JP2011204821A

JP2011204821A - 半導体装置

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Publication number: JP2011204821A
Application number: JP2010069287A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nose; 浩一野瀬; Motohiro Nakagawa; 源洋中川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: JP5556294B2

Abstract

【課題】既存の集積回路チップを用い、チップ間の通信を非接触通信手段により実現した半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、半導体チップ１０１−１の外部接続パッドがフリップチップ接続される複数の接続パッド１１１と、複数の接続パッドにそれぞれ対応して設けられた複数の非接触通信インタフェース回路１１３とを有するルータチップ１０２−１を備えている。このルータチップ１０２−１を、他の半導体チップ１０１−２が搭載された同様の構成を持つルータチップ１０２−２と重ねることで、半導体チップ間の通信を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、複数の集積回路チップを積層した３次元積層構造の半導体装置に関する。

複数の集積回路（ＬＳＩ：Large Scale Integration）チップを互いに重ね合わせ、１つのシステムとして機能させるシステム・イン・パッケージ（ＳｉＰ）と呼ばれる半導体装置がある。そして、この種の半導体装置には、積層されたチップ間の通信を非接触通信技術により行うものがある（例えば、特許文献１乃至５参照）。

非接触通信技術を用いたチップ間通信は、ワイヤーボンディングによるチップ間通信に比べて、広帯域データ伝送が可能であり、また、配線スペースが不要でチップの実装面積を低減できるという利点がある。また、積層されたチップ間を貫通ビアにより接続する場合に比べて製造が容易で、歩留まりが高いという利点もある。

特開２００５−２０３６５７号公報特開２００７−０７３６００号公報特開２００７−１６５４５９号公報特開２００８−００４７１４号公報特開平０８−２３６６９６号公報

特許文献１乃至５に記載されている集積回路は、いずれも、非接触通信用のインタフェースを備える集積回路チップ、即ち専用設計された集積回路チップ、を積層するものである。つまり、これらの集積回路は、専用設計された集積回路チップを必要とし、既存の集積回路チップを用いて構成することができないという問題点がある。

本発明は、複数の既存の集積回路チップを互いに積層するとともに、チップ間の通信を非接触通信手段により実現できる半導体装置を提供しようとするものである。

本発明の一形態に係る半導体装置は、半導体チップの外部接続パッドが接続される複数の接続パッドと、前記複数の接続パッドにそれぞれ対応して設けられた複数の非接触通信手段とを有する通信用チップを備えることを特徴とする。

本発明によれば、接続パッドと非接触通信手段とを有する通信用チップを備えたことで、既存の半導体チップをこの通信用チップに搭載し、別の通信用チップに搭載された別の既存の半導体チップとの間で非接触通信を実現することができる。これにより、既存の半導体チップを用いて３次元構造の半導体装置を構成することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の概略構成を示す斜視図である。図１の半導体装置に用いられる集積回路チップの外部接続パッドの配置例及びルータチップの接続パッドを含む各部の配置例を示す図である。図１の半導体装置に用いられるルータ回路の一構成例を示す回路図である。図３のルータ回路に用いられる状態保持回路の一構成例を示す回路図である。（ａ）及び(ｂ)は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の動作を説明するための図である。本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の概略構成を示す斜視図である。（ａ）及び（ｂ）は、図６の半導体装置の動作を説明するための図である。図６の半導体装置に用いられる状態保持回路の一構成例を示す回路図である。本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置に用いられる集積回路チップの外部接続パッドの配置例及びルータチップの接続パッドを含む各部の配置例を示す図である。本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置の変形例を説明するための図である。本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置に用いられる出力回路の一構成例を示す回路図である。

