JP3006739B2 - 半導体集積回路装置 - Google Patents
半導体集積回路装置Info
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Description
有する半導体集積回路装置に関する。
集積率及び動作スピードが高まると共にチップサイズが
増大し、これに伴って消費電力が増大する傾向にある。
このため、半導体集積回路装置の各機能ブロックへのク
ロックパルスの供給の安定化及び電源供給の安定化がま
すます重要になってきている。
装置においては、金属配線層における使用制限はなく、
機能ブロックに接続される金属配線はその面積が最小に
なるように配置されている。
として、上述した半導体集積回路装置におけるクロック
信号ライン及び電源配線の一例について説明する。
ック信号線及び電源配線を示しており、図10におい
て、80は半導体チップの周縁部に設けられたクロック
入力パッド、81は半導体チップの周縁部においてクロ
ック入力パッド80に隣接して設けられたクロックドラ
イバ、82,83,84,85は半導体チップに設けら
れそれぞれ内部にクロックパルスジェネレータを有する
各種の機能ブロック、86はVDD電源配線、87はV
SS(ground)電源配線、88はクロックドライ
バ81から出力されたクロック信号を上記機能ブロック
82〜85の各クロックパルスジェネレータに伝えるク
ロック信号線である。
置においては、クロック信号線87は、他の信号線と異
なり優先的に配線され、配線長が最小になるように設定
されている。
7736号公報に示される半導体集積回路装置について
説明する。
来例におけるクロック信号線の抵抗値を減らすことを目
的としており、最上層の金属配線層をクロック信号線の
みに割り当て、最上層の金属配線層をエッチングが施さ
れていない平坦な層に形成し、該平坦な層によってクロ
ック信号を供給するものである。
9155号公報に示される半導体集積回路装置について
説明する。
ック信号供給方式として、半導体チップの中央部にクロ
ックパルスジェネレータを設け、該クロックパルスジェ
ネレータにクロックドライバから出力されたクロック信
号を入力し、1か所のクロックパルスジェネレータによ
り直接に各機能ブロックをドライブするものである。こ
の半導体集積回路装置は、クロックパルスジェネレータ
から機能ブロックまでの配線長をほぼ等しくすることに
より、クロックスキューの低減を図るものである。
従来例においては、半導体チップの高集積化に伴って、
電源ラインやクロック信号線の半導体チップに占める面
積の割合が増大している。また、回路規模が大きくな
り、半導体チップのサイズが増大するのに伴って、クロ
ック信号線の配線長が長くなる。これにより、クロック
信号線における各機能ブロックまでの配線長の差が大き
くなり、各機能ブロック間でのクロックスキューの増大
が生じている。
号線88、VDD電源ライン86及びVSS電源ライン
87以外に、各機能ブロック82〜85内部の信号線も
設けられている。多層配線構造の場合、上層の金属配線
は下層の金属配線の段差により断線が起きやすいので、
多層配線構造を有する半導体集積回路装置の製造は困難
であるという問題もある。
されていない平坦な層によりクロック信号線を形成して
いるためクロック信号線の抵抗値は低減するが、配線容
量は通常の配線に比べて500倍以上となり、クロック
信号の駆動に多くの時間と電力が必要になる。また、上
記公報においては、プロセスにおけるエッチング工程が
省略できると記載されているが、半導体チップの最上層
には外部入出力パッドを設ける必要があるので、クロッ
ク信号線と外部入力パッドとの区分のためにエッチング
工程は避けられない。さらに、電源配線は従来のままの
ため、半導体チップ面積の増大は避けられない。従っ
て、第2の従来例においては、機能ブロック間のクロッ
クスキューの問題は解消するが、実用的な半導体集積回
路装置を提供することはできない。
中央部にクロックパルスジェネレータを有するため、ク
ロックパルスジェネレータから各機能ブロックまでの配
線長をほぼ等しくすることができるが、電源パッドから
クロックパルスジェネレータまでの距離が長くなり電圧
低下が大きくなると共に、クロックパルスジェネレータ
