Интегральный логический элемент

 

Использование: изобретение относится к вычислительной технике и интегральной электронике, преимущественно к интегральным логическим элементам БИС. Сущность изобретения: в интегральный логический элемент введены металлические шины питания и нулевого потенциала, входная и выходная зоны, содержащие поликремниевые шины, управляющие зоны с прямым и инверсным управлением, транзистные зоны и две металлические шины, проходящие через все зоны. Взаимно перпендикулярное расположение поликремниевых и металлических шин позволили создать одинаковые по размерам и полностью топологически и электрически совместимые между собой по границам раздела структурно-топологические входные, выходные, управляющие и транзитную зоны. В результате возможна произвольная перестановка зон в зависимости от предъявляемых требований. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к вычислительной технике и интегральной электронике, а более конкретно к интегральным логическим элементам БИС.

Известен логический элемент на КМОП-структурах, выполненный с использованием изопланарной технологии с самосовмещенными поликремниевыми затворами [1] Эти структуры содержат полупроводниковую подложку первого типа проводимости с расположенными в нем транзисторами первого и второго типов проводимости. Однако жесткая топологическая привязка выводов элемента и невозможность введения в них произвольного количества транзитных шин затрудняют использование этих элементов в САПР, что приводит к увеличению площади кристалла, уменьшению быстродействия и росту затрат на проектирование микросхем в целом.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральный логический элемент на КМОП-структурах [2] В элементе можно выделить полупроводниковую подложку первого типа проводимости с расположенной в ней областью "кармана" второго типа проводимости, металлическую шину питания и металлическую шину нулевого потенциала, две входные зоны, каждая из которых содержит транзистор первого типа проводимости и транзистор второго типа проводимости, затворы которых совмещены в общей поликремниевой входной шине, выходную металлическую шину. К недостаткам следует отнести невозможность введения в элемент транзитной шины, отсутствие самостоятельной выходной зоны, изгибы проводников, снижающие быстродействие (при большой длине связей) элемента.

Из известных более близкими по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный логический элемент на КМОП-структурах с металлическими затворами [1] содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости с расположенной в ней областью "кармана" второго типа проводимости, разделительный диэлектрик, входную металлическую шину, соединенную с истоком транзистора второго типа проводимости, расположенного в подложке первого типа проводимости, и стоком транзистора первого типа проводимости, расположенного в области "кармана" второго типа проводимости, выходную металлическую шину, соединенную со стоком транзистора второго типа проводимости, и истоком транзистора первого типа проводимости. К недостаткам следует отнести невозможность введения в элемент произвольного количества транзитных шин, отсутствие самостоятельных входной и выходной зон, изгибы проводников, снижающие быстродействие (при большой длине связей) и компоновочную плотность устройств на основе данного элемента.

Задачей изобретения является уменьшение занимаемой площади и повышение быстродействия элемента и устройств на его основе.

