NL8400132A - Vlsi-plaatje met gereduceerde kloksignaal deviatie. - Google Patents

Description

- \ VO: 5310

Titel: VLSI-plaatje met gereduceerde kloksignaal deviatie.

De uitvinding heeft betrekking op een geïntegreerd ketenplaatje voorzien van tenminste één klok verdeellijn voor het toevoeren van tempeer-pulsen aan geïntegreerde keten elementen.

Wanneer de afmetingen van halfgeleider plaatjes van het zeer grote 5 schaal integratie type )VSLI-type) afnemen en de bedrijfsfrequentie toeneemt, wordt een probleem, dat in de techniek bekend is als "klokdeviatie" meer geprononceerd. Klokdeviatie is een deviatie in tijd van de aankomst van een tenpeerpuls bij een geïntegreerd ketenelement ten opzichte van de aankomsttijd, waarvoor het geheel is ontworpen.

10 Het probleem wordt onacceptabel bij een afmeting van ongeveer 1 micron en een frequentie van 25 megahertz.

De meeste pogingen tot het reduceren van de klokdeviatie zijn gericht op het van gelijke lengte of van zeer geringe lengte maken van de klok verdeellijneh. Hiertoe bezitten vele geïntegreerde ketenplaatjes de klok-15 bron als een integraal deel. Soms zijn compenserende vertragingselementen geïntroduceerd. Het is evenwel gebleken, dat zich bepaalde onverwachte voortplantingsvertragingen voordoen en dat bij een werking bij hoge frequenties deze verschijnselen meer schadelijk zijn.

Deze problemen worden volgens de uitvinding bij een geïntegreerd keten 20 plaatje opgelost doordat aan tegenover elkaar gelegen zijden van de klok-verdeellijn eerste en tweede lijnen aanwezig zijn, welke bestemd zijn om op een constante gelijkspanning te worden gehouden, waarbij de eerste en tweede lijnen dicht bij en evenwijdig aan de klokverdeellijn zijn opgesteld.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing 25 naar de tekening, Daarbij toont:

Fig. 1 een schema van een microprocessor organisatie;

Fig. een vergroot bovenaanzicht van een gedeelte van de micro processor volgens figuur 1;

Fig. 3 een dwarsdoorsnede van het gedeelte volgens figuur 2; en 30 Figuur 4, 5 en 6 vergrote bovenaanzichten van alternatieve bedradings-patronen voor een zelfde gedeelte van de microprocessor volgens de uitvinding.

Ofschoon niet algemeen onderkend, vertonen naast elkaar gelegen elec-trische geleiders bij dergelijke VLSI-plaatjes sterk variënde en onvoor-35 spelbare capacitieve belastingskaraikteristieken. Bij een VSLI-plaatje 84 0 0 132 -2- van lcm x 1 cm, kan een klokverdelingslijn een lengte van 1,5 cm hebben.

De capaciteit van de lijn bedraagt ongeveer 5 picofarad (pF)in 1,25 micron technologie. Deze capaciteit is groter dan de afvoer- en uitwaaier capaciteit (geschat op 1-2 pF). Derhalve wordt de klokverdelingsvertraging 5 in hoofdzaak bepaald door de onzekere kloklijncapaciteit. Indien de klok-keten ontwerp vertragingsspecificatie 2 nanosec (ns) bedraagt, liggen de onzekerheden in de tijdpositie van de klok rond in het gebied van 1-5 ns hetgeen onaanvaardbaar is. De aard van dit probleem blijkt uit een beschouwing van de figuren 1-3.

10 Fig. 1 toont een typerende microprocessor in geïntegreerde ketenvorm, welke door bekende fotolythografische methoden in een halfgeleider plaatje 10 is bepaald. De microprocessor omvat respectieve besturings-, logische en informatiebaansecties 11, 12 en 13. De besturings- en logische secties 2ijn door een bedradingspatroon 15 met elkaar verbonden.

