DE2017607A1

DE2017607A1 -

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Publication number: DE2017607A1
Application number: DE19702017607
Authority: DE
Priority date: 1969-04-16
Filing date: 1970-04-13
Publication date: 1970-10-29
Also published as: JPS492798B1; GB1259237A

Description

Patentanwälte tJfpl.-lng. R- P K E T Z sen.

DIpMng* Kv UMBRECHT

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8 München Ί.% Steinsdorfstr. 10

8l-15.589P(l5.590H) '13.4.1970

HITA CH I ,LTD., T ο k i ο (Japan)

Integrierte Großschaltung

Die Erfindung betrifft eine integrierte Großschaltung, insbesondere mit mehreren Einheitszellen, nämlich deren Leitungszüge.

Im allgemeinen hat eine integrierte Großschaltung (large ,sbale integrated circuit, entsprechend im folgenden kurz LSI-Schaltung genannt, worunter auch integrierte Mittelschaltungen fallen sollen) eine Anordnung von Einheitszellen, die in einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet sind (jede Einheitszelle hat mehrere elektrische Elemente) und eine geeignete Anzahl von Zwischenverbindungen. Jede Einheitszelle weist eine Schaltung aus UND-Gattern, ODER-Gattern, Flipflops oder mehrfachen Kombinationen davon auf. Die Einheitszelle ist so aufgebaut, daß elektrische Elemente an einer Oberfläche des Halbleitersubstrats

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durch eine erste metallische Leiterschicht verbunden sind. Die erste metallische Leiterschicht ist auf einer Isolierschicht niedergeschlagen, die die Oberfläche des Halbleitersubstrats bedeckt.

Die Leitungszüge der Zwischenverbindungen der Einheitszellen in der LSI-Schaltung werden grundsätzlich durch die erste metallische Leiterschicht und eine zweite metallische Leiterschicht ausgebildet, die auf einer zweiten Isolierschicht niedergeschlagen ist, die die erste metallische Leiterschicht bedeckt. Die Leitungszüge zwischen diesen Einheitszellen können grob unterteilt werden in Leitungszüge für die Signalübertragung, Leitungszüge für das Anlegen einer Versorgungsspannung und Leitungszüge zum Erden, wobei die Leitungszüge für die Signalübertragung von der Struktur der Einheitszelle und der Art ihrer Kombination abhängt, so daß notwendigerweise die Leitungszüge für die Signalübertragung für jede LSI-Schaltung speziell sind. Dagegen sind die Leitungszüge für das Anlegen der Versorgungsspannung oder zur Erdung für beliebige LSI-Schaltungen brauchbar, da derartige Leitungszüge allen Einheitszellen gemeinsam sind, die die LSI-Schaltung bilden.

Zum Beispiel werden in einer üblichen LSI-Schaltung die Versorgungsspannungsleitungszüge aus Leitern der ersten Schicht gebildet, die entlang den Zellen in Spaltenrichtungen angeordnet sind, während die Erdungsleitungszüge durch Leiter der zweiten Schicht gebildet sind, die entlang der Zellen in Zeilenrichtung vorhanden sind. Diese ■ Leiter jeder Schicht sind in Serie zu einer Mäanderlinie oder mit einer Sammelleitung, die am Umfang der Anordnung kammförmig auf der Isolierschicht vorliegt, und schließ-

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lieh, mit einem Kissen (pad) verbunden.

Bei diesen üblichen Leitungezügen sind jedoch die Leitungszugleiter, die zu den Zeilen oder Spalten gehören, im wesentlichen in Reihe geschaltet, so daß der Widerstand der Leitungszugleiter groß wird und dadurch die Betriebsspannungen für eine Zelle in der Nähe des Kissens und eine Zelle in größerer Entfernung vom Kissen infolge des Spannungsabfalls am Leiter unterschiedlich sind_o Eine so aufgebaute logische Schaltung neigt also zu Störungen· Aus diesem Grund muß jeder Leitungszugleiter aus einem Leiter hergestellt werden, der eine relativ große Fläche für die Ausbildung der ¥ersorgungsspannungs- und Erdungsleitungszüge auf den Isolierschichten benötigt, was die Anbringung der Signalübertragungsleitungszüge behindert·

