JP5283075B2 - 電子回路 - Google Patents

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Description

本発明は、積層実装されるIC(Integrated Circuit)ベアチップなどのチップ間の通信を好適に行うことができる電子回路に関する。
本発明者らは、LSI(Large Scale Integration)チップのチップ上の配線により形成されるコイルを介して積層実装されるチップ間で誘導結合による通信を行う電子回路を提案している(特許文献1〜11、非特許文献1〜3参照。)。
特に、特許文献10において、メモリアレイの領域の金属配線層にほとんど使われていないものがある点に着目して、その従来は使われていなかった金属配線層を使ってコイルを形成することによってコイルを効率よく配置することを提案している。
図13は、特許文献10において提案した電子回路の構成を示す図である。図13(a)は平面図であり、図13(b)は図13(a)のBB'線における断面図である。図は積層実装される電子回路の内の1つのLSIチップについて示している。LSIチップは、メモリアレイ11、例えばデコーダである周辺回路12、及び例えばセンスアンプである周辺回路13から成る。メモリアレイ11には、多くのワード線14及びビット線15が高密度に配置され、それらの交点にはメモリセル16が配置される。ワード線14によってメモリセル行を選択し、ビット線15によって信号を書き込み又は読み出す。図ではワード線14、ビット線15、及びメモリセル16をそれぞれ1つずつ示した。このメモリアレイ11の領域に、送受信器21に接続され、誘導結合による通信を行うためのコイル22を配置する。コイル22は、ワード線14及びビット線15とは異なる金属配線層を用いて形成する。その際に、コイル22の形状を多角形、ここでは例えば四角形として、その各辺がワード線14及びビット線15に対して平行でないように配置する。これにより、コイル22とワード線14及びビット線15との容量結合及び磁界結合を小さくすることができる。
図は、メモリアレイ11とロジック回路45を有する標準的なLSIチップを示しており、半導体基板41の上に3層の金属配線層42〜44が積層されている。第1層の金属配線層42によってワード線14を形成し、第2層の金属配線層43によってビット線15を形成し、第3層の金属配線層44によってコイル22を形成している。周辺回路12、13やロジック回路45には3層以上の金属配線層が使われるが、メモリアレイ11にはほとんど2層しか使われないので、その領域の使われていない金属配線層を使ってコイル22を形成している。
特開2005−228981号公報 特開2005−348264号公報 特開2006−050354号公報 特開2006−066454号公報 特開2006−105630号公報 特開2006−173986号公報 特開2006−173415号公報 特願2007−305143(平成19年11月26日出願) 特願2008−023397(平成20年 2月 2日出願) 特願2008−117532(平成20年 4月28日出願) 特願2008−146248(平成20年 6月 3日出願) D. Mizoguchi et al, "A1.2Gb/s/pin Wireless Superconnect based on Inductive Inter-chip Signaling(IIS)," IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC’04),Dig. Tech. Papers, pp. 142-143, 517, Feb. 2004. N. Miura et al, "Analysisand Design of Transceiver Circuit and Inductor Layout for Inductive Inter-chipWireless Superconnect," Symposium on VLSI Circuits, Dig. Tech. Papers, pp.246-249, Jun. 2004. N. Miura et al, "CrossTalk Countermeasures in Inductive Inter-Chip Wireless Superconnect," inProc. IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC'04), pp. 99-102, Oct.2004.
