JP2005210106A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 発生する電磁ノイズを低減できる半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体装置100は、積層された複数の半導体チップ110を有する。半
導体装置100では、半導体チップ110を貫通する貫通電極により、チップ間が電気的
に接続される。各半導体チップ110には、複数の電源貫通電極121とグランド貫通電
極122とによって電源が供給される。信号貫通電極123と、電源貫通電極121及び
グランド貫通電極122とは、近接して配置され、信号貫通電極123が出力を変化した
際に流れる電流経路のループ面積が削減されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体装置に関し、更に詳しくは、積層された複数のチップを有する半導体装置に関する。
近年デジタル情報家電などの小型軽量化、高機能・高性能化などにより、半導体パッケージの小型化、薄型化、高密度化が進んでおり、また、積層された複数の半導体チップを1つのパッケージに搭載する技術が注目されている。積層された複数の半導体チップを搭載する半導体装置は、例えば、高機能・高性能が要求されると共に小型軽量化が要求される、携帯電話や、デジタルカメラ、PDAなどの機器に使用される。
図8(a)は、積層された複数のチップを有する従来の半導体装置を平面図で示し、同図(b)は、同図(a)のA−A断面を示している。この半導体装置200は、チップサイズが相互に異なる3つの半導体チップ202を有する。同図(b)に示すように、3つの半導体チップ202は、チップサイズが大きい半導体チップ202の上にチップサイズが小さい半導体チップ202が順次に搭載されて、ベース基板201上に積層される。
図8(a)に示すように、各半導体チップ202は、その周縁領域に電極パッド203が形成され、半導体チップ202の電極パッド203相互間が、また、ベース基板201の電極パッド203と半導体チップ202の電極パッド203との間が、ボンディングワイヤ204により接続されている。この半導体装置200では、電極パッド203にボンディングワイヤ204を接続する空間が必要であるため、ある半導体チップ202の上層には、その半導体チップよりもチップサイズが小さい半導体チップ202しか積層することができない。
同じチップサイズを有する複数の半導体チップ202を積層できる技術としては、例えば特許文献1に記載された技術がある。図9は、特許文献1に記載された半導体装置300を示している。この技術では、同じチップサイズの半導体チップ301を複数積層し、電極パッド302の形成位置に、複数の半導体チップ301を貫く貫通孔を形成し、その貫通孔に導電性の樹脂を注入して貫通電極303を形成し、貫通電極303によって半導体チップ301の電極パッド302間を接続している。この技術によれば、ボンディングワイヤのための空間を必要とせず、半導体チップ301をすべて同じサイズで形成することができる。
特開平10−163411号公報
ところで、図8に示す従来の半導体装置200では、ボンディングワイヤ204と電極パッド203との接続の信頼性を確保するために、電極パッド203のパッドサイズは100μm程度の大きさが必要である。また、隣接する2つのボンディングワイヤ204が接近しすぎるとクロストークやショートが発生するおそれがあるため、隣接する2つの電極パッド203間の距離をあまり短くすることはできない。このため、半導体チップ202上に作ることができる電極パッド203の数は制限されている。
例えば、半導体チップ202がDRAMチップとして構成されるとき、電極パッド203には、電源端子やグランド端子に加えて、アドレス信号や、コマンド信号、コントロール信号、データ信号等の多数の信号端子が割り当てられる。上記のように、半導体チップ202では、形成できる電極パッド203の数が制限されている上に、電極パッド203には多数の信号端子を割り当てる必要があるため、半導体チップ202では、電源端子やグランド端子を割り当てることができる電極パッド203の数は更に制限されていた。
特許文献1に記載の半導体装置300では、図8に示す従来の半導体装置200に比して、チップ上に形成できる電極パッド数を増やすことができる。しかし、この半導体装置300においても、電源端子及びグランド端子と信号端子とが近接して配置されていない場合には、以下に示すような問題が発生することとなる。
図10は、信号端子に近接して電源端子及びグランド端子が配置されない比較例の半導体装置を斜視図で示している。この半導体装置400は、IF(インターフェース)チップ401と、DRAMとして構成される4つの半導体チップ402とを有する。IFチップ401に外部から供給された電源は、電源貫通電極403及びグランド貫通電極404を介して、各半導体チップ402内のチップ内電源配線405及びチップ内グランド配線406にそれぞれ供給される。ドライバ407は、半導体チップ202の周辺部分に配置されており、チップ内電源配線405及びチップ内グランド配線406から電源の供給を受けて動作する。ドライバ407が出力する信号は、信号貫通電極408を介してIFチップ401に入力される。
