JP5076909B2

JP5076909B2 - 集積回路装置

Info

Publication number: JP5076909B2
Application number: JP2007555890A
Authority: JP
Inventors: 源洋中川; 宗生深石
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-01-24
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2027-01-16
Also published as: US8633577B2; JPWO2007086278A1; US20090014892A1; WO2007086278A1

Description

本発明は、垂直方向に積層されたチップ間において、電磁誘導コイルによる電磁結合を利用して信号伝送を行なう集積回路装置に関する。

近年の半導体製造プロセスにおける微細加工技術の進展に伴い、集積回路装置に組み込まれる回路の高集積化が進んでいる。しかしながら、チップのおけるＩ／Ｏ（入力／出力）パッド間隔の縮小については技術進歩が小さい。そのため、Ｉ／Ｏ部分の占有面積が大きくなり、集積回路装置の高集積化の大きな妨げになっている。

そこで、近年、電磁誘導コイルが形成されたチップを垂直方向に積層し、チップ間の相対する電磁誘導コイルを用いて信号伝送を行なう集積回路装置の開発がなされた（特許文献１〜３）。図２１（ａ）に電磁誘導コイルを用いて信号伝送を行なう従来の集積回路装置の平面投影図を、図２１（ｂ）にその断面図を示す。この集積回路装置は、垂直方向にチップ６が積層され、チップ６同士が接着層７によって固定されたものである。チップ６間の対向する面にはそれぞれ、電磁誘導コイルとして動作する導体パターン１、及び、該コイルに発生した電流信号の受け取りまたは該コイルへの電流信号の供給を行なう信号装置３が形成されている。

ここで、上側のチップに配されたコイル及び信号装置を送信用とし、下側のチップに配されたコイル及び信号装置を受信用として説明する。送信コイルに送信信号に依存した向きに信号装置より電流を流す。例えば、チップ上面から見て時計回りの向きの電流信号を“１”とすると、送信コイルは、受信コイルに対して上方から下方へ突き抜ける方向に磁束を発生する。受信コイルにはコイル内を突き抜けた磁束によって誘導電流が流れる。このとき、この誘導電流の向きは、送信コイルに供給された電流の向きと同じとなる。この発生した誘導電流、または、電圧などの変換された電気信号を信号装置によって観測することで、信号伝送が完了する。

“０”の信号を送信したい場合は、“１”の場合とは逆に反時計回りに電流を送信コイルに供給することで、その信号の送信が可能となる。

一般的に、この電磁誘導コイルの電磁結合を用いた信号伝送方式は、エリアバンプなどを用いた実装方式よりもＩ／Ｏ部分の占める面積が小さく、集積回路の高集積化が可能である。
特開平７−２２１２６０号公報特開平８−２３６６９６号公報特開平１０−２００００７号公報

上記の信号伝送方式は、チップ上に製作された送信用コイルに電流を流し、送信用コイルが形成されたチップとは別のチップに形成された受信用コイルに電気信号を誘導させ、その信号を観測することで信号を伝送するものである。そのため、この伝送方式において、高速信号伝送や低エラーレートなどの高品位の伝送を行なうには、Ｓ／Ｎ比を確保するために、受信コイルに誘導される信号を大きくしなければならない。この受信コイルに誘導される信号は、送受信コイル間の相互インダクタンスに比例する。

この相互インダクタンスは、受信コイルの自己インダクタンス、送信コイルの自己インダクタンス、コイル間の結合係数に比例する。ここで、結合係数は、コイルの相対位置、及び、コイル間距離に依存している。したがって、高品位の信号伝送を実現するには、各チップに形成された電磁誘導コイルの位置、及び相互距離を極端に高い精度で調整する必要がある。

仮に図２２に示したように、コイル間距離が所望の距離ｄからずれてしまうと、相互インダクタンスが小さくなり十分な信号強度が得られなくなる。

また、図２３に示したように、相対するコイルの位置が水平方向にずれると、相互インダクタンスが減少して信号強度が低下してしまう。その上、図２４に示したように隣接する位置に他のコイルが存在する場合、隣接コイルからの影響を受け誤動作する。

