JP2003124318A - 半導体装置およびその内部電源端子間の電源配線方法 - Google Patents
半導体装置およびその内部電源端子間の電源配線方法Info
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Abstract
る正電源端子と低電位を供給する負電源端子とからなる
内部電源端子を具備する半導体装置およびその内部電源
端子間の電源配線方法を提供する。 【解決手段】 正電源端子および前記負電源端子のそれ
ぞれが、半導体チップの内部素子領域に一様に配置さ
れ、半導体チップ外部から前記内部電源端子に電源が供
給される構造の半導体装置であって、内部電源端子と同
層の金属配線メタルを前記内部電源端子間にくし状に配
線した後、同電位の内部電源端子と接続し、下層金属配
線メタルで構成している内部素子領域の電源配線に電源
を供給して、半導体チップ外部のパッケージから半導体
チップ内部素子領域に電源供給する電源PADと同層金
属配線メタルを1層だけ使用し、電源PAD間に内部電
源配線を敷き詰めて内部素子に電源供給する。
Description
その内部電源端子間の電源配線方法に関し、特に、半導
体チップの内部素子領域に高電位を供給する正電源端子
と低電位を供給する負電源端子とからなる内部電源端子
を具備する半導体装置およびその内部電源端子間の電源
配線方法に関する。
り、高速・高集積の半導体チップが製造可能になり、従
来複数あったチップを1チップにする事が可能になっ
た。
QFP・PGAパッケージでは、1チップ化を図ると信
号端子数が増えてしまい、信号端子数が十分の取れない
問題が発生していることは、周知である。
チップパッケージが注目を集めていることも、周知であ
る。
子数を増やすことが可能になる事やビルドアップ基盤と
呼ばれるパッケージと半導体チップを接続する中間基板
があり、この中間基板に電源プレーンを設ける事が可能
となった。
り、半導体チップ内部の任意な場所に電源を供給するこ
とが可能となり、半導体チップ内部への電源供給能力が
向上した。
内部へ電源供給する場合、従来の半導体チップ例である
図27のA−B破線の断面図(図28)に示すように、
半導体チップの上辺からシリコンウエハー2850上で
構成している内部素子2810に向けて一方向から供給
される。
公平06−093062号公報に開示されている。
来技術では、電源供給点間に配置された内部素子は、多
層で構成されている内部電源配線を経由して供給される
事になり、各配線層毎の電源配線インピーダンスが高い
場合、電源電圧降下(IR−Drop)が発生してしま
う問題があった。
層を電源PAD間に設ける事により、下層メタルへの電
源供給点数を増やして電源供給点から垂直方向に電源供
給する構造を実現するため、本発明を考案した。
62号公報に記載の半導体装置は、本発明と同様に、く
し形の電極構造を特徴にするものであるが、電源電圧降
下に着目したものでなく、内部消費電力に応じて電源配
線幅を変えるものでないので本発明と目的、効果が異な
っている。
解決した半導体チップの内部素子領域に高電位を供給す
る正電源端子と低電位を供給する負電源端子とからなる
内部電源端子を具備する半導体装置およびその内部電源
端子間の電源配線方法を提供することにある。
半導体チップの内部素子領域に高電位を供給する正電源
端子と低電位を供給する負電源端子とからなる内部電源
端子を具備し、前記正電源端子および前記負電源端子の
それぞれが、前記半導体チップの内部素子領域に一様に
配置され、前記半導体チップ外部から前記内部電源端子
に電源が供給される構造の半導体装置において、前記内
部電源端子と同層の金属配線メタルを前記内部電源端子
間にくし状に配線した後、同電位の内部電源端子と接続
し、前記くし状金属配線メタル配線と下層金属配線メタ
ルが交差する箇所に上下層接続VIAを設ける事によ
り、前記下層金属配線メタルで構成している内部素子領
域の電源配線に電源を供給して、前記半導体チップ外部
のパッケージから半導体チップ内部素子領域に電源供給
する電源PADと同層金属配線メタルを1層だけ使用
し、前記電源PAD間に内部電源配線を敷き詰めて内部
素子に電源供給する構成である。
間の電源配線方法は、電源PAD間の内部電源配線を電
源PADと同層のメタル1層で構成するために、電源P
AD上に電源端子を設け、電源PADの配置状態から最
短距離になる電源端子を抽出して、抽出した電源端子ど
うしを電源PADと同層メタルの優先配線方向と直行す
る方向(副軸)を優先に配線してから優先配線方向に配
線した後、電源PAD間の領域に配置された内部素子の
消費電力を算出して予め定義した内部電源構造を選択し
て配線する構成である。
