KR101185797B1 - Methode of building clock distribution path and 3-dimensional integrated circuit including clock distribution path - Google Patents
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Abstract
3차원 집적 회로는 트리 클록 분배 경로, 기판, 적어도 하나 이상의 반도체 칩들 및 적어도 하나 이상의 인터포저 층들을 포함한다. 트리 클록 분배 경로는 클록 신호를 전달하며, 제1 클록 경로, 제2 클록 경로 및 배선 경로를 포함한다. 제1 클록 경로는 반도체 칩들을 관통하는 적어도 하나 이상의 제1 관통 실리콘 비아들로 구성되어 상기 클록 신호를 제1 방향으로 전달한다. 제2 클록 경로는 상기 반도체 칩들을 관통하는 적어도 하나 이상의 제2 관통 실리콘 비아들로 구성되어 상기 클록 신호를 제2 방향 및 제1 방향으로 전달한다. 배선 경로는 상기 제1 클록 경로 및 상기 제2 클록 경로를 연결한다. 따라서, 3차원 집적 회로의 복수의 반도체 층에 분배되는 클록 신호의 스큐(skew) 및 지터(jitter)가 감소한다.The three-dimensional integrated circuit includes a tree clock distribution path, a substrate, at least one semiconductor chip and at least one interposer layers. The tree clock distribution path carries a clock signal and includes a first clock path, a second clock path, and a wiring path. The first clock path is comprised of at least one first through silicon vias passing through the semiconductor chips to transfer the clock signal in a first direction. The second clock path is composed of at least one second through silicon vias passing through the semiconductor chips to transmit the clock signal in a second direction and a first direction. A wiring path connects the first clock path and the second clock path. Thus, skew and jitter of the clock signal distributed to the plurality of semiconductor layers of the three-dimensional integrated circuit is reduced.
Description
본 발명은 3차원 집적 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 클록 분배 경로의 형성 방법 및 클록 분배 경로를 포함하는 3차원 집적 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional integrated circuit, and more particularly, to a three-dimensional integrated circuit including a clock distribution path forming method and a clock distribution path.
반도체 칩이 소형화 및 경량화 됨에 따라, 고속/광대역 입출력(I/O) 전송이 가능한 3차원 집적 회로가 연구되고 있다. 적층 기술을 통해 반도체 칩 또는 반도체 칩 패키지 등을 포함하는 전자 회로를 구현함으로써 집적도 및 신호 전달 특성을 향상시킬 수 있다. 적층된 복수의 반도체 칩을 서로 연결하는 방법으로 본딩 와이어(bonding wire) 방식 및 관통 실리콘 비아(through silicon via; TSV) 방식이 있다. 본딩 와이어 방식은 적층된 3차원 집적 회로에서 각 칩을 연결하기 위한 방법 중의 하나로서, 본딩 와이어를 연결하는 본드 패드의 위치 및 개수가 제한되며 상부에 적층된 반도체 칩이 바로 하층부의 반도체 칩보다 작아야 한다는 문제점이 있다. TSV를 이용하는 경우 상기 제한이 없으며, 본딩 와이어 방식에 비해 배선 거리를 크게 단축시킬 수 있어 소자의 고속화, 저전력화 및 소형화가 가능하다.As semiconductor chips become smaller and lighter, three-dimensional integrated circuits capable of high speed / wideband input / output (I / O) transmission have been studied. The stacking technology can improve the integration and signal transmission characteristics by implementing an electronic circuit including a semiconductor chip or a semiconductor chip package. As a method of connecting a plurality of stacked semiconductor chips to each other, there is a bonding wire method and a through silicon via (TSV) method. The bonding wire method is one of methods for connecting each chip in a stacked 3D integrated circuit, and the location and number of bond pads for connecting the bonding wires are limited, and the semiconductor chip stacked on the upper side is smaller than the semiconductor chip in the lower layer. There is a problem. In the case of using the TSV, the above-mentioned limitation is not provided, and the wiring distance can be significantly shortened compared to the bonding wire method, so that the device can be faster, lower in power, and smaller in size.
복수의 반도체 칩들이 적층된 3차원 집적 회로에서, 상기 복수의 반도체 칩들을 구동하는 단일 클록 신호를 전달하기 위하여 복수의 반도체 칩들을 관통하는 관통 실리콘 비아가 사용될 수 있다. 상기 관통 실리콘 비아를 통하여 클록을 복수의 반도체 칩들에게 분배하여 줄 수 있다. 이 경우에, 클록 생성부로부터 복수의 반도체 칩들에 클록이 도달하는 시간이 달라지므로 스큐(skew)가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.In a three-dimensional integrated circuit in which a plurality of semiconductor chips are stacked, a through silicon via penetrating through the plurality of semiconductor chips may be used to transmit a single clock signal for driving the plurality of semiconductor chips. The clock may be distributed to a plurality of semiconductor chips through the through silicon vias. In this case, there is a problem that skew may occur because the time at which the clock reaches the plurality of semiconductor chips from the clock generator is different.
본 발명의 일 목적은 클록 신호의 스큐 및 지터를 최소화할 수 있는 트리 클록 분배 경로를 포함하는 3차원 집적 회로를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a three-dimensional integrated circuit comprising a tree clock distribution path that can minimize skew and jitter in the clock signal.
본 발명의 일 목적은 클록 신호의 스큐 및 지터를 최소화할 수 있는 트리 클록 분배 경로의 형성 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method of forming a tree clock distribution path that can minimize skew and jitter in a clock signal.
상기 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 집적 회로는 트리 클록 분배 경로, 기판, 상기 기판 상에 형성되는 적어도 하나 이상의 반도체 칩들 및 적어도 하나 이상의 인터포저 층들을 포함한다. 상기 트리 클록 분배 경로는 클록 신호를 전달하며, 제1 클록 경로, 제2 클록 경로 및 배선 경로를 포함한다. 상기 제1 클록 경로는 상기 반도체 칩들을 관통하는 적어도 하나 이상의 제1 관통 실리콘 비아들로 구성되어 상기 클록 신호를 상기 기판 측에서부터 상기 반도체 칩 측으로 향하는 방향인 제1 방향으로 전달한다. 상기 제2 클록 경로는 상기 반도체 칩들을 관통하는 적어도 하나 이상의 제2 관통 실리콘 비아들로 구성되어 상기 클록 신호를 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향 및 상기 제1 방향으로 전달한다. 상기 배선 경로는 상기 제1 클록 경로 및 상기 제2 클록 경로를 연결한다. 상기 적어도 하나 이상의 인터포저 층들은 상기 적어도 하나 이상의 반도체 칩들 사이에 위치한다. A three-dimensional integrated circuit according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes a tree clock distribution path, a substrate, at least one semiconductor chip and at least one interposer layers formed on the substrate. The tree clock distribution path carries a clock signal and includes a first clock path, a second clock path, and a wiring path. The first clock path is composed of at least one first through-silicon vias passing through the semiconductor chips to transmit the clock signal in a first direction from the substrate side to the semiconductor chip side. The second clock path includes at least one second through silicon via passing through the semiconductor chips to transmit the clock signal in a second direction and a first direction opposite to the first direction. The wiring path connects the first clock path and the second clock path. The at least one interposer layers are located between the at least one semiconductor chip.
일 실시예에서, 상기 트리 클록 분배 경로는 상기 제2 클록 경로와 상기 적어도 하나 이상의 반도체 칩들의 클록 단자를 연결하여 상기 클록 단자에 상기 클록 신호를 전달하는 단자 배선 경로를 더 포함할 수 있다.The tree clock distribution path may further include a terminal wiring path connecting the second clock path and a clock terminal of the at least one semiconductor chip to transfer the clock signal to the clock terminal.
일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 반도체 칩들의 두께는 서로 동일할 수 있다.In at least one example embodiment, the thicknesses of the at least one semiconductor chip may be the same.
일 실시예에서, 상기 인터포저 층들의 두께는 상기 반도체 칩들의 두께와 동일할 수 있다.In an embodiment, the thickness of the interposer layers may be the same as the thickness of the semiconductor chips.
일 실시예에서, 상기 제1 관통 실리콘 비아들 및 상기 제2 관통 실리콘 비아들을 구성하는 물질은 구리, 알루미늄, 텅스텐 및 폴리 실리콘 중 어느 하나일 수 있다.In one embodiment, the material constituting the first through silicon vias and the second through silicon vias may be any one of copper, aluminum, tungsten, and polysilicon.
일 실시예에서, 상기 인터포저 층은 실리콘 인터포저일 수 있다.In one embodiment, the interposer layer may be a silicon interposer.
