JP6293694B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents

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Description

実施形態の発明は、半導体記憶装置に関する。
半導体記憶装置の一つである、eMMC(embedded MultiMediaCard:eMMC)等のコントローラ組込型のメモリでは、例えば書き込み時や読み出し時において、メモリとメモリコントローラとの間の信号伝送を高速化することが求められている。
eMMC等のコントローラ組込型のメモリは、配線基板上に設けられた複数のメモリチップを有するメモリチップ積層体を具備する。メモリチップ積層体は、ボンディングワイヤ等により配線基板に電気的に接続される。上記半導体記憶装置では、メモリとメモリコントローラとの間で用いられる信号の転送速度を高めていくと、信号の品質が低下する場合があった。
米国特許第7728444号明細書
実施形態の発明が解決しようとする課題は、メモリとメモリコントローラとの間で用いられる信号の品質の低下を抑制することである。
実施形態の半導体記憶装置は、第1のボンディングパッドと、第2のボンディングパッドと、第3のボンディングパッドと、第1のボンディングパッドに電気的に接続された一端と他端とを有する第1の配線と、第2のボンディングパッドに電気的に接続された一端と第1の配線の他端に電気的に接続された他端とを有する第2の配線と、第3のボンディングパッドに電気的に接続された一端と第1の配線の他端と第2の配線の他端との接続部に電気的に接続された他端とを有する第3の配線と、を備える配線基板と、配線基板上に2つ以上積層された第1のメモリチップを備える第1のメモリチップ積層部と、第1のメモリチップ積層部上に2つ以上積層された第2のメモリチップを備える第2のメモリチップ積層部と、を有するメモリと、配線基板上に搭載されたメモリコントローラと、第1のボンディングパッドと第1のメモリチップとの間を電気的に接続する第1のボンディングワイヤと、第2のボンディングパッドと第2のメモリチップとの間を電気的に接続する第2のボンディングワイヤと、第3のボンディングパッドとメモリコントローラとの間を電気的に接続する第3のボンディングワイヤと、を具備する。第2のボンディングパッドは、第1のボンディングパッドに隣り合うように設けられている。
半導体記憶装置の構造例を示す断面模式図である。 半導体記憶装置における各構成要素の接続関係を説明するための模式図である。 配線層の一部のレイアウト例を示す平面模式図である。 半導体記憶装置の等価回路を示す図である。 半導体記憶装置の等価回路を示す図である。 データストローブ信号の波形の例を示す図である。 データストローブ信号の波形の例を示す図である。 読み出し時において入出力端子を介して入出力される信号のEYEパターンの例を示す図である。 読み出し時において入出力端子を介して入出力される信号のEYEパターンの例を示す図である。 半導体記憶装置の他の構造例を示す断面模式図である。 半導体記憶装置の他の構造例を示す断面模式図である。
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的なものであり、例えば厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略する。
図1は半導体記憶装置の構造例を示す断面模式図であり、図2は半導体記憶装置における各構成要素の接続関係を説明するための模式図である。半導体記憶装置10は、配線基板1と、メモリ2と、メモリコントローラ3と、ボンディングワイヤ4aないしボンディングワイヤ4cと、絶縁樹脂層5と、導電体6と、を具備する。
配線基板1は、第1の面(図1では配線基板1の上面)と第1の面に対して反対側の第2の面(図1では配線基板1の下面)とを有する。さらに、配線基板1は、絶縁層11と、配線層12と、配線層13と、ソルダーレジスト14と、ソルダーレジスト15と、ビア16と、を備える。
絶縁層11は、配線基板1の第1の面と第2の面との間に設けられる。絶縁層11としては、例えば半導体基板、ガラス基板、セラミック基板、またはガラスエポキシ等の樹脂基板等を用いることができる。
