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JP4058234B2 - Semiconductor device - Google Patents

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JP4058234B2
JP4058234B2 JP2000377279A JP2000377279A JP4058234B2 JP 4058234 B2 JP4058234 B2 JP 4058234B2 JP 2000377279 A JP2000377279 A JP 2000377279A JP 2000377279 A JP2000377279 A JP 2000377279A JP 4058234 B2 JP4058234 B2 JP 4058234B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関し、特に低消費電力と高速化を両立した多層配線構造を有する半導体論理回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
CMOSトランジスタからなる大規模集積半導体論理回路は、半導体素子がより微細化している。一方チップサイズは年々増加しており、チップ内の配線長がより長くなってきている。
【0003】
チップ内の配線長が長くなると、配線抵抗や配線容量が、配線を駆動するトランジスタのチャネル抵抗や拡散層容量よりも大きくなる。そうすると配線の抵抗と配線容量の積によって回路の動作速度が決定されるので、トランジスタ等の半導体素子がいくら高速になっても装置の動作速度はそれ以上速くならない。
【0004】
このために配線膜厚や配線幅を大きくして抵抗を小さくし、また配線間隔を広くして配線容量を小さくすれば回路の動作速度を向上することができる。しかしながら単に配線膜厚を大きくし、また配線間隔を広くするには、ますます高集積化する論理回路を配線するには適していない。
【0005】
そこで高集積化論理回路に適した配線構造として半導体チップ上に複数の配線を具備する多層配線構造がある。半導体チップ上に形成された論理回路のうち、近接する論理回路同士の配線は配線ピッチを細かくした下層のローカル配線によって行い、離れた論理回路同士の配線は、上層のグローバル配線によって行う。グローバル配線は、ローカル配線よりも配線膜厚および配線幅を大きくし、配線間隔を広くしている(特開平6−13590号公報)。
【0006】
しかしながら論理回路のクロック周波数は微細化のスケーリングに従って増大し、配線層の配線本数も増大するために、上記した多層配線構造でも配線層の容量の充放電に必要な電力が大きく増大する問題がある。
【0007】
従来の多層配線構造では、配線層の層数を増やさずに、配線遅延を改善しつつ配線容量の充放電に伴う電力を減少させることが困難である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、CMOS論理回路の回路レイアウトや配線構造の大幅な変更を伴わずに、配線遅延を低減し、低消費電力化と高速化を両立させる半導体装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第1の本発明は、半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された半導体素子回路と、
前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成され、前記半導体素子と電気的に接続した第1の配線層と、
前記第1の配線層上に絶縁膜を介して形成された第2の配線層と、
前記第2の配線層上に絶縁膜を介して形成された第3の配線層とを具備し、
前記第1の配線層の配線膜厚は、前記第2の配線層の配線膜厚および前記第3の配線層の配線膜厚よりも小さく、
前記第1の配線層と前記第2の配線層との距離は、前記第2の配線層と前記第3の配線層との距離よりも大きいことを特徴とする半導体装置を提供する。
【0010】
このとき、前記第1の配線層と前記第2の配線層および前記第3の配線層は、他の配線層が介在せずこの順に積層されていることが好ましい。
【0011】
このとき、前記第1の配線層と前記第2の配線層との距離、前記第2の配線層と前記第3の配線層との距離の1.7倍に等しいかこれより大きくなることなることが好ましい。
【0012】
また、前記第1の配線層の隣接する配線同士の間隔は、前記第2の配線層の隣接する配線同士の間隔および前記第3の配線層の隣接する配線同士の間隔よりも小さいことが好ましい。
【0013】
また、前記第1の配線層の配線幅は、前記第2の配線層の配線幅および前記第3の配線層の配線幅よりも小さいことが好ましい。
【0014】
また、前記第1の配線層の配線と前記第2の配線層の配線とはねじれ(crossover layout)の関係にあることが好ましい。
【0015】
また、前記第2の配線層および前記第3の配線層の電圧振幅は、前記第1の配線層の電圧振幅よりも小さいことが好ましい。
【0016】
また、前記半導体素子の電源電圧をVDDとすると、前記第1の配線層の電圧振幅もVDDであることが好ましい。
【0017】
また、前記第2の配線層の前記電圧振幅をV1とすると、前記第1の配線層と前記第2の配線層との距離は、前記第2の配線層と前記第3の配線層との距離の(VDD/V1)1.5倍よりも大きいことが好ましい。
【0018】
また、前記第1の配線層は、前記半導体素子に直接接続されることが好ましい。
【0019】
前記第2の配線層の複数の配線の電圧振幅は、0.48VDD 以下となることが好ましい。
【0020】
また、第2の発明は、半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された半導体素子と、
前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成され、前記半導体素子と電気的に接続された第1の配線層と、
前記第1の配線層上に絶縁膜を介して形成された第2の配線層と、
前記第2の配線層上に絶縁膜を介して形成された第3の配線層と、
前記第3の配線層上に絶縁膜を介して形成された第4の配線層とを具備し、
前記第1の配線層の配線膜厚は、前記第2の配線層、前記第3の配線層および前記第4の配線層の配線膜厚よりも小さく、
前記第1の配線層と前記第2の配線層との距離は、前記第3の配線層と前記第4の配線層との距離よりも大きいことを特徴とする半導体装置を提供する。
【0021】
このとき、前記第1の配線層と前記第2の配線層および前記第3の配線層は、他の配線層が介在せずこの順に積層されていることが好ましい。
【0022】
このとき、前記第1の配線層と前記第2の配線層との距離、前記第3の配線層と前記第4の配線層との距離の1.7倍に等しいかこれよりも大きくなることが好ましい。
【0023】
また、前記第1の配線層の隣接する配線同士の間隔は、前記第2の配線層の隣接する配線同士の間隔および前記第3の配線層の隣接する配線同士の間隔よりも小さいことが好ましい。
【0024】
また、前記第1の配線層の隣接する配線同士の間隔は、前記第4の配線層の隣接する配線同士の間隔よりも小さいことが好ましい。
【0025】
また、前記第1の配線層の配線と前記第2の配線層の配線とはねじれ(crossover layout)の関係にあることが好ましい。
【0026】
また、前記第2の配線層、前記第3の配線層および前記第4の配線層の電圧振幅は、前記第1の配線層の電圧振幅よりも小さいことが好ましい。
【0027】
また、前記半導体素子の電源電圧をVDDとすると、前記第1の配線層の電圧振幅もVDDであることが好ましい。
【0028】
また、前記第2の配線層の前記電圧振幅をV1とすると、前記第1の配線層と前記第2の配線層との間隔は、前記第3の配線層と前記第4の配線層との間隔の(VDD/V1)1.5倍よりも大きいことが好ましい。
【0029】
また、前記第1の配線層は、前記半導体素子に直接接続されることが好ましい。
【0030】
また、前記第2の信号配線層の複数の配線の電圧振幅は、0.48VDD 以下となることが好ましい。
【0031】
また、本発明では、電源電圧をVDD、第2の信号配線層および第3の信号配線層からなるグローバル配線の電圧振幅をVDDより小さい電圧V1、第1の信号配線層(ローカル配線層)と第2の信号配線層の間隔をH1、第2の信号配線層と第3の信号配線層の間隔をH2とすると、H1>0.4×H2(VDD /V1)となるようにH1をH2よりも大きくすることで、ローカル配線層での電圧振幅VDDの電圧ノイズが、容量結合によってグローバル配線に乗って誤動作するのを防ぐことができる。
【0032】
また、本発明は、グローバル配線層での電圧振幅をローカル配線層での電圧振幅よりも小さくすることで、グローバル配線層での充放電を小さくできるので、より低消費電力を実現できる。
【0033】
また、本発明は、半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された半導体素子と、
前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成され、前記半導体素子を電気的に接続したローカル配線層と、
前記ローカル配線層上に絶縁膜を介して形成され、そのローカル配線層に電気的に接続された第1の配線層およびこの上に形成された第2の配線層を含み、
前記ローカル配線層の配線膜厚は、前記第1の配線層の配線膜厚および前記第2の配線層の配線膜厚よりも薄く、
前記ローカル配線層と前記第1の配線層との距離は、前記第1の配線層と前記第2の配線層との距離よりも大きいことを特徴とする半導体装置を提供する。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態を説明する。
【0035】
(実施形態1)
図1は本発明による実施形態1に係る半導体装置の断面図であり、図4に配線層の層内構造を斜め上方から俯瞰で眺めた各層の平面レイアウトを示す。図4において、より配線層をわかりやすくするために、半導体基板領域、およびコンタクトは省略し、点線でそのコンタクトと配線の接続関係を示している。
【0036】
本実施形態では、配線層をローカル配線層(配線層4と第1の配線層1)と、ローカル配線層上に形成されたグローバル配線層(第2の配線層2と第3の配線層3)の2つに分けている。グローバル配線層とローカル配線層との距離は、グローバル配線層間の距離よりも広くし、グローバル配線層の配線膜厚をローカル配線層の配線膜厚より大きくし、グローバル配線層の電圧振幅がローカル配線層の電圧振幅よりも低くしている。配線層1が第1の配線層、配線層2が第2の配線層、配線層3が第3の配線層である。また、配線層4は第1の配線層1の下層に形成され共にローカル配線層として機能する。以下により詳しく説明する。
【0037】
図1に示すように、半導体基板10は、ボロンまたはインジウムを不純物濃度1014〜1018cm-3ドープした例えばシリコンからなるp型半導体で形成されている。
【0038】
このp型半導体基板10上には、ソース・ドレイン領域9とこれらに挟まれたチャネル領域と、このチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極8とからなるMISFETが形成されている。これらのMISFETは複数形成されており、半導体論理回路100を構成している。
【0039】
MISFETのうち、n型MISFETは、不純物濃度1019cm-3以下のp型不純物添加領域からなるチャネルと、膜厚10nm以下のシリコン酸化膜やシリコン窒化膜からなるゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に形成され不純物濃度1019cm-3以上のP(リン)またはAs(砒素)を添加したポリシリコンゲート電極8と、このゲート電極8の両側に形成された不純物濃度1019cm-3以上P(リン)またはAs(砒素)を添加した深さ0.5μm以内のn型半導体領域からなるソース・ドレイン領域9とから構成される。またp型MISFETも同様に半導体基板10上に形成され、n型MISFETと相補型半導体論理回路のスイッチ素子を形成している。
【0040】
これらn型MISFETやp型MISFETの形成されていない半導体基板10上には、シリコン酸化膜からなる素子分離領域11が深さ0.05μm〜1μmで形成され、個々のMISFET100を分離している。
【0041】
これら論理回路を構成するMISFET100上部には、層間絶縁膜13を介して、配線層4が形成されている。配線層4上には層間絶縁膜13を介して第1の配線層1が形成されている。配線層4および第1の配線層1はローカル配線層を構成している。第1の配線層上には層間絶縁膜13を介して第2の配線層2が形成されている。第2の配線層2上には層間絶縁膜13を介して第3の配線層3が形成されている。第2の配線層2および第3の配線層3はグローバル配線層を構成している。層間絶縁膜13は例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜からなり、配線層4、第1の配線層1、第2の配線層2および第3の配線層3の配線間にも形成されている。
【0042】
ここでローカル配線層は、半導体基板10上の半導体論理回路100を構成するトランジスタに接続するものであるが、半導体論理回路100を構成するトランジスタに接続する配線層が2層以上ある場合、本発明におけるローカル配線層は最下層から2層までを対象とする。また、グローバル配線層は前記ローカル配線層上に形成されており、かつローカル配線層に接続するものであるが、前記ローカル配線上に形成されており、かつローカル配線層に接続する配線層が2層以上ある場合、本発明におけるグローバル配線層は最上層から2層までを対象とする。したがって本発明を適用するには少なくともローカル配線層を1層と、グローバル配線層を2層有する多層配線層が必要である。通常配線容量の増加を避けて素子や配線の任意の位置でコンタクトが設けられるようにするには、1層を例えばX方向に伸びる配線とすると、もう一層は前記X方向に直行するY方向に伸びる配線とすることが行われる。即ちローカル配線層およびグローバル配線層のそれぞれにコンタクトの自由度を持たせるには4層以上の多層配線が必要となる。
さらに本発明で説明するローカル配線層とグローバル配線層との距離は、最上層のローカル配線層と、最下層のグローバル配線層との距離である。
【0043】
なお、配線とは、半導体論理回路の信号伝達のために用いる信号配線のことを指す。それぞれの配線層1、2、3、4の配線材料はW、Cu、Al或いはAlCuを用いることができる。
【0044】
また、半導体基板10上のMISFETのソース・ドレイン領域9上には、配線コンタクト7が形成されローカル配線層のうち配線層4と接続されている。この配線コンタクト7は、W、Ru、TaN、Ti、TiN、Cu、Al或いはAlCuからなり、高さ0.1μm〜2μm、直径0.03μm〜1μmである。
【0045】
配線層4の配線幅は、半導体基板10に形成されたMISFETとの合わせずれをできるだけ小さくすることによって、コンタクト7の径を小さく形成している。このようにしてMISFETの集積密度を向上している。配線層4より上層に位置する配線層1、2、3におけるコンタクト5、6は、これよりも大きくしても良い。
【0046】
上記したように、配線層4の配線は隣接する半導体論理回路を接続する比較的短い配線に用いられ、集積度を向上させるためのローカル配線層である。したがって配線層4の最小線幅は、0.03μm〜1μmとし、最小の配線層間隔も配線幅と同様0.03μm〜1μmとすることが、集積密度を向上させるために望ましい。
【0047】
また、配線層4の上には、配線コンタクト5が形成されもうひとつのローカル配線層である第1の配線層1と接続されている。この配線コンタクト5は、W、Ru、TaN、Ti、TiN、Cu、Al或いはAlCuからなり、高さ0.03μm〜1μm、直径0.03μm〜1μmである。この配線コンタクト5の径は、配線コンタクト7の径と等しいか大きくすることが、第1の配線層1のコンタクト部の抵抗を低減させるために望ましい。
【0048】
第1の配線層1は、配線層4と直交する方向に延在することによって半導体基板10上のランダムな位置に配置された半導体論理回路領域100を任意に配線することができる。第1の配線層1も配線層4と同じ膜厚、線幅で形成されることが、配線の積層面に平行な2次元方向で、半導体論理回路100の最小レイアウト幅を等しくし回路配置を容易にするため、および、配線の集積密度を向上させるために望ましい。
【0049】
第1の配線層1上には、層間絶縁膜13が高さH1となるように全面堆積され、この上に第2の配線層2が形成されている。第2の配線層2上には、層間絶縁膜13が高さH2となるように全面堆積され、この上に第3の配線層3が形成されている。第2の配線層2および第3の配線層3はともにグローバル配線層を構成している。グローバル配線層は、ローカル配線層より比較的長い位置の配線を行っている。また第2の配線層2と第3の配線層3は直交する方向に延在し、ランダムな位置に配置された半導体論理回路領域100やローカル配線を任意に配線している。
【0050】
第2の配線層2上には、配線コンタクト6が形成され第3の配線層3と接続されている。この配線コンタクト6は、高さH2、直径0.05μm〜3μmで、W、Ru、Ti、TiN、TaN、Cu、Al或いはAlCuからなり、径が配線コンタクト5の径と等しいか大きくなるようにする。
【0051】
また図1および図4には示していないが、ローカル配線層とグローバル配線層間、すなわち第1の配線層1と第2の配線層2との間には、高さH1、直径0.05μm〜3μmで、W、Ru、TaN、Ti、TiN、Cu、Al或いはAlCuからなる配線コンタクトが形成され、お互いの層は接続されている。
【0052】
第1の配線層1と第2の配線層2とは、平行な方向に形成されるよりも直交した方向に延在して形成されることが、ローカル配線層およびグローバル配線層間のクロストークを減少させるのに望ましい。