まず、本発明の概略について説明する。

本発明は、ＣＰＵやメモリを搭載した既存の第１のＬＳＩ（既存ＬＳＩ）のほかに、非接触通信インタフェース回路を具備した第２のＬＳＩ（ルータＬＳＩ）を用い、既存ＬＳＩとルータＬＳＩの間を例えばバンプで接続する。既存ＬＳＩとルータＬＳＩの組み合わせを２組用意し、これらを３次元積層する。これにより、積層された２つの既存ＬＳＩの間で相互通信が可能となる。また、既存ＬＳＩとルータＬＳＩの間をバンプ接続した場合には、ワイヤーボンディングを用いる場合に必要となる配線スペースを不要にでき、貫通ビアを形成する場合に必要となる特殊な技術を不要にできる。

また、本発明は、非接触通信インタフェース回路ごとにルータ回路を配置し、接続パッドと非接触通信インタフェース回路との間の信号経路を変更可能にする。これにより、同一構成のルータＬＳＩを異なるシステムで使用可能にし、製品ごとにルータＬＳＩを設計し直す手間を省くことができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る３次元積層型の半導体装置（集積回路）の概略構成を示す斜視図である。

図示の集積回路は、第１及び第２の既存の集積回路チップ（既存ＬＳＩ（Large Scale Integration））１０１−１及び１０１−２と、これら第１及び第２の集積回路チップ１０１−１及び１０１−２にそれぞれ対応する通信チップとしての第１及び第２のルータチップ（ルータＬＳＩ）１０２−１及び１０２−２を有している。

第１及び第２の集積回路チップ１０１−１及び１０１−２は、それぞれＣＰＵやメモリなどの１つ以上の機能ブロック（図示せず）と、外部接続用パッド（図２参照）を備えている。複数の外部接続用パッドには、信号用パッドと電源用パッドが含まれる。第１及び第２の集積回路チップ１０１−１及び１０１−２の構成は、互いに同じであっても、異なるものであってもよい。ただし、複数の外部接続用パッドについては、予め定められ規則に従って位置決めされているものとする。これは、各外部接続用パッドが予め定められた規則によって定まる位置にあれば、集積回路チップ１０１−１及び１０１−２に対して専用のルータチップを用意する必要が無く、同一構成のルータチップを第１のルータチップ１０２−１としても第２のルータチップ１０２−１としても用いることができるからである。本実施の形態では、各外部接続用パッドが予め定められた規則によって定まる位置にありさえすれば、外部接続用パッドの数や信号割当については任意に定めることができる。複数の外部接続用パッドは、例えば、フリップチップに必要な間隔を空けて行列配置される。

第１及び第２のルータチップ１０２−１及び１０２−２は、それぞれ、予め定められた規則に従って位置決めされた複数の接続パッド１１１を有している。これら接続パッド１１１の位置決め規則は、第１及び第２の集積回路チップ１０１−１及び１０１−２における外部接続用パッドの位置決め規則と同じである。これら接続パッド１１１のうちの全部又は一部（図１では全部）がバンプ１１２を用いたフリップチップ接続（バンプ接続）により、第１及び第２の集積回路チップ１０１−１又は１０１−２の外部接続用パッドに１対１で接続される。

また、第１及び第２のルータチップ１０２−１及び１０２−２の各々は、それぞれ、複数の接続パッド１１１にそれぞれ対応する非接触通信インタフェース回路１１３及びルータ回路１１４と、少なくとも一つのボンディングパッド１１５を有している。各ルータ回路１１４は、対応する接続パッド１１１及び非接触通信インタフェース回路１１３に接続されるとともに、少なくとも一つの別のルータ回路１１４に接続されている。また、ボンディングパッド１１５は、ボンディングワイヤ１１６が接続されると共に、ルータ回路１１４のいずれかに接続されている。

なお、ルータ回路１１４を用いることなく接続パッド１１１と非接触通信インタフェース回路１１３とを直接接続することも可能である。しかしながら、その場合は、後述する信号経路の変更がができなくなる。

また、ルータ回路１１４は、２以上のルータ回路１１４を一纏めにすることも可能である。しかしながら、配置スペースや配線長を考慮すると、接続パッド１１１毎（又は非接触通信インタフェース回路１１３毎）に設けることが好ましい。

