JP3213941B2 - 遅延測定用論理回路を備えた半導体装置 - Google Patents

遅延測定用論理回路を備えた半導体装置

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JP3213941B2 JP50976991A JP50976991A JP3213941B2 JP 3213941 B2 JP3213941 B2 JP 3213941B2 JP 50976991 A JP50976991 A JP 50976991A JP 50976991 A JP50976991 A JP 50976991A JP 3213941 B2 JP3213941 B2 JP 3213941B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、ASIC等の半導体装置に関し、更に詳しく
は、所定の論理処理を実現すべき主たる論理回路ブロッ
クと、その動作速度を間接的に評価すべき付随的な遅延
測定用論理回路とを備えた半導体装置に関する。
背景技術 近年の半導体集積回路の高密度集積化及び高速化に伴
い、半導体集積回路の出荷検査を使用環境と同一の条件
で行うことは検査装置の制約及び検査環境等の点から困
難である。半導体集積回路の評価試験においては、動作
適否と動作速度の測定が必要とされる。その動作適否
は、実動作試験の置換方法として、作り込まれた所定の
論理回路に対して低速の入力信号を供給し動作確認を行
うものである。動作速度の評価は、その集積回路内に同
時に作り込まれた遅延測定用論理回路の遅延量を測定す
ることによって間接的に見積るものである。
従来、この種の遅延測定用論理回路を備えた半導体装
置は、図５に示すように、半導体チップ１の中央に作り
込まれ所定の論理回路ブロック２を含む論理回路領域３
において遅延測定用論理回路４を組み込んだ構成を有し
ている。遅延測定用論理回路４は論理回路ブロック２に
対して並列接続されており、例えば複数のインバータ
41,42〜4nの多段直列接続回路である。５は共用入力端
子６から入来する入力信号を選択制御端子７から入来す
る回路選択信号の如何により論理回路ブロック２又は遅
延測定用論理回路４に切り換え供給する入力側切り換え
回路である。また８は同回路選択信号の如何により論理
回路ブロック２の出力信号又は遅延測定用論理回路４の
出力信号を切り換えて共用出力端子９へ供給する出力側
切り換え回路である。このように、論理回路ブロック２
の動作速度の値を遅延測定用論理回路４の出力波形から
遅延量を求めて間接的に評価するために、論理回路ブロ
ック２の作り込み領域の近接領域に遅延測定用論理回路
４が作り込まれている。論理回路ブロック２の遅延量を
より正確に反映させるためには、半導体製造プロセス
上、素子能力のバラツキや配線幅のバラツキ等が近似し
た領域に遅延測定用論理回路４を形成することが必要と
されるからである。
しかしながら、遅延測定用論理回路４はあくまで論理
回路ブロック２の遅延量を間接的に評価する目安的な意
義を有し、また論理回路領域３内に遅延測定用論理回路
４を作り込んでも、ゲートの物理的構成，ゲート数，配
線長，コンタクト数等は論理回路ブロック２とは基本的
に異なっている。例えば遅延測定用論理回路４の配線経
路は論理回路ブロック２のそれと明らかに異なる。
ところで、論理回路ブロック２の遅延時間は、ゲー
ト内の基本遅延，配線長，ファンアウト数で決ま
る。一般に、ファンアウト数の遅延時間については仮想
遅延の手法を用いて評価することができる。ゲート内の
基本遅延については遅延測定用論理回路４を構成するゲ
ートの能力（チャネル長，チャネル幅など）を論理回路
ブロック２を構成するゲートのそれと同一又は相似関係
（比例関係）に設定することで評価することができる。
しかし、配線経路や配線長については論理回路ブロック
２と遅延測定用論理回路４との間に相関性を持たせるこ
とが不可能である。遅延測定用論理回路自身にチップ毎
の遅延時間バラツキが存在するからである。論理回路領
域１に作り込む所定の論理回路ブロック２に対して、こ
れと無関係の遅延測定用論理回路４を論理回路領域３の
残余領域に分散的に組み込む必要があるため、通常、遅
延測定用論理回路４に関する配線経路については論理回
路ブロック２のそれと相関性を全く持たないし、またそ
の相関性を持たせるよう遅延測定用論理回路４の配線レ
イアウトを設計することは、設計自由度の制約と設計コ
ストの点などから殆ど不可能である。
そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、
その目的は、遅延測定用論理回路の遅延時間のバラツキ
を抑制させたチップレイアウトを採用することにより、
論理回路ブロックについての高信頼性のある動作速度の
評価を可能とする遅延測定用論理回路を備えた半導体装
置を提供することにある。
