DE3401181C2

DE3401181C2 - Integrierte Schaltung mit verringerter Taktversetzung

Info

Publication number: DE3401181C2
Application number: DE3401181A
Authority: DE
Inventors: Masakazu Shoji
Original assignee: AT&T Technologies Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1983-01-18
Filing date: 1984-01-14
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2004-01-15
Also published as: FR2547676B1; FR2547676A1; NL191912C; GB8400967D0; GB2134708A; GB2134708B; NL191912B; NL8400132A; DE3401181A1; US4514749A; JPS59136948A; JPH0572744B2

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, der von der DE-AS 26 16 975 ausgeht. Dort wird eine Anordnung beschrieben, bei der das kopplungsarme Verdrahten von Halbleiterschaltern, insbesondere von Nutzsignal- und Steuersignalleitungen erreicht werden soll.

Mit der Abnahme der Merkmalsabmessungen hochintegrierter (VLSI) Halbleiterplättchen und zunehmender Betriebsfrequenz wird ein Problem wichtiger, das als "Taktversetzung" bekannt ist. Dabei handelt es sich um eine Abweichung des Ankunftszeitpunktes eines Zeitsteuerungsimpulses an einem Bauelement einer integrierten Schaltung von dem konstruktionsmäßig festgelegten Ankunftszeitpunkt. Das Problem wird entscheidend bei einer Merkmalsgröße von etwa einem Mikrometer und einer Betriebsfrequenz von 25 MHz.

Die meisten Anstrengungen zur Verringerung der Taktversetzung waren darauf gerichtet, Taktverteilungsleitungen gleicher Länge oder mit sehr kurzer Länge herzustellen. Zu diesem Zweck weisen viele integrierte Schaltungsplättchen die Taktquelle als integralen Teil auf. Gelegentlich wurden auch kompensierende Verzögerungselemente eingesetzt. Es wurde jedoch gefunden, daß gewisse unerwartete Ausbreitungsverzögerungen auftreten und daß bei höherer Betriebsfrequenz diese Einflüsse schädlicher sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Schaltung anzugeben, die verhindert, daß unerwartete Ausbreitungsverzögerungen und damit Taktversetzungen insbesondere bei hohen Betriebsfrequenzen auftreten. Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Organisationsschaltbild eines Mikro prozessors;

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des Mikroprozessors nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt des in Fig. 2 gezeigten Teils;

Fig. 4 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Verdrahtungsmusters für einen Teil des Mikroprozessors entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung.

Es ist zwar nicht allgemein anerkannt, aber benachbarte elektrische Leiter in VLSI-Halbleiterplättchen zeigen stark schwankende und nicht vorhersagbare kapazitive Be lastungen. Bei einem VLSI-Halbleiterplättchen mit Abmes sungen 1 cm × 1 cm kann eine Taktverteilungsleitung 1,5 cm lang sein. Die Kapazität der Leitung beträgt etwa 5 pF bei einer 1,25 µ-Technologie. Die Kapazität ist größer als die Drain-Kapazität und die Ausgangs-Verzweigungskapazität (geschätzt mit 1-2 pF). Demgemäß wird die Taktverteilungs verzögerung in erster Linie durch die unsichere Taktlei tungskapazität bestimmt. Wenn die Taktleitungsverzögerung einen konstruktionsmäßigen Sollwert von 2 ns hat, liegen die Unsicherheiten hinsichtlich der zeitlichen Lage der Taktflanke im Bereich von 1-5 ns. Ein solcher Wert ist unbrauchbar. Die Ursache dieses Problems läßt sich anhand der Fig. 1 bis 3 erkennen.

Fig. 1 zeigt einen typischen Mikroprozessor in Form einer integrierten Schaltung, die mit Hilfe bekannter fotolitho grafischer Verfahren auf einem Halbleiterplättchen 10 ge bildet ist. Der Mikroprozessor weist einen Steuer-, einen logischen und einen Datenwegabschnitt 11, 12 bzw. 13 auf. Der Steuerabschnitt und der logische Abschnitt sind über ein Verdrahtungsmuster 15 verbunden.

Fig. 2 zeigt vergrößert einen Teil des Verdrahtungsmusters 15 in Fig. 1. Das Muster enthält drei repräsentative Lei tungen 21, 22 und 23. Inverter 24, 25, 26 und 27, die be stimmte logische Schaltungen darstellen, deren Art im einzelnen für das Verständnis der Erfindung nicht wichtig ist, sind mit den Enden der Leitungen verbunden. Eine ge trennte Erd- oder Masse-Sammelleitung (Bus) 28 ist eben falls dargestellt.