明の実施の形態を以下に詳述する。図1を参照して、本
発明の特徴を説明する。
領域に電源端子(内部電源端子)の正電源(以下、VD
Dと略記する)と負電源(以下、VSSと略記する)が
一様に配置されており、半導体チップ外部から前記内部
電源端子に電源が供給される構造の半導体チップにおい
て、内部電源端子と同層のメタルを内部電源端子間にく
し状に配線した後、同電位の内部電源端子と接続し、く
し状金属配線メタル配線と下層金属配線メタルが交差す
る箇所に上下層接続VIAを設ける事により、下層メタ
ルで構成している内部素子領域の電源配線に電源を供給
して、内部領域素子で電力消費による電源電圧降下(I
R−Drop)を低減する事を特徴とする半導体装置お
よびその内部電源端子間の電源配線方法である。
て、図1を参照して説明する。
装置のレイアウト構造の模式平面図を示す。図2は本発
明を実現するための処理フロー図である。
形態の半導体装置100は、高電位電源(以下、VDD
電源と略記する)PAD101と、低電位電源(以下、
VSS電源と略記する)PAD102と、VDD電源P
AD101どうし、およびVSS電源PAD102どう
しのそれぞれを接続する各電源PADと同層の内部電源
配線103と、各電源層に対応する下層の部電源配線1
04と、各電源PADと同層の内部電源配線103と各
電源層に対応する下層の部電源配線104とを接続する
上下層接続VIA105とを具備する。
体装置100の内部素子領域に電源PAD(101、1
02)が配置されている場合、上下に並んでいる同電位
のVDD電源PAD101とVDD電源PAD101、
VSS電源PAD102とVSS電源PAD102の電
源PADどうしを電源PADと同層のメタル配線103
を使用して、電源PADの上下辺の中央部分から縦方向
に配線して、縦方向に並んでいる同電位の電源PADを
接続する。
のメタルを使用し、縦方向に接続した配線に直行する横
方向に、VDD電源とVSS電源の配線が重ならないよ
うに交互に配線して、各電源PAD間をくし状にする。
線と直行する下層配線104との交点に、上下層を接続
するVIA105を配置する事により内部領域素子に電
源供給を行う事が可能となる。
の処理フローの各ステップ処理内容について説明する。
読み込み内部記憶装置に一時記憶する処理を行う。
ァイルを素子定義情報として格納する。電源PADに電
源端子を設けたイメージを図3に示す。
体チップの内部素子領域に電源PADと内部素子を配置
した内部素子配置ファイルを内部素子領域配置情報とし
て格納する。消費電力別に内部電源構造のイメージを図
4に示す。
4(a)は消費電力大(5W〜10W)の場合の内部電
源構造(電源PADと同層の内部電源配線幅10μm)
に対応し、図4(b)は消費電力中(1W〜5W)の場
合の内部電源構造(電源PADと同層の内部電源配線幅
5μm)に対応し、図4(c)は消費電力小(1W以
下)の場合の内部電源構造(電源PADと同層の内部電
源配線幅1μm)に対応している。すなわち、内部電源
構造の種類は、3種類である。
3種類としたが、2つ以上であれば何種類でもよい。
素子領域に配置された各内部素子の消費電力を定義した
消費電力ファイルを消費電力定義情報として格納する。
消費電力ファイルのイメージを図5に示す。例えば、内
部素子機能名が「INVERTER」の場合、その消費
電力は10μWである。
ら内部素子と電源PADの配置情報を抽出して、内部素
子配置情報と電源PAD配置情報として内部記憶装置に
一時記憶する処理を行う。
2で抽出した電源PAD配置情報から、内部素子配置検
索領域を設定し、内部素子配置検索領域情報として内部
記憶装置に一時記憶する処理を行う。
電位の電源PAD(VDDまたはVSS)に囲まれた四
角形として、頂点の電源PADは、VDD、VSSのど
ちらかを基準にする。
3で設定した内部素子配置検索領域情報の領域内に配置
されている内部素子を、内部素子配置情報から抽出する
処理を行う。
った場合は、またがっている内部素子の面積比から消費
電力を算出する係数を求める。
ている面積比が3:7の場合、面積比3にまたがってい
る内部素子配置検索領域内での算出係数を0.3とし
て、面積比7にまたがっている内部素子配置検索領域内
での算出係数を0.7として抽出する。
り、隣接する内部素子配置検索領域にまたがない内部素
子は、算出係数1として抽出する。
情報を元に、前記ステップ4で抽出した内部素子と算出
係数から領域内の消費電力総和として算出した結果を、
領域別消費電力情報として内部記憶装置に一時記憶する
処理を行う。
力算出は、以下の式を用いて求める。 領域内配置の各内部素子消費電力=(該当素子の消費電
力)×(算出係数) また、領域内の消費電力総和算出は、以下の式を用いて
