JP3374967B2 - 半導体集積回路 - Google Patents

半導体集積回路

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JP3374967B2 JP30405698A JP30405698A JP3374967B2 JP 3374967 B2 JP3374967 B2 JP 3374967B2 JP 30405698 A JP30405698 A JP 30405698A JP 30405698 A JP30405698 A JP 30405698A JP 3374967 B2 JP3374967 B2 JP 3374967B2
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    • H10B12/01Manufacture or treatment
    • H10B12/09Manufacture or treatment with simultaneous manufacture of the peripheral circuit region and memory cells

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路に
関し、特に、マイクロプロセッサとキャッシュメモリと
を備える半導体集積回路に関する。
【0002】
【従来の技術】コンピュータシステムの分野における大
容量の主記憶装置は、その動作速度がマイクロプロセッ
サの動作速度に比して遅い。このため、最近のマイクロ
プロセッサでは、キャッシュメモリをマイクロプロセッ
サの近傍に配置し、データの一部をキャッシュメモリに
記憶することによって、マイクロプロセッサの速度を低
下させることなく作動させている。
【0003】キャッシュメモリには、高速作動が要求さ
れるため、SRAM(Static RandomAccess Memory)を使
用することが一般的であった。しかし、SRAMは、同
容量のDRAM(Dynamic Random Access Memory)に比
して回路規模が大きいため、キャッシュメモリを更に大
容量化しようとする場合には、回路規模が非常に大きく
なって好ましくない。
【0004】そこで、SRAMに代えてDRAMを使用
することが考えられる。ここで、DRAMをキャッシュ
メモリとして使用する場合には、例えば半導体集積回路
(以下、LSIとも呼ぶ)の中央部にマイクロプロセッ
サを、マイクロプロセッサの周辺部にDRAMを夫々配
置し、マイクロプロセッサと半導体集積回路の周縁部に
配置されたボンディングパッドとの間にDRAMを配置
する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記LSIでは、DR
AM領域とマイクロプロセッサ領域とを個別に設計して
相互に接合しようとすると、マイクロプロセッサの電源
線を含むボンディングパッドからマイクロプロセッサ領
域への配線がDRAM領域を避けて形成されることとな
り、チップサイズが大きくなる。また、配線をDRAM
領域の中を通過させるにしても、従来の作り方では、D
RAM領域の中には、DRAMのセルアレイの配置に沿
った配線配置の制約がある。一方で、ボンディングパッ
ドからマイクロプロセッサへの配線以外に、ボンディン
グパッドからDRAMへの配線も存在するため、ボンデ
ィングパッドからマイクロプロセッサ領域の配線は、D
RAM内をセルアレイの配線に沿って、効率よく直線的
に通過することは困難である。
【0006】また、上記構成の半導体集積回路では、ボ
ンディングパッドからマイクロプロセッサ領域への配線
の動作が寄生容量素子を介して誘起するノイズが、メモ
リセルの読出しに直接関わる1層目や2層目のアルミニ
ウム配線から成るワード線及びデータ線等に伝わると、
DRAMの良好な動作が損なわれるおそれがある。
【0007】本発明は、上記に鑑み、DRAMをキャッ
シュメモリとして用いながらも、上層側に配線されるD
RAMの電源線を、下層側に配設されるDRAMの電源
線に対して、配線の制約を受けることなく、効率よく適
正な密度で接続することができる半導体集積回路を提供
することを目的とする。
【0008】また、本発明は、上記目的を達成した上
で、ボンディングパッドからマイクロプロセッサ領域へ
の配線として用いられている上層側の金属配線の動作に
よるノイズが、下層側の金属配線から成るデータ線等に
伝わる不具合を回避することができる半導体集積回路を
提供することを目的とする。
【0009】本発明は更に、マイクロプロセッサの電源
線を引き回す領域を十分に確保できないがためにマイク
ロプロセッサの電源線とDRAMの電源線とが共通とな
り、マイクロプロセッサの動作によるノイズがDRAM
の動作マージンを損なうことを回避することができる半
