JP4647243B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、配線基板に半導体チップを搭載したCSP(チップ・サイズ・パッケージ)形態等の半導体装置、特に配線基板上における配線引き回し形態に起因するノイズを改善するための技術に関し、例えばDDR(ダブル・データ・レート)形態でメモリ動作されるシンクロナスSRAM(スタティック・ランダム・アクセス・メモリ)等に適用して有効な技術に関する。
クロック同期型のメモリ例えばシンクロナスSRAMは、リードデータの確定タイミングをアクセス主体に知らせるためにデータ出力タイミングに同期するクロック信号を出力する。このようなクロック信号は、クロック同期動作のための入力クロック信号に対してエコークロックと称され、シンクロナスSRAMではフリーランニングエコークロックとして、読み出し及び書き込み動作にかかわらず常時出力動作される。エコークロックに関しては特許文献1に記載がある。
LSIの多ピン化、チップサイズの縮小に際してLSIパッケージにはBGAなどが採用されている。特許文献2には、BGAなどのLSIパッケージにおけるクロストークによるノイズ発生を防止するのに、ノイズに弱い信号群、ノイズを放出し易い信号群などのように信号群を分割し、かつ相互に分離するように、端子の割り当てを行うLSIパッケージ技術が開示される。
特許文献3にはPGA(ピン・グリッド・アレイ)パッケージにおいて、複数本の信号線間をグランドピンで取り囲んで、信号間のアイソレーションを行う技術が記載される。
特開2003-36700号公報 特開平11−97613号公報 特開平7−283340号公報
本発明者はBGAなどのLSIパッケージを構成する配線基板における信号のクロストークについて検討した。シンクロナスSRAMにおいてフリーランニングエコークロックは書き込み動作時も出力動作され、そのクロック変化と書き込み入力データのクロストークにより不所望なデータエラーを生ずる虞にあることが本発明者により明らかにされた。要するに、配線基板上における配線やビアは不所望なインダクタンス成分や容量成分を持ち、フリーランニングエコークロック配線と書き込み入力データ配線との間のインダクタンス性カップリングなどによって書き込みデータにクロストークノイズが重畳されると、書き込みデータの論理値が不所望に変化されることがある。しかしながら、特許文献2に記載の技術を適用して、シンクロナスSRAMのデータ入出力端子とフリーランニングエコークロックの出力端子を完全に分離させることは実質的に難しい。そのような分離は信号相互間でのタイミングのずれ若しくはスキューの原因になる。複数ビットの出力データとフリーランニングエコークロックとの同期関係が望ましい状態になければ、リードデータの確定タイミングをアクセス主体に知らせるという本来の目的を達することができなくなるからである。また、特許文献3の如く、データ入出力端子とフリーランニングエコークロック出力端子をグランドピンで取り囲んで信号間のアイソレーションを行うことも可能であるが、パッケージの小型化に反することになる。
そのようなクロストークノイズはシンクロナスSRAMに限られず、シンクロナスDRAM用のメモリインタフェース若しくはメモリコントローラにも考慮されるべきである。すなわち、シンクロナスDRAMコントローラは、書き込みデータの出力と共にデータストローブ信号を出力するが、シンクロナスDRAMのインタフェース仕様に従えば、シンクロナスDRAMコントローラは、先ずデータストローブ信号を立ち上がり変化させてから複数ビットの書き込みデータを出力する。データストローブ信号は、書き込みデータの複数ビット並列出力による電源ノイズの影響を受ける。それだけではなく、データ出力端子とデータストローブ信号の出力端子は信号相互間でのタイミングのずれ若しくはスキューを最小限にするために極端に分離できないから、上記同様、データストローブ信号は出力データとのクロストークノイズ、特にインダクタンス性のカップリングノイズの影響を受ける。双方のノイズの影響で全体として大きくレベル低下する虞がある。データ出力タイミングにおいてデータストローブ信号のレベルがノイズにより低下すると、実際に書き込みデータが確定する前にシンクロナスDRAMは書き込み動作を行って書き込みエラーを生ずることが懸念される。
また、本発明者はBGAなどのLSIパッケージを構成する配線基板におけるリターンカレントによるノイズの回り込みについて検討した。すなわち、複数の信号経路で1個のグランドビアにリターンカレントを担わせようとすると、当該グランドビアには複数の信号ピンの異なる信号状態に応じたリターンカレントが重畳し、これが信号経路の相互インダクタンスを大きくする方向に作用して、前記インダクタンス性のカップリングノイズを助長させる虞のあることが本発明者によって見出された。
本発明の目的は、一方が他方の同期信号になる関係を持つ信号間のクロストークノイズを抑制することにある。
本発明の別の目的は、一方が他方の同期信号になる関係を持つ信号間のクロストークノイズをリターンカレントの観点より抑制することにある。
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