しかし、メモリアレイの領域に重ねて誘導結合による通信を行うためのコイルを配置すると、メモリアレイの配線の信号がコイルに干渉するために、コイルによる通信においてSN比が劣化してしまう。また、逆にコイルの信号がメモリアレイの配線に干渉するために、メモリの書き込み又は読み出しの信頼性が低くなってしまう。
本発明は、上記問題点に鑑み、メモリアレイの領域に重ねて誘導結合による通信を行うためのコイルアンテナを配置しても、メモリアレイの配線とコイルアンテナによる通信との干渉がほとんど生じないようにコイルアンテナを配置させた電子回路を提供することを目的とする。
請求項1記載の本発明の電子回路は、基板上に、情報を記憶するメモリアレイと、該メモリアレイが存在する領域に重ねて金属配線層により形成されているコイルアンテナとを有し、前記コイルアンテナを形成する金属配線層の上又は下に隣接する金属配線層で形成されている配線と前記コイルアンテナとが平面図上で交差する位置が、前記コイルアンテナの両端子からの配線長が互いに等しい一対の位置からなることを特徴とする。
また、請求項2記載の本発明の電子回路は、前記コイルアンテナと交差する前記配線は、前記メモリアレイのビット線、ワード線又はカラム選択線であることを特徴とする。
また、請求項3記載の本発明の電子回路は、前記コイルアンテナには、該コイルアンテナによって受信する信号を増幅する差動増幅器が接続されていることを特徴とする。
また、請求項4記載の本発明の電子回路は、前記コイルアンテナに接続され、該コイルアンテナの中央の電位を所定の電位に保持しつつ、送信データに従って該コイルアンテナに流れる電流を駆動する送信器を備えることを特徴とする。
本発明によれば、メモリアレイの領域に重ねて誘導結合による通信を行うためのコイルアンテナを配置しても、メモリアレイの配線からコイルアンテナへの干渉はコイルアンテナの両端において同相かつ同じ大きさになるので、差動増幅器によって除去することができる。また、逆にコイルアンテナの信号がメモリアレイの配線に干渉することを抑止することができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図2は、特許文献1において提案したコイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す図である。図2(a)は、コイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す平面図であり、図2(b)は、伸展した場合のコイルアンテナを示す図である。図2(a)のa、b、c、d、e、f、g、1、2、3、4と図2(b)のa、b、c、d、e、f、g、1、2、3、4とはコイル22の対応する位置を示す。図13に示したように、ビット線15は、第2層の金属配線層43によって形成され、コイル22は、第3層の金属配線層44によって形成されている。図2には示していないが、第1層の金属配線層42によってワード線14が形成されており、更にカラム選択線が配置されることもあり、この場合に、カラム選択線は第2層の金属配線層43によって形成され配置される。
ここで、メモリアレイの配線からコイルアンテナへの干渉を考察する。第1層のワード線14と第3層のコイル22との間には、高密度に配置された第2層のビット線15があることで両層間の電界が遮断されるために、ワード線14からコイル22への干渉ノイズの発生は比較的小さい。このため、第3層のコイル22に最も近い第2層のビット線15がコイル22に対する干渉ノイズの原因として支配的となる。
図2において、例えばビット線15にローからハイに変化する電圧信号が生じたとき、コイル22上の交差点1、2、3、4においても、容量結合でローからハイに変化する電圧信号がノイズとして発生する。交差点1と2はコイル22の2つの端子a、gからの配線長が互いに等しい一対の位置にあるので、この位置で発生するノイズは、コイル22の2つの端子a、gにおいて同相かつ同じ大きさのノイズとなり、コイル22の2つの端子a、gに接続された受信器において、差動増幅器によって除去することができる。ところが、コイル22の両端子からの配線長が互いに等しい一対の位置にない交差点3と4において重畳したノイズは、コイル22のインダクタンス、寄生容量及び抵抗分を考慮すると、コイル22の2つの端子a、gに異なる時刻に到達する異なる大きさのノイズとなり、差動増幅器でこのノイズを除去することはできない。その結果、受信器のSN比を劣化させ、誤動作の確率を高める原因となる。
図1は、本発明の実施例1によるコイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す図である。図1(a)は、コイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す平面図であり、図1(b)は、伸展した場合のコイルアンテナを示す図である。図1(a)のa、b、c、d、e、f、g、1、2と図1(b)のa、b、c、d、e、f、g、1、2とはコイル22の対応する位置を示す。本実施例は、コイル22を形成する配線層に最も近い配線層の配線であるビット線15がコイル22と平面図上で交差する交差点1、2がコイル22のからの配線長が互いに等しい一対の位置にあるように、コイル22を配置するものである。ビット線15は多くのものが高密度に配置されるが、そのいずれのビット線15についても、コイル22との交差点はコイル22の両端子からの配線長が互いに等しい一対の位置にある。このため、この位置で発生するノイズは、コイル22の2つの端子a、gにおいて同相かつ同じ大きさのノイズとなり、コイル22の2つの端子a、gに接続された受信器において、差動増幅器によって除去することができる。
