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JP2004140231A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2004140231A
JP2004140231A JP2002304612A JP2002304612A JP2004140231A JP 2004140231 A JP2004140231 A JP 2004140231A JP 2002304612 A JP2002304612 A JP 2002304612A JP 2002304612 A JP2002304612 A JP 2002304612A JP 2004140231 A JP2004140231 A JP 2004140231A
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wiring
load
voltage
down circuit
power supply
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Application number
JP2002304612A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobuyuki Kokubo
小久保 信幸
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Renesas Technology Corp
Original Assignee
Renesas Technology Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of supplying the output voltage of a voltage step-down circuit even to a load disposed at a distance from the voltage step-down circuit without greatly dropping its voltage value. <P>SOLUTION: The semiconductor device is equipped with the voltage step-down circuit which steps down and outputs a source voltage once the source voltage is inputted, and a power supply wire which supplies the output voltage of the voltage step-down circuit to a plurality of loads. The power supply wire comprises a 1st wire extending from the voltage step-down circuit to a 1st branch point, and a 2nd wire extending from the branch point to the plurality of load. When the load which has the largest resistance value from the branch point to its position on the 2nd wire is regarded as a 1st load, and the load having the largest value from the branch point to its position on a path which does not overlap with the path from the branch point to the 1st load is regarded as a 2nd load; the 1st branch point is provided where the difference between the 1st resistance value from the 1st branch point of the 2nd wire to the 1st load and the resistance value from the branch point to the 2nd load is less than a half as large as the 1st resistance value. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源電圧の降圧回路を備えた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、メモリやマイクロプロセッサ等の半導体装置は、内部回路の消費電力を低減することが強く要求される。この要求を満たすために、例えば、内部回路の電源電圧を低くすることが考えられるが、外部から供給される電源電圧の値は標準化されており、これを変化させることは望ましくない。そこで、装置内部に降圧回路を設け、外部から供給される電源電圧をその降圧回路により低下させて内部回路に供給する方法が取り入れられている。
【0003】
図10は、降圧回路を備えた従来の半導体装置(半導体チップ)における部品の配置を図式的に示す。図10を参照すると、半導体チップ102には、外部電源パッド104、降圧回路106、負荷108,110,112、外部電源パッド104と降圧回路106とを接続する電源配線116、および、降圧回路106と各々の負荷とを接続する電源配線が形成される。降圧回路106と各々の負荷とを接続する電源配線は、第1の配線118と第2の配線120とから成る。第2の配線120は、負荷108,110,112に共通に接続される配線であり、第1の配線118は、第2の配線120と降圧回路106とを接続する配線である。負荷108,110,112は、降圧回路106の出力電圧を電源電圧とする、例えば、トランジスタ等の素子である。また、矢印22は、降圧回路6に、その出力電圧がフィードバックされていることを示す。図10において、第2の配線120は、負荷の配置に合わせて十字型形状をしている。説明を簡単にするために、負荷108,110,112のみを示しているが、第2の配線120に接続される他の負荷が存在してもよい。また、第2の配線120と各々の負荷108,110,112との接続点を、それぞれ、P1,P2,P3として示す。第1の配線118は、通常、その長さが短くなるように第2の配線120に接続される。ここでは、第1の配線118の一端は、第2の配線120における降圧回路106に最も近い端部(図10では、接続点P1)に接続される。結果として、半導体チップ102における電源配線の占有面積が小さくなり、チップの小型化が実現できる。
【0004】
しかし、上述の構成においては、降圧回路106から離れて位置された負荷、つまり、降圧回路106からの距離(配線経路に沿った距離)が長い負荷には、配線抵抗における電圧降下により、所望の電圧よりも低い電圧が印加されるという問題があった。以下に、図10および図11を用いて詳細に説明する。図11は、図10の半導体チップ102において実現される集積回路の回路図である。図11において、降圧回路106は、外部電源130に接続される。降圧回路106は、外部電源130から電源電圧が入力されると、それを所望の電圧に降圧して出力する。ここで、降圧回路106が出力する電圧をV、降圧回路106が出力する電流をIとする。降圧回路106から出力された電流Iは、第1の配線118および第2の配線120を通って、負荷108,110,112に供給される。第1の配線118は、その長さが短いので配線抵抗が無視できるとすると、(接続点P1における)負荷108には、降圧回路106の出力電圧Vが印加される。一方、第2の配線120において負荷108が接続された接続点P1から負荷110が接続された接続点P2までの抵抗をR4、負荷110が接続された接続点P2から負荷112が接続された接続点P3までの抵抗をR5とすると、負荷110および負荷112には、それぞれ、配線抵抗における電圧降下により、V−I×R4およびV−I×R4−I×R5の電圧が印可される。なお、ここでは、簡単のために、負荷108,110,112の入力インピーダンスは十分に高いものとし、その入力端子に流れ込む電流は無視できるほど小さいものとする。結局、負荷108,110,112に印可される電圧を、それぞれ、電圧V108,V110,V112とすると、以下の式(1)が成り立つ。
【数1】

Figure 2004140231
