JP2015019030A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の集積回路を効率的に積層し、集積回路間のタイミング調整を容易とする技術を提供する。【解決手段】積層された複数の集積回路を有する半導体装置であって、前記複数の集積回路は、信号生成手段を含む第1の集積回路と、該第1の集積回路の上に積層され、前記信号生成手段で生成された信号が供給される複数の第2の集積回路とを含み、前記第1の集積回路と、前記複数の第2の集積回路とは、それぞれ接続手段を備え、前記接続手段を介して互いに電気的に接続され、前記第1の集積回路は前記接続手段を介して前記複数の第2の集積回路に前記信号を出力し、前記複数の第2の集積回路のそれぞれは、コンポーネントと、前記接続手段からの前記信号を前記コンポーネントへ供給する分配器とを含み、前記接続手段と前記分配器との距離、及び、前記コンポーネントと前記分配器との距離は、前記複数の第2の集積回路の間で互いに同一である。【選択図】図1

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、複数の集積回路を積層することにより構成される装置に関する。
マイクロバンプや貫通ビアを用いて、複数の集積回路(LSI)チップを積層する技術が知られている。しかし、複数のLSIを積層した場合、放熱特性が低下するため、LSI内部に熱がこもってしまい温度上昇してしまう。特に、積層したLSIの上下同じ個所で活性化率が高い場合に、電力密度の上昇が顕著になりこの問題がより一層顕著になる。
そこで、LSIを回転させて積層する技術が知られている(特許文献1、特許文献2を参照)。
特開2010−108204号公報 特開2011−166026号公報
しかしながら、特許文献1、特許文献2に記載の技術は、DRAMやCPUプロセッサのようなロジックLSIを積層する場合に関してのものであって、PLL、USBなど外部インターフェースのPHY、AD/DAのようなアナログマクロを含んだシステムLSIの積層に対して十分に考えられていなかった。
各LSIを回転して積層し、外部から各層のLSIにクロックを供給する場合、各層のPLLの間で、クロックの供給元からの距離が不均一になってしまう。そのため、各層のLSIを同一タイミングで動作させるためには、各LSIにおいてクロックスキューをあわせる必要がある。しかし、各LSIにおけるクロック供給元からPLLまでの距離が不均一なためスキュー調整が難しいという問題があった。
上記問題点に鑑み、本発明は、複数の集積回路を効率的に積層し、集積回路間のタイミング調整を容易とする技術を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明は、積層された複数の集積回路を有する半導体装置であって、
前記複数の集積回路は、信号生成手段を含む第1の集積回路と、該第1の集積回路の上に積層され、前記信号生成手段で生成された信号が供給される複数の第2の集積回路とを含み、
前記第1の集積回路と、前記複数の第2の集積回路とは、それぞれ接続手段を備え、前記接続手段を介して互いに電気的に接続され、前記第1の集積回路は前記接続手段を介して前記複数の第2の集積回路に前記信号を出力し、
前記複数の第2の集積回路のそれぞれは、コンポーネントと、前記接続手段からの前記信号を前記コンポーネントへ供給する分配器とを含み、前記接続手段と前記分配器との距離、及び、前記コンポーネントと前記分配器との距離は、前記複数の第2の集積回路の間で互いに同一であることを特徴とする。
本発明の半導体装置によれば、複数の集積回路を効率的に積層し、集積回路間のタイミング調整が容易になる。
発明の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。 発明の実施形態に係る半導体装置に含まれる集積回路のブロック図である。 発明の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。 発明の実施形態に係る半導体集積に含まれる集積回路のブロック図である。 スキュー調整部の構成を示す図である。
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を説明する。
[実施形態1]
図1は本発明の実施形態としての半導体装置100を示す図である。図1において、半導体装置100は、外部端子101、パッケージ基板102、バンプ103、第1の集積回路200、第2の集積回路210、220、230で構成される。第1の集積回路200は、配線層104、シリコン基板105、シリコン貫通ビア106、マイクロバンプ107を含む。また、第2の集積回路210、220、230は共通のレイアウト構成を備え、それぞれ、配線層108、シリコン基板109、シリコン貫通ビア106、マイクロバンプ107を含む。
外部端子101は、半導体装置100と外部デバイスを接続するための接続端子である。パッケージ基板102は、第1の集積回路200と外部端子101を接続するための配線を有する。配線層104は、第1の集積回路200を接続するための配線を有する。シリコン基板105は、第1の集積回路200の回路を有する。シリコン貫通ビア106は、上下の集積回路を電気的に接続するためのものである。マイクロバンプ107は、上下の集積回路間で信号の送受信を行うためのものである。配線層108は、第2の集積回路210、220、230を接続するための配線を有する。シリコン基板109は、第2の集積回路210、220、230の回路を有する。
