JP4074682B2 - Programmable polysilicon gate array structure and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、相補形金属酸化膜半導体(CMOS)ゲートアレイの構造およびその製造方法に関し、さらに詳細には、そのようなゲートアレイのために使用される基本セルの設計に関する。
【0002】
【従来の技術】
ゲートアレイは、半導体チップのコア領域内に同一の基本セルが繰り返し並ぶアレイからなる集積回路(IC)の1つの種類である。各基本セルは、予め決められた一定の数、及び配置のMOSトランジスタを含んでいる。全てのMOS形ICがそうであるように、各トランジスタは、シリコン基板中に、チャネル領域によって区分される2つのソース/ドレイン拡散領域と、チャネル領域上に配置されるゲートとを有している。各ゲートは、ポリシリコンゲート電極と基板のチャネル領域とによって挟まれている薄いゲート酸化膜を有している。
【0003】
ゲートアレイマスタスライス構造は、予め特定の回路を備えているものではなく、将来互いにワイヤ接続されることにより回路を形成することになる未接続のMOSトランジスタだけを備えている。したがって、トランジスタレベルのゲートアレイの設計は、例えば、メモリチップ、ロジックチップといった多くの異なる種類の集積回路を形成することを可能にする柔軟性を備えている。このようなゲートアレイ集積回路の最終的な設計は、使用されるバックエンド処理(すなわち、金属被覆層を形成し、パターン化するための処理、及び、これらの処理により基本セル上に形成される利用可能な多くのトランジスタ間をワイヤ接続する処理)によって決められる。これらの相互接続の配置が、特定のゲートアレイ集積回路上に現れる回路構成を規定する。このような柔軟性を有するため、ゲートアレイは、特定用途向け集積回路(ASIC)の作成に広く用いられている。
【0004】
図1は、半導体チップ23上に備えられ、基本セル20のような同一の基本セルからなるアレイを有するコア領域24を含む基本的なゲートアレイ構造10を示している。図示されているように、基本セルは、一般的に矩形であり、また、行方向と列方向とに繰り返し配置される。各基本セル内には、数多くのトランジスタ(図示しない)が備えられている。コア領域24内の基本セルの各列には、コア領域の列方向の長さにわたり第1金属線21、及び他の第1金属線22がかけられている。金属線22は、アレイにおける列方向の各基本セルに電源電圧(Vdd)を供給するために用いられ、金属線21は、列方向の各基本セルに接地電圧(Vss)を供給するために用いられる。ゲートアレイ10はまた、金属線22に対して電源電圧を供給するためのVdd金属線18、及び金属線21に対して接地電圧を供給するためのVss金属線16を、それぞれコアの周囲に有している。
【0005】
ゲートアレイ構造10はさらに、入出力(I/O)パッド12とI/Oスロット14を、コア領域24の外側においてチップ23の周辺に沿って備えている。これらのパッドは、ワイヤボンドその他の電気的接続手段によりIC回路を外部素子と接続するのための接触領域を形成する。I/Oスロット14は、チップ23が接続される外部素子との接続に用いられるトランジスタその他の素子を有している。一般にスロット14は、静電放電(ESD)保護回路、プリドライバ、入出力バッファ等を含むことになる。
【0006】
ゲートアレイのための一つの好適な基本セル設計が開発されており、カリフォルニア州ミルピタス市にあるLSI Logic Corporationによって使用されている。この設計は、全てがほとんど同じ寸法の4個のn形及び4個のp形トランジスタからなる8個のMOSトランジスタを使用する。この設計は図2に記載されている。図示されるように、例えば図1中の基本セル20に対応する基本セル50はp形基板64上に形成され、n形トランジスタ面54、及びp形トランジスタ面52を備えている。p形トランジスタ面52は、その中に全てが単一軸に対して平行に並べられている4個のp形トランジスタ53a、53b、53c、53dが形成されているnウェル56を有している。図示されているように、各p形トランジスタは同一寸法、同一形状である。これら全てまたは一部のトランジスタは、バックエンド処理によって、互いに接続されたり他のトランジスタと接続されたりすることにより回路を形成することになる。
【0007】
p形トランジスタ53dに注目すると、ポリシリコンゲート電極67がソース拡散領域59及びドレイン拡散領域57の間に備えられている。また、ゲート電極67は、2つのポリシリコン接点(ポリヘッド)58a、58bで終端している。Vdd電源電圧供給線に対する接点を提供するために、タップ69がトランジスタ53b及びトランジスタ53cの間に備えられている。
【0008】
n形トランジスタ面54は、p形トランジスタ面52のトランジスタと平行に並ぶ4個のn形トランジスタ55a,55b,55c,55dを備えている。図示されているように、n形トランジスタ55dには、例えば、ゲート電極67と同様な寸法、及び形状のゲート電極66が備えられている。さらに、Vss接地電圧供給線に対する接点を提供するためにタップ68がn形トランジスタ55b及びn形トランジスタ55cの間に備えられている。
【0009】
図1及び図2に示されるようなゲートアレイの設計は、「セル方式」の設計とは区別されるべきである。セル方式設計では、チップのコア領域内に単一の基本セルを繰り返し備えるのではなく、多くの異なる基本セルを備える。一般的に、個々の基本セルは、異なる寸法、形状、トランジスタ配置等を有しており、特定の集積回路の設計に基づいて配置される。集積回路の設計によって基本セルの選択及び配置が指示されるので、一般的に、セル方式集積回路は、利用可能なチップスペースをゲートアレイ集積回路よりも有効に活用する。しかしながら、セル方式技術は、一般的にセル式設計のプロセスに関連して発生する追加開発費を埋め合わせしなければならないので、十分な量が製造されないASICに対して使用するには不適当であることが多い。このため、ゲートアレイ設計はASIC設計における幅広い用途が見いだされ続けているのである。
【0010】
ゲートアレイの設計者は、オンチップルーティングを簡素化するという課題に取り組み続けている。この課題を達成するために、設計者らは、チップスペースの利用効率を向上させ、同時に製造プロセスを簡素化している。ルーティングの用語は、ICにおいて回路を構成するため個々のトランジスタ間に形成される電気的な接続を意味する。これらの接続は、IC基板面上のトランジスタと基板の上に位置する金属被覆層との間を垂直方向に相互接続することにより形成される。絶縁体層は、金属被覆層を他の金属被覆層及び基板から電気的に絶縁する。各金属被覆層は、複数のトランジスタと装置素子を電気的に結合しIC回路を構成する種々の金属線を形成するようパターン化されている。現在のゲートアレイは複雑であるため、一般に2層以上の金属被覆層を必要とする。不都合なことに、各追加金属被覆層は、コストを大幅に増大させ、またゲートアレイの製造プロセスを更に複雑なものにする。
【0011】
ゲートアレイの設計で施される配線のほとんどは、ICを形成する個々の回路を形成する機能を果たしている。このような回路は、マルチプレクサ、複数の入力端子を備えるフリップフロップといったより複雑な回路構成と同様にNANDゲートのような単純な論理ゲートであり得る。このような基本的な回路レベルのルーティングに加えて、ICはまた、機能ICを形成するために個々の回路同士を接続する多くの「チップレベルのルーティング」を使用している。このようなチップレベルルーティングは、多くの基本セルを通過しなければならない可能性のある金属線により形成される。回路レベルのルーティングが特定の金属被覆層レベル上のスペースを占めているので、そのスペースをチップレベルのルーティングのために利用することはできない。実際、回路レベルのルーティングが余りに多くのスペースを占めてしまうと、いくつかの、または全てのチップレベルのルーティングのために他の金属被覆層を使用しなければならなくなる。したがって、第1及び第2金属被覆層での回路レベルのルーティング量を低減するゲートアレイの設計はICのコストを大幅に低減することができる。
【0012】
図3は、いくつかの個々の基本セル82a〜82dが集まった基本セル80を図示している。第2金属被覆層(metal-2)での回路レベルのルーティングが一般的にどのように実施されているかを示すため、第1金属被覆層(metal-1)は図示しない。例えば、複雑なフリップフロップ回路が複数の基本セル82aから82d上に形成されている場合には、metal-1は、自身の中でフリップフロップを完全にワイヤ接続することができない。したがって、必要なトランジスタの相互接続を完成するために、metal-2のジャンパ84,86,88,90,92が要求される。接点81a、81bといった接点の経由は、層間接続を提供するために使用される。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図示するようにmetal-2のジャンパ84,86,88,90,92はかなりのスペースを基本セルの左側および中央領域に残しているが、これらのスペースはチップレベルルーティングには利用できないものである。いくつかの例では、第3金属被覆層(metal-3)からの、更なる金属線が形成されなければならないという問題もある。
【0014】
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決しゲートアレイの製造工程を減少すべくなされたものであり、第1及び/又は第2金属被覆層レベルにおける回路レベルのルーティング量を低減するゲートアレイのマスタスライスを提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、半導体基板上に形成されると共に、同一の基本セルからなるアレイをコア領域内に有するゲートアレイ構造において、
前記各基本セルは、
それぞれゲート電極を有する複数のトランジスタと、
前記基板上に形成されるとともに、2個以上の前記トランジスタの選択されたゲート電極と電気的に接続される1つ以上のゲート接続ストリップと、を備え、
前記複数のトランジスタは、
各々が第1ゲート幅を有するとともに、第1導電特性を有するトランジスタからなる第1トランジスタグループと、
各々が実質的に前記第1ゲート幅と等しい第2ゲート幅を有するとともに、前記第1導電特性とは反対の第2導電特性を有するトランジスタからなる第2トランジスタグループと、
各々が前記第1及び第2ゲート幅よりも狭い第3ゲート幅を有するとともに、前記第1導電特性を有するトランジスタからなる第3トランジスタグループとを含み、
前記第1及び第2トランジスタグループのトランジスタは全て第1軸に平行に配置されるゲートを有し、