この場合、3つの負荷108,110,112のうち、降圧回路106から離れた負荷110,112には、所望の電圧Vよりも低い電圧が印可される。特に、負荷112には、所望の電圧Vよりも大幅に低い電圧が印可される。これにより、例えば、負荷112がトランジスタである場合、トランジスタに十分な電圧が印可されず、スイッチング速度が低下するといった問題があった。
【0005】
例えば、従来の半導体集積回路は、複数の機能モジュールの各々に対して専用の降圧回路を備える(例えば、特許文献1参照。)。この構成を用いれば、半導体集積回路の電源配線を等価的に短くすることができ、電源配線における不所望な電圧降下を低減できる。
【0006】
【特許文献1】
特開平5−266224号公報(第3−4頁、図1−図3)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献1などに開示される構成を実現するためには、1つの半導体チップ上に複数の降圧回路を設けなければならない。半導体チップに設置される降圧回路の個数が多いと、半導体チップの消費電力が大きくなるという問題があった。
【0008】
近年は、高性能化に向けた素子数の増加により、半導体チップのチップサイズが大きくなっている。その一方で、上述のように降圧回路の個数が制限されるので、降圧回路と負荷との間の電源配線の距離がますます長くなることが考えられる。
【0009】
本発明の目的は、降圧回路から離れて位置された負荷に対しても、降圧回路の出力電圧を、その電圧値を大幅に低下させることなく供給できる半導体装置を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、電源電圧が入力されるとその電源電圧を降圧して出力する降圧回路と、前記の降圧回路の出力電圧を複数の負荷に供給する電源配線とを備える半導体装置である。この半導体装置において、前記の電源配線は、2以上の方向に分岐する少なくとも1つの分岐点を有する。また、前記の電源配線は、前記の降圧回路から最初の前記の分岐点となる第1の分岐点まで延びた第1の配線と、その第1の分岐点から複数の前記の負荷まで延びた第2の配線とから成る。前記の第1の分岐点は、前記の第2の配線における前記の第1の分岐点から複数の前記の負荷のうち第1の負荷までの第1の抵抗値と前記の第2の配線における前記の第1の分岐点から複数の前記の負荷のうち第2の負荷までの第2の抵抗値との差が、前記の第1の抵抗値の2分の1よりも小さくなる位置に設けられる。ここで、前記の第1の負荷は、複数の前記の負荷のうち、前記の第2の配線において前記の第1の分岐点からその位置までの抵抗値が最大である負荷であり、前記の第2の負荷は、複数の前記の負荷の個数が2である場合に、前記の第1の負荷以外の負荷であり、複数の前記の負荷の個数が3以上である場合に、複数の前記の負荷のうち、前記の第2の配線に沿って前記の第1の分岐点から前記の第1の負荷までの経路と重複しない経路において、前記の第1の分岐点からその位置までの抵抗値が最大となる負荷である。
【0011】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明による半導体装置(半導体チップ)における部品の配置を図式的に示す。図1を参照すると、半導体チップ2には、外部電源パッド4、降圧回路6、負荷8,10,12、外部電源パッド4と降圧回路6とを接続する電源配線16、および、降圧回路6と各々の負荷とを接続する電源配線が形成される。降圧回路6と各々の負荷とを接続する電源配線は、第1の配線18と第2の配線20とから成る。第2の配線20は、負荷8,10,12に共通に接続される配線であり、第1の配線18は、その第2の配線20と降圧回路6とを接続する配線である。負荷8,10,12は、例えば、トランジスタ等の、降圧回路6の出力電圧を電源電圧とする素子である。図1において、第2の配線20は、負荷の配置に合わせて十字型形状をしている。ここで、説明を簡単にするために、負荷8,10,12のみを示しているが、第2の配線20に接続される他の負荷が存在してもよい。また、第2の配線20と負荷10との接続点をQ1、第2の配線20と負荷8,12との接続点を、それぞれ、Q2,Q3として示す。
【0012】
本実施の形態による半導体チップ2において、第1の配線18は、第2の配線20に接続点Q1で接続される。また、第2の配線20に沿って、接続点Q1から接続点Q2までの長さと、接続点Q1から接続点Q3までの長さは等しい。
【0013】
図2は、図1の半導体チップ2において実現される集積回路の回路図である。図2において、降圧回路6は、外部電源30に接続される。降圧回路6は、外部電源30から電源電圧が入力されると、それを所望の電圧に降圧して出力する。ここで、降圧回路6が出力する電圧をV、降圧回路6が出力する電流をIとする。降圧回路6から出力された電流Iは、第1の配線18および第2の配線20を通って、負荷8,10,12に供給される。本実施の形態による半導体チップ2においては、降圧回路6から接続点Q1までの電源配線(第1の配線18)の長さは、従来の半導体チップ(図10)におけるその長さと比較して長く、配線抵抗は無視できない。よって、第1の配線18の配線抵抗の値をR1とすると、接続点Q1における電圧は、V−I×R1となる。これにより、接続点Q1に接続される負荷10には、V−I×R1の電圧が印可される。次に、電流Iは、接続点Q1で2方向に分岐する(簡単のために、負荷8,10,12の入力インピーダンスは十分に高く、その入力端子に流れ込む電流は無視できるほど小さいものとする。)。ここで、第2の配線20において、接続点Q1から負荷8が接続される接続点Q2までの配線抵抗の抵抗値をR2、接続点Q1から負荷12が接続される接続点Q3までの配線抵抗の抵抗値をR3とし、さらに、簡単のために、R2とR3が等しいとすると、電流Iは、接続点Q1で、I/2ずつに分配される。このとき、負荷8および負荷12に印可される電圧は、第2の配線20における電圧降下によって、それぞれ、V−I×R1−I/2×R2、および、V−I×R1−I/2×R3となる。結局、負荷8,10,12に印可される電圧を、それぞれ、V,V10,V12とすると、以下の式(2)が成り立つ。
【数2】
Figure 2004140231
【0014】
本実施の形態による半導体チップ2においては、V−I×R1が各々の負荷に印可されるべき所望の電源電圧に等しくなるようにR1を設定する。そのとき、第2の配線は、抵抗値R1を有するように形成される。
【0015】
また、図1において、矢印22は、降圧回路6の出力電圧が降圧回路6にフィードバックされることを示す。以下に、詳細に説明する。図3は、降圧回路6の構成の一例を示す図である。この降圧回路6は、差動増幅回路32、その差動増幅回路32の出力電圧をゲート電圧とするpチャネルMOSトランジスタTr1、トランジスタTr1のドレイン電流の一部を電圧に変換する変換回路34を備える。差動増幅回路32は、差動回路とカレントミラー回路とから成る一般的な回路であるため、構成および動作の詳細な説明は省略する。図3の降圧回路6において、トランジスタTr1のドレイン電流Iaの一部Ib(=αIa:αは比例定数)は、変換回路34によって電圧V1に変換され、差動増幅回路32に入力される(矢印22は、電流Ibがフィードバックされる様子を示す)。この電圧V1の値は、電流Ibの値に比例する。差動増幅回路32は、電圧V1と基準電圧V2とを比較し、その比較結果に応じて電圧V3を出力する。この電圧V3は、トランジスタTr1のゲートに印加され、トランジスタTr1は、このゲート電圧に応じてドレイン電流Iaを出力する。降圧回路6において電流Iaの値が所望の値で一定に保持されるとき、電圧V1および電圧V2は等しく、差動増幅回路32は平衡状態にあり、出力電圧V3も一定である。しかし、何らかの原因で電流Iaが増加すると、電圧V1が基準電圧V2より大きくなり、出力電圧V3の値は、差動増幅回路32が平衡状態にあるときの出力電圧の値Voよりも大きくなる。このとき、トランジスタTr1のドレイン電流Iaの値が減少し、電流Iaの増大が抑制される。一方、電流Iaが減少すると、電圧V1が基準電圧V2より小さくなり、出力電圧V3の値は、Voよりも小さくなる。このとき、トランジスタTr1のドレイン電流Iaの値が増大し、電流Iaの減少が抑制される。以上のことから、降圧回路6は、その構成により、出力電流Iを一定の値(1−α)Iaに保持できる。出力電流Iが一定に保持されることは、負荷に印可される電圧が一定に保持されることを意味する。
【0016】
本実施の形態による半導体チップ2においては、第2の配線20に沿って第1の配線18と第2の配線20との接続点Q1に最も近い負荷と、第2の配線20に沿ってその接続点Q1から最も遠い負荷との間の第2の配線20に沿った距離が、従来の半導体チップ102よりも短くなる。
