JP2005051270A - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体集積回路装置に関し、詳しくはその出力回路として用いられるトランジスタの構成に関する。 The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device, and more particularly to a configuration of a transistor used as an output circuit thereof.
電池を電源とする携帯機器の駆動回路等やスイッチング電源のスイッチ回路等では、半導体集積回路装置の消費電流を低減して機器の動作可能時間を少しでも長くするために、出力等の大電流が流れるトランジスタに図2の回路図に示すようにMOS型のトランジスタ(以下「MOSトランジスタ」と略す)を用いることも多かった。即ち、MOSトランジスタは電圧制御で動作しバイポーラ型のトランジスタのようにベース電流を流す必要がないので、少なくともベース電流として消費される電力分は機器の動作時間を伸ばせるようになる。特に、駆動する電流の大きい出力用のトランジスタの場合はベース電流による損失も無視できないことが多かった。 In a drive circuit of a portable device powered by a battery or a switch circuit of a switching power supply, a large current such as an output is used to reduce the current consumption of the semiconductor integrated circuit device and lengthen the operable time of the device as much as possible. As shown in the circuit diagram of FIG. 2, a MOS transistor (hereinafter abbreviated as “MOS transistor”) is often used as the flowing transistor. That is, since the MOS transistor operates under voltage control and does not need to pass a base current unlike a bipolar transistor, the operating time of the device can be extended by at least the power consumed as the base current. In particular, in the case of an output transistor with a large driving current, the loss due to the base current is often not negligible.
図2に示す出力回路は、第1の電源電圧(VDD1)と基準電位(GND)との間に直列に接続されたN型のMOSトランジスタT1及びT2と、MOSトランジスタT1のゲートに配線S1を介してドレインが接続されたP型のMOSトランジスタT3及びN型のMOSトランジスタT4と、から構成されている。そして、MOSトランジスタT3のソースはVDD1よりも電圧値の高い第2の電源電圧(VDD2)に接続されるとともにMOSトランジスタT4のソースはGNDに接続され、MOSトランジスタT2、T3及びT4のゲートは図示しない他の回路からの制御信号が接続され、MOSトランジスタT1及びT2の接続点は出力端子(OUT)に接続された構成になっている。また、MOSトランジスタT3のN型の半導体基板(「サブストレート」ともいう)はVDD2に接続され、MOSトランジスタT2及びT4のP型のウェルはGNDに接続され、MOSトランジスタT1のP型のウェルはOUTと同じ電位に接続されている。 The output circuit shown in FIG. 2 includes N-type MOS transistors T1 and T2 connected in series between a first power supply voltage (VDD1) and a reference potential (GND), and a wiring S1 at the gate of the MOS transistor T1. And a P-type MOS transistor T3 and an N-type MOS transistor T4 to which the drain is connected. The source of the MOS transistor T3 is connected to the second power supply voltage (VDD2) having a voltage value higher than VDD1, the source of the MOS transistor T4 is connected to GND, and the gates of the MOS transistors T2, T3 and T4 are shown in the figure. Control signals from other circuits that are not connected are connected, and the connection point of the MOS transistors T1 and T2 is connected to the output terminal (OUT). The N-type semiconductor substrate (also referred to as “substrate”) of the MOS transistor T3 is connected to VDD2, the P-type wells of the MOS transistors T2 and T4 are connected to GND, and the P-type well of the MOS transistor T1 is It is connected to the same potential as OUT.
尚、各MOSトランジスタ内の抵抗R1乃至R4は各MOSトランジスタの導通(ON)時のON抵抗を示し、抵抗R5はMOSトランジスタT1のゲートの抵抗を示している。MOSトランジスタT1以外のMOSトランジスタのゲートの抵抗はその駆動能力が比較的小さくゲートの抵抗による影響が小さいので省略している。 The resistors R1 to R4 in each MOS transistor indicate the ON resistance when each MOS transistor is conductive (ON), and the resistor R5 indicates the resistance of the gate of the MOS transistor T1. The gate resistance of the MOS transistors other than the MOS transistor T1 is omitted because its driving capability is relatively small and the influence of the gate resistance is small.