発明の開示 一般的に、ASIC等の半導体集積回路は、素子作り込み
領域として、論理領域と周辺領域とに区分される。論理
領域は、半導体チップの主として中央部で、所定の論理
処理を実現すべき論理回路ブロックを含む領域である。
また周辺領域は、論理領域の周辺で、半導体チップの外
と論理回路ブロックの間で入出力信号を取り扱うべき入
出力部を含む領域である。かかる構成の半導体装置にお
いて、本発明の講じた手段は、論理回路ブロックに対す
る入力信号を選択的に取込み又は単独の信号を取込んで
入力とする遅延測定用論理回路を、論理領域内でなく周
辺領域内に作る込むレイアウトを採用し、その遅延測定
用論理回路を構成すべき複数のゲートと前記複数のゲー
トを互いに接続するゲート間配線を実質的に前記周辺領
域内にあり且つ前記周辺領域と前記論理領域との境界に
沿った領域に作り込み形成したものである。ここにゲー
トとは、インバータ・ゲート，バッファゲート,NANDゲ
ート等やそれらの組合せ論理ゲートを言い、同種又は異
種のゲートも指す。各ゲートを構成するトランジスタの
作り込みサイズ（例えばMOSのゲート幅やゲート長，ゲ
ートの向きなど）は論理回路ブロックを構成するトラン
ジスタの作り込みサイズ相等しくすることが望ましい。
本発明の更に具体例としては、例えば、遅延測定用論理
回路を構成すべき各ゲートを入出力部の各各セル一つに
対して一つずつに作り込んだ形式を採用する。かかる場
合のゲート間配線は上記セルのバッファ回路等の入出力
論理回路と論理回路ブロックとの間を繋ぐ入出力配線と
交差して敷設される。そのゲート間配線は入出力配線に
対して下層配線としても良い。そして、前記遅延測定用
論理回路を構成すべき複数のゲートは半導体チップの第
１の辺に対応する第１の境界のみに沿って形成されてい
ても良いが、更に第１の辺に実質的に直交したる第２の
辺に対応する第２の境界に沿って作り込まれていても良
い。簡易的な遅延測定用論理回路はインバータ・ゲート
の多段直列接続回路である。
本発明においては、付随的な遅延測定用論理回路が周
辺領域内に形成されていることにより、論理規模の増加
によっても主たる論理回路領域の面積拡大を抑えること
ができる。遅延測定用論理回路を構成するゲートが境界
領域に沿って形成されているので、入出力セルの配列に
合わせ込んで各ゲート間ピッチなどに規則性を持たせる
ことができる。これは遅延測定用論理回路を論理領域に
組み込んで分散的に作り込む形式よりも遅延測定用論理
回路の配線経路を画一化させる利益がある。また遅延時
間の測定に必要とされる最少の遅延時間を充分超える値
まで遅延測定用論理回路を構成するゲートの個数を確保
できる利益もある。それ故、その遅延時間のバラツキを
抑制できるので、遅延測定用論理回路から得られる遅延
時間の測定は遅延量評価の指標として有益で、結果的に
評価される論理回路ブロックの動作速度は信頼性のある
値となる。勿論、遅延測定用論理回路自身のレイアウト
説明も容易である。
このように、本発明にかかる遅延測定用論理回路を備
えた半導体装置は、半導体チップの入出力部たる周辺領
域内において論理回路領域との境界に沿ってその遅延測
定用論理回路を作り込み形成してなる点に特徴を有する
ものであるから、次の効果を奏する。
遅延測定用論理回路の形成部は論理領域内でないの
で、論理規模の増加によっても主たる論理回路領域の面
積拡大を抑えることができる。換言すると、チップサイ
ズの縮小化に寄与する。
遅延測定用論理回路を構成するゲートが境界領域に
沿って形成されているので、入出力セルの配列に合わせ
込んで各ゲート間ピッチ，配線経路などに規則性や画一
性を持たせることができる。それ故、その遅延時間のバ
ラツキを抑制でき、安定的ないし高信頼性のある論理回
路ブロックの動作速度の評価が可能となる。また、遅延
測定用論理回路自身のレイアウト設計も従来に比して頗
る簡略化される。
また遅延測定用論理回路のゲート数も従来より多く
確保できるので、必要とされる遅延時間の設定に余裕が
生まれる。それ故、絶対遅延時間を大きく設定できるの
で、遅延時間のバラツキ幅を圧縮することができる。
図面の簡単な説明 図１は本発明の実施例１に係る半導体チップの概略チ
ップレイアウト図である。
図２は同実施例における遅延測定用論理回路を構成す
るインバータ・ゲートの配置を示す部分図である。
図３は本発明の実施例２に係る半導体チップの概略チ
ップレイアウト図である。
図４は本発明の実施例３に係る半導体チップの概略チ
ップレイアウト図である。
図５は従来の遅延測定用論理回路を備えた半導体装置
の概略チップレイアウト図である。
発明を実施するための最良の形態 次に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明す
る。
（実施例１） 図１は本発明の実施例１を示す概略チップレイアウト
図である。
この実施例に係る半導体装置のチップレイアウトは、
