JPH0774256A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JPH0774256A
JPH0774256A JP5217126A JP21712693A JPH0774256A JP H0774256 A JPH0774256 A JP H0774256A JP 5217126 A JP5217126 A JP 5217126A JP 21712693 A JP21712693 A JP 21712693A JP H0774256 A JPH0774256 A JP H0774256A
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均 岡村
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】本発明の目的は、半導体集積回路装置におい
て、非常に小さなクロックスキューを実現することであ
る。 【構成】基幹クロック信号配線1の片方がクロックドラ
イバー4に接続され、他方が解放終端され、該基幹クロ
ック信号配線中での伝送ロスが十分小さい事を特徴とす
るクロック配線構造を有することで、基幹クロック信号
配線1中に反射波が存在し、基幹クロック信号1中の電
圧波形が入射波、反射波の合成波形となることで、配線
中大規模集積回路においても、クロックスキューを非常
に小さな値に抑えた半導体集積回路装置を得る事ができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体集積回路装置に関
し、特にクロックスキューを抑えるクロック信号配線を
有する半導体集積回路装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の半導体集積回路装置のクロック配
線構造の平面図を示す図4を参照すると、この従来の半
導体集積回路装置は、クロック同期回路中のフリップフ
ロップ43,44が親クロックドライバー45と親クロ
ックドライバー45によって駆動される子クロックドラ
イバー46とからなるツリー状構造を持つ回路によって
駆動されていた。クロック入力端子47に与えられたク
ロック信号は、親クロックドライバー45および子クロ
ックドライバー46のそれぞれの自己遅延時間、ならび
にクロック信号配線48が有する配線抵抗、容量、およ
びフリップフロップ46のクロック入力端子の入力容量
によって生じる遅延時間の後、各フリップフロップ4
3,44に伝達される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】この従来の半導体集積
回路装置は、クロックドライバーから各フリップフロッ
プまでのパスの配線層、配線長が異なったり、それぞれ
の子クロックドライバーが分配駆動するフリップフロッ
プの数に不均衡があると、それぞれのパスに固有の信号
伝搬時間を持つ事になるのでクロック信号伝達遅延差
(以下クロックスキューと呼ぶ)が生じる。
【0004】近年、半導体集積回路が大規模になると共
に、クロックドライバーから各フリップフロップまでの
それぞれのパスの配線層または配線長等を揃える事が困
難になっている。また、半導体集積回路装置の製造プロ
セスの微細化により、これらのパスの配線抵抗の増大も
クロックスキューを増大させる原因の一つになってい
る。
【0005】その結果、半導体集積回路装置のクロック
周波数を上げた時、このクロックスキューによってタイ
ミングエラーによる誤動作を引き起こすという問題点が
あった。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体集積回路
装置は、半導体基板の一主表面上に形成される複数の基
幹クロック配線と、前記基幹クロック配線に比べて配線
幅および配線膜厚を小さくした前記半導体基板の一主表
面上に形成される複数のクロック支線配線と、前記基幹
クロック配線に直接接続しまたは前記クロック支線配線
を経由して前記基幹クロック配線に接続するクロック入
力端子を有する複数の保持回路とを備える半導体集積回
路装置において、前記基幹クロック配線の一方の縁端が
クロックドライバーに接続され、他方の縁端が解放終端
されて前記基幹クロック配線の前記解放端での信号反射
係数が実質的に十分大きい構成である。
【0007】また、本発明の半導体集積回路装置は、前
記基幹クロック配線または前記クロック支線配線は配線
層を少なくとも2層以上有する構成とすることもでき
る。
【0008】またさらに、本発明の半導体集積回路装置
は、前記基幹クロック配線は前記クロック支線配線より
も上層に形成される構成とすることもできる。
【0009】さらにまた、本発明の半導体集積回路装置
は、前記基幹クロック配線はTAB実装に使用されるバ
ンプ形成用金属層と同一の金属層で配線層を形成する構
成とすることもできる。
【0010】さらに、本発明の半導体集積回路装置は、
前記基幹クロック配線の配線長の4倍を前記基幹クロッ
ク配線中を伝搬するクロック波形の伝搬速度で除算した
数値の整数倍が、前記クロック波形の立ち上りまたは立
ち下り時間に実質的に等しい構成とすることもできる。
【0011】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。
【0012】本発明の一実施例の半導体集積回路装置の
クロック信号配線構造を示す平面図である図1を参照す
ると、この実施例の半導体集積回路装置は、厚さ10μ
m、幅34μmおよび長さ5mmのバンプ金配線により
形成された基幹クロック信号配線1を有している。この
基幹クロック信号配線1の配線抵抗は1mm当たり0.
