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In
den letzten Jahren wurde der CMOS (complementary metaloxide semiconductor)
Prozess immer wieder abwärts
skaliert bis zur heutigen Submicron oder Deep Submicron Technologie.
Durch diese Fortschritte wurde es erst möglich, beispielsweise externe
diskrete Leistungstransistoren sowie große Schalttransistoren, on-chip,
also direkt auf ein Trägermaterial
kostengünstig
zu integrieren.
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Ein
Integrierter Schalttransistor (Switch) oder ein Ausgangstreiber
kann je nach Anforderung aus einem PMOS oder NMOS Transistor, oder
aus einer Kombination aus beiden ausgebildet werden. Um die gewünschte elektrische
Performance zu erreichen, werden diese PMOS und NMOS Transistoren über ihre
geometrischen Parameter, die Transistorweite und Transistorlänge dimensioniert.
Um heutigen Anforderungen zu entsprechen, kann es ohne weiteres sein
das die Transistoren je nach Einsatzbereich eine Transistorweite
von einigen hunderttausend Mikrometern aufweisen können.
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Für Standard
CMOS und BiCMOS Bauelemente sind zwei Layoutstrukturen bekannt,
mit denen große
Transistorweiten realisiert werden können: das Finger-layout und
das so genannte Waffellayout.
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Beim
Fingerlayout wird ein Transistor, PMOS oder NMOS, mit einer großen Weite
in mehrere kleinere parallel geschaltete Transistorenstreifen aufgeteilt.
Die Summe der parallel geschalteten Devices ergibt wieder die ursprüngliche
Gesamtweite. Nachteilig ist hier, dass sich bei der Parallel schaltung
der einzelnen Transistoren nicht nur die Weite sondern auch die
Drainfläche
und damit auch die Drain/Junction Kapazität addiert. Hinzu kommt, dass
durch die streifenförmige
Anordnung im Ersatzschaltbild ein RC Netzwerk entsteht, das beim
Einschalten des Transistors eine Verzögerung bewirkt. Bei schnellem Spannungsanstieg
Vgs beginnt der gesamte Strom daher ungleichmäßig über einzelne Devices abzufließen, was
zu einer Überlastung
dieser Strukturen und schließlich
einer Zerstörung
des gesamten Transistors führt.
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Das
Waffellayout ist aus einer Anzahl von horizontalen und vertikalen
Polysilizium-Leitungen aufgebaut, die ein Gitter bilden, in dessen
Zwischenräumen
die Source und Drain Regionen definiert sind. Die Polysilizium-Leitungen
stellen den Anschluss des Gates dar. Die Bereiche der Polysilizium
Kreuzungen zählen
nicht zur effektiven Transistorweite.
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Eine
solche Waffelstruktur ist symmetrisch und weist gleiche Längen für den Abstand
DGS zwischen Source und Gate und den Abstand
DGD zwischen Drain und Gate auf. Dies kann
dazu führen, dass
entweder einer dieser Abstände
größer als
erforderlich oder der andere Abstand zu gering ist, was sich einmal
in einer höheren
Grundfläche
und in anderen Fall in einer geringeren ESD (= Electrostatic Discharge)
Festigkeit äußert.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es ein MOS Transistor Layout anzugeben,
das bei minimiertem Flächenbedarf
auf eine gewünschte
Transistorweite erweiterbar ist.
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Diese
Aufgabe wird mit einem MOS Transistor mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es
wird ein in Basiszellen aufgeteilter MOS Transistor vorgeschlagen,
der sich durch Parallelschaltung einer gewünschten Anzahl von Basiszellen beliebig
in seiner Transistorweite einstellen lässt. Die gleich ausgebildeten
Basiszellen umfassen je ein zentrales Draingebiet und ein um das
Draingebiet ringförmig
geschlossenes Gate. Das Sourcegebiet ist außerhalb des Gates angeordnet.
Auf diese Weise gelingt ein modularer Aufbau des Transistors.
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Drain-
und Sourcegebiet sind im Substrat als dotierte Gebiete eines ersten
Leitfähigkeitstyps
ausgebildet. Das Gate kann über
undotiertem Substrat oder über
einem mit einem Dotierstoff vom zweiten Leitfähigkeitstyp dotierten Gebiet
ausgebildet sein. Drain- und Sourcegebiete sind je mit einem hochdotierten
Drain- bzw. Sourcekontakt versehen.