導体集積回路を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体集積回路は、複数のワード線と複数
のビット線との各交差部分に複数のメモリセルが行列状
に配設されたDRAMから成るキャッシュメモリと、マ
イクロプロセッサとを備えた半導体集積回路であって、
前記メモリセルの配列方向に対し任意の角度で傾斜して
夫々延在する第1金属配線層から構成される前記キャッ
シュメモリの複数の電源線と、前記第1金属配線層と前
記メモリセルとの間に位置し、前記メモリセルの配列方
向に沿って夫々延在する複数の第2金属配線層から構成
される前記キャッシュメモリの複数の電源線とを備える
ことを特徴とする。
【0011】本発明の半導体集積回路では、DRAMを
キャッシュメモリとして用いながらも、DRAMの主電
源線が最上層側の第1金属配線層から構成された場合
に、メモリセルの配列方向に対し任意の角度で傾斜する
第1金属配線層から形成された電源線をより多くの場所
で、より下層の第2金属配線層から形成された電源線に
接続することで、実際の動作を行う最下層に位置するト
ランジスタにより強い電源を供給することができる。こ
のことは、DRAM回路の良好な動作マージンが得られ
ることを意味する。
【0012】ここで、本発明のLSIが、N層の金属配
線から構成されて前記第1金属配線層がN層目の金属配
線、前記第2金属配線層が前記(N−1)、(N−2)
及び(N−3)層目の金属配線から夫々構成されること
が好ましい。この場合、(N−2)層目及び(N−1)
層目の金属配線を相互にメッシュ状に接続し、更に(N
−1)層目の金属配線にN層目の金属配線を接続すれ
ば、(N−2)層目の金属配線を細く形成することが可
能になる。これにより、全体としてチップサイズの大型
化を抑えることができる。
【0013】上記の場合、N層目の金属配線の直ぐ下層
で該N層目の金属配線に対し交差してメッシュ形状を成
す(N−1)層目の金属配線が、例えばDRAMのデー
タ線をも成す(N−2)層目の金属配線をシールドする
ので、N層目の金属配線から構成されるマイクロプロセ
ッサの電源線を含むボンディングパッドからマイクロプ
ロセッサ部分への配線の動作によって、寄生容量を介し
て誘起されるノイズがメモリセルに影響してDRAMの
動作を損なう等の不具合を防止することができる。
【0014】また、電源線の自由度が増し、マイクロプ
ロセッサへの電源線を引き回す領域を十分に確保できる
ために、マイクロプロセッサの電源線とDRAMの電源
線とをボンディングパッドから分離することができ、マ
イクロプロセッサの動作による電源線のノイズがDRA
Mの動作を損なう等の不具合を防止することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】図面を参照して本発明を更に詳細
に説明する。図1は、本発明の一実施形態例における半
導体集積回路(LSI)の各部の配置を示す平面図であ
る。LSI11は、マイクロプロセッサ(MPUマク
ロ)13と、マイクロプロセッサ13の三方を囲んで配
設されるキャッシュメモリ(DRAMマクロ)15と、
半導体集積回路の外縁部に配設されるボンディングパッ
ドBPとを有している。本実施形態例において、LSI
11は、アルミニウムから成る4層の金属層を有する。
【0016】キャッシュメモリ15は、キャッシュデー
タ用DRAMマクロ15aとTAG(タグ)用DRAM
マクロ15bから成り、夫々が冗長メモリセルに置き換
えるリダンダンシ機能を有する。ボンディングパッドB
Pとマイクロプロセッサ13とは、キャッシュデータ用
DRAMマクロ15a、或いは、TAG用DRAMマク
ロ15bを挟んで相互に対向して配置される。ボンディ
ングパッドBPは、例えば約600程度が配置されてい
る。なお、各要素は、縮尺通りには描かれてはいない。
【0017】図1から分かるように、各キャッシュデー
タ用DRAMマクロ15aが、LSIチップにおいて対
向する2辺に隣接して配置され、TAG用DRAMマク
ロ15bが他の一辺に隣接して配置される。キャッシュ
データ用DRAMマクロ15a及びTAG用DRAMマ
クロ15bが、ボンディングパッドBPとマイクロプロ
セッサ13の入出力ポートとの間に位置するため、ボン
ディングパッドBPと上記入出力ポートとを相互に接続
する実線で示す信号線16bは、キャッシュデータ用D
RAMマクロ15aとTAG用DRAMマクロ15bと
を夫々通過する。図1中の破線で示す16aは、ボンデ
ィングパッドBPからキャッシュデータ用DRAMマク
ロ15a、或いは、TAG用DRAMマクロ15bに夫
々電源を供給するDRAMマクロ用の電源線である。図
1中の一点鎖線で示す16cは、ボンディングパッドB
PからDRAMマクロ(15a又は15b)に入力信号
を送る信号線である。同図において、DRAMマクロ
(15a又は15b)とマイクロプロセッサ13との間