【0017】
ここで、本実施の形態による半導体チップ2の電源配線における電圧降下について、従来の半導体チップ102と比較して説明する。図1と図10を比較すると、第1の配線と第2の配線との接続点(以下、「接続点A1」という。)に最も近い負荷と接続点A1から最も遠い負荷との間の第2の配線に沿った距離は、図10において、接続点P1から接続点P3までの距離であるのに対し、図1において、接続点Q1から接続点Q2(または、接続点Q3)までの距離である。一般に、配線の抵抗値は、その長さに比例し、配線の長さが長いほど、抵抗値は大きい。半導体チップ2および半導体チップ102においては、簡単のために、配線の抵抗値が、その配線の長さによってのみ変化するものとする。
【0018】
まず、図1において、負荷8,10,12を、メモリセルを含むコア回路を構成するトランジスタとする。このようなトランジスタには、ゲート酸化膜の信頼性上の問題から、所定値を超える電圧がかけられない。この所定値を、例えば、1.9Vとする。外部電源電圧Vaを3.3V±0.1Vとし、R1、R2およびR3(図2)を、それぞれ、2(Ω)、1(Ω)および1(Ω)とする。また、降圧回路6が出力する電流Iの値を、200mVとする。このとき、式(2)を用いれば、トランジスタ10に印加される電圧を1.9Vにするために、降圧回路の出力電圧を、2.3Vにする必要がある。また、その場合には、式(2)により、トランジスタ8およびトランジスタ12に印可される電圧は、ともに1.8Vである。
【0019】
一方、図10において、負荷108,110,112も、負荷8等と同様に、性能上1.9Vを超える電圧を印加できないトランジスタとする。また、本実施の形態による半導体チップ2と同様に、電源電圧Vaを3.3V±0.1Vとし、降圧回路が出力する電流Iの値を200mAとする。R4およびR5(図11)は、配線の抵抗値がその配線の長さに比例することを考慮すると、図1と図10とを比較して、ともに1(Ω)とすることができる。このとき、接続点P1においてトランジスタ108に印可される電圧を1.9Vとすると、トランジスタ110およびトランジスタ112に印可される電圧は、それぞれ、式(1)により、1.7Vおよび1.5Vである。
【0020】
従来の半導体チップ(図11)においては、トランジスタ112(接続点A1から最も遠い負荷)の性能が、トランジスタ108(接続点A1に最も近い負荷)に比べて、20%以上劣化する(トランジスタ112に印可される電圧の大きさが、トランジスタ108に印可される電圧の大きさよりも大幅に小さくなることによる)。この性能劣化は、高速性が要求される半導体チップにおいては許容できない。しかし、本実施の形態による半導体チップ(図2)においては、トランジスタ8(接続点A1から最も遠い負荷、トランジスタ12も同様)の性能が、トランジスタ10(接続点A1に最も近い負荷)に比べて、5%程度しか劣化しない(トランジスタ8に印可される電圧の大きさと、トランジスタ10に印加される電圧の大きさの差が小さいことによる)。トランジスタの性能劣化は10%以下であれば許容範囲とみなせるので、本実施の形態による半導体チップ2におけるトランジスタの性能劣化は、十分な許容範囲内にある。従って、本実施の形態による半導体チップ2では、従来の半導体チップ102と比べて、トランジスタの性能劣化が大幅に改善されている。つまり、本実施の形態による半導体チップにおいては、降圧回路から離れて位置された負荷に対しても、降圧回路の出力電圧を、その電圧値を大幅に低下させることなく供給できる。
【0021】
一般的に、従来の半導体チップと比較して、トランジスタの性能劣化を改善するためには、第1の配線と第2の配線との接続点A1(負荷が接続されているとは限らない)は、降圧回路から複数の負荷へ延びる(第1の配線および第2の配線から成る)電源配線がその点から2以上の方向に分岐するような分岐点であることが必要である。なお、第2の配線も、2以上の方向に分岐する分岐点を有する場合があり、接続点A1は、降圧回路から複数の負荷へ延びる電源配線に存在する少なくとも1以上の分岐点のうち最初の分岐点であるといえる。
【0022】
また、それぞれの負荷に印可される電圧の差があまり大きくならないように、接続点A1は、以下に説明する条件を満たすことが好ましい。従来の半導体チップおよび本実施の形態による半導体チップにおいて、電源配線の抵抗値は、その電源配線の長さによってのみ変化するとしたが、実際には、電源配線の抵抗値は、配線の幅等の他の条件によっても変化する。従って、電源配線における電圧降下は、電源配線の長さではなく、電源配線の抵抗値を基に考えるべきである。ここで、第2の配線に接続された全ての負荷のうち、第2の配線に沿って接続点A1からその位置までの抵抗値が最大である負荷を第1の負荷とする。接続点A1は、第2の配線における分岐点であるため、第2の配線は、接続点A1から第1の負荷へ延びる第1の配線経路と、接続点A1からその他の方向へ延びる(第1の配線経路と重複しない)第2の配線経路とを有する。第2の配線に接続される負荷の個数が3以上である場合には、それらの負荷のうち、第2の配線経路において接続点A1からその位置までの抵抗値が最大である負荷を第2の負荷とする。また、第2の配線に接続される負荷の個数が2である場合には、第1の負荷以外のもう1つの負荷を第2の負荷とする。いずれの場合であっても、接続点A1は、第2の配線における接続点A1から第1の負荷までの抵抗値と第2の配線における接続点A1から第2の負荷までの抵抗値との差が、第2の配線における接続点A1から第1の負荷までの抵抗値の2分の1よりも小さくなるような位置に設けられることが好ましい。このとき、第2の配線における接続点A1から第1の負荷までの抵抗値をRa、第2の配線における接続点A1から第2の負荷までの抵抗値をRbとすると、以下の式(3)が成り立つ。
【数3】
Figure 2004140231
【0023】
本実施の形態による半導体チップ2においては、第1の負荷が負荷8(または負荷12)、第2の負荷が負荷12(第1の負荷が負荷12である場合は負荷8)であり、Ra=Rb=R2=R3であるので、0<R2/2が成り立ち、式(3)を満たす。また、RaとRaが異なる場合であっても、式(3)に示される関係を満たせば、従来の半導体チップにおけるトランジスタの性能劣化を改善できる。例えば、接続点A1が図4に示されるような位置にある場合において、RaおよびRaを、それぞれ、1.3(Ω)および0.7(Ω)(1.3−0.7<1.3/2)とすると、降圧回路6が出力する電流Iの値が200mV、R1が2(Ω)、かつ、降圧回路の出力電圧が2.3Vの場合に、トランジスタ8およびトランジスタ12に印可される電圧は、それぞれ、式(2)より、1.77V以上、1.83V以上である。また、トランジスタ10に印可される電圧は、1.87V以上である。このとき、トランジスタの性能劣化は、大きい方で5%程度である(この場合、トランジスタ10は、トランジスタ8よりも接続点A1に近いので、トランジスタ10の性能劣化は、トランジスタ8よりも小さい。)。これは、性能劣化の許容範囲である10%以下という条件を満たし、従来の半導体チップに比べて、トランジスタの性能劣化が十分に改善されていることを意味する。
【0024】
なお、第2の配線20および負荷の配置が図1や図4に示される配置と異なっても、接続点A1が、降圧回路から複数の負荷へ延びる電源配線の最初の分岐点であり、式(3)に示される関係を満たす位置にあれば、第1の配線を同じ第2の配線の端部に接続する半導体チップと比較して、トランジスタの性能劣化を改善できる。例えば、第2の配線、負荷および接続点A1の配置が図5に示されるような場合には、接続点A1が第2の配線の端部にある従来の半導体チップにおけるトランジスタの性能劣化を改善できる。図5において、第1の負荷は負荷24であり、第2の負荷は負荷26である。この負荷26は、第2の配線20に接続される複数の負荷のうち、第2の配線20に沿った接続点A1(Q1)から第1の負荷24へ延びる第1の配線経路に重複しない経路において、接続点A1からその位置までの抵抗値が最大であるような負荷である(例えば、接続点A1から接続点Q2へ延びる経路は、第1の配線経路に重複するとみなされる。)。
【0025】
なお、図1、図4および図5においては、配線の抵抗値がその配線の長さによってのみ変化すると仮定して接続点A1の位置を定めているが、これは常に適切というわけではない。実際には、配線の抵抗値は、その配線の幅等の他の条件によっても変化するので、接続点A1は、式(3)を満たすような位置であれば、配線の長さ(接続点A1から負荷までの配線の長さ)に制限されず、他の位置に設けることができる。
【0026】
実施の形態2.