しかしながら、チップ上に別のチップを実装する際、チップの水平方向の位置合わせ、及び、チップ間距離の設定を高精度で行なうことは非常に困難である。しかも、従来の構造ではチップ実装後にコイル位置、相互インダクタンスを変更できないので、伝送速度が制限され、エラーレートを十分に下げることができなかった。

さらに、コイル製造工程における寄生抵抗や寄生容量のばらつきの影響によって共振周波数が設計値から外れてしまったとき、コイル製造後に共振周波数の変更ができないため、効率的な信号伝送が困難であった。

本発明の目的は、上記の問題を解消するために、チップ実装時に高精度の位置あわせ制御を要求せず、チップ実装工程後にコイルの相対位置と相互インダクタンスと共振周波数を変更できる集積回路装置を提供することにある。さらに本発明は、信号伝送に適するコイル位置と相互インダクタンスを決定する方法を提供することも目的とする。

本発明の集積回路装置は、コイルが形成された基板が積層され、相対するコイル間での電磁結合により信号伝送を行なうものである。この集積回路装置は、各基板上に多数配置された導体パターンと、導体パターンの端部同士の接続を制御する接続制御装置と、を有している。そして、上記のコイルは、多数の導体パターンのうち所望の導体パターンを接続制御装置を用いてループになるように接続して形成される。

このような構成では、上記の接続制御装置で接続された導体パターンからなる導線が信号伝送に関わるコイルとなるので、基板の積層工程後に接続制御装置により導体パターンの接続関係を選択することで、コイルの位置の変更が可能となる。また、接続関係により、コイルを形成する導線の長さや巻き数の変更も可能なため、相互インダクタンスや共振周波数の変更も可能となる。
本発明の半導体装置は、複数の多角形が、頂点を格子点として、インダクタ形成用の２次元領域を埋め尽くすように配置されており、隣接格子点間を結ぶ辺には、前記辺に沿って配設された少なくとも１本の導体を備え、前記格子点は、前記格子点に集まる複数の辺の導体相互の間の接続をオン・オフ制御する複数のスイッチを備え、前記多角形の１つの辺が、前記辺に沿って配設される導体を、電流信号の受け取り及び／又は供給を行う信号装置に接続させるか否かを制御するスイッチを備え、前記各スイッチのオン・オフを制御して前記２次元領域内で任意形状及びサイズの平面インダクタを構成自在としている。本発明において、前記多角形の１つの辺は、前記辺に沿って配設される導体として、一端が互いに対向し他端が前記辺の両端の２つの頂点にそれぞれ達する第１の導体部及び第２の導体部を含み、前記第１の導体部の前記一端及び前記第２の導体部の前記一端と、電流信号の受け取り及び／又は供給を行う信号装置との間の接続をそれぞれオン・オフ制御する第１及び第２のスイッチと、前記第１の導体部と前記第２の導体部の対向する一端間の接続をオン・オフ制御する第３のスイッチとを備えている。本発明において、多角形は、一種類あるいは複数種類で２次元平面を充填できる多角形を含む。

本発明によれば、チップ実装後に任意にコイルの位置、及び、相互インダクタンス、及び、共振周波数の変更が可能なため、高品位の信号伝送が実現できる。

本発明の一実施形態の集積回路装置を構成するチップの模式的平面図である。図１に示された接続関係制御装置２Ａの一例として示す回路図である。図２で示した接続関係制御装置２Ａのスイッチによる導体パターン間の接続状態をそれぞれ表す模式図である。図１に示された接続関係制御装置２Ｂの一例として示す回路図である。図４で示した接続関係制御装置２Ｂのスイッチによる、導体パターンと信号装置間の接続状態をそれぞれ表す模式図である。接続関係制御装置２Ａ，２Ｂを用いてコイルを形成した時の様子を示す模式的平面図である。チップ実装が想定どおりの位置に実装できた場合の様子を示す図である。多チャンネル伝送を行なう場合の集積回路装置の模式的平面図である。チップ間距離のみが想定よりも離れた場合においてコイル巻き数を増やした様子を示す模式的平面図である。コイル径を大きくした場合の集積回路装置の模式的平面図である。図７と図１０に示したコイル形成方法を組み合わせた場合の集積回路装置の模式的平面図である。図９と図１０に示したコイル形成方法を組み合わせた場合の集積回路装置の模式的平面図である。水平方向のチップ位置ずれを許容するためのコイル形状を示す模式的平面図である。六角格子の辺が３本の導体パターンで構成された回路を示す図である。六角格子の辺が１本の導体パターンで構成された回路を示す図である。図１５に示した回路において複数のコイルを形成した時の様子を示す模式的平面図である。一つの配線層を用いた場合によるコイル導線部と複数の配線層を用いた場合によるコイル導線部を示した図である。導体パターンの正方格子形の配置例を示す模式的平面図である。導体パターンの三角格子形の配置例を示す模式的平面図である。導体パターンの菱形格子形の配置例を示す模式的平面図である。従来の集積回路装置の平面投影図および断面図である。チップ間距離がずれた場合の従来の集積回路装置の断面図である。チップが水平方向にずれた場合の従来の集積回路装置の平面投影図および断面図である。水平方向にずれたチップにおいて隣接するコイルが存在する場合の従来の集積回路装置の平面投影図および断面図である。