前記第3トランジスタグループのトランジスタは全て前記第1軸に対して実質的に垂直な第2軸に平行に配置されているゲートを有することを特徴とする。
【0016】
請求項2に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、
請求項1に記載のゲートアレイ構造において、
前記ゲート接続ストリップは、選択されたゲート電極と同一の材料から形成され、前記選択されたゲート電極と一体として接続されていることを特徴とし、
請求項3に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、
請求項2に記載のゲートアレイ構造において、
前記ゲート接続ストリップおよびゲート電極はポリシリコンで形成されていることを特徴とする。
【0017】
請求項4に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、
請求項1に記載のゲートアレイ構造において、
少なくとも1つの前記ゲート接続ストリップは、少なくとも1つの前記ゲート電極に対して実質的に垂直に配置されていることを特徴とし、
請求項5に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、
請求項1に記載のゲートアレイ構造において、
前記第1トランジスタグループは、4個のトランジスタから構成され、前記第2トランジスタグループは、4個のトランジスタから構成されることを特徴とする。
【0018】
請求項6に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、
請求項1に記載のゲートアレイ構造において、
前記第1トランジスタグループのトランジスタは、ソース/ドレイン領域を共有する直列に接続された2個のトランジスタからなるトランジスタセットを少なくとも1セット備えることを特徴とし、
請求項7に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、
請求項1に記載のゲートアレイ構造はさらに、
電源電圧供給線または接地電圧供給線を近傍の前記第1導電特性を有するトランジスタに接続するためのタップを備えることを特徴とする。
【0019】
請求項8に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、
請求項1に記載のゲートアレイ構造において、
前記第2トランジスタグループは、ソース/ドレイン領域を共有する直列に接続された2個のトランジスタからなるトランジスタセットを少なくとも1セット備えることを特徴とし、
請求項9に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、
請求項1に記載のゲートアレイ構造はさらに、
電源電圧供給線または接地電圧供給線を近傍の前記第2トランジスタグループに接続するためのタップを備えることを特徴とする。
【0020】
請求項10に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、
請求項1に記載のゲートアレイ構造において、
前記第1トランジスタグループのトランジスタは、NMOSトランジスタであり、
前記ゲートアレイ構造は、さらに、
ソース電圧金属線に接続するために前記第1トランジスタグループに近接して設けられたタップと、
ドレイン電圧金属線に接続するために前記第2トランジスタグループに近接して設けられたタップとを備える、ことを特徴とする。
【0021】
請求項11に記載の発明に係るゲートアレイ構造の製造方法は、
半導体基板上に形成されるゲートアレイ構造の製造方法であって、
それぞれがゲート電極を有するトランジスタと、前記基板上に形成されるとともに2個以上の前記トランジスタの選択されたゲート電極と電気的に接続される1つ以上のゲート接続ストリップと、を有する同一の基本セルからなるアレイを前記ゲートアレイ構造のコア領域中に形成するステップと、
少なくとも2つの前記選択されたゲート電極間の電気的な接続を維持するように前記ゲート接続ストリップをパターニングするステップとを備え、
前記複数のトランジスタは、各々が第1ゲート幅を有すると共に第1導電特性を有するトランジスタからなる第1トランジスタグループと、各々が実質上前記第1ゲート幅と等しい第2ゲート幅を有すると共に前記第1導電特性とは反対の第2導電特性を有するトランジスタからなる第2トランジスタグループと、各々が前記第1及び第2ゲート幅よりも狭い第3ゲート幅を有すると共に前記第1導電特性を有するトランジスタからなる第3トランジスタグループとを有し、前記第1及び第2トランジスタグループのトランジスタは全て第1軸に平行に配置されるゲートを有し、前記第3トランジスタグループのトランジスタは全て前記第1軸に対して実質的に垂直な第2軸に平行に配置されるゲートを有することを特徴とする。
【0022】
請求項12に記載の発明に係るゲートアレイ構造の製造方法は、
請求項11に記載のゲートアレイ構造の製造方法において、
前記同一基本セルのアレイを形成するステップは、ポリシリコンゲート接続ストリップと一体として接続されるポリシリコンゲート電極を有する同一基本セルを形成するステップであることを特徴とし、
請求項13に記載の発明に係るゲートアレイ構造の製造方法は、
請求項11に記載のゲートアレイ構造の製造方法において、
前記同一基本セルのアレイを形成するステップは、4個のトランジスタから構成される第1トランジスタグループと、4個のトランジスタから構成される第2トランジスタグループとを形成するステップであることを特徴とする。
【0023】
請求項14に記載の発明に係るゲートアレイ構造の製造方法は、
請求項13に記載のゲートアレイ構造の製造方法において、
前記同一基本セルのアレイを形成するステップは、前記第1及び第2トランジスタグループが、ソース/ドレイン領域を共有する直列に接続された2個のトランジスタからなるトランジスタセットを少なくとも1セット有する複数の基本セルを形成するステップであることを特徴とし、
請求項15に記載の発明に係るゲートアレイ構造の製造方法は、
請求項13に記載のゲートアレイ構造の製造方法において、
前記同一基本セルのアレイを形成するステップは、4個のトランジスタからなる前記第1トランジスタグループに近接する第1タップと、4個のトランジスタからなる前記第2トランジスタグループに近接する第2タップとを備え、前記第1及び第2タップの一方は、電源電圧供給線との接続のために備えられ、前記第1及び第2タップの他方は、接地電圧供給線との接続のために備えられている複数の基本セルを形成するステップであることを特徴とする。
【0024】
請求項16に記載の発明に係るゲートアレイ構造の製造方法は、
請求項15に記載のゲートアレイ構造の製造方法はさらに、
前記コア領域の一部を覆う第1金属被覆層を形成するステップと、
少なくともいくつかのトランジスタ間に電気的接続を形成するために前記第1金属被覆層をパターニングするステップとを備えることを特徴とし、
請求項17に記載の発明に係るゲートアレイ構造の製造方法は、
請求項16に記載のゲートアレイ構造の製造方法はさらに、
前記第1金属被覆層の少なくとも一部を覆う第2金属被覆層を形成するステップと、
さらなる電気的接続を提供するために前記第2金属被覆層をパターニングするステップとを備えることを特徴とする。
【0025】
請求項18に記載の発明に係るゲートアレイ構造の製造方法は、
請求項16に記載のゲートアレイ構造の製造方法はさらに、
前記基本セルのアレイから集積回路を製造するステップを備えることを特徴とする。
【0026】
請求項19に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、
半導体基板上に形成されると共に、同一の基本セルからなるアレイをコア領域内に有するゲートアレイ構造において、
前記各基本セルは、それぞれ、
各々が、前記基板よりは上方であって、かつ、あらゆる金属被覆層よりは下方に存在する第1レベルにおいてゲート電極を含む複数のトランジスタ手段と、
前記第1レベルに配置され、2つ以上の前記トランジスタ手段の選択されたゲート電極を接続するための手段とを備え、
前記複数のトランジスタ手段は、各々が第1ゲート幅を有するとともに第1導電特性を有する第1トランジスタ手段グループと、各々が前記第1ゲート幅と実質上等しい第2ゲート幅を有するとともに前記第1導電特性とは反対の第2導電特性を有する第2トランジスタ手段グループと、各々が前記第1及び第2ゲート幅よりも実質上狭小な第3ゲート幅を有するとともに前記第1導電特性を有する第3トランジスタ手段グループとを備え、前記第1及び第2トランジスタ手段グループのトランジスタ手段は全て第1軸に平行に配置されるゲートを有し、前記第3トランジスタ手段グループのトランジスタ手段は全て前記第1軸と実質上垂直な第2軸に平行に配置されるゲートを有することを特徴とする。
【0027】
請求項20に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、
請求項19に記載のゲートアレイ構造において、
前記ゲート電極、及び前記選択されたゲート電極を接続するための手段は、共にポリシリコンから形成されると共に互いに一体として接続されていることを特徴とし、
請求項21に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、
請求項19に記載のゲートアレイ構造において、
前記第1グループのトランジスタ手段は4つのn形トランジスタ手段から構成され、前記第2グループのトランジスタ手段は4つのp形トランジスタ手段から構成されることを特徴とする。
【0028】
請求項22に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、
請求項21に記載のゲートアレイ構造において、
前記4つのn形トランジスタ手段は、直列に接続されている2つのn形トランジスタ手段を含む2つのn形トランジスタ手段グループに分類され、前記4つのp形トランジスタ手段は直列に接続されている2つのp形トランジスタ手段を含む2つのp形トランジスタ手段グループに分類されることを特徴とし、
請求項23に記載の発明に係るゲートアレイ構造は、
請求項19に記載のゲートアレイ構造において、
前記トランジスタ手段は、少なくともその一部が珪化物層によって覆われていることを特徴とする。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るいくつかの発明の実施の形態について図4〜図7を参照して説明する。