【0053】
本発明では、ローカル配線層である第1の配線層1と配線層4の配線膜厚T1を、グローバル配線層である第2の配線層2の配線膜厚T2および第3の配線層3の配線膜厚T3よりも小さく(T1<T2,T3)形成している。また、ローカル配線層とグローバル配線層との間隔H1、すなわち配線層1と配線層2との距離H1は、グローバル配線層内の第2の配線層2と第3の配線層3との距離H2よりも大きく(H1>H2)している。また、グローバル配線層内の第2の配線層2および第3の配線層3の配線間隔S2、S3を、ローカル配線層である第1の配線層1と配線層4の配線間隔S1よりも大きく(S1<S2,S3)形成している。このときの配線間隔は、その配線層内における最小配線間隔を意味する。
【0054】
また、グローバル配線である第2の配線層2および第3の配線層3の最小線幅W2、W3を、ローカル配線の配線最小幅W1よりも大きく(W1<W2,W3)形成している。
【0055】
このようにして、グローバル配線層での単位長さあたりの配線抵抗を下げ、さらに配線容量を下げているので、グローバル配線層内の配線抵抗と配線容量の積を小さくし、クロックの高速化に伴う充放電の量を小さくし低消費電力化を図れる。具体的には、配線幅を2倍にすると抵抗は1/2倍になる。配線層間隔を2倍にすると容量は1/2倍になる。配線間隔を2倍にすると容量は1/2倍になる。配線膜厚を2倍にすると抵抗が1/2倍になる。
【0056】
また、配線層1、2、3、4の配線材料としてAlかCuを用い、層間絶縁膜13として誘電率が4以下の絶縁膜を用いた場合、配線による遅延時間を最適化しつつ最も配線の集積密度を向上させて配置した構造では0.2×S2<W2<5×S2、0.2×S2<T2<5×S2、0.2×S3<W3<5×S3、0.2×S3<T3<5×S3の範囲で配線構造が最適化される。
【0057】
また、第1の配線層1と第2の配線層2との距離H1が、第2の配線層2と第3の配線層3との距離H2より大きく(H1>H2)なっているので、第1の配線層1と第2の配線層2間の容量結合を防ぎ、第2の配線層2にクロストークノイズが生じるのを防ぐことができる。
【0058】
図2は第1の配線層1と第2の配線層2との距離H1が、第2の配線層2と第3の配線層3との距離H2よりも小さい(H1<H2)場合の従来比較例による多層配線構造を示す図である。その他の構造は図1に示す構造と同様である。
【0059】
この比較例の構造においても、グローバル配線層の単位面積当たりの配線抵抗を下げるため、第2の配線層2の配線膜厚T2は、第1の配線層1の配線膜厚T1より大きく(T1<T2)する。またグローバル配線層内の配線間の容量を低減するため、配線層内の最小配線間隔は、上層構造になるほど等しいか大きくする。またそれぞれの配線層1、2、3、4間の間隔は、それぞれの配線層1、2、3、4内の最小配線間隔よりも大きくすることによって、配線層間に起因する配線容量を低減する。
【0060】
しかしながらこの構造では、第1の配線層1と第2の配線層2の容量結合によって、第2の配線層2にクロストークノイズが生じてしまった。この構造ではグローバル配線層である第2の配線層2および第3の配線層3の信号電圧を低電圧化した場合ノイズが大きく信号を正しく伝送することが困難である。
【0061】
図3は、本発明の多層配線構造の駆動方法を説明する図であり、第1の配線層1の電圧パルスによる第2の配線層2の電圧上昇を説明する図である。図1の第1の配線層よりも上の構造を示している。
【0062】
ここで、第1の配線層1および第3の配線層3は、できるだけクロストークを減少させるため第2の配線層2と直交する方向に形成する。また、第1の配線層1は、配線膜厚T1、配線幅W1、配線間隔S1で稠密に形成されており、ある時刻以前でGND、ある時刻以後VDDとなるステップパルスが加えられているものとする。
【0063】
これは図4において、第2の配線層2の下に第1の配線層1内の配線が全て敷設され、振幅VDDで動作する論理回路が同時に配線電圧をVDDとなるように駆動された場合に相当する。また、第3の配線層3は、配線膜厚T3、配線幅W3、配線間隔S3で稠密に形成されており、各配線は接地されているものとする。また、第2の配線層2は、配線膜厚T2、配線幅W2、配線間隔S2で形成されているものとし、1つの配線は浮遊状態にあり、一端に電圧計14が接続されており、その1つの配線を除いて接地されているとする。
【0064】
図3において、先ず、第1の配線層1に0VからVDDのステップパルスが加えられると、第2の配線層2の電圧がΔVだけ容量性結合によって上昇する。ここでΔV/VDDは、次の関係式で得られる値と一致することを本発明者は新たに見出した。
【0065】
ΔV/VDD=[{0.0261−0.0945(T2/S2)}(H2/S2)+0.3657−0.0541(T2/S2)]×(H1/S2) {0.65+0.05(T2/S2)} 式(1)
ただし、1≦(H1/S2)≦3、0.5≦(T2/S2)≦3、および1/4≦(S1/S2)≦1/2で、また、W1≦2×T1、W3≦2×T3の範囲で±20%の誤差範囲内で式(1)で求められる。
【0066】
ここで第2の配線層2および第3の配線層3が同一配線幅、配線膜厚、配線間隔さで形成されている場合を考え、H2=T2=S2の条件で、H1=H2とする場合、式(1)よりΔV/VDD=0.24となり、容量性結合により、配線2にΔV=0.24VDDの電圧上昇が生じる。
【0067】
また、第1の配線層1に与える信号をVDDから0Vのステップパルスにした場合には、第2の配線層2に0.24VDD の電圧下降が生じる。
【0068】
よって、第2の配線層2の電圧振幅としては、最低2×0.24VDD=0.48VDDが必要となり、この電圧以下で配線層2の電圧を低電圧振幅させると誤動作が生じてしまう。
【0069】
そこでH1をH2より大きくし、特に、第2の配線層2の信号振幅をV1<VDDとして、H1>(VDD/V1)1.5×H2となるようにする。このようにすると、式(1)より、H1=H2でS2およびT2が同一の条件に比べて、少なくとも0.5≦(T2/S2)≦3の範囲で、ΔV/VDD≦0.24×(V1/VDD)となる。
【0070】
よって、本発明では、容量性結合による電圧上昇を0.24VDDから0.24V1以下とすることができ、比較例に比べクロストークを(V1/VDD)倍以下に抑えることができる。また、クロストークを(V1/VDD)倍以下に抑えることは、第1の配線層1の配線幅や配線間隔が変化した一般の配線レイアウトでも同様に成立する。
【0071】
上記したようにグローバル配線層である第2の配線層2内および第3の配線層3内の、層内で隣接した最小配線間隔の信号配線の電圧振幅をV1以下にすることで、第2の配線層2内で隣接する配線のクロストーク電圧は、層内で隣接した最小配線間隔の信号配線の電圧振幅をVDD以下にした場合に比較して、(V1/VDD)倍以下に抑えることができる。
【0072】
これらの方法では、第2の配線層2および第3の配線層3の配線線幅、配線間隔、および第2の配線層2と第3の配線層3との距離を変化させる必要がない。
【0073】
以上を組み合わせて用いることにより、本発明では第2の配線層2および第3の配線層3の容量結合によるクロストーク電圧すべてを、比較例の第2の配線層2および第3の配線層3に含まれる配線をVDD振幅で駆動した場合に比較して、(V1/VDD)倍以下に抑えることができる。この方法により、チップ内配線で第2の配線層2および第3の配線層3に含まれる配線の電圧振幅を、比較例の(V1/VDD)倍以下に抑えることができる。
【0074】
また、同じ考えをさらに第3の配線層3よりも上層の配線層に用いることにより、さらに上層の配線層も配線の電圧振幅を、(V1/VDD)倍以下に抑えることができる。
【0075】
なお、図1の構成で、第3の配線層3の電圧振幅を例えばVDDとし、第2の配線層2の論理電圧振幅を例えばVDDより低いV1とした場合には、第2の配線層2と第3の配線層3の距離を、H1よりも狭いH2のままでは、第3の配線層3から第2の配線層2へのクロストーク電圧振幅が±0.24VDD程度となるため、第2の配線層2のレシーバが誤動作してしまい、効果が十分には得られない。よって、第2の配線層2に対向する第3の配線層3の電圧振幅を抑えることで十分な効果が得られる。
【0076】
グローバル配線層である第2の配線層2および第3の配線層3およびこれより上層の配線層には、通常、VDD振幅の電圧駆動がなされる外部入出力端子が設けられている場合が多い。このVDD振幅の信号の端子から低電圧配線に対するクロストークについては、例えば、図5のような配線構造で減じることができる。
【0077】
図5は、第2の配線層2および第3の配線層3を貫くVDD振幅の信号配線構造の層間俯瞰図である。図4と同じ記号については、説明を省略する。
【0078】
第2の配線層2および第3の配線層3で、VDD振幅駆動される配線は配線15および配線16であり、図では示していないさらに上層の配線層の入力回路および出力回路へ接続されている。これら外部に対する入力回路および出力回路は、それぞれごく近隣に配置した素子で形成することができ、チップ内の配線はローカル配線層を用いることで十分実現できる。
【0079】
したがって第2の配線層2および第3の配線層3を貫く配線15、配線16の面積は、図5のように、さらに上部の配線へのコンタクトを形成するのに十分な最小面積でよい。よって第2の配線層2内または第3の配線層3内の隣接配線への容量結合も、配線15、配線16の断面積が小さいため小さくすることができる。この結果、配線15、配線16がグローバル配線層内を平行して長く形成されている場合に比較して、クロストークは、配線断面積にほぼ比例して非常に小さく保つことができる。
【0080】
また、図5では、配線15および配線16に隣接して、例えば、GNDやVDDなど一定の電位を有する配線17が隣接して形成され配線15および配線16をシールドしている。配線17と、配線15および配線16の面内での距離は、最小配線間隔となるように形成されるのが望ましい。
【0081】
また、例えば配線16と同一層に含まれた配線17は、配線16と配線18との間隔を一定とした場合、配線16の容量結合による同一層内の低電圧振幅配線18へのクロストークを、配線17が無い場合の1/10以下に減少させることができ、密に配線を形成しつつクロストークを減少させることができることが実験により分かった。
【0082】
同様に、配線15と同一層に含まれた配線17は、配線18との間隔を一定とした場合、同一層内の低電圧振幅配線18への配線16からの容量結合によるクロストークを減少させる。この場合、配線15と配線18との距離を、配線層2の最小配線間隔S2よりもk倍大きくすることにより、配線18に生ずるクロストークを最小配線間隔で配置した場合の(1/k)倍以下に低減することができることがわかった。
【0083】
以上の方法を用いることにより、VDD振幅の信号の端子から低電圧配線に対するクロストークを低減できる。
【0084】
また、外部入出力端子の数は、トランジスタゲート数をNとして、トランジスタ数に比較してゲートアレイでも高々1.9×N0.5[本]である。ちなみに、ゲートアレイは、マイクロプロセッサ、スタティックRAM、ダイナミックRAM、ゲートアレイの間で最もゲート数に対する外部入出力端子の数が多い。この場合、トランジスタを用いたチップ内総配線数〜3×Nに比較して、106個以上のトランジスタ数で0.07%以下であり、その全配線に対する割合はトランジスタ数が増すにつれN 0.5で減少する。
【0085】
ここで、図5のビット線シールド方法によるグローバル配線層の配線面積は、ビット線シールドを行わない場合の配線面積に比べて高々4倍程度しか増加せず、第2の配線層2の最小配線ピッチを2Fとして、36F2程度の面積しか占有しない。よって、例えば、配線ピッチを2μmとすると、図5で示したビット線シールドによる面積増大は、36F2×(4−1)倍〜100μm2程度で、全入出力ピン合わせても106個×0.07%×100μm2〜0.07mm2より面積が小さく、通常10mm2以上あるVLSI回路チップではチップ面積増大の割合は非常に小さい。
【0086】
さらに、VDD振幅の信号の端子から低電圧配線に対するクロストークを低減するために、VDD電圧振幅の第1の配線層1および配線層4を通過させ、低電圧信号を第2の配線層2および第3の配線層3に伝達する場合にも、第1の配線層1および配線層4に対して図5と同様の配置を用いることができる。
【0087】
この低電圧配線は、他のVDD電圧振幅の第1の配線層1および配線層4と接続する必要がないため、図5の配線15や配線16と同様に第1の配線層1および配線層4内では配線断面積を小さく保った矩形形状で形成することができる。
【0088】
よって、第1の配線層1および配線層4でのVDD電圧振幅の隣接配線からの容量結合も、第1の配線層1および配線層4での低電圧配線の配線断面積が小さいため小さくすることができる。この結果、クロストークは、配線が平行して長く形成されている場合に比較して、配線断面積にほぼ比例して非常に小さく保つことができる。
【0089】
次に、図6はVDD振幅の配線駆動回路の例である。図7から図12は本発明のグローバル配線層を駆動するための低電圧振幅回路の例である。
【0090】
図6から図12においてインバータINV1からINV11までは、例えば電源電圧がVDDのCMOSインバータを示しており、NAND1からNAND2まで、およびNOR1からNOR2までは、例えば電源電圧がVDDのNAND回路およびNOR回路を示している。ここで、Cintが配線容量を示し、Cintが接続されている部分が配線となっており、配線層1、2、3、4に対応した符号をつけている。
【0091】
図6では配線ドライバであるCMOSインバータINV1の出力が、Cintの容量を有した配線層1または配線層4の一端に接続され、その配線の他の一端が配線レシーバであるインバータINV2の入力に接続されている。これらによって、VINの入力電圧が、配線層1または配線層4を通じてVOUTに出力される。
【0092】
本発明では図6のVDD配線駆動回路はローカル配線層である配線層1および配線層4を駆動するために用いればよくCMOS回路の配線駆動回路からの変更は必要ない。
【0093】
また、グローバル配線層である第2の配線層2および第3の配線層3は、例えば図7の低電圧振幅回路を用いる。図7は、いわゆるスタティックセンスアンプ回路であり、例えば、"VLSIシステム設計 回路と実装の基礎",H.Bakoglu著、中澤喜三郎、中村宏監訳、平成7年3月30日発行、丸善株式会社、pp.184〜198に記載されている回路である。
【0094】
この回路において、n型MISFET Qn1が配線ドライバとなり、p型MISFET Qp1およびインバータINV3、INV4、INV5が配線レシーバとなる。
【0095】
n型MISFET Qn1がoffの時、配線層2の配線はp型MISFET Qp1によって充電されるが、インバータINV3の論理反転電圧よりもすこし高くなると、Qp1がオフとなって、充電が止まり、配線層2の電圧はVDDよりも小さい値で留まる。また、n型MISFET Qn1がonの時は、n型MISFET Qp1とp型MISFET Qn1のチャネル抵抗比によって決まる電圧に配線層2の電圧はクランプされ、0Vまで低下することはない。
【0096】
以上から第2の配線層2の電圧振幅はVDDより小さくV1とすることができ、第2の配線層2を充電する電力を(V1/VDD)2倍に低減することができる。
【0097】
ここで、この回路は、電源電圧としてVDDのみを用いているにも関わらず、第2の配線層2の電圧を0Vより高くVDDより低く抑えることができる。VDDの信号振幅を有する図6の回路では、配線レシーバ第一段のインバータINV2を形成するn型MISFETのしきい値をVthnとし、p型MISFETのしきい値をVthpとすると、インバータINV2の入力電圧がVthn以下と(VDD-Vthp)以上の範囲では、それぞれn型MISFET、p型MISFETがonしないため、この電圧範囲で入力電圧変化が生じても出力電圧は変化せず、入力信号に対する出力遅れが生ずる。
【0098】
このため、図7において、これらQn1およびQp1のトランジスタ幅を調整して、この第2の配線層2の電圧範囲を、インバータINV3を形成するn型MISFETのしきい値Vthn以上にし、インバータINV3を形成するp型MISFETのしきい値をVthpとして、(VDD-Vthp)以下にするようにすれば、前述の、図6のインバータで生ずるトランジスタのしきい値に起因する不感帯に起因する入出力の遅れを低減でき、より高速に動作できる。実際、図7の回路で0.4VDDの電圧振幅となるように設計し、VINとVOUTとの遅延時間を調べた。トランジスタしきい値を0.2VDDとし、配線ドライバ終段のトランジスタ抵抗をRとしF/O=1のインバータの遅延時間をτ0とすると、VINからVOUTまでの50%遅延時間は0.5×Cint×R+3×τ0以下であり、図6のCMOSインバータで配線層2を駆動した場合の50%遅延時間0.7×Cint×Rよりも配線容量Cintが支配的な領域で高速化できることが判明した。
【0099】
また、図7の回路で第2の配線層2を駆動した場合、配線層充放電に伴う消費電力も図6のCMOSインバータの16%まで低減できる。さらに、信号を伝達する長い配線は図6の回路の場合と同様に1本で良く、グローバル配線層での配線数の増加もない。勿論、電源電圧はVDDのみで良いので、新たな電源電圧線も不要である。
【0100】
特に、図7から図11までに示すレシーバでは、図6に示すレシーバのような、レシーバトランジスタのしきい値VthnおよびVthpに起因する不感帯の入力電圧範囲がない。よって、この不感帯分、第2の配線層2の電圧振幅を小さくしても、配線遅延が増大しない。ここで、VthnとVthpは、0.15×VDD以上とすることが、図6のCMOSインバータを用いたレシーバで、貫通電流を減らすのに望ましい。よって、配線遅延を増大させずに、V1≦VDD-Vthp-Vthn≦0.7×VDDとすることが可能で、配線充放電に伴う消費電力を小さくできる。これは、すなわち、H1≧(VDD/V1)1.5×H2≧1.7×H2の構造で実現することができる。
