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JP6207228B2 - 集積回路装置およびその構成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、集積回路装置およびその構成方法に関する。
半導体集積回路チップの実装密度向上を図るため、複数の半導体集積回路チップを積層する技術として、例えばPoP(Package on Package)やCoC(Chip on Chip)と呼ばれる技術が既に実用化されている。しかしながら、従来のPoPやCoCでは半導体集積回路チップ同士を接続するにはボンディングワイヤやインターポーザなどの一般的な手段が用いられており、これらの寄生容量が高速動作の妨げとなっている。
これに対し、積層された半導体集積回路チップ同士を接続する別の技術として、チップ内部を貫通する配線および電極を用いるTSV(Through Silicon Via)と呼ばれる技術がある(例えば、特許文献1参照)。このTSVを用いると半導体集積回路チップ同士が最短距離で接続されるため寄生容量が少なく、高速動作と低消費電力化が実現できる。
一方で、コンパクトデジタルカメラ等の電子機器では、演算処理性能を向上するために、マザーボード上に2個のシステムLSIチップを搭載したデュアルプロセッサシステムを構築する場合がある。なお、システムLSIチップは、CPU等のプロセッサやメモリコントローラを含み、一時的な記憶領域としてDRAM(Dynamic Random Access Memory)等のメモリを必要とする。また各プロセッサが並行して動作するためには各システムLSIチップに対応するメモリが必要となる。つまり、デュアルプロセッサシステムにおいては、構成要素として例えばシステムLSIチップ2個と、メモリコアを含むメモリチップ2個の、計4個の半導体集積回路チップを必要とする。
ここで実装密度向上のために、前記のデュアルプロセッサシステムにおいて、2個のシステムLSIチップと2個のメモリチップの計4個を前記TSV技術によって積層した1つの積層デュアルプロセッサパッケージとして実現したいという要望がある。
特開2010−109264号公報
しかしながら、同一構造の複数のシステムLSIチップと同一構造の複数のメモリチップを上記TSV技術を用いて積層すると、複数のメモリコントローラと複数のメモリコアが共通のバスに接続され、バス衝突が起こる。そのため、各メモリコントローラはペアとなるメモリコアに並列にアクセスすることができず、処理性能が低下してしまう。
一方で、積層デュアルプロセッサパッケージを搭載するほどの処理性能が求められず、システムLSIチップとメモリチップを1枚ずつ積層した積層シングルプロセッサパッケージを搭載する装置も存在する。この場合、生産コストの観点から積層デュアルプロセッサパッケージと積層シングルプロセッサパッケージで共通のチップを流用できることが望ましい。
本発明は、上記課題に鑑み、第1の集積回路チップと第2の集積回路チップを同数積層した構成において、ペアとなる第1の集積回路チップと第2の集積回路チップとが独立に接続され、かつ積層個数を変更しても共通のチップを流用できる技術を実現する。
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の集積回路装置は、第1の回路を有するN個(Nは2以上の自然数)の第1の集積回路チップを積層し、前記積層された第1の集積回路チップにさらに第2の回路を有するN個の第2の集積回路チップを積層した集積回路装置であって、前記第1の集積回路チップと前記第2の集積回路チップとが隣接する面を基準面として対称な位置にある第1の集積回路チップと第2の集積回路チップとによりペアを構成し、前記第1の集積回路チップと前記第2の集積回路チップはそれぞれ、前記ペアとなる第1の集積回路チップの第1の回路と第2の集積回路チップの第2の回路とを接続するための接続端子とチップ内部を貫通する貫通電極を備え、前記第1の集積回路チップと前記第2の集積回路チップにおける前記接続端子および貫通電極が前記基準面に対して対称に設けられ、前記第1の集積回路チップは基板上に積層され、前記第1の集積回路チップと前記第2の集積回路チップはそれぞれ、前記基板に近い側の第1の面と基板から遠い側の第2の面を有し、前記基準面からN個目の前記第1の集積回路チップにおける第2の面にX個(Xは自然数)の第1の接続端子を備え、前記X個の第1の接続端子のうち1番目の接続端子が前記第1の回路に接続され、Y番目(2≦Y≦Xで、且つ、Yは自然数)の接続端子が、隣接して積層される(N−1)個目の第1の集積回路チップの貫通電極を介して前記(N−1)個目の第1の集積回路チップにおける第2の面の(Y+1)番目の接続端子に接続され、前記基準面からN個目の第2の集積回路チップにおける前記第1の面にX個の第2の接続端子を備え、前記X個の第2の接続端子のうち1番目の接続端子が前記第2の回路に接続され、Y番目の接続端子は、隣接して積層される(N−1)個目の第2の集積回路チップの貫通電極を介して前記(N−1)個目の第2の集積回路チップにおける第1の面の(Y+1)番目の接続端子に接続される