図6は、本実施の形態による半導体チップ42の断面を図式的に示す。この半導体チップ42は、2つの電源配線層とその間の絶縁層から成る。実施の形態1による半導体チップ2においては、第1の配線18を、降圧回路6や第2の配線20と同じ表面に形成していたが、本実施の形態による半導体チップ42においては、第1の配線18を、降圧回路6や第2の配線20が形成された層44とは別の層46に形成する。2つの層44,46の間は絶縁層48であり、絶縁層48には、2つの層44,46を電気的に接続するバイアホール50が形成される。図7は、本実施の形態による半導体チップ42の分解図である。図7に示されるように、層44に形成された降圧回路6および第2の配線20は、それぞれ、絶縁層48を貫通するバイアホール50を介して、層46に形成された第1の配線18に接続される。
【0027】
本実施の形態による半導体チップ42においては、第1の配線18等と第2の配線20とを同一の層に形成する必要がなく、第1の配線18を1つの配線層に自由にレイアウトすることができる。従って、第1の配線18を第2の配線20等と同一の層に配置する場合と比較して、第1の配線18の配置によるチップ面積の拡大を防止でき、半導体チップのチップサイズを小さくできる。これは、実施の形態1において、第1の配線18と第2の配線20を接続点Q1で接続することにより、第1の配線18が従来の第1の配線(例えば、図10における配線118)よりも長くなってしまうという課題を克服するものである。
【0028】
なお、本実施の形態による半導体チップにおいては、第1の配線18等を形成する層と第2の配線20を形成する層を完全に別にしたが、第2の配線20等を形成する層に、第1の配線18の一部が形成されてもよい。その場合には、一方の層に形成された第1の配線18の一部と他方の層に形成された第1の配線18が、バイアホールを介して接続される。
【0029】
実施の形態3.
図8は、実施の形態3の半導体チップ62における部品の配置を図式的に示す。本実施の形態による半導体チップ62が、実施の形態1による半導体チップ2と異なる点は、矢印64に示されるように、降圧回路66に、第1の配線18と第2の配線20との接続点A1(本実施の形態では、接続点Q1に等しい)の電圧をフィードバックする点である。これは、半導体装置の消費電流が動作状態によって大幅に変化するとき、非常に有効である。以下に、詳細に説明する。図9は、本実施の形態による半導体チップ62の降圧回路66の回路図である。この降圧回路66において、端子Cには、降圧回路66外部の他の回路により、接続点A1の電圧が入力される(矢印64は、この接続点A1の電圧がフィードバックされる様子を示す)。接続点A1の電圧は、差動増幅回路68の入力電圧V1として、基準電圧V2と比較される。差動増幅器回路68は、比較結果に応じて電圧V3を出力する。この電圧V3は、トランジスタTr2のゲートに印加され、トランジスタTr2は、このゲート電圧に応じてドレイン電流Iを出力する。ここで、トランジスタTr2は、nチャネルMOSトランジスタである。
【0030】
本実施の形態による降圧回路66においては、端子Cに入力される電圧(すなわち、接続点A1における電圧:V−I×R1)が、所望の電圧よりも大きくなる(降圧回路66の出力電流Iが小さくなる)と、平衡状態のときと比較して、差動増幅回路68の出力電圧V3が大きくなり、トランジスタTr2のゲートに印加される電圧も大きくなる。トランジスタTr2は、nチャネルMOSトランジスタであるため、ゲート電圧に印加される電圧が大きくなると、ドレイン電流Iの値が増大し、出力電流Iの減少が抑制される。反対に、端子Cに入力される電圧が所望の電圧よりも小さくなると、出力電流Iの増大が抑制される。結果として、接続点A1の電圧をフィードバックすることにより、降圧回路66の出力電流Iが一定の値に保持される。ここで、出力電流Iが一定に保持されることは、接続点A1の電圧(V−I×R1)が一定に保持されることを意味する。
【0031】
消費電流が大幅に変化する半導体装置においては、消費電流(I)が少なくなったときに、接続点A1の電圧(V−I×R1)が、負荷に印可されるべき所望の電圧よりも大きくなる場合がある。その際には、トランジスタ等の負荷に信頼性上の問題が発生する。本実施の形態による半導体装置においては、接続点A1(Q1)の電圧を降圧回路6にフィードバックすることにより、接続点A1における電圧が、トランジスタ等の素子の許容電源電圧を超えないようにすることができる。
【0032】
なお、第1の配線18と第2の配線20の接続点における電圧を降圧回路にフィードバックする構成は、実施の形態2による積層構造から成る半導体装置においても実現可能である。
【0033】
【発明の効果】
本発明による半導体装置によれば、電源電圧が入力されるとその電源電圧を降圧して出力する降圧回路と、降圧回路の出力電圧を複数の負荷に供給する電源配線とを備え、電源配線は、2以上の方向に分岐する少なくとも1つの分岐点を有し、その電源配線は、降圧回路から最初の分岐点となる第1の分岐点まで延びた第1の配線と、その第1の分岐点から複数の負荷まで延びた第2の配線とから成り、第1の分岐点は、第2の配線におけるその第1の分岐点から複数の負荷のうち第1の負荷までの第1の抵抗値と第2の配線におけるその第1の分岐点から複数の負荷のうち第2の負荷までの第2の抵抗値との差が、第1の抵抗値の2分の1よりも小さくなる位置に設けられ、その第1の負荷は、複数の負荷のうち、第2の配線において第1の分岐点からその位置までの抵抗値が最大である負荷であり、その第2の負荷は、複数の負荷の個数が2である場合に、第1の負荷以外の負荷であり、複数の負荷の個数が3以上である場合に、複数の負荷のうち、第2の配線に沿って第1の分岐点から第1の負荷までの経路と重複しない経路において、第1の分岐点からその位置までの抵抗値が最大となる負荷であるので、降圧回路から離れて位置された負荷に対しても、降圧回路の出力電圧を、その電圧値を大幅に低下させることなく供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1による半導体チップの部品の配置を図式的に示す図。
【図2】図1の半導体チップにおいて実現される集積回路の回路図。
【図3】実施の形態1による降圧回路の一例を示す回路図。
【図4】実施の形態1による半導体チップの部品の配置の変形例を示す図。
【図5】実施の形態1による半導体チップの部品の配置の変形例を示す図。
【図6】実施の形態2による半導体チップの断面を図式的に示す図。
【図7】実施の形態2による半導体チップの分解図。
【図8】実施の形態3による半導体チップの部品の配置を図式的に示す図。
【図9】実施の形態3による降圧回路の一例を示す回路図。
【図10】従来の半導体チップの部品の配置を図式的に示す図。
【図11】図10の半導体チップにおいて実現される集積回路の回路図。
【符号の説明】
2 半導体チップ、 4 外部電源パッド、 6 降圧回路、 8、10、12 負荷、 18、20 配線。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a power supply voltage step-down circuit.
[0002]
[Prior art]
Generally, a semiconductor device such as a memory or a microprocessor is strongly required to reduce power consumption of an internal circuit. In order to satisfy this requirement, for example, it is conceivable to lower the power supply voltage of the internal circuit. However, the value of the power supply voltage supplied from the outside is standardized, and it is not desirable to change this. Therefore, a method has been adopted in which a step-down circuit is provided inside the device, and the power supply voltage supplied from the outside is reduced by the step-down circuit and supplied to the internal circuit.
[0003]
FIG. 10 schematically shows the arrangement of components in a conventional semiconductor device (semiconductor chip) having a step-down circuit. Referring to FIG. 10, an external power supply pad 104, a step-down circuit 106, loads 108, 110, 112, a power supply wiring 116 connecting the external power supply pad 104 and the step-down circuit 106, and a step-down circuit 106 A power supply wiring connecting each load is formed. The power supply wiring connecting the step-down circuit 106 and each load is composed of a first wiring 118 and a second wiring 120. The second wiring 120 is a wiring commonly connected to the loads 108, 110, and 112, and the first wiring 118 is a wiring connecting the second wiring 120 and the step-down circuit 106. Each of the loads 108, 110, and 112 is an element such as a transistor that uses the output voltage of the step-down circuit 106 as a power supply voltage. Arrow 22 indicates that the output voltage is fed back to step-down circuit 6. In FIG. 10, the second wiring 120 has a cross shape in accordance with the arrangement of the load. For simplicity, only the loads 108, 110, and 112 are shown, but other loads connected to the second wiring 120 may exist. In addition, connection points between the second wiring 120 and the loads 108, 110, and 112 are indicated as P1, P2, and P3, respectively. The first wiring 118 is usually connected to the second wiring 120 such that its length becomes shorter. Here, one end of the first wiring 118 is connected to the end of the second wiring 120 closest to the step-down circuit 106 (the connection point P1 in FIG. 10). As a result, the area occupied by the power supply wiring in the semiconductor chip 102 is reduced, and the size of the chip can be reduced.
