Кмоп-интегральная схема с поликремниевыми затворами

Кмоп-интегральная схема с поликремниевыми затворами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ ИЗОЬРКТКНИД

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации

he иатентам н товарным знакам (21) 5003641/25 (22) 11.0?91 (46) 15.11.93 Бюл. Na 41-42 (76) Агоич-Юрий Владимирович; Лифшиц Вадим

Беневич; Иванковский Максим Максимович (54) КМОП-ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА С ПОЛИКРЕМЙИЕВЫМИ ЗАТВОРАМИ (57) Использование: изобретение относится к микроэлектронике и может быль использовано в дешевых КМОП ИС для промышленных и культурно-бытовых применений Сущность изобретения: в КМОП интегральной схеме МОП транзисторы размещены рядами из нескольких последовательно соединенных транзисторов одного типа, ориентированными (в) К32 (») 2003206 СХ (Я) 5 НО1 37 ОО! I) перпендикулярно шинам питания. так что и- и р — канальные МОП-.транзисторы смежных рядов образуют КМОП-элементы с металлическими межсоединениями стоков и поликремниевыми межсоединениями затворов, параллельными шинам питания.

При этом межсоединения между КМОП-элементами в направлении, параллельном шинам питания, выполнены преимущественно металлическими шинами, а в направлении, перпендикулярном шинам питания, — преимущественно поликремниевыми шинами, а питание к истокам МОП-транзисторов подведено от шин питания через области подложки и кармана и металлические шины истоков, параллельные шинам питания. 7 ил„2 табл.

2003206

30 транзистооы размещены в два ряда параллельно друг другу, образуя КМОП элементы, связанные поликремниевыМи шинами затворов и металлическими ш нами стоков. 45

Металлические шины положительного и Отрицательного питания размещены непосредственно над транзисторными структурами вдоль рядов транзисторов перпендикулярно шинам затворных и стоковых 50 соединвний КМОП элементов. При этом реализация соединений элементов в направлении рядов транзисторов возможна только металлическими шинами в обход шин стоковых соединений непосредственно над тран- 55 зисторами при достаточной ширине транзисторов или чер8з поликремниевы8 перемычки "с поднырами" под шины питания Pj.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в дешевых КМОП ИС для промышленных и культурно-бытовых применений.

Известны КМОП ИС, включающие выполненные в полупроводниковой подложке и- и р-канальные МОП транзисторы, пол«кремниевые затворы и два уровня металлических шин межсоединений, отделенных друг от друга двумя слоями межуровневых диэлектриков. lËåòàëëë÷åñêè8 вины питания в данной схеме проложены в первом уровне разводки по обе стороны и параллельно непрерывным рядам и- и р-канальных МОП транзисторов, образующих КМОП элементь. причем поликремниевые затворы в этой схеме ориентированы перпендикулярно шинам питания, Разводка элементов (транзисторов) выполняется металлическими шинами первого уровня непосредственно над транзисторными структурами в пространстве между шинами

Отрицательного и положительного питания, что возможно благодаря большой ширине каналов MQA транзисторов. Разводка в на;. правлении, перпендикулярном шинам пита- . ния, реализуется металлическими шинами второго уровня разводки.

Данная конструкция интегральной схе-. мы с двумя уровнями металлической разводки сложна в изготовлении, так как требует дополнительных слоев диэлектрика и металла, Кроме того„большая ширина

МОП транзисторов приводит к повышенному току потребления, Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция интегральных схем с поликремниевой разводкой в одном уровне с затворами и Одним уровнем металлической разводки, 8 данной конструкции базовой матричной схемы и- и р-канальные МОП

Таким образом видно, что в данной конструкции интегральной схемы, по сравнению с конструкцией с двухуровневой металлизацией, разводка сильно усложнена, требует лишних межуровневых переходов, перемычек, взаимных пересечений алюминиевых и поликремниевых шин, что снижает выход годных схем и их надежность и снижает плотность размещения элементов на кристалле. Кроме того, большая ширина транзисторов также ведет к снижению плотности размещения элементов и к повышенному току потребления как статического, так и динамического.

