JP2012119702A - ２つのタイプの減結合コンデンサを備えた集積回路および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デュアル電圧パワーアイランドアーキテクチャにおいて、低いオフ状態リークを実現する事が可能な最適な減結合キャパシタンスのための方法およびシステムを提供する。
【解決手段】チップの低電圧領域において、誘電体膜厚の異なる２つの異なるタイプのコンデンサが使用される。膜厚の薄いコンデンサは常時オン状態の領域で使用され、膜厚の厚いコンデンサーは条件付きで起動される領域で使用される。これによって低いオフ状態リークをで減結合コンデンサーを使用できる。
【選択図】図１

Description

本願は、パワーアイランドを使用する低電力集積回路に関し、より詳細には、そのような回路における減結合キャパシタンスの実装に関する。

他の出願への相互参照
２００７年１月１日に出願された米国仮特許出願第６０／９２１，５０８号（元は第１１／６１８，９１２号と番号がつけられている）（特許文献１）および米国仮特許出願第６０／９３４，９３７号（元は第１１／６１８，９１３号と番号がつけられている）（特許文献２）の優先権を主張し、両者は、本願明細書において参照により援用されている。

減結合コンデンサは、チップの設計において頻繁に使用され、スイッチング中のノイズを低減する。電源と接地の間に接続されたコンデンサを含むフィラーセルが、ロジック領域において一般的に使用されている。電圧スケーリングが進歩し、デバイスが一時的過電圧により敏感になっているので、スイッチングノイズの制御がより望まれている。
しかし、矛盾する傾向は、低いオフ状態リークに対する要求である。減結合コンデンサは、簡単な蓄積コンデンサとして一般的に実装されている。深くスケーリングされたプロセスによってもたらされたゲート酸化物は、非常に高い固有のキャパシタンスを可能としながら、比較的高いリーク電流密度をもたらす。
ゲート酸化物のリーク密度は、現在好ましくないことに増加している。このように、プロセスがより小さな大きさにスケーリングし続けるので、減結合コンデンサへの従来のアプローチは、許容することができないリーク電流密度をもたらす。

多くの携帯電子システムが、電池寿命によって決定的に制限されている。例えば、ユーザは、重い携帯電話を好まないが、ユーザは、電力を使い果たし、シャットダウンする携帯電話も好まない。電池寿命を改善する１つの方法は、携帯システムにおいて電子部品のエネルギー効率を増大させることである。携帯システムが動作中の場合の電力消費量は、電池寿命の重要な要素であるが、システムが待機している場合の電力消費量もやはり重要な要素である。
パワーアイランドは、低電力設計における共通の技術である。パワーアイランドは、停止動作または待機動作の間に必要な回路部分だけを起動しておくことによって、待機電流を低減するのに役立つ。

米国特許出願第１１／６１８，９１２号 米国特許出願第１１／６１８，９１３号 米国仮特許出願第６０／９３４，９３６号 米国仮特許出願第６０／９２１，５０７号 米国仮特許出願第６０／９３４，９１８号 米国仮特許出願第６０／９３４，９１７号 米国仮特許出願第６０／９９９，７６０号 米国仮特許出願第６０／９３４，９２３号 米国特許出願第１１／６１８，８４９号 米国特許出願第１１／６１８，８５２号 米国特許出願第１１／６１８，８６５号 米国特許出願第１１／６１８，８６７号 米国特許出願第１１／６４９，３２５号 米国特許出願第１１／６４９，３２６号 米国特許出願第１１／９６５，９４３号 米国特許出願第１１／９６６，０１２号 米国特許出願第１１／９６６，１４７号

本発明者らは、チップの常時オン状態の部分と時々オン状態の部分との違いを考慮することにより、減結合コンデンサの最適化を実現することができることに気付いた。
本願は、減結合コンデンサに対する新しいアプローチを開示し、それは、特に、２つ（またはそれ以上）の酸化物の厚みが使用される集積回路に適用可能である（普通の高くスケーリングされた製品のままで）。例えば、より薄い有効なゲート酸化物は、一般的に、周辺回路よりコアロジックに使用され、これは、周辺回路にいくらかローバスト性を加えながら、コアロジックが最適にスケーリングされることを可能にする。