〔1〕半導体装置(1)は配線基板(2)に半導体チップ(3)を搭載する。前記配線基板は複数の配線層(L1〜L4)を有し、一面に前記半導体チップと接続される複数のチップ接続電極(5)を持ち、他面に前記半導体装置の外部接続電極(6)を複数個持ち、相互に対応するチップ接続電極と外部接続電極を結合するのに、配線層に形成された配線と、配線層間で配線を接続するビアとを有する。前記複数のチップ接続電極は、所定のタイミングで論理値が変化される第1信号のインタフェースに用いられる第1チップ接続電極(P(DQ3),P(DQ4)、P(DQS))と、前記第1信号の変化タイミングの後に論理値が変化されるタイミングを持つ第2信号のインタフェースに用いられる第2チップ接続電極(P(CQ)、P(DQd))とを有する。前記第1チップ接続電極からそれに対応する第1外部接続電極に至る経路の配線引き回しを主に行う配線層(L1)と、前記第1チップ接続電極に隣接配置された前記第2チップ接続電極からそれに対応する第2外部接続電極に至る経路の配線引き回しを主に行う配線層(L4)とを相違させる。この配線層を相違させることにより、前記第1チップ接続電極からそれに対応する第1外部接続電極に至る経路の配線と、前記第1チップ接続電極に隣接配置された前記第2チップ接続電極からそれに対応する第2外部接続電極に至る経路の配線とが同一配線層で並列配置される状態を極力低減でき、これによって第1信号が第2信号の変化によるクロストークノイズの影響を受けることを抑制若しくは緩和することができる。
本発明の具体的な形態として、前記配線引き回しを行う前記相違される配線層(L1,L4)は、電源プレーンを有する配線層(L3)とグランドプレーンを有する配線層(L2)を挟んで配線基板の表面側と裏面側に各々配置される。
本発明の具体的な形態では層間での配線の重なり除去を考慮する。すなわち、配線層の間に配置されているグランドプレーンや電源プレーンは配線層のインダクタンス成分のバリア層として機能するが、実際には表裏の配線層を接続するための多数のビアが上記バリア層を貫通し、インダクタンス成分による磁束がその貫通孔を通る。そこで、一の配線層において前記第1チップ接続電極からそれに対応する第1外部接続電極に至る経路の配線と、他の配線層において前記第1チップ接続電極に隣接配置された前記第2チップ接続電極からそれに対応する第2外部接続電極に至る経路の配線とには、配線層間で交差する配置を採用する。交差する配置により、配線層が並列する部分は層間でも少なくなり、バリア層からの漏れ磁束の影響によるカップリングノイズについても抑えることができる。
本発明の更に具体的な形態では、リターンカレントによる影響を考慮する。すなわち、前記第1チップ接続電極からそれに対応する第1外部接続電極に至る経路のビア(TH(DQ3),TH(DQ4))と前記第1チップ接続電極に隣接配置された前記第2チップ接続電極からそれに対応する第2外部接続電極に至る経路のビア(TH(CQ))とに、各々グランドプレーンに接続するビア(TH(VSS))を個別に隣接させる。所定の第1信号と第2の信号の経路における各々のビアに対して隣接する個別のグランドビアでリターンカレントを担うから、個別のグランドビアには他の信号経路の信号状態に応じたリターンカレントは重畳し難く、これが各信号経路の相互インダクタンスを小さくする方向に作用し、前記インダクタンス性のカップリングノイズを抑えるように作用する。
本発明の別の観点による具体的な形態では、前記第1信号は入力データ、第2信号は出力クロックである。このとき、前記出力クロックはフリーランニングエコークロックであり、前記半導体チップはシンクロナスSRAMである。
別の具体的な形態では、前記第1信号は出力クロックであり、第2信号は出力データである。このとき、前記出力クロックはデータストローブ信号であり、前記半導体チップはシンクロナスDRAMインタフェースを有するデータプロセッサである。
本発明の更に具体的な形態では、半導体チップの端子配列を考慮する。すなわち、前記半導体チップは前記複数のチップ接続電極に接続される複数のバンプ電極を持ち、前記第2チップ接続電極に対応される第2バンプ電極(CQ)は、前記第1チップ接続電極に対応される第1バンプ電極(DQ)の配列の端部に位置される。半導体チップのバンプ電極若しくはチップ上のパッド電極からバンプ電極に至る再配置配線などによるクロストークの影響も緩和若しくは抑制できる。
〔2〕本発明の別の観点による半導体装置は、配線基板に半導体チップを搭載し、前記配線基板は複数の配線層を有し、一面に前記半導体チップと接続される複数のチップ接続電極を持ち、他面に前記半導体装置の外部接続電極を複数個持つ。前記複数のチップ接続電極は、所定のタイミングで論理値が変化される第1信号のインタフェースに用いられる第1チップ接続電極と、前記第1信号の変化タイミングの後に論理値が変化されるタイミングを持つ第2信号のインタフェースに用いられる第2チップ接続電極とを有する。前記第1チップ接続電極からそれに対応する第1外部接続電極に至る経路の配線と、前記第2チップ接続電極からそれに対応する第2外部接続電極に至る経路の配線とのうち、相互に隣接して並列する部分を有する配線は、同一配線層で相互に並列する部分に比べて相互に異なる配線層に設けられた部分の方が長くされている。上記同一配線層において相互に並列する配線部分を少なくすることは、前記第1チップ接続電極からそれに対応する第1外部接続電極に至る経路の配線と、前記第1チップ接続電極に隣接配置された前記第2チップ接続電極からそれに対応する第2外部接続電極に至る経路の配線とが同一配線層で並列配置される状態を極力低減でき、これによって第1信号が第2信号の変化によるクロストークノイズの影響を受けることを抑制若しくは緩和することができる。
本発明の具体的な形態では、前記第1信号は入力データ、第2信号は出力クロックである。このとき、前記出力クロックはフリーランニングエコークロックであり、前記半導体チップはシンクロナスSRAMである。別の具体的な形態では、前記第1信号は出力クロックであり、第2信号は出力データである。このとき、前記出力クロックはデータストローブ信号であり、前記半導体チップはシンクロナスDRAMインタフェースを有するデータプロセッサである。
