JP2011082544A - 半導体集積回路装置、半導体集積回路装置の設計方法 - Google Patents

半導体集積回路装置、半導体集積回路装置の設計方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高いESD耐量を実現するLSI及びその設計方法を得る。
【解決手段】LSIチップは、複数の電源系回路部を備え、第1の電源配線106から電力を供給される第1の回路部101と、第1の回路部が接続される第1のグランド配線109を有する。又、第2の電源配線113から電力を供給される第2の回路部102と、第2の回路部に接続された第2のグランド配線116を有する。第1の回路部は第1のインターフェース回路部104を備え、第2の回路部は、第1のインターフェース回路部との間において、信号の入力及び/もしくは出力を行う第2のインターフェース回路部111を備える。第1のグランド配線と前記第2のグランド配線は保護回路117を介して接続され、第1のインターフェース回路部近傍に前記第2のインターフェース回路部が配置されている。
【選択図】図1

Description

本発明は半導体集積回路装置及びその設計方法に関し、特に、半導体集積回路装置のESD(Electro Static Discharge)保護に関する。
近年の半導体集積回路の高集積化とデジタル技術の進歩に伴い、多くの製品において、デジタル回路とアナログ回路が一つのLSIチップ内に形成された回路が実装されている。例えば、デジタルカメラやビデオ装置においては、アナログ信号とデジタル信号間で信号変換を行うDAコンバータやADコンバータが、一つのチップとして実装されている。デジタル回路とアナログ回路のように、異なる複数の電源系によって動作する回路が一つのLSIチップに配置される場合、ESD(Electro Static Discharge)設計において、一つの電源系を備える回路とは異なる設計が必要とされる。特に半導体回路の微細化が進むにつれ、この点が益々無視できないものになってきている。
例えば、2種類以上の電源系を備える半導体集積回路装置において、素子の静電破壊を防止するため、高電位側電源配線と低電位側電源配線との間に、様々な態様でESD保護素子を挿入する発明が知られている(特許文献1参照)。第1及び第2電源系を備える回路において、第1の高電位側の電源線と第2の高電位側の電源線とは分離されており、第1の低電位側の電源線と第2の低電位側の電源線とは保護回路(HK)を介して接続さる。これにより、第1の低電位側の電源線の電位上昇による第2回路内の素子破壊を防止する。この外、異なる電源系の高電位側の電源線と低電位側の電源線とを、保護素子を介して接続すること、第1電源系と第2電源系との間の信号配線とグランド配線との間に保護素子を接続することなどが知られている。
しかし、例えば、高電位側の電源線もしくは低電位側の電源線における各回路の接続点について考慮されておらず、この従来技術では、ESD耐量にばらつき生じ、十分なESD耐量を備えるLSIの製造が難しい。あるいは、異なる電源系を備える回路チップにおいて、電源が異なるアナログ機能セルとデジタル回路が存在するとき、アナログ機能回路の入出力信号とデジタル回路の入出力信号のレベル変換をするため、アナログ機能セルに供給される電源とデジタル回路に供給される電源の両者を引き込んだレベル変換回路を挿入する技術が知られている(例えば特許文献2参照)。しかし、この技術は回路面積に最適化に関する技術であり、ESD耐量向上の観点からの設計はなされていない。そのため、無視できない配線抵抗や配線遅延が生じ、ESD耐量にばらつきが発生する。
一方、一つのチップ内に複数の異なる回路部を形成するSoC(System on Chip)技術の他に、一つのパッケージに複数のチップを実装するSIP(System In Package)が注目を集めている。SIPは、複数のチップを備え、各チップが一つのパッケージ内において積層もしくは平行に配置されている。各チップ間は、チップ間接続配線を介して接続される。チップ間接続配線は、組み立て基板の内部配線あるいはチップ同士を直接接続するバンプなどから構成される。SIPにおいては、従来の1チップ内におけるESD電流のみならず、チップ間を流れるESD電流を考慮することが必要とされる。
特開平9−172146号公報 特開平10−150364号公報
上述のようなことから、従来技術では、回路内部のESD破壊を効果的に抑制することが困難であった。
本発明の第1の態様は、一つのパッケージ内に実装される第1チップと第2チップを有する半導体集積回路装置であって、前記第1チップは、第1内部回路部と第1インターフェース回路部を備え、前記第2チップは、第2内部回路部と第2インターフェース回路部を備え、前記第1内部回路部と第2内部回路部とは電源系が異なり、前記第1内部回路部と第2内部回路部は、前記第1インターフェース回路部と前記第2インターフェース回路部を介して信号の入力及び/もしくは出力を行い、前記第1インターフェース回路部と前記第2インターフェース回路部の電源系は共通化されている。これによって、チップ間で信号の受け渡しを行う回路のトランジスタ破壊をより効果的に防止することができる。
本発明の第2の態様は、一つのパッケージ内に実装される第1チップと第2チップを有する半導体集積回路装置であって、前記第1チップは、第1インターフェース回路部と、前記第1インターフェース回路部への電力を伝送する第1電力供給配線と、を備え、前記第2チップは、第2内部回路部と、前記第2内部回路部への電力を伝送する第2電力供給配線と、第2インターフェース回路部と、を備え、前記第1インターフェース回路部と第2内部回路部は、前記第2インターフェース回路部を介して信号の入力及び/もしくは出力を行い、前記第1電力供給配線から、前記第1及び第2インターフェース回路部に電力を供給する配線経路が形成され、前記第1電力供給配線と前記第2電力供給配線とを結び、前記第1及び第2インターフェース回路部を迂回する配線経路が形成されている。
本発明の第3の態様は、一つのパッケージ内に実装される第1チップと第2チップを有する半導体集積回路装置であって、前記第1チップは、第1インターフェース回路部と、前記1インターフェース回路部に接続され前記第1インターフェース回路部に電力を供給する電力供給配線と、を備え、前記第2チップは、前記第1インターフェース回路部との間において信号の入力及び/もしくは出力を行い、前記電力供給配線を介して電力を供給される第2インターフェース回路部を備え、前記電力供給配線は、前記第2インターフェース回路部へ電力供給する複数の接続点を備えている。これによって、チップ間で信号の受け渡しを行う回路のトランジスタ破壊をより効果的に防止することができる。
本発明によれば、高いESD耐量を実現するLSIを得ることが可能となる。
実施の形態1における半導体集積回路装置の回路構成を示す図である。 実施の形態1における半導体集積回路装置において、ESDサージ電流の影響を説明する図である。 実施の形態1における半導体集積回路装置において、ESDサージ電流の影響を説明する図である。 実施の形態2における半導体集積回路装置の回路構成を示す図である。 実施の形態3における半導体集積回路装置の回路構成を示す図である。 実施の形態4における半導体集積回路装置の回路構成を示す図である。 実施の形態5における半導体集積回路装置の回路構成を示す図である。 実施の形態1−5におけるSoCの構成を示す図である。 実施の形態6におけるSIPの構成を示す図である。 実施の形態6におけるSIPの構成を示す図である。 実施の形態7における半導体集積回路装置の回路構成を示す図である。 実施の形態8における半導体集積回路装置の回路構成を示す図である。 実施の形態9における半導体集積回路装置の回路構成を示す図である。 実施の形態10における半導体集積回路装置の回路構成を示す図である。 実施の形態11における半導体集積回路装置の回路構成を示す図である。 実施の形態12における入出力回路部付近の回路構成を示す図である。 他の形態における設計装置の論理構成を示す図である。 他の形態における設計装置のハードウェア構成を示す図である。
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が図面を参照して説明される。各図において、同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜説明が省略される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略されている。
実施の形態1
図1は、実施の形態1における半導体集積回路装置の回路構成の概略を説明するブロック図である。図1において、101は第1の電源系によって供給される電力によって動作する第1の電源系回路部、102は第2の電源系によって供給される電力によって動作する第2の電源系回路部である。第1の電源系回路部と第2の電源系回路部の典型的な例は、LSIチップ内に配置されるデジタル回路部とアナログ回路部である。その他、デジタル内部回路と入出力インターフェース回路部との間において、異なる電源系を利用する半導体集積回路装置などを例とすることができる。デジタル回路部とアナログ回路部を1チップの半導体集積回路装置で構成する混成回路では、デジタル回路部において発生するノイズ成分によってアナログ回路部の特性が劣化することを抑制するために、アナログ回路部とデジタル回路部のそれぞれに、別の電源パッドとグランド・パッドが与えられ、回路内部において異なる電源配線とグランド配線が与えられ、異なる電源系として動作する。