配線層12は、配線基板1の第1の面に設けられる。配線層12は、ボンディングパッド121aないしボンディングパッド121cと、配線122aないし配線122cと、を少なくとも含む複数の導電層を備える。
ボンディングパッド121aないしボンディングパッド121cは、例えば信号端子としての機能を有する。信号端子としては、例えば入出力端子(I/O)、データストローブ信号端子(DQS)等が挙げられる。さらに、電源端子(VCC、VSS)、リードイネーブル信号端子(RE)等の端子としての機能を有するパッドを別途設けてもよい。また、各種信号毎にボンディングパッド121aないしボンディングパッド121c、および配線122aないし配線122cを設けてもよい。
電源端子は、電源電圧VCC、電源電圧VSSを供給するための端子である。入出力端子は、コマンド、アドレス、プログラムデータおよびリードデータの少なくとも一つを入出力するための端子である。データストローブ信号端子は、メモリとメモリコントローラとの間でデータ送受信のタイミングを制御するデータストローブ信号を入出力するための端子である。データストローブ信号として、差動信号(DQS0、DQSZ0)を用いてもよい。リードイネーブル信号端子は、読み出し動作等を指示するためのステータスピンである。リードイネーブル信号として、差動信号(RE0、REZ0)を用いてもよい。
配線122aは、図2に示すように、ボンディングパッド121aに電気的に接続された一端と、他端と、を有する。配線122bは、ボンディングパッド121bに電気的に接続された一端と、配線122aの他端に電気的に接続された他端と、を有する。配線122cは、ボンディングパッド121cに電気的に接続された一端と、配線122aの他端と配線122bの他端との接続部に電気的に接続された他端と、を有する。なお、配線122aと、配線122bと、配線122cとの接続箇所を分岐点123とする。配線122bは、配線122aと同じ長さを有することが好ましい。配線122cは、配線122aおよび配線122bよりも長くてもよい。
図3は配線層12の一部のレイアウト例を示す平面図である。図3において、ボンディングパッド121aおよびボンディングパッド121bは、互いに隣り合うように配置されている。すなわち、ボンディングパッド121aとボンディングパッド121bとの間は他のボンディングパッドを有していないことが好ましい。これにより、後述する信号の品質の低下に起因する容量成分の影響を抑制することができる。なお、必ずしも図3に示すレイアウトに限定されず、例えばボンディングパッド121aとボンディングパッド121bとをメモリ2を挟んで互いに離れた位置に配置してもよい。
ボンディングパッド121c(図示せず)を介してメモリコントローラ3に電気的に接続された配線122cは、分岐点123を介して配線122aおよび配線122bの2つの配線に分岐する。このとき、配線122aはボンディングパッド121aに電気的に接続され、配線122bはボンディングパッド121bに電気的に接続される。なお、配線122bの幅は、配線122aと概略等しいことが好ましい。なお、概略等しいとは、例えば誤差等の実質的に等しい場合も含む。
配線層13は、配線基板1の第2の面に設けられる。配線層13は、接続パッドを含む複数の導電層を有する。接続パッドは、導電体6を形成するためのランドとしての機能を有する。接続パッドの表面は、導電体6に覆われている。
配線層12および配線層13は、例えば銅、銀、金、またはニッケル等を含む。例えば、電解めっき法または無電解めっき法等により上記材料を含むめっき膜を形成することにより配線層12および配線層13を形成してもよい。また、導電性ペーストを用いて配線層12および配線層13を形成してもよい。
ソルダーレジスト14は、配線層12上に設けられ、配線層12の一部を露出させる開口部を有する。ソルダーレジスト15は、配線層13上に設けられ、配線層13の一部を露出させる開口部を有する。ソルダーレジスト14およびソルダーレジスト15としては、例えば絶縁性樹脂材料を用いることができ、例えば紫外線硬化型樹脂や熱硬化型樹脂等を用いることができる。また、例えばエッチング等によりソルダーレジスト14およびソルダーレジスト15の一部に開口部を形成することができる。