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Die
Größe des Draingebiets
kann minimal gewählt
werden. Dies hat den Vorteil, dass die Drainkapazität, die beim
Einschalten des Transistors geladen werden muss, minimal bleibt.
Dadurch ist eine hohe Schaltgeschwindigkeit bzw. eine hohe Schaltfrequenz
für den
Transistor möglich.
Die Abstände DGS zwischen Sourcekontakt und Gate und DGD zwischen Drainkontakt und Gate können unabhängig voneinander
gewählt
und so unabhängig
voneinander optimiert werden. Damit wird ein MOS Transistor erhalten,
der bei genau einstellbaren elektrischen Eigenschaften in seiner
Grundfläche
minimiert ist. Das Verhältnis „W /area" (Transistorweite
zur benötigten Layoutfläche) kann,
verglichen mit dem Fingerlayout, um 40% und, verglichen mit dem
Wafffellayout, bei gleichem Abstand DGD (Gate
zu Drainkontakt) um zirka 30% verringert werden.
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Die
Weite der einzelnen Transistor Basiszelle ist allein durch die Struktur
bzw. Form des Gates vorgegeben.
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Vorteilhaft
hat jede der Basiszellen eine quadratische Grundfläche. Je
zwei benachbarte Basiszellen weisen dann eine gemeinsame Seitenkante auf,
wobei die Sourcegebiete dieser zwei und möglicher weiterer Basiszellen
so verbunden sind, dass diesen Sourcegebieten zugeordnete und nahe
oder entlang dieser Seitenkante angeordnete Sourcekontakte beiden
Basiszellen gemeinsam angehören
und daher von beiden Sources gemeinsam genutzt werden. Die gleichen
Seitenlängen
bei quadratischer Grundfläche
der Basiszellen ermöglichen
eine beliebige Erweiterbarkeit durch Aneinanderreihung von Basiszellen
in zwei Richtungen, so dass sich aus entsprechend zusammengefügten Basiszellen
Anordnungen mit nahezu beliebig geformter Gesamtfläche arrangieren
lassen. Alle Basiszellen des Transistors sind elektrisch miteinander
verschaltet. Wegen der gemeinsam genutzten Sourcekontakte benötigt die gesamte
derart miteinander verbundene Transistoranordnung weniger Grundfläche als
es der Summe der Grundflächen
einer entsprechenden Anzahl unverbundener Basiszellen entspräche.
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Mit
dem derart in Basiszellen aufgeteilten Transistor ist es nicht nur
möglich,
rechteckige oder quadratische Transistor Arrays zu layouten, sondern es
können
praktisch Flächen
in jeder Form mit einem Array gefüllt werden, bis die gewünschte Transistorweite
erreicht ist.
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Möglich ist
jedoch auch, die Basiszelle mit einer Grundfläche zu realisieren, die einem
anderen regelmäßigen Polygon,
z.B. einem Sechseck entspricht. Auch diese Polygone lassen sich
in dichter Packung so anordnen, dass eine Transistoranordnung ohne
Zwischenräume
zwischen den Basiszellen entsteht.
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Eine
gleichmäßige Anordnung
mit gleich bleibenden Abständen
DGS und DGD kann
erhalten werden, wenn das ringförmig
geschlossenes Gate bei gleich bleibender Breite eine regelmäßige Fläche einschließt und eine
an die z.B. quadratische Basiszelle angepasste Form mit demgegenüber höherer oder
niedrigerer Symmetrie aufweist.
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Vorteilhaft
umfasst das Gate eine über
einem Gateoxid angeordnete Polysiliziumstruktur, die geometrisch
einer Kreislinie oder einem geradzahligen Polygon mit zumindest
zweizähniger
Symmetrie bezüglich
einer vertikal auf dem Polygon stehenden Symmetrieachse folgt. Neben
dem kreisförmigen Gate
ist eine achteckiges (oktogonales) Gate besonders bevorzugt. Vier
erste Kanten des Oktogons können
dann parallel zu den Kanten der quadratischen Basiszelle ausgerichtet
werden, während
die vier zweiten Kanten die Ecken der Basiszelle „abschneiden". Der Abstand der
ersten Kanten der oktogonalen Polysiliziumstruktur zur Kante der
Basiszelle ist so gewählt,
dass dazwischen die Sourcekontakte Platz finden und ein ausreichender
Abstand DGS gewährleist bleibt. Die Sourcekontakte
können
dann entlang der ersten Kanten angeordnet werden. Dabei kann die
Länge der
zweiten Kanten von der Länge der
ersten Kanten abweichen und größer oder
kleiner sein. Ein geeignet eingestelltes Verhältnis zwischen den Längen der
ersten und zweiten Kanten ermöglicht
es daher, in jeder Basiszelle eine maximale Anzahl von Sourcekontakten
zu anzuordnen.