矩形のチップ10の周辺領域12とその内側に作り込まれた
論理領域14とからなる。論理領域14内には所定の論理処
理を実現すべき中核たる論理回路ブロック16が形成され
ている。図１では１つの論理回路ブロックのみが示され
ている。論理回路ブロック16に対する入力信号は、周辺
領域12内に形成された共用入力端子（入力パッド）18及
び論理領域14内に形成されたマルチレクサたる入力側切
り換え回路20を介して供給され、また論理回路ブロック
16の出力信号は論理領域14内に形成されたマルチプレク
サたる出力側切り換え回路22及び周辺領域12内に形成さ
れた共用出力端子（出力パッド）24から取り出される。
遅延測定用論理回路26は周辺領域12内に実質的に形成さ
れている。即ち、周辺領域12と論理領域14の境界のうち
チップ10の辺10aに対応する境界27a及び辺10bに対応す
る境界27bとに沿って作り込まれている。この遅延測定
用論理回路26はCMOSインバータ・ゲート261〜26Nの多段
直列接続回路である。そして、これらのゲートを構成す
るMOSトランジスタのサイズは論理回路ブロック16を構
成するMOSトランジスタのそれと相等しい。なお、回路2
6は、インバータ・ゲートに限らず、バッファゲート,NA
NDゲート等で構成しても良い。
周辺領域12には、図２に示すように、入出力セル121
〜12nが配列されている。各セルは入力又は出力端子
（パッド）Ｐとこれに接続した入出力論理回路Ｂとを有
している。入出力論理回路Ｂと論理領域14内の論理回路
ブロック16とは入出力配線L1〜Lnを介して接続されてい
る。これらの入出力配線L1〜Lnは２層目のアルミニウム
配線である。入出力セルの入出力論理回路B1〜Bnと境界
27a（27b）との間には遅延測定用論理回路26を構成する
インバータ・ゲート261〜26Nが作り込まれている。即
ち、各セル内の領域には遅延測定用論理回路26のインバ
ータ・ゲートが含まれている。勿論、セル121〜12nの中
にはインバータ・ゲートを含まないセルがあっても良
い。総てのセルに１対１に対応させてインバータ・ゲー
トを作り込む必要はない。隣接するインバータ・ゲート
間の配線GLは入出力配線Ｌに交差している。ゲート間配
線GLは１層目のアウミニウム配線である。もっとも入出
力配線Ｌとゲート間配線GLとの交差関係は逆にすること
ができる。
論理領域14内に形成された入力側切り換え回路20と初
段のインバータ・ゲート261とは論理領域14内に敷設さ
れた引出し配線28を介して接続され、また最終段のイン
バータ・ゲート26Nと論理領域14内に形成された出力側
切り換え回路22とは論理領域14内に敷設された引込み配
線30を介して接続されている。マルチプレクサとしての
入力側切り換え回路20は入力端子18から入来する入力信
号を選択制御端子32から入来する回路選択信号の如何に
より論理回路ブロック16又は遅延測定用論理回路26に切
り換え供給する。またマクチプレクサとしての出力側切
り換え回路22は同回路選択信号の如何により論理回路ブ
ロック16の出力信号又は遅延測定用論理回路26の出力信
号を切り換えて出力端子24へ供給する。なお、入力側切
り換え回路20及び出力側切り換え回路22を設けずに、遅
延測定用論理回路26の専用入力端子又は出力端子を周辺
領域12内に形成しても良い。
このように遅延測定用論理回路26を周辺領域12内にお
いて境界27a,27bに沿って作り込んだレイアウトを採用
する半導体装置によれば、論理領域14のスペースの節減
ないし論理回路ブロック16の高密度集積の自由度が増大
することは勿論のこと、遅延時間の評価の信頼性を向上
させることができる。即ち、遅延測定用論理回路26を構
成する複数のインバータ・ゲート261〜26Nが論理回路ブ
ロック16の配置確定後、その論理領域14の残余部分に分
散的ないし偏在的に配置されるのではなく、周辺領域12
の境界に沿って実質的に規則的に配置されているので、
その遅延測定用論理回路26の遅延時間はチップ毎で安定
している。
ところで、遅延測定用論理回路26を論理領域14内に作
り込むと、インバータ・ゲートの分散的な配置もさるこ
とながら、ゲート間配線が紆余曲折してしまう。このよ
うなゲート間配線経路は、インバータ・ゲートの個数と
配線屈曲部の数,X方向長さ,Y方向長さ，コンタクト孔の
個数等との相関性が殆ど無くなってしまう。論理回路ブ
ロックの動作速度を評価するために、遅延測定用論理回
路の遅延時間を測定するのであるが、遅延測定用論理回
路が論理領域14内に分散的に作り込まれていると、遅延
測定用論理回路の遅延時間はチップ毎に大きなバラツキ
が含まれてしまう。大きな遅延時間のバラツキは論理回
路ブロックの動作速度を評価不能とし、遅延測定用論理
回路自体の形成意義を没却することは勿論のこと、出荷
すべき半導体装置の速度性能の保証ができないことにな
る。半導体集積回路の集積化ないし微細化が進むに連れ
