【文献】
JHIH−WEI YOU ET AL,Performance Characterization of TSV in 3D IC via Sensitivity Analysis,TEST SYMPOSIUM(ATS)、2010 19TH IEEE ASIAN,米国,IEEE,2010年12月 1日,389−394
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0005】
本発明の種々の実施形態の以下の詳細な説明では、本発明の一部を形成し、また、本発明が実施され得る特定の実施形態が、そこで例証として示される添付図面が参照される。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することを可能にするのに十分に詳細に述べられる。他の実施形態が利用され、構造的、論理的、及び電気的変更が行われ得る。
【0006】
集積回路(IC)は、単一半導体ダイ上に形成される多くのデバイス及び回路部材を含み得る。IC技術における最新の傾向はより高速でかつより複雑な回路に向かっている。しかし、より複雑なICが製造されるにつれて、種々の速度関連問題が明らかになる。これは、電子システム、例えば、異なるICがグローバルインターコネクトのネットワークによって電気接続される、プロセッサ及びメモリICを含むコンピューティングシステムを生成するために、異なる機能を有するICが使用されるときに、特に当てはまる。グローバルインターコネクトが、電子システムにおいてより長くかつより多数になるにつれて、抵抗性−容量性(RC)遅延及び電力消費並びにシステム性能が制限因子になる傾向がある。
【0007】
これらの問題に対する提案されている1つの解決策は、3次元(3D)集積化又はパッケージング技術である。3D集積化は、パッケージ内でのICを含む複数のダイ(例えば、チップ)の垂直積層化を指す。或る3D集積化技術では、複数のダイは、垂直コネクタ又は3D導電性構造を形成するシリコン貫通ビア(TSV)を使用して結合(例えば、電気接続)される。TSVは、1つ又は複数のダイの厚さを貫通して(少なくとも部分的に)延在し、ダイが積層されるときに整列して、積層体内でICの間で電気通信を提供し得る。こうしたTSVは、アルミニウム又は銅等の導電性材料から形成されることが多い、3D集積化は、通常、パッケージングされるICの占有面積の減少と共に電力消費の減少及び性能の増加をもたらす。
【0008】
モバイルシステムを含む多くの電子システムでは、デバイス速度を上げること及び電力消費を減少させることという競合する目標が存在する場合がある。速度を犠牲にすることなく減少した電力消費を提供することが望ましいことがある。場合よっては、これらの目標を達成するのに役立つために、効率的な製造プロセスが使用され得る。
【0009】
図1及び
図2を参照すると、例示的な3D ICデバイスがここで述べられる。示す3D ICデバイス100は、互いの上に積層された4つのダイ110a〜110dを含む。4つのダイ構成が
図1で示されるが、他の構成は、より少ない積層ダイ、又は、例えば8つの積層ダイ等のより多くの積層ダイを含み得る。第1のダイ110aは一番上のダイであり、第4のダイ110dは一番下のダイである。第2及び第3のダイ110b、110cは、第1のダイ110aと第4のダイ110dとの間に挿入される。他の例では、3D ICデバイスは、
図1のデバイスより多くの又は少ない数のダイを含む可能性がある。
【0010】
第1〜第4のダイ110a〜110dの1つ又は複数は、ICアレイ112、トランシーバ114、第1のインターコネクトライン116、第2のインターコネクトライン118、及びランディングパッド130a〜130dを含み得る。ダイ110a〜110cのそれぞれはまた、ビア120a〜120c(
図2)を含み得る。
【0011】
シリコンの例では、ビアはTSVと呼ばれ得る。用語TSVはシリコンから形成されるダイを指すが、ダイを作製するときに他の半導体材料を使用することができ、用語TSVが、異なる材料のダイを少なくとも部分的に貫通して通る他の垂直コネクタ又は3D導電性構造に適用されることを、本開示の利益を受ける当業者は認識するであろう。一例では、
図1に示すように、一番下のダイ110dはビアを含まない。一例では、一番下のダイは、ビアなしで論理ダイを含み得る。他の例では、一番下のダイは1つ又は複数のビアを含む。
【0012】
ICアレイ112は、限定はしないが、1つ又は複数のメモリセル(例えば、揮発性及び/又は不揮発性メモリセル)及び1つ又は複数のプロセッサを含む1つ又は複数の集積回路を含み得る。一例では、ダイ110a〜110dの1つ又は複数はメモリダイを備える。メモリダイの例は、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)ダイ、スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)ダイ、フラッシュメモリダイ、抵抗性ランダムアクセスメモリ(RRAM(登録商標))ダイ等を含む。DRAM構成を使用する3Dメモリ構成は、アクセス及びプログラミング速度が比較的高いため、複雑な処理オペレーションにおいて有利である。