Ferner werden die Signalübertragungsleitungszüge oft mit einer mehrschichtigen Struktur versehen, die aus der ersten und zweiten Leiterschicht besteht. Venn die Leitungezüge für die Versorgungsspannung und die Erdung einen Aufbau wie oben beschrieben haben, werden die Oberflächen der ersten und zweiten Isolierschicht in feine Streifen in Spalten- oder Zeilenrichtung unterteilt. Daher müssen die Signalübertragungsleitungszüge, die auf jeder Isolierschicht vorhanden sind, mit diesen Richtungen zusammenfallen, weshalb der Entwurf der Signalübertragungsleitungszüge erschwert ist. ^Λ

Da außerdem bei den üblichen LSI-Schaltungen die Erdungs- oder Versorgungsspannungsleitungszüge auf der Oberfläche der zweiten Isolierschicht ausgebildet sind, an der ein Kissen für den äußeren Anschluß hergestellt werden muß,

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verhindern die Erdungs- oder Versorgungsspannungsleitungszüge am Rand der Anordnung die Ausbildung des Kissens an einer beliebigen Stelle, Die Lage des Kissens unterliegt also Einschränkungen, was den Entwurf der Leitungszugverteilung ebenfalls erschwert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine integrierte Groß- oder LSI-Schaltung anzugeben, die einen verbesserten Aufbau der Versorgungsspannungs- und Erdungsleitungszüge hat, um die Unterbringung der Signalübertragungsleitungszüge zu erleichtern. Insbesondere sollen Isolierspannungen gleichmäßig am Halbleitersubstrat und allen elektrischen Elementen in Einheitszellen anlegbar sein. Auf diese Weise sollen Störungen weitgehend vermieden und eine gute Wärmeabfuhr erreicht werden»

Eine integrierte Großschaltung oder LSI-Schaltung mit einem Halbleitersubstrat, mit mehreren in einer Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildeten Einheitszellen und mit auf der einen Oberfläche, des llalbleitersubstrats zur Verbindung der Einheitszellen vorgesehenen Leitungszügen, zu denen Erdungsleitungszüge und Versorgungsspannungsleitungszüge gehören, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Erdungsleitungszüge maschenförmig angeordnet und Teil einer ersten metallischen Leiterschicht sind, daß jede Masche der Erdungsleitungszüge einen Bereich mit mindestens einer der Einheitszellen umgibt, und daß die Versorgungsspannungsleituegszüge maschenförmig angeordnet sind und Hauptleiter, die Teil der an jedem Bereich vorhandenen ersten metallischen Leiterschicht sind sowie Hilfsleiter aufweisen, die Teil einer auf der ersten metallischen Leiterschicht über eine dazwischenliegende Isolierschicht ruhenden zweiten metallischen Lei-

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terschicht sind, um die Hauptleiter zu verbinden.

Erfindungsgemäß bestehen die Signalüberträgungsleitungszüge in der Hauptsache aus der zweiten Leiterschicht, die auf der zweiten Isolierschicht niedergeschlagen ist. Um jedoch den Entwurf des Verlaufs der Signalübertragungsleitungszüge an Kreuzungsstellen mit anderen Leitungszügen zu erleichtern, ist ein Teil der Signalübertragungsleitungszüge durch Hilfsleiter ersetzt, die vorher als Teil der ersten Leiterschicht oder diffundierter Bereiche gebildet sind, die in einem Oberflächenabschnitt des Halbleitersubstrats durch Eindiffundieren einer Verunreinigung hergestellt sind.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, i£s zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen LSI-Schaltung, teilweise aufgeschnitten;

Fig. 2 und 3 einen Querschnitt durch die LSI-Schal-

tung -von Fig. 1 entlang der Schnittlinie H-II bzw. IH-III;

Fig. 4 das Schaltbild einer Einheitszelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 das Ersatzschaltbild der Schaltung von Fig. 4;

Fig. 6 eine Ansicht eines anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, das teilweise aufgeschnitten ist; und

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Fig. 7 und 8 Teilansichten in größerem Maßstab einer erfindungsgemäßen LSI-Schaltung, um den Aufbau von Signalübertragungsleitungszügen bei dieser Schaltung zu zeigen.