図2の場合はコイルの両端に0.6mVの差動ノイズが発生するが、図1の場合は差動ノイズが0.1mVに小さくなることが、シミュレーションで確認できる。
(シミュレーション条件)
コイル一辺の長さ:260μm
巻き数:1巻き
コイルの線幅:1.6μm
コイルの線間隔:1.6μm
ビット線の長さ:1mm
ビット線信号の立ち上がり時間:150ps
図3は、本発明の実施例1による電子回路の全体構造を示す平面図である。ここでは電子回路の例として1つのチップ100を示す。チップ100は、送受信器21、コイル22、ワード線14及びビット線15を有するメモリアレイ31、及びロジック回路45から成る。
図5は、他の本発明によらないコイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す図である。図5(a)は、コイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す平面図であり、図5(b)は、伸展した場合のコイルアンテナを示す図である。図5(a)のa、b、c、d、1、2、3、4、5、6、7、8と図2(b)のa、b、c、d、1、2、3、4、5、6、7、8とはコイル24の対応する位置を示す。この例は、コイルを2回巻きした場合を示している。ビット線15とコイル24との交差点1、2、5、6と交差点a、b、c、d、3、4、7、8はコイル24の両端子からの配線長が互いに等しい一対の位置からなるものではないので、ビット線15からコイル24に対する干渉ノイズはコイル24の両端において異なる大きさのノイズとなり、差動増幅器でこのノイズを除去することはできない。
図4は、本発明の実施例2によるコイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す図である。図4(a)は、コイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す平面図であり、図4(b)は、伸展した場合のコイルアンテナを示す図である。図4(a)のa、b、c、d、1、2、3、4、5、6、7、8と図4(b)のa、b、c、d、1、2、3、4、5、6、7、8とはコイル24の対応する位置を示す。本実施例は、コイルを2回巻きした場合を示している。ビット線15とコイル24との交差点2、3、6、7と交差点1、4、5、8はコイル24の両端子からの配線長が互いに等しい一対の位置からなるので、ビット線15からコイル24に対する干渉ノイズはコイル24の両端において同相かつ同じ大きさのノイズとなり、差動増幅器でこのノイズを除去することができる。
図7は、他の本発明によらないコイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す図である。図7(a)は、コイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す平面図であり、図7(b)は、伸展した場合のコイルアンテナを示す図である。図7(a)のa、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、1、2、3、4と図7(b)のa、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、1、2、3、4とはコイル23の対応する位置を示す。この例は、コイルを8角形にした場合を示している。ビット線15とコイル23との交差点1、2、3、4はコイル23の両端子からの配線長が互いに等しい一対の位置からなるものではないので、ビット線15からコイル23に対する干渉ノイズはコイル23の両端において異なる大きさのノイズとなり、差動増幅器でこのノイズを除去することはできない。
図6は、本発明の実施例3によるコイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す図である。図6(a)は、コイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す平面図であり、図6(b)は、伸展した場合のコイルアンテナを示す図である。図6(a)のa、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、1、2と図6(b)のa、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、1、2とはコイル23の対応する位置を示す。本実施例は、コイルを8角形にした場合を示している。ビット線15とコイル23との交差点1、2はコイル23の両端子からの配線長が互いに等しい一対の位置にあるので、ビット線15からコイル23に対する干渉ノイズはコイル23の両端において同相かつ同じ大きさのノイズとなり、差動増幅器でこのノイズを除去することができる。