図2に示すような出力回路のMOSトランジスタT1の従来構造について図3のレイアウト図を用いて説明する。図3のMOSトランジスタT1′は、半導体基板中にN型の不純物を導入することにより形成されたソース領域1a及びドレイン領域1bとなる拡散領域と、ソース領域1a及びドレイン領域1b間の上方に複数本平行に形成されたポリシリコン等からなるゲート2と、ソース領域1a及びドレイン領域1bをそれぞれ複数接続して一つのソース電極及びドレイン電極とするとともに他の回路や出力端子に接続するためのアルミニウム等からなる金属配線層3a及び3bと、各拡散領域と各金属配線層とを電気的に接続するための接続孔(「コンタクト」ともいう)4とから構成されているようすを示している。尚、各製造工程は一般的なMOSプロセスによって形成すれば良いので、製造方法の詳細な説明は省略する。
A conventional structure of the MOS transistor T1 of the output circuit as shown in FIG. 2 will be described with reference to the layout diagram of FIG. The MOS transistor T1 ′ in FIG. 3 includes a plurality of diffusion regions formed by introducing N-type impurities into the semiconductor substrate and serving as a source region 1a and a drain region 1b, and a source region 1a and a drain region 1b. Aluminum for connecting the
しかしながら、従来のMOSトランジスタで駆動能力を大きくするときの構造は、図3に示すように、単位チャネル幅(W′)がチャネル長(L)の数十倍乃至数百倍もあるMOSトランジスタを並列に複数接続して一つのMOSトランジスタT1′とするようになっていたので、以下のような問題があった。 However, as shown in FIG. 3, the structure for increasing the driving capability of a conventional MOS transistor is a MOS transistor having a unit channel width (W ′) several tens to several hundred times the channel length (L). Since a plurality of transistors are connected in parallel to form one MOS transistor T1 ', there are the following problems.
即ち、ゲート2となるポリシリコンの単位面積当たりの抵抗値(比抵抗)は一般的に数十Ωもありながら拡散領域の外側で金属配線層3cにより接続されるだけなので、ポリシリコンよりも比抵抗値の低い金属配線層3cから離れた位置のゲート2はその分布定数的な抵抗及び寄生容量とMOSトランジスタT3及びT4のON抵抗R3及びR4の影響等により信号の伝達が遅れてしまい、MOSトランジスタT1′の導通及び遮断の切換速さ(「スイッチング速度」という)が遅くなってしまうため、スイッチング速度を余り速くできなかった。また、スイッチング速度が遅いとスイッチング時に電源線間に貫通電流が流れて損失が大きくなってしまうので、伝達効率を高めて機器の動作可能時間を更に伸ばすのが難しかった。
That is, although the resistance value (specific resistance) per unit area of the polysilicon serving as the
そこで本発明は、出力トランジスタとしてMOSトランジスタを用いる半導体集積回路装置において、そのゲートの分布定数的な配線抵抗を容易に低減できるような構造にすることによりそのスイッチング速度及び伝達効率を高められるようにし、半導体集積回路装置の損失を低減してこの半導体装置を用いた機器の動作可能時間を容易に伸ばせられるようにすることを目的とする。 In view of this, the present invention provides a semiconductor integrated circuit device using a MOS transistor as an output transistor so that the switching speed and transmission efficiency can be increased by adopting a structure in which the distributed constant wiring resistance of the gate can be easily reduced. It is an object of the present invention to reduce the loss of a semiconductor integrated circuit device and to easily extend the operable time of a device using the semiconductor device.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、大電流を出力するためのトランジスタとしてMOS型のトランジスタを用いる半導体集積回路装置において、
前記トランジスタのソース及びドレインは周囲をゲート電極で囲まれた複数個のソース領域及びドレイン領域がそれぞれ並列に接続されて形成され、
前記ゲート電極はその分布定数的な抵抗を低抵抗化すべく格子形状に形成され、各ソース領域または各ドレイン領域の周辺に、ドレイン領域とソース領域の合計が3つ以上設けられており、
前記トランジスタの各ソース領域には、ウェル領域の分布定数的な抵抗値を低抵抗化するために半導体基板中に形成された前記ウェル領域を所定の電位に接続するための拡散領域がそれぞれ設けられていることを特徴とする半導体集積回路装置である。
In order to solve the above problems, the invention according to
The source and drain of the transistor are formed by connecting a plurality of source and drain regions surrounded by a gate electrode in parallel,
The gate electrode is formed in a lattice shape to reduce its distributed constant resistance, and three or more total drain regions and source regions are provided around each source region or each drain region,
Each source region of the transistor is provided with a diffusion region for connecting the well region formed in the semiconductor substrate to a predetermined potential in order to reduce the distributed constant resistance value of the well region. A semiconductor integrated circuit device.