求める。 領域内消費電力総和=Σ(領域内配置の各内部素子消費
電力) 次に、第6のステップでは、前記ステップ3で求めた内
部素子配置検索領域情報の領域検索が全て終了したかを
チェックして、未終了の場合はステップ7の内部素子配
置検索領域移動処理を行い、終了した場合は、次のステ
ップ8の処理を行う判断をする。
検索領域情報の領域検索で終了していない領域に領域移
動する処理を行い、ステップ4の領域内内部素子抽出処
理を行う。
置情報と素子定義情報から、各電源PADの電源端子位
置を抽出した後、同電位の電源端子どうしが最短距離に
なる電源端子を選択する処理を半導体チップ全体に対し
て行う。
電源PAD各辺の中心位置にある電源端子を選択する。
8で抽出した同電位の電源PADの電源端子どうしを接
続する処理を行う。電源PADと同層のメタルを使用し
て電源端子どうしを接続する。
する電源PADと同層メタルの優先配線方向(主軸)に
直行する方向(副軸)を最初に行い、次に配線優先方向
(主軸)を配線する。
向または左・下方向のいずれかの方向に配線するように
設定する。
方向と直行する方向(副軸)だけで、電源PADの電源
端子どうしを接続すると、配線優先方向(主軸)の配線
処理は行わない。
電位の電源PADの電源端子どうしが斜めに有った場
合、最初に電源PADと同層メタルの配線優先方向と直
行する方向(副軸)を配線した後、配線優先方向(主
軸)を配線してL字状に接続する。配線方法について
は、従来技術の自動配線ツールを使用する。
プ3で求めた内部素子配置検索領域情報ごとに、前記ス
テップ5で算出した領域別消費電力情報の消費電力を、
内部電源構造情報から供給可能な内部電源構造を選択し
て、内部電源配線処理を行う。
ツールを使用する。
プ3で求めた内部素子配置検索領域情報の領域内で、前
記ステップ10処理すべてが終了したかをチェックし
て、未終了の場合はステップ12の内部素子配置検索領
域移動処理を行い、終了した場合は本発明の処理を終了
する判断を行う。
配置検索領域情報の領域内で前記ステップ10処理を終
了していない領域に領域移動する処理を行い、ステップ
10の内部電源配線処理を行う。
ステップの処理を行う事により、本発明の内部電源端子
間の電源配線が実現出来る。
ついて、図6乃至図18を参照して説明を行う。
子領域配置情報のイメージであり、図6では、電源PA
D(601、602)の間に内部素子610が配置され
ている状態を表す。
配置情報を抽出した後、第3のステップで内部素子配置
検索領域を設定する。本実施の形態では、図7に示すよ
うに、電源PAD(VDD)701を内部素子配置検索
領域の頂点として設定し、内部素子配置検索領域A71
1〜内部素子配置検索領域D714の4つの領域を設定
する。
について、第4のステップの処理を行い、領域内800
に配置されている内部素子810を抽出して、算出係数
を求める。
配置検索領域B812にまたがっている内部素子820
があり、その面積比が1:9となり、内部素子配置検索
領域A811には、その内部素子の算出係数を0.1に
設定する。その他の内部素子は、内部素子配置検索領域
A811内に入っているので算出係数を1として設定す
る。
消費電力定義情報をもとに、第5のステップの処理で、
内部素子配置検索領域A811内の消費電力総和を求め
て領域別消費電力情報に格納する。
部素子配置検索領域の領域移動を行い、前記と同様にス
テップ4、ステップ5の処理を行って領域別消費電力情
報を全領域に対して求める。
領域移動してステップ4、ステップ5の処理を行う場合
を示す。
3に領域移動してステップ4、ステップ5の処理を行う
場合を示す。
4に領域移動してステップ4、ステップ5の処理を行う
場合を示す。
域の消費電力総和が以下のように求まったとする。 内部素子配置検索領域A:6W 内部素子配置検索領域B:4W 内部素子配置検索領域C:3W 内部素子配置検索領域D:0.9W 内部素子配置検索領域Dに領域移動して、ステップ4、
ステップ5の処理が終了すると、ステップ6では、内部
素子配置検索領域の検索が終了したと判断してステップ
8の電源PADの電源端子抽出処理を行う。
テップ8の処理を行う。図12にしめすように電源端子
抽出処理は、ステップ2で抽出した電源PADの配置情
報と、ステップ1で読み込んだ図3の素子定義情報をも
とに半導体チップ内部領域内に配置されている電源PA
Dの電源端子位置を抽出する。
どうしが最短距離になる電源端子を抽出する。
があるため、最短距離になる電源端子が電源PAD上の
各辺に存在する事になるので、電源PAD各辺の中央部
にある電源端子を選択する。
しをステップ9の処理により、図14に示すように電源