先ず、基本セルの配置について説明する。図4は、p形半導体基板上に形成されると共にNMOS装置である第1トランジスタグループ102、PMOS装置である第2トランジスタグループ104を備える基本セル100を図示する。第2トランジスタグループ104のPMOSトランジスタは、nウェル106に形成される。また、第1トランジスタグループ102のための4個のポリシリコンゲート電極110a,110b,110c,110d、第2トランジスタグループ104のための4個のポリシリコンゲート電極111a,111b,111c,111dが図示されている。これらの個々のゲート電極は、マスタスライスの「非プログラム」ポリシリコンゲート接続ストリップ108a,108b,108cを介して、電気的に他のゲート電極と接続される。これらは、いくつかの「第1レベル」回路ルーティングを形成するために、後にプログラム(パターン化)されることになる。二股状のポリシリコンヘッドゲート電極が近接するゲート電極と接続されていない図2に図示される基本セル50では、当然このようなことは不可能である。
【0030】
一般に、本発明にて使用されているゲート接続ストリップは、ゲート電極及びゲート接続ストリップが一つの連続したモノリシック構造を形成するように、ポリシリコンゲート電極と同一のプロセスにおいて形成される。言い換えれば、ゲート接続ストリップ108a,108b,108cは、第1及び第2グループトランジスタ102,104に対して一体として接続されている。
【0031】
第1トランジスタグループ102を見てみると、第1MOSトランジスタは、n形ソース/ドレイン拡散領域112、n形ソース/ドレイン拡散領域114、ポリシリコンゲート電極110d、及びゲート電極下にゲート誘電体(図示しない)を備えている。第1トランジスタグループ102の第2トランジスタは、第2トランジスタのソース/ドレイン領域としても作用するソース/ドレイン領域114を介して第1トランジスタと直列に接続されている。また、第2トランジスタは、n形ソース/ドレイン拡散領域120、ゲート110c、及びゲート電極下にゲート誘電体(図示しない)を備える。さらに、第2トランジスタグループ102は、直列に接続される第2トランジスタセットを備えている。特に、第3トランジスタは、n形ドレイン拡散領域122、n形ソース拡散領域124、ゲート110b、及びゲート電極下にゲート誘電体(図示しない)を備えている。ソース/ドレイン領域124は、第1トランジスタグループ102の第4トランジスタのソース/ドレイン領域として機能する。また、そのトランジスタは、n形ソース拡散領域125、ゲート110a、及びゲート電極下にゲート誘電体(図示しない)を備える。
【0032】
タップ接点130は、2個のトランジスタからなるトランジスタセットの2セット間に存在し、図示しない接地電圧(Vss)供給線とのオーム接点として作用するためにp形シリコン基板中に高密度p形ドーパント領域を備えている。図1を参照して上述したように、第1金属被覆層から形成されるVss線はゲートアレイの基本セル列中における多数の個々の基本セルに対して接地接点を供給する。すなわち、タップ130との相互接続により、Vss線が接地に対する接点を提供する。電源電圧(Vdd)供給線(図示しない)と接続するために、対応するタップ131が第2トランジスタグループ中に備えられている。タップ130のように、タップ131はVdd線とのオーム接続を提供するために、ドーパント濃度(この場合、n形)が増加されている領域をnウェルに備えている。
【0033】
第2トランジスタグループ104は第1トランジスタグループ102と鏡像関係にあるが、反対の導電特性(導電タイプ)である(すなわち、第2グループのトランジスタはPMOSトランジスタである。)。第2グループ104内の第1トランジスタは、p形ソース/ドレイン拡散領域133、p形ソース/ドレイン拡散領域135、ゲート111d、及びゲート電極下にゲート誘電体(図示しない)を備えている。第2グループ104の第2トランジスタは、ソース/ドレイン領域としての拡散領域137、p形ソース/ドレイン拡散領域135、ゲート111b、及びゲート電極下にゲート誘電体(図示しない)を備えている。したがって、第2グループ104の第1及び第2トランジスタは、拡散領域135を介して直列に接続されている。
【0034】
第2グループ104内の第2トランジスタセットは、p形ソース/ドレイン拡散領域140、p形ソース/ドレイン拡散領域142、ゲート111b、及びゲート電極下にゲート誘電体(図示しない)を有する第3トランジスタを備えている。拡散領域142はまた、第4トランジスタのソース/ドレイン領域として作用するので、第2グループ104の第3及び第4トランジスタは直列に接続される。第2グループ104の第4トランジスタはまた、拡散領域144及びゲート111aを備えている。
【0035】
第1トランジスタグループ102では、ゲート接続ストリップ108a、108bは、ゲート110a、110b、110c、110d間に電気的に導電する接続を与える。同様にして、第2トランジスタグループ104では、ゲート接続ストリップ108c、108dは、ゲート111a、111b、111c、111d間に電気的に導電する接続を与える。ゲート接続ストリップ108bはまた、第1トランジスタグループ102及び第2トランジスタグループ104のゲート電極間に電気的な接続を提供することに留意されるべきである。これは、図から判る通り、ゲート接続ストリップが基本セルの全長にわたっており、またゲート電極に対して概ね垂直に配置されているから可能となることである。さらに、基本セル100を、ゲートアレイ構造において行および列方向に繰返される基本セルの1つであるとして考えれば、近接する基本セル中のトランジスタのゲート電極もまたゲート接続ストリップ108a,108b,108cによって一体として接続されていることになる。以下の説明で明らかになるように、こうした特徴によって、ゲート接続ストリップが基本セル中における種々のゲート電極間にルーティング線を形成するように、ゲート接続ストリップをパターン化することが可能となる。
【0036】
特に好ましい発明の実施の形態では、基本セルのNMOSゲート電極は約5.6μmのゲート幅を有しており、PMOSゲート電極は約6.2μmのゲート幅を有している(ゲート接続ストリップ中にいかなる材料も含んでいない)。p形及びn形トランジスタのゲート長は、共に0.40μmである。当業者によって良く知られているように、ゲートアレイを相互接続する金属線は、基本セル上のグリッドスペースを参照して配置される。この発明の実施の形態におけるグリッドスペースは、長さ約1.4μm、幅約1.4μmであり、これは、ルーティング密度の増加を許容する。一つの基本セルは、X方向に13グリッドポイント(18.20μm)、Y方向に8グリッドポイント(11.20μm)の寸法を備えている。したがって、基本セル領域の面積は、203.84μm2 である。
【0037】
電源電圧及び接地電圧は、それぞれタップ131,130の上部を通り、その基本セルの上端から下端にまでわたるそれぞれのmetal-1金属線(図示しない)によって、基本セル上に形成される回路に供給される。特に、第1トランジスタグループ102では接地電圧供給線(Vss)はタップ130と接触し、また、種々のソース/ドレイン拡散領域と接触する。さらに、第2トランジスタグループ104では、電源電圧供給線(Vdd)はタップ131と接触し、また種々のソース/ドレイン拡散領域と接触する。このような電源電圧供給線及び接地電圧供給線は、一般的に図1中に線21,22によって図示されているようにゲートアレイ中の基本セルの列方向全体にわたる線セグメントを形成することが理解されるべきである。特に好適な発明の実施の形態では、電源電圧供給線Vdd、及び接地電圧供給線Vssは、約1.4μmの幅を有し、Vdd金属線は、3.3Vの電力源に接続されている。
【0038】
図5は、本発明に係る第2の発明の実施の形態を図示している。p形半導体基板上に形成される基本セル150は、n形の第1トランジスタグループ154、p形の第2トランジスタグループ152、及びn形の第3トランジスタグループ171を備えている。第2トランジスタグループ152は、nウェル164に形成される4個のPMOSトランジスタを有している。第1トランジスタグループ154は、4個のNMOSトランジスタを有し、第3トランジスタグループ171は2個以上のNMOSトランジスタを有している。第3グループのトランジスタは、主に、その寸法、及び基本セル150内での向きの点において第1及び第2グループのトランジスタと異なる。図示されるように、第3グループ171のトランジスタは、第1グループ154及び第2グループ152のトランジスタが有するゲート幅よりも、実質上、狭小なゲート幅を有している。この基本セル配置は、特に1個以上の小さなトランジスタを使用し得る回路設計分野にて有用である。
【0039】
ゲート接続ストリップ160(a)は、第1トランジスタグループ154及び第2トランジスタグループ152のトランジスタを接続しており、これらのグループ中のトランジスタのゲート幅方向に対して垂直な方向に沿って、基本セル150の双方のエッジにまで延びている。ゲート接続ストリップ160(b)は、第2トランジスタグループ152のトランジスタを相互に接続し、また基本セル150の3つの側辺において隣接する基本セルと接続する。ゲート接続ストリップ160(c)は、第1グループ154中の4個のトランジスタを相互に接続し、また近接する2個の基本セルと接続する。最後にゲート接続ストリップ174は、第3トランジスタグループ171を相互に接続し、近接する1個の基本セル及びゲート接続ストリップ160(c)と接続する。
【0040】
第1トランジスタグループ154を見てみると、第1MOSトランジスタは、n形ソース/ドレイン拡散領域168、及びn形ソース/ドレイン拡散領域176、及びゲート156を有している。第1グループの第2トランジスタは、第2トランジスタのソース/ドレインとしても作用するソース/ドレイン領域176を介して第1トランジスタと直列に接続される。また、第2トランジスタは、n形ソース/ドレイン拡散領域178、及びゲート177を有している。さらに、第1トランジスタグループ154は、直列に接続されている第2のトランジスタセットを有している。特に第3トランジスタは、n形ソース/ドレイン拡散領域179、n形ソース/ドレイン拡散領域181、及びゲート180を備えている。ソース/ドレイン領域181はまた、第1グループの第4トランジスタについてのドレインとしても作用する。また、そのトランジスタは、n形ソース/ドレイン拡散領域182及びゲート195を備えている。
【0041】
最後に、第1トランジスタグループ154内には、接地電圧供給線Vss(図示しない)についてのオーム接点として作用するために、n形シリコン基板内に高濃度p形ドーパント領域を備えるタップ接点161が、2個のトランジスタの2つのセットの間に存在する。第2トランジスタグループ152内には、電源電圧供給線Vdd(図示しない)と接触するために、対応するタップ162が備えられている。タップ161と同様に、タップ162は、Vdd線にオーム接点を提供するために、nウェル内にドーパント濃度の高い領域(この場合n形)を有している。
【0042】