が1か所であるためクロックパルスジェネレータにおけ
る消費電力が多くなり電圧降下が生じるので、クロック
パルスジェネレータと同じ電源ラインに接続された論理
回路にノイズが発生し易いという問題がある。
機能ブロックまでの距離は長いままであるから、クロッ
クパルスジェネレータから各機能ブロックまでの距離の
差は相変わらず存在するので、クロックスキューの低減
には余り効果がない。
りクロックスキューを解消することを目的とする。
め、本発明に係る半導体集積回路装置は、半導体基板上
に設けられた複数の機能ブロックと、半導体基板上に設
けられた複数の金属配線層とを備えた半導体集積回路装
置を対象とし、複数の金属配線層のうちの一の金属配線
層は、電源配線及びクロック信号を複数の機能ブロック
に伝えるクロック信号線からなる特定の金属配線が設け
られている一方、特定の金属配線以外の他の金属配線が
設けられていない専用金属配線層に設定されており、専
用金属配線層におけるデザインルールによって決まる特
定の金属配線の配線幅の最小値は、複数の金属配線層の
うちの他の金属配線層におけるデザインルールによって
決まる金属配線の配線幅の最小値よりも大きい。
用金属配線層は、半導体基板の最上層に設けられている
ことが好ましい。
属配線層には、電源配線及びクロック信号線からなる特
定の金属配線が設けられている一方、特定の金属配線以
外の他の金属配線が設けられていないと共に、専用金属
配線層におけるデザインルールによって決まる特定の金
属配線の配線幅の最小値は、他の金属配線層におけるデ
ザインルールによって決まる金属配線の配線幅の最小値
よりも大きいため、クロック信号線の電気抵抗が低減す
ると共に、クロック信号線同士の配線長の差を低減する
ことができる。
用金属配線層が半導体基板の最上層に設けられている
と、電源配線の配線幅を大きくすることができるので、
電源供給が安定する。また、自動化し難い電源配線及び
クロック信号線を本来的に自動化し難い最上層に配置す
ることにより、自動配線をしない最上層と自動配線をす
る他の層とに区分けできるので、自動配線処理の簡略化
が可能になる。
回路装置の概略配線構造を示しており、同図に示すよう
に、半導体基板の周縁部には、クロック入力パッド10
が形成されていると共に、該クロック入力パッド10に
近接してクロック信号を出力するクロックドライバ11
が設けられており、クロックドライバ11にはクロック
入力パッド10から電源が供給される。このように、ク
ロックドライバ11をクロック入力パッド10に近接し
て設けることにより、クロックドライバ11に安定して
電源を供給できるので、他の能動素子にノイズを与える
ことがなくなる。
A,12B,12C,12D,12E,12Fが形成さ
れており、機能ブロック12Aにはクロックパルスジェ
ネレータ13A,13Bが、機能ブロック12Bにはク
ロックパルスジェネレータ13Cが、機能ブロック12
Cにはクロックパルスジェネレータ13Dが、機能ブロ
ック12Dにはクロックパルスジェネレータ13Eが、
機能ブロック12Eにはクロックパルスジェネレータ1
3Fが、機能ブロック12Fにはクロックパルスジェネ
レータ13Gがそれぞれ形成されている。このように、
各機能ブロック12A〜12Fにクロックパルスジェネ
レータ13A〜13Gを設けたため、クロックパルスジ
ェネレータ13A〜13Gでの電力消費が低減するの
で、ノイズの発生が低減する。
ック信号をクロックパルスジェネレータ13A〜13Q
に伝えるクロック信号線14は、クロックドライバ11
から半導体チップAの中央部にまで延びる第1のクロッ
クライン14aと、該第1のクロックライン14aの半
導体チップ中央側の端部から分岐して各クロックパルス
ジェネレータ13A〜13Qのそれぞれにまで延びる複
数の第2のクロックライン14bとからなる。この場
合、第1のクロックライン14aの配線幅は、第2のク
ロックライン14bの配線幅よりも広く設定されてお
り、他の配線の配線幅の2倍以上に設定されている。ま
た第2のクロックライン14bは半導体基板の中央部か
ら分岐して各機能ブロック12A〜12Fにまでそれぞ
れ延びているため、各第2のクロックライン14bの配
線長の間にはほとんど差がなくなるので、各機能ブロッ
ク12A〜12F同士の間におけるクロックスキューが
