JP4986114B2 - 半導体集積回路及び半導体集積回路の設計方法 - Google Patents

半導体集積回路及び半導体集積回路の設計方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体集積回路及びその設計方法に関する。特に、本発明は、半導体集積回路の電源配線構造及びその設計方法に関する。
半導体集積回路の電源配線は、通常、メッシュ状の配線構造を有する。電源パッドに供給される電力は、半導体チップの外周部に配置されたI/Oセルを通して、そのメッシュ状の電源配線網に分配される。半導体集積回路内のセルは、その電源配線網から電流を受け取り、消費する。半導体集積回路内の各点において電流が消費されるため、図1に示されるように、電源配線網における電位ドロップ(IRドロップ)は、チップの中心部に向かって大きくなる。すなわち、半導体集積回路の周縁部では電位が高く、チップの中心に向かうにつれて電位が低くなる。
電位ドロップ量が許容量をオーバーすると、その点に配置されたセルは、本来の性能を発揮できなくなる。特に、チップの中心付近の電位が低くなるため、その中心付近に配置されたセルにおいて、動作速度の低下等の動作不良が発生する可能性がある。このような電位ドロップによる動作不良を回避することができる技術が望まれている。特に近年、半導体集積回路の微細化に伴い、電源電位が小さくなっており、電位ドロップが及ぼす影響は顕著になっている。電位ドロップに対する対策は、最も重要な課題の1つである。
特許文献1に記載された半導体集積回路は、第1の領域に所定の電源を供給する第1のメッシュ状電源配線と、第1の領域と異なる第2の領域に所定の電源と同一の電源を供給する第2のメッシュ状電源配線と、を含む。第1の領域と第2の領域との境界において第1のメッシュ状電源配線と第2のメッシュ状電源配線とは分離されている。第1の領域は、チップの外周部に位置し、第1のメッシュ状電源配線には、チップリングから直接電源が供給される。一方、第2の領域は、チップの中心部に位置し、第2のメッシュ状電源配線には、チップリングから電源供給配線を介して電源が供給される。
特開2004−273844号公報
上述の通り、半導体集積回路中の領域によっては、電位ドロップが許容量を超えてしまう場合がある。そのことは、セルの動作不良を招く。また、特許文献1に記載された技術によれば、第2のメッシュ状電源配線に電力を供給するための特別な配線が設けられる。その特別な配線に配線領域を割り当てる必要があるため、配線性が悪く、また、汎用性がない。
以下に、[発明を実施するための最良の形態]で使用される番号・符号を用いて、[課題を解決するための手段]を説明する。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
本発明の第1の観点において、半導体集積回路の設計方法が提供される。その設計方法は、(A)機能ブロック(21,22)を配置するステップと、(B)電源パッド(2a)の位置を決定するステップと、(C)電源パッド(2a)と機能ブロック(21,22)とを接続する電源配線構造(10)を配置するステップとを有する。上記(C)ステップは、(a)複数の第1電源配線(11)を、第1配線層(M1)に配置するステップと、(b)複数の第1電源配線(11)と複数の交差点(IS1,IS2)においてオーバーラップする複数の第2電源配線(12)を、第1配線層(M1)より上層の第2配線層(M2)に配置するステップと、(c)複数の第1電源配線(11)と複数の第2電源配線(12)を接続するビア(13)を、複数の交差点(IS1,IS2)の全てに配置するステップと、(d)機能ブロック(21,22)に関する電位ドロップを解析するステップと、(e)電位ドロップが許容量を超えている場合、機能ブロック(21)への電流経路(CP1)上のビア(13)の一部を削除するステップと、を含む。
このように、本発明によれば、ある点において電位ドロップが許容量を超えている場合、その点に至る電流経路上のビアの一部が削除される。その結果、その点における電位ドロップ量が緩和される。電位ドロップ量に余裕のある領域からビアを順番に削除することによって、その点における電位ドロップを許容範囲内に収めることが可能となる。従って、セルの動作不良が解消される。また、本発明によれば、電位ドロップを緩和するために、特別な配線を設ける必要はなく、一部のビアを削除するだけでよい。従って、配線性の劣化が防止され、汎用性が向上する。