第１及び第２の集積回路チップ１０１−１及び１０１−２を第１及び第２のルータチップ１０２−１及び１０２−２にそれぞれバンプ接続して、集積回路チップが搭載されたルータチップを２組得る。得られた２組のチップを、非接触通信インタフェース回路１１３同士が相対するように重ね合わせることで、図１の３次元構造の集積回路を形成することができる。これにより、互いに対向する非接触通信インタフェース回路１１３間で、非接触通信が実現される。即ち、第１及び第２の集積回路チップ１０１−１及び１０１−２が相互に非接触通信を行うことができる。なお、ここでの非接触通信は、誘導結合又は静電結合の利用を想定している。

図２に、集積回路チップ１０１（１０１−１又は１０１−２）の外部接続パッド１２１の配置例と、対応するルータチップ１０２（１０２−１又は１０１−２）の接続パッド１１１を含む各部の配置例とを示す。なお、これらの配置は一例であり、種々の変更が可能である。

次に、図１の集積回路の動作について図２をも参照して説明する。

第１の集積回路チップ１０１−１の外部接続パッド１２１の一つから第２の集積回路チップ１０１−２の外部接続パッド１２１の一つへ信号を送信する場合について説明する。なお、送信元の外部接続パッド１２１と送信先の外部接続パッド１２１とは、互いに対応する位置にあってもよいし、非対応の位置にあってもよい。

第１の集積回路チップ１０１−１の送信元となる外部接続パッド１２１から送信された送信信号は、バンプ接続された第１のルータチップ１０２−１の対応する接続パッド１１１に入力される。

接続パッド１１１に入力された送信信号は、対応するルータ回路１１４へ供給される。送信信号を受け取ったルータ回路１１４は、予め設定された送信先へ受け取った送信信号を送信する。ここで、予め設定された送信先は、対応する非接触通信インタフェース回路１１３又は他のルータ回路１１４である。送信信号が他のルータ回路１１４へ送られた場合、送信信号を受け取った他のルータ回路１１４は、さらに予め設定された送信先へ受け取った送信信号を送信する。ここでも、予め設定された送信先は、対応する非接触通信インタフェース回路１１３又は他のルータ回路１１４である。いずれにしても、送信信号は、１以上のルータ回路１１４を介して、いずれかの非接触通信インタフェース回路１１３へ送られる。送信信号を受け取った非接触通信インタフェース回路１１３は、対向配置された第２のルータチップ１０２−１の非接触通信インタフェース回路１１３へ非接触通信により受け取った送信信号を送信する。

第２のルータチップ１０２−１では、非接触通信インタフェース回路１１３が受信した受信信号を、対応するルータ回路１１４へ送る。対応するルータ回路１１４は、予め設定された送信先へ受けとった受信信号を送信する。ここで、予め設定された送信先は、対応する接続パッド１１１又は他のルータ回路１１４である。受信信信号が他のルータ回路１１４へ送られた場合、他のルータ回路１１４は、さらに予め設定された送信先へ受け取った受信信号を送信する。ここでも、予め設定された送信先は、対応する接続パッド１１１又は他のルータ回路１１４である。いずれにしても、受信信号は、１以上のルータ回路１１４を介して、いずれかの接続パッド１１１へ送られる。接続パッド１１１に入力された受信信号は、バンプ１１２を介して第２の集積回路の送信先である外部接続パッド１２１に供給される。

以上のようにして、第１の集積回路チップ１０１−１の送信元である外部接続パッド１２１から第２の集積回路チップ１０１−２の送信先である外部接続パッド１２１へ信号が送信される。同様にして、第２の集積回路チップ１０１−２から第１の集積回路チップ１０１−１へ信号を送信することもできる。