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In
den von den zweiten Kanten abgeschnittenen Ecken der Basiszellen
ist dann Raum für
Kontakte zu anderen als den Source-Gebieten. Es können in diesen
Ecken z.B. Kontakte zum Substrat oder Durchkontaktierungen vom Gate
bzw. der Polysiliziumstruktur zu einer darüber angeordneten und elektrisch leitend
mit dieser verbundenen Metallisierungsstruktur angeordnet werden.
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So
kann eine erste strukturierte Metallisierungsebene über der
Polysiliziumstruktur vorgesehen sein, die je Basiszelle eine Metallisierungsstruktur
zum Verstärken
der Leitfähigkeit
des Gates umfasst. Diese Metallisierungsstruktur verläuft vorteilhaft
je Basiszelle innerhalb des Gates und parallel zu diesem. Ein Überlapp
mit dem Gate wird so weit wie möglich
vermieden, damit es durch das Metall dieser mit dem Gate verbundenen
Metallisierungsstruktur nicht zu einer Degeneration des Gateoxids
kommt. Im Bereich zweier einander gegenüberliegender Ecken jeder Basiszelle
ist die Metallisierungsstruktur über
Durchkontaktierungen mit der Polysiliziumstruktur verbunden.
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Im
Transistor können
je Basiszelle in der ersten strukturierten Metallisierungsebene
zwei weitere galvanisch getrennte Metallisierungsstrukturen vorgesehen
sind, die über
Durchkontaktierungen jeweils mit der Source oder der Drain verbunden
sind.
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Die
Durchkontaktierungen sind in eine zwischen Substrat und Metallisierungsebene
oder zwischen zwei Metallisierungsebenen angeordnete Dielektrikumsschicht
strukturierte Löcher,
die mit einem leitfähigen
Material gefüllt
sind, z.B. mit Wolfram.
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Die
Polysiliziumstruktur kann an zwei einander gegenüber liegenden Ecken jeder Basiszelle
diagonale Ausläufer
aufweisen, über
die sie mit der Polysiliziumstruktur zumindest einer benachbarten
Basiszelle verbunden ist. Damit gelingt eine einfache modulare Verschaltung
der Polysiliziumstruk turen aller Basiszellen und es kann zusammen
mit der damit verbundenen Metallisierungsstruktur, im folgenden auch
Gatemetallisierung genannt, ein niederohmiges Gate bzw. ein MOS
Transistor mit niedrigem Einschaltwiderstand RON realisiert
werden. Die Durchkontaktierung von der Polysiliziumstruktur zur
Gatemetallisierung darüber
ist vorzugsweise über
diesem Ausläufer
angeordnet und bei diagonal benachbarten Basiszellen mittig zwischen
deren Gates positioniert.
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Der
niederohmige Anschluss von Source und Drain kann verbessert werden,
wenn in der ersten strukturierten Metallisierungsebene zwei weitere galvanisch
getrennte Metallisierungsstrukturen, im folgenden Source- und Drainmetallisierung
genannt, vorgesehen sind, die über
Durchkontaktierungen jeweils mit der Source oder der Drain verbunden
sind.
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Der
Substratkontakt kann als hochdotiertes Gebiet in einer oder beiden
Ecken der quadratischen Basiszelle angeordnet sein, die nicht von
einem der genannten Ausläufer
der Polysiliziumstruktur belegt sind. Dort ist entsprechend eine
hohe Substratdotierung vorgesehen, die im Kontakt zum Substrat steht. In
einer Ausführung
kann der Substratkontakt an dieselbe Metallisierungsstruktur wie
der Sourcekontakt angeschlossen werden, so dass Source und Substrat mit
dem gleichen Potential beaufschlagt werden können.
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Es
können
alle elektrisch kontaktierbaren Elemente in der ersten Metallisierungsebene
eine Entsprechung in Form einer oder mehrerer mit dem jeweiligen
Element verbundenen Metallisierungsstrukturen finden. Über Durchkontaktierungen
können
diese mit weiteren Metallisierungsstrukturen in darüber angeordneten
weiteren Metallisierungsebenen verbunden sein. Es ist aber auch
möglich,
die Metallisierungsstrukturen für unterschiedlicher
Elemente der Basiszellen in unterschiedlichen Metallisierungsebenen
anzuordnen.