本発明の第2の観点において、半導体集積回路が提供される。その半導体集積回路は、チップ(1)上に配置された電源パッド(2a)と、電源配線構造(10)を介して電源パッド(2a)に接続された回路群(21,22)とを備える。その電源配線構造(10)は、異なる配線層に形成され複数の交差点(IS1,IS2)においてオーバーラップする複数の第1電源配線(11)及び複数の第2電源配線(12)と、それら複数の第1電源配線(11)と複数の第2電源配線(12)を接続するビア(13)とを有する。上記回路群は、第1領域(R1)に配置された機能ブロック(21)を含む。ビア(13)は、第1領域(R1)と電源パッド(2a)の間の第2領域(R2)における複数の交差点(IS2)の一部に配置されていない。
本発明によれば、電位ドロップに起因するセルの動作不良を防止することが可能となる。また、配線性の劣化が防止される。更に、本発明は、どのようなチップに対しても汎用的に適用され得る。
添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る半導体集積回路及びその設計手法を説明する。
1.設計対象
まず、本実施の形態における設計対象である半導体集積回路の概略的な構造を説明する。図2は、本実施の形態に係る半導体チップ1の概観を示している。半導体チップ1の周縁部(外周部)上には、複数のパッド2が配置されている。複数のパッド2は、入出力パッド、電源パッド、及びグランドパッドを含んでいる。尚、複数のパッド2の配置パターンは、図2に示されたものに限られない。
半導体チップ1内には、図3に示されるような電源配線構造10が形成される。この電源配線構造10は、電源パッドと内部回路群とを接続しており、次に示されるような配線から構成されている。第1配線層において、複数の第1電源配線11が、Y方向に沿って略平行に形成されている。また、第1配線層の上層である第2配線層において、複数の第2電源配線12が、X方向に沿って略平行に形成されている。X方向とY方向は直交している。つまり、複数の第1電源配線11と複数の第2電源配線12は、複数の交差点において互いにオーバーラップしている。言い換えれば、複数の第1電源配線11と複数の第2電源配線12は、“メッシュ状”に配置されている。そして、それら複数の第1電源配線11と複数の第2電源配線12を接続するように、複数の交差点の一部にビア13が配置されている。これら、第1電源配線11、第2電源配線12、及び13によって、メッシュ配線14が形成されている。
また、半導体チップの周縁部(外周部)には、リング形状を有するリング配線15が設けられている。このリング配線15は、メッシュ配線14に電力を供給するための基幹電源配線であり、メッシュ配線14を囲むように設けられている。上述の複数のパッド2のうち電源パッド(2a)は、バッファを含むI/Oセルを介して、このリング配線15に接続されている。電源パッド(2a)に与えられる電力は、そのI/Oセルを通して、リング配線15に供給される。リング配線15に供給された電力は、メッシュ状のメッシュ配線14を通して、半導体集積回路の回路群(セル群)に分配される。
電源配線構造10は、図3に示された構造に限られず、3層以上の多層の配線層から構成されていてもよい。多層配線層構造においては、一般的に、下層の電源配線(ローカル配線)の抵抗は上層の電源配線(グローバル配線)の抵抗よりも大きい。図3においては、第1配線層に形成された第1電源配線11の抵抗は、第2配線層に形成された第2電源配線12の抵抗よりも大きい。例えば、第2電源配線12の幅は、第1電源配線11の幅よりも大きくなるように設計される。また例えば、第2電源配線12の膜厚は、第1電源配線11の膜厚より大きい。
2.設計手法
次に、図4に示されるフローチャートを参照し、本実施の形態に係る半導体集積回路の設計手法を説明する。