【0013】
一例では、ダイ110a〜110dの1つ又は複数は論理ダイを含む。論理ダイの一例は、処理回路要素、アドレス指定回路要素、又は他のメモリ管理回路要素を含むダイを含む。一例では、論理ダイはメモリアレイを含まない。3D ICデバイス100の一例は、幾つかの積層メモリダイ及び単一論理ダイ(メモリダイと共に積層されるか又は積層されない場合がある)を含む。一例では、論理ダイは、論理ダイに対する容易なアクセスを提供する等のためにダイの積層体の縁部に配置される。
【0014】
第1のインターコネクトライン116は、ダイ110a〜110dのそれぞれのダイ上でICアレイ112とトランシーバ114との間のデータ経路を提供する。第2のインターコネクトライン118は、ダイ110a〜110dのそれぞれのダイのトランシーバ114とランディングパッド130a〜130dとの間のデータ経路を提供する。
【0015】
ビア120a〜120cは、互いにすぐ隣で積層されるダイ110a〜110dのランディングパッド130a〜130dの間の通信経路を提供し、それにより、2つのダイ上のICアレイ112間のデータ経路の一部を完成させる。或る場合には、互いの上に積層される2つ以上のダイ110a〜110dのビア120a〜120cは、直列に整列し、2つ以上のダイの間で直列データ経路を共に提供する可能性がある。
【0016】
図3は、本発明の実施形態による8つのダイの積層体300についてのブロック図の例を示す。8つのダイがブロック図の構成で示されるが、他の構成は、8つより少ないダイ又は多いダイを含み得る。
【0017】
幾つかのビア302が示される。各ビア302は、
図1及び
図2に示すダイ110a〜110dの積層体と同様に、半導体ダイの積層体内のダイ307に対応する。一例では、ビア302は、
図1及び
図2からのビア120a〜120cと同様に構成される。ビア304は、ダイの積層体内のダイ306内に含まれ、ドライバ312、プリドライバ314、及びレシーバ308と同じダイ306内にあるように示される。
【0018】
図3は、ダイ306内の単一ビア304に対応する複数のドライバ312を示す。ドライバ312の1つ又は複数は、ダイの積層体300内の選択されたダイにビア304、302を通して信号をドライブするために個々に又は共に(例えば、並列に)動作するように選択可能である。レシーバ308が、示され、ダイの積層体300内の他のダイ307から信号を受信するように動作可能である。一例では、ドライバ312及びレシーバ308は、
図1からのトランシーバ114等のトランシーバ内に配置される。
図3のブロック図は、例証を容易にするために簡略化される。各ダイ307は、ビア302を含むだけでなく、トランシーバ114等のトランシーバ内のドライバ及びレシーバもまた含む。
【0019】
図3の例は、1つ又は複数のプリドライバ314を含む実施形態を示す。プリドライバは、ドライバ312の1つ又は複数に結合されて、信号伝送の速度及び/又は性能を改善し得る。一例では、1つ又は複数のプリドライバ314は、関連するドライバ312と共に千鳥配列されて、信号のスルーレートを減少させる。一例では、(プリドライバを通した)各ドライバについてのイネーブル信号用のタイミングは、千鳥配列され、それが、次に、最終出力における信号遷移をよりスムーズにする。スルーレート制御を有する構成は、出力のオーバシュート及び/又はアンダーシュートを低減し、信号送信を改善する。
【0020】
一例では、複数のプリドライバ314は、1対1対応で、対応する複数のドライバ312に関連する。別の例では、1つのプリドライバが、複数のドライバに関連する。例えば、
図3は、単一ビア322に対応するダイ320内の第2の複数のドライバ316を示す。単一プリドライバ318は複数のドライバ316に関連する。ダイ306と同様に、ダイ320もまた、レシーバ310を持つように示される。
【0021】
単一ビアに対応する複数のドライバを有する構成は、異なる数のダイの積層体内で信号をドライブするときに柔軟性を提供する。例えば、8ダイ積層体内で信号をドライブするために、ドライバは、考えられる最大の距離がカバーされることを保証するため、少なくとも7つのダイを通して信号をドライブするのに十分な電力を提供するように構成され得る。しかし、同じドライバ構成が4ダイ積層体内で使用される場合、更なる電力能力が浪費される。したがって、より低い電力構成が、4ダイ積層体内で電力節約を提供する可能性がある。単一ビアに対応する複数のドライバを有する
図3及び
図4等の構成は、ダイの大きな積層体内で信号をドライブすることが必要とされるとき複数のドライバを使用するように構成され、更なる電力ドライブが必要とされないときにダイのより小さな積層体内で少数のドライバを使用するように構成される。
【0022】
例えば、
