JPH0560653B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は集積回路チツプに関し、特に、ウエ
ーハ上に形成された導電パターンにより相互接続
された複数の前記集積回路チツプを含むアセンブ
リに関する。

半導体ウエーハ上にリングラフイツク法で形成
された導体のパターンを用いて多数の半導体チツ
プを相互接続し、そして、このウエーハ上の入
力／出力パツドにこれらの半導体チツプを接続す
ることは公知である。ある場合には、相互接続さ
れるべき半導体チツプはこのウエーハの表面上
に、又は、このウエーハの表面に形成した凹みに
取り付けられる。他の場合には、チツプはウエー
ハの中にその一体部分として構成される。ここで
は、一個以上のウエーハを有する構成を含み、こ
れら及びこれに類似の構成の全ては、ウエーハ規
模集積（WSI）アセンブリと呼ぶ。

WSIアセンブリは、標準的なプリント回路板上
に取り付けられ相互接続されて個々にパツケージ
に入れられたチツプに基づく試みよりも、もしか
すると、しつかりしている。この様な標準的なア
センブリでは、チツプ・パツケージの大きさによ
りシステム内の回路の密度が制限される。これと
対照的に、WSIアセンブリでは、回路は一個のウ
エーハの上に極めて密に詰め込むことができ、こ
れにより、パツケージの大きさにより課される大
きさの主な限界が避けられ、そして、これによ
り、チツプの相互接続長がかなり減少するため
に、より確実な動作が得られる。

WSIアセンブリは、又、システムの信頼性を改
善することができる。このことが可能なのは従来
の電子アセンブリの主な欠陥場所が異なる包装レ
ベル間の接続部分、例えば、チツプとパツケージ
の間、パツケージとプリント回路板の間、及び、
プリント回路板とケーブルの間の接続部分である
からである。WSIアセンブリにおいては、集積ア
レイの単一のウエーハ上の多数のチツプの配置及
び相互接続によりこれらの相互レベルの接続の数
及び種類がおおいに減少される。

WSIアセンブリでは、約５ないし20ミクロンの
厚さの絶縁層上に形成された数ミクロンの厚さ及
び10ミクロン程度の幅の導電性の相互接続線は高
速伝送線として役立つための能力を有している。
しかしながら、この小断面の信号線は比較的高抵
抗を有している。実際に、代表的なWSIアセンブ
リの相互接続線はこの信号線の特性インピーダン
スに匹敵する合計線抵抗を示す。このような線は
普通「減衰性又は損失性」（lossy）あるものと呼
ばれる。

一般には、適当な大きさの終端抵抗で減衰性あ
るWSI相互接続線を終端することは実行できな
い。その理由は、信号の減衰と電力消費を考慮す
るためである。（適切に選択された終端抵抗によ
り勿論、一般的には信号の不安定及び劣化に至る
反射係数及び共振なしに非常に高いパルス繰り返
し速度で相互接続線は動作することができる。） 従つて、WSIアセンブリで非抵抗終端減衰線の
場合、動作は、相互接続線の共振限界、即ち、相
互接続線の長さが４分の１波長に等しい周波数よ
りかなり低い周波数に通常は限定される。だいた
い比較的長い線（例えば、約18cm長）を含むアセ
ンブリでは、この線のうちの任意のものにおける
信号の不安定及び劣化を避ける目的により、アセ
ンブリの全動作速度に望ましくない低周波限界を
課すことになる。

従つて、WSIアセンブリの相互接続線の構造を
最適化することによつてこのWSIアセンブリの性
能を改善しようとすることにかなりの技術的な努
力が向けられた。これらの努力が成功した場合に
は、極めて高い速度を特徴とする信頼性の高い低
価格のWSIシステムを提供することができるとい
うことが認識されていた。

本発明は相互接続線の高速信号伝送特性が改良
された改良になるWSIアセンブリを提供しようと
するものである。

本発明の一態様によれば、WSIアセンブリは、
基板、この基板の上面に存在する接地面、この接
地面の上に存在する少なくとも一つの絶縁層、こ
の絶縁層又はその各絶縁層上の減衰性の相互接続
線であつて、各々容量性負荷によつて終端される
とともに、ｌと示された長さ、Ｒと示された単位
長当りの抵抗、Ｌと示された単位長当りのインダ
クタンス、Ｃと示された単位長当りの容量、及び
Ｚと示された特性インピーダンスを有する相互接
続線、及び、前記相互接続線の各々の入力端に接
続されRsと示されたソース抵抗を有する駆動部
を有し、一組の線について特定された動作周波数
の波長のほぼ1/64よりも長い長さを有する前記一
組の線の各々毎にRl対Rsの関係は次の式 Rl／0.96＋2RsＺ によりほぼ定義される。

この発明の他の態様によれば、WSIアセンブリ
は、基板、この基板の上面に存在する接地面、こ
の接地面の上に存在する少なくとも１つの上の少
なくとも２組の減衰性の相互接続線を有し、第１
の組の相互接続線は、この第１の組の最も長い相
互接続線の共振限界周波数にほぼ等しいか又はそ
れより少ない比較的高い周波数で動作するように
設計されており、そして、第２の組の相互接続線
は、この第２の組の中の最も長い相互接続線の共
振限界周波数にほぼ等しいか又はより少ない比較
的低い周波数で動作するように設計されており、
前記相互接続線の各々がそのそれぞれの動作周波
数の波長のほぼ1/64より長い長さを有してその動
作周波数でほぼ臨界減衰動作するように構成され
ている。