図1の回路構成について説明する。第1電源系回路部101は、第1電源から電力が供給される素子間で信号の受け渡しを行う第1電源系内部回路部103と、第2電源から電力が供給される素子との間で信号の受け渡しを行う第1電源系入出力回路部104とを備えている。105は回路外部に配置される電源から第1電源電圧(VDD1)が供給される第1電源系電源パッドである。106は、電力供給配線の一つであって、第1電源系電源パッド105に接続され、第1電源系電源パッド105から供給される電源電圧を伝送する第1電源系電源配線である。
第1電源系内部回路103と第1電源系入出力回路104は第1電源系電源配線106に接続され、必要な電力が供給される。107、108は回路外部のグランド回路部と接続され、グランド電位(GND1)が与えられる第1電源系グランド・パッドである。本形態の第1電源系回路部101は、2つのグランド・パッドを備えている。109は電力供給配線の一つであって、第1電源系グランド・パッド107、108と接続され、第1電源系回路部101にグランド電位を与える第1電源系グランド配線である。第1電源系内部回路103、第1電源系入出力回路104は、第1電源系電源配線106と第1電源系グランド配線109の間において必要な電力が供給されている。
第2電源系回路部102は、第2電源から電力が供給される素子間で信号の受け渡しを行う第2電源系内部回路部110と、第1電源から電力が供給される素子との間で信号の受け渡しを行う第2電源系入出力回路部111とを備えている。112は回路外部に配置される電源から第2電源電圧(VDD2)が供給される第2電源系電源パッドである。113は電力供給配線の一つであって、第2電源系電源パッド112に接続され、第2電源系電源パッド112から供給される電源電圧を伝送する第2電源系電源配線である。第1電源系入出力回路と第2電源系入出力回路は、インターフェース回路の一例である。インタフェース回路は、入力もしくは出力の一方、もしくはその双方を行う回路を含む。
第2電源系内部回路110と第2電源系入出力回路111は第2電源系電源配線113に接続され、必要な電力が供給される。114、115は回路外部のグランド回路部と接続され、グランド電位(GND2)が与えられる第2電源系グランド・パッドである。本形態の第2電源系は、2つのグランド・パッドを備えている。116は電力供給配線の一つであって、第2電源系グランド・パッド114、115と接続され、第2電源系回路部102にグランド電位を与える第2電源系グランド配線である。第2電源系内部回路110、第2電源系入出力回路111は、第2電源系電源配線113と第2電源系グランド配線116の間において必要な電力が供給されている。
第1電源系グランド配線109と第2電源系グランド配線116とは、ESD(Electro Static Discharge)保護素子117を介して接続されている。保護素子117はグランド配線間電位が所定値以上になると、グランド配線間を導通し電流を流す機能を備えている。ESD保護素子117は双方向性を有していることが好ましく、トランジスタや双方向ダイオードなどを利用することができる。尚、保護素子117は、回路設計に従って必要な場合に使用することができる。アナログ回路部とデジタル回路部のように、デジタル・ノイズによるアナログ回路への影響がある場合などに、好ましくない相互影響を抑制するために特に有用である。保護素子が不要な場合、第1電源系グランド配線と第2電源系グランド配線とは、特定の素子が配置されていない接続点を介して接続することができる。この接続点は回路的な点であって、視覚的に認識されるものに限定されない。
尚、2つの電源系の電位は、異なる電位もしくは同一の電位とすることができる。グランド電位は、電源電位よりも低い電位に設定されるが、電位値は設計により適宜決定される。2つの電源系のグランド電位は、回路設計にしたがって、同電位もしくは異なる電位を与えることができる。又、図1には示されていないが、第1電源系電源配線106と第1電源系グランド配線109とは、電源保護回路を介して接続することができる。同様に、第2電源系電源配線113と第2電源系グランド配線116とは、電源保護回路を介して接続することができる。これらの点は、以下の実施の形態において同様である。
図2を参照し、LSIチップの静電破壊を引き起こしうる外部からのESDサージによる影響について説明する。LSIチップは、外部からパッドを介して入力されるESDサージによって静電破壊を起こしうる。このように外部からのESDサージによる静電破壊につて説明するため、第1電源系電源パッドから第2電源系グランド・パッドにESDサージ電流が流れたときの、回路内部電位について説明する。
本形態の半導体集積回路において、第1電源系電源パッドから第2電源系グランド・パッドにESDサージ電流が流れたときの回路内部電位について説明する。半導体集積回路の静電破壊の一つの要因は、MOSトランジスタのゲート酸化膜破壊である。異なる電源系の回路が混在する半導体集積回路装置において、異なる電源系回路部間の入出力回路部におけるMOSトランジスタ、特に入力側のMOSトランジスタのゲート酸化膜破壊が問題となる。図2は、本形態におけるESDサージ電流の影響を説明するための回路図であり、説明の明確化のために、簡略化された回路が記載されている。
図2において、図1と同一の符号を付した要素は、図1において説明された要素と同様であり、説明を省略する。図2において、第1電源系入出力回路が出力側、第2電源系入出力回路が入力側と定義されている。尚入出力回路とは、LSI回路内のプリミティブブロックの最終段に相当するものであり、LSI外部との入出力回路部とは異なる。201は第1電源系電源配線と第1電源系グランド配線との間に接続された電源保護回路、202は第2電源系電源配線と第2電源系グランド配線との間に接続されている電源保護回路である。203は、第1電源系入出力回路部104に含まれる出力インバータであって、第1電源系電源配線106に接続されるPMOSと第1電源系グランド配線109に接続されるNMOSを備えるCMOS回路である。204は、第2電源系入出力回路部111に含まれる入力インバータであって、第2電源系電源配線113に接続されるPMOSと第2電源系グランド配線116に接続されるNMOSを備えるCMOS回路である。第1電源系のCMOSと第2電源系のCMOSとが信号配線205によって接続されている。
第2電源系のNMOSトランジスタのゲート−ソース間にかかる電位差をVgs、第1電源系のPMOSのソース−ドレイン間にかかる電位差をVpmosと定義する。さらに、第1電源系の電源保護回路201のクランプ電圧をVpower、第1及び第2電源系グランド配線間の保護素子117によるクランプ電圧をVdiodeと定義する。又、第1電源系電源保護回路201から第1電源系出力インバータ203までの第1電源系グランド配線抵抗をRGND1、第1電源系出力インバータ203からグランド配線間保護素子117までの第1電源系グランド配線抵抗をRGND1Dと定義する。さらに、グランド配線間保護素子117から第2電源系入力インバータ204までの第2電源系グランド配線抵抗をRGND2と定義し、第2電源系入力インバータ204からGNDパッド2までの第2電源系グランド配線抵抗をRGNDと定義する。
第1電源系電源パッド105と第2電源系グランド・パッド114との間にESDサージ電流が印加された場合、第1電源系電源保護回路201がターン・オンし、ESDサージ電流(Iesd)が流れる。ESDサージ電流として、第1電源系電源パッド105→第1電源系電源保護回路201→第1電源系グランド配線109→グランド配線間保護素子117→第2電源系グランド配線116→第2電源系グランド・パッド114の経路で流れる場合を検討する。ESDサージが印加されると、ESDサージ電流が流れる経路上に存在する配線抵抗による電圧降下で、チップ内部に電位差が発生する。第1電源系電源パッド105と第2電源系グランド・パッド114との間にESDサージが印加されたときに、第2電源系入力インバータのNMOSのゲート−ソース間にかかる電圧Vgsは、
Vgs=(Vpower+RGND1*Iesd+RGND1D*Iesd+Vdiode+RGN2D*Iesd)-Vpmos
となる。
130nmクラスのCMOSプロセスでは、MOSトランジスタのゲート酸化膜厚はTox=2nm程度であり、典型的には、ゲート酸化膜に6V程度の電位差がかかるとゲート酸化膜破壊が起こる。HBM(Human Body Model)規格に従って2000VのESDサージが印加された場合、ESDサージ電流Iesdのピークは1.3Aである。HBM規格で2000VのESD耐量試験をパスするためには、このESDサージ電流がLSI内部に流れた場合でも、Vgsが6Vを超えないようにLSIを設計する必要がある。例えば、電源保護回路のクランプ電圧Vpower=3.5V、グランド配線間保護ダイオードのクランプ電圧Vdiode=1.2V、出力インバータのPMOSのソース−ドレイン電圧Vpmos=0Vの時、グランド配線抵抗は、
RGND1+RGND1D+RGND2D≦(6V-3.5V-1.2V)/1.3A=1.0Ω
を満足する必要がある。このように、ESDサージが印加された場合、ESDサージ電流が流れるパスにおけるグランド配線抵抗を小さくすることが重要な要素の一つである。
LSIチップの静電破壊の一つの態様は、図2を参照して説明したように、異なる電源系の電源パッドとグランド・パッド間のESDサージによって引き起こされる。この態様の他に、チップに帯電された電荷がパッドから放出されることによって、LSIチップの静電破壊が引き起こされうる。このタイプの静電破壊に関する試験として、CDM(Charged Device Model)試験がある。CDM試験は、LSIチップ全体に電荷を蓄積した状態から、測定ピンを外部GNDとショートさせ、LSIのESD耐量を測定する試験である。