ビア16は、配線基板1を貫通する。ビア16は、例えば絶縁層11を貫通する開口の内壁に沿って設けられた導体層と、導体層の内側に充填された穴埋め材と、を有する。開口は、例えばレーザを用いて形成される。導体層は、銅、銀、金、またはニッケル等を含む。例えば、電解めっき法または無電解めっき法等により上記材料を含むめっき膜を形成することにより導体層を形成してもよい。また、導電性ペーストを用いて導体層を形成してもよい。導体層と同一工程によりボンディングパッド121aないしボンディングパッド121c、および配線122aないし配線122cの一方または両方を形成してもよい。穴埋め材は、例えば絶縁性材料または導電性材料を用いて形成される。なお、これに限定されず、例えば開口内に銅めっき等により導電性材料を充填することによりビア16を形成してもよい。
メモリ2は、配線基板1の第1の面に搭載される。メモリ2は、例えばEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read−Only Memory:EEPROM)等のメモリチップを有する。図1および図2において、メモリ2は、配線基板1上に2以上積層された第1のEEPROMチップ21を備える第1のメモリチップ積層部2aと、第1のメモリチップ積層部2a上に2以上積層された第2のEEPROMチップ22を備える第2のメモリチップ積層部2bと、を有する。
複数の第1のEEPROMチップ21は、ダイアタッチフィルム等の接着層を挟んで一部が重畳するように互いに接着され、複数の第2のEEPROMチップ22は、ダイアタッチフィルム等の接着層を挟んで一部が重畳するように互いに接着される。第2のEEPROMチップ22は、第1のEEPROMチップ21と同じ数であることが好ましい。なお、3以上のメモリチップ積層部を設けてもよい。
複数の第1のEEPROMチップ21は、例えばワイヤボンディングを用いてそれぞれの第1のEEPROMチップ21に設けられた第1の電極パッドを接続することにより電気的に接続される。複数の第2のEEPROMチップ22は、例えばワイヤボンディングを用いてそれぞれの第2のEEPROMチップ22に設けられた第2の電極パッドを接続することにより電気的に接続される。
メモリ2は、第1のメモリチップ積層部2aと第2のメモリチップ積層部2bとの間に設けられたダイアタッチフィルム等の接着層23を有する。第2のメモリチップ積層部2bは、接着層23を挟んで第1のメモリチップ積層部2aの第1の電極パッドに重畳するように積層されている。接着層23を設けることにより、ボンディングワイヤ4aと第2のEEPROMチップ22との接触を防止することができる。
メモリコントローラ3は、配線基板1の第1の面に搭載され、配線基板1を介してメモリ2に電気的に接続される。メモリコントローラ3は、メモリ2に対するデータの書き込みおよびデータの読み出し等の動作を制御する。メモリコントローラ3は、半導体チップにより構成される。
ボンディングワイヤ4aは、ボンディングパッド121aと第1のEEPROMチップ21との間を電気的に接続する。ボンディングワイヤ4bは、ボンディングパッド121bと第2のEEPROMチップ22との間を電気的に接続する。なお、図1において、ボンディングワイヤ4bは、ボンディングワイヤ4aと電気的に接続しておらず、図2に示すように電気的に分離している。ボンディングワイヤ4cは、ボンディングパッド121cとメモリコントローラ3との間を電気的に接続する。
ボンディングワイヤ4aないしボンディングワイヤ4cとしては、例えば金、銀、銅、アルミニウム等を用いることができる。なお、ボンディングワイヤ4aないしボンディングワイヤ4c以外のボンディングワイヤを設けてもよい。第1のメモリチップ積層部2aにおける最上層の第1のEEPROMチップ21に電気的に接続されたボンディングワイヤ4aの一部は、接着層23に埋め込まれている。
絶縁樹脂層5は、無機充填材(例えばSiO)を含有し、例えば該無機充填材を有機樹脂等と混合した封止樹脂を用いてトランスファモールド法、コンプレッションモールド法、インジェクションモールド法等のモールド法により形成される。
