、高集積化された半導体チップ
からなっている。 2は、能動回路であり、例えばCMOSインバータより
なる信号増幅器で構成されている。 3は、超伝導配線であり、例えば液体窒素温度(78
K)で超伝導状態になるBiーSrーCaーCuーO系やYーBi
ーCuーO系などが用いられている。 4は、負荷であり、例えばゲート回路で構成され、その
入力容量は配線容量に比べて無視できる程度のものであ
る。 5は、リンギング抑制用抵抗であり、能動回路2と超伝
導配線3との間に直列接続された、例えば半導体基板内
に拡散抵抗として形成されている。そして、抵抗値は超
伝導配線3の特性インピーダンス〔(L/C)1/2 :L
は超伝導配線の単位長当たりのインダクタンス,Cは超
伝導配線の単位長当たりの容量〕と同じ値に設定されて
いる。
半導体チップにおけるリンギング抑制用抵抗を、当該超
伝導配線とこれを駆動する能動回路との間に直列に接続
することにより、入力電圧が「H」と「L」の間で変化
する遷移期間のみしか当該抵抗に直流電流が流れないよ
うにしている。そのため、このリンギング抑制用抵抗で
の電力消費は小さなものになり、信号の高速伝播が可能
で実用的な高集積化半導体チップを容易に得ることがで
きる。
明する。図2は、本発明のシミュレーション対象の等価
回路を示しており、CMOSインバータ11よりなる信号
増幅器と超伝導配線3との間にリンギング抑制用抵抗5
が直列接続されている。
ように超伝導配線3の特性インピーダンスである92.6オ
ームに、また他の回路要素は図5,図6および図9の等
価回路と同じように設定されている。
レーション結果を示しており、その出力電圧波形は図10
の出力電圧波形と略同一で、従来の最良の伝搬遅延時間
やリンギング状態が確保されていることがわかる。
リンギング抑制のための並列終端抵抗を接続した従来の
等価回路(図9)と、リンギング抑制のための直列入力
抵抗を接続した本発明の等価回路(図2)とのそれぞれ
の抵抗での電力消費は、 並列終端抵抗・・・13.4×10-12 J 直列入力抵抗・・・ 1.7×10-12 J であり、本発明における電力消費は従来のものにくらべ
て約1/8に低減されていることがわかる。
ベルが「H」または「L」の期間、継続して直流電流が
流れるのに対して、本発明の直列入力抵抗には信号レベ
ルが「H」と「L」との間で変化する遷移期間のみしか
直流電流が流れないためである。
半導体装置において、この超伝導配線の特性インピーダ
ンスの値を持つ抵抗を超伝導配線とその前段である能動
回路との間に直列に接続して、当該抵抗には信号電圧が
「L」と「H」との間で変化する遷移期間のみしか直流
電流が流れないようにしているため、従来の最良レベル
の伝搬遅延時間やリンギング状態を確保したままで、こ
のリンギング防止用抵抗での電力消費を少なくすること
ができる。
の等価回路である。
果を示す説明図である。
配線構造の概要を示す説明図である。
路である。
果を示す説明図である。
果を示す説明図である。
の等価回路である。
果を示す説明図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 能動回路と、その出力側に接続される超
伝導配線とを備えた半導体装置において、前記超伝導配
線の特性インピーダンスと等しい値を持つ抵抗を、前記
能動回路と前記超伝導配線との間に直列に接続し、当該
抵抗によってリンギングを抑制するようにしたことを特
徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 能動回路は、CMOSインバータよりな
る信号増幅器であることを特徴とする請求項1記載の半
導体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03025867A JP3123762B2 (ja) | 1991-02-20 | 1991-02-20 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03025867A JP3123762B2 (ja) | 1991-02-20 | 1991-02-20 | 半導体装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04264764A JPH04264764A (ja) | 1992-09-21 |
JP3123762B2 true JP3123762B2 (ja) | 2001-01-15 |
Family
ID=12177747
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP03025867A Expired - Lifetime JP3123762B2 (ja) | 1991-02-20 | 1991-02-20 | 半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3123762B2 (ja) |
-
1991
- 1991-02-20 JP JP03025867A patent/JP3123762B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
岡村廸夫著,「解析 ノイズ・メカニズム」,第2版,CQ出版株式会社,1988年5月20日,p.151−157 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH04264764A (ja) | 1992-09-21 |
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