일 실시예에서, 상기 제1 관통 실리콘 비아들 및 상기 제2 관통 실리콘 비아들을 구성하는 물질은 구리, 알루미늄, 텅스텐 및 폴리 실리콘 중 어느 하나일 수 있다.In one embodiment, the material constituting the first through silicon vias and the second through silicon vias may be any one of copper, aluminum, tungsten, and polysilicon.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 집적 회로의 트리 클록 분배 경로의 형성 방법은, 반도체 칩에 형성되는 제1 관통 실리콘 비아 및 제2 관통 실리콘 비아의 위치를 결정하는 단계, 상기 반도체 칩 상부에 적층되는 인터포저 층에 형성되는 제3 관통 실리콘 비아 및 제4 관통 실리콘 비아의 위치를 결정하는 단계, 상기 반도체 칩에 상기 제1 관통 실리콘 비아 및 상기 제2 관통 실리콘 비아를 형성하는 단계, 상기 반도체 칩 상부에 상기 인터포저 층을 형성하는 단계, 상기 인터포저 층에 상기 제1 관통 실리콘 비아와 연결되는 상기 제3 관통 실리콘 비아 및 상기 제2 관통 실리콘 비아와 연결되는 상기 제4 관통 실리콘 비아를 형성하는 단계 및 상기 인터포저 층 상부에 상기 제3 관통 실리콘 비아와 상기 제4 관통 실리콘 비아를 연결하는 배선 경로를 형성하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present disclosure, a method of forming a tree clock distribution path of a 3D integrated circuit may include determining positions of first through silicon vias and second through silicon vias formed in a semiconductor chip, Determining positions of third through silicon vias and fourth through silicon vias formed in the interposer layer to be stacked; forming the first through silicon vias and the second through silicon vias in the semiconductor chip; Forming the interposer layer on the chip, forming the third through silicon via connected to the first through silicon via and the fourth through silicon via connected to the second through silicon via on the interposer layer And forming a wiring path connecting the third through silicon via and the fourth through silicon via to the interposer layer. Includes steps.
일 실시예에서, 상기 반도체 칩의 두께와 상기 인터포저 층의 두께는 동일할 수 있다.In an embodiment, the thickness of the semiconductor chip and the thickness of the interposer layer may be the same.
일 실시예에서, 상기 인터포저 층은 실리콘 인터포저일 수 있다.In one embodiment, the interposer layer may be a silicon interposer.
일 실시예에서, 상기 제1 관통 실리콘 비아들 및 상기 제2 관통 실리콘 비아들을 구성하는 물질은 구리, 알루미늄, 텅스텐 및 폴리 실리콘 중 어느 하나일 수 있다.In one embodiment, the material constituting the first through silicon vias and the second through silicon vias may be any one of copper, aluminum, tungsten, and polysilicon.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 집적 회로의 트리 클록 분배 경로의 형성 방법은, 제1 클록 경로 및 제2 클록 경로의 위치를 결정하는 단계, 상기 결정된 제1 클록 경로 및 상기 제2 클록 경로의 위치에 기초하여 상기 제1 클록 경로와 상기 제2 클록 경로를 연결하는 배선 경로를 결정하는 단계, 상기 결정된 제1 클록 경로, 상기 제2 클록 경로의 위치 및 배선 경로에 기초하여 적어도 하나 이상의 반도체 칩들, 적어도 하나 이상의 인터포저 층들 및 적어도 하나 이상의 배선층들을 적층하는 단계, 상기 결정된 제1 클록 경로 및 상기 제2 클록 경로의 위치에 기초하여 상기 적층된 반도체 칩들, 인터포저 층들 및 배선층들을 관통하는 비아 홀을 형성하는 단계 및 상기 형성된 비아 홀에 도전성 물질을 충전하여 관통 실리콘 비아를 형성하는 단계를 포함한다. A method of forming a tree clock distribution path of a three-dimensional integrated circuit according to an embodiment of the present invention may include determining positions of a first clock path and a second clock path, and determining the determined first clock path and the second clock path. Determining a wiring path connecting the first clock path and the second clock path based on a position of the at least one semiconductor substrate; at least one semiconductor based on the determined first clock path, a position of the second clock path, and a wiring path; Stacking chips, at least one interposer layers and at least one wiring layer, vias through the stacked semiconductor chips, interposer layers and wiring layers based on the determined position of the first clock path and the second clock path Forming a hole and filling the formed via hole with a conductive material to form a through silicon via .
일 실시예에서, 상기 반도체 칩의 두께와 상기 인터포저 층의 두께는 동일할 수 있다.In an embodiment, the thickness of the semiconductor chip and the thickness of the interposer layer may be the same.
일 실시예에서, 상기 인터포저 층은 실리콘 인터포저일 수 있다.In one embodiment, the interposer layer may be a silicon interposer.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 집적 회로의 트리 클록 분배 경로의 형성 방법은, 복수의 반도체 칩 및 복수의 인터포저 층을 교번적으로 적층하는 단계, 상기 적층된 복수의 반도체 칩 및 복수의 인터포저 층을 관통하는 복수의 비아 홀들을 형성하는 단계, 상기 형성된 비아 홀들 중 일부에 도전성 물질을 충전하는 단계, 상기 충전된 도전성 물질의 상부에 존재하는 비아 홀들 중 일부에 절연 물질을 충전하는 단계 및 상기 충전된 절연 물질의 상부에 존재하는 비아 홀들에 도전성 물질을 충전하는 단계를 포함한다.A method of forming a tree clock distribution path of a three-dimensional integrated circuit according to an embodiment of the present invention may include: alternately stacking a plurality of semiconductor chips and a plurality of interposer layers; Forming a plurality of via holes through the interposer layer, filling a conductive material in some of the formed via holes, and filling an insulating material in some of the via holes existing on top of the filled conductive material And filling conductive material in via holes present on top of the filled insulating material.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 3차원 집적 회로, 중앙 처리 장치 및 적어도 하나의 입출력 장치를 포함한다. 상기 3차원 집적 회로에는 복수의 반도체 칩들 및 인터포저 층들이 교번적으로 적층되고, 트리 클록 분배 경로에 의해 클록 신호를 분배된다. 상기 트리 클록 분배 경로는 상기 복수의 반도체 칩들 및 인터포저 층들을 관통하는 제1 클록 경로, 제2 클록 경로 및 상기 제1 클록 경로와 제2 클록 경로를 연결하는 배선 경로를 포함한다.The system according to an embodiment of the present invention includes a three-dimensional integrated circuit, a central processing unit and at least one input / output device. A plurality of semiconductor chips and interposer layers are alternately stacked in the three-dimensional integrated circuit, and the clock signal is distributed by a tree clock distribution path. The tree clock distribution path includes a first clock path, a second clock path, and a wiring path connecting the first clock path and the second clock path through the plurality of semiconductor chips and the interposer layers.
일 실시예에서, 상기 복수의 반도체 칩들은 메모리 칩일 수 있다.In an embodiment, the plurality of semiconductor chips may be memory chips.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 집적 회로는 트리 클록 분배 경로를 포함한다. 상기 트리 클록 분배 경로는 복수의 반도체 층에 분배되는 클록 신호의 스큐(skew) 및 지터(jitter)를 감소시켜 주므로, 고속 연산에 적합하고 시스템 오류를 줄일 수 있다. 따라서 3차원 집적 회로의 동작 특성을 향상시킬 수 있다.The three-dimensional integrated circuit according to the embodiments of the present invention as described above includes a tree clock distribution path. The tree clock distribution path reduces skew and jitter of a clock signal distributed to a plurality of semiconductor layers, thereby making it suitable for high-speed operation and reducing system errors. Therefore, the operating characteristics of the three-dimensional integrated circuit can be improved.
도 1은 3차원 집적 회로 시스템의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 2는 단일 클록 분배 경로를 포함하는 3차원 집적 회로 시스템의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 3은 단일 클록 분배 경로를 통해 각 반도체 층에 분배되는 클록 신호를 나타내는 단면도이다.
도 4는 단일 클록 분배 경로를 통해 각 반도체 층의 클록 단자에 분배되는 클록 신호를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 트리 클록 분배 경로를 포함하는 3차원 집적 회로 시스템의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 트리 클록 분배 경로를 통해 각 반도체 층에 분배되는 클록 신호를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 트리 클록 분배 경로를 통해 각 반도체 층의 클록 단자에 분배되는 클록 신호를 나타내는 단면도이다.
도 8은 도 6의 제2 인터포저 층의 구조를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 6의 제1 인터포저 층의 구조를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 6의 반도체 층의 구조를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 8의 제2 인터포저 층, 도 9의 제1 인터포저 층 및 도 10의 반도체 층의 구조를 나타내는 투시도이다.
도 12는 단일 클록 분배 경로 및 4개의 반도체 층을 포함하는 3차원 집적 회로 시스템의 스큐(skew)를 나타내는 그래프이다.
도 13은 단일 클록 분배 경로 및 4개의 반도체 층을 포함하는 3차원 집적 회로 시스템의 아이 다이어그램(eye diagram)을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 집적 회로 시스템의 스큐(skew)를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 집적 회로 시스템의 아이 다이어그램(eye diagram)을 나타내는 그래프이다. 1 is a perspective view illustrating an example of a three-dimensional integrated circuit system.
2 is a perspective view illustrating an example of a three-dimensional integrated circuit system including a single clock distribution path.
3 is a cross-sectional view illustrating a clock signal distributed to each semiconductor layer through a single clock distribution path.
4 is a cross-sectional view illustrating a clock signal distributed to clock terminals of each semiconductor layer through a single clock distribution path.
5 is a perspective view illustrating an example of a 3D integrated circuit system including a tree clock distribution path according to an embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view illustrating a clock signal distributed to each semiconductor layer through a tree clock distribution path according to an embodiment of the present invention.