この発明の例示的な実施例は、絶縁層上に形成
された超小型相互接続線を有する多層のWSIアセ
ンブリを有している。この相互接続線は減衰性の
ものであるため抵抗により終端はされない。この
アセンブリの最も長い相互接続線は、この線を駆
動する能動装置のソース抵抗に対し特定の関係に
より関係づけられた全抵抗を示すよう構成されて
いる。この関係はその相互接続線の特性インピー
ダンスにより決定される。そのように構成されて
いる場合、相互接続線は臨界減衰され、そして、
どのような信号の不安定又は減衰もなくその共振
限界まで信号伝送媒体として動作することができ
る。より高い周波数の場合には、減衰は起こるが
相互接続線は安定のまま留まる。

後で詳述される所定の最小長より長いがWSIア
センブリのより短い相互接続線も、又、それらの
周波数応答を最適化するために上記の特定関係を
考慮して構成されている。実際に、一定の厚さの
相互接続線系統においては、これは、例えば、ア
センブリ内の最適化された最長の線の幅に対して
より短い線の幅を選択的に狭めることを意味す
る。又はこの代わりに、そのより短い線の幅はそ
の最も長い線の幅と同じにしておくこともできる
が最適の動作はそのより短い線に接続された駆動
部のそれぞれの抵抗を選択的に増加することによ
つて確実にすることができる。結果として、この
いずれの場合にも、アセンブリの高速動作の期間
中、これらのより短い線も安定のままに保たれ
る。

さらに一般的には、相互接続線は所定の限界内
では臨界減衰（最適動作）又は過減衰（減衰）又
は更に不足減衰（リンギング）するように構成す
ることもできる。過減衰の場合、相互接続線はこ
の線に沿つて伝ぱんされる信号を減衰する。不足
減衰の場合、相互接続線は、注意深く制御される
なら、場合により許容することができる何らかの
リンギング又は行き過ぎを示す。

更に、WSIアセンブリを小アセンブリに分け
て、この各々が異なる最大周波数で動作するよう
にすることは実行可能である。各小アセンブリに
ついては、以下に詳述される仕方で決定される最
大の相互接続線長はこの小アセンブリについて特
定される特定の動作周波数の関数である。

本発明を次に添付図面（一定の拡大比率で描い
たものではない）に関し例示的に説明する。

第１図に示された従来のWSIアセンブリは、例
えば、約500ミクロン（μｍ）の厚さＴを有する
シリコンから作られたウエーハ１０を有してい
る。例示では、ウエーハ１０は正方形で一辺が約
7.5cmの大きさである。

第１図のアセンブリには多数の標準的な集積回
路チツプ１２が含まれている。好都合にも、これ
らのチツプもシリコンから作られていて、これに
より、熱膨張係数が一致したチツプ／ウエーハの
アセンブリを完成することができる。例示の場
合、各チツプも約500μｍの厚さであつて正方形
でありその一辺が約0.6cmの大きさである。

集積回路チツプ１２を第１図に示したアセンブ
リに組込むには多くの方法が利用できる。図面に
示し且つここに重複することになる特定の方法は
従来の面を下にしてのハンダ球接着（faca−
down solder−ball bonding）に関する。この特
定の技術では、各々が約100μｍの直径を有する
高さが約50μｍの超小型のハンダ柱１３が利用さ
れて各チツプの面上の接着パツドを接続して第１
図のウエーハ１０の上面に形成された３レベルの
金属化構造に含まれる導体をリソグラフイツク法
で形成する。

さらに、第１図に示したWSIアセンブリは標準
的なパツケージ１６と関連づけられるものとして
図式的に描いてある。一例として、パツケージ
は、ウエーハ１０上の金属化構造１４の周辺部分
と電気接続をするための手段（図示せず）を含ん
でいる。パツケージは、又、一般的に、アセンブ
リを冷却するための適当な放熱装置を含んでい
る。

例示的に、第１図に図式的に描いた標準的な金
属化構造１４は互いに適当に絶縁された３レベル
を含んでいる。その１レベルは、例えば、互いに
離れた平面的な電力導体及び接地導体を有してい
る。他の２レベルはそれぞれ信号導体を含んでい
る。一般的に、これらのレベルの１つの中の信号
導体はすべてＸ方向に互いに平行に配置されてお
り、他のレベルの導体はＹ方向に互いに平行に配
置されている。これらのＸ信号及びＹ信号導体は
この明細書に記載された相互接続線を有してい
る。

標準的な集積回路構成技術により、レベル間接
続が第１図の金属化構造１４の中に含まれるＸ信
号及びＹ信号導体及び電力／接地金属化部分のう
ちの選択されたものの間でされる。これらの信号
導体及び電力／接地金属化部分からチツプを取り
付ける場の接点区域まで相互接続部分も同様に形
成されている。こうして、チツプが（例えば、面
を下にしてのハンダ球接着により）ウエーハの大
きさの相互接続アセンブリに取り付けられると、
このチツプの上の接着パツドはWSIアセンブリの
電力導体、接地導体、Ｘ信号導体及びＹ信号導体
のうちの選択されたものに接続される。

第１図に示した標準的なWSIアセンブリの改良
形式は、1984年10月９日出願の第658799号と示さ
れV.ヘレロ（V.HERERO）及びL.W.シヤーパ
（L.W.Schaper）が共に譲渡した現在係属中の出
願に記載されている。この出願において明らかに
されているように、従来のWSIアセンブリの標準
的なシリコン・ウエーハは非常に導電性にするよ
うにドープされている。更に導電層がこのウエー
ハの底に形成されている。この底の導電層はこの
アセンブリの容易に近づくことができる接地面を
形成する。更に、この底側の導電層と導電シリコ
ンは好都合なウエーハのサイズの減結合コンデン
サの一方の板を構成している。このアセンブリの
上側のほぼ連続する電力層と二酸化シリコンの層
はこの減結合コンデンサの他方の部材を形成す
る。更に、ほぼ連続する電力層は上に横たわる信
号線のための有効な交流接地面を構成する。