Fig. 1 zeigt die Oberfläche einer LSI-Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Signalübertragungsleitjngszüge und ein Teil der zweiten Isolierschicht zur Erläuterung der gegenseitigen Anordnung der Einheitszelle, der Versorgungsspannungsleitungszüge und der Erdungsleitungszüge entfernt sind. In Fig. 1 sind zu sehen: ein Halbleitersubstrat 10, zum Beiuspiel ein p-Si-Iizium-Substrat, Bereiche 20 a - 20 f in der Oberfläche des Substrats, in denen Einheitszellen gebildet sind, Erdungslei tungs züge 31 ι die Teil einer ersten Leiterschicht sind, Versorgungsspannungsleitungszüge 32, die ebenfalls Teil der ersten Leiterschicht und von den Erdungsleitungszügen 31 getrennt sind, sowie Leiter 33» die aus einer zweiten Leiterschicht gebildet sind und die Versorgungsspannungsleitungszüge 32 untereinander verbinden.

Die erste Leiterschicht besteht zum Beispiel aus Aluminium, Molybdän, Chrom, Titan, Tantal oder einer Legierung dieser Metalle -mit Gold oder Silber und befindet sich auf der ersten Isolierschicht 11 ₃ die beispielsweise aus SiO_p besteht, die das Halbleitersubstrat 10 bedeckt, wie Fig. 2 zu erkennen gibt. Die Erdungsleitungszüge 31 sind an Randabschnitten zwischen den Einheitszellenbereichen 20 a - 2Of insgesamt maschenförmig vorhanden. Der Hauptteil der Versorgungsspannungsleitungszüge 32 befindet sich am Umfang der Oberfläche jeder Einheitszelle.

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Die zweite. Leiterschicht besteht aus einem Werkstoff, der aus den gleichen Werkstoffen wie die erste Leiterschicht gewählt werden kann, und befindet sich auf der zweiten Isolierschicht 12, zum Beispiel aus SiO , die zum Beispiel durch thermische Zersetzung von organischem Oxyeilan, einer Nitridschicht wie Trisiliziumtetranitridschicht, hergestellt durch Umsetzen eines Stickstoffnitrids wie Ammoniak mit Silan, oder eine Glasschicht gebildet wird, die die erste Leiterschicht gemäß Fig. 3 bedeckt«

Erfindung^gemäß verbinden die Leiter 33 der zweiten Leiterechicht die Versorgungsspannungsleitungszüge 32 über Löcher 12 a in der zwei ten Lederschicht 12, um den Versorgungsspannung«1eitungszügen 32 eine Maschenstruktur zu geben, so daß jeweils eine Masche eine der Einheitszellen umgibt. Es kann also ein beträchtlicher Platz zwischen den Einheitszellen für die Signalübertragungsleitungszüge gewährleistet werden, da die VersorgungsspannungsleitungszUge aus der ersten Leiterschicht bestehen und durch die Leiter 33 der zweiten Leiterschicht verbunden sind, so daß die auf dfer zweiten Isolierschicht 12 von den Versorgungespannungsleitungszügen eingenommenen Fläche klein ist. Da insbesondere die Versorgungsspannungsleitungszüge der zweiten Schicht bei der obigen Leitungszügestruktur auf der zweiten Isolierschicht 12 verteilt sind, sind die Signalübertragungsleitungszüge nicht auf eine bestimmte Richtung, zum Beispiel Zeilen- oder Spaltenrichtung, festgelegt. Die Signalübertragungsleitungszüge können also sowohl in Zeilen- als auch Spaltenrichtung auf der zweiten Isolierschicht 12 angeordnet werden, so daß die Zahl der Freiheitsgrade für den Entwurf des Leitungszugmusters erhöht wird.