7 is a cross-sectional view illustrating a clock signal distributed to clock terminals of each semiconductor layer through a tree clock distribution path according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating a structure of a second interposer layer of FIG. 6.
FIG. 9 is a diagram illustrating a structure of a first interposer layer of FIG. 6.
FIG. 10 is a diagram illustrating a structure of the semiconductor layer of FIG. 6.
FIG. 11 is a perspective view illustrating a structure of a second interposer layer of FIG. 8, a first interposer layer of FIG. 9, and a semiconductor layer of FIG. 10.
12 is a graph illustrating a skew of a three dimensional integrated circuit system including a single clock distribution path and four semiconductor layers.
FIG. 13 is a graph illustrating an eye diagram of a three dimensional integrated circuit system including a single clock distribution path and four semiconductor layers.
14 is a graph illustrating a skew of a three-dimensional integrated circuit system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a graph illustrating an eye diagram of a 3D integrated circuit system according to an exemplary embodiment.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, The present invention should not be construed as limited to the embodiments described in Figs.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 구성요소에 대해 사용하였다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. In describing the drawings, similar reference numerals are used for the components.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "immediately between," or "neighboring to," and "directly neighboring to" should be interpreted as well.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시(說示)된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof that has been described, and that one or more of them is present. It is to be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of other features or numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail a preferred embodiment of the present invention. The same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings and redundant explanations for the same constituent elements are omitted.
도 1은 3차원 집적 회로 시스템의 일 예를 나타내는 사시도이다.1 is a perspective view illustrating an example of a three-dimensional integrated circuit system.
도 1을 참조하면, 3차원 집적 회로 시스템(10)은 제1 내지 제4 메모리 칩(110, 120, 130, 140), 디지털 회로(150), 실리콘 인터포저 층(160), 아날로그 회로(170), 미세 전자 기계 시스템(micro electro mechanical system; MEMS, 180) 및 패키지(190)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the 3D integrated
적층된 구조의 제1 내지 제4 메모리 칩(110, 120, 130, 140)은 단일 평면에 구현되는 메모리 칩에 비하여 상대적으로 적은 면적을 점유하므로 회로 및 시스템의 소형화가 가능하다. 다만 상기 적층된 구조의 제1 내지 제4 메모리 칩(110, 120, 130, 140)들에 클록 신호, 구동 전원 등을 공급하기 위해서는 추가적인 배선 구조가 필요하다.Since the first to
미세 전자 기계 시스템(180)은 미세 기술로서 기계 부품, 센서, 액츄에이터, 전자 회로를 하나의 실리콘 기판 위에 집적화한 장치를 의미한다. 주로 반도체 집적 회로 제작 기술을 이용해 제작되지만 입체 형상을 제작하는 단계 또한 포함된다. 응용 분야로서 잉크젯 프린터 헤드, 압력 센서, 가속도 센서, 자이로스코프, 프로젝터 등이 있다. 3차원 집적 회로 시스템(10)은 반도체 분야에 주로 사용되나, 도 1에 도시된 바와 같이 미세 전자 기계 시스템(180)을 포함하여 사용될 수도 있다.The
도 2는 단일 클록 분배 경로를 포함하는 3차원 집적 회로 시스템의 일 예를 나타내는 사시도이다.2 is a perspective view illustrating an example of a three-dimensional integrated circuit system including a single clock distribution path.
도 2를 참조하면, 3차원 집적 회로 시스템(20)은 디지털 회로(205), 제1 내지 제4 반도체 칩(221, 222, 223, 224), 로직 다이(logic die, 230), 실리콘 인터포저(240), 미세 전자 기계 시스템(250), 아날로그 회로(260) 및 패키지(270)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the 3D integrated
디지털 회로(205)는 클록 생성부(210)를 포함할 수 있다. 디지털 회로(205)의 클록 생성부(210)에서 생성된 클록 신호(CLOCK)는 디지털 회로의 클록 단자(215)를 통해 출력되고 실리콘 인터포저(240) 및 로직 다이(230)를 통과하여 제1 내지 제4 반도체 칩(221, 222, 223, 224)으로 제공될 수 있다. 도 2에서 클록 신호(CLOCK)는 점선으로 구성된 화살표로 도시되었다.The
3차원 집적 회로 시스템(20)은 단일 클록 분배 경로를 통해 클록 신호(CLOCK)를 분배하므로, 클록 신호(CLOCK)는 로직 다이(230)의 바로 상층부에 적층되어 있는 제4 반도체 칩(224)에 가장 먼저 제공되고, 그 다음에 제3 반도체 칩(223), 제2 반도체 칩(222) 및 제1 반도체 칩(221)의 순서대로 클록 신호(CLOCK)가 제공될 수 있다.Since the 3D integrated
예를 들어, 3차원 집적 회로 시스템(20)이 그래픽 카드 등의 영상 처리 장치인 경우, 디지털 회로(205)는 그래픽 처리부(Graphic Processing Unit; GPU)일 수 있다. 또한, 제1 내지 제4 반도체 칩은 각각 제1 내지 제4 메모리 칩일 수 있다. 상기 영상 처리 장치는 영상 정보를 상기 제1 내지 제4 메모리 칩에 저장할 수 있다. For example, when the 3D integrated
상기 단일 클록 분배 구조의 구성을 더욱 자세히 설명하기 위하여, 단면(D1)에 의해 나타나는 단면도의 일부에 대한 설명을 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.In order to describe the configuration of the single clock distribution structure in more detail, a description of a part of the cross-sectional view shown by the cross section D1 will be described later with reference to FIG. 3.
도 3은 단일 클록 분배 경로를 통해 각 반도체 층에 분배되는 클록 신호를 나타내는 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating a clock signal distributed to each semiconductor layer through a single clock distribution path.
도 3을 참조하면, 도 2의 단면(D1)에 의해 나타나는 3차원 집적 회로(30)의 단면도가 도시되어 있다. 도 3의 단면도에서는 3차원 집적 회로 시스템의 제1 내지 제4 반도체 칩(311, 312, 313, 314), 로직 다이(320) 및 기판(330)만 도시되었으며, 다른 구성 요소의 도시는 생략되었다. 도 3에서 클록 신호(CLOCK)는 실선을 포함한 화살표로 도시되었다.Referring to FIG. 3, there is shown a cross-sectional view of a three-dimensional
도 3의 3차원 집적 회로 시스템(30)은 클록 신호(CLOCK) 분배를 위해 단일 클록 분배 경로(370)을 이용한다. 단일 클록 분배 경로(370)는 기판(330)에 직교하는 방향으로 제1 내지 제4 반도체 칩(311, 312, 313, 314) 및 로직 다이(320)에 각각 일렬로 형성되는 관통 실리콘 비아들로 구성될 수 있다. 도 3에서는 제1 내지 제4 반도체 칩(311, 312, 313, 314) 및 로직 다이(320)에 각각 일렬로 형성되는 5개의 상기 관통 실리콘 비아들이 단일 클록 분배 경로(370)를 이루고 있다.The three-dimensional
단일 클록 분배 경로(370)를 이용하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 클록 신호(CLOCK)는 제1 내지 제4 반도체 칩(311, 312, 313, 314)들 중 제4 반도체 칩(314)에 가장 먼저 도달하고, 제3 반도체 칩(313), 제2 반도체 칩(312) 및 제1 반도체 칩(311)의 순으로 도달한다. 따라서, 가장 하층부에 위치한 제4 반도체 칩(314)에 도달하는 클록 신호(CLOCK)는 가장 상층부에 위치한 제1 반도체 칩(311)에 도달하는 클록 신호(CLOCK)와 비교할 때 상기 두 클록 신호(CLOCK) 간에 스큐(skew) 및 지터(jitter)가 발생한다. 상기 스큐 및 지터는 3차원 집적 회로 시스템의 성능을 저하시키는 요인이 된다.When using the single
도 4는 단일 클록 분배 경로를 통해 각 반도체 층의 클록 단자에 분배되는 클록 신호를 나타내는 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating a clock signal distributed to clock terminals of each semiconductor layer through a single clock distribution path.