図3を参照して、チップ蓄積電荷の放電作用について説明する。図3に示された回路構成は、追加記載された主な浮遊容量以外、図5における回路と同様であるので説明は省略される。主な浮遊容量は、電源配線、グランド配線、信号配線、拡散層のそれぞれと基板との間の浮遊容量である。この浮遊容量に蓄積された電荷は外部接続パッドから放出される。電荷が蓄積された状態から、第1電源系電源パッドを外部GNDとショートさせ、LSIチップ内部に蓄積した電荷を放電させた場合のチップ内部の状態を説明する。
第1電源系グランド配線109と第2電源系グランド配線116とに蓄積された電荷が移動することで発生する電流をIcdmg、出力インバータと入力インバータ間の信号配線205に蓄積されて電荷が移動することで発生する電流をIcdms、第1電源系電源配線の抵抗成分をRVDD1と定義する。放電の際に、入力インバータ204のNMOSのゲート−ソース間電圧Vgsは、
Vgs=(Vpower+RGND1*Icdmg+RGND1D*Icdmg+Vdiode+RGND2D*Icdmg)
− (Rs*Icdms+Vpmos+RVDD1*Icdms)
となる。
信号配線抵抗とグランド配線抵抗との差、信号配線抵抗と電源配線抵抗との差が大きい場合、IcdmgとIcdmsに時間差が発生することでVgsが増加し、ゲート酸化膜が破壊される。通常、電源配線抵抗とグランド配線抵抗は小さいため、CDMによるゲート酸化膜破壊を防止するためには、信号配線抵抗RSを小さくすることが重要な点となる。
図1を参照して、本形態における半導体集積回路の回路構成の詳細について説明する。本形態の半導体集積回路において、第1電源系入出力回路104と第2電源系入出力回路111は近傍域内に配置されている。第1電源系入出力回路104と第2電源系入出力回路111は、第1電源系回路101と第2電源系回路102との境界で接するように配置されることがさらに好ましい。第1電源系入出力回路104を第2電源系入出力回路111の近くに配置することによって、グランド配線抵抗を小さくすることができる。
図2を参照すれば、RGND1DとRGND2Dのグランド配線抵抗値を小さくすることができるので、ESDサージによるMOSデート電位Vgsを低く抑え、ゲート酸化膜破壊を抑制することができる。あるいは、信号配線抵抗RSを小さくすることができるので、蓄積容量放出におけるグランド配線と信号配線との間の電流遅延を抑制することができる。第1電源系と第2電源系の入出力回路間の配線遅延は、ESDの観点から小さくするように形成される。配線遅延は、配線長の短縮、配線幅の増加、あるいは配線抵抗の縮小によって実現することができる。配線遅延を抑制することによって、ESD放電電流の時間差によるゲート絶縁膜破壊を抑制することができる。
第1及び第2電源系の入出力回路部104、111は、グランド配線間保護素子117の近傍において、それぞれのグランド配線に接続される。これにより、ESDサージ電流パスにおけるグランド配線抵抗を小さくすることができる。図2を参照すれば、RGND1DとRGND2Dのグランド配線抵抗値を小さくすることができる。
第1及び第2電源系におけるそれぞれのグランド・パッドの一つ108、115は、グランド配線間保護素子117の近傍に接続される。第2電源系のグランド・パッド115は、グランド配線間保護素子117と第2電源系入出力回路−第2電源系グランド配線の接続点119の間において、第2電源系グランド配線116に接続点118で接続されることが好ましい。グランド・パッドを入出力回路部よりも保護素子の近くに接続することによって、入出力回路部を迂回するESDサージ電流パスが形成され、ESDサージによる入出力回路部(もしくはその内部のゲート電圧Vgs)への影響を抑制することができる。第1電源系のグランド・パッド108も、グランド配線間保護素子117と第1電源系入出力回路−第1電源系グランド配線の接続点121との間において、第2電源系グランド配線116に接続点120で接続される。
以上のように、本実施の形態によれば、LSIチップ内部で電源系が複数ある場合に、電源ラインにつく抵抗を抑制し、チップ内部素子破壊を防止することができる。又。LSI内部の回路構成に依存せずに、チップ内部のESD破壊を防止し、高いESD耐量が安定してえることができる。
実施の形態2
図4(a)は、本発明の第2の形態に係る半導体集積回路の概略構成を示す、回路図である。本形態の半導体集積回路は、第1電源系回路として素子数が多くあるいは面積の大きいデジタル回路を備え、第2電源系回路として素子数が少なくあるいは面積の小さいアナログ回路を備えている。アナログ回路の一部はアナログ・マクロとして設計されたものであり、アナログ・マクロは、その内部に第1電源によって動作する第1電源系入出力回路部を備えている。図4において、401はデジタル回路部、402はアナログ・マクロである。アナログ・マクロは、アナログ内部回路403と、入出力回路部404を備えている。
図4(b)は、アナログ・マクロの入出力回路部404の構成の詳細を説明する回路図である。入出力回路部404は、第1電源系の入出力回路部405と第2電源系の入出力回路部406を備えている。図4(b)において、407は第1電源系出力インバータ、408は第1電源系入力インバータである。409は第2電源系出力インバータ、410は第2電源系入力インバータである。411はゲート保護素子であり、第1電源系の入力インバータ408の入力信号を受けるゲートと、第1電源系グランド配線109とに接続されたNMOSトランジスタによって構成されている。ゲート保護素子411は、高電圧が発生した場合に、ゲートとグランド配線間の電位をクランプ電位にクランプし、入力インバータのゲート−ソース間電位をクランプ電位以下に維持することでゲート絶縁膜破壊を抑制することができる。クランプ素子は、広く知られた様々な素子を利用することができる。
第2電源系の入力インバータ410の入力信号を受けるゲートと第2電源系グランド配線116との間にも、ゲート保護素子412が接続されている。クランプ素子は、入力インバータの入力信号を受けるゲートと電源配線との間に接続することも可能である。例えば、第2電源系の入力インバータ410の入力信号を受けるゲートと第2電源系電源配線113との間に接続される。第1電源系出力インバータの出力と第2電源系入力インバータとが接続配線により接続され、第2電源系出力インバータの出力と第1電源系入力インバータとが接続配線により接続されている。
アナログ・マクロの内部に、第1電源系の入出力回路部と第2電源系入出力回路部を配置することによって、アナログ・マクロ内でのESD対策設計が可能となり、LSIチップレイアウト設計におけるESD設計が容易となり、あるいはデジタル回路設計におけるESD設計を不要とすることができる。又、アナログ・マクロ内に上記2つの入出力回路部を配置することによって、静電破壊防止のために、第1電源系の入出力回路部と第2電源系入出力回路部を第1電源系回路部と第2電源系回路部の境界に配置され、近傍領域内に配置設計することをより容易に行うことができる。
以上のように、本実施の形態によれば、例えば、他社が設計したハードマクロの電源を、チップ内部で他の電源と分離する場合、チップ内部のESD破壊を防止し、高いESD耐量をもつLSIを実現するつなぎセルを小さい面積で実現し、自動設計できる。
実施の形態3
本発明にかかる第3の実施形態について、図5を参照して説明する。図5は、本形態の半導体集積回路装置の概略構成を示す回路図である。図5において、501は第1電源系電源配線106と第1電源系グランド配線109との間に接続されたVDD1−GND1間保護素子、502は、第2電源系電源配線113と第2電源系グランド配線116との間に接続されたVDD2−GND2間保護素子である。電源保護素子は、ESD印加時において、電源とグランド間の電位差がクランプ電位以上に大きくなると、電源とグランド間の電位をクランプ電位にクランプする。保護素子は、トランジスタを利用したクランプ素子など、広く知られた様々な素子を利用することができる。
VDD1−GND1間保護素子501は、接続点503において第1グランド配線109に接続される。接続点503は、グランド配線間保護素子117の近傍に配置される。これにより、接続点とグランド配線間保護素子の間のグランド配線抵抗を小さくすることができ、ESD電流パスのグランド配線抵抗の低下に寄与する。接続点503は、好ましくは、第1電源系入出力回路部と第1電源系グランド配線との接続点121と、グランド配線間保護素子117との間に配置される。入出力回路の接続点に対して、ESD電流パスの迂回路を形成することによって、入出力回路へのESDサージ電流による影響を抑制することができる。
同様に、VDD2−GND2間保護素子502は、接続点504において第2グランド配線116に接続される。接続点504は、グランド配線間保護素子117の近傍に配置される。接続点504は、好ましくは、第2電源系入出力回路部と第2電源系グランド配線との接続点119よりも、グランド配線間保護素子117の近くに配置される。VDD1−GND1間保護素子501、VDD2−GND2間保護素子502、そしてグランド配線間保護素子117は一つのセル内に形成されている。予め設計された一つのセルを、異なる電源系回路の境界に配置することによって、ESD設計を容易に行うことができる。
実施の形態4