〔3〕リターンカレントによる影響を主な着眼点とした発明では、半導体装置は配線基板に半導体チップを搭載し、前記配線基板は複数の配線層を有し、一面に前記半導体チップと接続される複数のチップ接続電極を持ち、他面に前記半導体装置の外部接続電極を複数個持ち、相互に対応するチップ接続電極と外部接続電極を結合するのに、配線層に形成された配線と、配線層間で配線を接続するビアとを有する。前記複数のチップ接続電極は、所定のタイミングで論理値が変化される第1信号のインタフェースに用いられる第1チップ接続電極と、前記第1信号の変化タイミングの後に論理値が変化されるタイミングを持つ第2信号のインタフェースに用いられる第2チップ接続電極とを有する。前記第1チップ接続電極からそれに対応する第1外部接続電極に至る経路のビアと前記第1チップ接続電極に隣接配置された前記第2チップ接続電極からそれに対応する第2外部接続電極に至る経路のビアとに、各々グランドプレーンに接続するビアが個別に隣接される。所定の第1信号と第2の信号の経路における各々のビアに対して、隣接する個別のグランドビアでリターンカレントを担うから、個別のグランドビアには他の信号経路の信号状態に応じたリターンカレントが重畳し難く、これが各信号経路の相互インダクタンスを小さくする方向に作用し、前記インダクタンス性のカップリングノイズを抑えるように作用する。
本発明の具体的な形態では、前記第1信号は入力データ、第2信号は出力クロックである。前記出力クロックはフリーランニングエコークロックであり、前記半導体チップはシンクロナスSRAMである。また別の具体的な形態では、前記第1信号は出力クロックであり、第2信号は出力データである。前記出力クロックはデータストローブ信号であり、前記半導体チップはシンクロナスDRAMインタフェースを有するデータプロセッサである。
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。
すなわち、一方が他方の同期信号になる関係を持つ信号間のクロストークノイズを抑制することができる。また、一方が他方の同期信号になる関係を持つ信号間のクロストークノイズをリターンカレントの観点より抑制することができる。
《半導体装置》
図1には本発明に係る半導体装置の断面図が例示される。半導体装置1は配線基板(パッケージ基板と称する)2に半導体チップ3を搭載したCSP形態を有し、半導体チップ3の表面は樹脂4でモールドされている。パッケージ基板2は、その一面には前記半導体チップ3と接続される複数のチップ接続電極、例えばパッド電極5が形成され、他面には複数の外部接続電極、例えば半田ボール電極6が形成されている。図においてパッケージ基板2は4層の配線層L1〜L4を有するセラミック基板とされ、パッド電極5を対応する半田ボール電極6に接続するのに、配線層L1〜L4に形成された所要の配線と、配線層L1〜L4の間で配線を接続するビア7を有する。配線層L2は殆どがグランドプレーンとされ、配線層L3は殆どが電源プレーンとされる。前記ビア7は、ビアホール若しくはスルーホールの内面に導電性メッキを施した導電部を総称する。半導体チップ3は前記パッド電極5に接続する複数のバンプ電極8を有する。
図2には半導体チップ3の一例が示される。図2示される半導体チップ3はシンクロナスSRAMでありDDR形態でアクセス可能にされる。半導体チップ3はA−BYT、B−BYT、C−BYT、D−BYTの4個のメモリブロックから成り、各メモリブロックは相互に同一の構成を有し、各メモリブロックに共通のバンプ電極として電源端子、グランド端子、アドレス入力端子、同期アクセス制御端子及びシステムクロック入力端子等を有し、更に各々のメモリブロック毎に個別化されて、9ビットのデータ入出力端子DQ及び1ビットのエコークロック出力端子CQ(/CQ)等に対応されるバンプ電極を有する。前記エコークロックは出力端子CQ,/CQからフリーランニングで出力される。前記メモリブロックB−BYT、C−BYTはエコークロックCQを出力し、メモリブロックA−BYT、D−BYTはエコークロック/CQを出力する。エコークロック/CQはエコークロックCQの反転クロックとされる。図2においてバンプ電極8は半導体チップ3の表面に比較的大きな間隔で規則的に分散配置され、丸記号で標記されている。
半導体チップ3は、所謂フリップチップで接続されるためのバンプ電極8を有する。チップの中央部に2列で配置されたボンディングパッド(小さな四角記号で標記)9から保護膜上に再配置配線10が引き出され、再配置配線10を介して対応するバンプ電極8に接続されている。
図3には一つのメモリブロックのデータ入出力端子DQとエコークロック出力端子CQに係る構成が概略的に示される。図にはデータ入出力端子DQを1個代表的に示してある。メモリコア(MCOR)20はスタティック型メモリセルのアレイ及びメモリセルの選択回路を2バンク有し、2バンクはシステムクロックに同期して並列動作するようになっている。バンク毎のリードデータは出力レジスタ(OREG)11、12に並列にラッチされ、書込みデータは入力レジスタ(IREG)13,14から並列に各バンクに供給される。CK1〜CK3はシステムクロックに同期する内部クロックである。出力レジスタ11,12はクロックCK1の半サイクル毎に出力動作され、その出力は同じくクロックCK1の半サイクル毎に入力が切り換えられるセレクタ15で交互に選択され、出力バッファ16を介してデータ入出力端子DQから出力される。出力バッファ16の出力イネーブル信号は図示を省略している。
入力レジスタ13,14は内部クロックCK3の負相サイクルに同期してラッチ動作を行ない、一方の入力レジスタ13の前段には正相サイクルに同期してラッチ動作を行なう入力レジスタ17が配置され、データ入出力端子DQにシステムクロックの半サイクル毎に供給される書込みデータは、入力バッファ18を介して、クロックCK3の負相サイクル毎に入力レジスタ13,14から夫々のメモリバンクに供給される。CK2は入力バッファ18のイネーブルクロックである。