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In
einer Variante ist zumindest eine zweite strukturierte Metallisierungsebene
vorgesehen, die sich zusammenhängend
und großflächig über alle Basiszellen
des Transistors erstreckt, die Sourcemetallisierung darstellt und über Durchkontaktierungen und
gegebenenfalls weitere dazwischen angeordnete Metallisierungsstrukturen
mit den Sources aller Basiszellen verbunden ist.
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In
einer weiteren Variante ist entsprechend eine dritte strukturierte
Metallisierungsebene vorgesehen, die sich zusammenhängend und
großflächig über alle
Basiszellen des Transistors erstreckt, die Drainmetallisierung darstellt
und über
Durchkontaktierungen und gegebenenfalls weitere dazwischen angeordnete
Metallisierungsstrukturen mit den Drains aller Basiszellen verbunden
ist.
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Neben
dem beschrieben MOS Transistor mit je Basiszelle zentralem Draingebiet
ist es natürlich auch
möglich,
die Funktionalität
von Source und Drain zu vertauschen und dabei gegebenenfalls Geometrien
und insbesondere die Abstände
DGS und DGD anzupassen.
Wegen der dadurch erhöhten
ESD Sicherheit kann es vorteilhaft sein, die Entfernung DGD größer als
DGS zu wählen.
Ein solcher ebenfalls erfindungsgemäßer Transistor weist dann je
Basiszelle ein zentrales Sourcegebiet und ein außerhalb des ringförmig geschlossenen
Gates ein Draingebiet auf.
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Der
Transistor kann in einer Ausführung
in einem IC auf einem kristallinen Si Substrat realisiert sein,
in dessen Oberfläche
weitere vom FET Transistor unterschiedliche Bauelemente realisiert
sind. Die Basiszellen des Transistors können dann so angeordnet sein,
dass sie die Lücken
zwischen den weiteren Bauelementen in dichter Packung auffüllen. Mit dem
modularen Aufbau der Transistoranordnung ist eine geometrische Anpassung
an layout-bedingt beliebig geformte Lücken zwischen andern Bauelementen
problemlos möglich.
Damit kann beim IC zusätzlich
Substratfläche
eingespart und das Bauelement kleiner als mit bekannten Transistoren
hergestellt werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen 1 bis 12 näher erläutert. Die
Figuren sind schematisch und dienen nur der Veranschaulichung der
Erfindung. Sie sind nicht maßstabsgetreu,
so dass ihnen keine relativen oder absoluten Größenangaben zu entnehmen sind.
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1 zeigt
beispielhaft einen Transistor mit Fingerlayout,
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2 zeigt
ein Ersatzschaltbild dieses Transistors mit Fingerlayout,
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3 zeigt
schematisch eine Transistoranordnung mit Waffellayout,
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4 zeigt
schematisch eine Basiszelle eines erfindungsgemäßen Transistors,
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5 zeigt
die Basiszelle mit Durchkontaktierungen und einer ersten Metallisierungsebene,
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6 zeigt
eine Variation der ersten Metallisierungsebene eines erfindungsgemäßen Transistors,
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7 zeigt
vier Basiszellen einer Transistoranordnung,
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8 zeigt
grobschematisch eine Anordnung von zwölf Basiszellen einer Transistoranordnung,
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9 zeigt
eine beispielhafte erste Metallisierungsebene für eine Transistoranordnung,
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10 zeigt
beispielhaft eine zweite Metallisierungsebene für eine Transistoranordnung,
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11 zeigt
den Flächenbedarf
erfindungsgemäßer Transistoranordnungen
im Vergleich zu bekannten Transistoranordnungen mit Fingerlayout,
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12 verdeutlicht
die Flächeneinsparung erfindungsgemäßer aus
Basiszellen zusammengesetzter Transistoranordnungen.
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1 zeigt
schematisch einen Transistor mit großer Weite W im bekannten Fingerlayout.