【0101】
図8に示す駆動回路は、Qp1の代りにn型MISFET Qn2を用いた例であり、Qn1とQn2は同導電性のトランジスタであり、マッチングが取り易くなる。
【0102】
また、図9に示す駆動回路は、いわゆるVDD/2プリチャージ回路であり、第2の配線層2或いは第3の配線層3より左側が第2の配線層2或いは第3の配線層3に対するドライバになっている。また、第2の配線層2或いは第3の配線層3より右側が配線に対するレシーバとなっており、第2の配線層2或いは第3の配線層3の電圧はVDD/2を中心にVDDより小さい電圧振幅で動作する。
【0103】
ここで、Φ1とΦ2は、図13で示されるような2相のオーバラップのないクロックであり、Φ1がhighの時に、配線層をほぼVDD/2に充電するプリチャージ期間となり、Φ2がhighの時に、信号伝達を行う。このようにすることにより、図7および図8の回路でトランジスタQn1が導通状態の時に存在した直流電流を削減することができる。
【0104】
また、図10に示す回路は、図7のスタティックセンスアンプ回路にクロックを追加したクロック付きセンスアンプである。この回路でもトランジスタQn1が導通状態の時に存在した直流電流消費を削減することができる。
【0105】
これら図9および図10に示す回路は、Φ1およびΦ2という外部クロック入力の配線を必要とする。また、VIN入力のHIGH期間が長く、図7の回路のトランジスタQn1がonになることによる配線電力消費が問題となる場合には、例えば、図11に示す回路のように、図7の相補型となる回路を用いればよい。
【0106】
以上、図7から図11に示す低電圧振幅回路を、グローバル配線層を駆動するために用いると、配線遅延時間を短縮し、信号を伝達する長い配線は図6の駆動回路を用いた場合と同様に1本で良く、配線数の増加もない。さらに、電源電圧はVDDのみで良いので、新たな電源電圧線も不要である。さらに、回路面積の増大も図6の駆動回路をグローバル配線層に用いた場合に比較して2倍以下である。
【0107】
さらに、図12で示す駆動回路のように、長い配線を複数に分割し、図7から図12までの低電圧振幅回路を直列に接続することにより、低電圧振幅のリピータを形成することによって、信号遅延を改善することができる。また、配線抵抗よりも配線容量が問題となる場合は、低電圧振幅回路の前段にだんだんとサイズが大きくなるように直列接続したインバータINV10,INV11を接続し、カスケードドライバを形成することによって、遅延時間を改善できる。このカスケードドライバは、ごく近接したトランジスタ配置によって形成することができ、前記低電圧振幅回路のグローバル配線層の層数の増加を行わずにグローバル配層は低電圧振幅回路として形成することができる。
【0108】
以上述べた構成は、以下の特徴を有する。
【0109】
先ず、配線層の層数の追加なしに、低消費電力化および配線遅延による遅延時間の改善が同時にできる。低消費電力化は、グローバル配線層の配線電圧振幅がVDDより小さいためであり、その振幅をV1、グローバル配線の総容量をCu、ローカル配線層の総容量とトランジスタの接合総容量とゲート容量の和をCdとして、同一クロック周波数で(Cu×V1 2+Cd×VDD 2)/(Cu×VDD 2+Cd×VDD 2)の割合に電力を低消費電力化できる。この際、同時に、図7の駆動回路を用いて詳述したように、配線遅延時間も最大71%に短縮する。よって、より、配線遅延起因の回路スキューを減少させることができ、より高速で誤動作の少ない回路を実現できる。
【0110】
また、グローバル配線層の動作電圧をVDDよりも低電圧化でき、スイッチングに伴う電流もCMOSインバータよりも小さくできるので、より、グローバル配線層の電流密度を小さくしエレクトロマイグレーションや層間膜絶縁性などの信頼性の問題を緩和することができる。
【0111】
さらに、グローバル配線層の発する電磁ノイズを低減することができ、電磁ノイズによる電源電圧変動や、センス回路の誤動作を防ぐことができる。勿論、低消費電力化に伴い、充放電に伴う発熱の減少によって、配線の熱履歴の低下による信頼性の向上や、電源配線の薄膜化や電源配線の割合を減少させることやトランジスタの接合リークを小さくでき、より高信頼性・低リークで高集積化を実現することができる。
【0112】
また、配線層の層数の追加が必要ないので、層間接続の不良など追加層に起因する不良発生や信頼性低下、配線層の大幅なレイアウト変更がなく、製造工程増大による生産性低下もない。
【0113】
低論理電圧振幅回路の配線ドライバと配線レシーバを置き換えるだけで従来回路設計の手法およびツールをそのまま用いることができ、多電源電圧対応や多信号振幅対応を行う必要がない。すなわち、従来回路設計の論理設計まではなんら変更を必要としないし、レイアウト設計レベルにおいても図14の手順で設計すれば配線遅延時間のモデルを修正するだけで大幅なレイアウト変更なく実施することができ、従来のCADツールを用いることができる。
【0114】
図14は、従来のレイアウト設計ツールをそのまま用いて本実施形態の回路配線を実現する手法を示している。まず、符号20で示したように、グローバル配線層およびローカル配線層の区別なくすべてVDD電圧とした回路のレイアウトを設計する。
【0115】
先ず、グローバル配線層を選択し、グローバル配線層に割り当てられる配線を決定する。次に、CADツールを用いて、グローバル配線層に属する配線を抽出する。ここで、グローバル配線層で用いる配線ドライバおよびレシーバは、それぞれ隣接した素子で形成することができローカル配線層のみを用いて配線ドライバ内およびレシーバ内の結線は実現できる。
【0116】
また、ローカル配線層が2層配線以上の場合には、前記低電圧振幅配線ドライバおよびレシーバの、CMOSインバータによるドライバおよびレシーバからの面積増大は2倍以内であり、デザインルールをFとして、500F2以下で実現できる。
【0117】
また、配線遅延によってチップの動作速度が限定される多層配線を形成する状況では、トランジスタの最小寸法によって決まる最小面積は、配線によって決まるチップ面積よりも小さくなり、トランジスタの配置には余裕がある状態になる。よって、符号20で抽出したグローバル配線層とローカル配線層が最適配置として割り当てられている場合、グローバル配線層とローカル配線層との割り当ては変化させずに、ローカル配線層の低電圧ドライバ付近のレイアウトを修正することで、配線遅延の高速化することができる。
【0118】
次に、符号22で配置したダミー回路を、符号24で配線ドライバと配線レシーバとに置き換えすればレイアウトが完成する。
【0119】
さらに、図7および図8に示したスタティックセンスアンプ回路では、図6で示したCMOSインバータ回路に比較して、配線容量がファンアウト1のインバータ容量の100倍以上では、回路面積は0.8倍以下と小さくなる。この場合には、図6のCMOS回路で形成された配線ドライバと配線レシーバを用いて配線のレイアウト設計を行い、グローバル配線層に接続される配線ドライバとレシーバを、他の配線構造のなんらレイアウト変更を伴わずに本スタティックセンスアンプ回路に置き換えることができ、全て自動化設計することが容易にできる。勿論、図14で示した最適化を行えば、CMOS回路で形成された配線ドライバと配線レシーバを用いた場合よりも回路面積を縮小化できる。この場合は、グローバル配線層のリソグラフィ条件およびマスクはそのまま用いることができ、従来の構造プロセスが構築されていれば、非常に安価に高速・低消費電力化が実現できる。
【0120】
また本発明は、従来の方法と比較して配線層の積層方向の変更は、グローバル配線層とローカル配線層との間の層間膜厚さだけであり、製造工程数の増大がない。また、グローバル配線層間およびローカル配線層間では、従来の配線線幅、配線間隔、および層間膜厚さのままでよく、上下左右方向の隣接配線から生じるクロストーク電圧をすべて(V1/VDD)倍にスケーリングすることができる。よって、既に従来の構造の回路で回路検証やプロセス検証のとれた配線配置をそのまま用いることができる。
【0121】
また、配線層高さは第1の配線層1と第2の配線層2との間の層間膜高さが増加しただけであり、他の配線層は層間膜を増加させる必要がないので、層間膜増加にともなう膜応力起因の欠陥の発生を他の配線層の膜厚も増加させた場合よりも減少させることができる。
【0122】
次に、水平方向に低電圧振幅回路とVDD振幅回路を設けた場合には、低電圧振幅回路の多層配線の隣接するグローバル配線層およびローカル配線層の論理電圧振幅を抑える必要があり、例えば、電源供給層などの一定電圧の層を挿入する必要があるが、本方法ではその必要はなく、よりチップ内の有効配線面積を広く用いることができる。
【0123】
(実施形態2)
図15は、本発明の実施形態2にかかる半導体装置の半導体基板領域を含めた配線構造の積層断面図を示す。図1と同一部分には、同一符号をつけてその説明を省略する。
【0124】
本実施形態では、実施形態1における第3の配線層3の上にさらに第4の配線層12を形成したもので、第1の配線層1と第2の配線層2の間隔H1を第3の配線層3と第4の配線層12の間隔H2よりも大きくしたものである。
【0125】
図15において、第2の配線層2より下部は、実施形態1で説明した構造と等しいので省略する。
【0126】
第2の配線層2の上部には、絶縁膜13がH1よりも大きい厚さとなるように全面堆積され、例えば、WやRu、Ti、TiN、Cu、Al、AlCuからなる配線層間のコンタクト6が形成されている。この配線コンタクト6の径は、配線コンタクト5の径と等しいか大きくなる。
【0127】
さらに、配線コンタクト6は、例えば、W、Cu、Al、AlCuからなる第3の配線層3が形成されている。第3の配線層3の膜厚は、第1の配線層1の膜厚よりも大きく、積層面での単位面積あたりの配線抵抗を下げている。さらに、この第3の配線層3内の配線間隔S3は、第1の配線層1内の配線間隔S1よりも大きく形成され、第3の配線層3に含まれる配線間の容量を抑制し、配線抵抗と配線容量の積を小さくし、第1の配線層1よりも遠い回路ブロック間の配線に用いられ、第3の配線層3の配線長は第1の配線層1の配線長よりも長くなる。
【0128】
また、第3の配線層3の最小線幅W3を第1の配線層1の配線幅W1よりも大きくし、配線抵抗を低減している。第2の配線層2および第3の配線層3は、直交した方向に延在して形成され、同じ膜厚、線幅で形成されることが、ランダムなブロックの配線を、集積密度を向上させて形成するのに望ましい。
【0129】
さらに、第2の配線層2と第3の配線層3とは、平行な方向に形成されるよりも直交した方向に延在して形成されることが、配線層間のクロストークを減少させるのに望ましい。
【0130】
さらに、第3の配線層3上には、絶縁膜13がH2の高さで全面堆積され、例えば、図示されていないが、W、Ru、Ti、TiN、TaN、Cu、Al、AlCuからなる配線層間の配線コンタクトが形成されている。この配線コンタクトの径は、配線コンタクト6の径と等しいか大きくなる。
【0131】
さらに、配線コンタクト上には、例えば、W、Cu、Al、AlCuからなる第4の配線層12が形成されている。第4の配線層12の膜厚は、第1の配線層1の膜厚よりも大きく、積層面での単位面積あたりの配線抵抗を下げている。さらに、この第4の配線層12内の配線間隔S4は、第1の配線層1内の配線間隔S1よりも大きく形成され、第4の配線層12に含まれる配線間の容量を抑制し、配線抵抗と配線容量の積を小さくし、第1の配線層1よりも遠い回路ブロック間の配線に用いられ、第1の配線層12の配線長は配線1の配線長よりも長くなる。
【0132】
また、第4の配線層12の最小線幅W12は第1の配線層1の最小配線幅W1よりも大きくなり、配線抵抗を低減している。第4の配線層12と第3の配線層3とは、平行な方向に形成されるよりも直交した方向に延在して形成されることが、配線層間のクロストークを減少させるのに望ましい。
【0133】
ここで、本実施形態では、グローバル配線の配線層間隔の1つであるH2が、ローカル配線層とグローバル配線層との距離H1よりも小さくなる。ここで、特に、第2の配線層2および第3の配線層3、配線層4の信号振幅をV1として、H1>(VDD/V1)1.5×H2とする。このような構造でも、第1の配線層1からのクロストークを(V1/VDD)倍以下にすることができ、グローバル配線層の論理電圧振幅をV1まで減少させることができる。勿論、図15では示していないが、第4の配線層12よりさらに上層に積層方向に隣接する層間隔の最小値をH2として、H1>(VDD/V1)1.5×H2を満足させることにより、ローカル配線層の容量結合によるクロストークをすべて(V1/VDD)倍以下にでき、グローバル配線層の論理電圧振幅をV1まで減少させることができる。
【0134】
本実施形態では、実施形態1に比較して、第2の配線層2と第3の配線層3との距離が離れているため、より第2の配線層2と第3の配線層3とのクロストークを小さくすることができる。
【0135】
本発明は、素子分離膜や絶縁膜形成法自身は、シリコンをシリコン酸化膜やシリコン窒化膜に変換するこれら以外の方法、例えば酸素イオンを堆積したシリコンに注入する方法や、堆積したシリコンを酸化する方法を用いてもかまわない。
【0136】
また、ゲート絶縁膜や層間絶縁膜13は、SiN膜、アモルファスカーボン膜、TiO2やアルミナ、あるいは、タンタル酸化膜、チタン酸ストロンチウムやチタン酸バリウム、チタン酸ジルコニウム鉛や、HSQ(hydrogen silsesquioxane)、MSQ(methyl silsesquioxane)、または、PAE(poly arylene ether)、ポリイミド、などの有機絶縁膜、それら積層膜を用いても構わない。
【0137】
また、半導体基板10としてp型Si基板を用いたが、代わりにn型Si基板やSOI基板のSOIシリコン層、またはSiGe混晶、SiGeC混晶など、シリコンを含む単結晶半導体基板であればよい。
【0138】
また、ゲート電極8は、p型多結晶SiやSiGe混晶、またはAlやTiN、TaN、Al,Cuといった金属や、これらの積層構造にしてもよい。
【0139】
また、トレンチ素子分離11を形成した例を示したが、トレンチ素子分離ではなく、例えば、メサエッチングやLOCOS素子分離でもよい。
【0140】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々に変形して実施することができる。
【0141】
【発明の効果】
本発明は、CMOS論理回路の回路レイアウトや配線構造の大幅な変更を伴わずに、配線遅延を低減し、低消費電力化と高速化を両立させる半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態1にかかる半導体装置の断面図。
【図2】 比較例の半導体装置の断面図。
【図3】 本発明の実施形態1にかかる半導体装置の駆動方法を説明するための断面図。
【図4】 本発明の実施形態1にかかる半導体装置の斜視図。
【図5】 本発明の実施形態1にかかる半導体装置の斜視図。
【図6】 本発明のローカル配線層を駆動するための駆動回路図。
【図7】 本発明のグローバル配線層を低電圧駆動するための低電圧駆動回路。
【図8】 本発明のグローバル配線層を低電圧駆動するための低電圧駆動回路。
【図9】 本発明のグローバル配線層を低電圧駆動するための低電圧駆動回路。
【図10】 本発明のグローバル配線層を低電圧駆動するための低電圧駆動回路。
【図11】 本発明のグローバル配線層を低電圧駆動するための低電圧駆動回路。
【図12】 本発明のグローバル配線層を低電圧駆動するための低電圧駆動回路。
【図13】 本発明の半導体装置を駆動するための信号電圧の関係を示す図。
【図14】 本発明の半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャート。
【図15】 本発明の実施形態2にかかる半導体装置の断面図。
【符号の説明】
1…第1の配線層
2…第2の配線層
3…第3の配線層
4…配線層
5…配線コンタクト
6…配線コンタクト
7…配線コンタクト
8…ゲート電極
9…ソース/ドレイン
10…半導体基板
11…素子分離領域
12…第4の配線層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor logic circuit having a multilayer wiring structure that achieves both low power consumption and high speed.
[0002]
[Prior art]
In a large-scale integrated semiconductor logic circuit composed of CMOS transistors, semiconductor elements are further miniaturized. On the other hand, the chip size is increasing year by year, and the wiring length in the chip is becoming longer.
[0003]
As the wiring length in the chip becomes longer, the wiring resistance and wiring capacitance become larger than the channel resistance and diffusion layer capacitance of the transistor that drives the wiring. Then, since the operation speed of the circuit is determined by the product of the wiring resistance and the wiring capacitance, the operation speed of the device is not further increased no matter how fast the semiconductor element such as a transistor becomes.