低減する。
積回路装置によるクロックスキューの低減について説明
する。
及び12Cの内部構造を示しており、同図において、1
6A,16B,16C,16Dはそれぞれラッチ、17
Aはラッチ16Aの入力データ、17Bはラッチ16A
から出力されラッチ16Bに入力される出力データ、1
7Cはラッチ16Bから出力される出力データ、17D
はラッチ16Dに入力される入力データ、17Eはラッ
チ16Dから出力されラッチ16Cに入力される出力デ
ータ、17Fはラッチ16Cから出力される出力データ
である。各機能ブロック12B及び12Cの内部にクロ
ックパルスジェネレータ13C及び13Dを配置してい
るため、クロックパルスジェネレータ13C及び13D
からの信号線Ph1、Ph2、Ph3及びPh4の配線
長が短くなるので、信号線Ph1と信号線Ph2との配
線長の差及び信号線Ph3と信号線Ph4との配線長の
差が少なくなる。このため、機能ブロック12B及び1
2Cの内部におけるクロックスキューが低減する。
との間のクロックスキューについては、機能ブロック1
2Bと機能ブロック12Cとの間のデータ転送用配線の
配線長も長くなるため、その影響は少なくなる。すなわ
ち、図2(a)のラッチ16Bの入力クロックPh2と
ラッチ16Dの入力クロックPh3とに注目した場合の
データ遷移図を図2(b)に示す。図2(b)におい
て、t1は信号線Ph2の入力クロック信号と信号線P
h3の入力クロック信号線との間のずれ量を、(1) ,
(2) は機能ブロック12B内のラッチ16Bの出力デー
タ17Cを、(1'),(2')は機能ブロック12C内のラッ
チ16Dの入力データ17Dを、t2はデータ(1) とデ
ータ(1')とのずれ量をそれぞれ示す。信号線Ph2の入
力クロック信号と信号線Ph3の入力クロック信号線と
の間にずれ量t1がある場合においてラッチ16Bの出
力データ17Cがそのままのフェイズでラッチ16Dに
入力されると、ラッチ16Dにおいては本来データ(1)
をラッチするとき次データであるデータ(2) を取ってし
まうことになる。しかしながら、データの転送が機能ブ
ロック間にまたがる場合には、データ(1) とデータ(1')
とはt2だけずれるので、t1<t2の場合には正常な
動作をするのである。
導体集積回路装置の断面構造を示しており、同図に示す
ように、P型半導体基板21の表面部にN型ウェル領域
22が形成され、N型ウェル領域22の表面部にP型領
域23,24が形成され、P型半導体基板21のN型ウ
ェル領域22以外の表面部にN型領域25,26が形成
されている。半導体基板21の上にはゲート電極28,
29が形成され、これらゲート電極27,28は第1の
絶縁膜29に覆われている。第1の絶縁膜29,31の
上には、第1層目の金属配線層としての第1層アルミニ
ウム配線34,35,36,37がP型領域23,24
及びN型領域25,26と接続した状態で形成され、第
1層のアルミニウム配線34,35,36,37の上に
は第2の絶縁膜32を介して第2層目の金属配線層とし
ての第2層アルミニウム配線38,39,40が形成さ
れ、第2層アルミニウム配線38,39,40の上には
第3の絶縁膜33を介して第3層目の金属配線層として
の第3層アルミニウム配線41,42が形成されてい
る。
集積回路装置における第3層目の配線構造を示してい
る。本第2実施例においては、説明の便宜のために3層
構造のアルミニウム配線を有する場合について説明す
る。
源配線、52Aはクロック信号線、53は外部入力パッ
ドである。
配線層にも形成されており、1層目及び2層目のVDD
電源配線と3層目のVDD電源配線51A,51Bとは
ビアホールを介して接続されている。3層目のVDD電
源配線51A,51Bの配線幅及び配線間隔であるライ
ン及びスペースのデザインルールは1層目及び2層目の
VDD電源配線のライン及びスペースのデザインルール
よりも広く設定されており、1層目及び2層目のVDD
電源配線を電線幅の広い3層目のVDD電源配線51
A,51Bに接続することにより、安定した電力供給が
なされる。
ドライバの出力とビアホールを介して接続されており、
下層に形成された各機能ブロックのクロックパルスジェ
ネレータとはビアホールを介して接続されている。
集積回路装置における第3層目の配線構造を示してい