도 4를 참조하면, 클록 신호(CLOCK)의 흐름은 점선이 포함된 화살표로 도시되어 있다. 클록 생성부(410)에서 생성된 클록 신호(CLOCK)가 디지털 회로(405)의 관통 실리콘 비아들(415)을 통해 실리콘 인터포저(403)의 배선층(401)으로 전달된다. 디지털 회로(405) 및 실리콘 인터포저(403)의 배선층(401) 사이에는 관통 실리콘 비아들(415)과 배선층(401)을 연결하기 위한 범프(417)들이 형성될 수 있고, 그 주위로 언더필 층(418)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4, the flow of the clock signal CLOCK is illustrated by an arrow including a dotted line. The clock signal CLOCK generated by the
배선층(401)을 통해 반도체 칩들(420, 430, 440, 450)이 적층된 로직 다이(460)의 하부로 전달된 클록 신호(CLOCK)는 단일 클록 분배 경로(480)를 통해 제1 내지 제4 반도체 칩들(420, 430, 440, 450)로 전달된다. 로직 다이(460)와 배선층(401) 사이에는 언더필 층(490)이 형성될 수 있다. 단일 클록 분배 경로(480)는 제1 내지 제4 반도체 칩들(420, 430, 440, 450) 및 로직 다이(460)를 관통하는 관통 실리콘 비아들(421, 431, 441, 451, 461)을 포함한다. 단일 클록 분배 경로(480)는 관통 실리콘 비아들(421, 431, 441, 451, 461)을 연결하는 범프들(422, 432, 442, 452, 462)을 포함할 수 있다. 단일 클록 분배 경로(480)를 통해 클록 신호(CLOCK)는 제1 내지 제4 반도체 칩들(420, 430, 440, 450)에 포함된 클록 단자(470)들로 전달된다. The clock signal CLOCK transferred to the lower portion of the logic die 460 in which the
도 4에 도시된 바와 같이, 단일 클록 분배 경로(480)를 이용하는 경우 클록 신호(CLOCK)는 제1 내지 제4 반도체 칩들(420, 430, 440, 450) 중 제4 반도체 칩(450)에 가장 먼저 도달하고, 제3 반도체 칩(440), 제2 반도체 칩(430) 및 제1 반도체 칩(420)의 순으로 도달한다. 따라서, 가장 하층부에 위치한 제4 반도체 칩(440)의 클록 단자에 도달하는 클록 신호(CLOCK)는 가장 상층부에 위치한 제1 반도체 칩(420)의 클록 단자에 도달하는 클록 신호(CLOCK)와 비교할 때 상기 두 클록 신호(CLOCK) 간에 스큐(skew) 및 지터(jitter)가 발생한다. 상기 스큐 및 지터는 3차원 집적 회로 시스템의 성능을 저하시키는 요인이 된다.As shown in FIG. 4, when the single
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 트리 클록 분배 경로를 포함하는 3차원 집적 회로 시스템의 일 예를 나타내는 사시도이다.5 is a perspective view illustrating an example of a 3D integrated circuit system including a tree clock distribution path according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 집적 회로 시스템(50)은 디지털 회로(505), 제1 내지 제4 반도체 칩(521, 522, 523, 524), 제1 내지 제3 인터포저 층(531, 532, 533)을 포함한다. 3차원 집적 회로 시스템(50)은 로직 다이(540), 실리콘 인터포저(550), 미세 전자 기계 시스템(560), 아날로그 회로(260) 및 패키지(270)를 포함한다.Referring to FIG. 5, a three-dimensional
디지털 회로(505)는 클록 생성부(510)를 포함할 수 있다. 디지털 회로(505)의 클록 생성부(510)에서 생성된 클록 신호(CLOCK)는 디지털 회로의 클록 단자(515)를 통해 출력되고 실리콘 인터포저(550) 및 로직 다이(540)를 통과하여 제1 내지 제4 반도체 칩들(521, 522, 523, 524)로 제공될 수 있다. 도 2에서 클록 신호(CLOCK)는 점선으로 구성된 화살표로 도시되었다. 도 5를 자세히 참조하면, 클록 신호(CLOCK)는 먼저 로직 다이(540), 제4 반도체 칩(524), 제3 인터포저 층(533) 및 제3 반도체 칩(523)을 통과하여 제2 인터포저 층(532)에 도달한다. 클록 신호(CLOCK)는 제2 인터포저 층(532) 상부의 배선 경로를 통해 분기되어 각각 제2 반도체 칩(522)을 통과하여 제1 인터포저 층(531)에 도달하고, 제3 반도체 칩(523)을 통과하여 제3 인터포저 층(533)에 도달한다. 분기된 클록 신호(CLOCK)들은 다시 각각 분기하여 제1 반도체 층(521), 제2 반도체 층(522), 제3 반도체 층(523) 및 제4 반도체 층(524)에 도달한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 트리 클록 분배 경로를 포함하는 3차원 집적 회로 시스템(50)에서는 클록 신호(CLOCK)가 트리 클록 분배 경로를 통해 전달되므로 제1 내지 제4 반도체 칩들(521, 522, 523, 524)에 도달되는 클록 신호(CLOCK)의 스큐 및 지터가 최소화된다. The
도 5에서는 4개의 제1 내지 제4 반도체 칩((521, 522, 523, 524)이 적층된 3차원 집적 회로 시스템이 도시되어 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 트리 클록 분배 경로를 포함하는 3차원 집적 회로 시스템은 적어도 둘 이상의 반도체 칩들을 포함할 수 있다. 즉, 상기 트리 클록 분배 경로는 2 이상의 반도체 칩들을 포함하는 3차원 집적 회로 시스템에 사용될 수 있으며, 적층되는 반도체 칩들의 수가 많을수록 클록 신호의 지터 및 스큐가 커지게 되므로 트리 클록 분배 경로의 효용성이 증대될 수 있다.In FIG. 5, a three-dimensional integrated circuit system in which four first to
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 집적 회로 시스템(50)의 트리 클록 분배 경로를 더욱 자세히 설명하기 위하여, 단면(D2)에 의해 나타나는 단면도의 일부에 대한 설명을 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.In order to describe in more detail the tree clock distribution path of the three-dimensional
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 트리 클록 분배 경로를 통해 각 반도체 층에 분배되는 클록 신호를 나타내는 단면도이다.6 is a cross-sectional view illustrating a clock signal distributed to each semiconductor layer through a tree clock distribution path according to an embodiment of the present invention.
도 6에는 4개의 제1 내지 제4 반도체 칩들(611, 612, 613, 614)이 적층되는 3차원 집적 회로 시스템(60)의 트리 클록 분배 경로가 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 제1 내지 제4 반도체 칩들(611, 612, 613, 614)이 적층되는 3차원 집적 회로 시스템(60)은 본 발명의 일 실시예에 포함되며, 다양한 숫자의 반도체 칩들이 적층되는 3차원 집적 회로 시스템에도 상기 트리 클록 분배 경로가 적용될 수 있다.6 shows a tree clock distribution path of a three-dimensional
도 6을 참조하면, 3차원 집적 회로 시스템(60)은 클록 신호를 전달하는 트리 클록 분배 경로, 기판(640), 적어도 하나 이상의 반도체 칩들(611, 612, 613, 614) 및 상기 반도체 칩들(611, 612, 613, 614) 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 인터포저 층들(621, 622, 623)을 포함한다. Referring to FIG. 6, a three-dimensional
트리 클록 분배 경로는 제1 클록 경로(681), 제2 클록 경로(682) 및 배선 경로(미도시)를 포함한다. The tree clock distribution path includes a
제1 클록 경로(681)는 상기 반도체 칩들(611, 612, 613, 614) 및 상기 인터포저 층들(621, 622, 623)을 관통하는 적어도 하나 이상의 제1 관통 실리콘 비아들로 구성되어 클록 신호(CLOCK)를 기판(640) 측에서부터 상기 반도체 칩 측으로 향하는 방향인 제1 방향으로 전달한다. The
제2 클록 경로(682)는 상기 반도체 칩들 및 상기 인터포저 층들을 관통하는 적어도 하나 이상의 제2 관통 실리콘 비아들로 구성되어 클록 신호(CLOCK)를 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향 및 상기 제1 방향으로 전달한다. 즉, 클록 신호(CLOCK)는 제2 클록 경로(682)에서 분기되어 상측에 위치한 제1 반도체 칩(611) 쪽의 방향 및 하측에 위치한 제4 반도체 칩(614) 쪽의 방향으로 전달된다. 상기 과정을 통해 적층된 복수의 반도체 칩들에 전달되는 클록 신호의 전달 경로 길이가 동일해지므로, 클록 신호의 스큐 및 지터가 효과적으로 저감될 수 있다.The
배선 경로(미도시), 즉 제1 배선 경로는 제1 클록 경로(681)와 제2 클록 경로(682)를 연결한다. 즉, 도 6의 실시예에서 상기 제1 배선 경로는 제2 인터포저 층(622)과 제2 반도체 칩(612) 사이에 형성되어 제1 클록 경로(681)와 제2 클록 경로(682)를 연결할 수 있다.A wiring path (not shown), that is, a first wiring path connects the
도 6의 실시예에서, 제1 클록 경로(681)를 구성하는 관통 실리콘 비아들은 로직 다이(630), 제4 반도체 칩(614), 제3 인터포저 층(623), 제3 반도체 칩(613) 및 제2 인터포저 층(622)까지만 형성된 것으로 도시되어 있다. 그러나 공정의 용이성을 위해, 비아 홀 및 관통 실리콘 비아들을 일괄적으로 형성하기 위해 제2 반도체 칩(612), 제1 인터포저 층(621) 및 제1 반도체 칩(611)까지 관통 실리콘 비아들이 형성될 수도 있다. 이 경우 제1 클록 경로(681)를 구성하는 관통 실리콘 비아들이 각 반도체 칩들의 클록 단자에 바로 연결되는 것이 아니기 때문에 클록 신호(CLOCK)가 각 반도체 칩들로 전달되는 경로에 차이는 발생하지 않는다. 즉, 제1 클록 경로(681)를 형성하기 위하여, 기판(640)에서부터 적어도 제2 인터포저 층(622)까지는 관통 실리콘 비아들이 형성되어야 하며, 제2 인터포저 층(622) 상부에 관통 실리콘 비아들이 더 형성될 수도 있다.In the embodiment of FIG. 6, the through silicon vias constituting the