まず、半導体チップ1に対応するレイアウト領域の所定の場所に、機能ブロックが配置される(ステップS10)。次に、電源パッド(電力供給点)の位置が決定される(ステップS20)。例えば、図2に示されたように、電源パッドの位置は半導体チップ1の周縁部に設定される。ここで、電源パッドの配置バランスは、チップ内の消費電力の分布に応じて決定される。次に、電源パッドと機能ブロックとを接続する電源配線構造10が配置される(ステップS30)。その電源配線構造10は、図3に示されたような構造を有する。以下、このステップS30に関して、図5に示された平面図及び図6に示された断面図を参照して、更に詳しく説明する。
まず、第1配線層M1に、複数の第1電源配線11がY方向に沿って配置される。また、第1配線層M1より上層の第2配線層M2に、複数の第2電源配線12がX方向に沿って配置される(ステップS31)。その結果、複数の第1電源配線11と複数の第2電源配線12は、複数の交差点ISにおいて互いにオーバーラップする。後に説明されるように、複数の交差点ISは、ビア13が設けられる第1交差点IS1と、ビア13が設けられない第2交差点IS2に分類されることになる。
次に、複数の第1電源配線11と複数の第2電源配線12とを互いに接続するためのビア13が配置される。この段階では、ビア13は、上述の交差点IS(IS1,IS2)の全てに配置される(ステップS32)。このようにして、予備的な電源配線構造10が一時的に形成される。
次に、その予備的な電源配線構造10に関して電位ドロップ(IRドロップ)の解析が行われる(ステップS33)。つまり、配置されている各機能ブロックに対する電位ドロップの解析が行われる。この解析を通して、電位ドロップが所定の許容量をオーバーしている領域(機能ブロック)が探索される。
例えば、図5及び図6を参照して、半導体チップ1内の第1領域R1に、第1機能ブロック21が配置されているとする。また、第2領域R2に、第2機能ブロック22が配置されているとする。この第2領域R2は、電源パッド2a(チップ周縁部)と第1領域R1との間に位置している。つまり、第2領域R2は、第1領域R1よりも電源パッド2aに近く、第2領域R2における電位ドロップは、第1領域R1における電位ドロップより小さい。
電位ドロップの解析の結果、第2領域R2における電位ドロップは、第2機能ブロック22に関する電位ドロップの許容量を満足しているとする。一方、第1領域R1における電位ドロップが、第1機能ブロック21に関する電位ドロップの許容量を超過しているとする(ステップS34;No)。この場合、第1機能ブロック21への電流経路の解析が行われる。
図5及び図6を参照すると、半導体チップ1の四辺のうち、第1領域R1に最も近い辺は辺Saである。よって、第1機能ブロック21への電力供給は、主に、辺Sa側の電源パッド2aからの第1電流経路CP1を介して行われる。本実施の形態によれば、少なくともこの第1電流経路CP1上で、電位ドロップに余裕がある領域から、一部のビア13が削除される(ステップS36)。例えば、上述の第2領域R2は、電源パッド2aと第1領域R1との間に位置しており、第1機能ブロック21への電流経路CP1は、その第2領域R2を通っている。且つ、その第2領域R2における電位ドロップは許容量を満足している。従って、この第2領域R2における交差点の一部からビア13が削除されるとよい。この場合、ビア13が配置されない交差点IS2が第2領域R2中に設けられ、第2機能ブロック22への電流経路CP2が部分的に遮断される。
ビア13が省かれることによる効果を、図7を参照して説明する。図7には、ある区間における第1電源配線11と第2電源配線12が模式的に示されている。第1電源配線11と第2電源配線12が交差することにより、交差点P1〜P4が現れている。尚、図7では一部の領域におけるメッシュ配線14が切り出されて示されており、図7中の第1電源配線11は、その領域外の第2電源配線12にもつながっており、また、図7中の第2電源配線12は、その領域外の第1電源配線11にもつながっている。ここでは、電流供給点からの最短電流経路だけを考慮する。
図7において、消費電力は全ての領域にわたって均一であると仮定する。また、交差点P1〜P4のそれぞれの間隔は等しく、それぞれの間隔(電流供給点〜P1、P1〜P2、P2〜P3、P3〜P4)における第2電源配線12の抵抗は「R」で与えられるとする。また、ビア13が削除されていない場合、交差点P1〜P4のそれぞれに設けられるビア13には、等しい電流「I」が流れ込むとする。