本発明にかかる第4の実施形態について、図6を参照して説明する。図6は、本形態の半導体集積回路装置の概略構成を示す回路図である。本形態の半導体集積回路装置は、異なる電源系の電源とグランド間にESD保護素子が設けられている。図6において、601は、第1電源系電源配線106と第2電源系グランド配線116との間に接続されたVDD1−GND2間保護素子である。602は、第2電源系電源配線113と第1電源系グランド配線109との間に接続されたVDD2−GND1間保護素子である。
VDD1−GND2間保護素子601とグランド配線116との接続点603は、保護素子117から見て、第2電源系入出力回路部と第2電源系グランド配線との接続点119よりも遠い側に接続されている。接続点603は接続点119と第2電源系グランド・パッド114と間に配置される。VDD2−GND1間保護素子とグランド配線との接続点604は、第1電源系入出力回路部と第1電源系グランド配線との接続点121と、第1電源系グランド・パッド107との間に接続されている。
第1電源系電源配線と第2電源系グランド配線を、保護素子を介して接続することによって第1電源系電源パッドVDD1から第2電源系グランド・パッドGND2へ形成される、ESDサージ電流パスを考える。VDD2−GND1間保護素子とグランド配線1との接続点603は、第1電源系入出力回路部と第1電源系グランド配線との接続点119よりも、グランド・パッド114の近くに配置されるので、第2電源系入出力回路部とグランド配線の接続点を迂回するESDサージ電流パスが形成され、ESDサージ電流による第2電源系入出力回路部への影響を抑制することがきる。第2電源系電源配線113と第1電源系グランド配線109とのVDD2−GND1間保護素子602を介した接続についても、同様に、第2電源系電源パッドから始まるESDサージ電流パス関して、第1電源系入出力回路部への影響を抑制することがきる。
VDD1−GND2間保護素子601、VDD2−GND1間保護素子602、そしてグランド配線間保護素子117は一つのセル内に形成することができる。予め設計された一つのセルを、異なる電源系回路の境界に配置することによって、ESD設計を容易に行うことができる。
実施の形態5
本発明にかかる第5の実施形態について、図7を参照して説明する。図7は、本形態の半導体集積回路装置の概略構成を示す回路図である。本形態の半導体集積回路装置は、同一電源系の電源とグランド間にESD保護素子が設けられている。図7において、701は第1電源系電源配線106と第1電源系グランド配線109との間に接続されたVDD1−GND1間保護素子、702は、第2電源系電源配線113と第2電源系グランド配線116との間に接続されたVDD2−GND2間保護素子である。保護素子として利用される素子は、実施の形態4において説明したものと同様である。
VDD1−GND1間保護素子701と第1電源系電源配線106との接続点703は、第1電源系電源パッド105と、第1電源系入出力回路部104と第1電源系電源配線106との接続点704との間に配置される。VDD1−GND1間保護素子701を、第1電源系入出力回路部の接続点704よりも、第1電源系電源パッドの近くに接続することによって、第1電源系入出力回路部の接続点を迂回するESDサージ電流パスを形成することができる。第1電源系電源パッドから始まるESDサージ電流パスは、VDD1−GND1間保護素子701を通過して第1電源系グランド配線109に流れる。
従って、図5を参照して説明された回路と異なり、第1電源パッドVDD1からVDD1−GND1間保護素子を介して第1電源系グランド配線へ流れるESDサージ電流パスが、第1電源系入出力回路の接続点を迂回しているので、第1電源系入出力回路部へのESDサージ電流による影響を抑制することができる。第2電源系電源配線と第2電源系グランド配線との間の接続についても、VDD2−GND2間保護素子702と第2電源系電源配線113との接続点705は、第2電源系電源パッド112と、第1電源系入出力回路部111と第1電源系電源配線113との接続点706との間に配置され、第2電源系入出力回路部の接続点を迂回するESDサージ電流パスが形成されているので、第2電源系入出力回路部へのESDサージによる影響を抑制することができる。
図6において説明された、VDD1−GND2間保護素子601についても、第1電源系の電源配線との接続点は、第1電源系の入出力回路よりも、電源パッドに近い点であることが好ましい。VDD2−GND1間保護素子602も、第2電源系の電源配線との接続点は、第2電源系の入出力回路の接続点と、電源パッドとの間にあることが好ましい。これにより、入出力回路の接続点を迂回するESDサージ電流パスを形成することができる。
実施の形態6
上記の実施の形態1−5において、1つのチップ内において異なる電源系から電力を供給される複数の回路が形成されたSoC(System On Chip)を例としてESD保護に関する説明が行われた。以下の実施形態においては、一つのパッケージ内に複数のチップが実装されるSIP(System In Package)におけるESD保護について説明を行う。まず、SIPのいくつかの態様について説明を行う。尚、上記の実施の形態1−5において説明されたESD保護に関する発明は、以下に説明されるSIPに適用することが可能である。また、上記実施の形態及びSIPにおいて、上記実施形態における電源配線とグランド配線を入れ替えた回路構成に、本発明を適用することが可能である。
図8は、1つのパッケージに一つのチップが実装される従来のパッケージ構成を示している。図8に示すように、組み立て基板810上にはチップ820が実装され、チップ820上に形成されたボンディング・パッド821と組み立て基板810上のボンディング・パッド811がボンディング・ワイヤ831によって接続されている。チップ820はSoCであって、複数の回路822、823が構成されている。組み立て基板810下面には外部との接続のための複数のボール812が配置されている。組み立て基板810内にはボンディング・パッド811、ボール812間を接続する内部配線が形成されている。
次に、SIPの構成例を説明する。以下においては、複数のチップが積層されるチップ・オン・チップ構造を例として説明されるが、複数のチップを平面状に配置するSIPに本発明を適用することも可能である。図9は、SIPの一つの構成例を示す側面図である。SIP900は、第1のチップ910、第2チップ920、組み立て基板930を有している。図9においては、第2チップ920上に第1のチップ910が積層配置され、さらに、これらが組み立て基板930上に配置されている。第1のチップ910と第2チップ920の回路形成面が同じ方向(基板と反対側)にあるように、これらは集積されている。
第1のチップ910は、表面上にボンディング・パッド911、912を備え、組み立て基板930のボンディング・パッド931、932とボンディング・ワイヤ941によって接続されている。第1のチップ910は回路部913及び回路部914を備えている。回路部913、914は、ボンディング・パッド911、912を介して組み立て基板930に接続されている。
また、第2のチップ920は、表面上にボンディング・パッド921、922を備え、組み立て基板930のボンディング・パッド933、934とボンディング・ワイヤ942によって接続されている。第2のチップ910は回路部923及び回路部924を備えている。回路部923、924は、ボンディング・パッド921、922を介して組み立て基板930に接続されている。
第1のチップ910と第2チップ920は個別に組み立て基板930に接続されており、第1のチップ910と第2チップ920の間の接続は、組み立て基板930の内部配線を介して行われる。組み立て基板930の下面には複数のボール935が形成されており、外部回路との接続に使用される。
図10は、SIPの他の構成例を示す側面図である。SIP1000は、第1のチップ1010、第2チップ1020、組み立て基板1030を有している。図10においては、第2チップ1020上に第1のチップ1010が積層配置され、さらに、これらが組み立て基板1030上に配置されている。第1のチップ1010と第2チップ1020の回路形成面が向かい合うように、これらは集積されている。
第1のチップ1010は、第2のチップ1020と向かう側に、回路部1011、1012を有している。また、第2のチップ1020と向かう表面上に接続パッド1013を備えている。同様に、第2のチップ1020は、第1のチップ1010と向かう側に、回路部1021、1022を有している。また、第1のチップ1010と向かう表面上に接続パッド1023を備えている。第1のチップ1010の回路と第2のチップ1020の回路の接続は、これらの接続パッド1013、1023を介して行われる。
第2のチップ1020は、表面上にボンディング・パッド1025、1026を備え、組み立て基板1030のボンディング・パッド1033、1034とボンディング・ワイヤ1042によって接続されている。回路部1021、回路部1022は、ボンディング・パッド1033、1034を介して組み立て基板1030に接続されている。組み立て基板1030の下面には複数のボール1035が形成されており、外部回路との接続に使用される。組み立て基板1030内には内部配線が形成され、ボンディング・パッド1033、1034、ボール1035を接続している。
図10の例においては、第1のチップ1010は組み立て基板1030と直接接続されておらず、組み立て基板1030との接続は、第2のチップ1020を介して行われる。尚、第1のチップ1010がボンディング・パッドを備え、電源、GNDなどの供給を組み立て基板1030から行う回路構成とすることが可能である。