導電体6は、配線基板1の第2の面に設けられる。導電体6は、外部接続端子としての機能を有する。例えば外部接続端子を介して信号および電源電圧等がメモリコントローラ3に供給される。このとき、外部接続端子を介して電源電圧をメモリ2に供給してもよい。導電体6は、例えば金、銅、はんだ等を用いて形成される。例えば、錫−銀系、錫−銀−銅系の鉛フリーはんだを用いてもよい。また、複数の金属材料の積層を用いて導電体6を形成してもよい。なお、図1では、導電性ボールを用いて導電体6を形成しているが、バンプを用いて導電体6を形成してもよい。
本実施形態の半導体記憶装置では、メモリを構成する複数のメモリチップを2以上のグループに分ける。また、メモリとメモリコントローラとの間で用いられる各信号毎に複数のボンディングパッドを設け、複数のボンディングパッドのそれぞれを別々のグループのメモリチップに電気的に接続する。さらに、各信号を伝送する配線の一端を複数のボンディングパッドの数に応じて分岐させ、分岐先のそれぞれを、対応するボンディングパッドに電気的に接続し、他端をメモリコントローラに電気的に接続する。
ここで、メモリとメモリコントローラとの接続構成と、信号の品質の低下との関係について図4ないし図9を参照して説明する。図4および図5は読み出し時における半導体記憶装置の等価回路図である。図6および図7は、データストローブ信号の波形の例を示す図である。図8および図9は読み出し時における入出力端子を介して入出力される信号のEYEパターンの例を示す図である。
まず、比較例として、各信号毎に上記複数のボンディングパッドを設けない構成の半導体記憶装置10は、読み出し時において図4に示す等価回路で表される。図4において、メモリ2とメモリコントローラ3との間を電気的に接続する配線122xはインダクタンス成分Lを有する。メモリ2は抵抗成分Rと容量成分C1とを有する。メモリコントローラ3は容量成分C3を有する。
このとき、インダクタンス成分Lおよび容量成分C3により直列共振が起こる。さらに、隣り合う複数の配線の間に容量成分C0が生じる。容量成分C0が生じた場合、直列共振に加えて並列共振が起こる。直列共振および並列共振の両方が起こると、図6に示すように例えばデータストローブ信号等の信号波形にノイズ30が生じ、信号波形が階段状になりやすい。
また、容量成分C1の値が容量成分C3よりもはるかに大きいため、入出力端子に入出力される信号のリンギングが起こりやすい。例えば、図8に示すように、読み出し時に入出力端子を介して入出力される信号のばらつきが大きくなり、EYEパターン40がつぶれてしまう。上記現象は、メモリ2とメモリコントローラ3との間の転送速度が高くなるほど顕著になる。これに対し、例えば250Mbps以上、具体的には266Mbps程度の高速の転送速度であっても信号の品質が低下しないことが求められている。
本実施形態の半導体記憶装置は、図5に示す等価回路で表される。図5において、配線122aはインダクタンス成分L1を有し、配線122bはインダクタンス成分L2を有し、配線122cはインダクタンス成分L3を有する。メモリチップ積層部2aは、抵抗成分Rと複数の第1のEEPROMチップ21の容量成分C1aとを有する。メモリチップ積層部2bは複数の第2のEEPROMチップ22の容量成分C1bを有する。メモリコントローラ3は容量成分C3を有する。
図5に示す等価回路において、L1およびC1aを用いて表されるLC回路の共振周波数(1/√(L1×C1a))とL2およびC1bを用いて表されるLC回路の共振周波数(1/√(L2×C1b))とを等しくすることが好ましい。すなわち、L1とC1aとの積とL2とC1bとの積とを概略等しくすることが好ましい。図1に示すように、第1のメモリチップ積層部2aと第2のメモリチップ積層部2bとを同じ種類および同じ数のメモリチップで構成する場合、例えば配線122aの長さ(ボンディングパッド121aから分岐点123までの配線122aの長さ)と配線122b(ボンディングパッド121bから分岐点123までの配線122bの長さ)の長さを概略等しくすることにより、L1とC1aとの積とL2とC1bとの積とを概略等しくさせやすい。
上記構成により、配線122aおよび配線122bの一方に流れる電流と他方に流れる電流との間で磁場が打ち消され、並列共振が抑制される。よって、図7に示すように、ノイズ30の発生を抑制することができる。