フリーランニングエコークロックの出力には“1”を保持する出力レジスタ21と“0”を保持する出力レジスタ22を用いる。一方の出力レジスタ21はクロックCK1の正相サイクルで出力動作され、他方の出力レジスタ22はクロックCK1の負相サイクルで出力動作され、その出力は同じくクロックCK2の半サイクル毎に入力が切り換えられるセレクタ23で交互に選択され、出力バッファ24を介してエコークロック出力端子CQから出力される。エコークロックはフリーランニング出力とされ、書込み動作と読み出し動作の区別無く出力される。エコークロックの1サイクルにリードデータの出力又はライトデータの入力を2サイクル発生させることができる。
図4にはエコークロックと出力データ波形の波形が例示される。端子CQ、/CQから出力されるエコークロックは、対応するデータ入出力端子DQから出力されるリードデータの確定タイミングを立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの夫々で示すという意義を本来有している。図4において時間tDVKCは、時刻t1のCQ、/CQ切り換えタイミングに対するデータ出力のセットアップ時間となる。
《クロストークについての考察》
パッケージ基板上におけるクロストークノイズの低減について説明する。先ず、着目すべきクロストークノイズの発生原因を明らかにするまでの考察過程について説明する。
図4において、端子DQに対応するパッケージ基板上の外部端子B(DQ)のローレベル(“0”若しくは“L”)入力データとハイレベル(“1”又は“H”)入力データの夫々に対し、端子DQからのデータ入力タイミングを端子CQ,/CQの切り換えタイミングに徐々に近付けたとき、入力データの論理値がエラーとならない最小のセットアップ時間(tDVKC)を測定した。このセットアップ時間(tDVKC)が小さいほどマージンが大であり、そのセットアップ時間(tDVKC)が大きいほどマージンは小となる。
図5はハイレベルデータ入力を期待値とするときの上記セットアップ時間(tDVKC)の測定結果を示し、図6はローレベルデータ入力を期待値とするときの上記セットアップ時間(tDVKC)の測定結果を示す。各図において縦軸は最小のセットアップ時間(tDVKC)、横軸はメモリブロックA−BYT〜D−BYT毎の端子位置を示す。端子位置i(i=0〜8)はDQiを意味する。測定はCQの出力をオンにした場合と、オフにした場合の2通り行なった。この測定結果において上記セットアップ時間(tDVKC)が大きいほどマージンが小さいから、図5ではA−BYTのA部分、D−BYTのD部分のマージンが特に小さいことが解る。図6ではB−BYTのB部分、C−BYTのC部分のマージンが特に小さいことが解る。A部〜D部は夫々端子DQ3、DQ4の近傍である。端子DQ3,DQ4の近傍には端子CQが配置され、端子CQ出力のオン/オフでA部〜D部の夫々におけるセットアップ時間(tDVKC)に差を生じている。このことより、A部〜D部における低マージンの原因は端子CQから出力されるエコークロックとのクロストークが原因であると考えられる。さらに、図5の“H” 入力期待ではA部及びD部、図6の“L” 入力期待ではB部及びC部が低マージンになるが、これは、端子CQからの信号の変化方向と端子DQへの信号の変化方向が同じ向きになっているという条件で共通する。要するに、A部及びD部は端子/CQからのエコークロックの立ち上がりタイミングに対する端子DQの信号の立ち上がりセットアップ時間となり、B部及びC部は端子CQからのエコークロックの立ち下がりタイミングに対する端子DQの信号の立ち下がりセットアップ時間となり、クロストークノイズは同一方向への信号変化による方が大きくなるという性質に合致する。
これにより、クロック端子に隣接するデータ端子は当該クロック端子からクロストークノイズを受けてタイミングマージンが悪化する虞が大きいということがわかる。
図7ではそのようなクロストークノイズによる影響を入力データと出力データの各々に対して更に詳細に考察してある。図7のように端子CQからのエコークロックがローレベルからハイレベルに切り替わる場合には、その周辺の端子DQの配線には電圧負の向きのノイズが生じる。要するに容量性のカップリングノイズよりもインダクタンス性のカップリングノイズが多く発生する。このとき、端子DQの信号の切替えタイミングが端子CQのエコークロックの切替えタイミングに近いと、端子CQのエコークロックによるクロストークノイズの影響で端子DQの信号の電位が低下するため、タイミングマージンが減少し、端子DQの信号のハイレベル確定が遅延すると考えられる。
特に、端子DQへの信号入力時には、出力時に比べて端子DQの入力信号の立上り時間(Tr)が長い分、ノイズの影響を受け易く、タイミングマージン減少量がより大きくなる。入力データは途中の配線負荷や寄生容量成分等により波形の変化が鈍り易くなっているからでる。
また、クロストークノイズは配線間隔が近い程大きく、端子CQに隣接する端子DQ3,DQ4の信号対するクロストークノイズが他の端子DQの信号に比べて大きくなることは、図5及び図6の結果からも明らかである。
《シンクロナスSRAMにおけるクロストークノイズ対策》
第1に、CQに隣接するDQ3,DQ4の配線を極力同一配線層で並列させないようにする。図8はCQ、DQ3、DQ4近傍の第1配線層L1を示し、図9は図8の第1配線層の真下の第4配線層L4の一部を示す。図10は多数のビアが貫通する第2配線層L2のグランドプレーンの様子を示し、図11は多数のビアが貫通する第3配線層L3の電源プレーンの様子を示す。図においてP(m)端子に接続する電極パッド、TH(m)は端子mに接続するビア、L(m)は端子mに接続する配線、B(m)は端子mに接続する半田ボール電極を意味する。