[0004]
For this reason, the operation speed of the circuit can be improved by increasing the wiring film thickness or wiring width to reduce the resistance, and widening the wiring interval to reduce the wiring capacitance. However, simply increasing the wiring film thickness and widening the wiring interval is not suitable for wiring an increasingly highly integrated logic circuit.
[0005]
Therefore, as a wiring structure suitable for a highly integrated logic circuit, there is a multilayer wiring structure having a plurality of wirings on a semiconductor chip. Of the logic circuits formed on the semiconductor chip, wiring between adjacent logic circuits is performed by a lower layer local wiring with a reduced wiring pitch, and wiring between separated logic circuits is performed by an upper layer global wiring. In the global wiring, the wiring film thickness and the wiring width are made larger than the local wiring, and the wiring interval is widened (Japanese Patent Laid-Open No. 6-13590).
[0006]
However, the clock frequency of the logic circuit increases with the scaling of miniaturization, and the number of wirings in the wiring layer also increases. Therefore, there is a problem that the power required for charging and discharging the capacitance of the wiring layer is greatly increased even in the multilayer wiring structure described above. .
[0007]
In the conventional multilayer wiring structure, it is difficult to reduce the electric power accompanying the charging / discharging of the wiring capacity while improving the wiring delay without increasing the number of wiring layers.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above problems, and reduces wiring delay and achieves both low power consumption and high speed without significantly changing the circuit layout and wiring structure of a CMOS logic circuit. An object of the present invention is to provide a semiconductor device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention includes a semiconductor substrate,
A semiconductor element circuit formed on the semiconductor substrate;
A first wiring layer formed on the semiconductor substrate via an insulating film and electrically connected to the semiconductor element;
A second wiring layer formed on the first wiring layer via an insulating film;
A third wiring layer formed on the second wiring layer via an insulating film,
The wiring thickness of the first wiring layer is smaller than the wiring thickness of the second wiring layer and the wiring thickness of the third wiring layer,
A distance between the first wiring layer and the second wiring layer is greater than a distance between the second wiring layer and the third wiring layer.
[0010]
At this time, it is preferable that the first wiring layer, the second wiring layer, and the third wiring layer are laminated in this order without any other wiring layers.
[0011]
  At this time, the distance between the first wiring layer and the second wiring layerIs, Distance between the second wiring layer and the third wiring layerEqual to or greater than 1.7 timesIt is preferable that
[0012]
Further, it is preferable that an interval between adjacent wires in the first wiring layer is smaller than an interval between adjacent wires in the second wiring layer and an interval between adjacent wires in the third wiring layer. .
[0013]
The wiring width of the first wiring layer is preferably smaller than the wiring width of the second wiring layer and the wiring width of the third wiring layer.
[0014]
In addition, it is preferable that the wiring of the first wiring layer and the wiring of the second wiring layer have a crossover layout.
[0015]
  Further, the second wiringLayer andThe third wiringLayeredThe voltage amplitude is the first wiringLayer of electricityThe pressure amplitude is preferably smaller than the pressure amplitude.
[0016]
The power supply voltage of the semiconductor element is VDDThen, the voltage amplitude of the first wiring layer is also VDDIt is preferable that
[0017]
Further, the voltage amplitude of the second wiring layer is set to V1Then, the distance between the first wiring layer and the second wiring layer is the distance (V) between the second wiring layer and the third wiring layer.DD/ V1)1.5It is preferable to be larger than twice.
[0018]
Further, it is preferable that the first wiring layer is directly connected to the semiconductor element.
[0019]
  The second wiring layerMultiple arrangementsThe voltage amplitude of the line is preferably 0.48 VDD or less.
[0020]
The second invention is a semiconductor substrate;
A semiconductor element formed on the semiconductor substrate;
A first wiring layer formed on the semiconductor substrate via an insulating film and electrically connected to the semiconductor element;
A second wiring layer formed on the first wiring layer via an insulating film;
A third wiring layer formed on the second wiring layer via an insulating film;
A fourth wiring layer formed on the third wiring layer via an insulating film,
The wiring thickness of the first wiring layer is smaller than the wiring thickness of the second wiring layer, the third wiring layer, and the fourth wiring layer,
A distance between the first wiring layer and the second wiring layer is greater than a distance between the third wiring layer and the fourth wiring layer.
[0021]
At this time, it is preferable that the first wiring layer, the second wiring layer, and the third wiring layer are laminated in this order without any other wiring layers.
[0022]
  At this time, the distance between the first wiring layer and the second wiring layerIs, Distance between the third wiring layer and the fourth wiring layerIs equal to or greater than 1.7 timesIt is preferable to increase.
[0023]
  Further, the interval between adjacent wires in the first wiring layer is smaller than the interval between adjacent wires in the second wiring layer and the interval between adjacent wires in the third wiring layer.Is preferred.
[0024]
Moreover, it is preferable that the space | interval of the adjacent wiring of the said 1st wiring layer is smaller than the space | interval of the adjacent wiring of the said 4th wiring layer.
[0025]
In addition, it is preferable that the wiring of the first wiring layer and the wiring of the second wiring layer have a crossover layout.
[0026]
  Further, the second wiring layerThe voltage amplitudes of the third wiring layer and the fourth wiring layer are the same as the first wiring layer.It is preferable that the voltage amplitude is smaller.
[0027]
The power supply voltage of the semiconductor element is VDDThen, the voltage amplitude of the first wiring layer is also VDDIt is preferable that
[0028]
Further, the voltage amplitude of the second wiring layer is set to V1Then, the distance between the first wiring layer and the second wiring layer is (V) between the third wiring layer and the fourth wiring layer.DD/ V1)1.5It is preferable to be larger than twice.
[0029]
Further, it is preferable that the first wiring layer is directly connected to the semiconductor element.
[0030]
  Further, the second signal wiring layerMultiple arrangementsThe voltage amplitude of the line is preferably 0.48 VDD or less.
[0031]
In the present invention, the power supply voltage is VDD, The voltage amplitude of the global wiring composed of the second signal wiring layer and the third signal wiring layer is represented by VDDSmaller voltage V1When the distance between the first signal wiring layer (local wiring layer) and the second signal wiring layer is H1, and the distance between the second signal wiring layer and the third signal wiring layer is H2, H1> 0.4 ×. H2 (VDD / V1) So that H1 is larger than H2 so that the voltage amplitude V at the local wiring layerDDCan be prevented from malfunctioning on the global wiring due to capacitive coupling.