符号の説明

１導体パターン
２Ａ第１の接続関係制御装置
２Ｂ第２の接続関係制御装置
３信号装置
４スイッチ
５受信コイルを送信コイルのあるチップ上へ投影した領域
６チップ
７接着層

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態の集積回路装置を構成するチップの模式的平面図を示す。図１に示すように、半導体基板としてのチップの表層もしくは内層に、コイルを形成するための複数の導体パターン１と、接続関係制御装置２Ａ及び２Ｂと、信号装置３とが基本的に形成される。信号装置３は、コイルに発生した電流信号の受け取り、または、該コイルへの電流信号の供給、もしくはその両方を行なう装置である。本発明の集積回路装置は、このようなチップを垂直方向に積層し、チップ間の相対するコイル同士の電磁結合により信号伝送を行なうものである。

第１の接続関係制御装置２Ａは、隣接する導体パターン１の端部間に配置され、導体パターン１の端部同士の短絡と開放をチップ積層後に任意に制御できるものである。第１の接続関係制御装置２Ａの一例として回路図を図２に示す。図２に示すように接続関係制御装置２Ａはスイッチ４で構成される。このスイッチ４は、NMOSトランジスタ、PMOSトランジスタ、それらを組み合わせたトランスファーゲートなどで実現される。もちろん、バイポーラトランジスタのような、MOSトランジスタ以外の電子素子でもかまわない。電子素子の例としては、相変化材料を用いた不揮発性メモリや、金属イオンの析出を利用した固体電解質材を用いるスイッチ素子などがある。また、ポリシリコンヒューズやメタルヒューズなどでも構成できる。

ここで、図２で示した接続関係制御装置２Ａのスイッチによる導体パターン間の接続状態をそれぞれ表す模式図を図３に示す。図３の（ａ）〜（ｎ）の各々の左側の図にて、短絡させたスイッチ４が丸印で示され、右側の図にて、その短絡させたスイッチ４による導体パターン１の接続状態が最も濃い部分で表されている。

また、図２と同様に、第２の接続関係制御装置２Ｂの一例として回路図を図４に示す。この接続関係制御装置２Ｂは、所定の導体パターン１と信号装置３との接続を制御するものである。図４に示すように、第２の接続関係制御装置２Ｂも第１の接続関係制御装置２Ａと同じく、スイッチ４で構成されている。

図５には、図４で示した接続関係制御装置２Ｂのスイッチによる、導体パターン１と信号装置３間の接続状態をそれぞれ表す模式図を示す。図５の（ａ），（ｂ）の各々の左側の図にて、短絡させたスイッチ４が丸印で示され、右側の図にて、その短絡させたスイッチ４による、導体パターン１と信号装置３間の接続状態が最も濃い部分で表されている。

ここで、一例として、接続関係制御装置２Ａ，２Ｂを用いてコイルを形成した時の模式的平面図を図６に示す。図６に最も濃い部分で示すように、接続関係制御装置２Ａ，２Ｂ及び複数の導体パターン１により信号装置３を始点及び終点としたループが形成されると、信号送信用または受信用のコイルとしての動作が可能となる。