第2トランジスタグループ152のトランジスタは、第1トランジスタグループ154のトランジスタと鏡像の関係にあるが、反対の導電特性を有している(すなわち、第2トランジスタグループのトランジスタはp形トランジスタである。)。特に、第2トランジスタグループ152内の第1トランジスタは、p形ソース/ドレイン拡散領域166、p形ソース/ドレイン拡散領域183、及びゲート158を備えている。第2トランジスタグループの第2トランジスタは、ソース/ドレイン領域としての拡散領域183、ゲート184、及びp形ソース/ドレイン拡散領域185を備えている。したがって、第2グループ152の第1トランジスタ及び第2トランジスタは、拡散領域183を介して直列に接続されている。第2トランジスタグループ152内の第2トランジスタセットは、p形ソース/ドレイン拡散領域186、ゲート187、及びp形ソース/ドレイン拡散領域188を有する第3トランジスタを備えている。拡散領域188はまた、第4トランジスタのソース/ドレイン領域として作用し、この結果、第2トランジスタグループ152の第3トランジスタ及び第4トランジスタが直列に接続される。第2トランジスタグループ152の第4トランジスタはまた、ゲート189及びソース/ドレイン拡散領域190を備えている。
【0043】
最後に、第3トランジスタグループ171は、ゲート172により分割されるソース/ドレイン拡散領域170、191を有する第1NMOSトランジスタを備えている。第3グループ171はまた、ゲート193により分割されるソース/ドレイン拡散領域192、194を有する第2NMOSトランジスタを備えている。第3グループ171の2つのNMOSトランジスタのゲートはゲート接続ストリップ174によって相互に接続されている。
【0044】
第3グループ171のトランジスタと第1グループ154及び第2グループ152のトランジスタとの間には、種々の違いがある。例えば、第1グループ154及び第2グループ152のトランジスタと異なり、第3グループ171の2個のトランジスタは、直列に接続されていない。さらに、第3グループ171のトランジスタは、第1グループ154及び第2グループ152のトランジスタに対して実質的に垂直に配置されている。つまり、第1グループ154及び第2グループ152のトランジスタは全て、第1軸に平行に配置されているゲートを有しており、第3グループ171のトランジスタは全て、第1軸に対して実質的に垂直な第2軸に平行に配置されているゲートを有している。このことにより、基本セル内にはスペースが確保される。第3グループ171のトランジスタが集積回路内で使用されない場合には、これらトランジスタの上部スペースは、第1金属被覆層上の導線のための都合の良いルーティングパスとして機能する。したがって、いくつかの設計では、全て、あるいは、ほとんどの回路レベルのルーティングが第1金属層(metal-1)上にて完成される。これにより、第2金属層(metal-2)上の金属ジャンパの必要性を低減することになるから、第2金属層レベルでのルーティングの有用性が高められる。
【0045】
第3グループ171の比較的小さな寸法のトランジスタはまた、確かな利点を有している。比較的小さなトランジスタのゲート容量は、第1グループ154及び第2グループ152の比較的大きなトランジスタのゲート容量よりも小さいので、そのようなトランジスタを使うことができる限りにおいて、回路の容量が低くなる。さらに、比較的小さなトランジスタが使用する電流は比較的少ないので、幅広な電流配線は必要なく、得られる集積回路上にさらにスペースが確保され、使用可能なゲート密度が飛躍的に増加する。
【0046】
特に好ましい発明の実施の形態では、第1トランジスタグループ154におけるトランジスタのゲート電極(例えば、ゲート電極156)は、約5.7μmのゲート幅を有しており、これに対し、第2トランジスタグループ152におけるトランジスタのゲート電極(例えば、ゲート電極158)は、約5.9μmのゲート幅を有している。第3トランジスタグループ171におけるトランジスタのゲート電極(例えば、ゲート電極193)はもっと狭小なゲート幅であり、わずか約3.65μmのゲート幅である。この発明の実施の形態では、ゲート幅はポリシリコンヘッド(例えば、ポリヘッド160a、160b)の幅を含んでいない。p形及びn形トランジスタのゲート長は、共に0.40μmである。当業者によって良く知られているように、ゲートアレイを相互接続する金属線は、基本セル上のグリッドスペースを参照して配置される。この発明の実施の形態におけるグリッドスペースは、長さ約1.4μm、幅約1.4μmであり、一つの基本セルは、X方向に15グリッドポイント(21μm)、Y方向に8グリッドポイント(11.20μm)の寸法を備えている。したがって、基本セル領域の面積は、235.20μm2 である。
【0047】
図6は、4個の隣接基本セル200中の選択されたゲート電極間に第1レベル(すなわち、ポリシリコンレベル)のルーティングを形成するためにゲート接続ストリップがパターン化された後の、ゲートアレイマスタスライスの第1レベルを図示する。特定の回路が何も示されていないが、図6に図示されるポリシリコン構造は、フリップフロップ、マルチプレクサ、あるいは複数の基本セルを通して相互接続される複数のトランジスタを必要とする他の回路と似たものとする。
【0048】
アレイセクション200は、4個の代表的な基本セル202,204,206,208から構成されている。各基本セル中には、NMOSトランジスタが左側に、PMOSトランジスタが右側に備えられている。したがって、例えば、基本セル202中においては、ポリシリコンゲート電極218,220,222,224がNMOSトランジスタに使用され、ポリシリコンゲート電極210,212,214,216がPMOSトランジスタに使用される。
【0049】
回路設計が、ゲート電極224とゲート電極220間の接続を必要とする場合を想定してみる。ポリシリコン接続線232が、1つのゲート接続ストリップのパターン化によって形成され得る。同様に、回路設計が、ゲート電極224とゲート電極216間の接続を必要とする場合には、ポリシリコン接続線226が、他のゲート接続ストリップから形成され得る。知られているように、これらのルーティングは、通常metal-1層で実施される。このようなルーティングをポリシリコン層に移動させることにより、例えばチップレベルのルーティングのためにかなりのスペースが解放できることになり、使用可能なゲート密度が増加され得る。
【0050】
隣接する基本セルのゲート電極間に接続が必要な場合、本発明によれば、それらの接続をポリシリコンレベルで実施することができる。例えば、ポリシリコン線205,234,236,237は、それらの接続を提供する。当然のことながら、ゲート電極に対する全ての接続がポリシリコンレベルで完成されるわけではない。そのような場合には、垂直接続がmetal-1からその下のポリシリコンレベルにまで延伸される必要がある。適用される設計規則に即して、これらの接点のために十分な空間を確保するために、ポリシリコンの「ポート領域」をゲート接続ストリップから形成してもよい。 このようなポートは、ポリシリコン構造228,230,238,239,240,241,242,243に図示されている。特に、ポリポート240は基本セル204のNMOSトランジスタゲート電極及びPMOSトランジスタゲート電極を接続するポリシリコン線上に形成されていることに注意を要する。
【0051】
図2に図示される基本セルとは異なり、不必要なポリシリコンヘッドが基本セルの左側に存在しない。したがって、ゲート容量を低減することが可能となり、この結果、性能を向上させることができる。
【0052】
次に、本発明に係るプログラマブルポリシリコンゲートアレイの製造方法についての発明の実施の形態について説明する。本発明に係るゲートアレイ集積回路を製造するための一般的なプロセスフロー300が図7に図示されている。プロセスは301から開始し、ステップ302では、ゲートアレイのマスタスライスが形成される。マスタスライスは、図4の基本セル中に図示されるようなプログラマブルポリシリコンレベルを有している。この構造が形成された後、ステップ304では、隣接トランジスタのゲート電極間にいくつかのポリシリコンレベルのルーティング線を形成するために、ポリシリコンレベル(詳細には、ポリシリコンゲート接続ストリップの集合)がパターン化される。次に、ステップ306では、得られる構造の導電率を改善するため、珪化物層がパターン化されたポリシリコン及び拡散領域上に堆積される。最後に、ステップ308では、1層以上の適当な金属被覆層が形成され、パターン化される。このプロセスは309で終了する。
【0053】
このプロセスは、特に、2つの顕著な特徴を備えている。第1に、ポリシリコンレベルのルーティングを形成するためにポリシリコンをパターン化するステップ(ステップ304)は、従来のゲートアレイ製造プロセスでは採用されていない。このステップは、追加のマスク及びエッチングステップを必要とするが、いくつかの回路レベルの金属線、及び関連する垂直接点を削除することができるという利点を備える。少なくとも、このことは、追加のルーティングのためにmetal-1層上のスペースを解放する。また、追加の金属被覆層の必要性を取り除き、削減コストは、ポリシリコンパターニングプロセスの追加コストをはるかに上回る。プロセス300における注目すべき他の特徴は、珪化物のステップ306である。このステップは、個々のMOS装置コンポーネントの導電率を向上させる。
【0054】
多くのIC製造プロセスがそうであるように、本発明に係るゲートアレイの製造プロセスは、一般的に、フロントエンドステップとバックエンドステップとに区別され得る。フロントエンドステップは、一般的にソース/ドレイン領域、ゲート、及び絶縁領域といった実際のトランジスタ要素を形成するために必要なステップを含んでいる。バックエンドステップは、一般的にフロントエンドステップによって形成された種々のトランジスタをワイヤ接続することにより、回路を構成するために必要な処理ステップを含んでいる。ゲートアレイに適用される場合には、フロントエンドステップは、上述したトランジスタ配置を有する基本セルが繰り返し並ぶアレイをもたらす。これに対して、バックエンドステップは、基本セルのトランジスタから回路を形成するためのワイヤ接続をもたらす。
【0055】
フロントエンドステップにおいては、先ず素子活性領域が形成され、単結晶半導体基板上で電気的に絶縁される。その後基板上にゲート酸化膜が形成される時もある。それからポリシリコン膜が一般的には化学的気層成長法(CVD)によってゲート酸化膜上に形成される。その結果得られるポリシリコン膜は、ゲート電極、及びゲート接続ストリップを形成するために、イオン打ち込みによってドープされ、マスクされ、エッチングされる。その結果得られるゲート電極/ゲート接続ストリップ配置は基本セルが繰り返し並ぶアレイによって特徴付けられる。例えば各々が図4に示す設計に従う基本セル配置を有するアレイ等である。ゲートが形成された後、2回以上のイオン打ち込みステップによってソース/ドレイン領域が形成される。これらのイオン打ち込みステップの内、少なくとも一つのステップはNMOS素子のn形ソース/ドレイン領域を形成し、他のいくつかのステップはPMOS素子のp形ソース/ドレインを領域を形成する。一般的に、NMOSトランジスタ領域はp形イオン打ち込みの間マスクされ、PMOSトランジスタ領域はn形イオン打ち込みの間マスクされる。この方法では、p形トランジスタグループ、及びn形トランジスタグループは、基本セル内に別々に形成される。この時点で、プロセス300のステップ302は、終了している。そして、上述したように、ステップ304にてポリシリコン層がパターン化される。