Поставленная цель достигается тем, что в интегральный логический элемент, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости с расположенной в ней областью "кармана" второго типа проводимости, разделительный диэлектрик, металлические шины, транзисторы первого и второго типов проводимости, введены металлическая шина питания, соединенная с полупроводниковой подложкой первого типа проводимости, металлическая шина нулевого потенциала, соединенная с областью "кармана" второго типа проводимости, входная зона, содержащая входную металлическую шину, выходную металлическую шину, входную поликремниевую шину, соединенную с входной металлической шиной, расположенную перпендикулярно входной и выходной металлическим шинам, находящуюся на поверхности полупроводниковой подложки первого типа проводимости с расположенной в ней областью "кармана" второго типа проводимости, управляющая зона с прямым управлением, содержащая входную металлическую шину, выходную металлическую шину, транзистор первого типа проводимости с поликремниевым затвором перпендикулярным входной и выходной металлическим шинам, расположенный в "кармане" второго типа проводимости, исток которого соединен с входной металлической шиной, а сток с выходной металлической шиной, управляющая зона с инверсным управлением, содержащая входную металлическую шину, выходную металлическую шину, транзистор второго типа проводимости с поликремниевым затвором, перпендикулярным входной и выходной металлическим шинам, расположенный в подложке первого типа проводимости, исток которого соединен с выходной металлической шиной, а сток - с входной металлической шиной, выходная зона, содержащая входную металлическую шину, выходную металлическую шину, выходную поликремниевую шину, соединенную с выходной металлической шиной, расположенную перпендикулярно входной и выходной металлическим шинам, находящуюся на поверхности полупроводниковой подложки первого типа проводимости с расположенной в ней областью "кармана" второго типа проводимости, зона транзита, содержащая входную металлическую шину, выходную металлическую шину, поликремниевую транзитную шину, расположенную перпендикулярно входной и выходной металлическим шинам, находящуюся на поверхности полупроводниковой подложки первого типа проводимости с расположенной в ней областью "кармана" второго типа проводимости, причем область "кармана" второго типа проводимости, металлические входная и выходная шины, перпендикулярные металлической шине питания и металлической шине нулевого потенциала, проходят через входную, выходную, транзитную и управляющую зоны с прямым и инверсным управлением, которые имеют одинаковые размеры в направлении шин питания и нулевого потенциала.

Для проведения сравнительного анализа заявляемого устройства, прототипа и аналога расположим их признаки в таблицу.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, т. е. соответствует критерию новизны: проводя сравнения с аналогами, приходит к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию "существенные отличия", т.е. в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки. За счет введения конструкции электрически и топологически совместимых зон получен положительный эффект, заключающийся в уменьшении занимаемой площади и повышении быстродействия устройств на основе элемента.

На чертеже приведены топология и структура предлагаемого интегрального логического элемента.

Он содержит полупроводниковую подложку первого типа проводимости 1 с расположенной в ней областью "кармана" второго типа проводимости 2 и соединенные с ними соответственно металлическую шину питания 3 и металлическую шину нулевого потенциала 4, входную зону ВХОД, содержащую поликремниевую шину 5, находящуюся на полупроводниковой подложке первого типа проводимости 1 с расположенной в ней областью "кармана" второго типа проводимости 2, подключенную металлической входной шиной 6 к истоку транзистора 7 первого типа проводимости и стоку транзистора 8 второго типа проводимости, выходную зону ВЫХОД, содержащую поликремниевую шину 9, находящуюся на полупроводниковой подложке первого типа проводимости 1 с расположенной в ней областью "кармана" второго типа проводимости 2, подключенную металлической выходной шиной 10 к стоку транзистора 7 первого типа проводимости и истоку транзистора 8 второго типа проводимости, управляющую зону с прямым управлением ПРЯМ. содержащую транзистор 7 первого типа проводимости с поликремниевым затвором 11, управляющую зону с инверсным управлением ИНВ. содержащую транзистор 8 второго типа проводимости с поликремниевым затвором 12, транзитную зону ТРАНЗИТ с поликремниевой транзитной шиной 13, находящуюся на полупроводниковой подложке первого типа проводимости 1 с расположенной в ней областью "кармана" второго типа проводимости 2. Выполненный по технологии "изопланар" элемент содержит разделительный диэлектрик 14. Штриховые линии обозначают условные границы зон.

Работает устройство следующим образом.

Металлическая шина питания 3, соединенная с подложкой 1, и металлическая шина нулевого потенциала 4, соединенная с "карманом" 2, создают обратно смешенный переход, который служит для разделения области "кармана" и подложки. Разделительный диэлектрик 14 изолирует поликремниевые и металлические шины от подложки и области "кармана", уменьшает паразитные связи. Управляющее напряжение подается на затвор 12 транзистора 8, а его инверсное значение на затвор 11 транзистора 7. Если управляющее напряжение имеет высокий уровень, транзисторы 7 и 8 открываются, и входная шина 5 соединяется с выходной шиной 9 через металлическую входную шину 6 и металлическую выходную шину 10 и сток-истоковые области транзисторов 7 и 8. Если управляющее напряжение имеет низкий уровень, то транзистор 7 и 8 закрываются, и выходная поликремниевая шина 9 отключается от входной поликремниевой шины 5. При этом выходное напряжение на паразитной емкости выхода сохраняется таким, каким оно было до разъединения. Поскольку вход и выход можно менять местами, передаточный вентиль является реверсивным устройством.