て上述の事情が顕在化する。論理回路ブロックと遅延測
定用回路の遅延時間に関する相関性は、実測上で相対的
評価ができる。問題であるのは、遅延測定用回路自身の
遅延時間の大きなバラツキを抑制することである。従来
の遅延測定用論理回路のレイアウト構成では、配線屈曲
部の数,X方向長さ,Y方向長さ，コンタクト孔の個数間の
相関性が殆どなく、これにプロセス上のバラツキが重畳
することによって遅延測定用回路の遅延時間のバラツキ
を招来している。一方、本実施例においては、インバー
タ・ゲート261〜26NのＸ方向長さ,Y方向長さ，コンタク
ト孔の個数を画一的ないし規則的に設定できる単純配置
の遅延測定用論理回路26が形成されている。このため、
遅延測定用論理回路26の遅延時間のバラツキが抑制され
ている。
遅延測定用論理回路26においては出力端子に接続され
る負荷により容量が寄生するので、出力バッファ側の遅
延時間は10ns以上で、ゲートの総段数に比して大きい。
このため、遅延時間としては40ns以上が一般に要求され
ており、ゲート数は200段以上が望ましい。遅延測定用
論理回路26を論理領域内に分散的に形成するような従来
の形式ではゲート数を充分多く確保することが困難であ
る。しかしながら、本実施例においては、境界に沿って
周回状に多数のゲートを規則的に配置できるので、遅延
測定用論理回路26のゲート数は従来よりも多く確保でき
る。チップサイズにも関係するが、本実施例によれば50
0段以上のゲート数を確保でき、このため出力バッファ
側の遅延時間を相対的に小さくでき、遅延時間のバラツ
キ幅を圧縮できる。
図１に示すように、境界27aのみに沿うだけでなく、
境界27bにも沿ってインバータ・ゲートが形成されてい
るが、その一方の境界のみに沿ってインバータ・ゲート
を形成した遅延測定用論理回路でも構わない。遅延時間
の評価に必要とされるインバータ・ゲートの個数が１境
界の配置で足りることもあるからである。もっとも、論
理回路ブロック16の遅延ファクタを勘案して遅延測定用
論理回路26の意図的にゲート間長さ（Ｘ方向長さ,Y方向
長さ）やコンタクト数を設定する場合には、２境界以上
にわたってインバータ・ゲートを配置しても差し支えな
い。
なお、直列接続のゲートの途中から分岐配線を引き出
し、それを中間出力端子に接続した構成を採用すると、
遅延時間の差を測定することができる。出力バッファ側
の遅延時間を含まず、ゲート数の差に対応した遅延時間
だけを算出することができる。
（実施例２） 図３は本発明の実施例２を示す概略チップレイアウト
図である。なお図３において図１に示す部分と同一部分
には同一参照符号を付し、その説明は省略する。
この実施例に係る半導体装置のチップ40においては、
入力側信号切り換え回路20及び出力側信号切り換え回路
22が周辺領域12内に形成されている。従って、入力端子
18と遅延測定用論理回路26との間の信号線及び遅延測定
用論理回路26と出力端子24との間の信号線も周辺領域12
内に敷設されており、実施例１における論理領域14内に
敷設された引出し配線28及び引込み配線30が排除されて
いる。遅延測定用論理回路26に関する遅延ファクタは総
て周辺領域12内に形成されている。この実施例において
も、実施例１と同様に、遅延測定用論理回路26の遅延時
間のバラツキの抑制と論理回路領域14のスペースの節約
ないしチップサイズの縮小化が達成される。
（実施例３） 図４は本発明の実施例３を示す概略チップレイアウト
図である。なお図４において図１に示す部分と同一部分
には同一参照符号を付し、その説明は省略する。
この実施例のチップ50においては実施例１に設けられ
たような入力側信号切り換え回路20及び出力側信号切り
換え回路22が排除されている。その代わりに、共用端子
でなく遅延測定用論理回路26の専用入力端子51及び専用
出力端子52が周辺領域12内に形成されている。専用端子
51,52の形成はパッド数の増加を招くが、入力側信号切
り換え回路20及び出力側信号切り換え回路22に関する不
確定な遅延原因などを排除できる利益がある。
産業上の利用可能性 以上のように、本発明に係る遅延測定用論理回路を備
えた半導体装置は、動作速度のバラツキが少ない半導体