半導体装置400において、最上層の半導体チップ402(3)のドライバ407が出力をLレベルからHレベルに変化させる場合について考える。この場合、図10中に矢印409で示すような経路を流れる電流によって信号貫通電極408が充電される。この充電電流は、高電位側の電源から、IFチップ401、電源貫通電極403、チップ内電源配線405、信号貫通電極408、及び、IFチップ401をたどって低電位側の電源に帰還し、その電流経路は、立体的なループ状の電流経路を構成している。
上記のようにして、最上層の半導体チップ402の出力がLレベルからHレベルに変化すると、半導体装置400の外部では、上記のループの面積や、ループを流れる電流、その周波数成分に応じた電磁ノイズが発生する。比較例の半導体装置400では、電源貫通電極403と信号貫通電極408とが離れているためループ面積が大きく、電磁ノイズが大きいという問題がある。また、半導体装置400では、2つの信号貫通電極408が隣接して配置されていると、隣接する信号貫通電極408間でクロストークが発生することがあるという問題もある。
本発明は、積層された複数の半導体チップを有する半導体装置であって、発生する電磁ノイズを低減できる半導体装置を提供することを目的とする。また、本発明は、前記目的を達成した上で、隣接する信号線間のクロストークを抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、それぞれがチップ外信号線を介してチップ外に信号を出力する、積層された複数の半導体チップと、それぞれが前記チップ外信号線、電源線、及び、グランド線を構成し前記複数の半導体チップを貫通して延びる複数の貫通電極とを備える半導体装置において、少なくとも1つの前記チップ外信号線を構成する貫通電極が、前記電源線を構成する貫通電極と前記グランド線を構成する貫通電極の双方に隣接して配置されることを特徴とする。
本発明の半導体装置では、上記構成を採用することにより、チップ外信号線が出力状態を変化させた際に、その信号線を構成する貫通電極と電源線を構成する貫通電極とを流れる電流の電流経路、又は、その信号線を構成する貫通電極とグランド線を構成する貫通電極とを流れる電流の電流経路のループ面積を小さくでき、半導体装置から発生する電磁ノイズを低減することができる。
本発明の半導体装置では、順次に配列された、電源線を構成する貫通電極、前記チップ外信号線を構成する貫通電極、及び、前記グランド線を構成する貫通電極を含む構成を採用することができる。この場合、チップ外信号線を構成する貫通電極が、その両側から電源線を構成する貫通電極とグランド線を構成する貫通電極とによって挟み込まれていることにより、チップ外信号線を構成する貫通電極と電源線を構成する貫通電極、又は、チップ外信号線を構成する貫通電極とグランド線を構成する貫通電極とによって構成される立体的な電流ループの面積を小さくすることができ、発生する電磁ノイズを低減できる。
本発明の半導体装置では、隣接する2つのチップ外信号線を構成する貫通電極の間に、前記電源線を構成する貫通電極及び前記グランド線を構成する貫通電極の少なくとも一方が配置される構成を採用することができる。この場合、隣接する2つのチップ外信号線を構成する貫通電極の間のクロストークを抑制できる。
本発明の半導体装置では、前記少なくとも1つのチップ外信号線を構成する貫通電極が、前記電源線を構成する貫通電極及び前記グランド線を構成する貫通電極の少なくとも一方を含む貫通電極によって囲まれる構成を採用することができる。この場合、チップ外信号線を構成する貫通電極に侵入するノイズ等を低減することができる。
本発明の半導体装置では、前記複数の半導体チップがDRAMを含む構成とすることができる。
本発明の半導体装置では、チップ外信号線を構成する貫通電極と、電源線又はグランド線を構成する貫通電極とにより構成される立体的な電流経路のループの面積を小さくできるため、発生する電磁ノイズを低減することができる。また、隣接する2つのチップ外信号線を構成する貫通電極の間に、電源線又はグランド線を構成する貫通電極の少なくとも一方を配置する場合には、チップ外信号線を構成する貫通電極間で発生するクロストークを低く抑えることができる。
以下、図面を参照し、本発明の実施形態例に基づいて、本発明を更に詳細に説明する。図1は、本発明の半導体装置を斜視図で示している。この半導体装置100は、IFチップ101と、その上に積層された3つの半導体チップ110(0)〜110(3)とを有し、各チップ間は、電源線を構成する電源貫通電極121と、グランド線を構成するグランド貫通電極122と、チップ外信号線を構成する信号貫通電極123とによって接続されている。電源貫通電極121、グランド貫通電極122、及び、信号貫通電極123は、それぞれ半導体チップ110の周縁部に形成される。