【0056】
ソース/ドレイン領域が形成された後、より低抵抗の領域を形成するために珪化物層(シリサイド)がポリシリコン及び基板の表面に形成される(ステップ306)。最後に、例えば、ボロホスホシリケイトガラス(Borophosphosilicate glass「BPSG」)のパッシベーション膜が、ゲートアレイ構造全体にわたり堆積される。この時点で、フロントエンドステップが終了し、ゲートアレイ構造は、ステップ304のパターニングによって部分的にワイヤ接続されている。
【0057】
本発明におけるバックエンドステップについて説明する。これらのステップはプロセス300のステップ308としてまとめて示されている。最初に、基板上の素子及び関連するゲート電極に接触する領域を規定するための接触マスク(コンタクトマスク)がパッシベーション膜上に形成される。続いて、パッシベーション膜を通過してレベル1(その下にある基板及びポリシリコン層)まで垂直コンタクトホールを形成するために、パッシベーション膜がエッチングされる(一般的には、プラズマエッチングによる)。この後に続く金属膜の堆積時における金属原子の進入からコンタクトホール近傍の装置素子を保護するために、この時点において窒化チタン膜等からなる拡散境界膜(時に、グルー膜と呼ばれる)が形成される。いくつかの処理では、当業者に知られている手順に従い、コンタクトホールがタングステンプラグで塞がれる。タングステンプラグが形成されているといないとに関わらず、第1金属膜の被覆堆積が実行される。第1(並びに続く全ての)金属膜は、アルミニウム(Al)、アルミニウム銅(AlCu)、あるいはアルミニウムシリコン銅(AlSiCu)といった工業的に用いられる種々の金属から形成され得る。これらの膜は当業者に知られているスパッタリングによって従来通り堆積される。
【0058】
第1金属膜が堆積された後、種々の装置素子を結合する線を形成するために第1金属膜はパターニングされる。正確な線の配置は、特定のASIC設計によって決定される。パターニングは、先ず、フォトレジストといったマスクを堆積させ、次に、続くエッチングステップで生成されるべき金属線のパターンを定めるために、光に当ててフォトレジストを感光させることにより実行される。そして、マスクの下にある第1金属膜が反応イオンエッチング(RIE)といったプラズマエッチング処理によりエッチングされる。
【0059】
第1金属膜がエッチングされた後、フォトレジストは除去され、続く金属膜(すなわち、第2金属膜)からこの金属膜を絶縁するために絶縁被膜が第1金属膜全体に堆積される。一般的に、酸化膜、又はボロホスホシリケイトガラスが絶縁膜被膜して用いられるが、窒化被膜、ポリイミド被膜(回転塗布によって形成される)といった他の絶縁被膜も用いられ得る。その後、絶縁被膜は何らかの適切な技術を用いてプレーナ化される。絶縁被膜が形成され、プレーナ化された後、既述のように絶縁被膜の表面にビアマスクが形成される。ビアマスクは、第1金属膜、及び第2金属膜間の相互接続が形成されるべきビア、あるいは領域を定める。そして、絶縁被膜に実際のビアを形成するために、再度プラズマアシストエッチングが実行される。絶縁被膜にビアが形成された後、次の金属膜(metal-2)が、既述のようにして堆積され、パターン化される。
【0060】
ある場合には、ゲートアレイICのワイヤ接続を完了するために、さらに金属膜を形成しパターン化することが必要となり得る。しかしながら、本発明を実施して得られる結果、少なくともいくつかの相互接続はポリシリコンレベルで完成されるので、金属被覆層の全体数は通常期待される数よりも少なくなる。
【0061】
以上、いくつかの発明の実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で種々の変更改良が可能であることは理解されるべきである。また、上記、発明の実施の形態、及び例示は、本発明を説明するために用いられたものであり、いかなる場合も本発明を限定的に解釈するために用いられるべきではない。
【0062】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るプログラマブルポリシリコンゲートアレイ構造及びその製造方法によれば、いくつかのルーティング線がゲートアレイの金属被覆層から、基板上のポリシリコン層(第1金属被覆層の下の第1レベル)に移動されるので、第1及び/又は第2金属被覆層レベルにおける回路レベルのルーティング量を低減することができる。この結果、金属被覆層上の回路ルーティングに専有される線数を減少させることができ、より多くの領域を金属被覆層上におけるチップレベルのルーティングに利用することができる。また、ゲートアレイの製造過程におけるステップ数を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】コア領域内に繰返し基本セルのアレイを有する、従来のゲートアレイマスタスライスの説明図である。
【図2】ゲートアレイに用いられる従来の基本セルについてのトランジスタの配置を示す構成図である。
【図3】回路をワイヤ接続するために、第2金属被覆層にて複合回路(この場合フリップフロップ)がどのようにジャンパを要求し得るかを示す説明図である。
【図4】ポリシリコン接続ストリップによって他のゲート電極と接続されている8個のゲート電極を有する8個のトランジスタを備える本発明に係る基本セルの概略構成図である。
【図5】ポリシリコン接続ストリップによって他のゲート電極と接続されている10個のゲート電極を有する10個のトランジスタを備える本発明に係る基本セルの概略構成図である。
【図6】ゲートアレイのポリシリコンレベルでの回路レベルのルーティングを備えるために、ポリシリコン接続ストリップがどのようにしてプログラム化(パターン化)されるかを示す説明図である。
【図7】図4中の基本セルからゲートアレイICを形成する方法のフローチャートである。
【符号の説明】
10…ゲートアレイ構造
12…入出力(I/O)パッド
14…I/Oスロット
16…Vss金属線
18…Vdd金属線
20…基本セル
21、22…第1金属線
23…半導体チップ
24…コア領域
50…基本セル
52…p形トランジスタ面
53a、53b、53c、53d…p形トランジスタ
54…n形トランジスタ面
55a、55b、55c、55d…n形トランジスタ
56…nウェル
57…ドレイン拡散領域
58a、58b…ポリシリコン接点(ポリヘッド)
59…ソース拡散領域
64…p形基板
66…ゲート電極
67…ポリシリコンゲート電極
68、69…タップ
80、82a、82b、82c、82d…基本セル
81a、81b…接点
84、86、88、90、92…ジャンパ
100…基本セル
102…第1トランジスタグループ
104…第2トランジスタグループ
106…nウェル
108a、108b、108c…ポリシリコンゲート接続ストリップ
110a、110b、110c、110d…ポリシリコンゲート電極
111a、111b、111c、111d…ゲート
112、114、120、122、124、125…n形ソース/ドレイン拡散領域
130、131…タップ
133、135、137、140、142、144…p形ソース/ドレイン拡散領域
150…基本セル
152…第2トランジスタグループ
154…第1トランジスタグループ
171…第3トランジスタグループ
156、158、172、177、180、184、187、189、193、195…ゲート
160(a)、160(b)、160(c)、174…ゲート接続ストリップ
161、162…タップ接点
164…nウェル
166、183、185、186、188、190…p形ソース/ドレイン拡散領域
168、176、178、179、181、182、170、191、192、194…n形ソース/ドレイン拡散領域
200…アレイセクション
202、204、206、208…基本セル
210、212、214、216、218、220、222、224…ポリシリコンゲート電極
205、226、232、234、236、237…ポリシリコン接続線
228、230、238、239、240、241、242、243…ポート領域
Vss…接地電圧供給線
Vdd…電源電圧供給線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to the structure of complementary metal oxide semiconductor (CMOS) gate arrays and methods of manufacturing the same, and more particularly to the design of basic cells used for such gate arrays.
[0002]
[Prior art]
A gate array is one type of integrated circuit (IC) comprising an array in which the same basic cells are repeatedly arranged in the core region of a semiconductor chip. Each basic cell includes a predetermined number and arrangement of MOS transistors. As with all MOS ICs, each transistor has two source / drain diffusion regions separated by a channel region and a gate disposed on the channel region in a silicon substrate. . Each gate has a thin gate oxide film sandwiched between the polysilicon gate electrode and the channel region of the substrate.
[0003]