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Das Merkmal, daß die Erdungsleitungszüge auf der ersten Leiterschicht am Rand der einzelnen Einheitszellen ausgebildet sind, hat folgende Bedeutung; Im allgemeinen sollte in einer integrierten Halbleiterschaltung ein Teil des Erdungsleiters 31 mit dem p-Halbleitersubstrat 10 über Löcher 31 a in der ereten Isolierschicht wie gemäß Fig. 2 verbunden sein, um jeden pn-übergang 15 zwischen jedem η-Bereich 14, in dem ein elektrisches Element ausgebildet ist, und dem p-Substrat 10 entgegengesetzt vorzuspannen, damit die elektrischen Elemente voneinander isoliert sind· Wenn erfindungsgemäß der Erdungsleiter so angeordnet wird, daß er die einzelnen Einheitszellen umgibt, kann eine Isolierspannung 'gleichmäßig an den elektrischen Elementen angelegt werden» Ferner führt der großmaschige Erdungsleiter wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit wirksam Wärme vom Substrat ab, -so daß eine unzulässige Temperaturerhöhung der LSI-Schaltung und damit Störungen der elektrischen Elemente verhindert werden.

Fig. k zeigt das Schaltbild der Einheitszelle der LSI-Schaltung von Fig. 1, wobei Transistoren T , Tg ..., T_ und Widerstände R , R^ ···, Rs zu sehen sind. Die Schaltung hat ein Paar UND-Gatter 21 und 22 mit zwei Eingängen, ein ODER-Gatter 23, einen Negator Zk, wie das Ersatzschaltbild in Fig. 5 zeigt, schließlich Eingangsanschlüsse A, B, C und D, einen Ausgangsanschluß X, einen Versorgungsspannungsanschluß V und Erdungsanschlüsse G, Diese Einheitszellen können durch bekannte Verunreinigungsdiffusionsverfahren und Photowiderstandsverfahren im Oberflächenteil des Ilalbleitersubstrats hergestellt werden.

Da die Einheitszellen, die die LSI-Schaltung bilden, bei der die Erfindung angewendet wird, keinen besonderen

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baulichen oder funktioneilen Beschränkungen unterliegen, braucht nicht die Schaltung von Fig. h für die Einheitszellen vorgesehen zu sein. ■

Fig. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Bereich 2O¹ zwei Einheitszellen 20 g und 20 g¹ hat, die als eine Einheit betrachtet werden, und wobei der Erdungsdraht 31 so ausgebildet ist, daß jeder Bereich 20· jeweils eine Masche bildet, während die Versorgungsspannungsleitungszüge 32 an einem Teil des Umfangsabschnitts der Fläche, die -von jeder Masche des Erdungsdrahts 31 umgeben ist, und an dem Grenzabschnitt zwischen den Einheitszellen. 20 g und 20 g¹ vorhanden sind,

Fig. 7 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels von Fig. 6, wobei ein Hilfsleiter 34, der Teil der ersten Leiterschicht ist, am Umfang jedes Bereichs 20' vorhanden ist, der die Einheitszellen 20 g und 20 g¹ enthält. Der Hilfsleiter Jh wird in der Hauptsache als Signalübertragungsleitungszug benutzt, wie Fig. 8 ergibt. Der Hilfsleiter Jh wird gleichzeitig mit den Erdungsleitungszügen 31 und den Versorgungsspannurg sleitungszügen 32 hergestellt, daß mehrere derartige Hilfsleiter miteinander' gekoppelt sind. Der Hilfsleiter Jh wird jedoch geeignet unterteilt, entsprechend den Signalübertragungsleitungszügen abgetragen und dann mit der zweiten Isolierschicht bedeckt. Die SignalübertragungsleitungszUge 35» die Teil der zweiten Leiterschicht sind, werden zwischen den Anschlüssen A, B, G, D und X der Einheitszelle und dem Hilfsleiter- oder zwischen den Anschlüssen der Einheitszelle hergestellt, um eine vorbestimmte Signalübertragung durch Verwendung des Hilfsleiters Jh zu erreichen, der unter der

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zweiten Isolierschicht 12 eingebettet ist. In Fig. 8 ist ferner mit 36 ein Teil des zweiten Leiters bezeichnet, der den Erdungsanschluß G mit den Erdungsleitungszügen 31 verbindet.