本実施の形態では、各ルータチップ１０２において、行列配置された接続パッドにそれぞれ対応させて非接触通信インタフェース回路１１３を設けるとともにルータ回路１１４を設け、これらルータ回路１１４を格子状に接続している。そして、ルータ回路内の信号経路を設定変更可能（切り替え可能）にすることで、任意の接続パッド１１１と任意の非接触通信インタフェース回路１１３との間で信号の送受信を可能にしている。また、接続パッド１１１と非接触通信インタフェース回路１１３の組を複数構成して、複数の信号をそれぞれ独立に送受信することも可能である。電源供給もまた、ルータ回路１１４を介した経路により行うことが可能である。ただし、電源供給は、ボンディングパッド１１５のいずれか（電源供給用パッド）から電源用パッドまでの間を１以上のルータ回路１１４と接続パッド１１１を用いて接続して実現する。従って、電源供給経路に、非接触通信インタフェース回路１１３は存在しない。なお、電源供給経路と信号用経路とは互いに独立するものとすることができる。

図３にルータ回路１１４の一構成例を示す。

図３のルータ回路１１４は、４つの入出力線１３１と、６つのスイッチ（ａ〜ｆ）１３２と、これらスイッチ１３２にそれぞれ対応する状態保持回路１３３とを有している。状態保持回路１３３は、対応するスイッチのオン・オフ状態を制御し、４つの入出力線１３１間の信号経路を決定する。図３のルータ回路１１４では、入出力線１３１のいずれか１つに入力された信号を他の３つの入出力線１３１のどれかに出力させることができる。あるいは、２つの入出力線１３１に入力された信号を残りの２つの入出力線にそれぞれ出力させることができる。

なお、図３では４つの入出力線１３１を有するルータ回路１１４を示したが、５以上の入出力線を持つルータ回路も、スイッチとそのオン・オフを制御する状態保持回路の組み合わせにより、容易に構成することが可能である。

図４に状態保持回路１３３の一構成例を示す。

図４の状態保持回路は、電源電圧（ＶＤＤ）とグランド（ＧＮＤ）との間に直列接続されたフューズ１４１及び（高抵抗）抵抗器１４２と、バッファ１４３とを有している。フューズ１４１は紫外線により、又は電気的に切断可能である。製造時にフューズ１４１を切断又は非切断とすることにより、動作時のバッファ１４３の出力を決定する。バッファ１４３の出力はスイッチ１３２（例えばトランジスタスイッチ）のオン・オフ制御に用いられる。こうして、フューズの切断又は非切断により信号経路の設定が行われる。

上記のように、製造時に信号経路を決定するようにすると、外部からの制御信号を入力するためのボンディングパッドを設ける必要が無く、ルータチップ１０２の占有面積を縮小することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

本実施の形態に係る集積回路は、図５（ａ）及び（ｂ）の上図に示すように、チップサイズ及びパッド配置（信号割付）が互いに異なるが、同一の信号「信号１」及び「信号２」を出力する２種の集積回路チップ１０１−３及び１０１−４のいずれか一方を有している。そして、これら集積回路チップ１０１−３及び１０１−４のいずれか一方と、それとは別の図示しない集積回路チップ及びルータチップとを用いて３次元積層型集積回路を構成する。

図５（ａ）及び（ｂ）の下図に示すように、ルータチップ１０２の信号経路を変更設定することで、集積回路チップ１０１−３及び１０１−４のいずれを用いた場合でも、同一の非接触通信インタフェース回路１１３に「信号１」及び「信号２」をそれぞれ出力させることができる。

このように、本実施の形態によれば、既存の集積回路チップ１０１のサイズやパッド配置に制限されることことなく、３次元積層型集積回路を構成することができる。つまり、既存の集積回路チップ１０１のサイズやパッド配置の制限を考慮する必要が無いので、それを用いた３次元積層型集積回路の設計が容易になる。また、既存の集積回路チップを用いて３次元積層型集積回路を構成する場合に、既存の集積回路チップの種類に応じて異なるルータチップを用意する必要が無いという利点がある。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。