С целью подавления параэитного тиристорного эффекта в КМОП структуре необходима закоротка истоковых областей МОП транзисторов на подложку обязательно со стороны близлежащих МОП транзисторов противоположного типа, что не соблюдено в конструкции рассматриваемых ИС. Для реализации таких закороток необходимы дополнительные контакты к подложке и истокам, соединенные металлическими шинами, Цель изобретения — повышение плотности размещения транзисторов, упрощение межсоединений, снижение тока потребления и повышение надежности КМОП интегральных схем с поликремниевыми затворами и разводкой и одним уоовнем металлической разводки.

Поставленная цель достигается тем, что в КМОП интегральной схеме с поликремниевыми затворами, включающей выполненные в полупроводниковои подложке первого типа проводимости с карманом второго типа проводимости истоки, стоки и затворы и- и р-канальных МОП транзисторов, поликремниевые и металлические шины межсоединений, разделенные слоем диэлектрика, МОП транзисторы размещены рядами из нескольких последовательно соединенных транзисторов одного типа, ориентированными перпендикулярно шинам питания, так что и- и р-канальные МОП транзисторы смежных рядов образуют

КМОП элементы с металлическими межсоединениями стоков и поликремниевыми межсоединениями затворов, параллельными шинам питания, при этом межсоединения между КМОП элементами в направлении, параллельном шинам питания, выполнены преимущественно металлическими шинами, а в направлении, перпендикулярном шинам питания, — преимущественно поликремниевыми шинами, а питание к истокам

МОП транзисторов подведено от шин питания через области подложки и кармана и

2003206 металлические шины истоков, параллельные шинам питания, На фиг.1 приведена электрическая схема D-триггера, на примере которой рассматриваются различные конструкции ИС; на фиг.2 — конструкция ИС D-триггера по прототипу, в которой металлические шины питания и межсоединений элементов размещены непосредственно над МОП транзисторами, на фиг.3 — та же, в которой ширина МОП транзисторов сделана минимально возможной с целью минимизации тока потребления, шины питания размещены по обе стороны параллельно рядам транзисторов, а межсоединения вдоль. рядов транзисторов выполнены с использованием поликремниевых "подныров" под шинами питания; на фиг.4 — та же, в которой ширина транзисторов сделана минимальной. э питание к истокам МОП транзисторов подведено от шин питания через диффузионные области подложки (кармана); на фиг.5 — вариант конструкции ИС 0-триггера согласно изобретению, в которой шины питания проложены перпендикулярно рядам МОП транзисторов и параллельно осям затворных и стоковых соединений КМОП элементов, причем в данном варианте конструкции ИС ряды МОП транзисторов состоят из двух последовательно соединенных МОП транзисторов; на фиг. б — то же, в которой ши н ы питания проложены перпендикулярно рядам МОП транзисторов и параллельно осям затворных и стоковых соединений КМОП элементов, причем в данном варианте конструкции ИС ряды МОП транзисторов состоят из шести последовательно соединенных

МОП транзисторов; на фиг.7 — эскиз разводки 0-триггера на БМК.

Предлагаемая схема содержит металлические шины 1 питания, контуры активных областей 2 и 3 (истоков, стоков) и- и р-канальных МОП транзисторов соответственно, контактные области 4 подложки (кармана) транзисторов, поликремниевые шины 5 затворов, металлические шины 6 стоковых соединений, металлические соединения 7 истоков с областями подложки, переходные контакты 8 между уровнями алюминия и поликремния или подложки, диффузионные области 9 подложки.

В табл,1 приведены основные характеристики всех приведенных конструкций ИС, а именно количество переходных межуровневых контактов, длина шин соединений и площадь кристалла, занимаемая 0-триггером, в шагах разводки.

Как видно из табл.1, конструкции ИС по изобретению обеспечивают существенную экономию площади кристалла (до 40;(j, уменьшение суммарной длины шин межсоединений и количества переходных контактов в сопоставимых условиях (по шагам разводки), что обеспечивает повышение выхода годных и надежности ИС, Кроме того, минимальная ширина каналов транзисторов обеспечивает минимальный ток потребления, а конструкция зэкороток истоков

МОП транзисторов на подложки с подведением питания через диффузионные области подл ож ки обес печи вает эффективное подавление паразитных тиристорных эффектов.