図8においてP(CQ)、P(DQ3)、P(DQ4)は隣接されている。このうち、P(CQ)はその直近でビアTH(CQ)を介してグランドプレーン及び電源プレーンを貫通し、図9の第4配線層L4の配線L(CQ)に接続して対応する半田ボール電極B(CQ)に導通される。一方、P(DQ3)、P(DQ4)は第1配線層L1上の配線をL(DQ3)、L(DQ4)を介して対応する半田ボール電極直上まで引き回しされ、その地点でビアTH(DQ3)、TH(DQ4)を介してグランドプレーン及び電源プレーンを貫通し、図9の第4配線層L4の半田ボール電極B(DQ3)、B(DQ4)に導通される。
このように、P(CQ)からそれに対応するB(CQ)に至る経路の配線引き回しを主に行う配線層L4と、前記P(CQ)に隣接配置されたP(DQ3)、P(DQ4)からそれに対応するB(DQ3)、B(DQ4)に至る経路の配線引き回しを主に行う配線層L1とを相違させることにより、L(CQ)とL(DQ3)、L(DQ4)とのように、同一配線層で並列配置される状態を極力低減できる。配線引き回しを主に行う配線層とは、すなわち、P(CQ)からB(CQ)までを接続する配線は、各配線層L1〜L4に形成された配線によって構成されるが、これら配線層L1〜L4のなかで、P(CQ)からB(CQ)に至る配線経路に占める割合が最も大きい配線層、すなわち、P(CQ)からB(CQ)に至る配線のうち、最も長い配線を構成する配線層がL4層である。従ってP(CQ)からB(CQ)に至る経路の配線引き回しを主に行う配線層は、L4層であるということになる。これに比較して、P(DQ3)からB(DQ3)に至る配線経路に占める割合が最も大きい配線層、すなわち、P(DQ3)からB(DQ3)に至る配線のうち、最も長い配線を構成する配線層がL1層である。従ってP(DQ3)からB(DQ3)に至る経路の配線引き回しを主に行う配線層は、L1層であるということになる。
更に、L(CQ)が配置される第4配線層と、L(DQ3)、L(DQ4)が配置される第1配線層との間には、電源プレーンやグランドプレーンが介在され、それらはシールド層として機能する。これによって端子DQ3,DQ4の入力データが端子CQのエコークロックの変化によるクロストークノイズの影響を受けることを抑制若しくは緩和することができる。
第2はリターンカレントによる影響を考慮する。すなわち、クロストークを抑制する前記信号経路中の前記ビアTH(CQ)、TH(DQ3)、TH(DQ4)に、各々グランドプレーンに接続するビアTH(VSS)を個別に隣接させる。これにより、前記ビアTH(CQ)、TH(DQ3)、TH(DQ4)に対して隣接する個別のグランドビアTH(VSS)がリターンカレントを担うから、個別のグランドビアTH(VSS)には他の信号経路の信号状態に応じたリターンカレントは重畳し難く、これがCQ,DQ3,DQ4に係る各信号経路の相互インダクタンスを小さくする方向に作用し、前記インダクタンス性のカップリングノイズを抑えるように作用する。ビアTH(CQ)、TH(DQ3)、TH(DQ4)が一つのビアTH(VSS)を共有する場合にはリターンカレントを介してノイズが他の信号に回り込む虞が高くなる。
第3は配線層間での配線の重なり除去を考慮する。すなわち、配線層の間に配置されている第1配線層L2のグランドプレーンや第3配線層L3の電源プレーンは配線層のインダクタンス成分による磁束のシールド層として機能するが、実際には表裏の配線層L1とL4を接続するための多数のビアが上記L2,L3層を貫通し、インダクタンス成分による磁束がその貫通孔を通る。そこで、第1配線層L1における配線L(CQ)と、第4配線層L4における配線L(DQ3)、L(DQ4)とには、配線層間で交差する配置を採用するのが望ましい。図8と図9の例では、配線L(CQ)と配線L(DQ4)は表裏方向に重なる配置とされているが、L(CQ)は可能な限り屈曲され、配線L(CQ)とL(DQ4)が並列する部分は配線層間でも少なくなり、シールド層からの漏れ磁束の影響によるカップリングノイズについても抑えることができる。カップリングノイズを低減する事のみを目的とするのであれば、配線L(CQ)の上部からは、データ入出力端子DQと接続する配線を完全に遠ざけてしまうのが有効である。しかし、そのような構造を採ろうとする場合、データ入出力用配線L(DQ)とエコークロック用配線L(CQ)の等長性を維持するのが難しくなり、良好なタイミングマージンを得る事ができなくなる。そこで、上述のように配線L(CQ)の引き回しを主に行う配線層L4と、配線L(DQ3)や配線L(DQ4)を主に行う配線L1とを異ならせたとしても、それぞれの配線L(DQ3)、L(DQ4)が配線L(CQ)の真上もしくはその近傍に配置されないように設計するのは非常に困難になる。このような知見から配線L(CQ)が、L(DQ3)やL(DQ4)の真下から十分遠ざけられないのであれば、それぞれの配線に及ぼすカップリングノイズの影響を分散するために、配線L(CQ)はデータ入出力端子DQと接続する配線のうち、複数の配線の近傍を通るように配置するのが有効である事を見いだした。特に、配線L(CQ)が近接するデータ入出力用配線の本数が3本以上になるように配線レイアウトを決定する事により、それぞれのデータ入出力用配線に、カップリングノイズの影響が分散され、より好ましい。