1Ωと極めて小さい。また、基幹クロック配線1の片端
2は解放終端であり、他端3はクロックバッファ4の出
力端子に接続している。子クロックバッファ4の入力端
子におけるクロックスキューは、親クロックドライバー
5と等長配線によってクロックバッファにより十分小さ
く抑えられている。与えられたクロック信号は、基幹ク
ロック配線1中を伝搬するが、その時の伝搬スピードv
は光速をc、比誘電率をε、透磁率をμとして v=c/(εμ)0.5 …(1) と表される。配線を取り囲む酸化膜の比誘電率εを4と
すれば、クロック信号の伝搬速度vは光速の半分の1.
5×108 m/secとなる。
【0013】よって、5mmの配線長を伝搬するのに約
33.3psecかかる事になる。
【0014】図2は本発明の一実施例の半導体集積回路
装置の基幹クロック信号配線中の信号伝搬を示すシミュ
レーション波形である。
【0015】基幹クロック信号配線1の入力端3でのク
ロック波形20と基幹クロック信号配線1の終端2での
クロック波形21との差がこの伝搬遅延を示す(図2
(a)を参照)。
【0016】この結果は、基幹クロック信号配線1の終
端を抵抗でグランドに接続し、図3に示すように配線容
量(C1,C2,C3)、抵抗(R)インダクタンス
(L)をモデル化し、ECLクロックドライバーにより
駆動した様子をSPICEシミュレーションした結果で
ある。入力クロック波形20の立ち上がり時間は13
3.2psec(33.3psec×4)とした。
【0017】次に、本発明が意図するように基幹クロッ
ク信号配線1の終端2を解放終端とした時のSPICE
シミュレーション波形を示す図2(b)を参照すると、
クロック波形20の信号振幅の1/2をしきい値とした
時、基幹クロック信号配線1内での伝搬は、伝搬遅延が
ない事を示している。この現象を以下に説明する。
【0018】基幹クロック信号配線1の入力端3に入力
されたクロック信号20は群速度vで基幹クロック信号
配線1中を進行し、抵抗の無視できる長さLの基幹クロ
ック信号配線の終端2に時刻tT (=L/v)後に到達
する。
【0019】基幹クロック信号配線1の終端2でクロッ
ク信号は解放端3で反射をし、基幹クロック信号配線1
中で入射波と同じ速さで逆方向に進行する。
【0020】基幹クロック信号配線1中での伝送ロスを
無視し、反射係数1の全反射を仮定すれば、入射波と終
端反射波の合成波の電圧波形は入力されたクロック電圧
波形20の2倍で立ち上がる事になる。クロック波形の
立ち上がりスピードが2倍になる始める時刻t2 は入力
端よりxの距離の位置で t2 =(2L−x)/v…(2) と表される。時刻tが2L/vで反射波が入力端に達す
る。
【0021】入力端はトランジスタ等で決まるインピー
ダンスで終端しているので、終端反射波は固定端反射を
し、入力波と同じ速さ、向きに進行する。この時の入力
端反射波の波高は入力波、終端反射波と逆の符号を持つ
から、これらの波形の合成波の電圧波形の立ち上がりス
ピードは、基幹クロック信号配線1中での伝送ロスを無
視し、反射係数1の全反射を仮定すれば、入力クロック
波形20の立ち上がり波形の1/2になる。
【0022】クロック波形の立ち上がりスピードが1/
2になり始める時刻t0.5 は入力端よりxの距離の位置
で t0.5 =(2L+x)/v と表される。
【0023】この様にクロック信号は基幹クロック信号
配線1中で反射を繰り返し、基幹クロック信号配線1中
のある点での電圧波形は周期τ(=4L/v)で立ち上
がりスピードを入力クロック信号の1/2から2までの
範囲で変えながら小振動を繰り返して上昇していく。
【0024】この様子を入力クロック信号20と共に基
幹クロック信号配線1の終端2で観測したものが、電圧
波形22である。本結果を得た前述の条件においては、
小振動の周期がクロック入力波形の立ち上がり時間に等
しいため、伝送ロス、反射ロスによる振幅の減衰は見え
ていない。
【0025】従って、小振動の振幅VL=(4L/v)
が入力クロック波形の立ち上がり時間に比べて十分小さ
い時、基幹クロック信号配線1中でクロック波形の立ち
上がりはほぼ一定になり、基幹クロック信号配線1中で
のクロックスキューが無視できる。
【0026】特に、振幅VL=(4L/v)が入力立ち
上がり時間の整数倍nに等しいとき、クロック波形の振
幅VLの1/2の電圧点で見た基幹クロック信号配線の
入力端3と終端2でのクロックスキューが0になる事に
なる。
【0027】また、基幹クロック信号配線1中では、2