上記の実施の形態1−5において説明されたESD保護に関する回路構成は、上に説明された各SIPに適用することが可能である。例えば、実施の形態1−5において説明された異なる電源系に属する回路部を、それぞれ別のチップ内に形成することができる。上記の第1電源系と第2電源系における信号の入出力は、チップ間接続配線を介して実行される。チップ間接続配線は、上記のように、例えば組み立て基板内配線、あるいは、チップ同士を直接接続する接続パッドなどから構成される。
ここで、図2を参照して説明されたESDサージ電流(Iesd)による影響を、SIPの例について説明する。図2における、第1電源系の回路が第1のチップに形成されており、第2電源系の回路が第2のチップに形成されているとする。図2におけるダイオードによる保護回路117は、チップ間接配線の寄生抵抗成分(RGND12)によって置き換える。すると、第1電源系電源パッド105と第2電源系グランド・パッド114との間にESDサージが印加されたときに、第2電源系入力インバータのNMOSのゲート−ソース間にかかる電圧Vgsは、
Vgs=(Vpower+RGND1*Iesd+RGND1D*Iesd+RGND12*Iesd +RGN2D*Iesd)-Vpmos
となる。
ゲート酸化膜の破壊直前の電圧をVgsmaxとすると、ゲート酸化膜が破壊されない条件は、
RGND12<(Vgsmax+Vpmos-Vpower)/Iesd-RGND1-RGND1D-RGN2D
となる。
一方、図3を参照して説明されたチップ蓄積電荷の放電作用を、同様に、SIPの例について説明する。保護回路117は、チップ間接配線の寄生抵抗成分(RGND12)によって置き換える。放電の際に、入力インバータ204のNMOSのゲート−ソース間電圧Vgsは、
Vgs=(Vpower+RGND1*Icdmg+RGND1D*Icdmg+RGND12*Icdmg
+RGND2D*Icdmg)−(Rs*Icdms+Vpmos+RVDD1*Icdms)
となる。ゲート酸化膜が破壊されない条件は、
RGND12<(Vgsmax+Vpmos-Vpower)/Icdmg
-(RGND1+RGND1D+RGND2D)+(Rs+RVDD1)*Icdms/Icdmg
となる。
実施の形態7
図11は、本形態における半導体集積回路装置の回路構成の概略を説明するブロック図である。図11は、図9に示されたSIPに適用される回路構成を平面図に展開して示している。図11において、1110は第1チップ、1120は第2チップ、1130は第1及び第2チップが実装される組み立て基板である。第1チップ1110は、電源電位を供給する第1チップ電源配線1111と、グランド電位を供給する第1チップグランド配線1112と有している。第1チップ電源配線1111と第1チップグランド配線1112の間において、第1のチップの回路部に電力が供給される。図には明示していないが、第1のチップの回路部は、第2チップ1120の入出力回路部と信号の入力及び/もしくは出力を行うインターフェースとしての入出力回路部と、主要回路としての内部回路部を含んでいる。
第1チップ電源配線1111及び第1チップグランド配線1112のそれぞれは、第1チップのボンディング・パッド1113及び組み立て基板1130を介して外部回路に接続される。具体的には、第1チップ1110のボンディング・パッド1113は、組み立て基板のボンディング・パッド1131にボンディング・ワイヤ1141によって接続されており、さらに、組み立て基板のボンディング・パッド1131は、組み立て基板の内部配線1132を介して外部回路と接続されるボール1135に接続されている。
第2チップ1120は、第1チップ1110の入出力回路部との間において信号の入力及び/もしくは出力を行う入出力回路部1121、入出力回路部1121との間において、レベルシフタ1122を介して信号の入力及び/もしくは出力を行う主要回路部としての内部回路部1123を備えている。主要回路部である内部回路部1123は、入出力回路部1121よりも消費電力は相対的に大きい。内部回路部1123には、第2チップ第1電源配線1124及び第2チップ第1グランド配線1125から電力が供給される。従って、第2チップの内部回路部1123は、第1チップの回路部と電源系が異なる。第2チップ第1電源配線1124及び第2チップ第1グランド配線1125は、第2チップのボンディング・パッド1126を介して組み立て基板1130に接続されている。第1チップ電源配線1111と第1チップグランド配線1112と同様に、組み立て基板のボール1135及びボンディング・パッド1131を介して、外部から第2チップ第1電源配線1124及び第2チップ第1グランド配線1125に電位を与えることができる。
入出力回路部1121には、第1チップ1110から電源及びグランド電位が供給されている。第1電源配線及び第1グランド配線は、チップ間接続配線(配線及びパッドなどの端子を含む)を介して、入出力回路部1121の入出力回路部電源配線1127と入出力回路部グランド配線1128に接続されている。チップ間配線には寄生の抵抗成分1151が存在しているが、第1チップ電源配線1111と入出力回路部電源配線1127及び第1チップグランド配線1112と入出力回路部グランド配線1128は、それぞれ保護素子を介することなく接続されている。
従って、第1チップ1110(の入出力回路部)と入出力回路部1121の間において、電源及びグランド電位のそれぞれは同一であり、電源系が共通である。尚、引き込まれた電力供給配線(電源・グランド配線)によって動作する入出力回路部は、相対的に電源系が多いチップ、もしくは、相対的に接合耐圧が低いチップに形成することが好ましい。これらにおいては、保護回路のための領域が相対的に小さいため、全体的な回路構成を効率化することができる。
レベルシフタ1122には、入出力回路部電源配線1127及び第2チップ第1電源配線1124が接続され、これらは保護回路1129を介して接続されている。また、入出力回路部グランド配線1128及び第2チップ第1グランド配線1125がレベルシフタ1122に接続され、これらは保護回路1129を介して接続されている。第1チップ1110と第2チップ1120の電位値は同一、もしくは、異なる電位値であることができる。
本形態において、第1チップ1110の内部回路部と第2チップ1120の内部回路部間において異なる電源系が構成されている。また、第1チップ1110の回路(内部回路及び入入出力回路部)と第2チップの入出力回路部1121の間で信号の受け渡しが行われ、これらは共通の電源系に含まれ、電源及びグランド電位が同一である。図11に示すように、入出力回路部1121と信号の受け渡しを行う第1チップ1110の回路の電源とグランドが第2チップ1120に引き込まれ、入出力回路部1121には引き込まれた電源・グランドが供給されている。チップ間のESD放電において、ESD電流は主に共通化された電源配線・グランド配線(電力供給配線)を流れるため、チップ間における入出力回路間の電位差を小さくすることができる。このため、チップ間で信号の受け渡しを行う入出力回路部のトランジスタ破壊を防止する、あるいは、そのためのESD保護回路を低減することができる。
実施の形態8
図12は、本形態における半導体集積回路装置の回路構成の概略を説明するブロック図である。図12は、図10に示されたSIPに適用される回路構成を平面図に展開して示している。第2チップへの電源及びグランド電位の供給は、第1チップ内の配線を介して行われる。図12に示すように、第1チップ1210は、第1回路部1211と第2回路部1212を備えている。第1回路部1211と第2回路部1212は、異なる電源系に含まれている。これらの電位値は、同一もしくは異なるものであることができる。第1回路部1211へは第1チップの第1電源配線1213及び第1グランド配線1214から電力が供給される。第1チップの第2回路部1212へは、第1チップの第2電源配線1215及び第2グランド配線1216から電力が供給される。第1及び第2電源配線1213、1215、第1及び第2グランド配線1214、1216は、ボンディング・パッド1113を介して、外部と接続されている。
第2チップ1220は、第1回路部1221と第2回路部1222を備えている。第2チップの第1回路部1121は第1チップの第1回路部1211と信号の受け渡しを行い、第2チップの第2回路部1222は、第2チップの第2回路部1212と信号の受け渡しを行う。また、第2チップの第1回路部1221へは、第1チップの第1回路部1211の電源とグランドが引き込まれ、これらには、同一の電源及びグランド電位が供給される。同様に、第2チップの第2回路部1222へは、第1チップの第2回路部1212の電源とグランドが引き込まれ、これらには、同一の電源及びグランド電位が供給される。
具体的には、第1チップの第1電源配線1213と第2チップの第1回路部へ電力供給する電源配線1223は、チップ間接続配線(配線及びパッドなどの端子を含む)を介して接続されている。チップ間配線には、寄生の抵抗成分1251が存在しているが、電源配線1213、1223は保護素子を介することなく接続されている。同様に、第1チップの第1グランド配線1214と第2チップの第1回路部へ電力供給するグランド配線1224は、保護素子を介することなく接続されている。このように、第2チップの第1回路部1221への電源、グランド電位は、第1チップの第1回路部1211の電源配線、グランド配線を介して供給されている。
第1チップの第2回路部1212及び第2チップの第2回路部1222の電源・グランド系についても、上記第1及び第2チップの第1回路部1211、1221と同様の構成となっている。第1チップ1210と第2チップ1220の間において、第2回路部の電源配線1215、1225、及び、グランド配線1216、1226のそれぞれは、保護素子を介することなく、チップ間配線によって接続されている。