15 Fig. 2 toont op grotere schaal een gedeelte van het bedradingspatroon 15 volgens figuur 1. Het patroon omvat drie representatieve lijnen 21, 22 en 23, Omkeerinrichtingen 24, 25, 26 en 27 zijn, als aangegeven, met de uiteinden van de lijnen verbonden als representatief voor een logische schakeling, waarvan de bepaalde aard van geen belang is voor een juist 20 begrip van de uitvinding. Voorts is een afzonderlijke aardlijn 28 aangegeven. De aardlijn 28 is normaliter door een geleider 29 verbonden met een uitwendige aansluiting van een (niet afgeheelde) ondersteuning van het plaatje. Er wordt op gewezen, dat geen electrische verbinding aanwezig is tussen de lijn 28 en één van de lijnen van het bedradingspatroon.

25 Fig. 3 toont een dwarsdoorsnede van het gedeelte van de microprocessor, weergegeven in figuur 2, beschouwd over de stippellijn 1-1' van die figuur.

De lijnen 21, 22 en 23 zijn van metaal, bepaald op een oxyde oppervlakte-laag 30 van een silicium substraatlaag 31, welke deel uitmaakt van een plaatje. Het metallische patroon is, zoals gebruikelijk, bekleed met 30 een nitridelaag 32. Aangenomen wordt, dat de dielectriciteitsconstante <5 voor nitride 7,5 en voor oxyde 3,7 is. Voorts wordt aangenomen, dat de dwarsdoorsnede van elk van de lijnen 21, 22 en 23 vierkant is en dat de afstand tussen de lijnen ongeveer gelijk is aan de dikte van de oxydelaag en een zijde van het vierkant. De parasitaire capaciteiten zijn voor-35 gesteld door de condensatoren 35, 36 en 37. De capaciteit voor het slechtste 8 4 0 0 1 3?, ·. \ -3- geval, C22W^ervaren door de lijn 22, wordt gegeven door: C22W. “ C37 + 4C36 (1> waarbij C^7 en C^g de respectieve capaciteiten van de condensatoren 37 en 36 zijn. De slechtste toestand treedt op wanneer de centerlijn 22 5 en de lijnen 21 en 23 gelijktijdig doch met tegengestelde polariteit omschakelen. De beste capaciteit daarentegen wordt voorgesteld door C22B * C37 (2)

Het beste geval treedt op wanneer de drie geleiders alle gelijktijdig 10 met dezelfde polariteit omschakelen. Het kan worden aangetoond, dat: f22W_.5 (J)

C22B

Aangenomen wordt, dat C^* C^g. Ofschoon het optreden van een dergelijke grote onzekerheid in capaciteit onwaarschijnlijk is, treden onzekerheden 15 van de orde van 50% op en deze beïnvloeden op een drastische wijze de werking van de keten. In het geval, dat de lijn 22 een klokverdeellijn is, treedt een onvoorspelbare deflatie in de klokpulsen op. Voor VLSI-plaatjes met een micron technologie, zal de klokdeviatie normaliter in zijn geheel worden bepaald door de onzekere klokverdelingslijncapaciteit.

20 Fig. 4 toont een gedeelte van de bedradingssectie 15 van figuur 1, voorzien van drie lijnen 41, 42 en 43, welke respectievelijk overeenkomen eet de lijnen 21, 22 en 23 van fig. 2. De figuur toont ook twee extra electrisch geleidende lijnen 44 en 45, die ter weerszijden van de lijn 42 zijn opgesteld en waarvan de voornaamste functie is het verschaffen 25 van een electrostatische afscherming van de lijn 42 ten opzichte van of de lijn 41 of de lijn 43, overeenkomstig de uitvinding. De figuur toont ook een aardlijn 48, overeenkomende met de aardlijn 28 van fig. 2, welke geschikt is om door een geleider 49 met een uitwendige electrode te worden verbonden. De lijnen 44 en 45 zijn direct met de aardlijn 48 verbonden, 30 zoals is aangegeven, en worden daardoor in wezen op aardpotentiaal gehouden.