また、容量成分C1が容量成分C1aおよび容量成分C1bの複数に分かれるため配線に対する負荷容量が低減され、信号のリンギングが抑制される。よって、例えば図9に示すように読み出し時に入出力端子を介して入出力される信号のばらつきが小さくなり、EYEパターン40のつぶれを抑制することができる。
なお、書き込み時の場合はL1およびC1aを用いて表されるLC回路の共振周波数(1/√(L1×C1a))またはL2およびC1bを用いて表されるLC回路の共振周波数(1/√(L2×C1b))と、L3およびC3を用いて表されるLC回路の共振周波数(1/√(L3×C3))とを等しくすることが好ましい。すなわち、L1とC1aとの積またはL2とC1bとの積と、L3とC3との積を概略等しくすることが好ましい。これにより、並列共振が抑制される。よって、ノイズ30の発生を抑制することができる。また、図5の場合と同様に容量成分C1を容量成分C1aと容量成分C1bとに分けることで一つの信号配線に対する負荷容量が低減されるため、信号のリンギングが抑制される。よって、読み出し時に入出力端子を介して入出力される信号のばらつきを小さくすることができる。
なお、配線基板1の構造は、図1ないし図3を参照して説明した構造に限定されない。半導体記憶装置の他の構造例を図10および図11に示す。図10および図11は、半導体記憶装置の他の構造例を示す断面模式図である。
図10に示す半導体記憶装置10は、図1に示す半導体記憶装置10と比較して複数の第2のEEPROMチップ22が第1のメモリチップ積層部2aの上に階段状に積層されている点が少なくとも異なる。その他、図1に示す半導体記憶装置10と同じ部分については、図1の説明を適宜援用することができる。
図10において、接着層23を設けなくてもよい。また、ボンディングパッド121aおよびボンディングパッド121bは、図3と同様に互いに隣り合っていてもよい。
図11に示す半導体記憶装置10は、図10に示す半導体記憶装置10と比較して第2のメモリチップ積層部2bと配線基板1との接続位置、すなわちボンディングパッド121bの位置が少なくとも異なる。その他、図1および図10に示す半導体記憶装置10と同じ部分については、図1の説明を適宜援用することができる。
図10において、ボンディングパッド121bは、ボンディングパッド121aを有するパッド部とは異なる位置に設けられている。例えば、ボンディングパッド121aを第1のパッド部に設け、メモリ2を挟んで第1のパッド部と離間する第2のパッド部にボンディングパッド121bを設けてもよい。
図10および図11に示す構造においても、L1とC1aとの積、L2とC1bとの積、およびL3とC3との積を上記のように調整することにより、信号のリンギングやノイズが抑制され、信号の品質の低下を抑制することができる。
なお、本実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…配線基板、2…メモリ、2a…メモリチップ積層部、2b…メモリチップ積層部、3…メモリコントローラ、4a…ボンディングワイヤ、4b…ボンディングワイヤ、4c…ボンディングワイヤ、5…絶縁樹脂層、6…導電体、10…半導体記憶装置、11…絶縁層、12…配線層、121a…ボンディングパッド、121b…ボンディングパッド、121c…ボンディングパッド、121x…配線、122a…配線、122a…配線、122b…配線、122c…配線、123…分岐点、13…配線層、14…ソルダーレジスト、15…ソルダーレジスト、16…ビア、21…チップ、22…チップ、23…接着層、30…ノイズ、40…EYEパターン。

Claims (5)

  1. 第1のボンディングパッドと、第2のボンディングパッドと、第3のボンディングパッドと、前記第1のボンディングパッドに電気的に接続された一端と他端とを有する第1の配線と、前記第2のボンディングパッドに電気的に接続された一端と前記第1の配線の他端に電気的に接続された他端とを有する第2の配線と、前記第3のボンディングパッドに電気的に接続された一端と前記第1の配線の他端と前記第2の配線の他端との接続部に電気的に接続された他端とを有する第3の配線と、を備える配線基板と、
    前記配線基板上に2以上積層された第1のメモリチップを備える第1のメモリチップ積層部と、前記第1のメモリチップ積層部上に2以上積層された第2のメモリチップを備える第2のメモリチップ積層部と、を有するメモリと、