このように、第1チップ1210及び第2チップ1220のそれぞれが、電源系の異なる回路部(第1回路部1211、1221と第2回路部1212、1222)を備えている場合において、第1及び第2チップ間において信号の受け渡しを行う回路部間(第1回路部1211、1221の間、及び、第2回路部1212、1222の間)において、電源系は共通である。チップ間のESD放電において、ESD電流は主に共通化された電源配線・グランド配線(電力供給配線)を流れるため、チップ間で信号の受け渡しを行う回路部のトランジスタ破壊を防止する、あるいは、そのためのESD保護回路を低減することができる。
実施の形態9
図13は、本形態における半導体集積回路装置の回路構成の概略を説明するブロック図である。図13は、図10に示されたSIPに適用される回路構成を平面図に展開して示している。第1チップ1310は、主要回路の一つである第1内部回路部1311と、主要回路の一つである第2内部回路部1312を備えている。第1内部回路部1311と第2内部回路部1312は、異なる電源系に含まれている。これらの電位値は、同一もしくは異なるものであることができる。
第1内部回路部1311へは第1電源配線1313及び第1グランド配線1314から電力が供給される。第2内部回路部1312へは、第2電源配線1315及び第2グランド配線1316から電力が供給される。第1、第2電源配線1313、1315及び第1、第2グランド配線1314、1316は、ボンディング・パッド1131を介して、外部と接続されている。
第1チップ1310は、さらに、第1内部回路部1311と第2チップの回路部の間において信号のインターフェース回路として機能する入出力回路部1317を備えている。入出力回路部1317は、第1内部回路部1311及び第2内部回路部1312とは異なる電源系に含まれ、第3の電源配線1318及び第3のグランド配線1319から電源電位及びグランド電位が供給される。第3の電源配線1318及びグランド配線1319は、ボンディング・パッド1113を介して外部回路に接続されている。また、第3の電源配線1318及び第3のグランド配線1319は、第2チップ1320とチップ間接続配線を介して接続される。尚、図13においては、第1内部回路部1311と入出力回路部1317の間のレベルシフタは省略されている。
第2チップ1320は回路部1321を備えている。図に明示しないが、回路部1321は入出力回路部と主要回路部としての内部回路部を有している。回路部1321(の入出力回路部)は、第1チップの入出力回路部1317と信号の受け渡しを行う。回路部1321への電力は、第1チップの第3電源配線1318及び第3グランド配線1319を介して供給される。第2チップ1320には、電源配線1322とグランド配線1323が形成されており、これらは、第3の電源配線1318及び第3のグランド配線1319と、チップ間接続配線によって接続される。チップ間接続配線は寄生抵抗成分1351を含んでいるが、第2チップの電源配線1322とグランド配線1323のそれぞれは、第3の電源配1318線及び第3のグランド配線1319のそれぞれと、保護回路を介することなく接続されている。これによって、第1チップの入出力回路部1317と第2チップ1320は回路部1321の電源系が共通化される。
上記のように、第1チップの第1回路部1311と第2チップの回路部1321は異なる電源系に含まれ、これらの回路間において信号の入出力が行われる。さらに、第1チップ1310上には、上記回路間の信号のインターフェースを行う入出力回路部1317が形成されている。第1チップの入出力回路部1317と第2チップの回路部1321(入出力回路部と内部回路部を含む)は、同一の電源系に含まれており、入出力回路部1317に電源、グランド電位を供給する第3電源配線・グランド配線1318、1319を介して、第2チップの回路部1321に電力が供給されている。チップ間のESD放電において、ESD電流は主に共通化された電力供給線としての電源配線(1322、1318)・グランド配線(1323、1319)を流れるため、チップ間で信号の受け渡しを行う入出力回路のトランジスタ破壊を防止する、あるいは、そのためのESD保護回路を低減することができる。
実施の形態10
図14は、本形態における半導体集積回路装置の回路構成の概略を説明するブロック図である。図14は、図11に示された回路構成に加え、チップ間において、第1チップ及び第2チップの入出回路部を迂回して形成された電源配線及びグランド配線経路を備えている。尚、図11における保護回路1129を介した接続は、本例ではなされていない。図14を参照して、第1チップ1110は、内部回路部1411と、第2チップ1120との間で信号の入力及び/もしくは出力を行う入出力回路部1412と、を有している。内部回路部1411と入出力回路部1412の電源及びグランドは共通化されており、これら回路部は、電源配線1111とグランド配線1112の間において電力を供給されている。
第2チップの入出力回路部1121は、第1チップの入出力回路部1412との間で信号の入力及び/もしくは出力を行う。第2チップの入出力回路部1121の電源及びグランドは第1チップの入出力回路部1412と共通化されており、これらは共通の電源系に含まれている。図14に示すように、第1チップの電源配線1111は分岐し、一方の配線経路は、第1チップの入出力回路部1412と第2チップの入出力回路部1121へ電源電位を供給する。もう一方の配線経路は、ESD放電用経路として、チップ間配線を介して第2チップ1120の内部回路部1123の電源配線1124に保護回路1441を介して接続される。
第1チップの電源配線1111から分岐した電源配線1413は第1チップの入出力回路部1412を迂回し、これに接続されず、入出力回路部1412に電源電位を供給していない。分岐した電源配線1413は、チップ間接続配線を介して、第2チップの配線1421に接続されている。第2チップの配線1421は、保護回路1441を介して、配線1422によって第2チップ内部回路1123の電源配線1124に接続される。第2チップの配線1421及び1422によって規定される経路は、第2チップの入出力回路部1121へ電力供給を行うことなく、入出力回路部1121を迂回して形成されている。
グランド配線についても同様の構成となっている。第1チップのグランド配線1112は分岐し、一方の配線経路は、第1チップの入出力回路部1142及び第2チップの入出力回路部1121へグランド電位を供給し、もう一方の配線経路は、ESD放電用経路として、チップ間配線、保護回路1442を介して第2チップ内部回路1123のグランド配線に接続される。グランド配線1112から分岐したグランド配線1414は第1チップの入出力回路部1412を迂回し、これに接続されず、入出力回路部1412にグランド電位を供給していない。
第1チップの分岐したグランド配線1414は、チップ間接続配線を介して、第2チップの配線1423に接続される。第2チップの配線1423は、保護回路1442、配線1424を介して、第2チップ内部回路1123のグランド配線1125に接続されている。このように、第2チップ1120において、内部回路1123に電力供給するグランド配線1125は分岐し、ESD放電用の配線経路が形成されている。この配線経路を構成する配線1423、配線1424は、第2チップの入出力回路部1121を迂回し、これに接続されず、入出力回路部1121に電力を供給していない。
本形態において、第2チップの内部回路部の電源配線1124と、第1チップの内部回路部の電源配線1111との間において、第1及び第2チップの入出力回路部1412、1121に接続されず、これらを迂回するESD放電用の経路が形成されている。同様に、第2チップ内部回路部のグランド配線1125と、第1チップ内部回路部のグランド配線1112との間において、第1及び第2チップの入出力回路部1412、1121に接続されず、これらを迂回するESD放電用の経路が形成されている。外部接続端子(ボンディング・パッド)及びチップ間を流れるESD電流は、主にこのESD放電用経路を流れるので、チップ間で信号の受け渡しを行うインターフェース回路のトランジスタ破壊を防止する、あるいは、このためのESD保護回路を低減することができる。尚、本例においては第2チップの内部回路部1123と第1チップの内部回路部1411の電源系が異なるが、本発明を、これらが共通化された回路構成に適用することも可能である。
実施の形態11
図15は、本形態における半導体集積回路装置の回路構成の概略を説明するブロック図である。図15は、図13に示された回路構成に加え、第1チップの入出力回路部と第2チップの入出力回路部の電源・グランド配線を、チップ間接続を介して直接に接続する配線経路が形成されている。図15を参照して、1511は、第1チップ1310において、内部回路部1311と入出力回路部との間のレベルシフタである。第2チップは内部回路1521と、第1チップとの間で信号の入力及び/もしくは出力を行う入出力回路部1522を有している。第2チップの入出力回路部1522は、第1チップの入出力回路部1317との間で信号の入力及び/もしくは出力を行う。
第1チップの第3電源配線1318は分岐し、一方の配線経路は第2チップの内部回路部1521へ電源電位を供給し、もう一方の配線経路は第1チップの入出力回路部1317及び第2チップの入出力回路部1522へ電源電位を供給する。具体的には、第3電源配線1318は第1チップ内において分岐され、一方の電源配線1512は第1チップの入出力回路部1317に接続され、電力を供給する。さらに、電源配線1512は、チップ間接続配線を介して、第2チップの入出力回路部1522に電力を供給する電源配線1523に接続されている。電源配線1512と電源配線1523は、保護回路を介することなく接続され、電源系が共通化されている。