本願は、パワーアイランドアーキテクチャが減結合コンデンサに新しい可能性を開くことを教示する。実施形態の１つの種類によれば、最も薄いゲート酸化物は、常に起動される位置ではなく条件付きで起動される位置でのみ、最低電圧領域内で減結合コンデンサに使用される。別の種類の実施形態によれば、条件付きで起動される位置の減結合コンデンサの一部またはすべてが密度最適化される一方で、常に起動される位置の減結合コンデンサは、リーク最適化される。別の種類の実施形態によれば、条件付きで起動される位置の減結合コンデンサの一部またはすべてが最低電圧ゲート酸化物層から形成される一方で、常に起動される位置の減結合コンデンサは、より高い電圧ゲート酸化物層から形成される。

コアゲート酸化物の厚みは、一般的に、Ｉ／Ｏゲート酸化物の厚みよりも薄く、したがって、Ｉ／Ｏゲート酸化物の厚みよりも領域比に対してより良好なキャパシタンスをもたらす。しかし、ディープサブミクロン技術について、大量の電流が、ゲート酸化物を流れてもよい（直接トンネル）。より厚いＩ／Ｏゲート酸化物は、領域比に対して低いキャパシタンスを有するだけでなく、はるかに少ないゲート電流を使用する。桁違いのゲートリーク電流は、サブミクロン技術には珍しいことではない。
したがって、コア酸化物の厚みを有するコンデンサは、領域比に対してより良好なキャパシタンスを有するが、より高いゲートリーク電流を有する。Ｉ／Ｏ酸化物の厚みで形成されたコンデンサは、領域比に対してより低いキャパシタンスを有するがはるかに低いゲートリーク電流を有する。

開示された革新は、様々な実施形態において、少なくとも次の利点の１つ以上をもたらす。
・低減された電力消費量
・より大きな密度
・より良好なノイズ抑制
・蓄積コンデンサを今もなお使用することができる
・特別のデバイス構造は減結合コンデンサに必要ではない
・より良好な信頼性

開示された発明は、添付の図面を参照して説明され、発明の重要なサンプルの実施形態を示し、本願明細書において参照により援用されている。

好ましい実施形態による異なる種類の蓄積コンデンサを使用する異なる領域を含む集積回路の例を示す。 以下に検討される異なる位置で、２つの異なるバージョンで使用することができる蓄積コンデンサの構造の一例を示す。

本願の多数の革新的な教示が、この好ましい実施形態を特別に参照して記載される（例を目的とし限定を目的としない）。

減結合コンデンサが、チップの設計において頻繁に使用され、スイッチング中にノイズを低減する。電源と接地の間に接続されたコンデンサを含むフィラーセルが、ロジック領域において一般的に使用される。
少なくとも２つの酸化物の厚みが、サブミクロン製品を製造するために一般的に使用される。コアに使用される酸化物の厚みとＩＯ回路用の酸化物の厚みである。減結合コンデンサは、異なる特性を生じる一方の酸化物の厚みから生成することができる。
コアゲート酸化物の厚みは、ＩＯゲート酸化物の厚みよりも一般的に薄く、このようにして、ＩＯの厚みより領域比に対してより良好なキャパシタンスをもたらす。しかし、ディープサブミクロン技術について、大量の電流が、ゲート酸化物を通って流れる可能性がある（直接トンネル）。

トンネル電流が、障壁高さにかかわらず障壁厚みの減少とともに指数関数的であることに留意することが重要である。したがって、ゲート電流密度は、さらなるスケーリングとともに過度に悪化する可能性がある。
ＩＯ回路で使用されるより厚いゲート酸化物は、領域比で低いキャパシタンスを有するだけでなく、はるかに少ないゲート電流を使用する。桁違いのゲートリーク電流は、サブミクロン技術に珍しいことではない。

多くの現代の低電力設計は、パワーアイランドを使用する。パワーアイランドの目的の１つは、停止動作または待機動作の間に必要な回路部のみが起動された状態とすることによって待機電流を低減することである。
ゲート電流、したがって、パワーアイランドを使用する所定の製品の待機電流を最小限にするために、より厚いゲート酸化物を使用して、待機動作中に起動される回路部分に減結合コンデンサを形成する。より薄いゲート酸化物コンデンサは、待機中に電源が切られる回路部分で使用することができる。この戦略は、ＡＳＩＣ設計者が、待機中に電源が切られる部分におけるチップ領域当たりのキャパシタンスを最も効率的に使用しながら、待機中に電源が入れられる部分におけるリーク電流を最小限にすることを可能にする。