Wenn ein Hilfsleiter, der Teil des Metalls der ersten Leiterschicht wie oben erläutert ist, verwendet wird, wird der Entwurf des Leitungszugmusters, das die zweite Leiterschicht verwendet, sehr erleichtert, da die Überkreuzungsleitungszüge zwischen den Signalübertragungsleitungen oder zwischen den Signalübertragungsleitungszügen und den Versorgungsspannungs- oder Erdungsleitungszügen frei ausgebildet werden können. Der Hilfsleiter kann durch Halbleiterbereiche ersetzt werden, die durch Diffusion einer Verunreinigung in das Halbleitersubstrat mit erforderlicher hoher Konzentration hergestellt werden. Da im Gegensatz zum Metalleiter der Halbleiterdiffusionsbereich nach seiner Herstellung unmöglich teilweise entfernt werden kann, sollten in diesem Fall die Halbleiterdiffusionsbereiche isoliert gefertigt werden.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß die Erfindung die Herstellung der Signalübertragungsleitungszüge in einer LSI-Schaltung sehr erleichtert, indem die Erdungs- und Versorgungsspannungsleitungszüge eine neue Struktur bekommen. Da ferner die auf der zweiten Isolierschicht von den Versorgungsspannmigsleitungszügen eingenommene Fläche sehr klein und verstreut ist, können, obwohl nicht in der Zeichnung abgebildet, Verbindung skissen an beliebigen Stellen des Umfangsabschnitts der Anordnung angebracht werden. Die Erfindung ist zwar anhand einer LSI-Schaltung mit erster und zweiter Leiterschicht erläu-

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tert worden, sie kann jedoch auch bei stärker integrierten LSI-Schaltungen angewendet werden, die zusätzliche ' Leiterschichten aufweisen.

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Claims

Patentansprüche

r "\ J Integrierte Großschaltung mit einem Halbleitersubstrat, mit mehreren in einer Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildeten Einheitszellen und mit auf der einen Oberfläche des Halbleitersubstrats zur Verbindung der Einheitszellen vorgesehenen Leitungszügen, zu denen Erdungsleitungszüge und Versorgungsspannungsleitungszüge gehören, dadurch- gekennzeichnet, daß die Erdungsleitungszüge (3Ό maschenförmig angeordnet und Teil einer ersten metallischen Leiterschicht sind, daß jede Masche der Erdungsleitungszüge einen Bereich (20 a - 20 f) 20·) mit mindestens einer der Einheitszellen umgibt, und daß die Versorgungsspannungsleitungszüge (32) maschenförmig angeordnet sind und Hauptleiter, die Teil der an jedem Bereich vorhandenen ersten metallischen Leiterschicht sind* sowie Hilf slei.ter . (33) aufweisen, die Teil einer auf der ersten metallischen Leiterschicht über eine dazwischenliegende Isolierschicht (11) ruhenden zweiten metallischen Leiterschicht sind, um die Hauptleiter zu verbinden (Fig. 1 - 3j 6, 7).
2. Integrierte Großschaltung nach Anspruch 1, wobei zu den Leitungszügen Signalübertragungsleitungszüge gehören, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalübertragungsleitungszüge Teil der ersten metallischen Leiterschicht (3^)» die am Umfang der Einheitszelle jedes Bereichs (20') ausgebildet ist, und Teil der zweiten metallischen Leiterschicht (35) auf der Isolierschicht (11) sind (Fig. 7, 8).

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