    前記配線基板上に搭載されたメモリコントローラと、
    前記第1のボンディングパッドと前記第1のメモリチップとの間を電気的に接続する第1のボンディングワイヤと、
    前記第2のボンディングパッドと前記第2のメモリチップとの間を電気的に接続する第2のボンディングワイヤと、
    前記第3のボンディングパッドと前記メモリコントローラとの間を電気的に接続する第3のボンディングワイヤと、を具備し、
    前記第2のボンディングパッドは、前記第1のボンディングパッドに隣り合うように設けられている、半導体記憶装置。
  2. 前記第1の配線は、第1のインダクタンス成分を有し、
    前記第2の配線は、第2のインダクタンス成分を有し、
    前記第3の配線は、第3のインダクタンス成分を有し、
    2以上の前記第1のメモリチップは、第1の容量成分を有し、
    2以上の前記第2のメモリチップは、第2の容量成分を有し、
    前記メモリコントローラは、第3の容量成分を有し、
    前記第2のインダクタンス成分と前記第2の容量成分との積は、前記第1のインダクタンス成分と前記第1の容量成分との積に概略等しい、または前記第1のインダクタンス成分と前記第1の容量成分との積または前記第2のインダクタンス成分と前記第2の容量成分との積は、前記第3のインダクタンス成分と前記第3の容量成分との積に概略等しい、請求項1に記載の半導体記憶装置。
  3. 第1のボンディングパッドと、第2のボンディングパッドと、第3のボンディングパッドと、前記第1のボンディングパッドに電気的に接続された一端と他端とを有する第1の配線と、前記第2のボンディングパッドに電気的に接続された一端と前記第1の配線の他端に電気的に接続された他端とを有する第2の配線と、前記第3のボンディングパッドに電気的に接続された一端と前記第1の配線の他端と前記第2の配線の他端との接続部に電気的に接続された他端とを有する第3の配線と、を備える配線基板と、
    前記配線基板上に2以上積層された第1のメモリチップを備える第1のメモリチップ積層部と、前記第1のメモリチップ積層部上に2以上積層された第2のメモリチップを備える第2のメモリチップ積層部と、を有するメモリと、
    前記配線基板上に搭載されたメモリコントローラと、
    前記第1のボンディングパッドと前記第1のメモリチップとの間を電気的に接続する第1のボンディングワイヤと、
    前記第2のボンディングパッドと前記第2のメモリチップとの間を電気的に接続する第2のボンディングワイヤと、
    前記第3のボンディングパッドと前記メモリコントローラとの間を電気的に接続する第3のボンディングワイヤと、を具備し、
    前記第1の配線は、第1のインダクタンス成分を有し、
    前記第2の配線は、第2のインダクタンス成分を有し、
    前記第3の配線は、第3のインダクタンス成分を有し、
    2以上の前記第1のメモリチップは、第1の容量成分を有し、
    2以上の前記第2のメモリチップは、第2の容量成分を有し、
    前記メモリコントローラは、第3の容量成分を有し、
    前記第2のインダクタンス成分と前記第2の容量成分との積は、前記第1のインダクタンス成分と前記第1の容量成分との積に概略等しい、または前記第1のインダクタンス成分と前記第1の容量成分との積または前記第2のインダクタンス成分と前記第2の容量成分との積は、前記第3のインダクタンス成分と前記第3の容量成分との積に概略等しい、半導体記憶装置。
  4. 前記第2の配線は、前記第1の配線と概略等しい長さを有する、請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の半導体記憶装置。
  5. 前記第1のボンディングパッドないし前記第3のボンディングパッドは、コマンド、アドレス、プログラムデータおよびリードデータの少なくとも一つの信号の入出力端子またはデータストローブ信号端子としての機能を有する、請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の半導体記憶装置。
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