これらの減結合コンデンサのサンプル実施例を、本願明細書で「トリポリ」と称するチップ設計との関連で以下に説明する。０．１３μｍのトランジスタ技術を使用するトリポリ実施例では、Ｎ−ウェル蓄積コンデンサが使用された（ｎ−ウェルの内側のＮ＋がドープされたポリおよびソースおよびドレイン）。
Ｉ／Ｏ酸化物コンデンサについて、１ｎＦは、５．１ｎＡのみのゲートリーク電流で約３００Ｋμｍ² の領域を使用する。コア酸化物コンデンサについて、１ｎＦは、２．２５μＡのゲートリーク電流を使用しながら、約１５０Ｋμｍ² の領域を使用する。領域が半分だけ低減されるが、リーク電流は、約４００の係数を掛けられることに留意するべきである。

様々な領域のフィラーセルは、キャパシタンス内蔵で作成された。コア設計およびＩ／Ｏ酸化物コンデンサ設計の両方は、これらのフィラーセル内で作成された。ＣＡＤソフトウェアは、次いで、チップまわりで減結合キャパシタンスフィラーセルを分配するために使用された。
特定のフィラーセルの位置は、それらの位置が設計者にとって重要なことではないため説明されない。すなわち、フィラーセルは、低レベルの仕様書に挿入され、人間の設計者
の決定とは強い関係がない。同様の理由で、いかなるコンデンサも従来の蓄積コンデンサと同じであるので、任意の個々のコンデンサのデバイスレベルの詳細は特に重要ではない。同様に、個々のフィラーセルは、従来のセルと大きく異ならず、前述したように、セルタイプとセル位置との関連性が、驚くべき利点をもたらす。

図１は、好ましい実施形態による、異なる種類の蓄積コンデンサを使用する異なる領域を含む集積回路の例を示す。この図では、個々のブロックの回路動作は、詳細に検討されないが、電源接続は、開示された概念の適用を示すことに有用である。
この図において、「クリプトエンジン」と称する右端の最上部のブロックは、条件付きのみで起動される低電圧コアブロックの例である。図に示されたＡＳＩＣでは、クリプトエンジンは、大量の領域を消費し、さらに、多くのゲートを含み、迅速な計算を可能にする。このブロックは、必要に応じてのみ起動され、チップの合計領域の大部分を消費するので、このブロックは、最も密度の高い結合コンデンサを使用する。

「ＵＳＢ ＰＨＹ」と称する中央上部ブロックは、最も薄いゲート酸化物を使用しないＩＯ（周辺）ブロックである。したがって、このブロックは、いかなる場合にも最も薄い結合コンデンサに適切ではない。
下側中心部の小さな白いブロックは、より大きな灰色ブロック内に埋め込まれ、「クリプト１用のＮＶＭ」と称され、常時オンの低電圧コアブロックの例である。このブロックは、条件付きで起動されないので、より薄い酸化物（密度最適化）コンデンサを受けないが、その代りにより厚い酸化物リーク最適化コンデンサを受ける。
したがって、これらの３つのブロックは、ともに、適切なキャパシタンスが好ましい実施形態によって選択される方法を説明する。

図２は、以下に検討される異なる位置で、２つの異なるバージョンで使用することができる蓄積コンデンサの構造の一例を示す。ゲート３０（例えば、ポリシリコン上のシリサイド）は、ゲート誘電体２８（例えば、ＳｉＯ₂ 、またはその代わりに、ｈｉｇｈｅｒ−ｋ誘電体）を覆い、ゲート誘電体２８は、ｎ−ウェル１１７を覆う。Ｎ＋拡散２０は、他の位置でＮＭＯＳソース／ドレイン拡散をもたらし、ここで、ウェルが接地に結合されることを可能にする。ゲート３０が正の供給電圧Ｖｄｄに結合される場合、キャリアは、ゲート誘電体２８とｎ−ウェル１７との界面に蓄積する。この構造は、前に検討したように、誘電体２８の有効な厚みに反比例して変化する（誘電体２８の）単位領域あたりのキャパシタンスをもたらす。誘電体２８に異なる材料を使用すると、リークと固有のキャパシタンスとの正確な関係を変化する可能性があるが、所定の薄膜構造タイプについて、誘電体２８のより薄いバージョンは、より高いキャパシタンスおよびより高いリークをもたらす。

様々な実施形態によれば、条件付きのみで起動される能動回路領域の第１の部分と、チップが起動される場合は常に起動される能動回路領域の他の部分と、を含み、第１の部分は、主に第１のタイプである減結合コンデンサを含むが、他の部分はこれを含まず、他の部分は、主に第２のタイプである減結合コンデンサを含むが、第１の部分はこれを含まず、第１のタイプのコンデンサは、第２のタイプのコンデンサより高い固有のキャパシタンスおよび領域当たりより高いリーク電流を有する集積回路が提供される。