n箇所で定在波の節ができ、その点で入力波形とのスキ
ューが0となる。nが十分大きければ、基幹クロック信
号配線1中の任意の点でのクロックスキューは事実上0
になる。
【0028】半導体集積回路中の各フリップフロップ6
への配線7を、基幹クロック信号配線1、または基幹ク
ロック信号配線1中に接続されたクロック信号配線支線
8から行えば、いわゆるクロックスキューは各フリップ
フロップ6への配線7とクロック信号配線支線8の配線
抵抗、配線容量および各端子9に接続された各フリップ
フロップ6の入力容量合計の不均衡に起因する遅延時間
差のみになり、大幅なクロックスキューの改善が実現す
る。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、配線
幅、配線厚等を十分に大きく取り配線配線抵抗を小さく
した基幹クロック信号配線と、必要に応じてこの基幹ク
ロック配線に接続された、クロック信号支線とを有し、
この基幹クロック信号配線の片方がクロックドライバー
に接続され、他方が解放終端され、基幹クロック信号配
線の解放端での信号反射係数が十分大きい事を特徴とす
るクロック配線構造を有することで、大規模集積回路に
おいても、クロックスキューを非常に小さな値に抑えた
半導体集積回路装置を得る事ができるという効果を有す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の半導体集積回路装置のクロ
ック信号配線構造を示す平面図である。
【図2】図1に示す本発明の実施例のシミュレーション
結果を示す図であり、(a)は、本発明の一実施例の基
幹クロック信号配線の終端を抵抗でグランドに接続した
時の電圧波形を示すシミュレーション結果を示す図であ
り、(b)は、本発明の一実施例の基幹クロック信号配
線中の電圧波形を示すシミュレーション結果を示す図で
ある。
【図3】本発明の一実施例の基幹クロック信号配線中の
電圧波形をシミュレーションするときに用いた反射波利
用のクロックツリーSPICEシミュレーションモデル
を示す図である。
【図4】従来の半導体集積回路装置のクロック信号配線
構造を示す平面図である。
【符号の説明】
1 基幹クロック信号配線 2 基幹クロック信号配線の終端 3 基幹クロック信号配線の入力端 4,46 子クロックバッファ 5,45 親クロックドライバー 6,43,44 フリップフロップ 7,48 配線 8 クロック信号配線支線 9 端子 10,40 半導体集積回路装置 20 クロック入力波形 21,22 クロック終端波形 47 クロック入力端子

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の一主表面上に形成される複
    数の基幹クロック配線と、前記基幹クロック配線に比べ
    て配線幅および配線膜厚を小さくした前記半導体基板の
    一主面表面上に形成される複数のクロック支線配線と、
    前記基幹クロック配線に直接接続しまたは前記クロック
    支線配線を経由して前記基幹クロック配線に接続するク
    ロック入力端子を有する複数の保持回路とを備える半導
    体集積回路装置において、前記基幹クロック配線の一方
    の縁端がクロックドライバーに接続され、他方の縁端が
    解放終端されて前記基幹クロック配線の前記解放端での
    信号反射係数が実質的に十分大きいことを特徴とする半
    導体集積回路装置。
  2. 【請求項2】 前記基幹クロック配線または前記クロッ
    ク支線配線は配線層を少なくとも2層以上有することを
    特徴とする請求項1記載の半導体集積回路装置。
  3. 【請求項3】 前記基幹クロック配線は前記クロック支
    線配線よりも上層に形成されることを特徴とする請求項
    1または2記載の半導体集積回路装置。
  4. 【請求項4】 前記基幹クロック配線はTAB実装に使
    用されるバンプ形成用金属層と同一の金属層で配線層を
    形成することを特徴とする請求項1,2または3記載の
    半導体集積回路装置。
  5. 【請求項5】 前記基幹クロック配線の配線長の4倍を
    前記基幹クロック配線中に伝搬するクロック波形の伝搬
    速度で除算した数値の整数倍が、前記クロック波形の立
    ち上りまたは立ち下り時間に実質的に等しいことを特徴
    とする請求項1,2,3または4記載の半導体集積回路
    装置。
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