図12及び図13には上記第3の観点である配線層間での配線の重なり除去を強化した例が示される。配線L(CQ)に関しては、図9に比べて図13の方が直上の配線L(DQ4)を交差方向に大きく迂回する経路が設定されている。また、L(CQ)は、データ入出力用配線L(DQ3)、L(DQ4)、L(DQ5)に近接する事により、L(CQ)から及ぼすカップリングノイズの影響を、配線L(DQ3)、L(DQ4)、L(DQ5)に分散させる事ができ、それぞれの配線におけるカップリングノイズの影響を十分低い値に抑える事ができる。またこのように、ノイズ源となる配線L(CQ)を、3本以上の配線L(DQ3)、L(DQ4)、L(DQ5)に近接させて配置する構成は、配線L(CQ)と配線L(DQ3)、L(DQ4)、L(DQ5)との配線層を異ならせる事によってより容易になる物である。
図14及び図15には上記第3の観点である配線層間での配線の重なり除去が充分に実現できなかった場合の例が示される。配線L(CQ)は図9に比べて図15の方が直上の配線L(DQ4)と並列になっている部分が大きくされている。
図16及び図17には上記第1乃至第3の観点の何れも考慮していない比較例に係る第1配線層L1及び第4配線層L4を示す。第1配線層L1において、配線L(CQ)を挟んで配線L(DQ3)とL(DQ4)が隣接されている。
次に、図8及び図9で説明した構成(本発明例)によるクロストークノイズ改善効果をシミュレーションおよび実測に基づいて説明する。比較対象は図16及び図17の構成(比較例)とされる。
パッケージによるクロストークノイズの低減量を見積るために、クロストーク係数をシミュレーション比較した。図18には本発明例と比較例のLマトリクスが示され、図19には本発明例と比較例のCマトリクスが示される。図18において対角上の値が自己インダクタンス、その他の値が相互インダクタンスを意味する。単位はナノヘンリー(nH)である。図19において対角上の値が入力容量、その他の値が相互容量を意味する。単位はピコファラッド(pF)である。
図18及び図19のLマトリクス及びCマトリクスからDQ3,DQ4、DQ5のクロストーク係数を求める。クロストーク係数Kbは、次式(1)
Kb=Lm/L0+Cm/C0…(1)
より求める。Lmは相互インダクタンス、L0は自己インダクタンス、Cmは相互容量、C0は入力容量である。図18及び図19のLマトリクス及びCマトリクスにおいてCQとDQのL0、C0は異なるので、式(1)におけるL0、C0は次式(2)、(3)
L0=√{L0(CQ)×L0(DQ)}…(2)
C0=√{C0(CQ)×C0(DQ)}…(3)
とした。
上記によるシミュレーション結果は図20に例示される。本発明例におけるDQ3,DQ4のクロストーク係数は比較例に対して1/3〜2/3に減少した。
次に上記本発明例と比較例に係るパッケージのクロストークノイズをTDT(Time Domain Transmission)測定により比較した結果を説明する。図21にはDQ3,DQ4、DQ5の信号の立ち上がり時間がTr=200psの場合のTDT波形を本発明例と比較例を対比して示す。図21より、Tr=200psの時の半田ボール電極B(DQ3)のノイズは約1/5に、半田ボール電極B(DQ4)のノイズは約1/2に改善された。これにより、Tr=200psでSRAMを動作させた時には、本発明例のクロストークノイズは、比較例に比べて、その程度低減させることが可能であると考えられる。
上記シミュレーション及び実測結果から、ノイズ源であるCQ端子の配線をL4層とし、DQ端子からシールドする上記構成は、端子CQの信号と端子DQの信号との間のクロストークノイズ低減に効果があることは明らかである。
以上ではパッケージ基板に対するクロストークノイズ対策を説明したが、半導体チップ3側での考慮について説明する。図2に例示されるように、前記半導体チップ3のバンプ電極8において、端子CQに対応されるバンプ電極は、データ入出力端子DQに対応されるバンプ電極配列の端部に位置される。更に端子CQに対応されるバンプ電極の周りには複数の電源端子VDD及びグランド端子のバンプ電極が配置される。したがって、半導体チップ上のパッド電極9からバンプ電極8に至る再配置配線10などによるクロストークの影響も緩和若しくは抑制できる。
さらに、複数のデータ入出力端子DQのバンプ電極の配列に対してクロック端子CQのバンプ電極は比較的離れることになり、双方の信号経路に対して再配置配線やチップ内の配線による等長配線を極力維持することが良好なタイミングマージンを得るのには得策である。これを考慮すると、例えば図3において、データ入出力経路の不等長に対して、出力レジスタ11,12へのクロックCK1経路の入力段に調整用の遅延手段を講ずることができる。遅延手段はゲート遅延であってもよいし、迂回配線経路であってもよい。
《シンクロナスDRAMコントローラにおけるクロストークノイズ対策》
上述のクロストークノイズ対策はシンクロナスSRAMに限られず、シンクロナスDRAM用のメモリインタフェース若しくはメモリコントローラにも適用可能である。ここではシンクロナスDRAMコントローラを搭載したデータプロセッサを半導体チップ3として考える。図1で説明した通り、CSP形態の半導体装置はパッケージ基板2に半導体チップ3としてデータプロセッサが搭載される。
図22にはデータストローブ信号DQSと書き込みデータDQdのシミュレーション波形が例示される。特にデータストローブ信号波形は、パッケージ基板の第4配線層L4の配線上における信号波形DQS(L4)と、パッケージ基板の第1配線層L1の配線上における信号波形DQS(L1)とを区別して図示している。