도 6의 실시예에서 3차원 집적 회로 시스템(60)은 4개의 반도체 칩을 포함하므로 상기 4개의 반도체 칩에 클록 신호(CLOCK)를 분배하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 의한 트리 클록 분배 경로는 제3 클록 경로(683, 684)들 및 제2 배선 경로들(미도시)을 더 포함한다. 상기 제2 배선 경로들은 각각 제1 인터포저 층(621)과 제1 반도체 칩(611) 사이 및 제3 인터포저 층(623)과 제3 반도체 칩(613) 사이에 각각 형성된다. 제1 인터포저 층(621)과 제1 반도체 칩(611) 사이에 형성된 상기 제2 배선 경로는 제2 클록 경로(682)와 제3 클록 경로(683)를 연결하고, 제3 인터포저 층(623)과 제3 반도체 칩(613) 사이에 형성된 상기 제2 배선 경로는 제2 클록 경로(682)와 제3 클록 경로(684)를 연결한다. 제3 클록 경로(683, 684)들은 각각 제1 클록 경로(682)로부터 전달된 클록 신호(CLOCK)들을 분기한다. 제3 클록 경로(683, 684)들은 각각 상기 분기된 클록 신호(CLOCK)들을 제1 내지 제4 반도체 칩들(611, 612, 613, 614)로 전달한다. 제1 내지 제4 반도체 칩들(611, 612, 613, 614) 상부에는 상기 전달된 클록 신호(CLOCK)들을 각 반도체 칩들(611, 612, 613, 614)의 클록 단자들(650)로 전달하는 단자 배선들(660)을 더 포함할 수 있다. In the embodiment of FIG. 6, since the 3D integrated
도 8 내지 도 11을 참조하여 후술하는 바와 같이, 반도체 칩들(611, 612, 613, 614) 각각은 다수의 클록 단자들(650)을 포함할 수 있으므로, 상기 트리 클록 분배 경로는 복수의 제2 클록 경로 및 복수의 제3 클록 경로를 포함할 수 있다. 제1 반도체 칩(611) 또한 복수의 관통 실리콘 비아(670)들을 포함하고 있으며, 상기 복수의 관통 실리콘 비아(670)들은 서로 다른 복수의 제3 클록 경로(683)를 형성한다. 즉, 도 6에는 제1 반도체 칩(611)에 클록 신호(CLOCK)를 전달하는 하나의 제3 클록 경로(683)가 도시되어 있으나, 이보다 많은 클록 경로들이 상기 트리 클록 분배 경로의 일부로서 포함될 수 있다.As described below with reference to FIGS. 8 through 11, each of the
각 반도체 칩들(611, 612, 613, 614)로 전달되는 클록 신호(CLOCK)들의 스큐 및 지터를 최소화하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 집적 회로의 반도체 칩들(611, 612, 613, 614)의 두께는 서로 동일할 수 있다. 또한 인터포저 층들(621, 622, 623)의 두께도 서로 동일할 수 있으며, 인터포저 층들(621, 622, 623)의 두께는 반도체 칩들(611, 612, 613, 614)의 두께와 동일할 수 있다. 또한, 인터포저 층들(621, 622, 623)은 실리콘 인터포저로 구성될 수 있다.In order to minimize skew and jitter of clock signals CLOCK transmitted to each of the
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 집적 회로의 트리 클럭 분배 구조가 포함하는 관통 실리콘 비아들을 구성하는 물질은 클록 신호(CLOCK)를 신속하게 전달하기 위해 도전성이 양호한 물질이 사용될 수 있다. 즉, 상기 관통 실리콘 비아들을 구성하는 물질은 구리, 알루미늄, 텅스텐 등의 금속 물질 중 어느 하나일 수 있으며, 또는 폴리 실리콘으로 이루어질 수도 있다.The material constituting the through silicon vias included in the tree clock distribution structure of the 3D integrated circuit according to the exemplary embodiment of the present invention may be a material having good conductivity to quickly transmit the clock signal CLOCK. That is, the material constituting the through silicon vias may be any one of metal materials such as copper, aluminum, tungsten, or polysilicon.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 집적 회로의 트리 클록 분배 경로의 형성 방법은 반도체 칩에 형성되는 제1 관통 실리콘 비아 및 제2 관통 실리콘 비아의 위치를 결정하는 단계, 상기 반도체 칩 상부에 적층되는 인터포저 층에 형성되는 제3 관통 실리콘 비아 및 제4 관통 실리콘 비아의 위치를 결정하는 단계, 상기 반도체 칩에 상기 제1 관통 실리콘 비아 및 상기 제2 관통 실리콘 비아를 형성하는 단계, 상기 반도체 칩 상부에 상기 인터포저 층을 형성하는 단계, 상기 인터포저 층에 상기 제1 관통 실리콘 비아와 연결되는 상기 제3 관통 실리콘 비아 및 상기 제2 관통 실리콘 비아와 연결되는 상기 제4 관통 실리콘 비아를 형성하는 단계 및 상기 인터포저 층 상부에 상기 제3 관통 실리콘 비아와 상기 제4 관통 실리콘 비아를 연결하는 배선 경로를 형성하는 단계를 포함한다.According to one or more exemplary embodiments, a method of forming a tree clock distribution path of a three-dimensional integrated circuit includes determining a location of a first through silicon via and a second through silicon via formed in a semiconductor chip, and stacking the semiconductor chip on the semiconductor chip. Determining positions of third through silicon vias and fourth through silicon vias formed in the interposer layer to be formed; forming the first through silicon vias and the second through silicon vias in the semiconductor chip; Forming an interposer layer thereon, forming a third through silicon via connected to the first through silicon via and a fourth through silicon via connected to the second through silicon via on the interposer layer And forming a wiring path on the interposer layer to connect the third through silicon via and the fourth through silicon via. And a step.
상기 제1 관통 실리콘 비아 및 제2 관통 실리콘 비아의 위치를 결정하는 단계는, 제1 클록 경로(681) 및 제2 클록 경로(682)를 형성하는 과정의 일부에 해당한다. 도 6을 참조하면, 제1 클록 경로(681) 및 제2 클록 경로(682)는 공통적으로 제2 인터포저 층(622) 및 제3 반도체 칩(613)에 포함된다. 즉, 제1 클록 경로(681) 및 제2 클록 경로(682)를 형성하기 위하여는 적어도 하나 이상의 반도체 칩 및 인터포저 층에 관통 실리콘 비아를 형성하여야 하므로, 단일 반도체 칩에 형성되는 제1 관통 실리콘 비아는 제1 클록 경로(681)의 일부가 되고, 제2 관통 실리콘 비아는 제2 클록 경로(682)의 일부가 될 수 있다. 따라서 전체 3차원 집적 회로에 포함되는 제1 클록 경로(681) 및 제2 클록 경로(682)의 위치에 기초하여 상기 제1 관통 실리콘 비아 및 제2 관통 실리콘 비아의 위치를 결정하게 된다.Determining positions of the first through silicon via and the second through silicon via corresponds to a part of the process of forming the
상기 반도체 칩 상부에 적층되는 인터포저 층에 형성되는 제3 관통 실리콘 비아 및 제4 관통 실리콘 비아의 위치를 결정하는 단계 또한 제1 클록 경로(681) 및 제2 클록 경로(682)를 형성하는 과정의 일부에 해당한다. 도 6을 참조하면, 제1 클록 경로(681) 및 제2 클록 경로(682)는 공통적으로 제2 인터포저 층(622) 및 제3 반도체 칩(613)에 포함된다. 따라서 반도체 칩에 형성되는 제1 관통 실리콘 비아 및 제2 관통 실리콘 비아의 위치를 결정하는 단계와 유사한 방법으로 상기 인터포저 층에 형성되는 제3 관통 실리콘 비아 및 제4 관통 실리콘 비아의 위치를 결정할 수 있다. 이 경우 상기 제3 관통 실리콘 비아는 제1 클록 경로(681)의 일부가 되고 제4 관통 실리콘 비아는 제2 클록 경로(682)의 일부가 될 수 있다.Determining positions of the third through silicon via and the fourth through silicon via formed in the interposer layer stacked on the semiconductor chip, and also forming the
상기 반도체 칩에 상기 제1 관통 실리콘 비아 및 상기 제2 관통 실리콘 비아를 형성하는 단계에서는 제1 클록 경로(681) 및 제2 클록 경로(682)의 일부를 각각 구성하는 상기 제1 관통 실리콘 비아 및 제2 관통 실리콘 비아를 형성한다. 이때 상기 결정된 제1 관통 실리콘 비아 및 제2 관통 실리콘 비아의 위치에 기초하여 상기 제1 관통 실리콘 비아 및 제2 관통 실리콘 비아를 형성할 수 있다.The forming of the first through silicon via and the second through silicon via in the semiconductor chip may include forming the first through silicon via and the first through silicon via, respectively. A second through silicon via is formed. In this case, the first through silicon via and the second through silicon via may be formed based on the determined positions of the first through silicon via and the second through silicon via.