[0032]
Further, according to the present invention, since the voltage amplitude in the global wiring layer is made smaller than the voltage amplitude in the local wiring layer, charging / discharging in the global wiring layer can be reduced, so that lower power consumption can be realized.
[0033]
The present invention also includes a semiconductor substrate,
A semiconductor element formed on the semiconductor substrate;
A local wiring layer formed on the semiconductor substrate via an insulating film and electrically connecting the semiconductor elements;
A first wiring layer formed on the local wiring layer via an insulating film and electrically connected to the local wiring layer; and a second wiring layer formed thereon,
The wiring thickness of the local wiring layer is thinner than the wiring thickness of the first wiring layer and the wiring thickness of the second wiring layer,
A distance between the local wiring layer and the first wiring layer is greater than a distance between the first wiring layer and the second wiring layer.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0035]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 4 shows a planar layout of each layer when an internal structure of a wiring layer is viewed from obliquely above. In FIG. 4, in order to make the wiring layer easier to understand, the semiconductor substrate region and the contact are omitted, and the connection relationship between the contact and the wiring is shown by a dotted line.
[0036]
In the present embodiment, the wiring layers are a local wiring layer (wiring layer 4 and first wiring layer 1) and a global wiring layer (second wiring layer 2 and third wiring layer 3) formed on the local wiring layer. ). The distance between the global wiring layer and the local wiring layer is wider than the distance between the global wiring layers, the wiring film thickness of the global wiring layer is made larger than the wiring film thickness of the local wiring layer, and the voltage amplitude of the global wiring layer is It is lower than the voltage amplitude of the layer. The wiring layer 1 is a first wiring layer, the wiring layer 2 is a second wiring layer, and the wiring layer 3 is a third wiring layer. The wiring layer 4 is formed below the first wiring layer 1 and functions as a local wiring layer. This will be described in more detail below.
[0037]
As shown in FIG. 1, a semiconductor substrate 10 is made of boron or indium with an impurity concentration of 1014~Ten18cm-3It is formed of a p-type semiconductor made of doped silicon, for example.
[0038]
On the p-type semiconductor substrate 10, a MISFET is formed which includes a source / drain region 9, a channel region sandwiched between them, and a gate electrode 8 formed on the channel region via a gate insulating film. Yes. A plurality of these MISFETs are formed and constitute the semiconductor logic circuit 100.
[0039]
Among MISFETs, n-type MISFETs have an impurity concentration of 1019cm-3A channel made of the following p-type impurity doped region, a gate insulating film made of a silicon oxide film or silicon nitride film having a thickness of 10 nm or less, and an impurity concentration of 10 formed on the gate insulating film19cm-3The polysilicon gate electrode 8 to which the above P (phosphorus) or As (arsenic) is added, and the impurity concentration 10 formed on both sides of the gate electrode 819cm-3The source / drain region 9 is made of an n-type semiconductor region within a depth of 0.5 μm to which P (phosphorus) or As (arsenic) is added. Similarly, a p-type MISFET is formed on the semiconductor substrate 10 to form a switch element of an n-type MISFET and a complementary semiconductor logic circuit.
[0040]
On the semiconductor substrate 10 on which these n-type MISFETs and p-type MISFETs are not formed, an element isolation region 11 made of a silicon oxide film is formed at a depth of 0.05 μm to 1 μm to separate individual MISFETs 100.
[0041]
A wiring layer 4 is formed on the MISFET 100 constituting these logic circuits via an interlayer insulating film 13. A first wiring layer 1 is formed on the wiring layer 4 via an interlayer insulating film 13. The wiring layer 4 and the first wiring layer 1 constitute a local wiring layer. A second wiring layer 2 is formed on the first wiring layer via an interlayer insulating film 13. A third wiring layer 3 is formed on the second wiring layer 2 via an interlayer insulating film 13. The second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 constitute a global wiring layer. The interlayer insulating film 13 is made of, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film, and is also formed between the wiring layers 4, the first wiring layer 1, the second wiring layer 2, and the third wiring layer 3.
[0042]
Here, the local wiring layer is connected to the transistors constituting the semiconductor logic circuit 100 on the semiconductor substrate 10. However, when there are two or more wiring layers connected to the transistors constituting the semiconductor logic circuit 100, the present invention The local wiring layer in FIG. 1 covers the lowermost layer to the second layer. The global wiring layer is formed on the local wiring layer and is connected to the local wiring layer. The global wiring layer is formed on the local wiring and has two wiring layers connected to the local wiring layer. When there are more layers, the global wiring layer in the present invention covers the uppermost layer to the second layer. Therefore, to apply the present invention, a multilayer wiring layer having at least one local wiring layer and two global wiring layers is required. In order to avoid increasing the normal wiring capacitance and to provide a contact at an arbitrary position of the element or wiring, if one layer is a wiring extending in the X direction, for example, the other layer is in the Y direction perpendicular to the X direction. The wiring is extended. That is, in order to give each of the local wiring layer and the global wiring layer freedom of contact, a multilayer wiring of four or more layers is required.
Further, the distance between the local wiring layer and the global wiring layer described in the present invention is the distance between the uppermost local wiring layer and the lowermost global wiring layer.
[0043]
Note that the wiring refers to a signal wiring used for signal transmission of the semiconductor logic circuit. The wiring material of each wiring layer 1, 2, 3, 4 can use W, Cu, Al, or AlCu.
[0044]
A wiring contact 7 is formed on the source / drain region 9 of the MISFET on the semiconductor substrate 10 and is connected to the wiring layer 4 in the local wiring layer. The wiring contact 7 is made of W, Ru, TaN, Ti, TiN, Cu, Al, or AlCu, and has a height of 0.1 μm to 2 μm and a diameter of 0.03 μm to 1 μm.
[0045]
The wiring width of the wiring layer 4 is such that the diameter of the contact 7 is made small by minimizing misalignment with the MISFET formed on the semiconductor substrate 10. In this way, the integration density of the MISFET is improved. The contacts 5 and 6 in the wiring layers 1, 2, and 3 positioned above the wiring layer 4 may be larger than this.
[0046]
As described above, the wiring of the wiring layer 4 is a local wiring layer for improving the degree of integration, which is used for a relatively short wiring for connecting adjacent semiconductor logic circuits. Therefore, it is desirable for improving the integration density that the minimum line width of the wiring layer 4 is 0.03 μm to 1 μm, and the minimum wiring layer interval is 0.03 μm to 1 μm, similarly to the wiring width.
[0047]
A wiring contact 5 is formed on the wiring layer 4 and connected to the first wiring layer 1 which is another local wiring layer. The wiring contact 5 is made of W, Ru, TaN, Ti, TiN, Cu, Al, or AlCu, and has a height of 0.03 μm to 1 μm and a diameter of 0.03 μm to 1 μm. The diameter of the wiring contact 5 is preferably equal to or larger than the diameter of the wiring contact 7 in order to reduce the resistance of the contact portion of the first wiring layer 1.
[0048]
The first wiring layer 1 extends in a direction orthogonal to the wiring layer 4 so that the semiconductor logic circuit region 100 disposed at random positions on the semiconductor substrate 10 can be arbitrarily wired. The first wiring layer 1 is also formed with the same film thickness and line width as the wiring layer 4, so that the minimum layout width of the semiconductor logic circuit 100 is made equal in the two-dimensional direction parallel to the wiring lamination surface. It is desirable to facilitate and improve the integration density of the wiring.
[0049]
An interlayer insulating film 13 is deposited on the entire surface of the first wiring layer 1 so as to have a height H1, and a second wiring layer 2 is formed thereon. An interlayer insulating film 13 is deposited on the entire surface of the second wiring layer 2 so as to have a height H2, and a third wiring layer 3 is formed thereon. Both the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 constitute a global wiring layer. The global wiring layer performs wiring at a relatively longer position than the local wiring layer. In addition, the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 extend in a direction orthogonal to each other, and arbitrarily route the semiconductor logic circuit region 100 and local wirings arranged at random positions.
[0050]
A wiring contact 6 is formed on the second wiring layer 2 and connected to the third wiring layer 3. The wiring contact 6 has a height H2 and a diameter of 0.05 μm to 3 μm and is made of W, Ru, Ti, TiN, TaN, Cu, Al, or AlCu, and has a diameter equal to or larger than the diameter of the wiring contact 5. To do.
[0051]
Although not shown in FIGS. 1 and 4, a height H1 and a diameter of 0.05 μm to the local wiring layer and the global wiring layer, that is, between the first wiring layer 1 and the second wiring layer 2. A wiring contact made of W, Ru, TaN, Ti, TiN, Cu, Al, or AlCu is formed at 3 μm, and the layers are connected to each other.
[0052]
The first wiring layer 1 and the second wiring layer 2 are formed so as to extend in a direction orthogonal to the parallel direction rather than in a parallel direction, thereby causing crosstalk between the local wiring layer and the global wiring layer. Desirable to reduce.
[0053]
In the present invention, the wiring film thickness T1 of the first wiring layer 1 and the wiring layer 4 which are local wiring layers is set to the wiring film thickness T2 of the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 which are global wiring layers. It is smaller than the wiring film thickness T3 (T1 <T2, T3). The distance H1 between the local wiring layer and the global wiring layer, that is, the distance H1 between the wiring layer 1 and the wiring layer 2 is the distance H2 between the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 in the global wiring layer. (H1> H2). Further, the wiring intervals S2 and S3 between the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 in the global wiring layer are larger than the wiring interval S1 between the first wiring layer 1 and the wiring layer 4 which are local wiring layers. (S1 <S2, S3). The wiring interval at this time means the minimum wiring interval in the wiring layer.
[0054]
Further, the minimum wiring widths W2 and W3 of the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 which are global wirings are formed to be larger than the minimum wiring width W1 of the local wiring (W1 <W2, W3).
[0055]
In this way, the wiring resistance per unit length in the global wiring layer is reduced and the wiring capacity is further reduced, so the product of the wiring resistance and wiring capacity in the global wiring layer is reduced, and the clock speed is increased. The amount of charging / discharging can be reduced, and the power consumption can be reduced. Specifically, when the wiring width is doubled, the resistance is halved. When the wiring layer interval is doubled, the capacity is halved. When the wiring interval is doubled, the capacity is halved. When the wiring film thickness is doubled, the resistance is halved.
[0056]
Further, when Al or Cu is used as the wiring material of the wiring layers 1, 2, 3, and 4, and an insulating film having a dielectric constant of 4 or less is used as the interlayer insulating film 13, the wiring delay time is optimized while the wiring is optimized. In a structure with an increased integration density, 0.2 × S2 <W2 <5 × S2, 0.2 × S2 <T2 <5 × S2, 0.2 × S3 <W3 <5 × S3, 0.2 ×. The wiring structure is optimized in the range of S3 <T3 <5 × S3.
[0057]
Further, since the distance H1 between the first wiring layer 1 and the second wiring layer 2 is larger than the distance H2 between the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 (H1> H2), Capacitive coupling between the first wiring layer 1 and the second wiring layer 2 can be prevented, and the occurrence of crosstalk noise in the second wiring layer 2 can be prevented.
[0058]
FIG. 2 shows a conventional case where the distance H1 between the first wiring layer 1 and the second wiring layer 2 is smaller than the distance H2 between the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 (H1 <H2). It is a figure which shows the multilayer wiring structure by a comparative example. Other structures are the same as those shown in FIG.
[0059]
Also in the structure of this comparative example, in order to reduce the wiring resistance per unit area of the global wiring layer, the wiring film thickness T2 of the second wiring layer 2 is larger than the wiring film thickness T1 of the first wiring layer 1 (T1 <T2). In order to reduce the capacitance between wirings in the global wiring layer, the minimum wiring interval in the wiring layer is made equal or larger as the upper layer structure is formed. Further, by making the interval between the respective wiring layers 1, 2, 3, 4 larger than the minimum wiring interval in each of the wiring layers 1, 2, 3, 4, the wiring capacitance caused by the wiring layers is reduced. .
[0060]
However, in this structure, crosstalk noise occurs in the second wiring layer 2 due to capacitive coupling between the first wiring layer 1 and the second wiring layer 2. With this structure, when the signal voltages of the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 which are global wiring layers are lowered, noise is large and it is difficult to transmit signals correctly.
[0061]
FIG. 3 is a diagram for explaining the driving method of the multilayer wiring structure according to the present invention, and is a diagram for explaining the voltage rise of the second wiring layer 2 due to the voltage pulse of the first wiring layer 1. The structure above the 1st wiring layer of FIG. 1 is shown.
[0062]
Here, the first wiring layer 1 and the third wiring layer 3 are formed in a direction orthogonal to the second wiring layer 2 in order to reduce crosstalk as much as possible. The first wiring layer 1 is densely formed with a wiring film thickness T1, a wiring width W1, and a wiring interval S1, and is GND before a certain time, V after a certain time.DDIt is assumed that a step pulse is applied.
[0063]
In FIG. 4, all the wiring in the first wiring layer 1 is laid under the second wiring layer 2 and the amplitude VDDThe logic circuit operating atDDIt corresponds to the case where it is driven to become. The third wiring layer 3 is densely formed with a wiring film thickness T3, a wiring width W3, and a wiring interval S3, and each wiring is grounded. The second wiring layer 2 is formed with a wiring film thickness T2, a wiring width W2, and a wiring interval S2, and one wiring is in a floating state, and a voltmeter 14 is connected to one end. Suppose that one of the wirings is grounded.
[0064]
In FIG. 3, first, from 0 V to V is applied to the first wiring layer 1.DDWhen the step pulse is applied, the voltage of the second wiring layer 2 is increased by capacitive coupling by ΔV. Where ΔV / VDDThe inventor has newly found that the value agrees with the value obtained by the following relational expression.
[0065]
ΔV / VDD= [{0.0261−0.0945 (T2 / S2)} (H2 / S2) + 0.3657−0.0541 (T2 / S2)] × (H1 / S2) {0.65 + 0.05 (T2 / S2)}                                            Formula (1)
However, 1 ≦ (H1 / S2) ≦ 3, 0.5 ≦ (T2 / S2) ≦ 3, and 1/4 ≦ (S1 / S2) ≦ 1/2, and W1 ≦ 2 × T1, W3 ≦ 2 × It can be obtained by equation (1) within an error range of ± 20% within the range of T3.