第3電源配線1318のもう一方の配線経路は、チップ間接続配線を介して第2チップ内部回路部に電力供給する電源配線1322に接続されている。第2チップ1320において、第2チップ内部回路部の電源配線1322と電源配線と、入出力回路部1522の電源配線1523とは、保護回路1541を介して接続されている。
グランド配線についても、上記電源配線と同様の構成となっている。第1チップの第3グランド配線1319は分岐し、一方の配線経路は第2チップの内部回路部1521へ電力を供給し、もう一方の配線経路は第1チップの入出力回路部1317及び第2チップの入出力回路部1522へ電力を供給する。具体的には、第3グランド配線1319は第1チップ1310内において分岐され、一方のグランド配線1513は第1チップの入出力回路部1317に接続され、グランド電位を供給する。さらに、第1チップの入出力回路部1317のグランド配線1513は、チップ間接続配線を介して、第2チップの入出力回路部1522へグランド電位を供給するグランド配線1524に接続されている。グランド配線1513とグランド配線1524は保護回路を介することなく接続され、電源系は共通化されている。
もう一方の第3グランド配線1319の配線経路は、チップ間接続配線を介して第2チップの内部回路部1521に電力供給するグランド配線1323に接続されている。第2チップにおいて、内部回路部のグランド配線1323と、入出力回路部1522のグランド配線1524とは、保護回路1542を介して接続されている。
上記のように、第2チップの入出力回路部へ電力供給する電源配線・グランド配線経路と、第2チップの主要回路部である内部回路部1521へ電力供給する電源配線・グランド配線とは、別に形成されている。第1チップの電力供給配線1318、1319と、第2チップの内部回路部1521の電力供給配線1322、1323を接続する配線経路は、第1及び第2チップの入出力回路部に接続されることなく、これらを迂回するように形成されている。これによって、第2チップの内部回路部1521からのCDM放電電流は、主にこの配線経路を介して放電される。一方、第2チップの入出力回路部1522の電源配線・グランド配線の浮遊容量は、第2チップの内部回路部1521の電源配線・グランド配線よりも小さいので、入出力回路部間のCDM放電電流が小さくなり、チップ間で信号の受け渡しを行う回路のトランジスタ破壊を防止する、あるいは、ESD保護回路を低減することができる。尚、上記例においては、第1チップの内部回路部1311と第2チップの内部回路部1521は異なる電源系に属するが、本発明をこれらの回路の電源系が共通化された回路構成に適用することも可能である。
実施の形態12
図16は、図15に示された回路構成において、第1チップの入出力回路部1317付近の好ましい回路構成を示している。図16において、1601は入出力回路部内の各回路要素、1602は各回路要素の第2チップ1320とのチップ間信号接続点である。各回路要素1601には、電源配線1512及びグランド配線1513から電力が供給されている。1603は、第2チップの内部力回路部1521へ電源電位を供給する電源配線1318の接続点を示して、1604は、第2チップの内部回路部1521へグランド電位を供給するグランド配線1319の接続点を示している。接続点1603、1604は、第1チップの入出力回路部1317と外部接続点(ボンディング・パッド1131)との間に形成される。
1605は、電源配線1512における、第2チップの入出力回路部1522へ電源電位を供給する電源配線1523との接続点である。電源配線1512には、複数の接続点1605が設けられている。好ましくは、各チップ間信号接続点1602の間に、電源配線の接続点1605が配置される。グランド配線1513についても同様に構成されている。1606は、グランド配線1513における、第2チップの入出力回路部1522へグランド電位を供給するグランド配線1524との接続点である。グランド配線1513には、複数の接続点が設けられている。好ましくは、各チップ間信号接続点1602の間に、グランド接続点1606が配置される。このように、電源配線もしくはグランド配線に関して、第1及び第2チップの入出力回路部間において複数のチップ間接続点及びチップ間接続配線を形成することによって、第1及び第2チップの入出力回路部間の寄生抵抗を小さくすることができる。
尚、上記図11−15を参照して、SIPにおける回路構成について説明したが、図11−15において、チップ内の異なる電源・グランド間、電源・電源間、あるいはグランド・グランド間に保護回路を形成することができる。上記説明においてこれらは省略されているが、これら保護回路を有する回路構成に本発明を適用することが、もちろん可能である。
その他の形態
本発明に係る半導体集積回路装置の設計方法について説明する。上記実施の形態において、高いESD耐量を得ることができるLSIチップ回路構成が説明された。これら回路構成を得るためには、LSIチップの設計段階において、EDS耐量を考慮した設計を行うことが必要となる。一つには、レイアウト設計のためにESDサージ電流が抜ける経路上の抵抗を小さくする回路構成を予め作りこむことで、高いESD耐量を持つLSIを、LSIの内部回路構成によらず、自動レイアウト設計することが可能となる。あるいは、ESDサージ電流パスが入出力回路部の接続点を迂回するように自動レイアウト設計されることで、高いESD耐量のLSIチップを設計することができる。本発明に係る半導体集積回路装置を設計するために、ESD耐量が弱い箇所を見つけ出すことが必要となる。複数の電源系を備える回路においては、異なる電源系間で信号の受け渡しを行う入出力回路部見つけ出すことが必要であり、特に、異なる電源系から信号を入力するトランジスタを見つけることが重要である。
図17は、半導体集積回路装置の設計装置の論理を示す構成図である。図17において、1701はセルの形状やピン配置など、多くのセルに関する情報を格納する
セルライブラリ、1702はセル配置において予め設定されている配置ルールである。1703は入力された回路データ1704から、セルがレイアウトされた回路データ1705を生成する配置設計部である。配置設計部1703は、予め用意されているセルライブラリと配置ルールに基づいて、セルがレイアウトされた回路データ1705を生成する。配置設計部1703は、素子/回路特定部1706と配置設計処理部とを備えている。素子/回路特定部1706は、回路データ1704とセルデータに基づき、異なる電源系間で信号の受け渡しを行う入出力回路部、もしくは入出力回路部内の特定の回路を見つけ出す機能を備えている。配置設計処理部1707は、回路全体の配置設計において、特定された入出力回路部を、予め定められた配置ルール1702に従って、配置することができる。
レイアウト設計にける、素子/回路特定部1706の処理について説明する。異なる電源系から信号を入力するトランジスタを見つける処理の一つは、次の処理フローにより構成することができる。まず、レイアウト設計するトランジスタ回路データ1704を取得する。回路データにおいて、少なくとも1端子が電源端子に接続された素子は、電源に接続されていない端子も電源に接続されるよう接続情報を変更する、又は、その素子をショートさせる。例えば、ドレイン、ゲート、ソース、バックゲートの内、ソースが電源端子に接続されたMOSトランジスタは、ドレイン、ゲート、バックゲートも電源に接続する。尚、接続情報を変更して素子をショートさせるのではなく、予め接続をショートさせたセルを用意しておき、そのセルと入れ替えることも可能である。
次に、電源パッドにテキストを打つ。このとき、異なる電源パッドには異なるテキストが打たれる。最後に、異なるテキストが打たれた端子同士がショートしている接続点を見つける。この接続点が、異なる電源系から信号を入力する素子と特定される。異なる電源系から信号を入力する素子が特定されると、異なる電源系間で信号の受け渡しを行う入出力回路部を特定することができる。
素子と入出力回路部とが特定されると、上記実施の形態において説明された回路構成を行うように、予め定められた配置ルール1702に基づいて、配置設計処理部1707によってレイアウト設計がなされる。例えば、異なる電源系の入出力回路が近傍域内に配置され、異なる電源系の境界に配置されるよう設計される。あるいは、入力回路と出力回路との間のESD配線遅延が小さくなるように設計される。ESD配線遅延は、例えば、配線長の長さを小さくし、あるいは配線幅の増加や抵抗を下げるよう設計することによって小さくすることができる。電源配線、グランド配線及び保護素子に関して上記に説明された各接続態様についても、ESDに関する設計ルールとして明示的に示されたルールに基づいて、回路設計がなされる。又、異なる電源系から信号を入力するMOSトランジスタを特定することによって、ゲート絶縁膜破壊を防止する保護素子としてのクランプ素子を備えるセルを追加する、あるいはそのようなセルと入れ替える設計を行うことができる。