Die Masse-Sammelleitung 28 ist normalerweise mit einem externen Anschluß eines Trägers (nicht gezeigt) für das Halbleiterplättchen über eine Leitung 29 verbunden. Man beachte, daß keine elektrische Verbindung zwischen der Sammelleitung 28 und einer Leitungen des Verdrahtungs musters besteht.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt eines Teiles des Mikro prozessors nach Fig. 2 entlang der strichpunktierten Linie 1-1′. Die Leitungen 21, 22 und 23 sind aus Metall und auf einer Oberflächenoxidschicht 30 einer Silizium- Substratschicht 31 gebildet, die Teil eines Halbleiter plättchens ist. Das metallische Muster ist mit einer Nitridschicht 32 in der üblichen Weise bedeckt. Es sei angenommen, daß die Dielektrizitätskonstante ε für Nitrid 7,5 und Oxid 3,7 beträgt. Es sei außerdem angenom men, daß der Querschnitt jeder Leitung 21, 22 und 23 quadratisch ist und daß der Abstand zwischen den Lei tungen etwa gleich der Dicke der Oxidschicht und einer Seite des Quadrates ist. Die parasitären Kapazitäten sind durch Kondensatoren 35, 36 und 37 dargestellt. Die sich für den schlechtesten Fall ergebende Kapazität C_22W der Leitung 21 beträgt:

C_22W = C₃₇ + 4C₃₆ (1)

Dabei sind C₃₇ und C₃₆ die Kapazitätswerte der Kondensa toren 37 bzw. 36. Der schlechteste Fall tritt ein, wenn die mittlere Leitung 22 und die Leitungen 21, 23 gleich zeitig aber mit entgegengesetzter Polarität umschalten. Die für den besten Fall geltende Kapazität C_22B beträgt dagegen:

C_22B = C₃₇ (2)

Der beste Fall tritt ein, wenn alle drei Leitungen gleich zeitig mit der gleichen Polarität umschalten. Es läßt sich zeigen, daß gilt:

Es wurde angenommen, daß C₃₅ = C₃₆ ist. Obwohl das Auf treten einer so großen Unsicherheit für die Kapazität unwahrscheinlich ist, treten Unsicherheiten in der Größen ordnung von 50% tatsächlich auf und beeinflussen die Güte der Schaltung sehr stark. Wenn die Leitung 22 eine Taktverteilungsleitung ist, tritt eine unvorhersehbare Versetzung bei den Taktimpulsen auf. Bei VLSI-Halbleiter plättchen und einer 1µ-Technologie wird die Taktver setzung üblicherweise vollständig durch die unsichere Kapazität der Taktverteilungsleitung bestimmt.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Masse- und Stromversorgungs-Sammelleitungen zur Abschirmung der Takt verteilungsleitung benutzt werden. Die Taktverteilungsleitung 62 wird durch eine Stromversorgungs-Sammelleitung 63 und eine Masse- Sammelleitung 64 abgeschirmt. Die Stromversorgungs- und die Masse-Sammelleitung 63 und 64 sind über Leitungen 66 bzw. 67 mit Anschlüssen verbunden. Anhand des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4 läßt sich erkennen, daß eine brauchbare Abschirmung erreicht werden kann, indem die Lage der Taktverteilungsleitung und/oder der Stromversorgungs-Sammelleitung und/oder der Masse- Sammelleitung verändert wird, ohne zusätzliche Masse- Leitungen hinzuzufügen.

Man erkennt, daß die gewünschte elektrostatische Abschir mung realisiert werden kann, indem die zu schützende Lei tung von einem Paar von Leitern eingeschlossen wird, von denen jeder auf einem unterschiedlichen festen Gleichpotential gehalten wird.

Dabei kann es sich um eine Masse-Sammelleitung, eine Stromversorgungs-Sammelleitung oder einen einfachen Lei ter handeln, die auf einer beliebigen Gleichspannung ge halten werden.

Wie weit eine Taktverteilungsleitung auf diese Weise ab geschirmt werden muß, hängt in typischer Weise von einer Anzahl von Faktoren ab. Die vorliegende Erfindung ist besonders dann von Interesse, wenn ein bedeutender Teil einer solchen Leitung abgeschirmt sein muß.

Die kapazitive Belastung der Taktverteilungsleitung im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist verhältnismäßig niedrig. Im einzelnen wird für eine 1µ-Technologie eine kapazitive Belastung von 3 pF erreicht und eine Taktversetzung realisiert, die sich Null nähert.

Claims

1. Integrierte Schaltung mit einer impulsförmig beaufschlagten Leitung (62), auf der sich Impulse ausbreiten können, und mit einer ersten und einer zweiten Leitung (63, 64) und wenigstens einer weiteren Leitung (65), wobei die erste und zweite Leitung (63, 64) an gegenüberliegenden Seiten der pulsbeaufschlagten Leitung (62) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung (63) auf einem ersten und die zweite Leitung (64) auf einem zweiten, vom ersten verschiedenen festen Gleichpotential gehalten werden, wodurch die weitere Leitung (65) gegen die pulsbeaufschlagte Leitung (62) abgeschirmt ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung (63) eine Masse-Sammelleitung ist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leitung eine Stromzuführungs-Sammelleitung ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der impulsbeaufschlagten Leitung (62) mindestens ungefähr gleich dem Abstand zwischen dieser Leitung (62) und der ersten oder zweiten Leitung (63, 64) ist.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Leitung (65) für die Ausbreitung von Signalen geeignet ist.