る。本第3実施例においても、説明の便宜のために3層
構造のアルミニウム配線を有する場合について説明す
る。
源配線、52Bは第1のクロック信号線、52Cは第2
のクロック信号線、53は外部入力パッドである。
は1層目及び2層目の金属配線層にも形成されており、
1層目及び2層目のVDD電源配線と3層目のVDD電
源配線51C,51Dとはビアホールを介して接続され
ている。3層目のVDD電源配線51C,51Dのライ
ン及びスペースのデザインルールは1層目及び2層目の
VDD電源配線のライン及びスペースのデザインルール
よりも広く設定されており、1層目及び2層目のVDD
電源配線を電線幅の広い3層目のVDD電源配線51
C,51Dに接続することにより、安定した電力供給が
なされる。
52B及び第2のクロック信号線52Cは、下層に形成
されたクロックパルスジェネレータ55の2相出力のそ
れぞれにビアホールを介して接続されていると共に、や
はり下層に形成された各機能ブロックのクロック信号供
給先にそれぞれビアホールを介して接続されており、上
記クロック信号供給先に2相クロック信号の供給を行な
う。尚、図6において、56は外部入力パッド、57は
クロックドライバであり、外部入力パッド56に入力さ
れる外部クロック信号58はクロックドライバ57に入
力される。クロックドライバ57は外部クロック信号5
8を増幅してクロック信号59を生成し、該クロック信
号59をクロックパルスジェネレータ55に出力する。
集積回路装置における第3層目の配線構造を示してい
る。本第4実施例においても、説明の便宜のために3層
構造のアルミニウム配線を有する場合について説明す
る。
源配線、54A,54BはVSS電源配線、52Dはク
ロック信号線、53は外部入力パッドである。
目及び2層目の金属配線層にも形成され、1層目及び2
層目の3層目のVDD電源配線及びVSS電源配線は配
線幅が広い3層目のVDD電源配線51E,51F及び
VSS電源配線54A,54Bにビアホールを介して接
続されており、これにより、安定した電流供給がなされ
る。
たクロックドライバの出力とビアホールを介して接続さ
れていると共に半導体チップ内部の各機能ブロックのク
ロック供給先にビアホールを介して接続されている。
集積回路装置における第3層目の配線構造を示してい
る。本第5実施例においても、説明の便宜のために3層
構造のアルミニウム配線を有する場合について説明す
る。
源配線、52Eは第1のクロック信号線、52Fは第2
のクロック信号線、53は外部入力パッドである。
目及び2層目の金属配線層にも形成され、1層目及び2
層目のVDD電源配線及びVSS電源配線は配線幅が広
い3層目のVDD電源配線51E,51F及びVSS電
源配線54A,54Bにビアホールを介して接続されて
おり、これにより安定した電流供給がなされる。
52Eは下層に形成されたクロックドライバ61の出力
とビアホールを介して接続されていると共に、半導体チ
ップ内部のクロックパルスジェネレータ61とビアホー
ルを介して接続されており、該クロックパルスジェネレ
ータ61にクロック信号を供給する。第2のクロック信
号線52Fはクロックパルスジェネレータ61の出力と
ビアホールを介して接続されていると共に、半導体チッ
プ内部の各機能ブロックのクロック供給先とビアホール
を介して接続されており、該クロック供給先にクロック
信号を供給する。尚、図9において、62は外部入力パ
ッド、63は外部入力パッド62から出力される外部ク
ロック信号である。
て、各金属配線層のライン及びスペースのデザインルー
ルは例えば次のようにすることが好ましい。すなわち、
最上層の金属配線層のライン及びスペースのデザインル
ールは、下層の金属配線層のライン及びスペースのデザ
インルールの2倍程度以上、好ましくは5倍以上に設定
する。例えば、従来は通常、第1層目の電線幅及び電線
同士の間隔をそれぞれ0.8μmに設定し、第2層目の
電線幅及び電線同士の間隔をそれぞれ1.0μmに設定
し、第3層目の電線幅及び電線同士の間隔をそれぞれ
1.2μmに設定しているところ、第3層の電源配線及
びクロック配線の電線幅及び電線同士の間隔をそれぞれ
20μm以上とすることが好ましい。このようにする
と、第3層のクロック信号線の配線抵抗は従来のものに