本発明は、一般的に、多くの種類のWSIアセン
ブリの構成配列の改良に応用できる。これらのア
センブリは、第１図に示した一般的な形式の標準
的なアセンブリ、前記の係属出願に記載された種
類の改良になるアセンブリ、及び、ここに特に記
載はしない他の関連アセンブリを含むものであ
る。このWSIアセンブリの各々について、本発明
はこのアセンブリに含まれる相互接続線の高周波
性能を最適化するに役立つ。

第２図は、WSIアセンブリに含まれる絶縁層２
２に形成された単一のＹ方向相互接続線２０を断
面で示す。次に、この絶縁層２２は導電性の接地
面部材２４の上に存在している。図示の構成によ
り、事実上、チツプ同士を接続し、又は、この一
般的なWSIアセンブリの入力又は出力端子にチツ
プを接続するためにこのアセンブリに利用される
マイクロストリツプ伝送線を構成している。

第２図の簡略化した図式的な表示においては、
導電性の相互接続線２０はその上側及び側面を空
気により包囲されていると仮定される。実際の多
層WSIアセンブリでは、相互接続線２０は実際に
は空気以外の絶縁体によつて包囲することもでき
る。更に、他の導電線又は、導電面（例えば、他
の接地面）も相互接続線２０から離してこの２０
の上に配置することもできる。相互接続線２０を
包囲する媒体の特定の性質が何であろうとも、下
に明かにした設計基準は一般的に相互接続線２０
の性能を最適化する場合にあてはまる。

第２図の相互接続線２０は幅ｗ及び厚さｔを有
していて、抵抗率（固有抵抗）ρを有する導電材
料から作られている。絶縁層２２は厚さｈ及び比
誘電率ｋを有している。後で詳しく記載される本
発明においては、WSIアセンブリのこれら及び他
のパラメータは相互接続線２０の高周波動作を最
適化するように選択される。

例として、第２図に一部示したWSIアセンブリ
の相互接続線２０はアルミニウム又は銅のような
導電材料で作られている。例示的に、絶縁層２２
には、約3.5の比誘電率εを特徴とするポリアミ
ドのような電気絶縁材料で作られている。接地面
又は接地層２４は一般的には相互接続線２０と同
じ材料から作られている。この一つの例示の実施
例では、接地層２４は約2μｍの厚さを有してい
る。

上記のWSIアセンブリでは、すべての相互接続
線は一般的に同一の厚さ及び幅を有している。い
ずれの場合にも、相互接続部のアレイ内の相互接
続線の幅がこのアセンブリ内におけるその長さの
関数として選択的に配分されるということを示唆
する公知の従来技術は存在しない。

これまでに提案された一つの標準的例示的な
WSIアセンブリにおいては、第２図の相互接続線
２０のような相互接続線の各々は2μｍの厚さの
アルミニウムから作られている。このアセンブリ
では、各相互接続線は、その長さが何であつても
10μｍであり、絶縁層２２は10μｍの厚さであり、
そして、その比誘電率は3.5である。

ここに記載のWSIアセンブリに含まれる各相互
接続線は、その入力端において、例えば、チツプ
上に形成された相補的な金属酸化物半導体
（CMOS）増幅器のような駆動部に接続されてい
ると仮定する。このような駆動部２６は、図式的
に描いた長さｌの相互接続線２８の左側の端に接
続されているものとして第３図では描いてある。
点３０はWSIアセンブリのチツプ上の出力パツド
を表し、点３２は、例えば、このアセンブリの他
のチツプ上の入力パツドか又はアセンブリ全体の
出力パツドを表す。相互接続線２８はその全長に
わたつて一定の厚さと一定の幅を持つものと仮定
する。

第３図の駆動部２６の特徴は、CMOS及びい
くつかの他の集積回路技術については電圧依存パ
ラメータであるソース抵抗Rsである。駆動部２
６のソース抵抗は、第３図では、等価な抵抗３４
により図式的に描いてある。駆動部２６の特定の
オン／オフ動作条件については、抵抗３４は、信
号が相互接続線２８に与えられてこの相互接続線
に沿つて伝ぱんされている時は一定の値を持つと
考えることができる。抵抗３４の値は駆動部２６
の物理的な大きさの関数である。

第３図の相互接続線２８のような相互接続線は
各々単位長当りの抵抗Ｒ、単位長当りの容量Ｃ、
及び単位長当りのインダクタンスＬにより特徴づ
けられる。実際に、これらは測定可能な量であ
る。さらに、相互接続線２８は、高周波に対して
は（即ち、Ｒ／Ｌにより定義されるいわゆる臨界
周波数以上の周波数の場合）次の式により特定さ
れる特性インピーダンスＺを有している。

Ｚ＝（Ｌ／Ｃ）^1/2 (1) ここに考慮しているWSIアセンブリの各々にお
いては、 Rs＜Ｚ (2) ここに特定した種類の超小型WSI相互接続線
は、このような線の全抵抗がその特性インピーダ
ンスに一般的に匹敵しうるものであるという点で
比較的減衰性のものである。従つて、このような
線が信号の反射率及び共振を最少にするような適
切な値の負荷抵抗で終端される場合には、伝送信
号の許容できないかなりの減衰が生じる。更に、
アセンブリ内にこの線終端負荷抵抗を含むことに
より、例えば、CMOS回路の好都合な低電力消
費特性と相入れない一定の電力消費が生じる。

上記の理由で、ここで考えられたWSI相互接続
線の各々は等価なコンデンサによつてのみ終端さ
れるよう設計されている。このような終端又は負
荷コンデンサ３６は第３図に示してある。実際、
この負荷コンデンサ３６は、パツド３２及びこの
パツド３２に接続された回路（図示せず）の接地
点に対する容量を表す。ここでは、この負荷容量
はC_Lで示されている。