本実施の形態に係る集積回路は、図６に示すように、集積回路チップ１０１−５及び１０１−６と、それらがバンプ接続されるルータチップ１０２−３とを有している。ルータチップ１０３−３には、入力信号及びクロック信号用のボンディングパッド（外部信号入力パッド）１１５−１及び１１５−２が形成されている。入力信号用のボンディングパッド１１５−１は、ルータ回路１１４の一つに接続され、クロック信号用のボンディングパッド１１５−２は全てのルータ回路１１４に接続されている。

次に、図７を参照して本実施の形態に係る集積回路の動作について説明する。

図７（ａ）又は（ｂ）に示すように、集積回路チップ１０１−５は「信号１」及び「信号２」を出力し、集積回路チップ１０１−６は「信号３」及び「信号４」を出力するものとする。

ルータチップ１０２に含まれるルータ回路１１４は、外部から供給される入力信号及びクロック信号に応じて、所定時間経過毎に信号経路を切り替える。即ち、ある期間中（期間１）は、図７（ａ）に示すように、集積回路チップ１０１−５からの「信号１」及び「信号２」を非接触通信インタフェース回路１１３のうち中央側の２つに出力させる。又、別の期間中(期間２）では、図７（ｂ）に示すように、集積回路チップ１０１−６からの「信号３」及び「信号４」を中央側の２つの非接触通信インタフェース回路１１３に出力させる。

これにより、図６の下側のルータチップ１０２−１に搭載された集積回路チップ１０１−１は、期間１の間、集積回路チップ１０１−５と通信し、期間２の間、集積回路チップ１０１−６と通信することができる。

上記のように所定期間経過毎に信号経路を繰り替えるために、状態保持回路１３３は、例えば、図８に示すように複数のフリップフロップを多段接続した構成とすることができる。図８の出力ａ〜ｄの各々は、ルータ回路１１４に含まれるスイッチうちの一つの制御に利用され、あるいは２以上のスイッチの制御に利用される。ボンディングパッド１１５−１及び１１５−２を介して外部から供給されう入力信号とクロック信号とを、各状態保持回路１３３に分配することで、信号経路を順次切り替えることができる。

なお、入力信号とクロック信号の組み合わせに変えて、制御信号によって信号経路を切り替えるようすることもできる。このように構成すれば、例えば、計算機において、メモリを大量に消費するアプリケーションを動作させる期間はメモリＬＳＩと、論理演算を行う期間はロジックＬＳＩと接続する、といったような使い分けを瞬時に行うことが可能となる。

次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。

本実施の形態に係る集積回路は、図９に示す集積回路チップ１０１−７とルータチップ１０２−４とを有している。

集積回路チップ１０１−７は、電源パッド１９１と信号パッド１９２とを有している。

ルータチップ１０２−４は、集積回路チップの電源パッド１９１と信号パッド１９２に対応する接続パッド１９３及び１９４を複数組有している。また、電源パッド１９１に対応する接続パッド１９３と電源用ボンディングパッド１１５との間に接続された電源回路１９５を各組に有している。電源回路１９５は、ボンディングパッド１１５に供給される電源電圧を調整して、対応する電源パッド１９３へ供給する。本実施の形態では、電源電圧の異なる複数の集積回路を一つのルータリップ１０２−４に実装することができる。

また、各電源回路１９５を外部から制御するようにしてもよい。例えば、図１０に示すように、複数のフリップフロップを多段接続し、入力信号とクロック信号とに基づいて電源値信号を出力する回路を追加することで、時間経過に伴い電源電圧を調整するようにもできる。

以上のように、本実施の形態に係る集積回路では、集積回路チップ毎に異なる電源電圧を与えることができる。また、動作中にチップ毎に電源電圧を調整するようにもできる。この場合、電源電圧を可変にする機能を持たない多くの既存ＬＳＩでも、電源電圧を調整することが可能となり、動作状況に応じて電源電圧を切り替えるといった決め細やかな電源管理が可能となり、低電力化を実現することが可能となる。