The gate array master slice structure does not include a specific circuit in advance, but includes only unconnected MOS transistors that form a circuit by being wire-connected to each other in the future. Thus, transistor level gate array designs have the flexibility to allow for the formation of many different types of integrated circuits, eg, memory chips, logic chips. The final design of such a gate array integrated circuit is the back-end process used (i.e., the process for forming and patterning the metallization layer and these processes are formed on the basic cell. This is determined by the process of wire-connecting a number of available transistors. The arrangement of these interconnects defines the circuit configuration that appears on a particular gate array integrated circuit. Because of this flexibility, gate arrays are widely used to create application specific integrated circuits (ASICs).
[0004]
FIG. 1 shows a basic
[0005]
The
[0006]
One suitable basic cell design for the gate array has been developed and is used by LSI Logic Corporation, located in Milpitas, California. This design uses eight MOS transistors consisting of four n-type and four p-type transistors, all of approximately the same dimensions. This design is described in FIG. As shown in the figure, for example, a
[0007]
Focusing on the p-
[0008]
The n-
[0009]
The gate array design as shown in FIGS. 1 and 2 should be distinguished from the “cell-based” design. In a cell design, rather than repeatedly providing a single basic cell in the core region of the chip, it includes many different basic cells. In general, individual basic cells have different dimensions, shapes, transistor arrangements, etc., and are arranged based on the design of a particular integrated circuit. In general, cellular integrated circuits make more efficient use of available chip space than gate array integrated circuits, since the design and layout of the basic cells are dictated by the design of the integrated circuit. However, cellular technology is generally unsuitable for use with ASICs that do not produce sufficient quantities, as additional development costs incurred in connection with the cellular design process must be compensated. There are many cases. For this reason, gate array designs continue to find wide application in ASIC designs.
[0010]
Gate array designers continue to tackle the challenge of simplifying on-chip routing. To achieve this challenge, designers are improving chip space utilization efficiency and at the same time simplifying the manufacturing process. The term routing means an electrical connection formed between individual transistors to form a circuit in an IC. These connections are formed by vertically interconnecting between the transistors on the IC substrate surface and the metallization layer located on the substrate. The insulator layer electrically insulates the metal coating layer from other metal coating layers and the substrate. Each metal coating layer is patterned to form various metal lines that electrically couple a plurality of transistors and device elements to form an IC circuit. Due to the complexity of current gate arrays, two or more metallization layers are generally required. Unfortunately, each additional metallization layer adds significant cost and further complicates the gate array fabrication process.
[0011]
Most of the wiring provided in the gate array design functions to form individual circuits that form the IC. Such a circuit can be a simple logic gate such as a NAND gate as well as a more complex circuit configuration such as a multiplexer, a flip-flop with multiple input terminals. In addition to such basic circuit level routing, ICs also use many “chip level routings” that connect individual circuits together to form functional ICs. Such chip level routing is formed by metal lines that may have to pass through many basic cells. Since circuit level routing occupies space on a particular metallization layer level, that space cannot be used for chip level routing. In fact, if circuit level routing takes up too much space, other metallization layers must be used for some or all chip level routing. Accordingly, the design of the gate array that reduces the amount of routing at the circuit level in the first and second metallization layers can significantly reduce the cost of the IC.
[0012]
FIG. 3 illustrates a
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, as shown, the metal-2
[0014]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art and reduce the gate array manufacturing process, and reduces the circuit level routing amount at the first and / or second metallization layer level. An object is to provide a master slice of an array.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a gate array structure according to the invention described in claim 1 is formed on a semiconductor substrate and has an array of the same basic cells in a core region.