Dieses Layout besteht aus einer beliebigen Anzahl von Transistorelementen,
die parallel zur Weite W des Transistors nebeneinander angeordnet
sind. Jedes Transistorelement weist eine Source S und Drain D auf, die
in einem Abstand Dgd beziehungsweise Dgs zum Gate angeordnet sind. Aufgrund der
unterschiedlichen Erfordernisse sind beide Abstände unterschiedlich. Das Fingerlayout
kann zwei Streifen umfassen, die um zentrale Drain-Kontakte DK gespiegelt
sind. Als Gate dient eine Polysiliziumstruktur PS. Parallel zu der
Transistoranordnung sind Substratkontakte SK vorgesehen, die ebenfalls
streifenförmig
neben dem Fingerlayout angeordnet sind.
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2 zeigt
ein Ersatzschaltbild für
vier solcher Transistorelemente M1 bis M4. Jedes Element weist eine
Kombination aus Gate-Widerstand RG und Gate-Kapazität auf, die
zusammen ein RC-Netzwerk bilden, welches eine Verzögerung beim
Einschalten des Transistors bewirkt. Steigt die Spannung Vgs schnell
an, so wird der Bereich des ersten Transistorelements M1 aktiv und
die Lastkapazität
beginnt sich über
M1 zu entladen, bevor die übrigen
Transistorelemente M2 bis M4 noch eingeschaltet sind. Bei hoher
anliegender Spannung fließt
der gesamte Strom durch M1, wobei dieses erste Transistorelement
und damit die gesamte Transistoranordnung zerstört werden kann.
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3 zeigt
schematisch einen Transistor mit Waffelstruktur, bei dem eine Polysiliziumstruktur
PS als Gate in Form eines Gitters angeordnet sind. Zwischen dem
durch die Polysiliziumstruktur gebildeten Gitter sind Source-Gebiete
S und Drain-Gebiete D alternierend angeordnet. Die Polysiliziumstruktur
wird über
Polysiliziumkontakte PSK kontaktiert. Ein Substratkontakt SBK ist
entlang der Seitenkanten der Anordnung angeordnet. Die Source-Gebiete
sind ebenso wie die Drain-Gebiete durch schräg verlaufende Metallisierungen
in einer darüber
liegenden Metallisierungsebene miteinander verbunden. Aufgrund des
symmetrischen Aufbaus, bei dem sowohl Drain als auch Source den
gleichen Abstand zum Gate aufweisen, hat dieses Waffellayout immer
eine entweder zu kleine Entfernung Dgd oder
eine zu große
Distanz Dgs. Im ersten Fall ergibt sich
eine geringere ESD-Festigkeit aufgrund des verringerten Drain-Gate-Abstands
oder im zweiten Fall ein erhöhter
Platzbedarf wegen des Source-Gate-Abstands, der größer als
erforderlich ist.
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4 zeigt
schematisch eine Basiszelle gemäß der Erfindung.
Diese zeichnet sich aus durch eine konzentrische Anordnung mit zentral
gelegenem Drain-Gebiet D, ein dieses Drain-Gebiet umschließendes Gate
mit einer ringförmig
geschlossenen Polysiliziumstruktur PS sowie ein außerhalb
der Polysiliziumstruktur PS angeordnetem Source-Gebiet S. Neben
der beispielhaft dargestellten oktogonalen Polysiliziumstruktur
PS sind in der Figur auch als alternative Ausgestaltung tetragonale
Polysiliziumstrukturen PS' (gestrichelt)
und runde Polysiliziumstrukturen PS'' (gepunktete)
Linie dargestellt. Source-Gebiet S und Drain-Gebiet D sind im Substrat durch
ein dotiertes Gebiet entsprechender Abmessung ausgebildet. Unterhalb
der Polysiliziumstruktur PS befindet sich das Gateoxid und darunter
das Kanalgebiet mit demgegenüber
entgegen gesetzter Dotierung beziehungsweise mit Substratdotierung. Source-Gebiet
S, Polysiliziumstruktur PS und Drain-Gebiet D sind über entsprechende
Kontakte (in der Figur nicht dargestellt) mit darüber angeordneten Metallisierungsebenen
verbunden, über
die der elektrische Anschluss der Basiszelle erfolgt.
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Das
Drain-Gebiet hat eine für
einen ausreichenden Gate-Drain-Abstand
geeignete Größe, die dann
auch die Größe des des
Drain-Gebiet umgebenden Polysiliziumstruktur PS bestimmt. Der wesentlich
geringere Gate-Source-Abstand wird durch nahe der Polysiliziumstruktur
im Source-Gebiet S angeordnete Source-Kontakte realisiert.
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5 zeigt
die in 4 dargestellte Basiszelle mit einer beispielhaften
zusätzlich
eingezeichneten ersten Metallisierungsebene und den zugehörigen Durchkontaktierungen.