図4は、本発明の実施形態による、4つのダイの積層体400についてのブロック図の例を示す。幾つかのビア402が示される。各ビア402は、
図3の場合と同様に、半導体ダイの積層体内のダイ407に対応する。ビア404は、ダイの積層体400内のダイ406内に含まれ、ドライバ412、プリドライバ414、及びレシーバ408と同じダイ406内にあるように示される。
図3と同様に、一例では、複数のプリドライバ414が含まれ、プリドライバ414は、複数のドライバ内の各ドライバ412に関連する。
図3と同様に、単一ビア422に対応するダイ420内の第2の複数のドライバ416を示す。単一プリドライバ418は複数のドライバ416に関連する。ダイ406と同様に、ダイ420もまた、レシーバ410を持つように示される。
【0023】
一例では、ダイ406は、
図3からのダイ306に実質的に同一である。使用されるドライバ412、312の数は、
図3の場合、8ダイ積層体の電力ニーズ、
図4の場合、4ダイ積層体の電力ニーズ、又は、他の数のダイの場合、積層されたダイ構成の電力ニーズに対応するよう選択される可能性がある。単一ダイ構成は、性能目標を満たし、同時に、積層体内のダイの数に対処するための電力ニーズを減少するために、選択可能な数のドライバを持つように製造される可能性がある。
【0024】
図3に戻ると、例として、一実施形態では、複数のドライバ内に2つのドライバ312が存在する。他の例では、3つ以上のドライバ312が、幾つかのドライバ内に含まれ得る。積層されるダイデバイス内のダイの数について所望される柔軟性の程度に応じて、他の数のドライバが含まれ得る。
【0025】
一例では、ドライバ312は、サイズが実質的に同じである。例えば、単一ドライバは、4ダイ積層体内で信号をドライブするために使用され、実質的に同じサイズの更なる第2のドライバが、第1のドライバに付加されて、8ダイ積層体内で信号を駆動する能力を提供し得る。別の例では、ドライバは、サイズが実質的に同じでない。例えば、単一ドライバは、2ダイ積層体内で信号をドライブするために使用され、より大きなサイズの更なる第2のドライバは、付加されて、8ダイ積層体内で信号を駆動する能力を提供し得る。
【0026】
一例では、複数のドライバは、ダイの積層体内の1つのダイ内にあり得る。複数のドライバを有するダイは、複数のメモリダイに結合した論理ダイであり得る。他の例では、ダイの積層体内の各ダイは、上記実施形態に述べるように複数のドライバを含む。各ダイ内に複数のドライバを含む1つの利点は、製造効率を含む。1つの物理的ダイ構成が、製造され、複数のドライバ内の1つ又は複数のドライバを使用して、3D積層構成内の任意の選択された数のダイに効率的に電力供給するように、後で電気的に構成される可能性がある。
【0027】
図3は、幾つかのドライバ312及び/又はプリドライバ314を選択するために使用される可能性がある選択器315を示す。一例では、選択器315は、例えば、ホストプロセッサ(図示せず)からの命令を使用して電源投入時に作動される。幾つかのドライバ412及び/又はプリドライバ414を選択するために使用される可能性がある選択器415を同様に含む
図4が示される。一例では、単一ドライバは、デフォルトによって選択され(例えば、単一ドライバは、動作中であるときに常にイネーブルされるように構成される)、更なるドライバ(複数可)は、ダイの積層体内のより多くの数のダイのニーズを満たすために選択可能に付加され得る。換言すれば、更なるドライバは、任意選択で選択されるように構成される。
【0028】
図5は、
図3又は
図4に示すような例示的な構成の場合と同様に、複数のドライバを形成するために使用され得るドライバ500の一例を示す。ドライバ500は、第1の電圧供給ノード502、第2の電圧(例えば、グラウンド)供給ノード504、及び入力508を含む。
図5の例示的なドライバ500は、入力508からの単一入力信号で動作するPチャネルトランジスタ510及びNチャネルトランジスタ512を含む。フィードバックトランジスタ514は、フィードバック回路516によってドライブされて、出力506における電圧を制御する。
【0029】
図6は、
図3又は
図4に示すような例示的な構成の場合と同様に、複数のドライバを形成するために使用され得るドライバ600の一例を示す。ドライバ600は、第1の電圧供給ノード602、第2の電圧(例えば、グラウンド)供給ノード604、第1の入力608、及び第2の入力610を含む。
図6の例示的なドライバ600は、第1及び第2の入力608、610を使用して、出力606に送信されるハイ又はロー信号を選択する。フィードバックトランジスタ614は、フィードバック回路616によってドライブされて、出力606における電圧を制御する。
【0030】
図7は、
図6からのドライバ600と同様の、第1のドライバ702及び第2のドライバ704を含む複数のドライバ700の一例を示す。第1のドライバ702は第1のフィードバックトランジスタ706を含み、第2のドライバ704は第2のフィードバックトランジスタ708を含む。幾つかの入力714が使用されて、出力712におけるハイレベル又はローレベルを制御する。入力714は、