実際、第３図に示したコンデンサ３６は比較的
小さい。本発明を実施する代表的なWSIアセンブ
リでは、各相互接続線を終端する負荷コンデンサ
３６はわずか約１ないし２ピコフアラツドの大き
さである。特に、動作周波数範囲に亘つて １／2πfC_L＞Ｚ (3) ならば、本発明が基礎となる解析は有効であり、
ここでｆは相互接続線の動作周波数である。

ここで考えられている各相互接続線の単位長当
りの抵抗は次の関係により測定することができる
と共に又特定される、 Ｒ＝ρ／wt (4) 単位長当りの線の容量は次の式により測定する
ことができると共に近似される、 ｃ〜εｗ／ｈ (5) 式(5)は、しかしながら、フリンジングフイール
ド（fringing fields）の効果を含まない。従つ
て、フリンジングフイールド容量が一般的に支配
する狭い相互接続線の場合には、この線の容量は
通常は、この線の幅が減少されるに従つて式(5)に
より示される程度までは減少しない。

単位長当りの線のインダクタンスは次の関係か
ら測定することができると共に又得られる、 ν＝（１／LC）^1/2 (6) ここでνはこの線の信号の伝ぱん速度である。
実際に、νは又測定可能であり、一般的には、光
の速度の約2/3である。

WSI相互接続線の抵抗、容量、インダクタンス
及び特性インピーダンスはこの線の固有抵抗、幅
及び厚さにより、及び、下に存在する絶縁材料の
厚さ及び比誘電率により決定される。従つて、こ
の相互接続線を選択的に構成することによつて、
特定の要件を満足する特定の性質を備えた線を完
成することが可能である。

WSI相互接続線の単位長当りの特性インピーダ
ンスと抵抗がこの線の幅の関数として変化する仕
方は第４図及び第５図の各々に示されている。特
に、第４図は、アルミニウムで作られた1μｍ厚
の相互接続線が3.5の比誘電率を持つ5μｍ厚の絶
縁層上に存在する特定のWSIアセンブリに適応可
能である。第５図は、又3.5の比誘電率を有する
20μｍ厚の絶縁層の上に存在する同様にアルミニ
ウムでできた2μｍ厚の相互接続線に適応可能で
ある。明らかに、この異なる仕方に構成された２
つのWSIアセンブリの各々の場合、このアセンブ
リ内の相互接続線に関する広範囲のインピーダン
ス及び抵抗値はこの線の幅を変えることによつて
簡単に得ることができる。第４図に示したこの特
定のアセンブリの場合、この線の幅が約5μｍと
20μｍとの間で変えられると、それぞれ、１cm当
り約63オームと14オームの間の線抵抗の変化、及
び、約75オームと22オームの間の線インピーダン
スの変化が得ることができる。第５図に示した特
定のアセンブリの場合、１cm当り29オームと４オ
ームの間の線抵抗の変化、及び、約118オームと
53オームの間の線インピーダンスの変化が、約
5μｍと35μｍの間でこの線の幅を変えることによ
つて得ることができる。

第６図は第４図に示した特定の構成形式のWSI
アセンブリに関する相互接続線の単位長当りの容
量及びインダクタンスの変化を示す。そして、第
７図は、第５図に示された特定構成形式のWSIア
センブリに関する相互接続線の単位長当りの容量
及びインダクタンスの変化を示す。

本発明においては、WSI相互接続線の高周波性
能を最適化するための簡単な基礎を提供する独特
の関係式を作成した。この関係式によれば、パラ
メーターは実際の実用的なWSIアセンブリの構造
設計のために選択される。

本発明の本質は実際に第８図に具体化され要約
されている。第８図は、相互接続線の全抵抗値対
この相互接続線の入力点に接続された駆動源の抵
抗値の特定のプロツトを示す。ここに描かれた実
線のプロツトは直線３７であり、そのＹ軸の切片
は式(1)により定義された相互接続線の特性インピ
ーダンスであり、そのＸ軸の接片は、この相互接
続線の特性インピーダンスの約1.76倍である。プ
ロツトされた実線３７は次の式により定義される Rl／1.75＋Rs＝Ｚ (7) 重要なことに、本出願人は、第８図の直線３７
上で又はほぼこの直線３７上での動作を確実にす
るためWSI相互接続線の臨界パラメータを選択す
ることにより、この相互接続線の最適な高周波性
能が達成されるということを発見した。第８図の
直線３７上での動作は臨界減衰条件に対応する。
第８図の直線３７の上方の動作については、この
相互接続線は過減衰となる。この過減衰状態で
は、相互接続線は安定な仕方で動作するが、高周
波伝ぱん信号の減衰が生じさせられる。第８図の
直線３７の下の動作については、この相互接続線
は不足減衰となる。この不足減衰の状態では、信
号の不安定を起こさせる可能性のある反射率及び
共振のような望ましくない現象が生じる。

重要にも、第８図の臨界減衰直線３７で動作す
るように設計されたWSI相互接続線は、この相互
接続線の共振限界に等しい周波数までは不安定又
は減衰なしに信号を伝ぱんすることができる。
（前述のように、この共振限界は、相互接続線の
長さが1/4波長に等しい周波数に対応する。）更に
高い信号周波数の場合は、この相互接続線で減衰
は起こるが不安定な状態は生じない。従つて、共
振限界周波数にほぼ等しい繰り返し速度を持つ高
速矩形波パルス列の場合、このパルス列内のより
高い周波数成分の減衰により一般的にこの矩形波
の角が幾分丸くなる。しかしながら、重要なこと
に、これらの高周波成分に原因する不安定な状態
は生じない。