請求項2に記載の発明は大電流を出力するためのトランジスタとしてMOS型のトランジスタを用いる半導体集積回路装置において、
前記トランジスタのソース及びドレインは周囲をゲート電極で囲まれた複数個のソース領域及びドレイン領域がそれぞれ並列に接続されて形成され、
前記ゲート電極はその分布定数的な抵抗を低抵抗化すべく格子形状に形成され、各ソース領域または各ドレイン領域の周辺に、ドレイン領域とソース領域の合計が3つ以上設けられており、
前記トランジスタのソース領域の複数個のうち、全てのソース領域ではないいくつかのソース領域に、それぞれウェル領域の分布定数的な抵抗値を低抵抗化するために半導体基板中に形成された前記ウェル領域を所定の電位に接続するための拡散領域が設けられていることを特徴とする半導体集積回路装置である。この実施の形態によると、例えば複数のソース領域のうち1に対してウェル領域が設けられるため、ソース領域毎にウェル領域を設ける場合に比較して面積を小さくすることができる。例えば、ゲート電極に沿った列の単位でソース領域にウェル領域を設けるか設けないかといった実施の形態がこの例として挙げられる。
The invention according to
The source and drain of the transistor are formed by connecting a plurality of source and drain regions surrounded by a gate electrode in parallel,
The gate electrode is formed in a lattice shape to reduce its distributed constant resistance, and three or more total drain regions and source regions are provided around each source region or each drain region,
Of the plurality of source regions of the transistor, the wells formed in the semiconductor substrate in order to reduce the resistance of the distributed constant of the well regions in some of the source regions that are not all the source regions. A semiconductor integrated circuit device is provided with a diffusion region for connecting the region to a predetermined potential. According to this embodiment, for example, since a well region is provided for one of a plurality of source regions, the area can be reduced as compared with the case where a well region is provided for each source region. For example, an embodiment in which a well region is provided or not provided in a source region in units of columns along the gate electrode is given as an example.
本発明に係わる半導体集積回路装置は、ポリシリコン層に比べて低抵抗の金属配線層との接続から離れた位置のゲートの分布定数的な抵抗値を容易に低減できるようになっているので、容易にそのスイッチング速度及び伝達効率を高められるようになり、半導体集積回路装置の損失を低減してこの半導体装置を用いた機器の動作可能時間を容易に伸ばせられるようになるという効果がある。また、半導体基板または半導体基板中に形成されたウェル領域の分布定数的な抵抗値を容易に低減して電位を安定させることができるようになっているので、出力用のMOSトランジスタのような大面積のトランジスタ素子でもそのレイアウトが容易になってレイアウト期間を容易に短縮できるようになるとともに、MOSトランジスタのON時の耐電圧を高く保つことができるようになるという効果が有る。 Since the semiconductor integrated circuit device according to the present invention can easily reduce the distributed constant resistance value of the gate at a position away from the connection with the metal wiring layer having a low resistance compared to the polysilicon layer. The switching speed and transmission efficiency can be easily increased, and it is possible to reduce the loss of the semiconductor integrated circuit device and to easily extend the operable time of equipment using the semiconductor device. Further, since the distributed constant resistance value of the semiconductor substrate or the well region formed in the semiconductor substrate can be easily reduced and the potential can be stabilized, it can be as large as an output MOS transistor. Even in the case of a transistor element having an area, the layout is facilitated and the layout period can be easily shortened, and the withstand voltage when the MOS transistor is ON can be kept high.