[0066]
Here, considering the case where the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 are formed with the same wiring width, wiring film thickness, and wiring interval, H1 = H2 under the condition of H2 = T2 = S2. In this case, ΔV / V from equation (1)DD= 0.24, and ΔV = 0.24V in wiring 2 due to capacitive couplingDDVoltage increase occurs.
[0067]
  Further, when the signal applied to the first wiring layer 1 is a step pulse from VDD to 0 V, the second wiring layer 20.24VDD Voltage drop occurs.
[0068]
Therefore, the voltage amplitude of the second wiring layer 2 is at least 2 × 0.24VDD= 0.48VDDIf the voltage of the wiring layer 2 is made to have a low voltage amplitude below this voltage, a malfunction occurs.
[0069]
Therefore, H1 is made larger than H2, and in particular, the signal amplitude of the second wiring layer 2 is set to V1<VDDH1> (VDD/ V1)1.5XH2 In this case, from the formula (1), ΔV / V in the range of at least 0.5 ≦ (T2 / S2) ≦ 3 as compared with the condition where H1 = H2 and S2 and T2 are the same.DD≦ 0.24 × (V1/ VDD).
[0070]
Therefore, in the present invention, the voltage increase due to capacitive coupling is 0.24V.DDFrom 0.24V1The crosstalk can be reduced to (V1/ VDD) Can be reduced to less than double. In addition, crosstalk (V1/ VDDThe suppression to less than double is also true for a general wiring layout in which the wiring width and wiring interval of the first wiring layer 1 are changed.
[0071]
As described above, in the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 which are global wiring layers, the voltage amplitude of the signal wiring with the minimum wiring interval adjacent in the layer is expressed as V.1By making the following, the crosstalk voltage of the wiring adjacent in the second wiring layer 2 is set to the voltage amplitude of the signal wiring of the minimum wiring interval adjacent in the layer VDDCompared to1/ VDD) Can be reduced to less than double.
[0072]
In these methods, it is not necessary to change the wiring line width, the wiring interval, and the distance between the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 of the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3.
[0073]
By using the above in combination, in the present invention, all the crosstalk voltages due to capacitive coupling of the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 are all converted to the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 of the comparative example. Wiring included in VDDCompared to driving with amplitude, (V1/ VDD) Can be reduced to less than double. By this method, the voltage amplitudes of the wirings included in the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 by the intra-chip wirings are compared with (V1/ VDD) Can be reduced to less than double.
[0074]
Further, by using the same idea for the upper wiring layer above the third wiring layer 3, the upper wiring layer also increases the voltage amplitude of the wiring (V1/ VDD) Can be reduced to less than double.
[0075]
In the configuration of FIG. 1, the voltage amplitude of the third wiring layer 3 is, for example, VDDAnd the logic voltage amplitude of the second wiring layer 2 is, for example, VDDLower V1In this case, the crosstalk voltage from the third wiring layer 3 to the second wiring layer 2 is maintained with the distance between the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 being H2 narrower than H1. Amplitude is ± 0.24VDDTherefore, the receiver of the second wiring layer 2 malfunctions, and the effect cannot be obtained sufficiently. Therefore, a sufficient effect can be obtained by suppressing the voltage amplitude of the third wiring layer 3 facing the second wiring layer 2.
[0076]
The second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 which are global wiring layers and the wiring layers above this are usually VDDIn many cases, an external input / output terminal that is driven with an amplitude voltage is provided. This VDDThe crosstalk from the amplitude signal terminal to the low voltage wiring can be reduced, for example, by a wiring structure as shown in FIG.
[0077]
FIG. 5 shows V penetrating through the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3.DDIt is an interlayer overhead view of the signal wiring structure of amplitude. The description of the same symbols as those in FIG. 4 is omitted.
[0078]
In the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3, VDDWirings that are driven in amplitude are the wiring 15 and the wiring 16 and are connected to an input circuit and an output circuit of an upper wiring layer not shown in the drawing. These external input circuit and output circuit can be formed by elements arranged very close to each other, and the wiring in the chip can be sufficiently realized by using a local wiring layer.
[0079]
Therefore, the areas of the wiring 15 and the wiring 16 penetrating through the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 may be a minimum area sufficient for forming a contact with the upper wiring as shown in FIG. Therefore, the capacitive coupling to the adjacent wiring in the second wiring layer 2 or the third wiring layer 3 can also be reduced because the cross-sectional areas of the wiring 15 and the wiring 16 are small. As a result, compared with the case where the wiring 15 and the wiring 16 are formed long in parallel in the global wiring layer, the crosstalk can be kept very small in proportion to the wiring cross-sectional area.
[0080]
Further, in FIG. 5, adjacent to the wiring 15 and the wiring 16, for example, GND or VDDA wiring 17 having a constant potential is formed adjacently to shield the wiring 15 and the wiring 16. It is desirable that the distance between the wiring 17 and the wiring 15 and the wiring 16 in the plane is the minimum wiring interval.
[0081]
For example, the wiring 17 included in the same layer as the wiring 16 causes crosstalk to the low voltage amplitude wiring 18 in the same layer due to capacitive coupling of the wiring 16 when the distance between the wiring 16 and the wiring 18 is constant. It has been experimentally found that the number of wiring lines 17 can be reduced to 1/10 or less, and the crosstalk can be reduced while densely forming the wiring lines.
[0082]
Similarly, the wiring 17 included in the same layer as the wiring 15 reduces crosstalk due to capacitive coupling from the wiring 16 to the low voltage amplitude wiring 18 in the same layer when the distance from the wiring 18 is constant. . In this case, when the distance between the wiring 15 and the wiring 18 is set to be k times larger than the minimum wiring interval S2 of the wiring layer 2, the crosstalk generated in the wiring 18 is (1 / k) when arranged with the minimum wiring interval. It was found that it can be reduced to less than twice.
[0083]
By using the above method, VDDCrosstalk from the terminal of the amplitude signal to the low voltage wiring can be reduced.
[0084]
In addition, the number of external input / output terminals is 1.9 × N at most in the gate array compared to the number of transistors, where N is the number of transistor gates.0.5[Book]. Incidentally, the gate array has the largest number of external input / output terminals with respect to the number of gates among the microprocessor, static RAM, dynamic RAM, and gate array. In this case, as compared with the total number of wires in the chip using the transistors up to 3 × N,6The number of transistors is 0.07% or less, and the ratio to the total wiring is N as the number of transistors increases. 0.5Decrease.
[0085]
Here, the wiring area of the global wiring layer according to the bit line shielding method of FIG. 5 increases only at most about four times compared to the wiring area when the bit line shielding is not performed, and the minimum wiring of the second wiring layer 2 The pitch is 2F, 36F2Occupies only a certain area. Therefore, for example, when the wiring pitch is 2 μm, the area increase due to the bit line shield shown in FIG.2× (4-1) times to 100 μm2About 10 for all input / output pins6Piece × 0.07% × 100μm2~ 0.07mm2Smaller area, usually 10mm2With the above VLSI circuit chips, the rate of increase in chip area is very small.
[0086]
In addition, VDDTo reduce crosstalk from the signal terminal of amplitude to the low voltage wiring, VDDEven when a low voltage signal is transmitted to the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 through the first wiring layer 1 and the wiring layer 4 having the voltage amplitude, the first wiring layer 1 and the wiring layer 3 are also used. For 4, the same arrangement as in FIG. 5 can be used.
[0087]
This low voltage wiring is connected to other VDDSince it is not necessary to connect to the first wiring layer 1 and the wiring layer 4 having the voltage amplitude, the wiring cross-sectional area is kept small in the first wiring layer 1 and the wiring layer 4 similarly to the wiring 15 and the wiring 16 in FIG. It can be formed in a rectangular shape.
[0088]
Therefore, V in the first wiring layer 1 and the wiring layer 4DDCapacitive coupling from adjacent wirings of voltage amplitude can also be reduced because the wiring cross-sectional areas of the low-voltage wirings in the first wiring layer 1 and the wiring layer 4 are small. As a result, the crosstalk can be kept very small in proportion to the wiring cross-sectional area as compared with the case where the wiring is formed long in parallel.
[0089]
Next, FIG.DDIt is an example of an amplitude wiring drive circuit. 7 to 12 show examples of a low voltage amplitude circuit for driving the global wiring layer of the present invention.
[0090]
6 to 12, for example, the power supply voltage is V from inverters INV1 to INV11.DDCMOS inverters are shown. For NAND1 to NAND2 and NOR1 to NOR2, for example, the power supply voltage is VDD1 shows a NAND circuit and a NOR circuit. Here, Cint indicates a wiring capacity, and a portion to which Cint is connected is a wiring, and a symbol corresponding to the wiring layers 1, 2, 3, 4 is attached.
[0091]
In FIG. 6, the output of the CMOS inverter INV1, which is a wiring driver, is connected to one end of the wiring layer 1 or 4 having a Cint capacitance, and the other end of the wiring is connected to the input of the inverter INV2, which is a wiring receiver. Has been. With these, VINInput voltage is V through wiring layer 1 or wiring layer 4OUTIs output.
[0092]
In the present invention, V in FIG.DDThe wiring drive circuit may be used for driving the wiring layer 1 and the wiring layer 4 which are local wiring layers, and there is no need to change the CMOS circuit from the wiring drive circuit.
[0093]
Further, the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 which are global wiring layers use, for example, the low voltage amplitude circuit of FIG. FIG. 7 is a so-called static sense amplifier circuit. For example, “VLSI system design circuit and basics of implementation”, written by H. Bakoglu, translated by Kisaburo Nakazawa and Hiroshi Nakamura, published on March 30, 1995, Maruzen Corporation. pp.184-198.
[0094]
In this circuit, the n-type MISFET Qn1 is a wiring driver, and the p-type MISFET Qp1 and the inverters INV3, INV4, and INV5 are wiring receivers.
[0095]
When the n-type MISFET Qn1 is off, the wiring of the wiring layer 2 is charged by the p-type MISFET Qp1, but when it becomes slightly higher than the logic inversion voltage of the inverter INV3, the Qp1 is turned off and the charging stops and the wiring layer The voltage of 2 is VDDStays at a smaller value. When the n-type MISFET Qn1 is on, the voltage of the wiring layer 2 is clamped to a voltage determined by the channel resistance ratio between the n-type MISFET Qp1 and the p-type MISFET Qn1, and does not drop to 0V.
[0096]
From the above, the voltage amplitude of the second wiring layer 2 is VDDSmaller V1The electric power for charging the second wiring layer 2 can be expressed as (V1/ VDD)2Can be doubled.
[0097]
Here, this circuit uses V as the power supply voltage.DDThe voltage of the second wiring layer 2 is higher than 0V and VDDIt can be kept lower. VDDIn the circuit of FIG. 6 having a signal amplitude of ## EQU1 ## where the threshold value of the n-type MISFET forming the inverter INV2 in the first stage of the wiring receiver is Vthn and the threshold value of the p-type MISFET is Vthp, the input voltage of the inverter INV2 Is less than Vthn and (VDDIn the range above -Vthp), the n-type MISFET and the p-type MISFET are not turned on, respectively. Therefore, even if the input voltage changes in this voltage range, the output voltage does not change and an output delay occurs with respect to the input signal.
[0098]
Therefore, in FIG. 7, the transistor widths of these Qn1 and Qp1 are adjusted so that the voltage range of the second wiring layer 2 is not less than the threshold value Vthn of the n-type MISFET forming the inverter INV3, and the inverter INV3 is Let Vthp be the threshold value of the p-type MISFET to be formed (VDD-Vthp) or less, it is possible to reduce the input / output delay due to the dead zone due to the threshold value of the transistor generated in the inverter of FIG. 6, and to operate at higher speed. Actually, 0.4V in the circuit of FIG.DDIs designed to have a voltage amplitude ofINAnd VOUTAnd investigated the delay time. Transistor threshold is 0.2VDDAnd the delay time of the inverter with F / O = 1 is τ0Then VINTo VOUT50% delay time is 0.5 × Cint × R + 3 × τ0It has been found that the speed can be increased in a region where the wiring capacitance Cint is more dominant than the 50% delay time 0.7 × Cint × R when the wiring layer 2 is driven by the CMOS inverter of FIG.
[0099]
Further, when the second wiring layer 2 is driven by the circuit of FIG. 7, the power consumption accompanying the wiring layer charging / discharging can be reduced to 16% of the CMOS inverter of FIG. Further, a single long wiring for transmitting a signal is sufficient as in the case of the circuit of FIG. 6, and there is no increase in the number of wirings in the global wiring layer. Of course, the power supply voltage is VDDTherefore, a new power supply voltage line is not necessary.
[0100]
In particular, in the receiver shown in FIGS. 7 to 11, the threshold V of the receiver transistor, such as the receiver shown in FIG.thnAnd VthpThere is no dead band input voltage range due to. Therefore, even if the voltage amplitude of the second wiring layer 2 is reduced by this dead zone, the wiring delay does not increase. Where VthnAnd VthpIs 0.15 × VDDThe above is desirable for reducing the through current in the receiver using the CMOS inverter of FIG. Therefore, without increasing the wiring delay, V1≦ VDD-Vthp-Vthn≦ 0.7 × VDDThe power consumption accompanying wiring charge / discharge can be reduced. This is H1≧ (VDD/ V1)1.5× H2≧ 1.7 × H2It can be realized with the structure.
[0101]
The drive circuit shown in FIG. 8 is an example in which an n-type MISFET Qn2 is used instead of Qp1, and Qn1 and Qn2 are transistors having the same conductivity, so that matching is easily achieved.
[0102]
The drive circuit shown in FIG.DDThe / 2 precharge circuit is a driver for the second wiring layer 2 or the third wiring layer 3 on the left side of the second wiring layer 2 or the third wiring layer 3. The right side of the second wiring layer 2 or the third wiring layer 3 is a receiver for the wiring, and the voltage of the second wiring layer 2 or the third wiring layer 3 is VDDV around 2DDOperates with smaller voltage amplitude.