IFチップ101は、IF内電源配線102と、IF内グランド配線103と、レシーバ104とを有する。各半導体チップ110は、DRAMチップとして構成され、チップ内電源配線111と、チップ内グランド配線112と、DRAMセル(内部回路)113と、ドライバ114とを有する。IFチップ101に外部から供給された電源は、IF内電源配線102及びIF内グランド配線103と、電源貫通電極121及びグランド貫通電極122とを介して、各半導体チップ110内のチップ内電源配線111及びチップ内グランド配線112に供給される。
図2は、図1の半導体装置100の周縁部を断面図で示している。IFチップ101及び各半導体チップ110には、それぞれチップ内を貫通するチップ内貫通電極が設けられており、IFチップ101のチップ内貫通電極と半導体チップ110のチップ内貫通電極とをバンプ124によって接続することで、Z方向に延びる貫通電極120が形成される。貫通電極120は、電源貫通電極121、グランド貫通電極122、又は、信号貫通電極123(図1)を含む。電源貫通電極121及びグランド貫通電極122は、信号が変化する際の電流経路のループ面積削減を目的として、或いは、信号貫通電極123間のクロストーク削減を目的として挿入されるものを含む。電源貫通電極121及びグランド貫通電極122と、信号貫通電極123との間隔は例えば50μm程度であり、各貫通電極120の直径は例えば20μm程度である。なお、貫通電極120間の間隔、貫通電極120の直径に関しては、貫通電極製造技術の進歩に従い、これらの値よりも小さくなることも考えられる。
図3は、半導体チップ110のドライバ114付近を平面図として示している。各電源貫通電極121は、それぞれチップ内電源配線111に接続され、各グランド貫通電極122は、それぞれチップ内グランド配線112に接続される。また、各信号貫通電極123は、ドライバ114の出力に接続される。電源貫通電極121及びグランド貫通電極122は、それぞれドライバ114及び信号貫通電極123に近接して配置されている。電源貫通電極121、グランド貫通電極122、及び、信号貫通電極123は、一列に並ぶように配置され、信号貫通電極123、Y方向の両側から、電源貫通電極121及びグランド貫通電極122によって挟み込まれている。
信号貫通電極123と、電源貫通電極121及びグランド貫通電極122の比率は、それら貫通電極120の長さに応じて変更できる。例えば、積層されるチップ数が少ない場合には、貫通電極120の長さは短くなり、電流経路のループ面積は小さくなるため、信号貫通電極123間のクロストークの影響は小さい。このような場合には、信号貫通電極123と、電源貫通電極121及びグランド貫通電極122との比率を1:1とする必要はなく、複数の信号貫通電極123に対して、それぞれ1本の電源貫通電極121及びグランド貫通電極122を配置してもよい。
図4は、図1の半導体装置100を、チップ内の回路図の一部と共に模式的に示している。同図では、IFチップ101に形成されるレシーバ104の1つ、及び、半導体チップ110に形成されるドライバ114の1つの回路部分を示している。以下、図1及び図4を参照し、最上層の半導体チップ110(3)のドライバ114(1)が、出力する信号をLレベルからHレベルに変化させる際の動作、及び、出力する信号をHレベルからLレベルに変化させる際の動作について説明する。
ドライバ114(1)の出力がHレベルであるとき、ドライバ114(1)を構成するpMOSトランジスタM1及びnMOSトランジスタM2のゲートにLレベルの信号が入力されると、pMOSトランジスタM1がオンに、nMOSトランジスタがオフになって、ドライバ114(1)は、出力をHレベルに変化させる。このとき、ドライバ114(1)には、外部電源から、IF内電源配線102、複数の電源貫通電極121のうち最もドライバ114に近接して配置される電源貫通電極121(1)、及び、チップ内電源配線111を介して、充電電流が供給される。この充電電流は、pMOSトランジスタM1、信号貫通電極123(1)、レシーバ104の入力とIF内グランド配線103との間の寄生容量C2、及び、IF内グランド配線103を介して、外部電源に帰還する。
上記とは逆に、ドライバ114(1)の出力がLレベルであるときドライバ114(1)を構成するpMOSトランジスタM1及びnMOSトランジスタM2のゲートにHレベルの信号が入力されると、pMOSトランジスタM1がオフに、nMOSトランジスタがオンになって、ドライバ114(1)は、出力をLレベルに変化させる。このとき、ドライバ114(1)には、外部電源から、IF内電源配線102、レシーバ104の入力とIF内電源配線102との間の寄生容量C1、及び、信号貫通電極123(1)を介して、放電電流が供給される。この放電電流は、nMOSトランジスタM2、チップ内グランド配線112、複数のグランド貫通電極122のうち最もドライバ114に近接して配置されるグランド貫通電極122(1)、及び、IF内グランド配線103を介して、外部電源に帰還する。