半導体装置100において、第1の集積回路200の上に、3個の第2の集積回路210、220、230が積層される。また、第2の集積回路210、220、230は、後述のように、基準信号通信部を中心に、上下に隣接する集積回路の間で90度回転した状態で積層される。本実施形態では、パッケージ基板102に近い側を下層として説明する。
図2は、図1における各集積回路の構成を示すブロック図である。なお、本実施形態においては、半導体装置100を、デジタルカメラなど、画像を撮影し、メモリカード等の記録媒体に記録する撮像装置における信号処理のために用いる場合について説明する。
図2(A)に示す第1の集積回路200は、図1に示すように、パッケージ基板102とバンプ103を介して接続される。集積回路200は、PLL201、AD/DA202、ロジック203、外部インターフェース204、メモリコントローラ205、基準信号通信部206から構成される。
PLL201は、半導体装置100の外部に設けられた発振器から入力されたクロック信号を用いて半導体装置100で必要とされる周波数のクロック信号を生成する信号生成部である。そして、PLL201は、生成したクロックを、AD/DA202、ロジック203、外部インターフェース204、メモリコントローラ205、基準信号通信部206に送信する。AD/DA202は、半導体装置100の外部からの信号をデジタル信号に変換し、また、外部に出力する信号をアナログ信号に変換する。ロジック203は、集積回路200の全体を制御するための論理回路である。外部インターフェース204は、半導体装置100の外部の装置との間でデータの送受信を行う。メモリコントローラ205は、半導体装置100の外部に設けられたDRAMなどのメモリと半導体装置100内部で生成されたデータの送受信を行う。基準信号通信部206は、PLL201から入力されたクロック信号を、他の集積回路210、220、230に送信し、集積回路間を互いに接続するための接続部として機能する。
第2の集積回路210は、図1に示すように、下から2番目に積層される集積回路である。集積回路210は、基準信号通信部211、分配器212、CPU213、ロジック214で構成される。基準信号通信部211は、振幅を増幅するバッファで構成され、集積回路200の基準信号通信部206からクロック信号を受信する。そして、基準信号通信部211は、受け取ったクロックを増幅して分配器212に送信すると共に、集積回路210の上に積層された集積回路、ここでは集積回路220に送信する。
分配器212は、PLLやクロックゲートセル、信号増幅バッファで構成され、集積回路210が必要としている周波数のクロック信号を生成し、集積回路210の各コンポーネントに送信する。CPU213は、図示せぬROMとRAMを有し、ロジック214で行う処理のコマンド解析、各種設定などを行う。ロジック214は、画像データの処理回路や符号化回路を有し、所定の信号処理を行う。そして、ロジック214は、処理された画像データ等を、外部インターフェース204を介してメモリカードなどの、外部装置に送信する。
集積回路220は、図1に示すように、下から3番目に積層される集積回路である。集積回路220は、集積回路210を、基準信号通信部211を中心に90度回転した状態で積層され、内部の構成は集積回路210と同じである。集積回路220は、基準信号通信部211を中心に回転した状態で積層されるので、基準信号通信部211から分配器212までの距離は、集積回路210と集積回路220との間で互いに同じになる。基準信号通信部211と分配器212の距離、分配器212とCPU213の距離、分配器212とロジック214の距離が、集積回路220と集積回路210との間で互いに同じになる。そのため、集積回路210と220との間でクロックを同期させるための調整が必要ない。
集積回路230は、図1に示すように、一番上に積層される集積回路である。集積回路230は、集積回路220を、基準信号通信部211を中心に90度回転した状態で積層され、内部の構成は集積回路210、220と同じである。集積回路230は、基準信号通信部211を中心に回転した状態で積層されるので、基準信号通信部211から分配器212までの距離は、集積回路220と集積回路230との間で互いに同じになる。基準信号通信部211と分配器212の距離、分配器212とCPU213の距離、分配器212とロジック214の距離が、集積回路230と集積回路220との間で互いに同じになる。そのため、集積回路210、220と、230との間でクロックを同期させるための調整が必要ない。
本実施形態では、第2の集積回路を3つ積層した例を記載したが、2以上の整数でも本発明を適応でき、本発明の技術思想の範囲内において、上記実施形態に限定されるものではなく、対象となるシステム形態により適時変更されて適応するべきものである。また、図2では、集積回路を左方向に回転させた例を示したが、回転させる方向は左方向に限定されるものではなく、右方向であっても良い。また、回転させる角度も、積層される階層数や基板の形状に応じて90度に限らず、それ以外の角度としても良い。