本発明によれば、第1の集積回路チップと第2の集積回路チップを同数積層した構成において、ペアとなる第1の集積回路チップと第2の集積回路チップとが独立に接続され、かつ積層個数を変更しても共通のチップを流用することができる。
実施形態1の積層デュアルプロセッサパッケージの構成を例示する図。 図1に示す積層デュアルプロセッサパッケージのチップを流用した積層シングルプロセッサパッケージの構成を例示する図。 実施形態2の積層マルチプロセッサパッケージの構成を例示する図。 図3に示す積層マルチプロセッサパッケージのチップを流用して、積層個数を変化させたパッケージの構成を例示する図。
以下に、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。また、後述する各実施形態の一部を適宜組み合わせて構成しても良い。
[実施形態1]まず、図1および図2を参照して、実施形態1の半導体集積回路装置および集積回路チップの積層方法について説明する。なお、以下の説明では、支持基板上に積層される複数の半導体集積回路チップにおいて、支持基板に近い側の面を下面、遠い側の面を上面とする。また、積層された2個の半導体集積回路チップにおいて、支持基板に近い側のチップを下層、遠い側のチップを上層とする。
なお、本実施形態では、システムLSIチップは、CPUなどのプロセッサやメモリコントローラを含む。システムLSIチップは、一時的な記憶領域としてDRAM(Dynamic Random Access Memory)等のメモリを必要とする。また各プロセッサが並列に動作するためには各システムLSIチップに対応するメモリが必要となる。よって、デュアルプロセッサシステムにおいては、構成要素として例えばシステムLSIチップ2個と、メモリコアを含むメモリチップ2個の、計4個の半導体集積回路チップが必要となる。
図1は本実施形態の積層デュアルプロセッサパッケージの構成を例示している。積層デュアルプロセッサパッケージ50は、支持基板400に、同一構造の2個のシステムLSIチップ700を積層し、さらにその上層に同一構造の同数のメモリチップ800を積層して構成されている。1個目のシステムLSIチップ700(1)とメモリチップ800(1)が隣接する面を基準面として、基準面から数えて1個目をシステムLSIチップ700(1)、2個目をシステムLSIチップ700(2)と表記する。同様に、1個目のシステムLSIチップ700(1)とメモリチップ800(1)の基準面から数えて1個目をメモリチップ800(1)、2個目をメモリチップ800(2)と表記する。
支持基板400は、積層される半導体集積回路チップに物理的な強度を付与するとともに、積層されるシステムLSIチップ700(2)の端子ピッチを拡大するための再配線基板として機能する。
各システムLSIチップ700はメモリコントローラ710を備え、上面に2個の接続端子P7(1)、P7(2)を備える。各LSIチップ700(1)、700(2)は、メモリチップ800(1)、800(2)を制御するためのメモリコントローラ710(1)、710(2)を備える。また、各システムLSIチップ700(1)、700(2)は、メモリコントローラ710(1)、710(2)以外に、各種の処理回路やCPUなどを備える。そして、各メモリコントローラ710(1)、710(2)は、これらの処理回路やCPUからの制御指令に従い、メモリチップ800(1)、800(2)のメモリコア810(1)、810(2)にアクセスし、データの書き込みや読み出しを実行する。
ここで、システムLSIチップ700(1)のメモリコントローラ710をメモリコントローラ710(1)とし、システムLSIチップ700(2)のメモリコントローラ710をメモリコントローラ710(2)とする。各システムLSIチップ700(1)、700(2)において、接続端子P7(1)は内部配線40aを介してメモリコントローラ710に電気的に接続される。システムLSIチップ700(1)の接続端子P7(2)は、内部配線40c、チップ内部を貫通する貫通電極(以下、TSV)20、マイクロバンプ30を介してシステムLSIチップ700(2)の接続端子P7(1)に電気的に接続される。