ここで、本実施形態例の半導体装置100におけるドライバ114の出力が変化した際に流れる電流の立体的な電流経路と、図10に示した比較例の半導体装置400における立体的な電流経路とを比較する。比較例の半導体装置400では、電源貫通電極403及びグランド貫通電極404がドライバ407から離れた位置に形成されており、ドライバ407が出力を変化させた際に流れる充電電流又は放電電流の立体的な電流経路のループの面積が大きい。これに対して、本実施形態例の半導体装置100では、充電電流又は放電電流は、それぞれ複数の電源貫通電極121及びグランド貫通電極122のうち、出力が変化するドライバ114に最も近い電源貫通電極121又はグランド貫通電極122によって供給されるため、比較例の半導体装置400に比して、立体的な電流経路のループの面積を小さくできる。
本実施形態例では、貫通電極120(図2)を用いて上層側と下層側とを接続しており、半導体チップ110上に多数の電極パッドを形成できるため、信号電極パッドの近傍に、電源電極パッド及びグランド電極パッドを形成できる。このため、半導体装置100では、信号貫通電極123の近傍に、電源貫通電極121及びグランド貫通電極122を配置する構成を採用することができ、この構成により、アドレスや、コマンド、データ等の信号が変化する際の電流経路のループ面積を小さくしている。一般に、面積Sの回路ループに周波数成分fを持つ電流iが流れた場合には、ループから距離r離れた点における電界の大きさEは、
E=1.316×10-14×(i・f2・S/r) (1)
で表すことができ、本実施形態例の半導体装置100では、上記のようにループ面積Sを小さくできるため、半導体装置100から発生する電磁ノイズを低減することができる。
図5は、本発明の第2実施形態例の半導体装置における半導体チップの一部を平面図として示している。本実施形態例の半導体装置100aは、図1に示す第1実施形態例の半導体装置100と同様に、積層された複数の半導体チップ110aを有する。なお、図5では、半導体チップ110aを図3と同様に示し、電源貫通電極121、グランド貫通電極122、及び、信号貫通電極123以外については省略して図示している。本実施形態例では、電源貫通電極121及びグランド貫通電極122は、隣接する2つの信号貫通電極123の間に配置される。
第1実施形態例の半導体装置100では、図3に示すように、隣接する2つの電源貫通電極121同士、グランド貫通電極122同士、及び、信号貫通電極123同士が、それぞれX方向に沿って一列に並んで配列されており、隣接する2つの信号貫通電極123間でクロストークが問題になる可能性があった。本実施形態例の半導体装置100aでは、隣接する2つの信号貫通電極123の間に、電源貫通電極121及びグランド貫通電極122が配置されるため、第1実施形態例と同様に、信号貫通電極123に電流が流れた際のループ面積を小さくして電磁ノイズ発生を低減できると共に、第1実施形態例に比して、隣接する2つの信号貫通電極123間でのクロストークを抑制できる。
なお、図5では、隣接する2つの信号貫通電極123の間に電源貫通電極121及びグランド貫通電極122を配置する例について示したが、これに加えて、図6に示すように、信号貫通電極123をY方向の両側から挟みこむ位置に、電源貫通電極121及びグランド貫通電極122を配置してもよい。この場合には、信号貫通電極123は、電源貫通電極121とグランド貫通電極122とによって、その周囲を囲まれることになる。
貫通電極を備える半導体装置では、貫通電極が、N行×M列(N、Mは2以上の整数)の格子状に配置されることが考えられる。このような場合、信号貫通電極123を配置する格子点に隣接する格子点の貫通電極を、電源貫通電極121又はグランド貫通電極122として構成し、信号貫通電極123を電源貫通電極121又はグランド貫通電極122で囲うことで、ループ面積を削減し、信号貫通電極123間のクロストークを低減することができる。
本発明の半導体装置では、全ての信号貫通電極123の近傍に電源貫通電極121及びグランド貫通電極122が配置されている必要はない。例えば、回路ブロックのレイアウトなどの都合によっては、すべての信号貫通電極123の近傍に電源貫通電極121及びグランド貫通電極122を配置できない場合もある。その場合には、複数の信号貫通電極123の近傍に、それぞれ1つの電源貫通電極121及びグランド貫通電極122が配置されていればよい。また、式(1)からわかるように、半導体装置100から距離r離れた点における電界の大きさは、電流の周波数成分fや電流値iによっても決まるため、信号貫通電極123を流れる電流によって発生するノイズが小さい場合には、その信号貫通電極123の近傍には、電源貫通電極121及びグランド貫通電極122を配置しなくてもよい。