[0004]
However, in the above-described configuration, a load located away from the step-down circuit 106, that is, a load having a long distance from the step-down circuit 106 (a distance along the wiring path) has a desired voltage due to a voltage drop in the wiring resistance. There is a problem that a voltage lower than the voltage is applied. The details will be described below with reference to FIGS. FIG. 11 is a circuit diagram of an integrated circuit realized in the semiconductor chip 102 of FIG. 11, the step-down circuit 106 is connected to an external power supply 130. When the power supply voltage is input from the external power supply 130, the step-down circuit 106 steps down the power supply voltage to a desired voltage and outputs it. Here, the voltage output from the step-down circuit 106 is V, and the current output from the step-down circuit 106 is I. The current I output from the step-down circuit 106 is supplied to the loads 108, 110, 112 through the first wiring 118 and the second wiring 120. Assuming that the wiring resistance of the first wiring 118 is negligible because of its short length, the output voltage V of the step-down circuit 106 is applied to the load 108 (at the connection point P1). On the other hand, in the second wiring 120, the resistance from the connection point P1 where the load 108 is connected to the connection point P2 where the load 110 is connected is R4, and the connection where the load 112 is connected to the connection point P2 where the load 110 is connected. Assuming that the resistance up to the point P3 is R5, voltages of VI × R4 and VI × R4-I × R5 are applied to the load 110 and the load 112, respectively, due to a voltage drop in the wiring resistance. Here, for the sake of simplicity, it is assumed that the input impedances of the loads 108, 110, and 112 are sufficiently high, and the current flowing into the input terminals is small enough to be ignored. After all, the voltages applied to the loads 108, 110, 112 are respectively 108 , V 110 , V 112 Then, the following equation (1) holds.
(Equation 1)
Figure 2004140231
In this case, a voltage lower than the desired voltage V is applied to the loads 110 and 112 that are apart from the step-down circuit 106 among the three loads 108, 110 and 112. In particular, a voltage much lower than the desired voltage V is applied to the load 112. Accordingly, for example, when the load 112 is a transistor, there is a problem that a sufficient voltage is not applied to the transistor and the switching speed is reduced.
[0005]
For example, a conventional semiconductor integrated circuit includes a dedicated step-down circuit for each of a plurality of functional modules (for example, see Patent Document 1). With this configuration, the power supply wiring of the semiconductor integrated circuit can be equivalently shortened, and an undesired voltage drop in the power supply wiring can be reduced.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-5-266224 (page 3-4, FIGS. 1-3)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to realize the configuration disclosed in Patent Document 1 or the like, a plurality of step-down circuits must be provided on one semiconductor chip. When the number of step-down circuits provided on the semiconductor chip is large, there is a problem that the power consumption of the semiconductor chip increases.
[0008]
In recent years, the chip size of a semiconductor chip has increased due to an increase in the number of elements for higher performance. On the other hand, since the number of step-down circuits is limited as described above, the distance of the power supply wiring between the step-down circuit and the load may be further increased.
[0009]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of supplying an output voltage of a step-down circuit to a load located away from the step-down circuit without significantly lowering its voltage value.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device comprising: a step-down circuit that steps down a power supply voltage when a power supply voltage is input and outputs the voltage; and a power supply line that supplies an output voltage of the step-down circuit to a plurality of loads. is there. In this semiconductor device, the power supply wiring has at least one branch point branched in two or more directions. Further, the power supply wiring extends from the step-down circuit to a first branch point which is the first branch point, and extends from the first branch point to the plurality of loads. And second wiring. The first branch point includes a first resistance value from the first branch point in the second wiring to a first load among the plurality of loads and a first resistance value in the second wiring. Provided at a position where a difference from a second resistance value from the first branch point to a second load of the plurality of loads is smaller than half of the first resistance value. Can be Here, the first load is a load having a maximum resistance value from the first branch point to the position of the second wiring in the second wiring, among the plurality of loads. The second load is a load other than the first load when the number of the plurality of loads is two, and the plurality of the plurality of loads when the number of the plurality of loads is three or more. Out of the load, on a path that does not overlap with a path from the first branch point to the first load along the second wiring, a resistance from the first branch point to the position thereof. This is the load with the maximum value.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 schematically shows an arrangement of components in a semiconductor device (semiconductor chip) according to the present invention. Referring to FIG. 1, the semiconductor chip 2 includes an external power supply pad 4, a step-down circuit 6, loads 8, 10, and 12, a power supply line 16 connecting the external power supply pad 4 and the step-down circuit 6, and a step-down circuit 6. A power supply wiring connecting each load is formed. The power supply wiring for connecting the step-down circuit 6 to each load includes a first wiring 18 and a second wiring 20. The second wiring 20 is a wiring commonly connected to the loads 8, 10, and 12, and the first wiring 18 is a wiring connecting the second wiring 20 and the step-down circuit 6. Each of the loads 8, 10, and 12 is an element such as a transistor that uses the output voltage of the step-down circuit 6 as a power supply voltage. In FIG. 1, the second wiring 20 has a cross shape in accordance with the arrangement of the load. Here, for simplicity, only the loads 8, 10, and 12 are shown, but other loads connected to the second wiring 20 may exist. The connection point between the second wiring 20 and the load 10 is shown as Q1, and the connection point between the second wiring 20 and the loads 8, 12 is shown as Q2, Q3, respectively.
[0012]
In the semiconductor chip 2 according to the present embodiment, the first wiring 18 is connected to the second wiring 20 at the connection point Q1. Along the second wiring 20, the length from the connection point Q1 to the connection point Q2 is equal to the length from the connection point Q1 to the connection point Q3.
[0013]
FIG. 2 is a circuit diagram of an integrated circuit realized in the semiconductor chip 2 of FIG. 2, the step-down circuit 6 is connected to an external power supply 30. When the power supply voltage is input from the external power supply 30, the step-down circuit 6 steps down the voltage to a desired voltage and outputs it. Here, the voltage output from the step-down circuit 6 is V, and the current output from the step-down circuit 6 is I. The current I output from the step-down circuit 6 is supplied to the loads 8, 10, and 12 through the first wiring 18 and the second wiring 20. In semiconductor chip 2 according to the present embodiment, the length of power supply wiring (first wiring 18) from step-down circuit 6 to connection point Q1 is longer than that of a conventional semiconductor chip (FIG. 10). In addition, wiring resistance cannot be ignored. Therefore, when the value of the wiring resistance of the first wiring 18 is R1, the voltage at the connection point Q1 is VI-R1. As a result, a voltage of VI × R1 is applied to the load 10 connected to the connection point Q1. Next, the current I branches in two directions at the connection point Q1 (for simplicity, it is assumed that the input impedances of the loads 8, 10, and 12 are sufficiently high and the current flowing into the input terminals is negligibly small. .). Here, in the second wiring 20, the resistance value of the wiring resistance from the connection point Q1 to the connection point Q2 to which the load 8 is connected is R2, and the wiring resistance from the connection point Q1 to the connection point Q3 to which the load 12 is connected. Is R3, and for simplicity, assuming that R2 and R3 are equal, the current I is distributed at the connection point Q1 by I / 2. At this time, the voltages applied to the load 8 and the load 12 are changed by VI × R1-I / 2 × R2 and VI × R1-I / 2, respectively, due to the voltage drop in the second wiring 20. × R3. Eventually, the voltages applied to the loads 8, 10, and 12 are respectively represented by V 8 , V 10 , V 12 Then, the following equation (2) holds.