Ein oder mehrere möglichst
zentral angeordnete Drain-Kontakte DK verbinden das Drain-Gebiet
D mit einer Drain-Metallisierung DM in einer darüber angeordneten Metallisierungsebene,
beispielsweise in der Metall-1-Ebene. Über Source-Kontakte SK, die
(möglichst)
symmetrisch zu den Drain-Kontakten angeordnet sind, ist das Source-Gebiet
S mit einer Source-Metallisierung SM verbunden, die ebenfalls in
der M1-Metallisierungsebene angeordnet sein kann. Die Polysiliziumstruktur
PS einer jeden Basiszelle weist Ausläufer PSA auf, beispielsweise
zwei Ausläufer,
die hin zu zwei diagonal gegenüberstehenden
Ecken der Basiszelle geführt
sind. Im Bereich der Ecken der Basiszelle sind die Polysiliziumkontakte
PSK angeordnet, die die Polysiliziumstruktur PS mit einer darüber liegenden
Gatemetallisierung in einer ersten oder einer höheren Metallisierungsebene
verbinden.
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6 zeigt
die in 5 dargestellte Anordnung, bei der zusätzlich noch
die Gate-Metallisierung GM dargestellt ist. Diese ist eine Metallisierungsstruktur
in einer Metallisierungsebene M, die über die Polysiliziumkontakte
PSK mit der Polysiliziumstruktur PS verbunden ist. Weiter sind in 6 Substratkontakte
SBK dargestellt, die innerhalb des Source-Gebiets als Zonen hoher Dotierung mit
Substratdotierung realisiert sind. Die Substratkontakte können über entsprechende
Durchkontaktierungen zur Source-Metallisierung SM geführt werden,
die üblicherweise
auf dem gleichen Potenzial wie das Substrat liegt. Die übrigen Elemente
sind wie bereits in 5 dargestellt ausgebildet.
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7 zeigt
vier nebeneinander angeordnete Basiszellen, die den Ausschnitt einer
größeren Transistoranordnung
bilden können.
Mit gestrichelter Linie dargestellt ist die Polysiliziumstruktur
PS, die über Polysiliziumkontakte
PSK zu einer (nicht dargestellten) Gate-Metallisierung in einer
darüber
oder darunter liegenden Metallisierungsebene führt.
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Ebenfalls
dargestellt sind Drain-Kontakte DK, die zu einer Drain-Metallisierung
DM in einer Metallisierungsebene führen. Im Abstand zur Drain-Metallisierung
DM und galvanisch von dieser getrennt ist die Source-Metallisierung
SM angeordnet, die mit Ausnahme der Polysiliziumkontakte PSK die übrige Oberfläche dieser
dargestellten Metallisierungsebene einnimmt. Die Substratkontakte
SEK können
wieder auf die Source-Metallisierung SM geführt und mit dieser auf gleiches
Potenzial gelegt werden.
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Die
Durchkontaktierungen zu den Metallisierungsebenen können punktförmig und
gut verteilt angeordnet sein. Möglich
ist es auch, die Durchkontaktierungen großflächiger zu gestalten.
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8 zeigt
schematisch eine Anordnung von Basiszellen, aus der die geometrische
Ausgestaltung der Polysiliziumstruktur sowie die Anordnung von Substratkontakten
SBK und Polysilizium PSK deutlich wird. Neben der ringförmig geschlossenen
hier oktogonal dargestellten Polysiliziumstruktur PS sind entlang
jeweils einer Diagonale der Basiszellen Ausläufer PSA (der Polysiliziumstruktur)
dargestellt. Es existieren hier zwei Typen von unterschiedlich orientierten
Basiszellen, in denen die Polysiliziumstruktur beziehungsweise deren
Ausläufer
PSA gegeneinander um 90 Grad verdreht angeordnet sind. Auf diese
Weise ist es möglich,
die in 8 dargestellte Anordnung zu erzielen, bei denen
im Mittelpunkt von je vier Basiszellen entweder ein Substratkontakt
SEK oder ein Polysiliziumkontakt PSK angeordnet ist, wobei sich
diese unterschiedlichen Kontakte in der gesamten Transistoranordnung
alternierend wiederholen. Es kann so ein hochsymmetrische Anordnung
realisiert werden, die über
eine ausreichende Anzahl von Durchkontaktierungen zu einer Metallisierungsebene
niederohmig angeschlossen werden können. Die Polysilizium- Strukturen sind hier in
der Figur nur als Linien angedeutet, haben natürlich aber in Realität eine endliche
Breite, die der einstellbaren Kanallänge des Transistors entspricht.