Each basic cell is
A plurality of transistors each having a gate electrode;
One or more gate connection strips formed on the substrate and electrically connected to selected gate electrodes of two or more of the transistors;
The plurality of transistors are:
A first transistor group each comprising a transistor having a first gate width and having a first conductivity characteristic;
A second transistor group consisting of transistors each having a second gate width substantially equal to the first gate width and having a second conductivity characteristic opposite to the first conductivity characteristic;
Each having a third gate width narrower than the first and second gate widths, and a third transistor group comprising transistors having the first conductive characteristics;
The transistors of the first and second transistor groups all have gates arranged parallel to the first axis;
All of the transistors of the third transistor group have gates arranged parallel to a second axis substantially perpendicular to the first axis.
[0016]
The gate array structure according to the invention of claim 2 is
The gate array structure of claim 1,
The gate connection strip is formed of the same material as the selected gate electrode, and is connected integrally with the selected gate electrode,
The gate array structure according to the invention of claim 3
The gate array structure according to claim 2,
The gate connection strip and the gate electrode are made of polysilicon.
[0017]
The gate array structure according to the invention of claim 4 is:
The gate array structure of claim 1,
At least one of the gate connection strips is arranged substantially perpendicular to the at least one of the gate electrodes;
The gate array structure according to the invention of claim 5 is:
The gate array structure of claim 1,
The first transistor group includes four transistors, and the second transistor group includes four transistors.
[0018]
The gate array structure according to the invention of claim 6 is:
The gate array structure of claim 1,
The transistor of the first transistor group includes at least one transistor set including two transistors connected in series sharing a source / drain region,
The gate array structure according to the invention of claim 7 is:
The gate array structure of claim 1 further comprises:
A tap is provided for connecting the power supply voltage supply line or the ground voltage supply line to the transistor having the first conductive characteristic in the vicinity.
[0019]
The gate array structure according to the invention of claim 8 is
The gate array structure of claim 1,
The second transistor group includes at least one transistor set including two transistors connected in series sharing a source / drain region,
The gate array structure according to the invention of claim 9 is
The gate array structure of claim 1 further comprises:
A tap is provided for connecting the power supply voltage supply line or the ground voltage supply line to the adjacent second transistor group.
[0020]
The gate array structure according to the invention of
The gate array structure of claim 1,
The transistors of the first transistor group are NMOS transistors;
The gate array structure further includes:
A tap provided proximate to the first transistor group for connection to a source voltage metal line;
And a tap provided close to the second transistor group for connection to a drain voltage metal line.
[0021]
A manufacturing method of a gate array structure according to the invention of claim 11
A manufacturing method of a gate array structure formed on a semiconductor substrate,
Identical basis having transistors each having a gate electrode and one or more gate connection strips formed on the substrate and electrically connected to selected gate electrodes of two or more of the transistors Forming an array of cells in the core region of the gate array structure;
Patterning the gate connection strip to maintain an electrical connection between at least two of the selected gate electrodes;
The plurality of transistors each include a first transistor group including transistors having a first gate width and a first conductive characteristic, and each of the plurality of transistors having a second gate width substantially equal to the first gate width and the first gate width. A second transistor group comprising transistors having a second conductivity characteristic opposite to the first conductivity characteristic, and transistors each having a third gate width narrower than the first and second gate widths and having the first conductivity characteristic A third transistor group comprising: gates disposed in parallel with the first axis, and the transistors of the third transistor group are all configured with the first axis. And a gate disposed parallel to a second axis substantially perpendicular to the first axis.
[0022]
A manufacturing method of a gate array structure according to the invention of
The method of manufacturing a gate array structure according to claim 11,
Forming the same basic cell array is forming the same basic cell having a polysilicon gate electrode connected integrally with a polysilicon gate connection strip;
A manufacturing method of a gate array structure according to the invention of claim 13
The method of manufacturing a gate array structure according to claim 11,
The step of forming an array of the same basic cells is a step of forming a first transistor group including four transistors and a second transistor group including four transistors. .
[0023]
A method for manufacturing a gate array structure according to the invention described in claim 14 comprises:
The method of manufacturing a gate array structure according to claim 13,
The step of forming an array of the same basic cells includes a plurality of basic units in which the first and second transistor groups each include at least one transistor set including two transistors connected in series sharing a source / drain region. A step of forming a cell,
A manufacturing method of a gate array structure according to the invention of
The method of manufacturing a gate array structure according to claim 13,
The step of forming the array of the same basic cells includes a first tap adjacent to the first transistor group including four transistors and a second tap adjacent to the second transistor group including four transistors. One of the first and second taps is provided for connection to a power supply voltage supply line, and the other of the first and second taps is provided for connection to a ground voltage supply line. A step of forming a plurality of basic cells.
[0024]
A method for manufacturing a gate array structure according to the invention of claim 16 comprises:
The method for manufacturing a gate array structure according to claim 15 further comprises:
Forming a first metal coating layer covering a portion of the core region;
Patterning the first metallization layer to form electrical connections between at least some of the transistors, and
A method for manufacturing a gate array structure according to the invention of claim 17 comprises:
The method of manufacturing a gate array structure according to claim 16, further comprising:
Forming a second metal coating layer covering at least a portion of the first metal coating layer;
Patterning said second metallization layer to provide further electrical connections.
[0025]
A method for manufacturing a gate array structure according to the invention of
The method of manufacturing a gate array structure according to claim 16, further comprising:
Producing an integrated circuit from the array of basic cells.
[0026]
The gate array structure according to the invention of claim 19 is
In a gate array structure formed on a semiconductor substrate and having an array of the same basic cells in the core region,
Each of the basic cells is
A plurality of transistor means each including a gate electrode at a first level above the substrate and below any metallization layer;
Means for connecting selected gate electrodes of two or more of said transistor means disposed at said first level;
The plurality of transistor means includes a first transistor means group each having a first gate width and having a first conductivity characteristic, and each of the first transistor means having a second gate width substantially equal to the first gate width and the first gate width. A second transistor means group having a second conductive characteristic opposite to the conductive characteristic; and a second transistor means group each having a third gate width substantially narrower than the first and second gate widths and having the first conductive characteristic. 3 transistor means groups, all the transistor means of the first and second transistor means groups have gates arranged parallel to the first axis, and all the transistor means of the third transistor means group are the first transistor means group. And a gate disposed parallel to a second axis substantially perpendicular to the axis.
[0027]
The gate array structure according to the invention of
The gate array structure of claim 19,
The gate electrode and the means for connecting the selected gate electrode are both made of polysilicon and connected together as one piece,
The gate array structure according to the invention of
The gate array structure of claim 19,
The first group of transistor means is composed of four n-type transistor means, and the second group of transistor means is composed of four p-type transistor means.
[0028]
The gate array structure according to the invention of
The gate array structure of
The four n-type transistor means are grouped into two n-type transistor means groups including two n-type transistor means connected in series, and the four p-type transistor means are two connected in series. It is classified into two p-type transistor means groups including p-type transistor means,
The gate array structure according to the invention of
The gate array structure of claim 19,
The transistor means is at least partially covered with a silicide layer.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
First, the arrangement of basic cells will be described. FIG. 4 illustrates a
[0030]
In general, the gate connection strip used in the present invention is formed in the same process as the polysilicon gate electrode, such that the gate electrode and the gate connection strip form one continuous monolithic structure. In other words, the
[0031]
Looking at the
[0032]
A
[0033]
The
[0034]
The second transistor set in the
[0035]
In the
[0036]
In a particularly preferred embodiment of the invention, the NMOS gate electrode of the basic cell has a gate width of about 5.6 μm and the PMOS gate electrode has a gate width of about 6.2 μm (in the gate connection strip). Does not contain any material). The gate lengths of the p-type and n-type transistors are both 0.40 μm. As is well known by those skilled in the art, the metal lines interconnecting the gate arrays are arranged with reference to the grid space on the basic cells. The grid space in the embodiment of the present invention is about 1.4 μm long and about 1.4 μm wide, which allows an increase in routing density. One basic cell has dimensions of 13 grid points (18.20 μm) in the X direction and 8 grid points (11.20 μm) in the Y direction. Therefore, the area of the basic cell region is 203.84 μm. 2 It is.