以下、本発明の実施の形態を図1を参照しながら詳細に説明する。尚、本明細書では全図面を通して同一または同様の部位には同一の符号を付して説明を簡略化するようにしている。図1は本発明の半導体集積回路装置に用いられる出力用のN型のMOSトランジスタT1の構造を示し、図1(a)はその要部上面図、図1(b)は図1(a)のY1−Y2に沿う断面図、図1(c)は図1(a)のY3−Y4に沿う断面図を示している。また、判り易くするために、各図の同一の主要部には同じ斜線を施すとともに、断面図での各層の厚みは模式的に表現している。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. In the present specification, the same or similar parts are denoted by the same reference numerals throughout the drawings to simplify the description. FIG. 1 shows the structure of an output N-type MOS transistor T1 used in the semiconductor integrated circuit device of the present invention. FIG. 1 (a) is a top view of the main part, and FIG. 1 (b) is the FIG. FIG. 1C is a cross-sectional view taken along Y1-Y4 in FIG. 1A. For easy understanding, the same main part in each drawing is given the same oblique line, and the thickness of each layer in the sectional view is schematically represented.
図1(a)の上面から見たレイアウト図を示す出力用のMOSトランジスタT1は、格子状に配置されたポリシリコン等によるゲート2と、周囲をゲート2で囲まれた領域にN型の不純物が熱拡散またはイオン注入等されて形成された複数個、例えば数百乃至数千個のソース領域1a及びドレイン領域1bと、ソース領域1a上に平行に形成されて複数のソース領域1aを並列接続して一つのソース電極とするためのアルミニウム等による金属配線層3aと、ドレイン領域1b上に形成されて複数のドレイン領域1bを並列接続して一つのドレイン電極とするための金属配線層3bと、ゲート2の端部を接続してその分布定数的な抵抗値を低減するための金属配線層3cと、各拡散領域と各金属配線層とを電気的に接続するための接続孔(「コンタクト」ともいう)4とから構成されている。
The output MOS transistor T1 shown in the layout diagram viewed from the upper surface of FIG. 1A includes a
即ち、各ソース領域1a及びドレイン領域1bの周囲にはチャネル長がLで単位チャネル幅がWの単位MOSトランジスタが多数形成されることになり、各単位チャネル幅の合計がMOSトランジスタT1の駆動能力を規定する総チャネル幅となっている。また、ゲート2が格子状に形成されているので、その分布定数的な抵抗を従来に比べて容易に低抵抗化することができるようになっている。
That is, a large number of unit MOS transistors having a channel length of L and a unit channel width of W are formed around each source region 1a and drain region 1b, and the total of the unit channel widths is the driving capability of the MOS transistor T1. The total channel width that prescribes Further, since the
図1(b)及び図1(c)の断面図に基づいてMOSトランジスタT1の構成について更に説明する。図1(b)に図1(a)のY1−Y2に沿う断面図を示すように、N型の半導体基板(「サブストレート」ともいう)5の一部が選択的酸化膜(「LOCOS」という)7で囲まれた領域(「アクティブエリア」という)にP型の不純物が導入されてウェル6が形成され、ウェル6中にN型の不純物が導入された拡散領域1aが複数形成され、拡散領域1aの上方周辺部にポリシリコン層によるゲート2が形成され、各拡散領域1a及びゲート2の上方に金属配線層3aが形成され、ゲート2及び金属配線層3aの上部に酸化膜や窒化膜等による保護膜8が形成された構成になっている。
The configuration of the MOS transistor T1 will be further described based on the cross-sectional views of FIGS. 1B and 1C. As shown in a cross-sectional view along Y1-Y2 of FIG. 1A in FIG. 1B, a part of an N-type semiconductor substrate (also referred to as “substrate”) 5 is selectively oxidized (“LOCOS”). P-type impurities are introduced into a region surrounded by 7 (referred to as “active area”) to form a well 6, and a plurality of diffusion regions 1 a into which N-type impurities are introduced are formed in the well 6. A
更に、各拡散領域1aの中央部には、拡散領域1aを貫くようにP型の不純物が導入されてウェル6を所定の電位に接続するための拡散領域(「バッティングコンタクト」という)1cがそれぞれ形成され、各拡散領域1a及び1cは金属配線層3aを介して図示しない出力端子OUTにそれぞれ接続されている。このような構成をしているので、ウェル6の分布定数的な抵抗を容易に低抵抗にすることができその電位を安定に保てるようになっている。 Further, at the center of each diffusion region 1a, a diffusion region (referred to as a "batting contact") 1c for introducing a P-type impurity so as to penetrate the diffusion region 1a and connecting the well 6 to a predetermined potential is provided. The formed diffusion regions 1a and 1c are respectively connected to an output terminal OUT (not shown) through a metal wiring layer 3a. With this configuration, the distributed constant resistance of the well 6 can be easily reduced to a low resistance, and the potential can be kept stable.