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Es
sind beliebige Variationen von Metallisierungsebenen für die Transistoranordnung
möglich. Möglich ist
es beispielsweise, eine erste Metallisierungsebene ausschließlich für die Gate-Metallisierung
vorzusehen.
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Weiterhin
ist es möglich,
in einer Metallisierungsebene Metallisierungsstrukturen für sämtliche anzuschließende Elemente
vorzusehen, wie es beispielsweise in 9 dargestellt
ist. Die dargestellte Metallisierungsebene weist eine Drain-Metallisierung DM
auf, die zentral über
dem Drain-Gebiet
angeordnet ist. Die Gate-Metallisierung GM verläuft parallel zum Gate aber
vorzugsweise so, dass sie versetzt zum Gate und in die Ebene projiziert
versetzt zu diesem vorzugsweise innerhalb der geschlossenen Polysiliziumstruktur
angeordnet ist. Ringförmige Gate-Metallisierungen
sind ebenfalls über
diagonal angeordnete Ausläufer
miteinander vernetzt. In den von der vernetzten Gate-Metallisierung
freien Zwischenräumen
ist die Source-Metallisierung SM angeordnet, für die hier aus diesem Grund
nur eine Vielzahl von großflächigen in
dieser Metallisierungsebene jedoch nicht miteinander verbundenen
Metallisierungsstrukturen verbleibt. Die Vielzahl von Source-Metallisierungen
SM werden über
eine weitere Metallisierungsebene, mit der sie über Durchkontaktierungen (in
der Figur nicht dargestellt) verbunden sind, auf ein gemeinsames
Potenzial gelegt und insgesamt niederohmig angeschlossen. Unterhalb
dieser Metallisierungsebene kann eine weitere ausschließlich für die Gatemetallisierung
vorgesehen sein. Dadurch lässt
sich der Gatewiderstand weiter verringern.
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10 zeigt
eine Metallisierungsebene, in der Source-Metallisierung SM und Drain-Metallisierung
DM galvanisch voneinander getrennt angeordnet sind. In einer tieferen
nicht dargestellten Metallisierungsebene ist dabei eine Gate-Metallisierung GM ähnlich wie
in 9 vorgesehen. Die in 10 dargestellte
Anordnung zeichnet sich durch einen niedrigen Einschaltwiderstand
Ron der Transistoranordnung aus. Ebenso
weist sie einen niederohmigen und großflächigen Interconnect auf, der
hier durch die großflächige Source-Metallisierung SM
realisiert ist.
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Bei
Metallisierungsebenen mit großflächigen Metallisierungen
ist es von Vorteil, wenn letztere regelmäßige Durchbrechungen aufweisen. Über diese bleiben
die beiderseits (darüber
und darunter) angeordneten dielektrischen Schichten in mechanischer Verbindung,
was die Stabilität
des mehrschichtigen Aufbaus gewährleistet
und das Ablösen
von Metallisierungen z.B. bei thermischer Verformung erschwert.
Für großflächige Metallisierungen
ist z.B. eine Gitterstruktur vorteilhaft, deren Knoten über den Draingebieten
liegen und die über
den Ecken der Basiszellen die genannten Durchbrechungen aufweisen.
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Möglich ist
auch, zwei Metallisierungsebenen mit gleicher oder ähnlicher
Struktur übereinander anzuordnen
und über
eine ausreichende Anzahl von Durchkontaktierungen miteinander zu
verbinden. Allein dadurch gelingt bereits eine erhebliche Reduzierung
der Ohm'schen Widerstände, wie
es mit einer einzelnen Metallisierungsebene dieser Struktur allein nicht
möglich
wäre.
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Neben
den in den 7 bis 10 dargestellten
regelmäßigen Anordnungen
von Basiszellen, mit denen beispielsweise großflächige rechteckige Transistoranordnungen
realisiert werden können,
besteht noch die Möglichkeit,
die Transistoranordnung unsymmetrisch und unregelmäßig zu erweitern. 11 zeigt
beispielsweise zwei erfindungsgemäße Transistoranordnungen TA,
die aus Basiszellen zusammengesetzt sind und die beide die gleiche
Transistorweite W aufweisen. Weiterhin sind in 11 noch
drei Transistoranordnungen mit Fingerlayout FA eingezeichnet, die
ebenfalls die gleiche Transistorweite wie die erfindungsgemäßen Transistoranordnungen
TA aufweisen.