なお、本実施の形態では、接続パッド１９３に電源回路１９５を接続し、接続パッド１９４にルータ回路１１４を接続する構成としたが、各接続パッドにスイッチを介して電源回路１９５とルータ回路１１４の両方を接続するようにしてもよい。この場合、スイッチを切替えることにより電源回路１９５及びルータ回路１１４のいずれか一方を選択し、選択した回路を接続パッドに電気的に接続することができる。これにより各接続パッドを電源供給と信号送受信のいずれにも使用することができ、さらに設計の自由度を増大させることができる。

次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。

本実施の形態に係る集積回路は、ルータチップ１０２に、集積回路チップ１０１のテストを行うセルフテスト回路（図示せず）を有する。ルータチップ１０２にセルフテスト回路を搭載すれば、ＳｉＰでの課題である接続試験などがオンチップで実現できる。テスト結果は、図１１に示すような論理ゲートとフリップフロップとの組み合わせ回路から出力させることができる。

以上、本発明についていくつかの実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、ルータチップが６個の接続パッドを有する場合について説明したが、５個以下あるいは７個以上であってもよい。また、上記実施の形態では、集積回路チップとルータチップとの間をフリップチップ接続（バンプ接続）する場合について説明したが、他の接続方法、例えばワイヤーボンディング、により接続してもよい。ワイヤーボンディングを用いる場合には、配線スペースが必要となるが、その一方で、積層される集積回路チップの外部接続パッドの位置決めを共通の規則に従うように行う必要が無くなる、ルータチップにおける接続パッドの位置決めを対応する集積回路チップの外部接続パッドの位置決め規則に従うことなく行える、等、設計の自由度が増すという利点がある。

１０１，１０１−１〜１０１−７集積回路チップ
１０２，１０２−１〜１０２−４ルータチップ
１１１接続パッド
１１２バンプ
１１３非接触通信インタフェース回路
１１４ルータ回路
１１５，１１５−１，１１５−２ボンディングパッド
１１６ボンディングワイヤ
１２１外部接続パッド
１３１入出力線
１３２スイッチ
１３３状態保持回路
１４１フューズ
１４２抵抗器
１４３バッファ
１９１電源パッド
１９２信号パッド
１９３，１９４接続パッド
１９５電源回路

Claims

半導体チップの外部接続パッドが接続される複数の接続パッドと、前記複数の接続パッドにそれぞれ対応して設けられた複数の非接触通信手段とを有する通信用チップを備えることを特徴とする半導体装置。
前記複数の接続パッドと前記複数の非接触通信手段との間に接続され、前記複数の接続パッドと前記複数の非接触通信手段との間の対応関係を変更するように信号経路を変更する信号経路変更手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記信号経路変更手段は、複数の信号入出力線と、これら信号入出力線間に接続された複数のスイッチと、これら複数のスイッチのオン・オフを各々制御する複数の状態保持回路とを備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
前記半導体チップと前記通信用チップとの組み合わせを２組有し、一方の組の通信用チップが備える前記複数の非接触通信手段と他方の組の通信用チップが備える前記複数の非接触通信手段との間で通信が可能となるように、前記２組の組み合わせを積層したことを特徴とする請求項１，２又は３に記載の半導体装置。
前記２組の組み合わせのうち少なくとも一方の組み合わせが、複数の半導体チップと１個の通信用チップの組み合わせであることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
前記前記状態保持回路に接続される外部信号入力パッドをさらに備え、
前記状態保持回路は、外部から入力される信号に応じて前記スイッチを制御し、前記複数の半導体チップのうちの一つを選択的に前記非接触通信手段に接続する信号経路を形成することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
前記非接触通信手段が誘導結合又は静電結合を利用するものであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
電源供給パッドと、電源供給パッドに接続され、電源供給パッドに供給された電源電圧を調節する電源回路とを備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記半導体チップの外部接続パッドが前記通信用チップの前記接続パッドにフリップチップ接続されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置。