本出願人の発明はWSIアセンブリに関する安定
な高速相互接続線を設計するための系統的な基礎
を提供する。こうして、例えば、与えられた組の
WSI構造パラメータが最適な高速動作を提供する
ことができる最大の相互接続線長を容易に決定す
ることが可能である。あるいは又、WSIアセンブ
リで実際に見られる与えられた最大の相互接続線
長の場合、この最大の長さの線の最適な高速動作
を達成するのに必要な一組の構造パラメーターを
決定することが今や実行可能である。更に、本出
願人の特定の設計基準によれば、このアセンブリ
の高性能動作を確保する為にこのアセンブリのよ
り短い相互接続線の構造を最適化することも実現
可能である。

前に記載されたが、第４図と第６図は、3.5の
比誘電率を有する5μｍ厚の絶縁層の上に存在す
る1μｍの厚のアルミニウム線の種々の線幅に関
する計算した相互接続線パラメータを示す。次
に、これらのパラメータは任意の線幅と駆動部の
ソース抵抗に関し最適な相互接続線長を得るため
に第８図と共に使用することができる。第９図
は、ソース抵抗のいろいろの値に関するこれらの
関係の結果を示す。任意特定の駆動部の抵抗の場
合、最大長の最適相互接続線が存在する。これよ
りも長い線は過減衰となるので必要以上に遅くな
る。線の幅が減少すると最適な長さが減少するの
はこの線の抵抗が増加する結果であり、しかる
に、線の幅の増加に伴つて最適な長さが減少する
のは線の容量の増加に原因する。第９図が示すよ
うに、特定の仮定された構造パラメータが裏づけ
ることができる、更に理論的に完全な駆動部
（Rs＝０）を有していても最大長の最適な線は約
３cmに制限される。駆動部の抵抗が更に現実に近
い値（Ｒ＝20オーム）の場合、最大の最適な長さ
は約1.8cmである。

実用的なWSIアセンブリにおいては、このアセ
ンブリの構造パラメータを選択する場合にかなり
の余裕が存在する。賢明な選択により、本出願人
の教示に従えば、特定の性能特性を示すようにこ
のアセンブリの相互接続線を設計することが可能
である。

従つて、例えば、第９図の曲線は、相互接続線
の厚さを増大し、アルミニウムよりも低い抵抗率
を持つ材料の相互接続線を作ることにより、又
は、絶縁層の厚さを増加することによつて実際に
上方へ変移させることができる。これらの例示し
た方法においては、WSIアセンブリの相互接続線
はそれらの高周波性能を最適化するように構成す
ることができる。例えば、第１０図は、3.5の比
誘電率を持つ20μｍ厚の絶縁層の上の2.5μｍ厚の
アルミニウムの相互接続線に関するこのような変
移された１組の曲線を示す。

ある特定の例示した実施例は本出願人の発明が
特定のWSIアセンブリの設計に応用できるという
ことを示す。例えば、このアセンブリの最大長の
相互接続線は18cmの長さであつてこの最大長の相
互接続線の入力端に接続された駆動部のソース抵
抗は20オームであると仮定する。このような線の
共振限界は一般的には約250メガヘルツ（ＭHz）
である。本出願人の設計基準は減衰及び不安定な
状態がなくこの最大長の相互接続線がその共振限
界で動作することができるようにこのアセンブリ
を構成するための基礎を構成するものである。
150MHzの矩形波パルス列の場合、前に述べたよ
うに、このようなパルス列の高周波成分の減衰の
ために何らかの波型の丸みが生ずる。

本出願人の設計方法の次の段階は、このWSIア
センブリを構成するための特定の技術に利用でき
る一組の構造パラメータを調査することである。
前述のように、これらのパラメータには、この相
互接続線を作成する材料の固有抵抗、この相互接
続線の幅及び厚さ、この相互接続線の下に存在す
る絶縁層の厚さ及び比誘電率、及び、この相互接
続線のそれぞれの入力端に接続される駆動部のソ
ース抵抗が含まれる。

実際には、本出願人の前述の設計基準を満足す
ると共に小サイズ、機械的な凹凸、容易な製造可
能性、良好な放熱特性などのような良好な設計に
なるWSIアセンブリの他の所望の性質と調和する
構造パラメータを選択することが可能であつた。
従つて、高性能の相互接続線を持つ好都合なアセ
ンブリはそれによつて実現可能とされる。

18cmの長さを持つ最大長の相互接続線の上に与
えた特定実施例においては、利用可能な技術に対
しここで考えられている設計基準を適用すること
には、3.5の比誘電率を有する20μｍ厚の絶縁層の
上に2.5μｍ厚のアルミニウムを使用することが必
要であると仮定する。本出願人により教示される
ように、このような線は、第８図に示した臨界減
衰直線３７で動作が生じるようにこのような線の
幅が選択される場合には、減衰及び不安定な状態
がなく、この線はその共振限界で動作する。Rs
＝20オームの場合、このような動作点には30μｍ
の相互接続線幅が実際には必要とされることがわ
かつた（第１０図の点３８を参照）。

本発明によれば前述の最大長の相互接続線より
も短いWSI相互接続線のうちのあるもの又は全て
もそれらの性能を最適化するように選択的に構成
されている。こうすることによつて、これらのよ
り短い相互接続線上の信号の不安定な状態は回避
される。もしもこれが回避されなければ、上に仮
定した150MHzのパルス列の高周波成分によりこ
の短い相互接続線で信号の不安定な有害な状態が
生じる。（例示的には、150MHzの矩形パルス列は
約750MHzまでのかなりの周波数成分を含んでい
る。） 上に仮定した例のすべての構造パラメータが上
に特定したように残る場合には、最大長よりも短
い相互接続線の動作点は実際には第８図の臨界減
衰直線の下にくる。150MHzパルス列のある高周
波成分の場合には、これらの動作点は不足減衰の
おそらく不安定な動作を表す。