상기 반도체 칩 상부에 상기 인터포저 층을 형성하는 단계는, 상기 제1 및 제2 관통 실리콘 비아가 형성된 반도체 칩 상부에 상기 인터포저 층을 적층하여 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 인터포저 층은 실리콘 인터포저를 포함할 수 있다.The forming of the interposer layer on the semiconductor chip may be performed by stacking the interposer layer on the semiconductor chip on which the first and second through silicon vias are formed. In this case, the interposer layer may comprise a silicon interposer.
상기 인터포저 층에 상기 제1 관통 실리콘 비아와 연결되는 상기 제3 관통 실리콘 비아 및 상기 제2 관통 실리콘 비아와 연결되는 상기 제4 관통 실리콘 비아를 형성하는 단계는, 상기 적층된 인터포저 층에 상기 결정된 상기 제3 관통 실리콘 비아 및 제4 관통 실리콘 비아의 위치에 기초하여 상기 제3 관통 실리콘 비아 및 제4 관통 실리콘 비아를 형성하는 방법으로 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 제3 관통 실리콘 비아는 상기 제1 관통 실리콘 비아와 연결되어 제1 클록 경로(681)를 형성할 수 있고, 상기 제4 관통 실리콘 비아는 상기 제2 관통 실리콘 비아와 연결되어 제2 클록 경로(682)를 형성할 수 있다.The forming of the third through silicon via connected to the first through silicon via and the fourth through silicon via connected to the second through silicon via in the interposer layer may include: The third through silicon via and the fourth through silicon via may be formed based on the determined positions of the third through silicon via and the fourth through silicon via. In this case, the third through silicon via may be connected to the first through silicon via to form a
상기 인터포저 층 상부에 상기 제3 관통 실리콘 비아와 상기 제4 관통 실리콘 비아를 연결하는 배선 경로를 형성하는 단계는, 상기 제3 관통 실리콘 비아와 상기 제4 관통 실리콘 비아가 형성된 상기 인터포저 층 상부에 금속 배선층을 형성하는 방법으로 수행될 수 있다. 상기 제3 관통 실리콘 비아 및 상기 제4 관통 실리콘 비아 상부에 범퍼 또는 패드를 형성하고, 상기 범포 또는 패드를 금속 배선층으로 연결할 수 있다. 상기 과정을 통해 제1 클록 경로(681)와 제2 클록 경로(682)가 연결된다.The forming of a wiring path connecting the third through silicon via and the fourth through silicon via to the interposer layer may include forming the third through silicon via and the fourth through silicon via on the interposer layer. It can be carried out by a method for forming a metal wiring layer. Bumpers or pads may be formed on the third through silicon vias and the fourth through silicon vias, and the bumps or pads may be connected to a metal wiring layer. The
일 실시예에서, 상기 3차원 집적 회로의 트리 클록 분배 경로의 형성 방법은, 상기 인터포저 층 상부에 상기 제3 관통 실리콘 비아와 상기 제4 관통 실리콘 비아를 연결하는 배선 경로를 형성하는 단계 후에, 적어도 하나 이상의 관통 실리콘 비아를 포함하는 다른 반도체 칩 및 인터포저 층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the method of forming a tree clock distribution path of the three-dimensional integrated circuit, after forming a wiring path connecting the third through silicon via and the fourth through silicon via on the interposer layer, The method may further include forming another semiconductor chip and interposer layer including at least one through silicon via.
상기 과정을 반복적으로 수행하여 트리 클럭 분배 경로 및 이를 포함하는 3차원 집적 회로를 형성하게 된다.The above process is repeatedly performed to form a tree clock distribution path and a three-dimensional integrated circuit including the same.
일 실시예에서, 상기 3차원 집적 회로의 트리 클록 분배 경로의 형성 방법은, 적어도 하나 이상의 반도체 칩의 클록 단자와 상기 제2 클록 경로를 연결하는 단자 배선 경로를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In example embodiments, the method of forming the tree clock distribution path of the 3D integrated circuit may further include forming a terminal wiring path connecting the clock terminal of the at least one semiconductor chip and the second clock path. .
본 발명의 다른 실시예에 의한 3차원 집적 회로의 트리 클록 분배 경로의 형성 방법은 제1 클록 경로 및 제2 클록 경로의 위치를 결정하는 단계, 상기 결정된 제1 클록 경로 및 상기 제2 클록 경로의 위치에 기초하여 상기 제1 클록 경로와 상기 제2 클록 경로를 연결하는 배선 경로를 결정하는 단계, 상기 결정된 제1 클록 경로, 상기 제2 클록 경로의 위치 및 배선 경로에 기초하여 적어도 하나 이상의 반도체 칩들, 적어도 하나 이상의 인터포저 층들 및 적어도 하나 이상의 배선층들을 적층하는 단계, 상기 결정된 제1 클록 경로 및 상기 제2 클록 경로의 위치에 기초하여 상기 적층된 반도체 칩들, 인터포저 층들 및 배선층들을 관통하는 비아 홀을 형성하는 단계 및 상기 형성된 비아 홀에 도전성 물질을 충전하여 관통 실리콘 비아를 형성하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of forming a tree clock distribution path of a three-dimensional integrated circuit, including determining a location of a first clock path and a second clock path, and determining the location of the first clock path and the second clock path. Determining a wiring path connecting the first clock path and the second clock path based on a position; at least one semiconductor chip based on the determined first clock path, a position of the second clock path, and a wiring path; Stacking at least one or more interposer layers and at least one wiring layer, a via hole penetrating the stacked semiconductor chips, interposer layers and wiring layers based on the determined position of the first clock path and the second clock path And forming a through silicon via by filling a conductive material in the formed via hole. .
각 반도체 칩 또는 인터포저 층마다 관통 실리콘 비아를 각각 형성하여 트리 클록 분배 경로를 형성하는 것과 달리, 상기 방법의 특징은 적어도 하나 이상의 반도체 칩 또는 인터포저 층을 관통하는 적어도 하나 이상의 관통 실리콘 비아들을 한번에 형성하는 데에 있다. 따라서, 먼저 3차원 집적 회로의 구조에 기초하여 상기 제1 클록 경로 및 제2 클록 경로의 위치를 결정하고, 이에 기초하여 상기 제1 클록 경로 및 제2 클록 경로를 연결하는 배선 경로를 결정한다. 상기 배선 경로를 결정한 후에 상기 반도체 칩, 인터포저 층 및 배선층을 적층한다. 상기 배선층의 배선 패턴은 상기 배선 경로에 기초하여 형성된다. 상기 적층된 반도체 칩, 인터포저 층 및 배선층을 관통하는 비아 홀을 형성한다. 상기 비아 홀에 관통 실리콘 비아를 구성하는 도전성 물질을 충전한다.Unlike forming through silicon vias individually for each semiconductor chip or interposer layer to form a tree clock distribution path, the feature of the method is that at least one through silicon vias penetrating through at least one semiconductor chip or interposer layer at a time To form. Therefore, first, the positions of the first clock path and the second clock path are determined based on the structure of the 3D integrated circuit, and the wiring path connecting the first clock path and the second clock path is determined based thereon. After determining the wiring path, the semiconductor chip, the interposer layer, and the wiring layer are stacked. The wiring pattern of the wiring layer is formed based on the wiring path. A via hole penetrates the stacked semiconductor chip, the interposer layer, and the wiring layer. The via hole is filled with a conductive material constituting the through silicon via.
일 실시예에 따르면, 상기 반도체 칩의 개수가 3개 이상인 경우 도 6에 도시된 바와 같이 적어도 하나 이상의 제3 클록 경로(682, 683)가 더 필요할 수 있다. 이 경우 상기 적어도 하나 이상의 제3 클록 경로(682, 683)와 제2 클록 경로(682)를 연결하기 위한 배선층을 형성할 수 있다. 상기 반도체 칩들, 인터포저 층들 및 배선층이 모두 적층된 후에, 제1 내지 제3 반도체 칩(611, 612, 613) 및 제1 내지 제3 인터포저 층(621, 622, 623)을 모두 관통하는 비아 홀들을 형성하고, 상기 형성된 비아 홀들 중 제3 인터포저 층(623) 및 제3 반도체 칩(613)에 형성되는 비아 홀들에 도전성 물질을 충전하여 제3 클록 경로(683)을 형성할 수 있다. 상기 제3 클록 경로(683)가 형성된 후에 상기 두 개의 제3 클록 경로(683)를 전기적으로 절연하기 위해 상기 제2 인터포저 층(622) 및 제2 반도체 칩(612)에 형성되는 비아 홀들에 절연 물질을 충전할 수 있다. 상기 절연 물질이 충전된 후에 상기 제1 인터포저 층(621) 및 상기 제1 반도체 칩(611)에 형성되는 비아 홀들에 도전성 물질을 충전하여 제3 클록 경로(682)를 형성할 수 있다. 이상의 과정을 통해, 복수의 제3 클록 경로(682, 683)를 형성할 수 있다.According to an embodiment, when the number of the semiconductor chips is three or more, at least one or more
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 트리 클록 분배 경로를 통해 각 반도체 층의 클록 단자에 분배되는 클록 신호를 나타내는 단면도이다.7 is a cross-sectional view illustrating a clock signal distributed to clock terminals of each semiconductor layer through a tree clock distribution path according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 클록 신호(CLOCK)의 흐름은 점선이 포함된 화살표로 도시되어 있다. 클록 생성부(710)에서 생성된 클록 신호(CLOCK)가 관통 실리콘 비아들(715)을 통해 실리콘 인터포저(703)의 배선층(701)으로 전달된다. 상기 배선층(701)과 실리콘 비아들(715) 사이에는 범프(717)들이 형성될 수 있고, 그 주위로 언더필 층(718)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 7, the flow of the clock signal CLOCK is illustrated by an arrow including a dotted line. The clock signal CLOCK generated by the
도 8은 도 6의 제2 인터포저 층의 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating a structure of a second interposer layer of FIG. 6.