様々な実施形態によれば、条件付きのみで起動される能動回路領域の第１の部分と、チップが起動される場合は常に起動される能動回路領域の他の部分と、を含み、第１の部分は、主に領域最適化された減結合コンデンサを含むが、他の部分はこれを含まず、他の部分は、リーク最適化された減結合コンデンサを主に含むが、第１の部分はこれを含まない集積回路が提供される。

様々な実施形態によれば、条件付きのみで起動される第１の部分と、電源遮断状態からチップが起動される場合は常に、起動される能動回路領域の他の部分と、を含み、第１の部分および他の部分は、実質的に同一のゲート構造を有する対応する電界効果トランジスタを含み、第１の部分は、主に蓄積コンデンサでありゲート構造と実質的に同じ薄膜層を使用する減結合コンデンサを含むが、他の部分はこれを含まない集積回路が提供される。

様々な実施形態によれば、ゲート電圧の第１の範囲用に最適化された第１の絶縁ゲートトランジスタを含む第１の領域と、第１の範囲のいずれの部分より高い数電圧を含む作動電圧の第２の範囲用に最適化された第２の絶縁ゲートトランジスタを含む第２の領域と、を含み、第１の領域は、条件付きのみで起動されるいくつかの部分と、第１の領域が起動される場合は常に起動される他の部分と、を含み、条件付きで起動される部分は、主に第１のタイプであり、第１のトランジスタと同じプロセスによって形成された減結合コンデンサを含み、他の部分は、主に、第１のタイプではない減結合コンデンサを含む集積回路が提供される。

様々な実施形態によれば、チップ内の利用可能な場所に位置する複数のコンデンサを電源ラインに搭載するアクションを含み、コンデンサが条件付きのみで起動される領域に位置しないならば、最低電圧領域に位置するコンデンサのいくつかは、リーク最適化される集積回路において電気的ノイズを低減する方法が提供される。

様々な実施形態によれば、チップ内の利用可能な場所に位置する複数のコンデンサを電源ラインに搭載するアクションを含み、コンデンサが条件付きのみで起動される領域に位置しないならば、最低電圧領域に位置するコンデンサのいくつかは、最も薄いゲート酸化物を使用せず、最低電圧領域に位置するコンデンサの少なくともいくつかは、チップ上で最低電圧絶縁ゲートトランジスタと同じゲート酸化物を使用する集積回路において電気的ノイズを低減する方法が提供される。

様々な実施形態によれば、デュアル電圧パワーアイランドアーキテクチャにおける最適な減結合キャパシタンスのための方法およびシステムが提供される。２つの異なるタイプの蓄積コンデンサは、チップの低電圧領域において、コンデンサが常時オン状態の領域または条件付きで起動される領域に位置するかどうかに依存して、減結合に使用される。

修正および変更
当業者に認識されるように、本願に記載された革新的概念は、出願の多大な範囲にわたって修正し変更することができ、従って、特許されるべき主題の範囲は、論じた特定の例示の教示のいずれによっても限定されない。それは、添付の特許請求の範囲の精神および広い範囲内にある代案、修正例および変更例をすべて包含することが意図される。
例えば、開示された発明は、３つ以上のゲート酸化物の厚みが利用可能なプロセスにおいてさらに有利とさえすることができ、そのような場合、前述したトレードオフは、指数関数的により改良することができる。