シンクロナスDRAMコントローラは、書き込みデータDQdの出力と共にデータストローブ信号DQSを出力するが、シンクロナスDRAMのインタフェース仕様に従えば、シンクロナスDRAMコントローラは、先ずデータストローブ信号DQSを立ち上がり変化させてから複数ビットの書き込みデータDQdを出力する。複数ビットの書き込みデータの並列出力による電源ノイズによって少なからずストローブ信号波形が影響される。それだけではなく、半導体チップ3上においてデータ出力端子とデータストローブ信号の出力端子は信号相互間でのタイミングのずれ若しくはスキューを最小限にするために極端に分離できないから、上記同様、データストローブ信号DQSは出力データDQdとのクロストークノイズ、特にインダクタンス性のカップリングノイズの影響を受けると考えられる。図22においてデータストローブ信号DQSのハイレベルが途中で下がっている。V1が電源ノイズによる影響、V2がクロストークによる影響を意味する。上記クロストークの影響は、図23のデータ入出力用の電極パッドP(DQd)から図24のデータ入出力用の半田ボール電極B(DQd)に至る経路の主な配線引き回しが第1配線層L1で行われ、同じく図23のデータストローブ信号用の電極パッドP(DQS)から図24のデータストローブ信号用の半田ボール電極B(DQS)に至る経路の主な配線引き回しが第1配線層L1で行われ、第1配線層L1において、データストローブ信号用の配線L(DQS)の両側にデータ信号用の配線L(DQd)が並列していることに起因すると考えられる。
図25及び図26には上記データストローブ信号用の配線L(DQS)とデータ信号用の配線L(DQd)との間のクロストークを抑制した配線層の構成が例示される。図25の第1配線層L1において、データストローブ信号用の電極パッドP(DQS)を短い配線L(DQS)を介してデータ入出力用配線L(DQd)の引き出し方向とは反対側に引き出してビアTH(DQS)に接続し、図26の第4配線層L4において、前記ビアTH(DQS)を比較的長い配線L(DQS)を介してデータストローブ信号用の半田ボール電極B(DQS)に接続する。これにより、図25のデータ入出力用の電極パッドP(DQd)から図26のデータ入出力用の半田ボール電極B(DQd)に至る経路の主な配線引き回しが第1配線層L1で行われ、これに対し図25のデータストローブ信号用の電極パッドP(DQS)から図26のデータストローブ信号用の半田ボール電極B(DQS)に至る経路の主な配線引き回しが第4配線層L4で行われ、第1配線層L1と第4配線層L4において、データストローブ信号用の配線L(DQS)の両側にデータ信号用の配線L(DQd)が並列していない。これにより、データ出力タイミングにおいてノイズによるデータストローブ信号の不所望なレベル低下を生ぜず、シンクロナスDRAMにおける書き込みエラーの発生を未然に防止することができる。
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、本発明はシンクロナスSRAM又はシンクロナスDRAMコントローラに適用される場合に限定されず、その他のメモリやコントローラにも適用可能であり、データとそのストローブ信号若しくはタイミング信号のように同期化という点で互いに信号端子が近接配置される信号相互間のパッケージ上若しくは配線基板上の配線に広く適用することができる。ストローブ信号はフリーランニングクロック、又はエコークロックに限定されない。
また、配線基板は4層に限定されず適宜変更可能である。また、配線基板はグランドプレーン及び電源プレーンを持つ構成に限定されない。配線基板はセラミック基板に限定されない。半導体チップが搭載される配線基板はCSPのパッケージ基板に限定されない。
本発明に係る半導体装置を例示する断面図である。 半導体チップのバンプ電極の配列を例示する平面図である。 半導体チップにおける一つのメモリブロックのデータ入出力端子とエコークロック出力端子に係る構成を概略的に例示するブロック図である。 エコークロックと出力データを例示する波形図である。 ハイレベルデータ出力を期待値とするときのセットアップ時間(tDVKC)の測定結果を示す説明図である。 ローレベルデータ出力を期待値とするときのセットアップ時間(tDVKC)の測定結果を示す説明図である。 クロストークノイズによる影響を入力データと出力データの各々に対して更に詳細に考察するための波形図である。 パッケージ基板におけるP(CQ)、P(DQ3)、P(DQ4)近傍の第1配線層L1を示す配線パターン図である。 図8の第1配線層L1の下の第4配線層L4の一部を示す配線パターン図である。 多数のビアが貫通する第2配線層L2のグランドプレーンの様子を示すパターン図である。 多数のビアが貫通する第3配線層L3の電源プレーンの様子を示すパターン図である。 配線層間での配線の重なり除去を強化したときのパッケージ基板におけるP(CQ)、P(DQ3)、P(DQ4)近傍の第1配線層L1を示す配線パターン図である。 図12に対応される第4配線層L4の一部を示す配線パターン図である。 配線層間での配線の重なり除去が充分に実現できなかったときのパッケージ基板におけるP(CQ)、P(DQ3)、P(DQ4)近傍の第1配線層L1を示す配線パターン図である。 図14に対応される第4配線層L4の一部を示す配線パターン図である。 クロストークの抑制について何れも考慮していない比較例に係る第1配線層L1の一部を示す配線パターン図である。 図16に対応される第4配線層L4の一部を示す配線パターン図である。 本発明例と比較例のLマトリクスを例示する説明図である。 本発明例と比較例のCマトリクスを例示する説明図である。 クロストークノイズ改善効果をクロストーク係数のシミュレーション結果によって表した説明図である。 DQ3,DQ4、DQ5の立ち上がり時間Tr=200psの場合のTDT波形を本発明例と比較例を対比して例示する波形図である。 データストローブ信号DQSと書き込みデータDQの問題点を示すシミュレーション波形である。 シミュレーション波形の前提となるパッケージ基板の第1配線層L1に配線パターン図である。 シミュレーション波形の前提となるパッケージ基板の第4配線層L4に配線パターン図である。 データストローブ信号用の配線L(DQS)とデータ信号用の配線L(DQd)との間のクロストークを抑制したパッケージ基板の第1配線層L1の配線パターン図である。 データストローブ信号用の配線L(DQS)とデータ信号用の配線L(DQd)との間のクロストークを抑制したパッケージ基板の第4配線層L4の配線パターン図である。