本出願人の発明によれば、WSIアセンブリの上
述の短い相互接続線のあるもの又はすべては、そ
れらの動作点もそれぞれ臨界減衰を表す直線上に
くるように構成されている。結果として、上述の
より短い相互接続線の各々はその共振限界周波数
までは減衰及び不安定な状態がなく動作する。よ
り高い周波数の場合、この各短い相互接続線上で
は減衰は生ずるが不安定な状態は生じない。

実際には、すべてが同一の材料から作られた一
様な厚さの相互接続線及び単一の材料から作られ
た一様な厚さの絶縁層を利用することはWSIアセ
ンブリにおいてだいたい好都合なことである。従
つて、通常最も便利に改変される相互接続線の構
造パラメータはその幅である。

従つて、WSIアセンブリの最大長より短い相互
接続線はこのアセンブリの最大長の相互接続線の
幅に対して選択的に狭くされる。各場合に、これ
らの短い相互接続線の１つの幅は減少されるの
で、そのインダクタンスは増加し、その容量は減
少し、その特性インピーダンスは増加し、そし
て、その抵抗は増加する。その特性インピーダン
スは一般的にその抵抗よりも弱く上昇する。従つ
て、ある特定の相互接続線の幅が減少されると、
この相互接続線がそのそれぞれの第８図の直線特
性上で、この相互接続線の入力点に接続された駆
動部のソース抵抗の値に対応する縦座標の値に落
ちる動作点に到達する。この点においては、この
特定の相互接続線は安定な臨界減衰動作をするよ
うに構成されている。

第１１図は例示的な特定のWSIアセンブリに含
まれる相互接続線の設計に対するここに記載した
原理の適応を示す。線４０は上述の実施例で仮定
した最大長のアルミニウム線を表す。従つて、線
４０は18cm長、2.5μｍ厚、及び、30μｍ幅のもの
である。前に特定したように、下に存在する絶縁
層４２は20μｍ厚で3.5の比誘電率を有している。
線４０は、従つて、その共振限界周波数で臨界減
衰動作をするように構成されている。

第１１図の線４４はアルミニウムで作られた他
の2.5μｍ厚の相互接続線を表す。例えば、線４４
は、しかしながら、わずか15cm長のものであると
仮定する。この15cm長の線が又30μｍ幅であつ
て、このアセンブリで他の変化がされなければ、
この線４４の動作点は第８図に示したプロツトの
不足減衰区域に入る。しかしながら、本発明によ
れば、最大長より短い線４４のわずか14μｍの幅
ｗを有するように形成されている。このように定
めされると、従つて、線４４もその共振限界周波
数で臨界減衰動作をするように構成されている。

第１１図の線４６はアルミニウムで作られた別
の2.5μｍ厚の相互接続線である。しかしながら、
線４６はわずか10cm長のものであると仮定する。
本発明によれば、線４６は、従つて、わずか7.5μ
ｍの幅を持つように設計されている。結果とし
て、線４６も、それにより、その共振限周波数で
臨界減衰動作をするように構成される。

上述の仕方でWSIアセンブリの各々の相互接続
線を構成することによつて、安定な高周波動作の
可能な好都合なアセンブリが達成される。実際に
は、実際問題として、特定の最少長以下の非常に
短い線は本発明により構成される必要がないとい
うことがわかつた。その理由はこの線に沿つての
パルスの往復伝ぱん時間がパルスの立ち上がり時
間の約２分の１より少ない場合にこの線に発生す
る任意の不安定な状態の可能性が最少になるから
である。約１ナノ秒のパルスの立ち上がり時間を
特徴とする150MHzパルス列の場合、このことは、
もしも線が本発明により特定的に構成されていな
い場合にさえ約５cmよりも短い線がWSIアセンブ
リで安定に動作するということを意味する。しか
しながら、このアセンブリの中のすべてのより長
い線は上に詳述したように選択的に構成されるこ
とから多いに利益を得る。

尚上述の技術及び構成は本発明を単に例示する
のであるということが理解されるべきである。数
多くの変形例及び代替例も当業者が考案すること
が可能であろう。

例えば、各相互接続線の最適な高周波性能を達
成するために相互接続線の幅をその長さの関数と
して変えるWSIアセンブリがここでは特に強調さ
れたが、他の方法で等価な結果を得ることも可能
である。従つて、例えば、最大長の相互接続線の
構造パラメータが最適化されているアセンブリで
は、各々のより短い線の幅を最大長の線の幅と同
じに維持し、しかし、その各々のより短い線の入
力端に接続される駆動部のソース抵抗を選択的に
変えることによつてアセンブリ内の各々の短い線
の性能を最適化することが実行可能である。更
に、特定すると、第８図により示したように、よ
り短い線に接続された駆動部のソース抵抗を選択
的に増加することによつて、臨界減衰動作を表す
図示の直線上に４つのより短い線の動作点を確立
することが可能である。例えば、CMOS集積回
路駆動部のソース抵抗は一般的に、単にその物理
的な大きさを選択的に減少することによつて広い
範囲の値の中の任意の特定の値まで増加すること
ができる。

従つて、最大長より短い線４８（第１１図）の
幅は、所望ならば、線４８の入力端に接続された
駆動部のソース抵抗が第８図に示した臨界減衰関
係を満足するように適切に選択される場合、その
最大長の線４０の幅と同じになし得る。あるWSI
アセンブリでは、相互接続線の性能を最適化する
この代わりの方法により、好都合な融通性が提供
される。更に、相互接続線に接続されるソース駆
動部の抵抗を増大することに対しこの相互接続線
の幅を狭くする何らかの組み合わせはあるアセン
ブリには好都合なものとなる可能性がある。