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Aus
der 11 ergibt sich klar die große Variabilität bezüglich der
geometrischen Anordnung und damit der Möglichkeit, eine beliebige Fläche mit der
Transistoranordnung zu belegen. Während ein Transistor mit Fingerlayout
FA an eine regelmäßige Struktur
gebunden ist und sich üblicherweise
nur symmetrisch erweitern lässt,
ist demgegenüber
die erfindungsgemäße Transistoranordnung
TA beliebig variierbar. Zudem weist sie ein um circa 40 Prozent besseres
Verhältnis
der Transistorfläche
zur Weite des Transistors auf. Bei gleicher Weite belegen sie daher
eine um 40 Prozent geringere Oberfläche im Transistor. Zusammen
mit der variablen Ausnutzung von freien Substratoberflächen ergibt
sich dadurch eine weitere Miniaturisierungsmöglichkeit gegenüber bekannten
Transistoranordnungen.
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12 zeigt
noch einmal im Größenvergleich
eine erfindungsgemäße Transistoranordnung TA
und einen Transistor mit bekannter Fingeranordnung FA. Beide Zellen
haben den gleichen Drain-Gate-Abstand Dgd.
Eine quadratische Basiszelle gemäß der Erfindung
kann beispielsweise mit einer Layoutfläche von 9,2 × 9,2 μm realisiert
werden, führt aber
zu einem Transistor einer Weite W von 25 μm. In 12 ist
eine erfindungsgemäße Transistoranordnung
TA mit vier Basiszellen dargestellt, die alle die gleiche Weite
von je 25 μm
aufweisen und dabei in der Gesamtweite der Transistoranordnung FA
mit Fingerstruktur entsprechen, die eine Gesamtweite von 100 μm aufweist.
Es zeigt sich der Flächengewinn,
der mit der aus Basiszellen erfindungsgemäß zusammengesetzten Transistoranordnung
gegenüber
bekannten Transistoranordnungen mit Finger- oder Waffelstruktur erreicht werden
kann.
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Die
Außenanschlüsse der
erfindungsgemäßen Transistoranordnung
können
zentral angeordnet sein (Pad over active) oder an einem seitlichen
Rand der Anordnung.
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Die
Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt,
ist aber nicht auf diese begrenzt. Variationsmöglichkeiten ergeben sich insbesondere
in Bezug auf die Anzahl und Struktur der über der Transistoranordnung
platzierten Metallisierungsebenen, die Kombination von Metallisierungsstrukturen
in einer Metallisierungsebene miteinander kombiniert oder auf getrennte
Metallisierungsebenen aufgeteilt sind, und die Lage der Durchkontaktierungen
von Source- und Drain-Gebieten hin zu den Metallisierungsebenen
und zwischen unterschiedlichen Metallisierungsebenen. Über eine
höhere
Anzahl zueinander parallel geschalteter Metallisierungsstrukturen
für jeden
Typ anzuschließender Transistorstrukturen
kann der jeweilige Anschlusswiderstand reduziert werden. Über einen
niedrigen Gate-Widerstand beziehungsweise einen niedrigen Widerstand
der mit den Polysilizium verbundenen Gate-Metallisierungen wird
ein schnelles Einschalten möglich. Über einen
niedrigen Widerstand von Source- und Drain-Metallisierungen wird
ein niedriger Widerstand der Transistoranordnung im angeschalteten Zustand
erhalten. Die Basiszellen können über geeignete
Wahl der Geometrien und insbesondere über ein geeignetes Verhältnis der
Abstände
Dgd und Dgs kann die Transistoranordnung
an eine gewünschte Betriebsspannung
angepasst und das Layout entsprechend dimensioniert werden. Die
Anzahl der in der Transistoranordnung verwendeten Basiszellen ist unbegrenzt,
wobei durch eine höhere
Anzahl die Weite der Transistoranordnung erhöht werden kann, ohne dass dabei
andere Parameter verschlechtert werden. Mithin kann über die
Anzahl der Basiszellen die Weite und damit die Stromtragfähigkeit
bezüglich der
mit der Transistoranordnung zu schaltenden Ströme beliebig angepasst werden.
Die Erfindung ermöglicht
es, Transistoranordnungen mit beliebigen Weiten zu konstruieren.