各メモリチップ800(1)、800(2)は、DRAMなどのメモリコア810(1)、810(2)を備え、下面に2個の接続端子P8(1)、P8(2)を備える。ここで1個目のメモリチップ800(1)のメモリコア810をメモリコア810(1)、2個目のメモリチップ800(2)のメモリコア810をメモリコア810(2)と表記する。各メモリチップ800において、1番目の接続端子P8(1)はTSV20および内部配線40bを介して各メモリコア810に電気的に接続される。1個目のメモリチップ800(1)の接続端子P8(2)は、TSV20、内部配線40d、マイクロバンプ30を介して上層のメモリチップ800(2)の接続端子P8(1)に電気的に接続される。
隣接して積層されるシステムLSIチップ700(1)とメモリチップ800(1)の間では、接続端子P7(1)と接続端子P8(1)、接続端子P7(2)と接続端子P8(2)がそれぞれマイクロバンプ30を介して電気的に接続される。
なお、本例では各システムLSIチップ700(1)、700(2)の上面、およびメモリチップ800(1)、800(2)の下面に接続端子が2個ずつ設けられた構成を記載したが、実際には2個以上の多数の接続端子を備えていても良い。また、図1では、各メモリコントローラ710(1)、710(2)とメモリコア810(1)、810(2)とを接続する内部配線やTSVは1本ずつのみ記載したが、実際にはこれらは複数本からなるバスであり、対応する接続端子もそれぞれ複数個ずつ存在する。
図1に示すように、メモリコントローラ710(1)とメモリコア810(1)が接続され、メモリコントローラ710(2)とメモリコア810(2)が接続される。メモリコントローラ710(1)とメモリコア810(1)を第1のペアとし、メモリコントローラ710(2)とメモリコア810(2)を第2のペアとする。これら第1および第2のペアは、バス衝突することなくそれぞれ独立に接続される。つまり、各メモリコントローラ710(1)、710(2)は、対応するメモリコア810(1)、810(2)に独立にアクセスすることができ、並列に処理を行うことができる。
次に、図2を参照して、図1に示すシステムLSIチップとメモリチップを1枚ずつ積層した場合について説明する。
図2は、図1に示す積層デュアルプロセッサパッケージ50のシステムLSIチップ700とメモリチップ800を流用した積層シングルプロセッサパッケージ60の構成を例示している。なお、図1と同一の構成については同一の符号を付して説明は省略する。
積層シングルプロセッサパッケージ60は、支持基板500に、システムLSIチップ700を積層し、さらにその上層にメモリチップ800を積層して構成されている。
支持基板500は、積層される半導体集積回路チップに物理的な強度を付与するとともに、積層されるシステムLSIチップ700の端子ピッチを拡大するための再配線基板として機能する。
1個目のシステムLSIチップ700(1)とメモリチップ800(1)は隣接して積層され、接続端子P7(1)と接続端子P8(1)はマイクロバンプ30を介して電気的に接続される。
上述したように、支持基板400に2個のシステムLSIチップ700(第1の半導体集積回路チップ)を積層し、その上層にさらに同数のメモリチップ800(第2の半導体集積回路チップ)を積層する。そして、1個目のシステムLSIチップ700(1)とメモリチップ800(1)とが隣接する面を基準面として対称な位置にあるチップ同士をペアとして内部配線およびTSVにより電気的に接続する。さらにペアとなるメモリコントローラ710(1)とメモリコア810(1)、メモリコントローラ710(2)とメモリコア810(2)とを接続する内部配線やTSVを基準面に対して対称に構成することで、ペアとなるチップ同士を独立に接続する。その結果、図1の積層デュアルプロセッサパッケージ50のシステムLSIチップ700とメモリチップ800を、図2のシングルプロセッサパッケージ60にも流用でき、製造工程の共通化により生産コストの削減を実現できる。
[実施形態2]次に、図3および図4を参照して、実施形態2による半導体集積回路装置および集積回路チップの積層方法について、システムLSIチップとメモリチップをN個(N≧3、Nは自然数)ずつ積層する場合を例として説明する。
図3は、システムLSIチップとメモリチップをN個(N≧3、Nは自然数)ずつ積層した積層マルチプロセッサパッケージの構成を例示している。本実施形態の積層マルチプロセッサパッケージ10は、支持基板300に、同一構造のN個のシステムLSIチップ100を積層し、さらにその上層に同一構造のN個のメモリチップ200を積層して構成されている。
1個目のシステムLSIチップ100(1)とメモリチップ200(1)が隣接する面を基準面として、基準面から数えてM個目のシステムLSIチップ100をシステムLSIチップ100(M)と表記する。同様に、1個目のシステムLSIチップ100(1)とメモリチップ200(1)の基準面から数えてM個目のメモリチップ200をメモリチップ200(M)と表記する。ここでM=1、2・・・N(1以上の自然数)とする。