Fig. 5 toont een andere uitvoeringsvorm volgens de uitvinding , waarbij drie lijnen 51, 52 en 53 overeenkomen met de lijnen 21, 22 en 23 van fig. 2. De aardlijn 54 bevindt zich in dit geval tussen de lijnen 51 en 52 en dient op een adequate wijze als een afscherming daartussen. Een afscherm-35 lijn 55, overeenkomende met de lijn 45 van fig. 4, wordt gebruikt om de 8400132 -4- 4 f r*·'- lijn 52 ten opzichte van de lijn 53 af te schermen en is verbonden met de aardlijn, die op zijn beurt door een geleider 56 met de uitwendige klem 57 is verbonden. Uit deze uitvoeringsvorm blijkt, dat de aardlijn zelf kan worden gebruikt voor het ondersteunen van de afscherming van 5 de klokverdeellijn 52 in plaats van, dat gebruik wordt gemaakt van een extra aardlijn (zoals 44 in fig. 4).

Fig. 6 toont een uitvoeringsvorm, waarbij aard- en voedingslijnen worden gebruikt om de klokverdeellijn af te schermen en waarbij geen extra aardlijnen, zoals 44 en 45 van fig.4 nodig zijn. De klokverdeel-10 lijn 62 wordt afgeschermd door de voedingslijn 63 en de aardlijn 64.

De lijn 65 komt overeen met de lijn 41 van figuur 4, terwijl de lijnen 63 en 64 respectievelijk overeenkomen met de lijnen 44 en 45 van fig. 4.

De voedingsT en aardlijnen 63 en 64 zijn respectievelijk via geleiders 66 en 67 met aansluitingen verbonden. Uit de uitvoeringsvorm volgens figuur 15 6 blijkt, dat men een geschikte afscherming kan verkrijgen door de plaatsen van de klokverdeellijn en/of één of beide van de voeding— en aardlijnen te veranderen zonder verdere aardlijnen toe te voegen.

Het is duidelijk, dat de gewenste electrostatische afscherming kan worden verwezenlijkt door de te beveiligen lijn te omsluiten door een 20 paar geleider, die elk op een constante gelijkspanning worden gehouden, hetzij een aardlijn, een voedingslijn hetzij een enkele geleider, die op een willekeurige gelijkspanning wordt gehouden.

Hoeveel van een klokverdeellijn op deze wijze moet worden afgeschermd, zal meer in het bijzonder een functie van een aantal factoren zijn.

25 De uitvinding is van bijzonder belang wanneer een significant gedeelte van een dergelijke lijn moet worden afgeschermd.

De capacitieve belasting van de klokverdeellijn bij elk van de uitvoeringsvormen volgens figuur 4, 5 of 6, is betrekkelijk gering. Meer in het bijzonder treedt bij een één micron technologie een capacitieve 30 belasting van 3 pF op en wordt een klokdeviatie, welke een waarde nul nadert, verwezenlijkt.

-$ h o o 1 τ 9

V

Claims (5)

1. Geïntegreerd - ketenplaatje voorzien van tenminste één klokverdeellijn om tempeerpulsen aan geïntegreerde - ketenelementen toe te voeren met het kenmerk, dat aan tegenover elkaar gelegen zijden van de klokver-deellijn eerste en tweede lijnen (44, 45) aanwezig zijn, welke bestemd 5 zijn om op een constante gelijkspanning te worden gehouden, welke eerste en tweede lijnen dichtbij en evenwijdig aan de klokverdeellijn zijn opgesteld. :

2. Geïntegreerd - ketenplaatje volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat een tweede pulsvoerende lijn (41) zich bij en evenwijdig aan de eer- 10 ste lijn (44) aan één zijde van de eerste lijn tegenover de klokverdeellijn (42) en een derde pulsvoerende lijn (43) zich evenwijdig aan en dichtbij de tweede lijn (45) aan één zijde van de tweede lijn tegenover de klokverdeellijn uitstrekt.

3. Geïntegreerd - ketenplaatje volgens conclusie 1 met het kenmerk, 15 dat de eerste lijn een aardlijn (64) omvat.

4. Geïntegreerd - ketenplaatje volgens conclusie 2 met het kenmerk,dat de tweede lijn een voedingslijn (63) omvat.

5. Geïntegreerd — ketenplaatje volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de breedte van de klokverdeellijn ongeveer gelijk is aan de afstanden 20 tussen deze lijn en de eerste en tweede lijnen. 8400132