PADと同層のメタルで副軸方向で接続する。
子どうしの接続完了したので、主軸方向配線処理は行わ
ない。電源PADの電源端子接続が終了した後、ステッ
プ10の内部電源配線処理を行う。
総和を領域別消費電力情報をもとに、その消費電力を十
分に電源供給可能な内部電源構造を前記ステップ1読み
込んだ内部電源構造情報から選択して従来技術の自動配
線ツールで配線する。
ップ10、ステップ11、ステップ12の処理を行う。
は、ステップ5で6Wと求められているため、図15に
示すように内部電源構造情報の消費電力大タイプ(図4
(a))の電源配線を選択する。同様に、各領域につい
て処理を行う。
は、ステップ5で4Wと求められているため、図16に
示すように内部電源構造情報の消費電力中タイプ(図4
(b))の電源配線を選択する。
は、ステップ5で3Wと求められているため、図17に
示すように内部電源構造情報の消費電力中タイプ(図4
(b))の電源配線を選択する。
は、ステップ5で0.9Wと求められているため、図1
8に示すように内部電源構造情報の消費電力小タイプ
(図4(c))の電源配線を選択する。
電源PAD間に内部電源配線がされて、処理が完了す
る。
図19を参照して説明する。
の形態は、電源PADと同層メタルの優先配線方向が縦
の場合であり、本発明の第1の実施の形態と同様に内部
電源PAD間に電源配線を行う事が可能である。
本発明の第1の実施の形態を左に90度回転し、それを
X軸で反転した構造である。
電源PAD101に対応し、VSS電源PAD1902
が図1のVSS電源PAD102に対応し、配線193
1が図1の配線103に対応している。
図20を参照して説明する。
源PADならびが斜め方向にある場合である。すなわ
ち、VDD電源PAD2001が基準のPADから右・
下方向に配列され、VSS電源PAD2002も基準の
PADから右・下方向に配列される構造である。
(a)〜図21(c)に示すように、半導体チップの消
費電力に対して十分に電源供給が行える内部構造を消費
電力範囲別に定義した内部電源構造ファイルを本発明の
第1の実施の形態および本発明の第2の実施の形態とは
別に設定し、内部電源構造情報羽として内部記憶装置に
格納する。
図2の処理フロー図に示すステップ8で同電位の電源P
ADに設けている電源端子どうしが最短距離になる電源
端子を選択する。
電源PADならびが斜め方向にあるため、電源端子同士
が最短距離になる場所は電源PADの角に設けている電
源端子となる。
い、同電位の電源PADどうしを接続する時、配線始点
の電源PADから同層メタルの優先配線方向に直行する
方向(副軸)を最初に配線を行い、配線終点の電源PA
Dと同座標(縦方向に配線する場合はY座標、横方向に
配線する場合はX座標)から優先配線方向(主軸)に配
線方向を切替えて配線終点の電源端子に接続するように
ステップ9の処理を行い、本発明を実現する。
図22を参照して説明する。
Dと同層メタルの優先配線方向が縦の場合であり、本発
明の第3の実施の形態と同様に内部電源PAD間に電源
配線を行う事が可能である。
本発明の第3の実施の形態を左に90度回転した構造で
ある。VDD電源PAD2201が図20のVDD電源
PAD2001に対応し、VSS電源PAD2202が
図20のVSS電源PAD2002に対応ししている。
は、本発明を使用して内部電源PAD間に電源配線を設
ける事により、電源電位降下(IR−Drop)は、図
29に示す通り、約9%〜17%まで改善が可能であ
る。また、VDDとVSS電源のIR−Drop量のバ
ランスも図ることが可能である。
op)解析ツールを使用して、電源電圧降下の分布を画
像化した結果を、VDD電源側(図25)、VSS電源
側(図26)に示す。従来例で行った結果は、VDD電
源側(図23)、VSS電源側(図24)に示す。
の電圧分布が小さくなっており、効果が有る事が分か
る。
的平面図である。
電源PADと電源端子設定図である。
電力別の内部電源構造図である。
素子別の消費電力ファイル例である。
の処理途中経過図である。
の処理途中経過図である。
の処理途中経過図である。
の処理途中経過図である。
5の処理途中経過図である。
6の処理途中経過図である。
8の処理途中経過図である。
9の処理途中経過図である。
10の処理途中経過図である。
11の処理途中経過図である。
12の処理途中経過図である。
13の処理途中経過図である。
14の処理途中経過図である。
式的平面図である。
式的平面図である。
費電力別の内部電源構造図である。
式的平面図である。
op解析結果を示す図である。
op解析結果を示す図である。
DD電源側IR−Drop解析結果を示す図である。
SS電源側IR−Drop解析結果を示す図である。