一方、MOSトランジスタT1のドレインは、図1(c)に図1(a)のY3−Y4に沿う断面図を示すように、拡散領域1cに相当するものが無い以外は拡散領域1aと同様にして形成された複数のドレイン領域1bから構成され、各ドレイン領域1bが金属配線層3bを介して電源電圧線VDD1にそれぞれ接続された構成になっている。 On the other hand, the drain of the MOS transistor T1 is the same as the diffusion region 1a except that there is nothing corresponding to the diffusion region 1c, as shown in the sectional view along Y3-Y4 of FIG. A plurality of drain regions 1b are formed, and each drain region 1b is connected to a power supply voltage line VDD1 through a metal wiring layer 3b.
尚、以上の説明では、N型の半導体基板を用いた1層配線の場合のレイアウトのみを示したが、P型の半導体基板を用いた半導体集積回路装置でも同様にして形成できるのはもちろんのこと、金属配線層が2層以上の多層配線技術を用いた半導体集積回路装置でも同様に用いることができる。また、各ソース領域全てにウェル6へ所定の電位を接続するための拡散層1cを設けたレイアウトを示したが、複数個毎またはゲートの周辺部のみに拡散層1cを設けるようにしても構わないし、拡散領域1cを拡散領域1aの中央部以外に設けても構わない。例えばゲート電極に沿った列単位でソース領域にウェル領域を設けたり、設けなかったりを繰り返す構成がこの一例である。また、複数個のソース領域のうちいくつかのソース領域にのみそれぞれウェル領域を設けることもできる。これにより、同一の電流駆動能力を持つMOSトランジスタを、ウェル領域の分布定数的な抵抗値を低抵抗化しつつ小面積で実現することができる。その他、更に、各ソース領域1aやドレイン領域1b及び接続孔4の形状が正方形の場合のみを示しているが、6角形等の正方形以外の多角形であっても無効な領域が多少形成されてしまうだけで同様な効果を期待できる。
In the above description, only the layout in the case of a one-layer wiring using an N-type semiconductor substrate is shown, but it can be formed in the same manner even in a semiconductor integrated circuit device using a P-type semiconductor substrate. In addition, the semiconductor integrated circuit device using the multilayer wiring technique having two or more metal wiring layers can be used similarly. In addition, the layout in which the diffusion layer 1c for connecting a predetermined potential to the well 6 is provided in all the source regions is shown. However, the diffusion layer 1c may be provided for each of the source regions or only in the peripheral part of the gate. Alternatively, the diffusion region 1c may be provided in a region other than the central portion of the diffusion region 1a. For example, a configuration in which a well region is provided or not provided in a source region in units of columns along the gate electrode is an example of this. In addition, well regions can be provided only in some of the plurality of source regions. As a result, a MOS transistor having the same current driving capability can be realized with a small area while reducing the resistance of the distributed constant of the well region. In addition, only the case where the shape of each source region 1a, drain region 1b, and
また、図2の出力回路についてのみ示したが、MOSトランジスタT2に本発明のMOSトランジスタを用いても構わないし、MOSトランジスタT2乃至T4の変わりにバイポーラ型のトランジスタを用いた出力回路や他の構成の出力回路に用いても構わない。 Although only the output circuit of FIG. 2 is shown, the MOS transistor of the present invention may be used as the MOS transistor T2, an output circuit using a bipolar transistor instead of the MOS transistors T2 to T4, and other configurations. The output circuit may be used.