도 8 및 도 6을 함께 참조하면, 제2 인터포저 층(622)에는 제1 클록 경로(681), 네 개의 제2 클록 경로(682a, 682b, 682c, 682d) 및 제1 배선 경로(691)가 형성된다. 클록 생성부로부터 출력된 클록 신호는 트리 클록 분배 경로의 제1 클록 경로(681)를 통해 제1 인터포저 층(622)까지 전달된다. 클록 신호는 제1 배선 경로(691)를 통해 네 개의 제2 클록 경로(682a, 682b, 682c, 682d)로 전달된다. 제2 클록 경로(682a, 682b, 682c, 682d)로 전달된 클록 신호는 분기되어 각각 제1 인터포저 층 및 제3 인터포저 층으로 전달된다. 도 6을 참조하면, 제1 인터포저 층(621)은 제2 인터포저 층(622)의 상부에 위치하고 있으며, 제3 인터포저 층(623)은 제2 인터포저 층(622)의 하부에 위치하고 있다. 따라서 제1 인터포저 층(621)과 제3 인터포저 층(623)은 동일한 구조를 가지고 있으며, 제1 인터포저 층(621)의 구조는 도 9를 참조하여 후술한다. 제3 인터포저 층(623)의 구조에 대한 도시는 생략한다.8 and 6, the
도 9는 도 6의 제1 인터포저 층의 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating a structure of a first interposer layer of FIG. 6.
도 9 및 도 6을 함께 참조하면, 제1 인터포저 층(621)에는 네 개의 제2 클록 경로들(682a, 682b, 682c, 682d), 여덟 개의 제3 클록 경로들(684a, 684b, 684c, 684d, 684e, 684f, 684g, 684h) 및 네 개의 제2 배선 경로들(692)이 형성된다. 제2 클록 경로들(682a, 682b, 682c, 682d)을 통해 제1 인터포저 층(621)으로 전달된 클록 신호들은 제2 배선 경로(692)를 통해 여덟 개의 제3 클록 경로들(684a, 684b, 684c, 684d, 684e, 684f, 684g, 684h)로 전달된다. 제3 클록 경로들(684a, 684b, 684c, 684d, 684e, 684f, 684g, 684h)로 전달된 클록 신호는 분기되어 제1 반도체 칩(611) 및 제2 반도체 칩(612)으로 전달된다.9 and 6 together, the
제3 인터포저 층(623)에 대해서도 제1 인터포저 층(621)에 대하여 설명한 것과 동일한 과정에 의해 클록 신호가 전달된다.The clock signal is transferred to the
도 10은 도 6의 제1 반도체 칩의 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating a structure of the first semiconductor chip of FIG. 6.
도 10 및 도 6을 함께 참조하면, 제1 반도체 칩(611)은 여덟 개의 제3 클록 경로들(684a, 684b, 684c, 684d, 684e, 684f, 684g, 684h), 16개의 클록 단자들(801) 및 여덟 개의 단자 배선들이 형성된다. 제3 클록 경로들(684a, 684b, 684c, 684d, 684e, 684f, 684g, 684h)을 통해 제1 반도체 칩(611)으로 전달된 클록 신호들은 단자 배선들을 통해 클록 단자들(801)로 전달된다.10 and 6, the
제2 반도체 칩(612) 내지 제4 반도체 칩(614)에 대해서도 제1 반도체 칩(611)에 대하여 설명한 것과 동일한 과정이 의해 클록 신호가 클록 단자로 전달된다.The clock signal is transferred to the clock terminal through the same process as that described for the
도 11은 도 8의 제1 인터포저 층, 도 9의 제2 인터포저 층 및 도 10의 반도체 칩의 구조를 나타내는 투시도이다.FIG. 11 is a perspective view illustrating a structure of a first interposer layer of FIG. 8, a second interposer layer of FIG. 9, and a semiconductor chip of FIG. 10.
도 11 및 도 6에 도시된 바와 같이, 클록 생성부로부터 전달된 클록 신호는 제1 클록 경로(681)를 통해 제2 인터포저(622)로 전달되고, 제1 배선 경로(691) 및 제2 클록 경로들(682a, 682b, 682c, 682d)을 통해 제1 인터포저(621)로 전달되며, 제2 배선 경로(692) 및 제3 클록 경로들(684a, 684b, 684c, 684d, 684e, 684f, 684g, 684h)을 통해 제1 반도체 칩(611)으로 전달된다. 또한 제3 클록 경로들(684a, 684b, 684c, 684d, 684e, 684f, 684g, 684h)을 통해 전달된 클록 신호들은 제1 반도체 칩(611) 상에서 단자 배선들을 통해 클록 단자들(801)로 전달된다.As illustrated in FIGS. 11 and 6, the clock signal transmitted from the clock generator is transferred to the
이상 16개의 클럭 단자를 포함하는 반도체 칩들이 적층된 경우의 트리 클록 분배 경로에 대하여 설명하였으나 이는 한 예시에 불과하며, 상기 각 반도체 칩이 포함하는 클럭 단자의 개수 및 상기 반도체 칩의 개수는 시스템의 요구에 따라 다양하게 결정될 수 있다. 그러한 경우에도 본 발명의 일 실시예에 의한 트리 클록 분배 경로가 사용되어 클록 신호의 스큐 및 지터를 최소화 할 수 있다.The tree clock distribution path in the case where the semiconductor chips including 16 clock terminals are stacked has been described above, but this is merely an example. Various decisions can be made as required. Even in such a case, a tree clock distribution path according to an embodiment of the present invention may be used to minimize skew and jitter of the clock signal.
도 12는 단일 클록 분배 경로 및 4개의 반도체 층을 포함하는 3차원 집적 회로 시스템의 스큐(skew)를 나타내는 그래프이다.12 is a graph illustrating a skew of a three dimensional integrated circuit system including a single clock distribution path and four semiconductor layers.
도 12 내지 도 15의 결과를 얻기 위해, 높이 110μm의 관통 실리콘 비아가 사용되었으며, 적층되는 복수의 반도체 칩들 및 인터포저 층들의 두께는 모두 같은 환경에서 시뮬레이션이 이루어졌다.To obtain the results of FIGS. 12-15, through-silicon vias of 110 μm in height were used, and the thicknesses of the plurality of stacked semiconductor chips and interposer layers were all simulated in the same environment.
도 12를 참조하면, 4개의 반도체 칩들을 포함하는 3차원 집적 회로 시스템에서 각 반도체 칩의 클록 단자에 도달하는 클록 신호의 전압치에 대한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다. 클록 신호는 최저치가 0V이고 최대치가 1.8V이다. 도 12에는 주기적으로 변화하는 상기 클록 신호의 일부만을 도시하고 있다. 즉, 도 12의 그래프는 클록 신호의 상승 주기의 일부를 나타낸다.Referring to FIG. 12, a simulation result of a voltage value of a clock signal reaching a clock terminal of each semiconductor chip in a three-dimensional integrated circuit system including four semiconductor chips is illustrated. The clock signal has a minimum of 0V and a maximum of 1.8V. 12 shows only a part of the clock signal that changes periodically. That is, the graph of FIG. 12 shows a part of the rising period of the clock signal.
도 12에는 클록 생성부로부터 생성된 클록이 단일 클록 분배 경로를 통해 제1 칩(CASE 1), 제2 칩(CASE 2), 제3 칩(CASE 3) 및 제4 칩(CASE 4)에 도달하는 클록 신호가 도시되어 있다. 즉, 인터포저 층들이 사용되지 않고 4개의 반도체 칩들이 차례로 적층되었다. 도 2 내지 도 4에서와 달리 제1 칩(CASE 1)은 상기 4개의 반도체 칩들 중 가장 하층부에 적층되는 칩이다. 즉, 기판 측에서부터 순서대로 제1 칩(CASE 1), 제2 칩(CASE 2), 제3 칩(CASE 3) 및 제4 칩(CASE 4)이 적층된 경우의 그래프가 도 12에 도시되었다. 제1 칩(CASE 1)은 상기 4개의 반도체 칩들 중 가장 하부에 위치하여 상기 클록 생성부와 가장 가까우므로 상기 제1 칩(CASE 1)에 클록 신호가 가장 먼저 도달한다. 이어서 제2 칩(CASE 2) 및 제3 칩(CASE 3)에 클록 신호가 순서대로 도달하며, 제 4칩(CASE 4)은 상기 클록 생성부에서 가장 멀리 위치하므로 제 4칩(CASE 4)에는 클록 신호가 가장 나중에 도달한다. 클록 상승 주기에서 각 반도체 칩들의 클록 신호가 0.9V 지점에 도달하는 시간의 차이인 스큐(skew)는 4.1 피코 초(pico sec)가 된다.In FIG. 12, the clock generated from the clock generator reaches the
도 13은 단일 클록 분배 경로 및 4개의 반도체 층을 포함하는 3차원 집적 회로 시스템의 아이 다이어그램(eye diagram)을 나타내는 그래프이다.FIG. 13 is a graph illustrating an eye diagram of a three dimensional integrated circuit system including a single clock distribution path and four semiconductor layers.