次に、上記の構成のチップを積層した際のコイル位置の制御に関して述べる。以下では、下側のチップに対して上側のチップの実装が想定どおりであった場合と、垂直方向にずれチップ間距離が想定より離れてしまった場合と、水平方向にずれた場合に関して説明する。以下の説明では、受信コイルを固定し、送信コイルの位置、および、形状を変化させる例を用いるが、もちろん、送信コイルを固定し、受信コイルを変化させても同様の効果が得られる。また、送信コイル、受信コイルの両方を変化させてもかまわない。

はじめに、チップ実装が水平・垂直方向に対してそれぞれ想定どおりの位置に実装できた場合を図７に示す。図７に示すように、それぞれ対をなす、最小単位のコイル同士を用いて信号受信が可能となるように、あらかじめチップ上の回路を設計しておく。斜線の領域５は、受信コイルを送信コイルがあるチップ上に投影したもので、当該チップに対する受信コイルの相対的な位置を表す。図７のように、チップ実装位置が想定どおりである場合、最小単位の受信コイルの投影位置が最小単位の送信コイルの位置に一致する。そして、図７で示したような最小単位のコイルを複数用いることで、並列に信号伝送が可能になる。

図８に、多チャンネル伝送を行なう場合の集積回路装置の模式的平面図を示す。図８に示したように、複数の、送信コイルと受信コイル間での信号伝送速度が同じ場合、複数のコイルでの伝送が可能となるので、大容量の信号伝送が可能となる。なお、図７及び図８中、最も濃い部分で示されているのが最小単位のコイルである。

次に、図２２で示したようにチップ間距離のみが想定よりも離れた場合に関して述べる。従来手法であれば、相互インダクタンスが減少し十分な信号強度が得られず、信号伝送ができない。そこで、図９に最も濃い部分で示すように、接続関係制御装置２Ａ，２Ｂ及び複数の導体パターン１により、信号装置３を始点及び終点としたループを二重に形成する。これにより、送信コイルの巻き数が倍となり、自己インダクタンスが大きくなり、コイル間の相互インダクタンスを増やすことが可能となる。

図９の例では、巻き数を増加させることで相互インダクタンスを増大させたが、コイル径を大きくすることでも、相互インダクタンスの増大が可能である。図１０に、コイル径を大きくした場合の集積回路装置の模式的平面図を示す。図１０に最も濃い部分で示すように、接続関係制御装置２Ａ，２Ｂ及び複数の導体パターン１により、図７で示した最小単位のコイル径よりも大径のコイルが形成できる。このため、相互インダクタンスの増大が可能である。

更に大きな相互インダクタンスを要求する場合は、最小単位のコイルと図１０で示したようにコイル径を拡大したコイルとの組み合わせも可能である。このように組み合わせた場合の集積回路装置の模式的平面図を図１１に示す。図１１に最も濃い部分で示すように、コイル径、コイル巻き数とも図７で示した最小単位のコイルよりも増加しており、より大きな相互インダクタンスの実現が可能になる。

更に、もっと大きな相互インダクタンスが必要な場合、図９で示したコイルと図１０で示したコイルとの組み合わせも可能である。このように組み合わせた場合の集積回路装置の模式的平面図を図１２に示す。図１２に最も濃い部分で示すように、コイル巻き数が図１１で示したコイルよりも増加しており、より大きな相互インダクタンスの実現が可能になる。

このように、チップ実装後に導体パターン１の接続関係を様々な組み合わせで切り替えることにより、信号伝送に適したコイル形状を選択することが可能になる。

次に、図２３で示したように水平方向にチップ実装位置がずれた場合について述べる。従来手法では図２３に示すように、受信コイルを通過する磁束の向きが領域５ａと領域５ｂでは逆となり、相互インダクタンスが小さくなる。その結果、十分な信号強度が得られず、信号伝送ができなくなる。また、図２４に示したように隣接するコイルが存在する場合、領域５ｃには、隣接コイルからの信号が漏れ出し、クロストークが発生する。その際、十分なＳ／Ｎ比が確保できない場合、信号の誤伝送が発生してしまう。高品位な信号伝送を行なうには、受信コイルには、ある一方向のみの磁束が入力されなければならない。