更に上の式(7)は高周波動作に最適化されたWSI
相互接続線の構造パラメータを定めるものである
が、最適以下の動作をするように相互接続線を構
成することは実際実用的な重要さのある場合にお
いては好都合となる可能性がある。更に、特定す
ると、相互接続線は、第８図に示した過減衰区域
内で動作するようにわざと構成する（例えばその
最適な幅より狭くする）ことができる。このよう
な線は共振限界周波数及びそれ以上で減衰を示す
が不安定さは示さない。しかしながら、ある特定
の場合には、予想可能な減衰量は、このアセンブ
リ内に幾分狭い相互接続線を含むことができるた
めの受け入れ可能な交換条件となることができ
る。従つて、本発明によれば、安定な相互接続動
作を特定する式は、次のごとく一般化することが
できる。

Rl／1.76＋RsＺ (8) 上の解析は、特定の相互接続長の要件を持つ与
えられたWSIアセンブリが最適の高周波性能を有
するように構成できる仕方を示している。一方、
アセンブリ又はこのアセンブリのある部分が特定
の最大周波数で動作する要件から始めると、上の
解析は又安定な動作のために含むことができる最
大長の相互接続部を決定する基礎を提供する。

従つて、例えば、各々が異なる最大の周波数で
動作する小アセンブリ（複数）に事実上分割され
たWSIアセンブリを設計することは実行可能であ
る。この各小アセンブリについては、最大相互接
続長はこの小アセンブリについて特定された特定
の動作周波数の関数である。比較的低周波の小ア
センブリでは、より長い相互接続線が許可され
る。又、これにより、より多くのチツプが低周波
小アセンブリで相互接続することができる。この
小アセンブリは、それ故、実際には、面積が比較
的大きくてもよい。同時に、より短い相互接続線
を有する他の比較的小さな小アセンブリは更に高
い周波数で動作するように設計することができ
る。小アセンブリの賢明な選択により、複雑さと
高速動作を特徴とする大きなアセンブリ全体を完
成することができる。

WSI相互接続線の為のここに明示した最適化解
析はその線の長さが動作周波数の波長の約64分の
１より長い場合にこの減衰性の相互接続線の信号
伝送特性を確立するために重要である。上に述し
た最適化過程を利用することにより、線がほぼ動
作周波数の波長の４分の１になる点まで安定で減
衰のない線動作を達成することが可能である。

更に、半導体ウエーハを含むWSIアセンブリが
ここでは強調されたが、半導体ウエーハ以外の基
板も利用でき、そして、このようなアセンブリに
含めるに適当であるということが理解されるべき
である。従つて、例えば、ガラス、セラミツク又
は他の材料で作られた基板もある場合には利用す
ることができる。

更に、ここに記載の系統的な過程は、第８図に
示した不足減衰区域でも動作するようにWSIアセ
ンブリの相互接続線を設計するための基礎を提供
する。この区域での満足な動作はこの相互接続線
に沿つて伝ぱんされる信号の周波数及びそれによ
つて生じる共振周波数及び振幅に依存する。