아이 다이어그램은 전기 신호의 누적 또는 중첩된 전압 파형을 나타내는 것으로, 신호 파형 분석기로 보면 출력 파형이 눈(eye)과 같이 보인다. The eye diagram represents a cumulative or superimposed voltage waveform of an electrical signal. The output waveform looks like an eye when viewed with a signal waveform analyzer.
도 13을 참조하면, 단일 클록 분배 경로를 이용한 경우의 클록 신호에 대한 타이밍 지터(timing jitter)가 도시되어 있다. 중첩되는 클록 신호들의 전압 파형에 있어서, 최대 값인 1.8V에서 0.9V로 가장 빨리 도달하는 시간과, 최소 값인 0V에서 0.9V로 가장 늦게 도달하는 시간 사이의 폭을 측정하면, 단일 클록 분배 경로를 이용하는 경우 14.1 피코 초(pico sec)의 타이밍 지터가 발생한다. Referring to FIG. 13, timing jitter for a clock signal when using a single clock distribution path is shown. In a voltage waveform of overlapping clock signals, a single clock distribution path is used to measure the width between the fastest time to reach 0.9V at the maximum value and the latest time to reach 0.9V at the minimum value. Case 14.1 Pico second timing jitter occurs.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 집적 회로 시스템의 스큐(skew)를 나타내는 그래프이다.14 is a graph illustrating a skew of a three-dimensional integrated circuit system according to an embodiment of the present invention.
도 14를 참조하면, 4개의 반도체 칩들을 포함하는 3차원 집적 회로 시스템에서 각 반도체 칩의 클록 단자에 도달하는 클록 신호의 전압치에 대한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다. 클록 신호는 최저치가 0V이고 최대치가 1.8V이다. 도 14에는 주기적으로 변화하는 상기 클록 신호의 일부만을 도시하고 있다. 즉, 도 14의 그래프는 클록 신호의 상승 주기의 일부를 나타낸다.Referring to FIG. 14, a simulation result of a voltage value of a clock signal reaching a clock terminal of each semiconductor chip in a three-dimensional integrated circuit system including four semiconductor chips is illustrated. The clock signal has a minimum of 0V and a maximum of 1.8V. Fig. 14 shows only a part of the clock signal that changes periodically. That is, the graph of FIG. 14 shows a part of the rising period of the clock signal.
도 14에는 클록 생성부로부터 생성된 클록이 트리 클록 분배 경로를 통해 제1 칩(CASE 1), 제2 칩(CASE 2), 제3 칩(CASE 3) 및 제4 칩(CASE 4)에 도달하는 클록 신호가 도시되어 있다. 트리 클록 분배 경로를 통해 상기 클록 신호를 각 반도체 칩들에 전달하는 경우, 각 반도체 칩들의 위치가 다르더라도 트리 클록 분배 경로는 동일한 거리의 경로를 통해 클록 신호를 전달하므로 스큐가 최소화될 수 있다. 즉, 도 14에 도시된 바와 같이 클록 상승 주기에서 각 반도체 칩들의 클록 신호가 0.9V 지점에 도달하는 시간의 차이인 스큐(skew)는 0 피코 초(pico sec)가 된다. 상기 결과는 시뮬레이션 결과이므로 실제 3차원 집적 회로 시스템을 구현하는 경우에는 다른 결과가 나타날 수 있으나, 이 경우에도 단일 클록 분배 경로를 통해 클록을 전달하는 경우보다 스큐가 적을 것임을 예측할 수 있다.In FIG. 14, a clock generated from a clock generator reaches a
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 집적 회로 시스템의 아이 다이어그램(eye diagram)을 나타내는 그래프이다.FIG. 15 is a graph illustrating an eye diagram of a 3D integrated circuit system according to an exemplary embodiment.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 트리 클록 분배 경로를 이용한 경우의 클록 신호에 대한 타이밍 지터(timing jitter)가 도시되어 있다. 트리 클록 분배 경로를 이용한 경우, 4개의 반도체 층이 포함된 3차원 집적 회로 시스템에서 9.4 피코 초의 타이밍 지터가 발생한다. 전술한 바와 같이, 단일 클록 분배 경로를 이용하는 경우 14.1 피코 초(pico sec)의 타이밍 지터가 발생하는 데 비하여 본 발명의 일 실시예에 따른 트리 클록 분배 경로를 이용한 경우 9.4 피코 초로 타이밍 지터가 감소하므로 시스템 성능 또한 개선됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 15, timing jitter of a clock signal when a tree clock distribution path is used according to an embodiment of the present invention is illustrated. Using a tree clock distribution path, timing jitter of 9.4 picoseconds occurs in a three-dimensional integrated circuit system with four semiconductor layers. As described above, the timing jitter is reduced to 9.4 picoseconds when the tree clock distribution path according to an embodiment of the present invention is used, whereas the timing jitter of 14.1 pico seconds occurs when using a single clock distribution path. It can be seen that the system performance is also improved.
본 발명의 실시예들에 따른 트리 클록 분배 경로 3차원 집적 회로 및 3차원 집적 회로의 전원 핀 배치 방법은 전원 핀의 인덕턴스를 효율적으로 감소시키므로 전원 노이즈에 의한 영향을 적게 받을 수 있으며, 반도체 칩 및 회로의 설계 분야에 적용될 수 있다.In the tree clock distribution path 3D integrated circuit and the power pin arrangement method of the 3D integrated circuit according to the embodiments of the present invention, since the inductance of the power pin is effectively reduced, the influence of the power supply noise may be reduced. It can be applied to the design field of a circuit.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, but those skilled in the art may vary the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. It will be understood that modifications and changes can be made.
Claims (16)
상기 반도체 칩들 및 상기 인터포저 층들을 관통하는 적어도 하나 이상의 제1 관통 실리콘 비아들로 구성되어 상기 클록 신호를 상기 기판 측에서부터 상기 반도체 칩 측으로 향하는 방향인 제1 방향으로 전달하는 제1 클록 경로;
상기 반도체 칩들 및 상기 인터포저 층들을 관통하는 적어도 하나 이상의 제2 관통 실리콘 비아들로 구성되어 상기 클록 신호를 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향 및 상기 제1 방향으로 전달하는 제2 클록 경로; 및
상기 제1 클록 경로 및 상기 제2 클록 경로를 연결하는 배선 경로를 포함하는 3차원 집적 회로.3. A three-dimensional integrated circuit comprising a tree clock distribution path for carrying a clock signal, a substrate, at least one semiconductor chip formed on the substrate, and at least one interposer layers positioned between the semiconductor chips, wherein the tree clock The distribution path is
A first clock path composed of at least one first through silicon vias penetrating the semiconductor chips and the interposer layers to transfer the clock signal in a first direction, the direction from the substrate side to the semiconductor chip side;
A second clock path composed of at least one second through silicon via penetrating the semiconductor chips and the interposer layers to transfer the clock signal in a second direction opposite to the first direction and in the first direction ; And
And a wiring path connecting the first clock path and the second clock path.
상기 트리 클록 분배 경로는 상기 복수의 반도체 칩들 및 인터포저 층들을 관통하는 제1 클록 경로, 제2 클록 경로 및 상기 제1 클록 경로와 제2 클록 경로를 연결하는 배선 경로를 포함하고,
상기 제1 클록 경로는 상기 반도체 칩들 및 상기 인터포저 층들으르 관통하는 적어도 하나 이상의 제1 관통 실리콘 비아들로 구성되어 상기 클록 신호를 상기 기판 측에서부터 상기 반도체 칩들 측으로 향하는 제1 방향으로 전달하고,
상기 제2 클록 경로는 상기 반도체 칩들 및 상기 인터포저 층들을 관통하는 적어도 하나 이상의 제2 관통 실리콘 비아들로 구성되어 상기 클록 신호를 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향 및 상기 제1 방향으로 전달하는 시스템.A system comprising a three-dimensional integrated circuit, a central processing unit, and at least one input / output device formed on a substrate, wherein a plurality of semiconductor chips and interposer layers are alternately stacked and distribute clock signals by a tree clock distribution path. ,
The tree clock distribution path includes a first clock path passing through the plurality of semiconductor chips and interposer layers, a second clock path, and a wiring path connecting the first clock path and the second clock path;
The first clock path is comprised of at least one first through silicon vias passing through the semiconductor chips and the interposer layers to transfer the clock signal in a first direction from the substrate side towards the semiconductor chips side,
The second clock path is comprised of at least one second through silicon via that penetrates the semiconductor chips and the interposer layers to direct the clock signal in a second direction and the first direction opposite to the first direction. Conveying system.
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