そこで、図１３に、水平方向のチップ位置ずれを許容するためのコイル形状を実現した場合の模式的平面図を示す。図１３において、最も濃い部分で示されているのが送信コイルであり、斜線領域５が受信コイルである。この図に示すように、受信コイルの全部が送信コイルの内側にある。このため、受信コイルには一方向のみの磁束が入力され、信号伝送に必要な相互インダクタンスが確保できると考えられる。

もし、相互インダクタンスが小さく信号強度が得られない場合は、図１３に示したコイル形状と図９〜図１２で示したような方法を組み合わせることで、信号強度を確保すればよい。

以上説明した実施形態では、チップ上の回路の形は、図１に示したように、正六角形を隙間無く配置した形（いわゆる六角格子形）になっている。図１では、六角格子の各交点（各頂点）に接続関係制御装置２Ａが配置され、格子の目にそれぞれ信号装置３が配置され、六角格子の各辺上に２本の導体パターン１が配置されている。さらに、六角格子の一の辺上に配置された２本の導体パターン１のうち１本に、この導体パターン１と信号装置３の入力端子及び出力端子との接続を制御する接続関係制御装置２Ｂが配置されている。

そして、図１に示したようにチップ上に多数配置された導体パターン１のうち所望の導体パターンを接続関係制御装置２Ａ，２Ｂを用いてループになるように接続することで、信号伝送用コイルの形成が可能となる。このような構成では、接続関係制御装置２Ａ，２Ｂにより接続する導体パターンを選択できるため、チップ上に形成するコイルの位置、個数、径、巻き数を任意に設定できる。したがって、チップの実装後にコイルの位置や、コイル間の相互インダクタンス、共振周波数などを調整して高品位の信号伝送を実現させることができる。つまり、チップ実装工程ではチップ同士の位置合わせに高い精度が要求されず、チップ実装後に、高品位の信号伝送に適したコイルの位置および形状に変えられる。

なお、以上の実施形態では、六角格子の各辺上に２本の導体パターン１を配置した。しかし、各辺の導体パターン１は２本である必要はなく、３本以上の導体パターン１を配置することも可能である。図１４に、六角格子の辺が３本の導体パターン１で構成された回路を示す。

また、図１５に示すように、六角格子の辺上に配置される導体パターン１が１本であってもかまわない。しかしながら、図１６に最も濃い部分で示す複数のコイルのように、隣接する位置にコイルの形成ができなくなるため、Ｉ／Ｏ部分の密度が低くなることに注意が必要である。

また、以上の形態としては、チップ上に配する導体パターン１を一つの配線層で作製した場合を示した。しかしながら、一つの配線層でコイルを形成する必要はなく、複数の配線層を用いて、コイルのための導体パターン１を形成してもかまわない。図１７の（ａ）に一つの配線層を用いた場合のコイル導線部の拡大平面図、（ｂ）にａ―ａ’断面図、（ｃ）に複数の配線層を用いた場合のコイル導線部の断面図を示す。このように複数の配線層を利用することで、よりコイルの巻き数を変化させることが可能になったり、図１６で示したように、コイルを隣接して形成できなくなるといった問題が回避できたりする。

さらに、以上では、導体パターン１を六角格子の形になるよう配置した例を示した。しかしながら、導体パターン１の配置は六角格子形の配置である必要はなく、複数の導体パターン１と接続関係制御装置２Ａ及び２Ｂによってループ状の構造が形成可能となればよい。

但し、図１に示したような六角格子の辺上に導体パターン１を配置することが、所望のコイル形状やコイル径を効率良く実現する観点から、最も適している。

六角格子形の配置の他には、正方格子形や三角格子形の配置が考えられる。それぞれの模式的平面図を図１８、図１９に示す。また、正方格子形に限定することなく四角格子形の配置でもかまわない。導体パターン１を四角格子形に配置した例を図２０に示す。図２０では、四角格子形を菱形格子とした。このように六角格子形の配置だけではなく、他の多角形格子の形でも本発明の回路が構成でき、図１に示した形態と同じ効果を持たせることが可能である。