このように、本実施形態では、同一の回路構成(レイアウト)を持つ複数の集積回路を、基準信号の通信部を中心に所定の角度で回転させた状態で積層する。そのため、半導体装置を全く同じタイミングで制御することが可能となり、平面にマルチコアを実装した場合と同様の扱いができ、複雑なスキュー調整、タイミング調整、タイミング制御なしに容易に積層することが可能となる。
[実施形態2]
次に、第2の実施形態を説明する。図3は第2の実施形態における半導体装置300の構成を示す図である。図3において、図1と同様の構成については同一番号を付加して説明する。本実施形態においても、パッケージ基板102に近い側を下層として説明する。また、半導体装置300を、デジタルカメラなど、画像を撮影し、メモリカード等の記録媒体に記録する撮像装置における信号処理のために用いる場合について説明する。
図3において、半導体装置300は、外部端子101、パッケージ基板102、バンプ103、第3の集積回路400、第4の集積回路410、420から構成される。第3の集積回路400は、配線層301、シリコン基板302、シリコン貫通ビア106、マイクロバンプ107を含む。また、第4の集積回路410、420は、配線層303、シリコン基板304、基準信号通信部305、データ通信部306、シリコン貫通ビア106、マイクロバンプ107を含む。
配線層301は、第3の集積回路400を接続するための配線を有する。シリコン基板302は、第3の集積回路400の回路を有する。配線層303は、第4の集積回路410、420を接続するための配線を有する。シリコン基板304は、第4の集積回路410、420の回路を有する。基準信号通信部305は、第3の集積回路400と第4の集積回路410、420とを同期させるための基準信号を送信する。データ通信部306は、各集積回路の間で、基準信号以外のデータ信号を通信する。
図4は、図3における各集積回路の構成を示すブロック図である。集積回路400は、図3に示すように、最下層に積層され、パッケージ基板102と接続される。集積回路400は、PLL401、AD/DA402、外部インターフェース403、メモリコントローラ404、基準信号通信部405、TxRx406、同期信号生成部407から構成される。
基準信号通信部405は、クロック信号通信部408、同期信号通信部409及びスキュー調整部から構成される。スキュー調整部については後述する。PLL401は、半導体装置300の外部に設けられた発振器から入力されたクロック信号を用いて半導体装置300で必要とされる周波数のクロック信号を生成する信号生成部である。
AD/DA402は、半導体装置300の外部との通信を行うためのアナログ、デジタル変換を行う。外部インターフェース403は、半導体装置300の外部に設けられたSDカードやUSBなどの外部インターフェースと半導体装置300内部で生成されたデータ、或いは、後述する半導体装置300の外部に設けられたDRAMにあるデータの送受信を行う。また、外部インターフェース403は、半導体装置300の外部に設けられたセンサーからの受信データを受信し、後述するTxRx406を介して他の集積回路に送信する。
メモリコントローラ404は、半導体装置300の外部に設けられたDRAMと半導体装置300内部で生成されたデータの送受信を行う。基準信号通信部405は、PLL401からのクロックと同期信号生成部407からの同期信号をそれぞれ、集積回路400の上に積層された集積回路、ここでは集積回路410に出力する。また、基準信号通信部405におけるスキュー調整部は、クロック信号と同期信号とを遅延させ、AD/DA402、外部インターフェース403、メモリコントローラ404、基準信号通信部405、TxRx406、同期信号生成部407に送信する。
TxRx406は、上位階層とデータの送受信を行うためのブロックで、PCIExpressやLVDSやSubLVDSなどの差動インターフェースで送受信可能なもので構成されてもよいし、PIPEのようなシングルエンドで送受信可能なもので構成されてもよい。同期信号生成部407は、映像の水平、垂直同期タイミング信号や、符号化開始タイミング信号など上位層に設けられた後述するカメラ信号処理部416や符号化処理部417が必要とする同期信号を生成し、基準信号通信部405を介して、上位の集積回路410、420が同じタイミングで受信するように送信される。
図5は、基準信号通信部405におけるスキュー調整部の構成を示す図である。図5において、PLL401からのクロックが遅延回路としてのバッファ501に入力され、同期信号生成部407からの同期信号が遅延回路としてのバッファ506に入力される。バッファ502、503はそれぞれ入力されたクロックを所定期間遅延させて出力する。選択部504、505は、制御部511からの選択信号に従い、入力されたクロック、及び、各バッファからのクロックのうちの一つを選択して出力する。選択部504は、集積回路410に出力するためのクロックを選択し、選択部505は、集積回路420に出力するためのクロックを選択する。本実施形態では、例えば、各バッファ501−503はそれぞれ、数ピコ秒分の遅延時間を持つ。