支持基板300は、積層される半導体集積回路チップに物理的な強度を付与するとともに、積層されるシステムLSIチップ100(N)の端子ピッチを拡大するための再配線基板として機能する。
各システムLSIチップ100(N)は内部にメモリコントローラ110(N)を備え、X≧Nとして、上面にX個の接続端子P1(1)、P1(2)・・・P1(X)を備える。ここでシステムLSIチップ100(M)内部のメモリコントローラ110をメモリコントローラ110(M)と表記する。各システムLSIチップ100(N)において、1番目の接続端子P1(1)は内部配線40aを介してメモリコントローラ110(N)に電気的に接続される。隣接して積層されるN個目のシステムLSIチップ100(N)と(N−1)個目のシステムLSIチップ100(Nー1)の間では、上層のY番目の接続端子P1(Y)は、内部配線40c、TSV20、マイクロバンプ30を介して下層の(Y−1)番目の接続端子P1(Y−1)に電気的に接続される。ここでY=2、3・・・X(2以上X以下の自然数)とする。
各メモリチップ200(N)は内部にメモリコア210(N)を備え、X≧Nとして、下面にX個の接続端子P2(1)、P2(2)・・・P2(X)を備える。ここでメモリチップ200(M)内部のメモリコア210をメモリコア210(M)と表記する。各メモリチップ200(N)において、1番目の接続端子P2(1)はTSV20、内部配線40bを介してメモリコア210(N)に電気的に接続される。
隣接して積層されるN個目のメモリチップ200(N)と(N−1)個目のメモリチップ200(Nー1)の間では、下層側チップの下面のY番目の接続端子P2(Y)は、TSV20、内部配線40d、マイクロバンプ30を介して、上層側チップの下面の(Y−1)番目の接続端子P2(Y−1)に電気的に接続される。ここでY=2、3・・・X(2以上X以下の自然数)とする。
隣接して積層される1個目のシステムLSIチップ100(1)とメモリチップ200(1)との間では、Z番目の接続端子P1(Z)と接続端子P2(Z)がマイクロバンプ30を介して電気的に接続される。ここでZ=1、2・・・X(1以上X以下の自然数)とする。
なお、メモリコントローラ110(N)とメモリコア210(N)とを接続する内部配線やTSVは1本ずつのみ記載したが、実際にはこれらは複数本からなるバスであり、対応する接続端子もそれぞれ複数個ずつ存在する。
以上の構成によれば、メモリコントローラ110(M)と対応するメモリコア210(M)の全てのペアがバス衝突することなくそれぞれ独立に接続される。つまり、各メモリコントローラ110(N)は、対応するメモリコア210(N)に独立にアクセスすることができ、並列に処理を行うことができる。
次に、図4を参照して、図3のシステムLSIチップ100とメモリチップ200を流用して、積層個数を変化させた場合について説明する。なお、図3と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図4(a)は、図3に示す積層マルチプロセッサパッケージのシステムLSIチップ100とメモリチップ200を3枚ずつ積層した構成を例示している。図4(a)では、メモリコントローラ110(1)とメモリコア210(1)、メモリコントローラ110(2)とメモリコア210(2)、メモリコントローラ110(3)とメモリコア210(3)がそれぞれペアとして独立に接続されている。
図4(b)は、図3に示す積層マルチプロセッサパッケージのシステムLSIチップ100とメモリチップ200を2枚ずつ積層した構成を例示している。図4(b)では、メモリコントローラ110(1)とメモリコア210(1)、メモリコントローラ110(2)とメモリコア210(2)がそれぞれペアとして独立に接続されている。
図4(c)は、図3に示す積層マルチプロセッサパッケージのシステムLSIチップ100とメモリチップ200を1枚ずつ積層した構成を例示している。図4(c)では、メモリコントローラ110(1)とメモリコア210(1)がペアとして接続されている。
同様にして、システムLSIチップ100とメモリチップ200を、1≦K≦Nである各K枚ずつ積層した場合にも、メモリコントローラ(K)とメモリコア(K)の各ペアが独立に接続される。その結果、システムLSIチップとメモリチップをN枚ずつ積層したマルチプロセッサパッケージ10におけるシステムLSIチップ100(N)とメモリチップ200(N)の積層個数をN個以下に減らしたパッケージにも流用できる。
上述した各実施形態によれば、Nを2以上の自然数として、N個のシステムLSIチップ100とメモリチップ200とを積層した場合に、ペアとなるチップ同士が独立に接続され、かつ積層個数を変更しても共通のチップを流用できる。