の模式的平面図である。
図である。
置 101 VDDPAD 102 VSSPAD 103 電源PADと同層の内部電源配線 104 下層の内部電源配線 105 上下層接続VIA 201 内部素子記憶ファイル 601 VDDPAD 602 VSSPAD 603 電源PADと同層の内部電源配線 604 下層の内部電源配線 605 上下層接続VIA 1000,1100,1200,1300,1400,
1500,1600,1700,1800,1900
半導体装置
Claims (7)
- 【請求項1】 半導体チップの内部素子領域に高電位を
供給する正電源端子と低電位を供給する負電源端子とか
らなる内部電源端子を具備し、 前記正電源端子および前記負電源端子のそれぞれが、前
記半導体チップの内部素子領域に一様に配置され、前記
半導体チップ外部から前記内部電源端子に電源が供給さ
れる構造の半導体装置において、 前記内部電源端子と同層の金属配線メタルを前記内部電
源端子間にくし状に配線した後、同電位の内部電源端子
と接続し、前記くし状金属配線メタル配線と下層金属配
線メタルが交差する箇所に上下層接続VIAを設ける事
により、前記下層金属配線メタルで構成している内部素
子領域の電源配線に電源を供給して、前記半導体チップ
外部のパッケージから半導体チップ内部素子領域に電源
供給する電源PADと同層金属配線メタルを1層だけ使
用し、前記電源PAD間に内部電源配線を敷き詰めて内
部素子に電源供給することを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 上下に並んでいる同電位(高電位と高電
位、低電位と低電位)の前記電源PADどうしを電源P
ADと同層のメタルを使用して電源PADの上下辺の中
央部分から縦方向に配線するよう、前記電源PADを縦
方向に並べた請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項3】 左右に並んでいる同電位(高電位と高電
位、低電位と低電位)の前記電源PADどうしを電源P
ADと同層のメタルを使用して電源PADの左右辺の中
央部分から横方向に配線するよう、前記電源PADを横
方向に並べた請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項4】 前記正電源端子と前記負電源端子とを交
互に並べて、敷き詰める配置にした電源PADどうしを
電源PADと同層のメタルを使用して電源PADの上下
辺の中央部分から縦方向に配線するよう、前記電源PA
Dを縦方向に並べた請求項1、2または3記載の半導体
装置。 - 【請求項5】 請求項1、2、3または4記載の半導体
装置に適用される内部電源端子間の電源配線方法であっ
て、電源PAD間の内部電源配線を電源PADと同層の
メタル1層で構成するために、電源PAD上に電源端子
を設け、電源PADの配置状態から最短距離になる電源
端子を抽出して、抽出した電源端子どうしを電源PAD
と同層メタルの優先配線方向と直行する方向(副軸)を
優先に配線してから優先配線方向に配線した後、電源P
AD間の領域に配置された内部素子の消費電力を算出し
て予め定義した内部電源構造を選択して配線する内部電
源端子間の電源配線方法。 - 【請求項6】 上下に並んでいる同電位(高電位と高電
位、低電位と低電位)の前記電源PADどうしを電源P
ADと同層のメタルを使用して電源PADの上下辺の中
央部分から縦方向に配線して、縦方向に並んでいる同電
位の電源PADを接続する請求項5記載の内部電源端子
間の電源配線方法。 - 【請求項7】 左右に並んでいる同電位(高電位と高電
位、低電位と低電位)の前記電源PADどうしを電源P
ADと同層のメタルを使用して電源PADの左右辺の中
央部分から横方向に配線して、横方向に並んでいる同電
位の電源PADを接続する請求項5記載の内部電源端子
間の電源配線方法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001312543A JP3548553B2 (ja) | 2001-10-10 | 2001-10-10 | 半導体装置およびその内部電源端子間の電源配線方法 |
US10/265,261 US6657910B2 (en) | 2001-10-10 | 2002-10-07 | Semiconductor device having internal power terminals including a positive power terminal and a negative power terminal |
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