[0037]
The power supply voltage and the ground voltage are supplied to the circuit formed on the basic cell by the respective metal-1 metal lines (not shown) passing through the upper portions of the
[0038]
FIG. 5 illustrates an embodiment of the second invention according to the present invention. A
[0039]
The gate connection strip 160 (a) connects the transistors of the
[0040]
Looking at the
[0041]
Finally, in the
[0042]
The transistors in the
[0043]
Finally, the
[0044]
There are various differences between the transistors of the
[0045]
The relatively small size transistors of the
[0046]
In a particularly preferred embodiment of the invention, the gate electrodes (eg, gate electrode 156) of the transistors in the
[0047]
FIG. 6 illustrates the gate array after the gate connection strip has been patterned to form a first level (ie, polysilicon level) routing between selected gate electrodes in four adjacent
[0048]
The
[0049]
Assume that the circuit design requires a connection between the
[0050]
If connections are required between the gate electrodes of adjacent basic cells, according to the invention, these connections can be made at the polysilicon level. For example,
[0051]
Unlike the basic cell shown in FIG. 2, there is no unnecessary polysilicon head on the left side of the basic cell. Accordingly, the gate capacitance can be reduced, and as a result, the performance can be improved.
[0052]
Next, an embodiment of the invention relating to a method for manufacturing a programmable polysilicon gate array according to the present invention will be described. A
[0053]
This process has in particular two distinct features. First, the step of patterning polysilicon to form polysilicon level routing (step 304) has not been employed in conventional gate array fabrication processes. This step requires an additional mask and etch step, but has the advantage that some circuit level metal lines and associated vertical contacts can be eliminated. At least this frees up space on the metal-1 layer for additional routing. It also eliminates the need for an additional metallization layer and the cost of saving far exceeds that of the polysilicon patterning process. Another notable feature in
[0054]
As is the case with many IC manufacturing processes, the gate array manufacturing process according to the present invention can generally be divided into front-end and back-end steps. The front end steps typically include the steps necessary to form the actual transistor elements such as source / drain regions, gates, and isolation regions. The back-end step typically includes the processing steps necessary to configure the circuit by wire-connecting the various transistors formed by the front-end step. When applied to a gate array, the front end step results in an array in which the basic cells having the transistor arrangement described above are repeatedly arranged. In contrast, the back-end step provides a wire connection to form a circuit from the basic cell transistors.
[0055]
In the front end step, an element active region is first formed and electrically insulated on the single crystal semiconductor substrate. Thereafter, a gate oxide film may be formed on the substrate. A polysilicon film is then formed on the gate oxide, typically by chemical vapor deposition (CVD). The resulting polysilicon film is doped, masked and etched by ion implantation to form gate electrodes and gate connection strips. The resulting gate electrode / gate connection strip arrangement is characterized by an array of repeating basic cells. For example, an array or the like having a basic cell arrangement, each according to the design shown in FIG. After the gate is formed, source / drain regions are formed by two or more ion implantation steps. Of these ion implantation steps, at least one step forms the n-type source / drain region of the NMOS device, and some other steps form the p-type source / drain region of the PMOS device. In general, the NMOS transistor region is masked during p-type ion implantation and the PMOS transistor region is masked during n-type ion implantation. In this method, the p-type transistor group and the n-type transistor group are separately formed in the basic cell. At this point, step 302 of
[0056]
After the source / drain regions are formed, a silicide layer (silicide) is formed on the polysilicon and substrate surfaces to form lower resistance regions (step 306). Finally, for example, a passivation film of borophosphosilicate glass (BPSG) is deposited over the entire gate array structure. At this point, the front end step is finished and the gate array structure is partially wired by the patterning of
[0057]
The back end step in the present invention will be described. These steps are shown collectively as
[0058]
After the first metal film is deposited, the first metal film is patterned to form lines that connect the various device elements. The exact line placement is determined by the specific ASIC design. Patterning is performed by first depositing a mask, such as a photoresist, and then exposing the photoresist to light to define a pattern of metal lines to be generated in a subsequent etching step. Then, the first metal film under the mask is etched by a plasma etching process such as reactive ion etching (RIE).
[0059]
After the first metal film is etched, the photoresist is removed and an insulating film is deposited over the first metal film to insulate the metal film from the subsequent metal film (ie, the second metal film). In general, an oxide film or borophosphosilicate glass is used as an insulating film, but other insulating films such as a nitride film and a polyimide film (formed by spin coating) can also be used. The insulating coating is then planarized using any suitable technique. After the insulating film is formed and planarized, a via mask is formed on the surface of the insulating film as described above. The via mask defines a via or region in which an interconnection between the first metal film and the second metal film is to be formed. Then, in order to form an actual via in the insulating film, plasma assist etching is performed again. After the via is formed in the insulating film, the next metal film (metal-2) is deposited and patterned as described above.
[0060]
In some cases, further metal film formation and patterning may be required to complete the wire connection of the gate array IC. However, as a result of practicing the present invention, since at least some of the interconnects are completed at the polysilicon level, the overall number of metallization layers is usually less than expected.
[0061]
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on some embodiment of an invention, it should be understood that a various change improvement is possible in the range which does not deviate from the meaning of this invention. The above-described embodiments and examples are used for explaining the present invention, and should not be used for interpreting the present invention in any way.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the programmable polysilicon gate array structure and the manufacturing method thereof according to the present invention, several routing lines are formed from the metal coating layer of the gate array to the polysilicon layer (first metal coating layer) on the substrate. Therefore, the circuit level routing amount at the first and / or second metallization layer level can be reduced. As a result, the number of lines dedicated to circuit routing on the metallization layer can be reduced, and more area can be utilized for chip level routing on the metallization layer. In addition, the number of steps in the gate array manufacturing process can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a conventional gate array master slice having an array of repetitive basic cells in a core region.
FIG. 2 is a configuration diagram showing transistor arrangement for a conventional basic cell used in a gate array.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing how a composite circuit (in this case, a flip-flop) can require a jumper in a second metallization layer to wire connect the circuit.
FIG. 4 is a schematic diagram of a basic cell according to the present invention comprising 8 transistors having 8 gate electrodes connected to other gate electrodes by polysilicon connection strips.
FIG. 5 is a schematic diagram of a basic cell according to the present invention comprising 10 transistors having 10 gate electrodes connected to other gate electrodes by polysilicon connection strips.
FIG. 6 is an illustration showing how a polysilicon connection strip is programmed (patterned) to provide circuit level routing at the polysilicon level of the gate array.
7 is a flowchart of a method of forming a gate array IC from the basic cell in FIG.
[Explanation of symbols]
10 ... Gate array structure
12 ... Input / output (I / O) pad
14 ... I / O slot
16 ... Vss metal wire
18 ... Vdd metal wire
20 ... Basic cell
21, 22 ... 1st metal wire
23 ... Semiconductor chip
24 ... Core region
50 ... Basic cell
52 ... p-type transistor surface
53a, 53b, 53c, 53d ... p-type transistor
54 ... n-type transistor surface
55a, 55b, 55c, 55d ... n-type transistor
56 ... n-well
57 ... Drain diffusion region
58a, 58b ... polysilicon contact (polyhead)
59 ... Source diffusion region
64 ... p-type substrate
66 ... Gate electrode
67 ... Polysilicon gate electrode
68, 69 ... tap
80, 82a, 82b, 82c, 82d ... basic cells
81a, 81b ... contact
84, 86, 88, 90, 92 ... Jumper
100 ... Basic cell
102. First transistor group
104 ... Second transistor group
106 ... n-well
108a, 108b, 108c... Polysilicon gate connection strip
110a, 110b, 110c, 110d ... polysilicon gate electrode
111a, 111b, 111c, 111d ... gate
112, 114, 120, 122, 124, 125 ... n-type source / drain diffusion regions
130, 131 ... tap
133, 135, 137, 140, 142, 144... P-type source / drain diffusion region
150 ... Basic cell
152 ... Second transistor group
154: First transistor group
171 ... Third transistor group
156, 158, 172, 177, 180, 184, 187, 189, 193, 195 ... gate
160 (a), 160 (b), 160 (c), 174... Gate connection strip
161, 162 ... Tap contacts
164 ... n-well
166, 183, 185, 186, 188, 190 ... p-type source / drain diffusion region
168, 176, 178, 179, 181, 182, 170, 191, 192, 194 ... n-type source / drain diffusion regions
200 ... Array section
202, 204, 206, 208 ... basic cells
210, 212, 214, 216, 218, 220, 222, 224 ... polysilicon gate electrode
205, 226, 232, 234, 236, 237 ... polysilicon connection lines
228, 230, 238, 239, 240, 241, 242, 243 ... port area
Vss ... Ground voltage supply line
Vdd: power supply voltage supply line
Claims (23)
Applications Claiming Priority (2)
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| US08/613,038 US5691218A (en) | 1993-07-01 | 1996-03-08 | Method of fabricating a programmable polysilicon gate array base cell structure |
| US08/613,038 | 1996-03-08 |
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| JPH104183A (en) | 1998-01-06 |
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