したがって、搭載される装置に要求される処理性能に応じてマルチプロセッサパッケージの積層個数を変更する場合に、共通のシステムLSIチップとメモリチップを流用できるため、製造工程の共通化により生産コストの削減を実現できる。

Claims (4)

  1. 第1の回路を有するN個(Nは2以上の自然数)の第1の集積回路チップを積層し、前記積層された第1の集積回路チップにさらに第2の回路を有するN個の第2の集積回路チップを積層した集積回路装置であって、
    前記第1の集積回路チップと前記第2の集積回路チップとが隣接する面を基準面として対称な位置にある第1の集積回路チップと第2の集積回路チップとによりペアを構成し、
    前記第1の集積回路チップと前記第2の集積回路チップはそれぞれ、前記ペアとなる第1の集積回路チップの第1の回路と第2の集積回路チップの第2の回路とを接続するための接続端子とチップ内部を貫通する貫通電極を備え、
    前記第1の集積回路チップと前記第2の集積回路チップにおける前記接続端子および貫通電極が前記基準面に対して対称に設けられ
    前記第1の集積回路チップは基板上に積層され、前記第1の集積回路チップと前記第2の集積回路チップはそれぞれ、前記基板に近い側の第1の面と基板から遠い側の第2の面を有し、
    前記基準面からN個目の前記第1の集積回路チップにおける第2の面にX個(Xは自然数)の第1の接続端子を備え、
    前記X個の第1の接続端子のうち1番目の接続端子が前記第1の回路に接続され、Y番目(2≦Y≦Xで、且つ、Yは自然数)の接続端子が、隣接して積層される(N−1)個目の第1の集積回路チップの貫通電極を介して前記(N−1)個目の第1の集積回路チップにおける第2の面の(Y+1)番目の接続端子に接続され、
    前記基準面からN個目の第2の集積回路チップにおける前記第1の面にX個の第2の接続端子を備え、
    前記X個の第2の接続端子のうち1番目の接続端子が前記第2の回路に接続され、Y番目の接続端子は、隣接して積層される(N−1)個目の第2の集積回路チップの貫通電極を介して前記(N−1)個目の第2の集積回路チップにおける第1の面の(Y+1)番目の接続端子に接続されることを特徴とする集積回路装置。
  2. 前記第2の集積回路チップに隣接した前記第1の集積回路チップにおける第2の面のZ番目(Z≦Xで、且つ、Zは自然数)の接続端子と、前記第1の集積回路チップに隣接した前記第2の集積回路チップにおける第1の面のZ番目の接続端子とが接続されることを特徴とする請求項に記載の集積回路装置。
  3. 前記第1の回路はメモリコントローラであり、前記第2の回路は前記メモリコントローラにより制御されるメモリであることを特徴とする請求項1または2に記載の集積回路装置。
  4. 第1の回路を有するN個(Nは2以上の自然数)の第1の集積回路チップを積層し、前記積層された第1の集積回路チップにさらに第2の回路を有するN個の第2の集積回路チップを積層して構成され、
    前記第1の集積回路チップは基板上に積層され、前記第1の集積回路チップと前記第2の集積回路チップはそれぞれ、前記基板に近い側の第1の面と基板から遠い側の第2の面を有し、
    前記第1の集積回路チップと前記第2の集積回路チップとが隣接する面を基準面として、
    前記基準面からN個目の前記第1の集積回路チップにおける第2の面にX個(Xは自然数)の第1の接続端子を備え、
    前記X個の第1の接続端子のうち1番目の接続端子が前記第1の回路に接続され、Y番目(2≦Y≦Xで、且つ、Yは自然数)の接続端子が、隣接して積層される(N−1)個目の第1の集積回路チップの貫通電極を介して前記(N−1)個目の第1の集積回路チップにおける第2の面の(Y+1)番目の接続端子に接続され、
    前記基準面からN個目の第2の集積回路チップにおける前記第1の面にX個の第2の接続端子を備え、
    前記X個の第2の接続端子のうち1番目の接続端子が前記第2の回路に接続され、Y番目の接続端子は、隣接して積層される(N−1)個目の第2の集積回路チップの貫通電極を介して前記(N−1)個目の第2の集積回路チップにおける第1の面の(Y+1)番目の接続端子に接続される集積回路装置を構成する方法であって、
    記基準面に対して対称な位置にある第1の集積回路チップと第2の集積回路チップとによりペアを構成し、
    前記ペアとなる第1の集積回路チップの第1の回路と第2の集積回路チップの第2の回路とを、前記第1の集積回路チップと前記第2の集積回路チップのそれぞれにおいて前記基準面に対して対称に設けられている接続端子とチップ内部を貫通する貫通電極により接続することを特徴とする方法。
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