(Equation 2)
Figure 2004140231
[0014]
In the semiconductor chip 2 according to the present embodiment, R1 is set such that VI × R1 is equal to a desired power supply voltage to be applied to each load. At this time, the second wiring is formed to have the resistance value R1.
[0015]
In FIG. 1, an arrow 22 indicates that the output voltage of the step-down circuit 6 is fed back to the step-down circuit 6. The details will be described below. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the configuration of the step-down circuit 6. The step-down circuit 6 includes a differential amplifier circuit 32, a p-channel MOS transistor Tr1 having an output voltage of the differential amplifier circuit 32 as a gate voltage, and a conversion circuit 34 for converting a part of the drain current of the transistor Tr1 to a voltage. . Since the differential amplifier circuit 32 is a general circuit including a differential circuit and a current mirror circuit, detailed description of the configuration and operation is omitted. In the step-down circuit 6 of FIG. 3, a part Ib (= αIa: α is a proportional constant) of the drain current Ia of the transistor Tr1 is converted into a voltage V1 by the conversion circuit 34 and input to the differential amplifier circuit 32 (arrow). 22 shows how the current Ib is fed back). The value of the voltage V1 is proportional to the value of the current Ib. The differential amplifier circuit 32 compares the voltage V1 with the reference voltage V2, and outputs a voltage V3 according to the comparison result. The voltage V3 is applied to the gate of the transistor Tr1, and the transistor Tr1 outputs a drain current Ia according to the gate voltage. When the value of current Ia is kept constant at a desired value in step-down circuit 6, voltage V1 and voltage V2 are equal, differential amplifier circuit 32 is in a balanced state, and output voltage V3 is also constant. However, if the current Ia increases for some reason, the voltage V1 becomes larger than the reference voltage V2, and the value of the output voltage V3 becomes larger than the value Vo of the output voltage when the differential amplifier circuit 32 is in a balanced state. At this time, the value of the drain current Ia of the transistor Tr1 decreases, and an increase in the current Ia is suppressed. On the other hand, when the current Ia decreases, the voltage V1 becomes smaller than the reference voltage V2, and the value of the output voltage V3 becomes smaller than Vo. At this time, the value of the drain current Ia of the transistor Tr1 increases, and the decrease of the current Ia is suppressed. From the above, the voltage step-down circuit 6 can maintain the output current I at a constant value (1−α) Ia by its configuration. The fact that the output current I is kept constant means that the voltage applied to the load is kept constant.
[0016]
In the semiconductor chip 2 according to the present embodiment, the load closest to the connection point Q1 between the first wiring 18 and the second wiring 20 along the second wiring 20 and the load along the second wiring 20 The distance along the second wiring 20 from the connection point Q1 to the farthest load is shorter than that of the conventional semiconductor chip 102.
[0017]
Here, a voltage drop in the power supply wiring of the semiconductor chip 2 according to the present embodiment will be described in comparison with the conventional semiconductor chip 102. Comparing FIG. 1 with FIG. 10, the load between the load closest to the connection point between the first wiring and the second wiring (hereinafter, referred to as “connection point A1”) and the load farthest from the connection point A1 will be described. The distance along the wiring 2 is the distance from the connection point P1 to the connection point P3 in FIG. 10, while the distance from the connection point Q1 to the connection point Q2 (or the connection point Q3) in FIG. It is. Generally, the resistance value of a wiring is proportional to its length, and the longer the wiring length, the larger the resistance value. In the semiconductor chip 2 and the semiconductor chip 102, for the sake of simplicity, it is assumed that the resistance value of the wiring changes only depending on the length of the wiring.
[0018]
First, in FIG. 1, the loads 8, 10, and 12 are transistors constituting a core circuit including a memory cell. A voltage exceeding a predetermined value cannot be applied to such a transistor due to a reliability problem of the gate oxide film. This predetermined value is, for example, 1.9V. The external power supply voltage Va is set to 3.3V ± 0.1V, and R1, R2 and R3 (FIG. 2) are set to 2 (Ω), 1 (Ω) and 1 (Ω), respectively. The value of the current I output from the step-down circuit 6 is set to 200 mV. At this time, if Expression (2) is used, the output voltage of the step-down circuit needs to be 2.3 V in order to make the voltage applied to the transistor 10 1.9 V. In that case, the voltage applied to both the transistor 8 and the transistor 12 is 1.8 V according to the equation (2).
[0019]
On the other hand, in FIG. 10, similarly to the load 8 and the like, the loads 108, 110, and 112 are transistors that cannot apply a voltage exceeding 1.9 V in performance. Similarly to the semiconductor chip 2 according to the present embodiment, the power supply voltage Va is set to 3.3 V ± 0.1 V, and the value of the current I output from the step-down circuit is set to 200 mA. Considering that the resistance value of the wiring is proportional to the length of the wiring, R4 and R5 (FIG. 11) can both be set to 1 (Ω) by comparing FIGS. 1 and 10. At this time, assuming that the voltage applied to transistor 108 at connection point P1 is 1.9 V, the voltages applied to transistor 110 and transistor 112 are 1.7 V and 1.5 V, respectively, according to equation (1). .
[0020]
In the conventional semiconductor chip (FIG. 11), the performance of the transistor 112 (the load farthest from the connection point A1) is deteriorated by 20% or more as compared with the transistor 108 (the load closest to the connection point A1). The magnitude of the applied voltage is much smaller than the magnitude of the voltage applied to the transistor 108). This performance degradation cannot be tolerated in a semiconductor chip that requires high speed. However, in the semiconductor chip according to the present embodiment (FIG. 2), the performance of the transistor 8 (the load farthest from the connection point A1, and the same for the transistor 12) is higher than that of the transistor 10 (the load closest to the connection point A1). 5% (due to the small difference between the magnitude of the voltage applied to the transistor 8 and the magnitude of the voltage applied to the transistor 10). If the performance degradation of the transistor is 10% or less, it can be regarded as an allowable range. Therefore, the performance degradation of the transistor in the semiconductor chip 2 according to the present embodiment is within a sufficient allowable range. Therefore, in the semiconductor chip 2 according to the present embodiment, the performance degradation of the transistor is significantly improved as compared with the conventional semiconductor chip 102. That is, in the semiconductor chip according to the present embodiment, the output voltage of the step-down circuit can be supplied to a load located away from the step-down circuit without greatly reducing the voltage value.
[0021]
In general, in order to improve the performance degradation of the transistor as compared with a conventional semiconductor chip, a connection point A1 between the first wiring and the second wiring (the load is not necessarily connected). Needs to be a branch point such that a power supply wiring (consisting of a first wiring and a second wiring) extending from the step-down circuit to a plurality of loads branches from that point in two or more directions. In some cases, the second wiring also has a branch point that branches in two or more directions, and the connection point A1 is a first connection point among at least one or more branch points existing in a power supply wiring extending from the step-down circuit to a plurality of loads. It can be said that this is a branch point.
