Кмоп-интегральная схема с поликремниевыми затворами

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК ПАТЕНТУ Комитет Российской Федерации по иатентам н товарным знакам(76) Агоич Юрий Владимирович; Лифшиц ВадимБеневич; Иванковский Максим Максимович(57) Иотользование: изобретение относится к микроэлектронике и может быль использовано в дешевых КМОП ИС для промышленных и культурно-бытовых применений. Сущность изобретения: в КМОПинтегральной схеме МОП транзисторы размещенырядами из нескольких последовательно соединенных транзисторов одного типа, ориентированными(51) 5 Н 61 Е 37 (Ю 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.0 транзистооы размещены в два ряда параллельно друг другу, образуя КМОП элементы, связанные поликремниевыМи шинами затворов и металлическими шинами стоков. 45 Металлические шины положительного и отрицательного питания размещены непосредственно над транзисторными структурами вдоль рядов транзисторов перпендикулярно шинам затворных и стоковых 5 О соединвиий КМОП элементов. При этом реализация соединений элементов в направлении рядов транзисторов возможна только металлическими шинами в обход шин стоковых соединений непосредственно над тран зисторами при достаточной ширине транзисторов или через поликремниевые перемычки "с поднырами" под шины питания Я 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, поли- кремниевые затворы и два уровня металлических шин межсоединений, отделенных друг от друга двумя слоями межуровневых диэлектриков. Металлические 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 Гтранзисторов) выполняется металлическими шинами первого уровня непосредственно над транзисторными структурами в пространстве между шинами отрицательного и положитеноо питания, что возможно благодаря большой ширине каналов МОП 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 тогобольшая ширина МОП транзисторов приводит к повышенному току потребления,Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция интегральных схем с поли- кремниевой разводкой в одном уровне с затворами и одним уровнем металлической разводки, В данной конструкции базовой матричной схемы и- и р-канальные МОП ЗО 35 40 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 а КМОП интегральной схеме с поликремниевыми затворами, включающей выполненные в полупроводниковои подложке первого типа проводимости с карманом второго типа проводимости истоки, стоки и затворы п- 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 поли- кремниевыми шинами, а питание к истокам МОП транзисторов подведено от шин питания через области подложки и кармана иметаллические шины истоков, параллельные шинам питания,На фиг.1 приведена электрическая схема О-триггера, на примере которой рассматриваются различные конструкции ИС; на фиг.2 - конструкция ИС О-триггера по прототипу, в которой металлические шины питания и межсоединений элементов размещены непосредственно над МОП транзисторами, на фиг.З - 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 О-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 щи 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 О-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 О-триггером, в шагах разводки.Как видно из табл.1, конструкции ИС по изобретению обеспечивают существенную экономию площади кристалла (до 40;),уменьшение суммарной длины шин межсоединений и количества переходных контактов в сопоставимых условиях (по шагамразводки), что обеспечивает повышение выхода годных и надежности ИС, Кроме того,минимальная ширина каналов транзисторов обеспечивает минимальный ток потребления, а конструкция зэкороток истоковМОП транзисторов на подложки с подведе"0 нием питания через диффузионные областиподл ож ки обес печи вает эффективное подавление паразитных тиристорных эффектов.Согласно изобретению были изготовле 15 ны образцы тестовых ИС, в том числе Отриггер, приведенный на фиг.5. цепиинверторов и другие схемы, спроектированные на основе базового матричного кристалла. Шаг шин разводки кристалла равен20 8 мкм (6 мкм шина + 2 мкм зазор междушинами). Для реализации сквозных шинразводки через О-триггер расширено поледля трассировки в направлении, параллельном рядам транзисторов, в результате чего25 возрос размер кристалла (см, табл,1, фиг.7).Тестовые кристаллы изготовлены с использованием технологии самосовмещения областей истоков и стоков с поликремниевымизатворами, Разводка в первом уровне вы 30 полнена поликремнием, во втором - алюминием с межуровневой изоляцией слоемдвуокиси кремния толщиной 0,6 мкм, Каналы МОП транзисторов имеют длину 2,2 - 2,8мкм и ширину 10 мкм,35 Исследования тестовых кристаллов показали следующие результаты: полное отсутствие паразитных тиристорныхэффектов защелки в КМОП элементах поцепям питания вплоть до уровней напряже 40 ния 20 В и тока 700 мА, при которых ужесгорали шины питания; сверхнизкие токипотребления КМОП инвертора в совокупности с достаточно высоким быстродействием.45 Типовые характеристики КМОП инвертора приведены в табл.2.При этом следует отметить, что сопротивления диффузионных областей в цепяхистоков (0,24 и 1 кОм для и- и р-канального50 МОП транзистора соответственно) понижают быстродействие не более, чем на 15.Предельная частота функционированиясхем (на примере ЗК-триггера в счетном режиме) составила 37 МГц, что указывает на55 применимость заявляемой конструкции идля схем повышенного быстродействия,Таким образом, заявляемая конструкция КМОП ИСс 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 КМОП-элементы с металлическими 15 межсоединениями стоков и поликремниевыми межсоединениями затворов, параллельными шинам питания, при этом межсоединения между КМОП-элементами в направлении, параллельном шинам пита 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 областиподложки и кармана и металлические шины истоков, параллельные шинам питания. Ф о рмула изобретенияКМОП-ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА С ПОЛИКРЕМНИЕВЫМИ ЗАТВОРАМИ, включающая расположенные в полупроводниковой подложке первого тина проводимости с карманом второго типа проводимости и- и р-канальныв МОП-транзисторы, поликремниевые и металлические шины межсоединений, разделенные слоем диэлектрика, отличающаяся тем, что МОП- транзисторы 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 М,Ф. и Коноплев В.Г, Базовые матричные кристаллы и программируемые логические матрицы, М.; Высшая школа, 1987, с,50-52,2003206 11111111 7 Составитель Ю.Агрич Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревска едактор Т. Горячева Заказ 3236 Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента 3035. Москва, Ж, Раушская наб 415