Согласно изобретению были изготовле15 ны образцы тестовых ИС, в том числе Dтриггер, приведенный на фиг.5. цепи инверторов и другие схемы, спроектированные на основе базового матричного кристалла. Шаг шин разводки кристалла равен

20 8 мкм (6 мкм шина + 2 MKM зазор между шинами). Для реализации сквозных шин разводки через D-триггер расширено поле для трассировки s направлении, параллельном рядам транзисторов, в результате чего

25 возрос размер кристалла (см. табл.1, фиг.7).

Тестовые кристаллы изготовлены с использованием технологии самосовмещения областей истоков и стоков с поликремниевыми затворами, Разводка в первом уровне выполнена поликремнием, во втором — алюминием с межуровневой изоляцией слоем двуокиси кремния толщиной 0,6 мкм, Каналы MOll транзисторов имеют длину 2,2 — 2,8 мкм и ширину 10 мкм.

35 Исследования тестовых кристаллов показали следующие результаты: полное отсутствие паразитных тиристорных эффектов защелки в КМОП элементах по цепям питания вплоть до уровней напряже40 ния 20 В и тока 700 мА, при которых уже сгорали шины питания, сверхнизкие токи потребления КМОП инвертора в совокупности с достаточно высоким быстродействием.

Типовые характеристики КМОП инвертора приведены в табл.2.

При этом следует отметить, что сопротивления диффузионных областей в цепях истоков (0,24 и 1 кОм для и- и р-канального

50 МОП транзистора соответственно) понижают быстродействие не более, чем на 15ь.

Предельная частота функционирования схем (на примере JK-триггера в счетном режиме) составила 37 МГц, что указывает на

55 применимость заявляемой конструкции и для схем повышенного быстродействия.

Таким образом, заявляемая конструкция КМОП ИС с поликремниевыми затворами обладает новизной, может быть реализована в рамках существующих техно2003206 логий и позволяет снизить площадь кристалла, статический и динамический токи потребления и повысить надежность за счет сокращения числа переходных контактов между уровнями, уменьшения длины шин 5 разводки и исключения паразитного тиристорного эффекта.

Таблица 1

Таблица 2 ры смежных рядов образуют KM0fl-элементы с металлическими

15 межсоединениями стоков и поликремниевыми межсоединениями затворов, параллельными шинам питания, при этом межсоединения между КМОП-элементами в направлении, параллельном шинам пита20 ния, выполнены преимущественно металлическими шинами, а в направлении, перпендикулярном винам питания - преимущественно поликремниевыми шинами, а .питание к истокам МОП-транзисторов

25 подведено от шин питания через области подложки и кармана и металлические шины истоков, параллельные шинам питания.

Формула изобретения

КМОП-ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА С ПОЛИКРЕМНИЕВЫМИ ЗАТВОРАМИ, включающая расположенные в полупроводниковой подложке первого тина проводимости с карманом второго типа проводимости и- и р-канальные MOO-транзисторы, поликремниввые и металлические шины межсоединений, разделенные слоем диэлектрика, отличающаяся тем, что МОПтранзисторы размещены рядами из нескольких последовательно соединенных транзисторов одного типа, ориентированными перпендикулярно к шинам питания так, что и- и р-канальные МОП-транзисто(56) 1, Патент США М 4602270, кл. Н 01 1.29/78, 1986, 2. Пономарев M,Ô. и Коноплев B.Ã. Базовые матричные кристаллы и программируемые логические матрицы, M.: Высшая школа, 1987, с,50-52, !

9 е

1 I

II

2003206

28 °

4.}....., 20

I 11! i1 t t I I1 I t

5

2003206

° ° °

° °

° ° ° е

° we

° е

° ° Â \

°

° °

Ф ч

° ° ° °

10 13

2003206

С!

° е

° °

1О 12...С! О т

Ю!! !!(!11!!!!! i!

)I!(IlI! lf!!

1 5 f0

Б

2003206

l f1l l f f l l l f l

10 12

Корректор H.påâcêàÿ

Редактор T. Горячева

Заказ 3236

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул. Гагарина, 101

Составитель Ю.Агрич

Техред M.Моргентал

Тираж Подписное

HflO "Поиск" Роспатента

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Ъ