Предложенная конструкция позволила повысить основные характеристики интегрального логического элемента по сравнению с прототипом. Возможность введения в состав элемента произвольного количества транзитных шин и соответствующих зон позволяет исключить обходные пути для межсоединений при обеспечении связей не между соседними элементами, а между элементами, стоящими через один, два и т.д. При этом достигается уменьшение площади занимаемой элементом (приведенной) в зависимости от числа введенных транзитов и числа элементов в составе БИС.

Взаимно перпендикулярное расположение поликремниевых и металлических шин позволили создать одинаковые по размерам и полностью топологически и электрически совместимые между собой по границам раздела (штриховые линии на чертеже) структурно-топологические входную, выходную, транзитную и управляющие зоны с прямым и инверсным управлением (примитивы), в результате появилась возможность произвольной перестановки зон (подстройки цоколевки выводов) в процессе конструирования кристалла в зависимости от предъявляемых требований.

Перечисленные особенности позволяют уменьшить площадь, занимаемую блоками БИС на основе предлагаемого элемента, на 30-40% по сравнению с прототипом. Уменьшение длин связей обеспечивает повышение на 10 20% быстродействия схемы. Предлагаемая регулярная конструкция элемента, собираемого из набора функциональных зон (примитивов), и методология легко адаптируются к САПР и БИС, обуславливая снижение затрат на проектирование микросхем в целом.

Формула изобретения

Интегральный логический элемент, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости с расположенной в ней областью "кармана" второго типа проводимости, разделительный диэлектрик, металлические шины, транзисторы первого и второго типа проводимости, отличающийся тем, что в него введены дополнительная металлическая шина питания, соединенная с полупроводниковой подложкой первого типа проводимости, металлическая шина нулевого потенциала, соединенная с областью "кармана" второго типа проводимости, входная зона, содержащая входную металлическую шину, выходную металлическую шину, входную поликремниевую шину, соединенную с входной металлической шиной, расположенную перпендикулярно входной и выходной металлическим шинам, находящуюся на поверхности полупроводниковой подложки первого типа проводимости с расположенной в ней областью "кармана" второго типа проводимости, управляющая зона с прямым управлением, содержащая входную металлическую шину, выходную металлическую шину, транзистор первого типа проводимости с поликремниевым затвором, перпендикулярным входной и выходной металлическим шинам, расположенный в "кармане" второго типа проводимости, исток которого соединен с входной металлической шиной, а сток соединен с выходной металлической шиной, управляющая зона с инверсным управлением, содержащая входную металлическую шину, выходную металлическую шину, транзистор второго типа проводимости с поликремниевым затвором, перпендикулярным входной и выходной металлическим шинам, расположенный в подложке первого типа проводимости, исток которого соединен с выходной металлической шиной, а сток соединен с входной металлической шиной, выходная зона, содержащая входную металлическую шину, выходную металлическую шину, выходную поликремниевую шину, соединенную с выходной металлической шиной, расположенную перпендикулярно входной и выходной металлическим шинам, находящуюся на поверхности полупроводниковой подложки первого типа проводимости с расположенной в ней областью "кармана" второго типа проводимости, зона транзита, содержащая входную металлическую шину, выходную металлическую шину, поликремниевую транзитную шину, расположенную перпендикулярно входной и выходной металлическим шинам, находящуюся на поверхности полупроводниковой подложки первого типа проводимости с расположенной в ней областью "кармана" второго типа проводимости, причем область "кармана" второго типа проводимости, металлические входная и выходная шины перпендикулярные металлической шине питания и металлической шине нулевого потенциала, проходят через входную, выходную, транзитную и управляющую зоны с прямым и инверсным управлением, которые имеют одинаковые размеры в направлении шин питания и нулевого потенциала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4