図7(a)及び(b)は、それぞれ、2つの信号貫通電極に対してそれぞれ2つの電源貫通電極及びグランド貫通電極が配置される半導体装置を示している。同図(a)では、4つの信号貫通電極123がX方向に沿って等間隔で1列に配列されており、2つの信号貫通電極123(1)及び123(2)の近傍には、電源貫通電極121(1)及びグランド貫通電極122(1)が配置され、別の2つの信号貫通電極123(3)及び123(4)の近傍には、電源貫通電極121(2)及びグランド貫通電極122(2)が配置されている。
図7(a)に示す構成では、隣接する2つの信号貫通電極123間のクロストークが問題になる場合がある。そのような場合には、同図(b)に示すように、各信号貫通電極123のY方向の位置をずらして配置すればよい。このようにすることで、X方向での隣接する2つの信号貫通電極123の間隔を変えずに、信号貫通電極123間の距離を長くすることができ、クロストークの発生を抑制できる。
上記各実施形態例では、信号貫通電極123がドライバ114の出力に接続される例について示したが、信号貫通電極123が接続されるのは、ドライバ114の出力には限定されない。また、ドライバ114は、pMOSトランジスタM1及びnMOSトランジスタM2によって構成されるプッシュ・プル型のドライバに限定されず、例えばnMOSトランジスタによって構成されるオープン・ドレイン型のドライバであってもよい。半導体チップ110は、DRAMチップには限定されず、半導体装置100の最下層はIFチップ101に限定されない。
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の半導体装置は、上記実施形態例にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
本発明の半導体装置を示す斜視図。 半導体装置100の周縁部を示す断面図。 半導体チップ110のドライバ114付近を示す平面図。 図1の半導体装置100を、チップ内の回路図の一部と共に模式的に示す平面図。 本発明の第2実施形態例の半導体装置における半導体チップの一部を示す平面図。 本発明の第2実施形態例の変形の半導体装置における半導体チップの一部を示す平面図。 (a)及び(b)は、それぞれ、2つの信号貫通電極に対してそれぞれ2つの電源貫通電極及びグランド貫通電極が配置される半導体装置の一部を示す平面図。 (a)は、積層された複数のチップを有する従来の一般的な半導体装置を示す平面図、同図(b)は、同図(a)のA−A断面を示す断面図。 特許文献1に記載された半導体装置300を示す断面図。 信号端子に近接して電源端子及びグランド端子が配置されない比較例の半導体装置を示す斜視図。
符号の説明
100:半導体装置
101:IFチップ
102:IF内電源配線
103:IF内グランド配線
104:レシーバ
110:半導体チップ
111:チップ内電源配線
112:チップ内グランド配線
113:DRAMセル(内部回路)
114:ドライバ
120:貫通電極
121:電源貫通電極
122:グランド貫通電極
123:信号貫通電極

Claims (5)

  1. それぞれがチップ外信号線を介してチップ外に信号を出力する、積層された複数の半導体チップと、それぞれが前記チップ外信号線、電源線、及び、グランド線を構成し前記複数の半導体チップを貫通して延びる複数の貫通電極とを備える半導体装置において、
    少なくとも1つの前記チップ外信号線を構成する貫通電極が、前記電源線を構成する貫通電極と前記グランド線を構成する貫通電極の双方に隣接して配置されることを特徴とする記載の半導体装置。
  2. 順次に配列された、電源線を構成する貫通電極、前記チップ外信号線を構成する貫通電極、及び、前記グランド線を構成する貫通電極を含む、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 隣接する2つのチップ外信号線を構成する貫通電極の間に、前記電源線を構成する貫通電極及び前記グランド線を構成する貫通電極の少なくとも一方が配置されている、請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記少なくとも1つのチップ外信号線を構成する貫通電極が、前記電源線を構成する貫通電極及び前記グランド線を構成する貫通電極の少なくとも一方を含む貫通電極によって囲まれる、請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記複数の半導体チップがDRAMを含む、請求1〜4の何れか一に記載の半導体装置。
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