1a :拡散領域(ソース領域)
1b :拡散領域(ドレイン領域)
1c :拡散領域(バッディングコンタクト)
2 :ゲート(ポリシリコン層)
3a〜3c:金属配線層(アルミニウム層)
4 :接続孔(コンタクト)
5 :半導体基板(サブストレート)
6 :ウェル(Pウェル)
7 :絶縁膜(LOCOS)
8 :保護膜
1a: diffusion region (source region)
1b: diffusion region (drain region)
1c: Diffusion region (backing contact)
2: Gate (polysilicon layer)
3a-3c: Metal wiring layer (aluminum layer)
4: Connection hole (contact)
5: Semiconductor substrate (substrate)
6: Well (P well)
7: Insulating film (LOCOS)
8: Protective film
Claims (2)
前記トランジスタのソース及びドレインは周囲をゲート電極で囲まれた複数個のソース領域及びドレイン領域がそれぞれ並列に接続されて形成され、
前記ゲート電極はその分布定数的な抵抗を低抵抗化すべく格子形状に形成され、各ソース領域または各ドレイン領域の周辺に、ドレイン領域とソース領域の合計が3つ以上設けられており、
前記トランジスタの各ソース領域には、ウェル領域の分布定数的な抵抗値を低抵抗化するために半導体基板中に形成された前記ウェル領域を所定の電位に接続するための拡散領域がそれぞれ設けられていることを特徴とする半導体集積回路装置。 In a semiconductor integrated circuit device using a MOS transistor as a transistor for outputting a large current,
The source and drain of the transistor are formed by connecting a plurality of source and drain regions surrounded by a gate electrode in parallel,
The gate electrode is formed in a lattice shape to reduce its distributed constant resistance, and three or more total drain regions and source regions are provided around each source region or each drain region,
Each source region of the transistor is provided with a diffusion region for connecting the well region formed in the semiconductor substrate to a predetermined potential in order to reduce the distributed constant resistance value of the well region. A semiconductor integrated circuit device.
前記トランジスタのソース及びドレインは周囲をゲート電極で囲まれた複数個のソース領域及びドレイン領域がそれぞれ並列に接続されて形成され、
前記ゲート電極はその分布定数的な抵抗を低抵抗化すべく格子形状に形成され、各ソース領域または各ドレイン領域の周辺に、ドレイン領域とソース領域の合計が3つ以上設けられており、
前記トランジスタのソース領域の複数個のうち、全てのソース領域ではないいくつかのソース領域に、それぞれウェル領域の分布定数的な抵抗値を低抵抗化するために半導体基板中に形成された前記ウェル領域を所定の電位に接続するための拡散領域が設けられていることを特徴とする半導体集積回路装置。
In a semiconductor integrated circuit device using a MOS transistor as a transistor for outputting a large current,
The source and drain of the transistor are formed by connecting a plurality of source and drain regions surrounded by a gate electrode in parallel,
The gate electrode is formed in a lattice shape to reduce its distributed constant resistance, and three or more total drain regions and source regions are provided around each source region or each drain region,
Of the plurality of source regions of the transistor, the wells formed in the semiconductor substrate in order to reduce the resistance of the distributed constant of the well regions in some of the source regions that are not all the source regions. A semiconductor integrated circuit device, wherein a diffusion region for connecting the region to a predetermined potential is provided.
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