図8は、本発明による送信器の構成を示す図である。図9は、本発明による送信器の各部の波形を示す図である。ここでは、コイルアンテナを送信コイルとして駆動する送信器の構成を説明する。送信器は、NAND71、73、NOR72、74、抵抗76、77、78、及びトランジスタP1〜P3、N1〜N3から成る。NAND71、73、NOR72、74、及びトランジスタP1、P2、N1、N2は、送信コイル75を駆動するコイル駆動回路であり、抵抗76、77、78、及びトランジスタP3、N3は、送信コイル75をトランジスタP3とトランジスタN3のオン抵抗の比で決まるVDDとVSSの中間の電位に保持しようとする電位保持回路である。信号CPはクロックTxclkから図8(b)に示す回路によって作成され、その波形を図8(c)に示す。図8(b)に示す回路は、NOR61、NAND62、バッファ63、及びインバータI1〜I4から成る。信号CPがローのとき、送信データTxdataにかかわらず、トランジスタP1〜P3、N1〜N3はオフであり、送信コイル75に電流は流れず、送信コイル75は電位保持回路によって所定の電位に保持される。クロックTxclkに同期した信号CPがハイのとき、送信データTxdataに従って送信コイル75に電流が流れる。送信データTxdataがハイのとき、トランジスタP1、N2がオン、トランジスタP2、N1がオフになり、送信コイル75には電流ITが流れ、このとき、送信コイル75の各部の電位はトランジスタP1とトランジスタN2のオン抵抗の比で決まるVDDとVSSの中間の電位であるVA、VB、VCになる。実際には、これらVA、VB、VCはほとんど同電位である。また、送信データTxdataがローのとき、トランジスタP2、N1がオン、トランジスタP1、N2がオフになり、送信コイル75には電流−ITが流れ、送信コイル75の電位はトランジスタP2とトランジスタN1のオン抵抗の比で決まるVDDとVSSの中間の電位であるVA、VB、VCになる。したがって、トランジスタP1、N2のオン抵抗の比と、トランジスタP2、N1のオン抵抗の比と、トランジスタP3、N3のオン抵抗の比が等しくなるように各トランジスタのサイズを設計すると、電位保持回路が出力する電位と、送信データTxdataが変化して信号CPがハイとなる期間に送信器が送信コイル75を駆動するときの電位がほとんど等しくなる。電位保持回路が送信コイル75を所定の電位に保持しようとしているので、送信コイル75に電流が流れる場合でも送信コイル75の電位が大きく変化することはない。なお、電位保持回路の出力は、抵抗を介して、送信コイル75の中央に接続しても同様の効果が得られる。
図10は、本発明の効果を説明する図である。図10(a)は、本発明によるコイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す平面図であり、図10(b)は、本発明によらないコイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す平面図であり、図10(c)は、伸展した場合のコイルアンテナを示す図であり、図10(d)は、コイルアンテナ上の電位を示す図である。図10(a)のa、b、c、d、e、f、g、1、2と図10(b)のa、b、c、d、e、f、g、3、4と図10(c)のa、b、c、d、e、f、g、1、2、3、4はコイル22の対応する位置を示す。図10(d)では、コイルアンテナの電位が変化する時間帯のみを拡大して示した。本発明によらない場合は(図10(b))、ビット線15とコイル22との交差点3、4は、コイル22の両端子からの配線長が互いに等しい一対の位置にないから、交差点3、4におけるコイル22の電位は偏って変位し、コイル22からの干渉を受けてしまう。これに対して図10(d)に示すように、本発明の場合は(図10(a))、交差点1、2は、コイル22の両端子からの配線長が互いに等しい一対の位置にあるから、交差点1、2におけるコイル22の電位は、所定の電位に対して互いに対称に変化、すなわち、逆方向に等しい量だけ変位するので、ビット線15において、これらは相殺されてコイル22から干渉を受けることがない。
図11は、本発明による受信器の構成を示す図である。ここでは、コイルアンテナを受信コイルとして信号を受信する受信器の構成を説明する。図11(a)は、受信コイル81に接続される差動増幅器82である受信器を示す。これによって、受信コイル81の両端子に等しく印加される同相ノイズを除去することができ、本発明を好適に実施することができる。
図11(b)は、さらに具体的な受信器の構成を示す。受信器は、受信コイル81に接続され、トランジスタ102、104、105、及び抵抗101、103から成り、全体として差動増幅器を構成し、受信信号Rxdata及びバー(Rxdata)を出力する。トランジスタ102、104が差動増幅器の差動対をなし、受信コイル81からの信号を受ける。トランジスタ102、104に接続されている受信コイル81の中央はバイアス電圧VBに接続されている。これにより、信号受信時に受信コイル81両端に生じる電圧振幅の中心電圧を、信号増幅に最適な電圧値VBとすることができる。トランジスタ102、104のソース端子は、テイル電流源発生用トランジスタ105に接続される。トランジスタ105のソース端子は接地され、ゲート端子へはバイアス電圧VCが入力される。トランジスタ102、104のドレイン側は、抵抗101、103を介して電源に接続されている。
図11(c)は、別の受信器の例の構成を示す。受信器は、ヒステリシス比較器を構成しており、ゲイン回路とラッチ回路から成る。ゲイン回路はトランジスタ91とトランジスタ93、及びトランジスタ94とトランジスタ96からなるインバータであって、受信コイル81の両端子をゲートに接続し、入力されるパルス電圧VRを増幅する。パルス電圧VRが一定の閾値を超えると受信信号Rxdataが反転する。ラッチ回路はインバータの出力に接続された、クロスカップルのPMOS92、95である。この回路が受信信号Rxdataを保持する機能を持っており、パルス電圧VRからディジタルデータを正しく復元することを可能にしている。このラッチ回路は保持しているデータに応じて入力インバータの閾値を変化させる。初期状態で、受信信号Rxdataとしてローを保持していたラッチ回路は、インバータの閾値を高くする。入力に正のパルスが入力されてこの閾値を超えると受信信号Rxdataが反転し、ハイになる。ラッチ回路により今度はインバータの閾値が低くなり、次にこの閾値を超える負のパルス電圧が入力されるまで受信信号Rxdataが保持される。この繰り返しで正負のパルス電圧から正しくディジタルデータを復元することができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