[0103]
Here, Φ1 and Φ2 are two-phase non-overlapping clocks as shown in FIG. 13, and when Φ1 is high, the wiring layer is almost VDDSignal transmission is performed when Φ2 is high. By doing so, it is possible to reduce the direct current that is present when the transistor Qn1 is in the conductive state in the circuits of FIGS.
[0104]
The circuit shown in FIG. 10 is a sense amplifier with a clock obtained by adding a clock to the static sense amplifier circuit of FIG. Even in this circuit, it is possible to reduce the direct current consumption that is present when the transistor Qn1 is in the conductive state.
[0105]
These circuits shown in FIG. 9 and FIG. 10 require external clock input wirings [Phi] 1 and [Phi] 2. Also, VINWhen the input HIGH period is long and the wiring power consumption due to the transistor Qn1 in the circuit of FIG. 7 being turned on becomes a problem, for example, a circuit of the complementary type of FIG. May be used.
[0106]
As described above, when the low voltage amplitude circuit shown in FIG. 7 to FIG. 11 is used for driving the global wiring layer, the wiring delay time is shortened, and the long wiring for transmitting a signal uses the driving circuit of FIG. Similarly, one line is sufficient, and there is no increase in the number of wires. In addition, the power supply voltage is VDDTherefore, a new power supply voltage line is not necessary. Further, the increase in the circuit area is twice or less compared to the case where the drive circuit of FIG. 6 is used for the global wiring layer.
[0107]
Further, by dividing a long wiring into a plurality of pieces as in the drive circuit shown in FIG. 12 and connecting low voltage amplitude circuits from FIGS. 7 to 12 in series, thereby forming a low voltage amplitude repeater, Signal delay can be improved. If wiring capacitance is more problematic than wiring resistance, connect inverters INV10 and INV11 connected in series so that the size gradually increases before the low-voltage amplitude circuit, and form a cascade driver to delay. You can improve your time. This cascade driver can be formed by a very close transistor arrangement, and the global distribution can be formed as a low voltage amplitude circuit without increasing the number of global wiring layers of the low voltage amplitude circuit.
[0108]
The configuration described above has the following characteristics.
[0109]
First, the power consumption can be reduced and the delay time can be improved by the wiring delay without adding the number of wiring layers. Low power consumption means that the wiring voltage amplitude of the global wiring layer is VDDThis is because the amplitude is V1, Where Cu is the total capacitance of the global wiring, Cd is the sum of the total capacitance of the local wiring layer, the total junction capacitance of the transistor, and the gate capacitance (Cu × V1 2+ Cd × VDD 2) / (Cu × VDD 2+ Cd × VDD 2) Power consumption can be reduced to a ratio of. At this time, as described in detail using the drive circuit of FIG. 7, the wiring delay time is also shortened to a maximum of 71%. Therefore, the circuit skew caused by the wiring delay can be reduced, and a circuit with higher speed and fewer malfunctions can be realized.
[0110]
In addition, the operating voltage of the global wiring layer is set to VDDSince the voltage can be lower than that of the CMOS inverter, the current density of the global wiring layer can be reduced and reliability problems such as electromigration and interlayer insulation can be alleviated. .
[0111]
Furthermore, electromagnetic noise generated by the global wiring layer can be reduced, and power supply voltage fluctuations due to electromagnetic noise and malfunction of the sense circuit can be prevented. Of course, along with the reduction in power consumption, heat generation due to charge / discharge decreases, improving the reliability due to a decrease in the thermal history of the wiring, reducing the thickness of the power wiring, reducing the ratio of the power wiring, and transistor junction leakage Can be reduced, and higher integration can be realized with higher reliability and lower leakage.
[0112]
In addition, since it is not necessary to add the number of wiring layers, there is no occurrence of defects due to additional layers, such as defective interlayer connection, lower reliability, significant layout change of wiring layers, and no decrease in productivity due to increased manufacturing processes. .
[0113]
By simply replacing the wiring driver and wiring receiver of the low logic voltage amplitude circuit, the conventional circuit design method and tool can be used as they are, and it is not necessary to support multiple power supply voltages and multiple signal amplitudes. In other words, no change is required until the logical design of the conventional circuit design, and even at the layout design level, if the design of FIG. 14 is used, the wiring delay time model can be modified without any significant layout change. Yes, conventional CAD tools can be used.
[0114]
FIG. 14 shows a method for realizing the circuit wiring of this embodiment using a conventional layout design tool as it is. First, as indicated by reference numeral 20, all V and local wiring layers are all distinguished from each other.DDDesign the circuit layout with voltage.
[0115]
First, a global wiring layer is selected, and wirings assigned to the global wiring layer are determined. Next, a CAD tool is used to extract wiring belonging to the global wiring layer. Here, the wiring driver and the receiver used in the global wiring layer can be formed by adjacent elements, respectively, and the connection in the wiring driver and the receiver can be realized using only the local wiring layer.
[0116]
In addition, when the local wiring layer has two or more layers, the increase in area of the low voltage amplitude wiring driver and receiver from the driver and receiver by the CMOS inverter is less than twice.2This can be achieved with:
[0117]
In addition, in a situation where multilayer wiring is formed in which the chip operating speed is limited by wiring delay, the minimum area determined by the minimum dimensions of the transistor is smaller than the chip area determined by the wiring, and there is a margin for transistor placement become. Therefore, when the global wiring layer and the local wiring layer extracted by reference numeral 20 are allocated as the optimal arrangement, the layout of the local wiring layer near the low voltage driver is not changed without changing the allocation of the global wiring layer and the local wiring layer. By correcting this, the wiring delay can be increased.
[0118]
Next, if the dummy circuit arranged at reference numeral 22 is replaced with a wiring driver and a wiring receiver at reference numeral 24, the layout is completed.
[0119]
Further, in the static sense amplifier circuit shown in FIG. 7 and FIG. 8, the circuit area is 0.8 times or less when the wiring capacity is 100 times or more of the inverter capacity of the fan-out 1 compared to the CMOS inverter circuit shown in FIG. And become smaller. In this case, the wiring layout design is performed using the wiring driver and the wiring receiver formed by the CMOS circuit of FIG. 6, and the wiring driver and the receiver connected to the global wiring layer are changed in the layout of other wiring structures. This can be replaced with this static sense amplifier circuit without the need for automatic design. Of course, if the optimization shown in FIG. 14 is performed, the circuit area can be reduced as compared with the case where a wiring driver and a wiring receiver formed of a CMOS circuit are used. In this case, the lithography conditions and mask of the global wiring layer can be used as they are, and if a conventional structural process is established, high speed and low power consumption can be realized at a very low cost.
[0120]
Further, in the present invention, the change in the stacking direction of the wiring layers is only the interlayer film thickness between the global wiring layer and the local wiring layer as compared with the conventional method, and there is no increase in the number of manufacturing steps. In addition, between the global wiring layer and the local wiring layer, the conventional wiring line width, wiring interval, and interlayer film thickness can be kept unchanged, and all crosstalk voltages generated from adjacent wirings in the vertical and horizontal directions (V1/ VDD) Can be scaled twice. Therefore, it is possible to use a wiring arrangement that has already undergone circuit verification and process verification in a circuit having a conventional structure.
[0121]
Further, the wiring layer height is only the height of the interlayer film between the first wiring layer 1 and the second wiring layer 2, and the other wiring layers do not need to increase the interlayer film. The occurrence of defects due to film stress accompanying the increase in interlayer film can be reduced as compared with the case where the film thickness of other wiring layers is also increased.
[0122]
Next, the low voltage amplitude circuit and V in the horizontal directionDDWhen the amplitude circuit is provided, it is necessary to suppress the logical voltage amplitude of the adjacent global wiring layer and local wiring layer of the multilayer wiring of the low voltage amplitude circuit. For example, a constant voltage layer such as a power supply layer is inserted. Although it is necessary, this method is not necessary, and the effective wiring area in the chip can be used more widely.
[0123]
(Embodiment 2)
FIG. 15 is a stacked cross-sectional view of a wiring structure including a semiconductor substrate region of a semiconductor device according to Embodiment 2 of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0124]
In the present embodiment, the fourth wiring layer 12 is further formed on the third wiring layer 3 in the first embodiment, and the distance H1 between the first wiring layer 1 and the second wiring layer 2 is set to the third. The distance H2 between the wiring layer 3 and the fourth wiring layer 12 is larger.
[0125]
In FIG. 15, the portion below the second wiring layer 2 is the same as the structure described in the first embodiment, and is omitted.
[0126]
An insulating film 13 is deposited over the entire surface of the second wiring layer 2 so as to have a thickness larger than H1, and for example, a contact 6 between wiring layers made of W, Ru, Ti, TiN, Cu, Al, or AlCu. Is formed. The diameter of the wiring contact 6 is equal to or larger than the diameter of the wiring contact 5.
[0127]
Furthermore, the wiring contact 6 is formed with a third wiring layer 3 made of, for example, W, Cu, Al, or AlCu. The film thickness of the third wiring layer 3 is larger than the film thickness of the first wiring layer 1, and the wiring resistance per unit area on the laminated surface is lowered. Further, the wiring interval S3 in the third wiring layer 3 is formed to be larger than the wiring interval S1 in the first wiring layer 1, and the capacitance between the wirings included in the third wiring layer 3 is suppressed. The product of the wiring resistance and the wiring capacitance is reduced and used for wiring between circuit blocks farther than the first wiring layer 1. The wiring length of the third wiring layer 3 is larger than the wiring length of the first wiring layer 1. become longer.
[0128]
Further, the minimum line width W3 of the third wiring layer 3 is made larger than the wiring width W1 of the first wiring layer 1 to reduce the wiring resistance. The second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 are formed so as to extend in the orthogonal direction and have the same film thickness and line width, thereby improving the integration density of wiring of random blocks. Desirable to form.
[0129]
Furthermore, the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 are formed so as to extend in a direction orthogonal to each other than in a parallel direction, thereby reducing crosstalk between the wiring layers. Is desirable.
[0130]
Further, an insulating film 13 is deposited on the entire surface of the third wiring layer 3 at a height of H2. For example, although not shown, the insulating film 13 is made of W, Ru, Ti, TiN, TaN, Cu, Al, or AlCu. A wiring contact is formed between the wiring layers. The diameter of the wiring contact is equal to or larger than the diameter of the wiring contact 6.
[0131]
Furthermore, a fourth wiring layer 12 made of, for example, W, Cu, Al, or AlCu is formed on the wiring contact. The film thickness of the fourth wiring layer 12 is larger than the film thickness of the first wiring layer 1, and the wiring resistance per unit area on the laminated surface is lowered. Furthermore, the wiring interval S4 in the fourth wiring layer 12 is formed to be larger than the wiring interval S1 in the first wiring layer 1, and the capacitance between the wirings included in the fourth wiring layer 12 is suppressed. The product of the wiring resistance and the wiring capacitance is reduced and used for wiring between circuit blocks farther than the first wiring layer 1, and the wiring length of the first wiring layer 12 is longer than the wiring length of the wiring 1.
[0132]
Further, the minimum line width W12 of the fourth wiring layer 12 is larger than the minimum wiring width W1 of the first wiring layer 1, and the wiring resistance is reduced. The fourth wiring layer 12 and the third wiring layer 3 are preferably formed so as to extend in a direction orthogonal to each other than in a parallel direction, in order to reduce crosstalk between the wiring layers. .
[0133]
Here, in this embodiment, H2 which is one of the wiring layer intervals of the global wiring is smaller than the distance H1 between the local wiring layer and the global wiring layer. Here, in particular, the signal amplitudes of the second wiring layer 2, the third wiring layer 3, and the wiring layer 4 are expressed as V.1H1> (VDD/ V1)1.5× H2. Even in such a structure, the crosstalk from the first wiring layer 1 (V1/ VDD), The logical voltage amplitude of the global wiring layer can be reduced to V1Can be reduced. Of course, although not shown in FIG. 15, H1> (V, where H2 is the minimum value of the distance between layers adjacent to the fourth wiring layer 12 in the stacking direction.DD/ V1)1.5By satisfying × H2, all crosstalk due to capacitive coupling in the local wiring layer is reduced (V1/ VDD) Times or less, and the logical voltage amplitude of the global wiring layer is V1Can be reduced.
[0134]
In the present embodiment, since the distance between the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 is greater than that in the first embodiment, the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 are more The crosstalk can be reduced.
[0135]
In the present invention, the element isolation film and the insulating film forming method itself are other methods for converting silicon into a silicon oxide film or a silicon nitride film, for example, a method of injecting oxygen ions into deposited silicon, or oxidizing deposited silicon. You may use the method to do.
[0136]
The gate insulating film and the interlayer insulating film 13 are made of SiN film, amorphous carbon film, TiO2Organic insulation such as aluminum oxide, alumina, tantalum oxide film, strontium titanate, barium titanate, lead zirconium titanate, HSQ (hydrogen silsesquioxane), MSQ (methyl silsesquioxane), PAE (poly arylene ether), polyimide, etc. You may use a film | membrane and those laminated films.
[0137]
In addition, although a p-type Si substrate is used as the semiconductor substrate 10, a single crystal semiconductor substrate containing silicon such as an n-type Si substrate, an SOI silicon layer of an SOI substrate, or a SiGe mixed crystal or SiGeC mixed crystal may be used instead. .
[0138]
The gate electrode 8 may be p-type polycrystalline Si or SiGe mixed crystal, or a metal such as Al, TiN, TaN, Al, or Cu, or a laminated structure thereof.
[0139]
Moreover, although the example which formed the trench element isolation | separation 11 was shown, mesa etching and LOCOS element isolation | separation may be sufficient instead of trench element isolation | separation, for example.
[0140]
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0141]
【The invention's effect】
The present invention can provide a semiconductor device that reduces wiring delay and achieves both low power consumption and high speed without significantly changing the circuit layout and wiring structure of a CMOS logic circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor device of a comparative example.
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the method for driving the semiconductor device according to the first embodiment of the invention.
FIG. 4 is a perspective view of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a drive circuit diagram for driving a local wiring layer of the present invention.
FIG. 7 is a low voltage driving circuit for driving the global wiring layer of the present invention at a low voltage.
FIG. 8 is a low voltage driving circuit for driving the global wiring layer of the present invention at a low voltage.