比べて20分の1となり、機能ブロック間の配線抵抗の
差が小さくなるので、クロックスキューが大きく低減す
る。
第3層の金属配線層には電源配線とクロック信号線のみ
を配置したため、上記のように、第3層の金属配線層の
ライン及びスペースのデザインルールを下層の金属配線
層のライン及びスペースのデザインルールの2倍以上に
設定することが可能になり、クロックスキューを低減で
きるのである。また、クロック信号線を他の信号線の影
響を受けることなく優先的に配線できるので、各機能ブ
ロックへの等長配線が可能になるため、クロックスキュ
ーをいっそう低減することができる。
め、電源配線の配線幅を増大できるので、電源供給の安
定化を図ることができる。
ロック信号線を本来的に自動配線化し難い最上層に配置
することにより、自動配線をしない最上層と自動配線を
行なう下層とに区分けできるので、自動配線処理の簡略
化が可能になる。
層のアルミニウム配線構造を採用したが、金属配線層の
構成は他の種類の金属でもよいと共に、2層以上の金属
配線構造であるならば金属配線層の数は何層でもよい。
ては、電源配線はVDD電源配線のみであったが、電源
配線としてはVSS電源配線のみでもよいし、第3の実
施例のようにVSS電源配線とVDD電源配線の両方で
あってもよい。
と、専用金属配線層には、電源配線及びクロック信号線
からなる特定の金属配線が設けられている一方、特定の
金属配線以外の他の金属配線が設けられていないと共
に、専用金属配線層におけるデザインルールによって決
まる特定の金属配線の配線幅の最小値は、他の金属配線
層におけるデザインルールによって決まる金属配線の配
線幅の最小値よりも大きいため、クロック信号線の電気
抵抗が低減すると共にクロック信号線同士の配線長の差
が低減するので、各機能ブロック間におけるクロックス
キューを低減することができる。
けられていると、電源配線の配線幅を大きくすることが
できるので、電源供給が安定する。また、自動化し難い
電源配線及びクロック信号線を自動化し難い最上層に配
置することにより、自動配線をしない最上層と自動配線
をする他の層とに区分けできるので、自動配線処理の簡
略化が可能になる。
の概略配線図である。
装置における機能ブロックの内部構造を示す図である。
(b)は上記第1実施例に係る半導体集積回路装置にお
けるクロックスキューの低減を説明する図である。
路装置の断面図である。
における第3層の概略配線図である。
における第3層の概略配線図である。
ける第1及び第2のクロック信号線を説明する概略配線
図である。
における第3層の概略配線図である。
における第3層の概略配線図である。
けるクロック信号線を説明する概略配線図である。
略配線図である。
能ブロック 13A,13B,13C,13D,13E,13F,1
3Gクロックパルスジェネレータ 14 クロック信号線 14a 第1のクロックライン 14b 第2のクロックライン 51A,51B,51C,51D,51E,51F,5
1G,51HVDD電源配線 52A,52B,52C,52D,52E,52F ク
ロック信号線 53,56,62 外部入力パッド 54A,54B VSS電源配線 55,61 クロックパルスジェネレータ 57,60 クロックドライバ
Claims (2)
- 【請求項1】 半導体基板上に設けられた複数の機能ブ
ロックと、電源電圧を上記複数の機能ブロックに供給す
る電源配線と、クロック信号を上記複数の機能ブロック
に伝えるクロック信号線と、上記半導体基板上に設けら
れた複数の金属配線層とを備えた半導体集積回路装置で
あって、 上記複数の金属配線層のうちの一の金属配線層は、上記
電源配線及びクロック信号線が設けられている一方、上
記電源配線及びクロック信号線以外の他の金属配線が設
けられていない専用金属配線層に設定されており、 上記 専用金属配線層における上記電源配線及びクロック
信号線の配線幅のデザインルールは、上記他の金属配線
層における金属配線の配線幅のデザインルールよりも大
きいことを特徴とする半導体集積回路装置。 - 【請求項2】 上記専用金属配線層は、上記半導体基板
の最上層に設けられていることを特徴とする請求項1に
記載の半導体集積回路装置。
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