の信号線は描かれていない。同図中の18は、4層目の
アルミニウム配線を配置できない場所を示している。
【0018】マイクロプロセッサ13の入出力ポートの
ピッチが、ボンディングパッドBPのピッチに比して狭
く形成されている点、或いは、リダンダンシ機能用の後
述のヒューズを含む回路の周辺回路領域42(図3)上
での引き回しの制限等に起因して、後述の4層目アルミ
ニウム配線4ALから成る電源線16a及び信号線16
bの多くのものが、キャッシュデータ用DRAMマクロ
15aやTAG用DRAMマクロ15b上を斜めに通過
する。
【0019】本実施形態例におけるLSI11では、少
なくともキャッシュメモリ15に対応する領域に、半導
体基板43(図8)側から数えて1層目〜4層目の各複
数ずつ配列されたアルミニウム配線が配設されており、
後述のリダンダンシ機能用のヒューズは3層目のアルミ
ニウム配線から構成され、電源線16a及び信号線16
bはいずれも4層目のアルミニウム配線から構成されて
いる。
【0020】図2は、本実施形態例の半導体集積回路の
構成を示すブロック図である。キャッシュメモリ15
は、メモリセルアレイ17、メモリセルアレイ17に付
随するアドレスデコーダ19、アドレスバッファ20、
リダンダンシデコーダ23、リダンダンシメモリセルア
レイ22、及びデータ入出力バッファ21を有する。リ
ダンダンシメモリセルアレイ22及びリダンダンシデコ
ーダ23は、リダンダンシ機能を有するリダンダンシ回
路系を構成する。
【0021】マイクロプロセッサ13は、アドレスバッ
ファ20にアドレス信号25を供給し、データ入出力バ
ッファ21との間で各種の信号26を授受する。アドレ
スバッファ20は、アドレスデコーダ19及びリダンダ
ンシデコーダ23にアドレス信号27を夫々供給する。
アドレスデコーダ19及びリダンダンシデコーダ23に
は、アドレスバッファ20からアドレス信号27が夫々
供給される。リダンダンシデコーダ23は、リダンダン
シメモリセルアレイ22で欠陥が検出された場合に、不
良メモリセルと、リダンダンシメモリセルアレイ22に
おける対応する冗長メモリセルとを置換することによ
り、DRAM(15)を正常なデバイスとして動作させ
る。
【0022】メモリセルアレイ17は、冗長ワード線を
含む複数のワード線と、冗長ビット線対とを有する。ワ
ード線とビット線対との交差部分に、MOSトランジスタ
を有する複数の数10K〜数100K個のメモリセルか
ら成るサブアレイCe(図4)が行列状に配列される。
言い換えると、キャッシュメモリ15は、複数のワード
線と複数のビット線との各交差部分に複数のサブアレイ
Ceが行列状に配設されたDRAMから構成される。
【0023】図3は、本実施形態例におけるキャッシュ
データ用DRAMマクロ15aの各要素の配置状態を模
式的に示す平面図である。キャッシュデータ用DRAM
マクロ15aは、サブアレイCe(図4)が所定数ずつ
配置された複数のメモリセルアレイ17と、ワード線を
駆動するXデコーダ40と、各メモリセルアレイ17の
ビット線を駆動するYデコーダ41とを有する。キャッ
シュデータ用DRAMマクロ15aにおけるYデコーダ
41とマイクロプロセッサ13との間には、リダンダン
シ機能用のヒューズ(図示せず)等が配設される周辺回
路領域42が設けられる。3層目のアルミニウム配線3
ALは、4層目のアルミニウム配線4ALよりも薄く形
成され、4層目のアルミニウム配線4ALに比してレー
ザーによる切断が容易であるため、上記リダンダンシ機
能用ヒューズとしても用いられる。従って、ヒューズ素
子の上部には、4層目のアルミニウム配線4ALを配置
することができない。
【0024】図4は、図3のメモリセルアレイ17にお
ける一部の領域Zを拡大して示す平面図である。領域Z
には、マトリックス状に配列された複数のサブアレイC
eと、Xデコーダ40からの信号を対応するサブアレイ
Ce内の一群のメモリセル(図示せず)に与えるワード
ドライバWDと、対応するサブアレイCe内の一群のメ
モリセルの記憶内容を読み出しその記憶内容をリストア
するセンスアンプSAとが配設されている。
【0025】図5は、図4の領域Zの各要素にほぼ対応
する、2層目までのアルミニウム配線の配置を具体的に
示す平面図である。半導体基板43上には、基板側から
数えて1層目のアルミニウム配線1ALが、図の左右方
向に複数本が相互に平行に延在し、また、2層目のアル
ミニウム配線2ALが、図の上下方向に複数本が相互に
平行に延在している。
【0026】1層目のアルミニウム配線1ALは、図の
上方から下方に向かって順に、センスアンプSAからの
データを取り出すデータ線として機能する部分と、ワー
ドドライバWD内で電源線(VCC、GND)として機
能する部分とを有する。
【0027】2層目のアルミニウム配線2ALは、図の
左方から右方に向かって順に、ワードドライバWDを選