図18は、本形態の設計装置1800のハードウェア構成の一例を示す。設計装置の機能はCPU1810、ROM1820、RAM1830、ハードディスクドライブ1840、及び外部記憶装置としてのCD−ROM1850ドライブを備える計算機と、計算機上で実行されるプログラムとの連携により実現される。セルライブラリ801及び配置ルール802は、ハードディスク1840内に予め記憶しておくことができる。設計装置の機能を実現するプログラムは計算機を、素子/回路特定部1706、配置設計処理部1707、セルライブラリ格納部、配置ルール格納部として機能させることができる。プログラムもしくは必要なデータは、フレキシブルディスク、CD−ROMのほか、光ディスク、光磁気ディスク、テープ媒体など、様々な記録媒体に記録することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、高いESD耐量を実現するLSIを容易に設計できる設計方法を提供することができる。特に、高いESD耐量を持つLSIを自動レイアウト設計可能とする設計方法を提供することができる。あるいは、ESDサージ電流が抜ける経路の抵抗を予め小さくする工夫を作りこむことで、自動設計時の制約をなくすことができる。
101 第1電源系回路部、103 第1電源系内部回路部、104 第1電源系入出力回路部、104 第1電源系入出力回路、105 第1電源系電源パッド、106 第1電源系電源配線、107、108 第1電源系グランド・パッド、109 第1電源系グランド配線、110 第2電源系内部回路部、111 第2電源系入出力回路部、112 第2電源系電源パッド、113 第2電源系電源配線、114、115 第2電源系グランド・パッド、116 第2電源系グランド配線、117 ESD保護素子、201 電源保護回路、202 電源保護回路、203 出力インバータ、204 入力インバータ、205 信号配線、401 デジタル回路部、402 アナログ・マクロ、403 アナログ内部回路、404 入出力回路部、405 第1電源系の入出力回路部、406 第2電源系の入出力回路部、407 第1電源系出力インバータ、408 第1電源系入力インバータ、409 第2電源系出力インバータ、410 第2電源系入力インバータ、501 VDD1−GND1間保護素子、502 VDD2−GND2間保護素子、601 VDD1−GND2間保護素子、602 VDD2−GND1間保護素子、701 VDD1−GND1間保護素子、702 VDD2−GND2間保護素子、810 組み立て基板、811 ボンディング・パッド、812 ボール、820 チップ、821 ボンディング・パッド、822、823 回路部、831 ボンディング・ワイヤ、900 SIP、910 第1のチップ、911、912 ボンディング・パッド、913、914 回路部、920 第2チップ、921、922 ボンディング・パッド、923、924 回路部、930 組み立て基板、931、932 ボンディング・パッド、933、934 ボンディング・パッド、935 ボール、941 ボンディング・ワイヤ、942 ボンディング・ワイヤ、1000 SIP、1010 第1チップ、1011、1012 回路部、1013 接続パッド、1020 第2チップ、1021、1022 回路部、1023 接続パッド、1025、1026 ボンディング・パッド、1030 組み立て基板、1033、1034 ボンディング・パッド、1035 ボール、1042 ボンディング・ワイヤ、1110 第1チップ、1111 電源配線、1112 グランド配線、1113 ボンディング・パッド、1120 第2チップ、1121 入出力回路部、1122 レベルシフタ、1123 内部回路部、1129 保護回路、1130 組み立て基板、1131 ボンディング・パッド、1132 内部配線、1135 ボール、1141 ボンディング・ワイヤ、1151 寄生抵抗成分、1210 チップ、1211、1212 回路部、1213 電源配線、1214 グランド配線、1215 電源配線、1216 グランド配線、1220 チップ1221、1222 回路部、1223 電源配線、1224 グランド配線、1225 電源配線、1226 グランド配線、1251 寄生抵抗成分、1310 チップ、1311 内部回路部、1312 内部回路部、1313 電源配線、1314 グランド配線、1315 電源配線、1316 グランド配線、1317 入出力回路部、1318 電源配線、1319 グランド配線、1320 チップ、1321 回路部、1322 電源配線、1323 グランド配線、1351 寄生抵抗成分、1411 内部回路部、1412 入出力回路部、1413 電源配線、1414 グランド配線、1421 電源配線、1422 電源配線、1423 グランド配線、1424 グランド配線、1441、1442 保護回路、1511 レベルシフタ、1512 電源配線、1513 グランド配線、1521 内部回路部、1522 入出力回路部、1523 電源配線、1524 グランド配線、1541、1542 保護回路、1601 入出力回路部内の回路要素、1602 回路要素の第2チップとのチップ間信号接続点、1603 第2チップの内部力回路部へ電源電位を供給する電源配線の接続点、1604、第2チップの内部回路部へグランド電位を供給するグランド配線の接続点、1605 電源配線における、第2チップの入出力回路部へ電源電位を供給する電源配線との接続点、1606 グランド配線における、第2チップの入出力回路部へグランド電位を供給するグランド配線との接続点

Claims (13)

  1. 一つのパッケージ内に実装される第1チップと第2チップを有する半導体集積回路装置であって、
    前記第1チップは、第1内部回路部と第1インターフェース回路部を備え、
    前記第2チップは、第2内部回路部と第2インターフェース回路部を備え、
    前記第1内部回路部と第2内部回路部とは電源系が異なり、
    前記第1内部回路部と第2内部回路部は、前記第1インターフェース回路部と前記第2インターフェース回路部を介して信号の入力及び/もしくは出力を行い、
    前記第1インターフェース回路部と前記第2インターフェース回路部の電源系は共通化されている、
    半導体集積回路装置。
  2. 前記第1内部回路と前記第1インターフェース回路部の電源系は共通化されている、請求項1に記載の半導体集積回路装置。
  3. 前記前記第1内部回路への電力は、前記第1チップに形成された外部端子を介して供給され、
    前記前記第2内部回路への電力は、前記第2チップに形成された外部端子を介して供給される、
    請求項2に記載の半導体集積回路装置
  4. 前記第1チップは、前記第1インターフェース回路部へ電力を供給する電力供給配線をさらに備え、
    前記電力供給配線を介して前記第2内部回路部へ電力が供給され、前記第1インターフェース回路部と前記第2内部回路部の電源系が共通である、
    請求項1に記載の半導体集積回路装置。
  5. 前記第2インターフェース回路部と前記第2内部回路部とは電源系が異なる、請求項4に記載の半導体集積回路装置。
  6. 前記第2チップは、前記第2インターフェース回路部へ電力供給する第1の電力供給配線と、前記第2内部回路部へ電力供給する第2電力供給配線を供え、
    前記第1の電力供給配線と前記第2電力供給配線は保護回路を介して接続されている、
    請求項5に記載の半導体集積回路装置。
  7. 一つのパッケージ内に実装される第1チップと第2チップを有する半導体集積回路装置であって、
    前記第1チップは、第1インターフェース回路部と、前記第1インターフェース回路部への電力を伝送する第1電力供給配線と、を備え、
    前記第2チップは、第2内部回路部と、前記第2内部回路部への電力を伝送する第2電力供給配線と、第2インターフェース回路部と、を備え、
    前記第1インターフェース回路部と第2内部回路部は、前記第2インターフェース回路部を介して信号の入力及び/もしくは出力を行い、
    前記第1電力供給配線から、前記第1及び第2インターフェース回路部に電力を供給する配線経路が形成され、
    前記第1電力供給配線と前記第2電力供給配線とを結び、前記第1及び第2インターフェース回路部を迂回する配線経路が形成されている、
    半導体集積回路装置。
  8. 前記第1電力供給配線と前記第2電力供給配線とは保護回路を介して接続されている、請求項7に記載の半導体集積回路装置。
  9. 前記第1電力供給配線と前記第2電力供給配線とは保護回路を介することなく接続され、共通の電源系に属している、請求項7に記載の半導体集積回路装置。
  10. 前記第1及び第2インターフェース回路部に電力を供給する配線経路と、前記第2電力供給配線とは、保護回路を介して接続されている、請求項9に記載の半導体集積回路装置。
  11. 前記第1電力供給配線と前記第2電力供給配線とを結び前記第1及び第2インターフェース回路部を迂回する配線経路と、前記第1電力供給配線との接続点は、前記第1インターフェース回路部と前記第1電力供給配線が接続される外部端子との間にある、請求項9に記載の半導体集積回路装置。
  12. 前記第1電力供給配線には、前記第1及び第2インターフェース回路部に電力を供給する複数の接続点が形成されている、請求項9に記載の半導体集積回路装置。
  13. 一つのパッケージ内に実装される第1チップと第2チップを有する半導体集積回路装置であって、
    前記第1チップは、第1インターフェース回路部と、前記1インターフェース回路部に接続され前記第1インターフェース回路部に電力を供給する電力供給配線と、を備え、
    前記第2チップは、前記第1インターフェース回路部との間において信号の入力及び/もしくは出力を行い、前記電力供給配線を介して電力を供給される第2インターフェース回路部を備え、
    前記電力供給配線は、前記第2インターフェース回路部へ電力供給する複数の接続点を備えている、
    半導体集積回路装置。
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