FIG. 9 is a low voltage driving circuit for driving the global wiring layer of the present invention at a low voltage.
FIG. 10 is a low voltage driving circuit for driving the global wiring layer of the present invention at a low voltage.
FIG. 11 is a low voltage driving circuit for driving the global wiring layer of the present invention at a low voltage.
FIG. 12 is a low voltage driving circuit for driving the global wiring layer of the present invention at a low voltage.
FIG. 13 is a graph showing the relationship of signal voltages for driving the semiconductor device of the present invention.
FIG. 14 is a flowchart for explaining a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention;
FIG. 15 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... 1st wiring layer
2 ... Second wiring layer
3 ... Third wiring layer
4 ... Wiring layer
5. Wiring contact
6. Wiring contact
7. Wiring contact
8 ... Gate electrode
9 ... Source / Drain
10 ... Semiconductor substrate
11: Element isolation region
12 ... Fourth wiring layer

Claims (18)

半導体基板上に形成された第1導電型のMISFETおよび第2導電型の MISFETと、前記半導体基板上に第1の絶縁膜を介して形成され、前記第1導電型の MISFET および前記第2導電型の MISFET W,Ru,TaN,Ti,TiN,Cu,Al または AlCu からなる第1の配線コンタクトを介して電気的に接続された複数本の第1の配線層と、これらの第1の配線層上に第2の絶縁膜を介して形成された複数本の第2の配線層と、これらの第2の配線層上に第3の絶縁膜を介して形成された複数本の第3の配線層とを具備し、
前記第 1 の配線層、前記第 2 の配線層および前記第 3 の配線層は、他の配線層が介在せずにこの順に積層され、
前記第1の配線層の配線膜厚は、前記第2の配線層の配線膜厚および前記第3の配線層の配線膜厚よりも小さく、前記第1の配線層と前記第2の配線層との距離は、前記第2の配線層と第3の配線層との距離の1.7倍に等しいかこれよりも大きく形成され、
前記第2の配線層または前記第3の配線層の電圧振幅は、前記第 1 の配線層の複数の配線の電圧振幅より小さいことを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type MISFET and a second conductivity type MISFET formed on a semiconductor substrate, and a first insulating film formed on the semiconductor substrate via a first insulating film, and the first conductivity type MISFET and the second conductivity type A plurality of first wiring layers electrically connected to the MISFET of the type via a first wiring contact made of W, Ru, TaN, Ti, TiN, Cu, Al or AlCu, and the first of these a second wiring layer of the plurality of formed through the second insulating film on the wiring layer, a plurality of third formed via a third insulating film to those of the second wiring layer And a wiring layer of
The first wiring layer, the second wiring layer, and the third wiring layer are laminated in this order without any other wiring layer interposed,
The wiring thickness of the first wiring layer is smaller than the wiring thickness of the second wiring layer and the wiring thickness of the third wiring layer, and the first wiring layer and the second wiring layer Is formed to be equal to or greater than 1.7 times the distance between the second wiring layer and the third wiring layer ,
The semiconductor device , wherein a voltage amplitude of the second wiring layer or the third wiring layer is smaller than a voltage amplitude of a plurality of wirings of the first wiring layer .
前記第Said 11 の配線層の配線幅は、前記第The wiring width of the wiring layer of the first 22 の配線層の配線幅または前記第The wiring width of the wiring layer or the first 3Three の配線層の配線幅よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is smaller than a wiring width of the wiring layer. 前記第Said 11 の配線層の配線と前記第Wiring layer wiring and the first 22 の配線層の配線とは、ねじれ(The wiring in the wiring layer is twisted ( Crossover layout)(Crossover layout) の関係にあることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein: 前記第Said 11 の配線層の電圧振幅をThe voltage amplitude of the wiring layer VDDVDD 、前記第2の配線層の電圧振幅を, The voltage amplitude of the second wiring layer V1V1 、前記第The first 11 の配線層および前記第Wiring layer and said first 22 の配線層間の距離をH1、前記第The distance between the wiring layers is H1, 22 の配線層および第Wiring layer and the first 3Three の配線層間の距離をH2とするとき、When the distance between the wiring layers is H2, H1H1 ≧(≧ ( VDD/V1VDD / V1 ) 1.51.5 ×× H2H2 となるように構成したことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is configured as follows. 前記第1の配線層の隣接する配線同士の間隔は、前記第2の配線層の隣接する配線同士の間隔および前記第3の配線層の隣接する配線同士の間隔よりも小さいことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体装置。 An interval between adjacent wires in the first wiring layer is smaller than an interval between adjacent wires in the second wiring layer and an interval between adjacent wires in the third wiring layer. The semiconductor device according to claim 1. 前記第Said 11 の配線層の電圧振幅をThe voltage amplitude of the wiring layer VDDVDD 、前記第2の配線層の複数の配線の電圧振幅を, The voltage amplitude of the plurality of wirings of the second wiring layer V1V1 とすると、Then, V1V1 0.480.48 ×× VDDVDD となることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein: 半導体基板上に形成される第1導電型のMISFETおよび第2導電型の MISFETと、前記半導体基板上に第1の絶縁膜を介して形成され、前記第1導電型の MISFET および前記第2導電型の MISFET W,Ru,TaN,Ti,TiN,Cu,Al または AlCu からなる第1の配線コンタクトを介して電気的に接続された複数本の第1の配線層と、これらの第1の配線層上に第2の絶縁膜を介して形成された複数本の第2の配線層と、これらの第2の配線層上に第3の絶縁膜を介して形成された複数本の第3の配線層とを具備し、
前記第 1 の配線層、前記第 2 の配線層および前記第 3 の配線層は、他の配線層が介在せずにこの順に積層され、
前記第1の配線層と前記第2の配線層との距離は、前記第2の配線層と第3の配線層との距離の1.7倍に等しいかこれよりも大きく、
前記第1の配線層、前記第2の配線層、および前記第3の配線層に含まれる配線の少なくとも1つは銅を主成分として含み、
前記第2の配線層または前記第3の配線層の電圧振幅は、前記第 1 の配線層の複数の配線の電圧振幅より小さいことを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type MISFET and a second conductivity type MISFET formed on a semiconductor substrate, and a first insulating film formed on the semiconductor substrate via a first insulating film, and the first conductivity type MISFET and the second conductivity type A plurality of first wiring layers electrically connected to the MISFET of the type via a first wiring contact made of W, Ru, TaN, Ti, TiN, Cu, Al or AlCu, and the first of these a second wiring layer of the plurality of formed through the second insulating film on the wiring layer, a plurality of third formed via a third insulating film to those of the second wiring layer And a wiring layer of
The first wiring layer, the second wiring layer, and the third wiring layer are laminated in this order without any other wiring layer interposed,
A distance between the first wiring layer and the second wiring layer is equal to or greater than 1.7 times a distance between the second wiring layer and the third wiring layer;
At least one of the wirings included in the first wiring layer, the second wiring layer, and the third wiring layer includes copper as a main component,
The semiconductor device , wherein a voltage amplitude of the second wiring layer or the third wiring layer is smaller than a voltage amplitude of a plurality of wirings of the first wiring layer .
前記第Said 11 の配線層の配線幅は、前記第The wiring width of the wiring layer of the first 22 の配線層の配線幅または前記第The wiring width of the wiring layer or the first 3Three の配線層の配線幅よりも小さいことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 7, wherein the semiconductor device is smaller than a wiring width of the wiring layer. 前記第Said 11 の配線層の配線と前記第Wiring layer wiring and the first 22 の配線層の配線とは、ねじれ(The wiring in the wiring layer is twisted ( Crossover layout)(Crossover layout) の関係にあることを特徴とする請求項7または8のいずれかに記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 7, wherein the semiconductor device has a relationship of 前記第Said 11 の配線層の電圧振幅をThe voltage amplitude of the wiring layer VDDVDD 、前記第2の配線層の電圧振幅を, The voltage amplitude of the second wiring layer V1V1 、前記第The first 11 の配線層および前記第Wiring layer and said first 22 の配線層間の距離をH1、前記第The distance between the wiring layers is H1, 22 の配線層および第Wiring layer and the first 3Three の配線層間の距離をH2とするとき、When the distance between the wiring layers is H2, H1H1 ≧(≧ ( VDD/V1VDD / V1 ) 1.51.5 ×× H2H2 となるように構成したことを特徴とする請求項7乃至9のいずれかに記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 7, wherein the semiconductor device is configured as follows. 前記第1の配線層の隣接する配線同士の間隔は、前記第2の配線層の隣接する配線同士の間隔および前記第3の配線層の隣接する配線同士の間隔よりも小さいことを特徴とする請求項7乃至10のいずれかに記載の半導体装置。 An interval between adjacent wires in the first wiring layer is smaller than an interval between adjacent wires in the second wiring layer and an interval between adjacent wires in the third wiring layer. The semiconductor device according to claim 7. 前記第Said 11 の配線層の電圧振幅をThe voltage amplitude of the wiring layer VDDVDD 、前記第2の配線層の複数の配線の電圧振幅を, The voltage amplitude of the plurality of wirings of the second wiring layer V1V1 とすると、Then, V1V1 0.480.48 ×× VDDVDD となることを特徴とする請求項7乃至11のいずれかに記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 7, wherein: 半導体基板上に形成される第1導電型のMISFETおよび第2導電型の MISFETと、前記半導体基板上に第1の絶縁膜を介して形成され、前記第1導電型の MISFET および前記第2導電型の MISFET W,Ru,TaN,Ti,TiN,Cu,Al または AlCu からなる第1の配線コンタクトを介して電気的に接続された複数本の第1の配線層と、前記第1の配線層上に第2の絶縁膜を介して形成された複数本の第2の配線層と、前記第2の配線層上に第3の絶縁膜を介して形成された複数本の第3の配線層と、前記第3の配線層上に第4の絶縁膜を介して形成された複数本の第4の配線層とを具備し、
前記第 1 の配線層および前記第 2 の配線層は他の配線層が介在せずにこの順に積層され、
前記第 3 の配線層および前記第 4 の配線層は他の配線層が介在せずにこの順に積層され、
前記第1の配線層の配線膜厚は、前記第2の配線層の配線膜厚、前記第3の配線層の配線膜厚あるいは前記第4の配線層の配線膜厚よりも小さく、前記第1の配線層と前記第2の配線層との距離は、前記第3の配線層と第4の配線層との距離の1.7倍に等しいかこれよりも大きく、
前記第3の配線層または前記第4の配線層の電圧振幅は、前記第 1 の配線層の複数の配線の電圧振幅よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type MISFET and a second conductivity type MISFET formed on a semiconductor substrate, and a first insulating film formed on the semiconductor substrate via a first insulating film, and the first conductivity type MISFET and the second conductivity type A plurality of first wiring layers electrically connected to a MISFET of a type via a first wiring contact made of W, Ru, TaN, Ti, TiN, Cu, Al or AlCu , and the first wiring a second wiring layer of the plurality of formed through the second insulating film on the layer, the third wire of said second plurality of formed through the third insulating film on the wiring layer comprising a layer, a fourth wiring layer of the third plurality of formed through the fourth insulating film on the wiring layer,
The first wiring layer and the second wiring layer are laminated in this order without any other wiring layer,
The third wiring layer and the fourth wiring layer are laminated in this order without any other wiring layer interposed,
The wiring thickness of the first wiring layer is smaller than the wiring thickness of the second wiring layer, the wiring thickness of the third wiring layer, or the wiring thickness of the fourth wiring layer. distance 1 between the wiring layer and the second wiring layer is much larger than or equal to 1.7 times the distance between the third wiring layer and the fourth wiring layer,
The third voltage amplitude of the wiring layer or the fourth wiring layer, wherein a first small Ikoto than the voltage amplitude of the plurality of wirings of the wiring layers.
前記第Said 11 の配線層の電圧振幅をThe voltage amplitude of the wiring layer VDDVDD 、前記第3の配線層の電圧振幅を, The voltage amplitude of the third wiring layer V2V2 とすると、前記第Then, the above 11 の配線層と前記第Wiring layer and the first 22 の配線層との距離H1と、前記第3の配線層と第4の配線層との距離H3の関係は、The relationship between the distance H1 between the wiring layer and the distance H3 between the third wiring layer and the fourth wiring layer is as follows: H1H1 ≧(≧ ( VDD/V2VDD / V2 ) 1.51.5 ×× HH 3となるように構成したことを特徴とする請求項13. The configuration according to claim 1, wherein 3Three に記載の半導体装置。A semiconductor device according to 1. 第1の配線層、第2の配線層、第3の配線層および第4の配線層に含まれる配線の少なくとも1つは銅を主成分として含むことを特徴とする請求項1 3 または1 4 のいずれかに記載の半導体装置。The first wiring layer, a second wiring layer, according to claim 1 3 or 1 4 at least one of the wirings included in the third wiring layer and the fourth wiring layer of which comprises copper as a main component The semiconductor device according to any one of the above . 前記第1の配線層の配線と前記第2の配線層の配線とは、ねじれ(Crossover layout)の関係にあることを特徴とする請求項1 3 乃至15のいずれかに記載の半導体装置。Wherein the first wiring layer of the wiring and the second wiring layer of the wiring, the semiconductor device according to any one of claims 1 3 to 15, characterized in that a relation of twisting (Crossover layout). 前記第1の配線層の配線幅は、前記第2の配線層の配線幅および前記第3の配線層の配線幅よりも小さいことを特徴とする請求項1 3 乃至15のいずれかに記載の半導体装置。Wiring width of said first wiring layer, according to any one of claims 1 3 to 15, wherein less than the wiring width of the second wiring width of the wiring layer and the third wiring layer Semiconductor device. 前記第1の配線層の隣接する配線同士の間隔は、前記第2の配線層の隣接する配線同士の間隔および前記第3の配線層の隣接する配線同士の間隔よりも小さいことを特徴とする請求項1 3 乃至15のいずれかに記載の半導体装置。An interval between adjacent wires in the first wiring layer is smaller than an interval between adjacent wires in the second wiring layer and an interval between adjacent wires in the third wiring layer. the semiconductor device according to any one of claims 1 3 to 15.
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