ビア13が削除されていない場合、交差点P1からP4に向かって徐々に電流が減少していく。そして、交差点P4における電位ドロップ量は、“(4I+3I+2I+I)×R=10×IR”で与えられる。
一方、一部のビア13が削除される場合、例えば、交差点P2及びP3からビア13が削除される場合、電流は、交差点P1及びP4に集中する。例えば、交差点P1のビア13に電流2.5Iが流れ込み、交差点P4のビア13に電流1.5Iが流れ込むとする。この場合、交差点P4における電位ドロップ量は、“4I+1.5I+1.5I+1.5I)×R=8.5×IR”となり、ビア13が削除されない場合と比較して減少している。
このように、部分的にビア13を省くことによって、その先における電位ドロップ量を緩和することが可能となる。つまり、電流供給元から遠い場所の電位を上昇させることが可能となる。上述の通り、上層の第2電源配線12は、下層の第1電源配線11よりも抵抗が小さい。電流経路CP1上のビア13を削除することによって、その低抵抗の第2電源配線12を、第1機能ブロック21へのメインの配線経路とすることができる。これにより、第1機能ブロック21に関する電位ドロップを緩和することができる。尚、電位ドロップを効果的に抑制するためには、図5に示されたように、第1領域R1とその第1領域R1に最も近い辺Saとの間の電流経路CP1から、一部のビア13が省かれることが好適である。
以上に説明されたように、ステップS36において、第2領域R2からビア13が部分的に削除される。その後、電位ドロップの解析が再度実行される(ステップS33)。解析の結果、電位ドロップがまだ許容量を超えている場合(ステップS34;No)、第2領域R2から更にビア13が削除される(ステップS36)。このように、ステップS33〜S36が繰り返し行われる。ステップS36毎に、ビア13は1つずつ削除されてもよいし、グループごとに削除されてもよい。尚、第2機能ブロック22への電流経路CP2が消滅しないように、ビア13は削除されていく。
繰り返し処理は、電位ドロップが許容量を満足するまで行われてもよい。あるいは、繰り返し処理が所定の回数行われた後、電位ドロップがまだ許容量をオーバーしている場合(ステップS35;Yes)、設計処理はステップS20に戻ってもよい。その場合、電源パッド(電力供給点)の位置が変更される。続いて、ステップS31は飛ばされ、全ての交差点に再度ビア13が配置される(ステップS32)。その後、同様に、ステップS33〜S36が繰り返し行われる。半導体チップ1の全体にわたって、電位ドロップが許容量を満足すれば(ステップS34;Yes)、処理は終了する。
以上に説明されたように、本実施の形態によれば、電位ドロップ量に余裕のある領域からビア13を順番に削除することにより、第1領域R1における電位ドロップを許容範囲内に収めることが可能となる。従って、第1機能ブロック21の動作不良が防止される。更に、本実施の形態によれば、電位ドロップを緩和するために、特別な配線を設ける必要はなく、一部のビア13を削除するだけでよい。配線領域の一部を特別な配線に割り当てる必要がないので、配線性の劣化が防止される。また、特別な配線が不要なため、本発明は、どのようなチップに対しても汎用的に適用され得る。
3.適用例
3−1.第1の適用例
図8は、第1の適用例における半導体チップ1を模式的に示している。図8において、半導体チップ1の中心に第1機能ブロック21が配置されている。つまり、第1機能ブロック21が配置される第1領域R1は、半導体チップ1の中心部を含んでいる。また、電源パッドは半導体チップ1の外周部に設けられている、すなわち、内部回路に対する電力供給は半導体チップ1の周縁部から行われる。よって、半導体チップ1の中心へ向かうにつれて、電位ドロップの量が大きくなる。本発明が適用されなければ、第1領域R1における電位ドロップは、許容量PEを超過してしまうとする。