[0022]
Further, it is preferable that the connection point A1 satisfies the condition described below so that the difference between the voltages applied to the respective loads does not become too large. In the conventional semiconductor chip and the semiconductor chip according to the present embodiment, the resistance value of the power supply wiring changes only depending on the length of the power supply wiring. However, actually, the resistance value of the power supply wiring depends on the width of the wiring and the like. It changes depending on other conditions. Therefore, the voltage drop in the power supply wiring should be considered based not on the length of the power supply wiring but on the resistance value of the power supply wiring. Here, among all loads connected to the second wiring, the load having the largest resistance value from the connection point A1 to the position along the second wiring is defined as the first load. Since the connection point A1 is a branch point in the second wiring, the second wiring extends from the connection point A1 to the first load in the first wiring path and from the connection point A1 in the other direction (the second wiring path). A second wiring path (which does not overlap with the first wiring path). If the number of loads connected to the second wiring is three or more, the load having the largest resistance from the connection point A1 to the position in the second wiring path among the loads is set to the second. Load. When the number of loads connected to the second wiring is two, another load other than the first load is set as the second load. In any case, the connection point A1 is determined by the resistance value between the connection point A1 in the second wiring and the first load and the resistance value from the connection point A1 in the second wiring to the second load. It is preferable that the difference is provided at a position where the difference is smaller than half the resistance value from the connection point A1 of the second wiring to the first load. At this time, assuming that the resistance value from the connection point A1 in the second wiring to the first load is Ra and the resistance value from the connection point A1 in the second wiring to the second load is Rb, the following equation (3) ) Holds.
[Equation 3]
Figure 2004140231
[0023]
In the semiconductor chip 2 according to the present embodiment, the first load is the load 8 (or the load 12), the second load is the load 12 (or the load 8 when the first load is the load 12), and Ra = Rb = R2 = R3, so that 0 <R2 / 2 holds and satisfies the expression (3). Further, even when Ra and Ra are different, deterioration of the performance of the transistor in the conventional semiconductor chip can be improved as long as the relationship shown in Expression (3) is satisfied. For example, when the connection point A1 is at the position as shown in FIG. 4, Ra and Ra are set to 1.3 (Ω) and 0.7 (Ω), respectively (1.3−0.7 <1. 3/2), when the value of the current I output from the step-down circuit 6 is 200 mV, R1 is 2 (Ω), and the output voltage of the step-down circuit is 2.3 V, the voltage is applied to the transistors 8 and 12. The respective voltages are 1.77 V or more and 1.83 V or more according to the equation (2). The voltage applied to the transistor 10 is 1.87 V or more. At this time, the performance deterioration of the transistor is about 5% at the largest (in this case, the performance deterioration of the transistor 10 is smaller than that of the transistor 8 because the transistor 10 is closer to the connection point A1 than the transistor 8). . This means that the condition of 10% or less, which is an allowable range of performance deterioration, is satisfied, and the performance deterioration of the transistor is sufficiently improved as compared with the conventional semiconductor chip.
[0024]
Note that, even if the arrangement of the second wiring 20 and the load is different from the arrangement shown in FIGS. 1 and 4, the connection point A1 is the first branch point of the power supply wiring extending from the step-down circuit to a plurality of loads. If the position satisfies the relationship shown in (3), the performance degradation of the transistor can be improved as compared with a semiconductor chip in which the first wiring is connected to the end of the same second wiring. For example, when the arrangement of the second wiring, the load, and the connection point A1 is as shown in FIG. 5, the performance deterioration of the transistor in the conventional semiconductor chip in which the connection point A1 is at the end of the second wiring is improved. it can. In FIG. 5, the first load is a load 24, and the second load is a load 26. The load 26 does not overlap the first wiring path extending from the connection point A1 (Q1) along the second wiring 20 to the first load 24 among the plurality of loads connected to the second wiring 20. In the path, the load is such that the resistance value from the connection point A1 to the position is the maximum (for example, the path extending from the connection point A1 to the connection point Q2 is considered to overlap the first wiring path).
[0025]
In FIGS. 1, 4 and 5, the position of the connection point A1 is determined on the assumption that the resistance value of the wiring changes only depending on the length of the wiring, but this is not always appropriate. Actually, the resistance value of the wiring changes depending on other conditions such as the width of the wiring, so that the connection point A1 has the length of the wiring (connection point The length is not limited to the length of the wiring from A1 to the load, but may be provided at another position.
[0026]
Embodiment 2 FIG.
FIG. 6 schematically shows a cross section of the semiconductor chip 42 according to the present embodiment. The semiconductor chip 42 includes two power supply wiring layers and an insulating layer therebetween. In the semiconductor chip 2 according to the first embodiment, the first wiring 18 is formed on the same surface as the step-down circuit 6 and the second wiring 20. However, in the semiconductor chip 42 according to the present embodiment, the first wiring 18 is formed. Is formed on a layer 46 different from the layer 44 on which the step-down circuit 6 and the second wiring 20 are formed. An insulating layer 48 is provided between the two layers 44 and 46, and a via hole 50 for electrically connecting the two layers 44 and 46 is formed in the insulating layer 48. FIG. 7 is an exploded view of the semiconductor chip 42 according to the present embodiment. As shown in FIG. 7, the step-down circuit 6 and the second wiring 20 formed on the layer 44 are respectively connected to the first wiring formed on the layer 46 via via holes 50 penetrating the insulating layer 48. 18 is connected.
[0027]
In the semiconductor chip 42 according to the present embodiment, it is not necessary to form the first wiring 18 and the like and the second wiring 20 in the same layer, and the first wiring 18 is freely laid out in one wiring layer. be able to. Therefore, as compared with the case where the first wiring 18 is arranged in the same layer as the second wiring 20 and the like, the chip area can be prevented from being increased due to the arrangement of the first wiring 18 and the chip size of the semiconductor chip can be reduced. it can. This is because, in the first embodiment, the first wiring 18 and the second wiring 20 are connected at the connection point Q1, so that the first wiring 18 is replaced with the conventional first wiring (for example, the wiring 118 in FIG. 10). ) To overcome the problem of becoming longer.
[0028]
In the semiconductor chip according to the present embodiment, the layer forming the first wiring 18 and the like and the layer forming the second wiring 20 are completely separated. , A part of the first wiring 18 may be formed. In that case, a part of the first wiring 18 formed in one layer and the first wiring 18 formed in the other layer are connected via via holes.
[0029]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 schematically shows the arrangement of components in the semiconductor chip 62 according to the third embodiment. The difference between the semiconductor chip 62 according to the present embodiment and the semiconductor chip 2 according to the first embodiment is that, as indicated by an arrow 64, the step-down circuit 66 connects the first wiring 18 and the second wiring 20 to each other. The point is that the voltage at the point A1 (equal to the connection point Q1 in the present embodiment) is fed back. This is very effective when the current consumption of the semiconductor device greatly changes depending on the operation state. The details will be described below. FIG. 9 is a circuit diagram of the step-down circuit 66 of the semiconductor chip 62 according to the present embodiment. In the step-down circuit 66, the voltage at the connection point A1 is input to the terminal C by another circuit outside the step-down circuit 66 (an arrow 64 indicates that the voltage at the connection point A1 is fed back). The voltage at the connection point A1 is compared with the reference voltage V2 as the input voltage V1 of the differential amplifier circuit 68. The differential amplifier circuit 68 outputs the voltage V3 according to the comparison result. The voltage V3 is applied to the gate of the transistor Tr2, and the transistor Tr2 outputs a drain current I according to the gate voltage. Here, the transistor Tr2 is an n-channel MOS transistor.