図12は、本発明の適用例を示す図である。図12(a)は最も典型的な適用例であり、メモリアレイ11とコイル22を有する複数のチップ52を積層実装したLSI51の例である。なお、図は模式的に示したものであり、実際には他のチップが積層実装されていても良い。図12(b)はメモリアレイ11とコイル22を有するチップ52にコイル22を有するチップ54を積層実装したLSI53の例である。図12(c)は逆に、コイル22を有するチップ54にメモリアレイ11とコイル22を有するチップ52を積層実装したLSI55の例である。図12(d)はメモリアレイ11とコイル22を有するLSI56とコイル22を有するLSI57との組合せの例であり、この例はLSIどうしで誘導結合による通信を行うものである。
上記実施例においては、コイルの全体がメモリアレイの領域に重ねて形成される例を示したが、コイルの一部がメモリアレイの領域に重なっている場合でも良い。
コイルの開口を大きくすると、チップ間で積層位置が多少ずれていて、したがって、コイル開口相互の積層位置が多少ずれていても通信することができる。
メモリは読み出し専用のメモリであっても良いし、書き込み可能なメモリであっても良い。
アンテナは、本電子回路内の通信に用いる場合だけでなく、他の電子回路との通信のために用いるものであっても良い。
上記実施例においては、コイルを形成する金属配線層にビット線を形成する金属配線層が隣接し、これらの干渉が問題となる例を示したが、コイルを形成する金属配線層にワード線を形成する金属配線層が隣接し、これらの干渉が問題となる場合にも本発明は好適に適用することができ、本発明の範囲である。
送受信器は、送信器又は受信器であっても良い。すなわち、コイルを送受信器に接続して送信及び受信に共用する場合、コイルを送信器に接続して送信コイルとして使用する場合、及びコイルを受信器に接続して受信コイルとして使用する場合がありうるのであって、これらのいずれも本発明の範囲である。コイルは、送信用、受信用及び送受信用のいずれの場合も含む。
本発明の実施例1によるコイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す図である。 特許文献1において提案したコイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す図である。 本発明の実施例1による電子回路の全体構造を示す平面図である。 本発明の実施例2によるコイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す図である。 他の本発明によらないコイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す図である。 本発明の実施例3によるコイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す図である。 他の本発明によらないコイルアンテナとメモリアレイの配線との関係を示す図である。 本発明による送信器の構成を示す図である。 本発明による送信器の各部の波形を示す図である。 本発明の効果を説明する図である。 本発明による受信器の構成を示す図である。 本発明の適用例を示す図である。 特許文献10において提案した電子回路の構成を示す図である。
符号の説明
11、31 メモリアレイ
12、13 周辺回路
14 ワード線
15 ビット線
16 メモリセル
21 送受信器
22、23、24 コイル
41 半導体基板
42、43、44 金属配線層
45 ロジック回路
52、54 チップ
51、53、55、56、57 LSI
63 バッファ
62、71、73 NAND
61、72、74 NOR
75 送信コイル
76、77、78 抵抗
81 受信コイル
82 差動増幅器
91、92、93、94、95、96、102、104、105 トランジスタ
I1、I2、I3、I4 インバータ
P1、P2、P3、N1、N2、N3 トランジスタ

Claims (4)

  1. 基板上に、情報を記憶するメモリアレイと、該メモリアレイが存在する領域に重ねて金属配線層により形成されているコイルアンテナとを有し、
    前記コイルアンテナを形成する金属配線層の上又は下に隣接する金属配線層で形成されている配線と前記コイルアンテナとが平面図上で交差する位置が、前記コイルアンテナの両端子からの配線長が互いに等しい一対の位置からなることを特徴とする電子回路。
  2. 前記コイルアンテナと交差する前記配線は、前記メモリアレイのビット線、ワード線又はカラム選択線であることを特徴とする請求項1記載の電子回路。
  3. 前記コイルアンテナには、該コイルアンテナによって受信する信号を増幅する差動増幅器が接続されていることを特徴とする請求項1又は2記載の電子回路。
  4. 前記コイルアンテナに接続され、該コイルアンテナの中央の電位を所定の電位に保持しつつ、送信データに従って該コイルアンテナに流れる電流を駆動する送信器を備えることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の電子回路。
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