そのため、第1領域R1(中心部)と半導体チップ1の周縁部との間に位置する第2領域R2から、一部のビア13が省かれる。例えば、図8に示されるように、第2領域R2は、第1領域R1を囲む4つの帯状領域Ra〜Rdを含んでおり、それら帯状領域Ra〜Rdのそれぞれから一部のビア13が省かれる。帯状領域Ra及びRcは、第1領域R1の端部からX方向に沿って辺Sa及びScのそれぞれに向かって延びる領域である。一方、帯状領域Rb及びRdは、第1領域R1の端部からY方向に沿って辺Sb及びSdのそれぞれに向かって延びる領域である。つまり、帯状領域Ra〜Rdは十字状に配置されている。これら帯状領域Ra〜Rdに含まれる交差点ISの一部が、ビア13が配置されない交差点IS2となる。交差点IS2の配置は、帯状領域Ra〜Rdのそれぞれにおいて、適宜決定され得る。例えば、各帯状領域において、所定の本数の電源配線毎に交差点IS2が配置される。
結果として、図8に示されるように、電位ドロップに余裕のある領域(第2領域R2)において電位ドロップ量が大きくなり、その代わり、第1領域R1における電位ドロップ量が小さくなる。交差点IS2を適宜設けることによって、半導体チップ1全体にわたり電位ドロップが許容量PEを満足するようになる。これにより、第1機能ブロック21を含む全ての内部回路に関して、パフォーマンスの低下が防止される。
3−2.第2の適用例
電位ドロップのワーストポイントは、半導体チップ1の中心部に限られない。例えば、高速動作を行う機能ブロックはパワー密度が大きく、その機能ブロックが配置される領域における電位ドロップは大きくなる傾向にある。その電位ドロップが許容量を超えると、高速動作を行うべき機能ブロックの動作速度が低下してしまう。すなわち、高速化を図りたい領域ほど電位ドロップが大きくなり、逆にスピード劣化の影響を受けやすくなる。
第2の適用例は、そのような高速動作を行う機能ブロックが救済される場合である。図9は、第2の適用例における半導体チップ1を模式的に示している。図9において、半導体チップ1中の第1領域R1には、高速動作を行う第1機能ブロック21が配置されている。例えば、第1機能ブロック21は、CPUコアである。本発明が適用されなければ、第1領域R1における電位ドロップは、許容量PEを超過してしまうとする。
そのため、第1領域R1と電源パッド2aとの間に位置する第2領域R2から、一部のビア13が省かれる。その第2領域R2には第2機能ブロック22が配置されており(図6参照)、第2機能ブロック22に関する電位ドロップには余裕がある。すなわち、第1機能ブロック21のパワー密度は、第2機能ブロック22のパワー密度より高い。言い換えれば、第1機能ブロック21の単位面積あたりの消費電力は、第2機能ブロック22のものより大きい。言い換えれば、第1機能ブロック21の動作速度は、第2機能ブロックの動作速度より高い。
第1の適用例と同様に、第2領域R2は、第1領域R1を囲む4つの帯状領域Ra〜Rdを含んでいてもよい。それら帯状領域Ra〜Rdのそれぞれから一部のビア13が省かれ、ビア13が配置されない交差点IS2が設けられる。結果として、図9に示されるように、電位ドロップに余裕のある領域(第2領域R2)において電位ドロップ量が大きくなり、その代わり、第1領域R1における電位ドロップ量が小さくなる。交差点IS2を適宜設けることによって、半導体チップ1全体にわたり電位ドロップが許容量PEを満足するようになる。これにより、第1機能ブロック21を含む全ての内部回路に関して、パフォーマンスの低下が防止される。
4.設計システム(CADシステム)
図10は、本発明に係る設計手法(レイアウト手法)を実現するための設計システム100の一例を示すブロック図である。この設計システム100は、ワークステーション等のコンピュータにより構築され、演算処理装置110、記憶装置120、入力装置140、及び表示装置150を備えている。
記憶装置120としては、RAMやハードディスクが例示される。記憶装置120には、ネットリスト121、IPマクロデータ122、レイアウトデータ123などが格納されている。ネットリスト121は、回路の接続関係を記述しており、レイアウト処理に用いられる。IPマクロデータ122は、上述の機能ブロックを提供する。レイアウトデータ123は、回路のレイアウトを示しており、レイアウト処理によって生成される。
入力装置140としては、キーボードやマウスが例示される。設計者は、表示装置150に表示された情報を参照しながら、入力装置140を用いて各種データやコマンドを入力することができる。