さらに、本発明の回路の形は、三角形、四角形、六角形などの複数種の多角形が混在した格子形（例えばカゴメ格子）であってもよい。

また、導体パターン１は直線に限定されることなく、折れ線または曲線、あるいは、直線、折れ線、曲線のうちの任意の組み合わせからなるパターンでもかまわない。

次に、信号伝送に適したコイル形状の決定手法の説明を行なう。

その手法として、光学的にチップ実装位置のずれを検出する方法を利用する。まず、各チップ上に形成されたマークの相対位置を観測し、チップ実装における水平方向の位置のずれを知る。水平方向の位置と同様に、光学的手法で垂直方向の位置のずれを検出する。次に、得られた位置のずれから、信号伝送に適したコイル形状を選択し、接続関係制御装置２Ａ及び２Ｂを制御することで、高品位の信号伝送が可能となる。

また、スイッチ４にトランジスタなどの可逆的に接続関係を変化させられる素子を用いた場合、既知の信号を伝送し、その信号誤り率から最適なコイル形状の選択も可能である。このように信号誤り率を利用した最適形状の選択は、光学的な位置ずれ検出を必要としないので、非常に容易に最適なコイル形状の選択が可能である。

Claims

コイルが形成された基板が積層され、相対するコイル間での電磁結合により信号伝送を行なう集積回路装置において、
前記基板上に複数配置された導体パターンと、
隣接する前記導体パターンの端部同士の接続を制御する接続制御装置と、
を有し、前記導体パターンは前記基板上に格子の形になるように配置され、
前記コイルが、前記複数の導体パターンのうち所望の導体パターンを前記接続制御装置を用いてループになるように接続して形成されることを特徴とする集積回路装置。
前記導体パターンが前記基板上に、六角格子、三角格子、正方格子、菱形格子の少なくとも一つの形になるように配置されている請求項１に記載の集積回路装置。
前記導体パターンが前記基板上に、複数種の多角形が混在した格子形になるように配置されている請求項１に記載の集積回路装置。
前記格子の各交点に前記接続制御装置が配置され、前記格子の各辺上に前記導体パターンが一又は複数配置されている請求項１から３のいずれかに記載の集積回路装置。
前記格子の目に配置され、信号の受信または送信を行なう信号装置と、
前記格子の一の辺上の一部に配置され、前記信号装置と前記導体パターンとの接続を制御する第２の接続制御装置と、をさらに備えた請求項４に記載の集積回路装置。
前記接続制御装置が隣接する前記導体パターンの端部同士の接続を変えることで、
前記コイルの形状を可変としたことを特徴とする請求項１記載の集積回路装置。
前記接続制御装置が隣接する前記導体パターンの端部同士の接続を変えることで、
前記コイルの位置を可変としたことを特徴とする請求項１記載の集積回路装置。
前記基板上に格子の形になるように配置された前記導体パターンとして、複数の多角形が、頂点を格子点として、コイル形成用の２次元領域を埋め尽くすように配置されており、
隣接格子点間を結ぶ辺には、前記辺に沿って配設された少なくとも１本の導体を備え、
前記接続制御装置は、前記格子点に集まる複数の辺の導体相互の間の接続をオン・オフ制御する複数のスイッチを備え、
前記多角形の１つの辺が、前記辺に沿って配設される導体を、電流信号の受け取り及び／又は供給を行う信号装置に接続させるか否かを制御するスイッチを備え、
前記各スイッチのオン・オフを制御して前記２次元領域内で任意形状及びサイズの平面コイルを構成自在としてなる、請求項１記載の集積回路装置。
前記多角形の１つの辺が、前記辺に沿って配設される導体として、一端が互いに対向し他端が前記辺の両端の２つの頂点にそれぞれ達する第１の導体部及び第２の導体部を含み、
前記第１の導体部の前記一端及び前記第２の導体部の前記一端と、電流信号の受け取り及び／又は供給を行う信号装置との間の接続をそれぞれオン・オフ制御する第１及び第２のスイッチと、
前記第１の導体部と前記第２の導体部の対向する一端間の接続をオン・オフ制御する第３のスイッチと、
を備えている請求項８記載の集積回路装置。
前記多角形が、一種類で２次元平面を充填できる正多角形を含む請求項８又は９記載の集積回路装置。
前記多角形が、複数種類で２次元平面を充填できる多角形を含む請求項８又は９記載の集積回路装置。
前記辺に沿って配設される導体が、直線、折れ線、及び、曲線の中から選択された少なくとも１つを含む請求項８又は９記載の集積回路装置。