以下の共同所有された同時係属米国特許出願も参照し、それらの特許出願のそれぞれおよび全ては、その全体が本願明細書において参照により援用されている。それらの特許出願とは、２００６年１２月３１日に出願された米国仮特許出願第６０／９３４，９３６号（特許文献３）、２００６年１２月３１日に出願された米国仮特許出願第６０／９２１，５０７号（特許文献４）、２００６年１２月３１日に出願された米国仮特許出願第６０／９３４，９１８号（特許文献５）、２００６年１２月３１日に出願された米国仮特許出願第６０／９３４，９１７号（特許文献６）、２００６年１２月３１日に出願された第６０／９９９，７６０号（特許文献７）、２００６年１２月３１日に出願された米国仮特許出願第６０／９３４，９２３号（特許文献８）、２００７年１月１日に出願された米国仮特許出願第６０／９３４，９３７号（特許文献２）、２００７年１月１日に出願された米国仮特許出願第６０／９２１，５０８号（特許文献１）、２００６年１２月３１日に出願された米国特許出願第１１／６１８，８４９号（特許文献９）、２００６年１２月３１日に出願された米国特許出願第１１／６１８，８５２号（特許文献１０）、２００６年１２月３１日に出願された米国特許出願第１１／６１８，８６５号（特許文献１１）、２００６年１２月３１日に出願された米国特許出願第１１／６１８，８６７号（特許文献１２）、２００６年１２月３１日に出願された米国特許出願第１１／６４９，３２５号（特許文献１３）、２００６年１２月３１日に出願された米国特許出願第１１／６４９，３２６号（特許文献１４）、２００７年１２月２８日に出願された米国特許出願第１１／９６５，９４３号（特許文献１５）、２００７年１２月２８日に出願された米国特許出願第１１／９６６，０１２号（特許文献１６）、２００７年１２月２８日に出願された米国特許出願第１１／９６６，１４７号（特許文献１７）である。これらの出願は、必ずしも本願と関係はないが、これらの多くが前述した考えと同じシステムに設計され、かつ／またはそれらの考えと相乗的に結合する特徴を示すことに役立つ。これらの同時係属出願中のいくつかは、本願と重複する発明を有している可能性があり、従って、米国特許法下で国内優先権の主張に適格である可能性があるが、優先権は現段階では必ずしも主張せず、または放棄しない。

本願の記載のいずれも、いかなる特有の要素、工程または機能が特許請求の範囲に含まれていなければならない必須要素であることを意味することと解釈されない。特許されるべき主題の範囲は、特許登録された特許請求の範囲によってのみ定められる。さらに、「のための手段」という用語に分詞が続く場合を除いて、これらの特許請求の範囲のいずれも、米国特許法第１１２条６項を行使することは意図されない。
出願された特許請求の範囲は、可能な限り包括的であることが意図され、主題は、意図的に断念されたり、ゆだねられたり、放棄されない。

Claims (9)

1. 集積回路であって、
   条件付きのみで起動される能動回路領域の第１の部分と、
   集積回路が起動される場合は常に起動される能動回路領域の他の部分と、を備え、
   前記第１の部分は、主に第１のタイプである減結合コンデンサを含むが、前記他の部分はそのような減結合コンデンサを含まず、
   前記他の部分は、主に第２のタイプである減結合コンデンサを含むが、前記第１の部分はそのような減結合コンデンサを含まず、
   前記第１のタイプのコンデンサは、前記第２のタイプのコンデンサよりも高い固有のキャパシタンスおよび領域当たりより高いリーク電流を有する集積回路。
2. 請求項１記載の集積回路において、
   前記第１のタイプのコンデンサおよび前記第２のタイプのコンデンサは、ともに半導体領域を覆う導体および絶縁層を有し、
   前記第１のタイプのコンデンサは、前記第２のタイプのコンデンサよりも薄い絶縁層を有する集積回路。
3. 請求項１記載の集積回路において、
   前記第１のタイプのコンデンサおよび前記第２のタイプのコンデンサは、ともにＭＯＳコンデンサである集積回路。
4. 請求項１記載の集積回路において、
   前記第１のタイプのコンデンサおよび前記第２のタイプのコンデンサは、ともに蓄積コンデンサである集積回路。
5. 請求項１記載の集積回路において、
   前記第１のタイプのコンデンサおよび前記第２のタイプのコンデンサは、ともにｎ−ウェルに対するＭＯＳコンデンサである集積回路。
6. 集積回路であって、
   条件付きのみで起動される能動回路領域の第１の部分と、
   集積回路が起動される場合は常に起動される能動回路領域の他の部分と、を備え、
   前記第１の部分は、主に領域最適化された減結合コンデンサを含むが、前記他の部分はそのような減結合コンデンサを含まず、
   前記他の部分は、リーク最適化された減結合コンデンサを主に含むが、前記第１の部分はそのような減結合コンデンサを含まない集積回路。
7. 請求項６記載の集積回路において、
   前記領域最適化されたコンデンサおよび前記リーク最適化されたコンデンサは、ともに半導体領域を覆う導体および絶縁層を有し、
   前記領域最適化されたコンデンサは、前記リーク最適化されたコンデンサよりも薄い絶縁層を有する集積回路。
8. 請求項６記載の集積回路において、
   前記領域最適化されたコンデンサおよび前記リーク最適化されたコンデンサは、ともにＭＯＳコンデンサである集積回路。
9. 請求項６記載の集積回路において、
   前記領域最適化されたコンデンサおよび前記リーク最適化されたコンデンサは、ともにｎ−ウェルに対するＭＯＳコンデンサである集積回路。

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