演算処理装置110は、設計プログラム130を実行する。その設計プログラム130は、例えば、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されている。設計プログラム130は、演算処理装置110との協働により、本発明に係る設計機能(レイアウト機能)を提供する。レイアウト処理においては、ネットリスト121及びIPマクロデータ122が用いられる。レイアウト処理の結果、上述の電源配線構造10のパターンを含むレイアウトデータ123が作成される。そのレイアウトデータ123に基づいて、本実施の形態に係る半導体集積回路が製造される。
図1は、半導体チップにおける電位ドロップの分布を示す図である。 図2は、本発明の実施の形態に係る半導体チップを示す模式図である。 図3は、本発明の実施の形態に係る電源配線構造を示す模式図である。 図4は、本発明の実施の形態に係る設計方法を示すフローチャートである。 図5は、本発明の実施の形態に係る設計方法を説明するための平面図である。 図6は、本発明の実施の形態に係る半導体集積回路の構造を示す断面図である。 図7は、本発明による効果を説明するための模式図である。 図8は、本発明が適用された半導体チップの一例を示す模式図である。 図9は、本発明が適用された半導体チップの他の例を示す模式図である。 図10は、本発明の実施の形態に係る設計システムの構成を示すブロック図である。
符号の説明
1 チップ
2 パッド
2a 電源パッド
10 電源配線構造
11 第1電源配線
12 第2電源配線
13 ビア
14 メッシュ配線
15 リング配線
21 第1機能ブロック
22 第2機能ブロック
100 設計システム
110 演算処理装置
120 記憶装置
121 ネットリスト
122 IPマクロデータ
123 レイアウトデータ
130 設計プログラム
140 入力装置
150 表示装置
CP1 第1電流経路
CP2 第2電流経路
IS1 第1交差点
IS2 第2交差点

Claims (5)

  1. (A)機能ブロックを配置するステップと、
    (B)電源パッドの位置を決定するステップと、
    (C)前記電源パッドと前記機能ブロックとを接続する電源配線構造を配置するステップと
    を有し、
    前記(C)ステップは、
    (a)複数の第1電源配線を、第1配線層に配置するステップと、
    (b)前記複数の第1電源配線と複数の交差点においてオーバーラップする複数の第2電源配線を、前記第1配線層より上層の第2配線層に配置するステップと、
    (c)前記複数の第1電源配線と前記複数の第2電源配線を接続するビアを、前記複数の交差点の全てに配置するステップと、
    (d)前記機能ブロックに関する電位ドロップを解析するステップと、
    (e)前記電位ドロップが許容量を超えている場合、前記機能ブロックへの電流経路上の前記ビアの一部を削除するステップと
    を含む
    半導体集積回路の設計方法。
  2. 請求項に記載の半導体集積回路の設計方法であって、
    前記電位ドロップが前記許容量を満たすまで、前記(d)及び(e)ステップが繰り返される
    半導体集積回路の設計方法。
  3. 請求項に記載の半導体集積回路の設計方法であって、
    (D)前記(d)及び(e)ステップを所定の回数繰り返した後、前記電位ドロップがまだ前記許容量を超えている場合、前記(B)ステップを再度実行するステップを更に有する
    半導体集積回路の設計方法。
  4. 請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体集積回路の設計方法であって、
    前記(B)ステップにおいて、前記電源パッドの位置はチップの周縁部に設定される
    半導体集積回路の設計方法。
  5. 請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体集積回路の設計方法をコンピュータに実行させる設計プログラム。
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