符号の説明
1 半導体装置
2 パッケージ基板
3 半導体チップ
L1 第1配線層
L2 第2配線層
L3 第3配線層
L4 第4配線層
5 パッド電極
6 半田ボール電極
7 ビア
8 バンプ電極
A−BYT、B−BYT、C−BYT、D−BYT メモリブロック
DQ 半導体チップのデータ入出力端子
CQ,/CQ 半導体チップのエコークロック出力端子
9 ボンディングパッド
10 再配置配線
11,12 データ用の出力レジスタ
13,14 データ用の入力レジスタ
CK1〜CK3 内部クロック
15 セレクタ
16 出力バッファ
17 データ用の入力レジスタ
18 入力バッファ
20 メモリコア
21、22 エコークロック用の出力レジスタ
23 セレクタ
24 出力バッファ
P(CQ) パッケージ基板上のCQ対応パッド電極
P(DQ3) パッケージ基板上のDQ3対応パッド電極
P(DQ4) パッケージ基板上のDQ4対応パッド電極
L(CQ) パッケージ基板上のCQ対応配線
L(DQ3) パッケージ基板上のDQ3対応配線
L(DQ4) パッケージ基板上のDQ4対応配線
TH(CQ) パッケージ基板上のCQ対応ビア
TH(DQ3) パッケージ基板上のDQ3対応ビア
TH(DQ4) パッケージ基板上のDQ4対応ビア
B(CQ) パッケージ基板上のCQ対応半田ボール電極
B(DQ3) パッケージ基板上のDQ3対応半田ボール電極
B(DQ4) パッケージ基板上のDQ4対応半田ボール電極
DQS データストローブ信号又はその出力端子
DQ 入出力データ又はその入出力端子
P(DQ) パッケージ基板上のDQ対応パッド電極
P(DQS) パッケージ基板上のDQS対応パッド電極
L(DQ) パッケージ基板上のDQ対応配線
L(DQS) パッケージ基板上のDQS対応配線
TH(DQ) パッケージ基板上のDQ対応ビア
TH(DQS) パッケージ基板上のDQS対応ビア
B(DQ) パッケージ基板上のDQ対応半田ボール電極
B(DQS) パッケージ基板上のDQS対応半田ボール電極

Claims (5)

  1. 数のチップ接続電極および複数の第1配線が形成された第1配線層、複数の外部接続電極および複数の第2配線が形成された第2配線層、前記第1配線層と前記第2配線層との間に形成された複数のビアホール、および前記複数のビアホールの内部に形成された複数の導電部を有する配線基板と、
    複数のボンディングパッドを有し、前記配線基板に搭載された半導体チップと、
    を含み、
    前記複数のチップ接続電極は、所定のタイミングで論理値が変化される第1信号のインタフェースに用いられる複数の第1チップ接続電極と、前記複数の第1チップ接続電極の近傍に配置され、かつ前記第1信号の変化タイミングの後に論理値が変化されるタイミングを持つ第2信号のインタフェースに用いられる第2チップ接続電極とを有しており
    前記複数の外部接続電極は、前記複数の第1チップ接続電極とそれぞれ電気的に接続される複数の第1外部接続電極と、前記第2チップ接続電極と電気的に接続される第2外部接続電極とを有しており、
    前記第1配線層および前記第2配線層のうち、前記複数の第1チップ接続電極から前複数の第1外部接続電極に至る複数の第1経路のそれぞれの配線引き回しを主に行う配線層は、前記第2チップ接続電極から前記第2外部接続電極に至る第2経路の配線引き回しを主に行う配線層と異なり、
    前記複数の第1配線および前記複数の第2配線のうち、前記第2経路の配線引き回しを主に行う配線層に形成された配線は、平面視において、前記複数の第1経路のそれぞれの配線引き回しを主に行う配線層に形成された複数の配線の近傍を通るように配置されており、
    前記複数の導体部のうち、前記複数の第1経路の複数の第1導体部および前記第2経路の第2導体部の隣には、グランドプレーンに接続する複数の第3導体部がそれぞれ配置されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記配線基板は、さらに、前記第1配線層と前記第2配線層との間に配置され、かつ前記グランドプレーンが形成された第3配線層と、前記第1配線層と前記第2配線層との間に配置され、かつ電源プレーンが形成された第4配線層とを有していることを特徴とする請求項記載の半導体装置。
  3. 前記半導体チップは、前記複数のボンディングパッドとそれぞれ電気的に接続される複数のバンプ電極を有しており、
    前記複数のバンプ電極は、前記複数の第1チップ接続電極と電気的に接続される複数の第1バンプ電極と、前記第2チップ接続電極と電気的に接続される第2バンプ電極とを有しており、
    前記半導体チップは、前記複数のバンプ電極を介して前記配線基板に搭載されていることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記第2経路の配線引き回しを主に行う配線層に形成された配線は、平面視において、前記複数の第1経路のそれぞれの配線引き回しを主に行う配線層に形成された複数の配線と交差するように配置されていることを特徴とする請求項記載の半導体装置。
  5. 前記複数の第1経路のそれぞれの配線引き回しを主に行う配線層は、前記第1配線層であり、
    前記第2経路の配線引き回しを主に行う配線層は、前記第2配線層であることを特徴とする請求項記載の半導体装置。
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