択するメインワード線として機能する部分と、センスア
ンプSA内で電源線(VCC、GND)として機能する
部分とを有する。ワードドライバWD内を走る2層目の
アルミニウム配線2ALから形成された電源線と、セン
スアンプSA内を走る1層目のアルミニウム配線1AL
から形成された電源線は、相互に直交し、交点で接続さ
れており、いわゆるメッシュ状に配列されている。
【0028】図6は、図5の領域の上方に更に3層目及
び4層目のアルミニウム配線を重ねた状態で示す平面図
である。1層目及び2層目のアルミニウム配線1AL、
2AL上には、3層目のアルミニウム配線3ALが、2
層目のアルミニウム配線2ALと直交する方向(図の左
右方向)に複数本が相互に平行に延在している。3層目
のアルミニウム配線3ALは、4層目のアルミニウム配
線4ALが、サブアレイCeの配列方向に対し任意の角
度で傾斜して、複数本が延在している。
【0029】図7は、1層目及び2層目のアルミニウム
配線1AL、2ALの配置を見やすくするために、3層
目及び4層目のアルミニウム配線3AL、4ALを排除
した状態を示している。
【0030】図8は、図6のDa−Db線による断面図
である。半導体基板43上には、1層目のアルミニウム
配線1AL、2層目のアルミニウム配線2AL、3層目
のアルミニウム配線3AL、及び4層目のアルミニウム
配線4ALがこの順に形成される。2層目のアルミニウ
ム配線2ALから形成された電源線と、3層目のアルミ
ニウム配線3ALから形成された電源線とは、夫々、コ
ンタクト37bを介して相互に導通している。また、3
層目のアルミニウム配線3ALから形成された電源線に
は、4層目のアルミニウム配線4ALから形成された電
源線が、コンタクト37aを介して導通している。これ
により、アルミニウム配線4ALから供給される電源線
は、コンタクト37a、アルミニウム配線3AL及びコ
ンタクト37bを介して、対応するアルミニウム配線2
ALに与えられる。4層目のアルミニウム配線4AL
は、DRAM(15)の主電源線を構成し、2層目のア
ルミニウム配線2ALは、上記主電源線から分岐する下
流側電源線を構成する。
【0031】図9は、図6のEa−Eb線による断面図
である。半導体基板43上には、1層目のアルミニウム
配線1AL、2層目のアルミニウム配線2AL、3層目
のアルミニウム配線3AL、及び4層目のアルミニウム
配線4ALがこの順に形成される。アルミニウム配線4
ALと、対応するアルミニウム配線3ALとは、コンタ
クト37aを介して相互に導通している。アルミニウム
配線4ALから供給される電源は、コンタクト37aを
介してアルミニウム配線3ALに与えられる。
【0032】本実施形態例では、DRAMをキャッシュ
メモリとして用いながらも、DRAMの電源線が4層目
のアルミニウム配線4ALから構成された場合に、サブ
アレイCeの配列方向に対し任意の角度で傾斜する電源
線から3層目のアルミニウム配線3ALに対して、電源
線として要求される密度でコンタクトを介して接続する
ことができる。
【0033】また、1層目のアルミニウム配線1AL及
び2層目のアルミニウム配線2ALから成る電源線は、
夫々、3層目のアルミニウム配線3AL及び4層目のア
ルミニウム配線4ALから成る電源線までの比較的短い
区間のみで電源供給の機能を果たせば良い。これによ
り、アルミニウム配線1AL及び2ALを夫々細く形成
することができるので、センスアンプSA及びワードド
ライバWDの面積を小さく構成することができる。
【0034】更に、4層目のアルミニウム配線4ALの
直ぐ下層でこのアルミニウム配線4ALに対し交差して
メッシュ形状を成す3層目のアルミニウム配線3AL
が、DRAM(15)のデータ線をも成す2層目のアル
ミニウム配線2ALをシールドすることになる。このた
め、4層目のアルミニウム配線4ALから形成されたマ
イクロプロセッサ13とボンディングパッドBP間の信
号に誘起されるノイズが、2層目のアルミニウム配線2
ALから形成されたデータ線に影響して動作を損なう等
の不具合を防止することができる。つまり、2層目のア
ルミニウム配線2ALを用いて読み出されるセンスアン
プSAからの信号に悪影響が出ることはない。
【0035】また、DRAM(15)の電源線の配線の
制約が少ないため4層目のアルミニウム配線4ALを効
率よく配置することができ、マイクロプロセッサ13の
電源線とDRAM(15)の電源線とをボンディングパ
ッドBPから分離することができる。このように構成す
ることにより、マイクロプロセッサ13の電源ノイズが
DRAM(15)の動作マージンに影響を与えることが
無くなる。
【0036】DRAM(15)には、図10に示すよう
に、VCCやGND以外にビット線プリチャージ電源H
VCC等があり、これらの電源に対しても、本発明を適
用し、3層目のアルミニウム配線3ALの電源線を配置