また、バッファ507、508はそれぞれ入力された同期信号を所定期間遅延させて出力する。選択部509、510は、制御部511からの選択信号に従い、入力された同期信号、及び、各バッファからの同期信号のうちの一つを選択して出力する。選択部509は、集積回路410に出力するための同期信号を選択し、選択部510は、集積回路420に出力するための同期信号を選択する。本実施形態では、例えば、各バッファ506−508はそれぞれ、数ピコ秒分の遅延時間を持つ。
制御部511は、各集積回路410、420の積層位置に基づいて、クロックと同期信号の遅延量を決定し、決定した遅延量に応じたクロックと同期信号を選択するように、選択信号を出力する。例えば、本実施形態では、集積回路410に対しては、バッファ502、507の出力を選択し、集積回路420に対しては、バッファ501、506の出力を選択するものとする。このように、クロックと同期信号の供給元からの距離に応じて、クロックと同期信号の遅延量を決める。具体的には、上位の階層になるほど、遅延量が短くなるようにする。
そして、それぞれの集積回路410、420に対応してスキュー調整したクロックと同期信号を、クロック信号通信部408と同期信号通信部409により集積回路410、420に出力する。即ち、集積回路410に対しては、バッファ502からのクロックとバッファ507からの同期信号が出力され、集積回路420に対しては、バッファ501からのクロックとバッファ506からの同期信号が出力される。
集積回路410は、図3に示すように、下から2番目に積層される。集積回路410は、TxRx406、基準信号通信部411、分配器414、CPU415、カメラ信号処理部416、符号化処理部417から構成される。基準信号通信部411は、クロック信号通信部412、同期信号通信部413及び、スキュー調整部から構成される。スキュー調整部は、クロック信号通信部412が受け取ったクロックと、同期信号通信部413が受け取った同期信号をそれぞれ、決められた期間遅延させて、分配器414に送信する。ここで、集積回路410の基準信号通信部411におけるスキュー調整部は、図5と同様の構成にすることが可能である。また、スキュー調整量(遅延量)については、別途各集積回路において測定した結果に基づいて決めることが可能である。また、スキュー調整の必要が無い場合は、基準信号通信部411が受けたクロックと同期信号をそのまま分配器414に送る。
分配器414は、PLLやクロックゲートセル、信号増幅バッファで構成され、集積回路410が必要としている周波数のクロック信号と同期信号を生成し、送信する。CPU415は、図示せぬROMとRAMを有し、集積回路410で行う処理のコマンド解析、各種設定などを行う。カメラ信号処理部416は、外部インターフェース403から入力されたセンサー信号を、TxRx406を介して受信し、輝度、色差信号の生成、ガンマ処理などの信号処理を施し、TxRx406とメモリコントローラ404を介して半導体装置300の外部に設けられたDRAMにデータを送信する。
また、カメラ信号処理部416は、集積回路420にも設けられ、これらは、分配器414から送信された同期信号を用いて同じタイミングで処理を行う。具体的には、外部インターフェース403で2ライン分の画像を不図示の撮像部から取りこんで記憶し、TxRx406を介して集積回路410と集積回路420とに送信する。ここでは、撮像部から送られる各画面の画像について、1ラインおきに集積回路410と420とに交互に送信する。カメラ信号処理部416は、分配器414から送信された同じタイミングの同期信号を用いて、同時に信号処理を行う。
メモリコントローラ404、TxRx406を介して、半導体装置300の外部に設けられたDRAMから、カメラ信号処理部416が送信した信号処理後のデータを受信する。符号化処理部417は、受信された画像データに対し、動き探索、動き補償、量子化、エントロピー符号化などの符号化処理を行い、TxRx406、メモリコントローラ404を介して、半導体装置300の外部に設けられたDRAMに送信する。
また、符号化処理部417は、集積回路420にも設けられ、これらは、分配器414から送信された同期信号を用いて同じタイミングで処理を行う。具体的には、半導体装置300の外部に設けられたDRAMにためられたフレームデータを、奇数フレームは集積回路410、偶数フレームは集積回路420、というように、分配器414から送信された同じタイミングの同期信号を用いて、同時に符号化処理を行うようなケースが考えられる。
集積回路420は、図3に示す様に、一番上に積層される集積回路である。集積回路420は、集積回路410を、基準信号通信部411を中心に90度回転した状態で積層され、内部の構成は集積回路410と同じである。集積回路420は、基準信号通信部411を中心に回転した状態で積層しているので、基準信号通信部411から分配器414までの距離は、集積回路410と集積回路420とで同じになる。これによって、集積回路420と集積回路410で、基準信号通信部411と分配器414の間のタイミング、分配器414とCPU415のタイミング、分配器414とカメラ信号処理部416の間のタイミング、分配器414と符号化処理部417のタイミングが全く同じになるので、タイミング調整なくそのまま同じものを積層することができる。