第８図で、破線３９は、WSI相互接続線の満足
な動作が実際に達成可能な不足減衰区域のほぼ下
方境界を示す。

破線３９は約0.96（Ｌ／Ｃ）^1/2又は0.96ZのＸ切
片値と、約（Ｌ／Ｃ）^1/2／２又はＺ／２のＹ切片値を 有する。従つて、第８図の線３９の上方及びこれ
を含む区域は次の式により定義することができ
る、 Rl／0.96＋2RsＺ (9) 不足減衰動作の実行可能性を示すため、3.5の
比誘電率を持つ20μｍ厚の絶縁層の上の20μｍ幅
で2.5μｍ厚のアルミニウム相互接続線の特定例を
考える。このような線のパラメータＺ，Ｒ，Ｌ及
びＣはほぼ72.98オーム、cm当り5.347オーム、cm
当り3.74ナノヘンリ、及びcm当り0.7022ピコフア
ラツドである。Rs＝20オームの場合、臨界減衰
動作のための最適な長さの線は17.06cmの長さの
ものである。このような最適な線の共振限界周波
数は約286MHzである。より短いがその他の点で
は同一な相互接続線は第８図の不足減衰区域に入
る。特定すると、第８図の破線３９に入るこのよ
うなより短い線の長さは6.14cmである。このよう
な線の共振限界周波数は約794MHzである。この
ような短い不足減衰線は、例えば、１の出力電圧
対入力電圧の振幅応答特性に比較して約25％に行
き過ぎを与えることにより0.5ナノ秒の立ち上が
り時間である100MHzの繰り返し速度の矩形波パ
ルス列に応答する。実質的に重要なある場合に
は、このような行き過ぎは許容可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は公知のWSIアセンブリの断面で一般化
された全体の図式を表わす図であり、第２図は代
表的なWSIアセンブリに含まれる形式の相互接続
線の一部を図式的に示す図であり、第３図は能動
装置により一端において駆動され、そして、他端
において容量性負荷に接続された第２図の形式の
ある長さの相互接続線を表わす図であり、第４図
と第５図は各々特定のWSI構成に関する相互接続
線のインピーダンス及び抵抗対相互接続線の幅の
プロツトした図であり、第６図と第７図は各々特
定のWSI構成に関する相互接続線の容量及びイン
ダクタンス対相互接続線の線の幅のプロツトした
図であり、第８図は、臨界減衰動作（実線）に関
するソース抵抗対線の全抵抗のプロツトであつて
又、満足な動作が発生しうることができる不足減
衰区域のほぼ下限（破線）をも示す図であり、第
９図と第１０図は各々最適な相互接続線長対WSI
構成に関する種々のソース抵抗の値に関する最適
な相互接続線の幅のプロツトした図であり、そし
て第１１図は本発明を実施するWSIアセンブリ一
部を図式的に示した図である。 〔主要部分の符号の説明〕、ウエーハ……１０、
集積回路チツプ……１２、超小型ハンダ柱……１
３、３レベル金属化構造……１４、標準的なパツ
ケージ……１６、単一のＹ方向相互接続線……２
０、絶縁層……２２、導電性の接地面部材……２
４、駆動部……２６、相互接続線……２８、出力
パツド……３０、入力パツド……３２、等価抵抗
……３４、負荷コンデンサ……３６、最大長アル
ミニウム線……４０、絶縁層……４２、相互接続
線……４４。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板とこの基板の上面に存る接地面と、この
   接地面上に存在する少なくとも一つの絶縁層と、
   この絶縁層又はその各絶縁層にあり各々が容量性
   負荷によつて終端されるとともにｌと示された長
   さ、Ｒと示された単位長当りの抵抗、Ｌと示され
   た単位長当りのインダクタンス、Ｃと示された単
   位長当りの容量及びＺと示された特性インピーダ
   ンスを有する減衰性の相互接続線と、前記相互接
   続線の各々の入力端に接続されRsと示されたソ
   ース抵抗を有する駆動部を有し、その一組の線に
   対し特定された動作周波数の波長のほぼ1/64以上
   の長さを有する該一組の線の各々に対し、Rl対
   Rsの関係が次の式 Rl／0.96＋2RsＺ によりほぼ定義されることを特徴とするウエーハ
   規模集積アセンブリ。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載のウエーハ規模
   集積アセンブリであつて、特定の最大周波数で動
   作するように設計された一組の線の最大長の線の
   幅がその一組のうちの短い線の少なくとも１本の
   幅よりも大きいことを特徴とするウエーハ規模集
   積アセンブリ。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載のウエーハ規模
   集積アセンブリであつて、特定の最大周波数で動
   作するように設計された１組の線の最大長の線の
   入力端に接続された駆動部のソース抵抗が前記組
   のうちの短い線の入力端にそれぞれ接続された駆
   動部のうちの少なくとも１個のソース抵抗より小
   さいことを特徴とするウエーハ規模集積アセンブ
   リ。 ４ 特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項に
   記載のウエーハ規模集積アセンブリであつて、一
   組の線について特定された動作周波数の波長のほ
   ぼ1/64より長い長さを有する前記１組の線の各々
   毎のRl対Rsの関係が次の式 Rl／1.76＋RsＺ により定義されることを特徴とするウエーハ規模
   集積アセンブリ。 ５ 特許請求の範囲第４項に記載のウエーハ規模
   集積アセンブリであつて、一組の線について特定
   された動作周波数の波長のほぼ1/64より長い長さ
   を有する前記１組の線の各々毎のRl対Rsの関係
   が次の式 Rl／1.76＋Rs＝Ｚ により定義されることを特徴とするウエーハ規模
   集積アセンブリ。 ６ 基板、この基板の上面に存在する接地面、こ
   の接地面の上に存在する少なくとも１つの絶縁
   層、この絶縁層の少なくとも１つの上の少なくと
   も２組の減衰性の相互接続線を有し、第１の組の
   相互接続線が、この第１の組の最も長い相互接続
   線の共振限界周波数にほぼ等しいか又はそれより
   少ない比較的高い周波数で動作するように設計さ
   れており、そして、第２の組の相互接続線が、こ
   の第２の組の中の最も長い相互接続線の共振限界
   周波数にほぼ等しいか又はより少ない比較的低い
   周波数で動作するように設計されており、前記相
   互接続線の各々がそのそれぞれの動作周波数の波
   長のほぼ1/64より長い長さを有してその動作周波
   数でほぼ臨界減衰動作するように構成されている
   ことを特徴とするウエーハ規模集積アセンブリ。 ７ 特許請求の範囲第６項に記載のウエーハ規模
   集積アセンブリであつて、前記第１の組の相互接
   続線のうちの最も長い相互接続線が前記第２の組
   の相互接続線のうちの最も長い相互接続線より短
   いことを特徴とするウエーハ規模集積アセンブ
   リ。 ８ 特許請求の範囲第６項又は第７項に記載のウ
   エーハ規模集積アセンブリであつて、前記相互接
   続線の各々が、ｌと示された長さ、Ｒと示された
   単位長当りの抵抗、Ｌと示された単位長当りのイ
   ンダクタンス、Ｃと示された単位長当りの容量、
   及びＺと示された特性インピーダンスを有し、そ
   して、本アセンブリが前記相互接続線の各々の入
   力端に接続されRsと示されたソース抵抗を有す
   る駆動部を有し、前記の構成の相互接続線の各々
   毎のRl対Rsの関係がほぼ次の式 Rl／0.96＋2RsＺ により定義することを特徴とするウエーハ規模集
   積アセンブリ。 ９ 特許請求の範囲第８項に記載のウエーハ規模
   集積アセンブリであつて、前記の構成の相互接続
   線の各々毎のRl対Rsの関係がほぼ次の式 Rl／1.76＋RsＺ により定義されることを特徴とするウエーハ規模
   集積アセンブリ。 １０ 特許請求の範囲第９項に記載のウエーハ規
   模集積アセンブリであつて、前記の構成の相互接
   続線の各々毎のRl対Rsの関係がほぼ次の式 Rl／1.76＋Rs＝Ｚ により定義されることを特徴とするウエーハ規模
   集積アセンブリ。