すると、プリチャージ電位の安定化を実現することがで
きる。
【0037】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、本発明の半導体集積回路は、上記実
施形態例の構成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半導体
集積回路も、本発明の範囲に含まれる。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体集
積回路では、DRAMをキャッシュメモリとして用いな
がらも、DRAMの主電源線が最上層側の第1金属配線
層から構成された場合に、メモリセル配列方向に対し任
意の角度で傾斜する第1金属配線層から形成された電源
線をより多くの場所で、より下層の第2金属配線層から
形成された電源線に接続することで、実際の動作を行う
最下層に位置するトランジスタにより強い電源を供給す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態例における半導体集積回路
の各部の配置を示す平面図である。
【図2】本実施形態例の半導体集積回路の構成を示すブ
ロック図である。
【図3】本実施形態例におけるキャッシュデータ用DR
AMマクロの各要素の配置状態を模式的に示す平面図で
ある。
【図4】図3のメモリセルアレイにおける一部の領域を
拡大して示す平面図である。
【図5】図4の領域の各要素にほぼ対応する、2層目ま
でのアルミニウム配線の配置を具体的に示す平面図であ
る。
【図6】図5の領域の上方に更に3層目及び4層目のア
ルミニウム配線を重ねた状態で示す平面図である。
【図7】1層目及び2層目のアルミニウム配線の配置を
見やすい状態にした平面図である。
【図8】図6のDa−Db線による断面図である。
【図9】図6のEa−Eb線による断面図である。
【図10】VCCやGND以外にビット線プリチャージ
電源HVCC等を示す平面図である。
【符号の説明】
1AL:1層目のアルミニウム配線 2AL:2層目のアルミニウム配線 3AL:3層目のアルミニウム配線 4AL:4層目のアルミニウム配線 11:半導体集積回路 13:マイクロプロセッサ 15:キャッシュメモリ 15a:キャッシュデータ用DRAMマクロ 15b:TAG用DRAMマクロ 16a:電源線 16b、16c:信号線 17:メモリセルアレイ 37a:コンタクト 37b:コンタクト 40:Xデコーダ 41:Yデコーダ 42:周辺回路領域 43:半導体基板 BP:ボンディングパッド Ce:サブアレイ SA:センスアンプ WD:ワードドライバ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 27/04 H01L 27/10 681C 27/108 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/822 G11C 11/401 H01L 21/3205 H01L 21/82 H01L 21/8242 H01L 27/04 H01L 27/108

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数のワード線と複数のビット線との各
    交差部分に複数のメモリセルが行列状に配設されたDR
    AMから成るキャッシュメモリと、マイクロプロセッサ
    とを備えた半導体集積回路において、 少なくとも前記キャッシュメモリが配設される領域の上
    層の配線層が、 前記キャッシュメモリのデータ線及び電源線を形成する
    第1の配線層と、 前記キャッシュメモリのワード線及び電源線を形成する
    第2の配線層と、 前記キャッシュメモリの電源線に電源を供給する電源線
    から成る第3の配線層と、 前記マイクロプロセッサに電源を供給する電源線及び信
    号線を含み、前記マイクロプロセッサとボンディングパ
    ッドとを接続する配線から成る第4の配線層とを下層側
    から順次に備えることを特徴とする半導体集積回路。
  2. 【請求項2】 前記第3の配線層の電源線が、前記第4
    の配線層を介してボンディングパッドと接続される、請
    求項1に記載の半導体集積回路。
  3. 【請求項3】 前記第1の配線層の電源線と、前記第2
    の配線層の電源線とが相互に直交する、請求項1又は2
    に記載の半導体集積回路。
  4. 【請求項4】 前記キャッシュメモリの電源線に接続さ
    れるボンディングパッドと前記マイクロプロセッサの電
    源線に接続されるボンディングパッドとが異なるボンデ
    ィングパッドとして構成される、請求項1〜3の何れか
    に記載の半導体集積回路。
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