[0030]
In voltage step-down circuit 66 according to the present embodiment, the voltage input to terminal C (that is, the voltage at node A1: VI-R1) becomes higher than the desired voltage (the output current I of step-down circuit 66). Becomes smaller), the output voltage V3 of the differential amplifier circuit 68 increases, and the voltage applied to the gate of the transistor Tr2 also increases as compared with the state of the equilibrium state. Since the transistor Tr2 is an n-channel MOS transistor, when the voltage applied to the gate voltage increases, the value of the drain current I increases, and the decrease in the output current I is suppressed. Conversely, when the voltage input to the terminal C becomes lower than the desired voltage, the increase in the output current I is suppressed. As a result, the output current I of the step-down circuit 66 is maintained at a constant value by feeding back the voltage at the connection point A1. Here, the fact that the output current I is kept constant means that the voltage (VI-R1) of the connection point A1 is kept constant.
[0031]
In a semiconductor device in which the current consumption changes greatly, when the current consumption (I) decreases, the voltage (VI-R1) at the connection point A1 becomes larger than a desired voltage to be applied to the load. May be. In that case, a reliability problem occurs in the load of the transistor and the like. In the semiconductor device according to the present embodiment, the voltage at the connection point A1 (Q1) is fed back to the step-down circuit 6 so that the voltage at the connection point A1 does not exceed the allowable power supply voltage of an element such as a transistor. Can be.
[0032]
Note that the configuration in which the voltage at the connection point between the first wiring 18 and the second wiring 20 is fed back to the step-down circuit can also be realized in the semiconductor device having the stacked structure according to the second embodiment.
[0033]
【The invention's effect】
According to the semiconductor device of the present invention, when a power supply voltage is input, the power supply voltage includes a step-down circuit that steps down and outputs the power supply voltage, and a power supply line that supplies an output voltage of the step-down circuit to a plurality of loads. A power supply line extending from the step-down circuit to a first branch point serving as a first branch point; and a first branch line extending from the step-down circuit to the first branch point. A second wire extending from the point to a plurality of loads, and the first branch point is a first resistance of the second wire from the first branch point to the first load of the plurality of loads. Where the difference between the second resistance value and the second resistance value of the second wiring from the first branch point to the second load among the plurality of loads is smaller than half the first resistance value. And the first load is the first load in the second wiring among the plurality of loads. When the number of the plurality of loads is 2, the second load is a load other than the first load, and the second load is a load other than the first load. When the number is three or more, a path from the first branch point to the position on the path that does not overlap with the path from the first branch point to the first load along the second wiring among the plurality of loads. Is the load having the maximum resistance value, the output voltage of the step-down circuit can be supplied to a load located far from the step-down circuit without significantly lowering the voltage value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing an arrangement of components of a semiconductor chip according to a first embodiment.
FIG. 2 is a circuit diagram of an integrated circuit realized in the semiconductor chip of FIG. 1;
FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an example of a step-down circuit according to the first embodiment;
FIG. 4 is a diagram showing a modification of the arrangement of the components of the semiconductor chip according to the first embodiment;
FIG. 5 is a diagram showing a modification of the arrangement of components of the semiconductor chip according to the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram schematically showing a cross section of a semiconductor chip according to a second embodiment.
FIG. 7 is an exploded view of a semiconductor chip according to a second embodiment.
FIG. 8 is a diagram schematically showing an arrangement of components of a semiconductor chip according to a third embodiment.
FIG. 9 is a circuit diagram illustrating an example of a step-down circuit according to Embodiment 3;
FIG. 10 is a diagram schematically showing the arrangement of components of a conventional semiconductor chip.
FIG. 11 is a circuit diagram of an integrated circuit realized in the semiconductor chip of FIG. 10;
[Explanation of symbols]
2 semiconductor chip, 4 external power supply pad, 6 step-down circuit, 8, 10, 12 load, 18, 20 wiring.

Claims (3)

電源電圧が入力されるとその電源電圧を降圧して出力する降圧回路と、前記降圧回路の出力電圧を複数の負荷に供給する電源配線とを備える半導体装置であって、
前記電源配線は、2以上の方向に分岐する少なくとも1つの分岐点を有し、
前記電源配線は、前記降圧回路から最初の前記分岐点となる第1の分岐点まで延びた第1の配線と、その第1の分岐点から複数の前記負荷まで延びた第2の配線とから成り、
前記第1の分岐点は、
前記第2の配線における前記第1の分岐点から複数の前記負荷のうち第1の負荷までの第1の抵抗値と前記第2の配線における前記第1の分岐点から複数の前記負荷のうち第2の負荷までの第2の抵抗値との差が、前記第1の抵抗値の2分の1よりも小さくなる位置に設けられ、
前記第1の負荷は、
複数の前記負荷のうち、前記第2の配線において前記第1の分岐点からその位置までの抵抗値が最大である負荷であり、
前記第2の負荷は、
複数の前記負荷の個数が2である場合に、前記第1の負荷以外の負荷であり、
複数の前記負荷の個数が3以上である場合に、複数の前記負荷のうち、前記第2の配線に沿って前記第1の分岐点から前記第1の負荷までの経路と重複しない経路において、前記第1の分岐点からその位置までの抵抗値が最大となる負荷であることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device comprising: a step-down circuit that steps down a power supply voltage when a power supply voltage is input and outputs the voltage;
The power supply wiring has at least one branch point branching in two or more directions,
The power supply line includes a first line extending from the step-down circuit to a first branch point serving as the first branch point, and a second line extending from the first branch point to a plurality of loads. Consisting of
The first branch point is:
A first resistance value from the first branch point in the second wiring to the first load among the plurality of loads and a plurality of the loads from the first branch point in the second wiring to the first load. A difference between the first resistance value and a second resistance value up to a second load is provided at a position where the difference is smaller than a half of the first resistance value;
The first load is
A load having a maximum resistance value from the first branch point to the position in the second wiring among the plurality of loads;
The second load is
When the number of the plurality of loads is 2, the load is a load other than the first load,
When the number of the plurality of loads is 3 or more, among the plurality of loads, a path that does not overlap with a path from the first branch point to the first load along the second wiring, A semiconductor device having a load having a maximum resistance value from the first branch point to the position.
前記半導体装置が、前記降圧回路および前記第2の配線が形成された第1の電源配線層と、前記第1の配線の少なくとも一部が形成された第2の電源配線層と、前記第1の電源配線層と前記第2の電源配線層とに挟まれた絶縁層とを備える積層構造から成り、
前記降圧回路、前記第1の配線および前記第2の配線は、前記絶縁層に設けたバイアホールによって電気的に接続されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
A first power supply wiring layer on which the step-down circuit and the second wiring are formed; a second power supply wiring layer on which at least a part of the first wiring is formed; A power supply wiring layer and an insulating layer sandwiched between the second power supply wiring layer,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the step-down circuit, the first wiring, and the second wiring are electrically connected by a via hole provided in the insulating layer.
前記降圧回路が、差動増幅回路を含み、
前記第1の配線と前記第2の配線との接続点における電圧が、前記差動増幅回路にフィードバックされて入力され、
前記差動増幅回路は、フィードバックされて入力された前記電圧と基準電圧とを比較し、その比較結果に基づいて前記降圧回路の出力電圧を制御することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
The step-down circuit includes a differential amplifier circuit,
A voltage at a connection point between the first wiring and the second wiring is fed back to the differential amplifier circuit and input;
3. The differential amplifier circuit according to claim 1, wherein the voltage that is fed back and input is compared with a reference voltage, and an output voltage of the step-down circuit is controlled based on a result of the comparison. 3. The semiconductor device according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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