図3及び
図4からの選択器315、415と同様の選択器によって選択されて、ドライバ及び/又はプリドライバをターンオン又はターンオフする。スウィングレベルは、フィードバック回路710によって左右される。
【0031】
図7の構成は、第1のフィードバックトランジスタ706と第2のフィードバックトランジスタ708の両方に結合された共有フィードバック回路710を使用する。共有フィードバック回路710を有する構成は、より大きな電力効率及びダイ上での減少された回路リアルエステートを提供し得る。
【0032】
本明細書で使用されるように、用語「装置(apparatus)」は、限定することなく、システム、デバイス、回路要素、チップ組立体等を含む種々の構造及び構成を指すために使用される。コンピュータ等の装置の実施形態は、高レベルデバイスアプリケーションの実施形態を示す
図8に含まれる。
図8は、本発明の実施形態による、少なくとも1つの3D ICデバイス804を組込む装置800のブロック図である。
図8に示す装置800は、本発明がそこで使用される可能性があるシステムの一例に過ぎない。他の例は、メーンフレームシステム、タブレットコンピュータ、携帯情報端末(PDA)、携帯電話、MP3プレーヤ、航空機、衛星、軍用車両等を含むが、それに限定されない。
【0033】
この例では、装置800は、システムの種々のコンポーネントを結合するシステムバス802を含むデータ処理システムを備える。システムバス802は、情報ハンドリングシステム800の種々のコンポーネントの間で通信リンクを提供し、単一バスとして、バスの組合せとして、又は任意の他の適した方法で実装され得る。
【0034】
チップ組立体804がシステムバス802に結合される。チップ組立体804は、任意の回路又は動作可能に互換性がある回路の組合せを含み得る。一実施形態では、チップ組立体804は、任意のタイプである可能性があるプロセッサ806を含む。本明細書で使用されるように、「プロセッサ」は、限定することなく、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、グラフィクスプロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、或いは任意の他のタイプのプロセッサ又は処理回路等の任意のタイプの計算回路を意味する。「マルチコア」デバイス等の複数のプロセッサもまた、本発明の実施形態の範囲内にある。
【0035】
一実施形態では、上記実施形態で述べた3D半導体デバイス等のメモリデバイス807は、チップ組立体804内に含まれる。いろいろなメモリデバイス構成がチップ組立体804内で使用され得ることを当業者は認識するであろう。許容可能なタイプのメモリチップは、SDRAM、SLDRAM、RRAM、及び他のDRAM等のダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)を含むが、それに限定されない。メモリチップ807はまた、NANDメモリ又はNORメモリ等の不揮発性メモリを含む可能性がある。
【0036】
一実施形態では、プロセッサチップ以外の更なる論理チップ808がチップ組立体804内に含まれる。プロセッサ以外の論理チップ808の例は、アナログ・デジタル変換器を含む。カスタム回路、特定用途向け集積回路(ASIC)等のような論理チップ808上の他の回路もまた、本発明の一実施形態に含まれる。
【0037】
装置800はまた、外部メモリ811を含み得る。外部メモリ811は、次に、1つ又は複数のハードドライブ812、及び/又は、フロッピー(登録商標)ディスケット、コンパクトディスク(CD)、デジタルビデオディスク(DVD)、及び同様なもの等の取外し可能媒体813を操作する1つ又は複数のドライブ等の、特定のアプリケーションに適した1つ又は複数のメモリ要素を含む可能性がある。上記例で述べるように構築されたメモリが、装置800内に含まれる。
【0038】
装置800はまた、モニタ等のディスプレイデバイス809、スピーカ等のような更なる周辺コンポーネント810、並びに、マウス、又は、システムユーザが、情報を装置800に入力し、装置800からの情報を受取ることを可能にする任意の他のデバイスを含む可能性がある、キーボード及び/又はコントローラ814を含み得る。
【0039】
本発明の幾つかの実施形態が述べられたが、上記リストは網羅的であることを意図されない。特定の実施形態が、本明細書で示し述べられたが、同じ目的を達成するよう目論まれる任意の配置構成が、示す特定の実施形態と置換され得ることが当業者によって認識されるであろう。本出願は、本発明の任意の適応形態及び変形形態をカバーすることを意図される。上記説明が制限的でなく例証的であることと意図されることが理解される。上記実施形態の組合せ及び他の実施形態は、上記説明を調査すると、当業者に明らかになるであろう。