[実施形態3]
本実施形態では、基準信号通信部411が基準信号を送信する際に、出力先の層の動作電圧に応じてスキュー調整を行う場合に関して説明する。積層された各層の集積回路は、どの電圧で動作できるかを示す情報を有し、この情報に応じて、基準信号通信部411が有するスキュー調整部によりスキュー調整を行う。
集積回路においては、製造時のばらつきにより、それぞれ最適な動作電圧が異なる。本実施形態では、各集積回路410、420に対し、予め最適な動作電圧が設定されている。設定された動作電圧の値は、例えば、製造工程において、ヒューズなどの状態で焼き込まれる。集積回路100における基準信号通信部405は、各集積回路410、420のCPUと通信を行い、各集積回路における動作電圧の情報を取得する。そして、基準信号通信部405におけるスキュー調整部は、各集積回路における動作電圧に基づいて、クロックと同期信号との位相を調整し、各層に出力する。
例えば、本実施形態では、1.2vを中心として±0.05v刻みで各層の動作電圧が設定される。
そして、スキュー調整部において、制御部511は、各集積回路410、420の動作電圧に基づいて、クロックと同期信号の遅延量を決定し、決定した遅延量に応じたクロックと同期信号を選択するように、選択信号を出力する。例えば、動作電圧が低い方がクロックの遅延量が少ないので、各層の動作電圧の差に基づいて、動作電圧が低い方の集積回路に対して出力するクロックの遅延量が大きくなるように、集積回路の動作電圧に応じて、クロックと同期信号の遅延量を決める。
以上、説明したように、積層された各層の集積回路がどの電圧で動作するかに応じて、基準信号のスキュー調整を行うことで、半導体装置を全く同じタイミングで制御することが可能となり、平面にマルチコアを実装した場合と同様の扱いができ、複雑なスキュー調整、タイミング調整、タイミング制御なしに容易に積層することが可能となる。
なお、本発明は、本発明の技術思想の範囲内において、上記実施形態に限定されるものではなく、対象となる回路形態により適時変更されて適応するべきものである。

Claims (8)

  1. 積層された複数の集積回路を有する半導体装置であって、
    前記複数の集積回路は、信号生成手段を含む第1の集積回路と、該第1の集積回路の上に積層され、前記信号生成手段で生成された信号が供給される複数の第2の集積回路とを含み、
    前記第1の集積回路と、前記複数の第2の集積回路とは、それぞれ接続手段を備え、前記接続手段を介して互いに電気的に接続され、前記第1の集積回路は前記接続手段を介して前記複数の第2の集積回路に前記信号を出力し、
    前記複数の第2の集積回路のそれぞれは、コンポーネントと、前記接続手段からの前記信号を前記コンポーネントへ供給する分配器とを含み、前記接続手段と前記分配器との距離、及び、前記コンポーネントと前記分配器との距離は、前記複数の第2の集積回路の間で互いに同一であることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記複数の第2の集積回路は、前記接続手段を中心として互いに回転して積層されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記信号はクロック信号及び同期信号の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記複数の第2の集積回路は、複数の前記コンポーネントと前記分配器に関して共通のレイアウトを有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記接続手段は、前記信号を遅延させる遅延手段を備え、
    前記接続手段は、前記遅延手段により、前記第2の集積回路の積層位置に応じて、前記信号を遅延させて前記複数の第2の集積回路に出力することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記接続手段は、前記第1の集積回路に対する前記第2の集積回路の積層位置が近いほど遅延時間が長くなるように、前記遅延手段により前記複数の第2の集積回路に出力する前記信号を遅延させて前記複数の第2の集積回路に出力することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
  7. 前記接続手段は、前記信号を遅延させる遅延手段を備え、
    前記接続手段は、前記遅延手段により、前記第2の集積回路の動作電圧に応じて、前記信号を遅延させて前記複数の第2の集積回路に出力することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記接続手段は、前記第2の集積回路の動作電圧が低いほど遅延時間が長くなるように、前記遅延手段により前記複数の第2の集積回路に出力する前記信号を遅延させて前記複数の第2の集積回路に出力することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
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