集積回路を得る場合に適している。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−84637（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−82381（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−186461（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−89344（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−263241（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−97065（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−42837（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−199026（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−3961（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−115155（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−234553（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−176963（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−143544（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−213161（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−318262（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−101652（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−231187（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−176480（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/66 G01R 31/26

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体チップの主として中央部にて作り込
    まれ、所定の論理処理を実現すべき論理回路ブロックを
    含む論理領域と、その論理領域の周辺に作り込まれ、該
    半導体チップの外と該論理回路ブロックと間で入出力信
    号を取り扱うべき入出力部を含む周辺領域とを有する半
    導体装置であって、該論理回路ブロックに対する入力信
    号を選択的に取込み又は単独の信号を取込んで入力とす
    る遅延測定用論理回路を付帯的に備えており、その遅延
    測定用論理回路を構成すべき複数のゲートと前記複数の
    ゲートを互いに接続するゲート間配線が実質的に前記周
    辺領域内にあり且つ前記周辺領域と前記論理領域との境
    界に沿った領域に作り込まれてなることを特徴とする遅
    延測定用論理回路を備えた半導体装置。
  2. 【請求項２】請求項１において、前記各ゲートを構成す
    るトランジスタのサイズは前記論理回路ブロックを構成
    するトランジスタのサイズと相等しいことを特徴とする
    遅延測定用論理回路を備えた半導体装置。
  3. 【請求項３】請求項１又は２において、前記各ゲートを
    構成するトランジスタの作り込み方向は前記論理回路ブ
    ロックを構成するトランジスタの作り込み方向と相等し
    いことを特徴とする遅延測定用論理回路を備えた半導体
    装置。
  4. 【請求項４】請求項１乃至３の何れか一項において、前
    記遅延測定用論理回路を構成すべき各ゲートは、前記入
    出力部の各セル一つに対して一つずつ作り込まれてなる
    ことを特徴とする遅延測定用論理回路を備えた半導体装
    置。
  5. 【請求項５】請求項４において、前記遅延測定用論理回
    路を構成すべき各ゲートを互いに接続するゲート間配線
    は前記セルの入出力論理回路と前記論理回路ブロックと
    の間を繋ぐ入出力配線と交差して敷設されてなることを
    特徴とする遅延測定用論理回路を備えた半導体装置。
  6. 【請求項６】請求項１乃至請求項５の何れか一項におい
    て、前記遅延測定用論理回路を構成すべき複数のゲート
    は前記半導体チップの第１の辺に対応する第１の境界と
    第１の辺に実質的に直交した第２の辺に対応する第２の
    境界とに沿って作り込まれてなることを特徴とする遅延
    測定用論理回路を備えた半導体装置。
  7. 【請求項７】請求項１乃至請求項６の何れか一項におい
    て、前記遅延測定用論理回路はインバータ・ゲートの多
    段直列接続回路であることを特徴とする遅延測定用論理
    回路を備えた半導体装置。
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