JPH06177340A - Semiconductor integrated circuit having logic circuits - Google Patents

Semiconductor integrated circuit having logic circuits

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JPH06177340A
JPH06177340A JP4325196A JP32519692A JPH06177340A JP H06177340 A JPH06177340 A JP H06177340A JP 4325196 A JP4325196 A JP 4325196A JP 32519692 A JP32519692 A JP 32519692A JP H06177340 A JPH06177340 A JP H06177340A
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JP
Japan
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circuit
mosfet
semiconductor integrated
integrated circuit
mosfets
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JP4325196A
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Japanese (ja)
Inventor
Hisayuki Higuchi
久幸 樋口
Masaru Tachibana
大 橘
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Design And Manufacture Of Integrated Circuits (AREA)
  • Logic Circuits (AREA)

Abstract

PURPOSE:To essentially increase the operation speed of a CMOS circuit or a BiMOS circuit in a semiconductor integrated circuit. CONSTITUTION:The driving capability of MOSFET's QP1, QP2 of adjacent connection to the operation potential point Vcc, out of a plurality of series-connected MOSFET's QP1, QP2, QP3 in a CMOS circuit part is set larger than the driving capability of MOSFET QP3 of adjacent connection to a circuit node 1. Thereby the ON resistance of QP1, QP2 of adjacent to the operation potential point Vcc is set small, drain parasitic capacitance of QP2 of adjacent connection to the circuit node 1 is set small, and parasitic capacitances at the mutual connection point of a plurality of the series-connected MOSFET's QP1, QP2, QP3 and the parasitic capacitance at the circuit node 1 are charged at a high speed, so that the operation speed is increased.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体集積回路に関し、
特にCMOSもしくはBiCMOSの回路構成の論理回
路を有する半導体集積回路に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor integrated circuit,
In particular, the present invention relates to a semiconductor integrated circuit having a logic circuit having a CMOS or BiCMOS circuit configuration.

【0002】[0002]

【従来の技術】昭和61年2月10日発行の「超高速M
OSデバイス」菅野卓雄監修、香山晋編 培風館PP.
235−236に述べられているように、高集積の半導
体集積回路の多くは、CMOS技術によって作られてい
る。このCMOS回路の最大の特徴は低消費電力にあ
る。静止時における消費電力はデバイスの漏れ電流によ
るわずかな消費電力だけであり、動作時の消費電力も、
電力を消費するのは負荷容量を充電する電流とCMOS
回路の出力の信号が切り換わる遷移状態時にCMOS回
路に流れる貫通電流による電力のみである。
2. Description of the Related Art "Super High Speed M" issued on February 10, 1986
OS device ”, edited by Takuo Sugano, edited by Shin Kayama, Baifukan PP.
As described in 235-236, most highly integrated semiconductor integrated circuits are made by CMOS technology. The greatest feature of this CMOS circuit is low power consumption. The power consumption when stationary is only a small amount due to the leakage current of the device, and the power consumption during operation is also
Power consumption is due to current charging the load capacitance and CMOS
Only the power due to the through current flowing through the CMOS circuit during the transition state in which the signal output from the circuit switches.

【0003】CMOS回路による半導体集積回路の消費
電力は、内部CMOS回路の平均動作周波数f、回路の
平均負荷容量CL、内部CMOS回路の平均動作確率R
に比例し、信号の電圧振幅V(CMOS回路では通常電
源電圧と等しい)の2乗に比例する。従って、高速化し
てfが増加し、高集積化によってCLが増加した高速、
高集積のLSIにおいては消費電力が大きくなってお
り、その放熱のために特別の容器を必要とするLSIも
出現している。このため、消費電力の低減が強く求めら
れており、消費電力を引き下げるにはこれらの値を小さ
くすることが必要である。従来、電源電圧Vを引き下げ
て信号振幅を下げ、消費電力を低減する方法が試みら
れ、既に5Vから3.3Vに電源電圧を下げたLSIも
作られている。また、CMOS回路はバイポーラ回路に
比べ動作速度が遅いので高速化も求められている。一
方、CMOS回路では、Nチャネル型MOSFETの負
荷駆動能力がPチャネル型MOSFETの負荷駆動能力
に比べて大きいことから、NAND回路が最も高速に動
作する。しかし、NANDゲートのみを用いて所望の論
理機能を実現するよりはNOR回路と組合せた方が回路
数が少なく、かつ、高速動作を実現できることが多い。
このため、メモリLSIのデコーダ回路にみられるよう
にNAND、NORの組合せ回路が一般に用いられる。
また、CMOS回路とバイポーラトランジスタとを組み
あわせたBiCMOS回路は、CMOS回路とおなじく
静止時の消費電力はデバイスの漏れ電流に基づく電力消
費のみであり、CMOS回路より高速に動作することで
注目されている。BiCMOS回路の高速性能はPチャ
ネル型MOSFETやNチャネル型MOSFETに流れ
る電流をバイポーラトランジスタで電流増幅して負荷を
駆動することによる高負荷駆動能力にもとづいている。
回路構成はCMOS回路に負荷駆動用にバイポーラトラ
ンジスタを追加した回路であるので、NANDゲートが
NORゲートより高速動作をするがCMOS回路と同じ
くNAND、NOR回路の組合せ回路が用いられる。上
述のように、BiCMOSゲートは、バイポーラトラン
ジスタを用いて負荷を駆動するので、高い負荷駆動能力
を備えている。このため、例えば1pFの負荷容量で
は、CMOSゲートにくらべBiCMOSゲートは約2
倍の高速動作をする。しかし、負荷容量が0.1pF程
度と小さいときには、バイポーラトランジスタをもちい
て負荷を駆動することによる高速化効果と、バイポーラ
トランジスタを介して負荷を駆動することによる遅延時
間の増加とがほぼ等しくなり、CMOS回路と同程度の
動作速度しか実現されていない。このため、集積回路の
中では、負荷の軽いときにはCMOS回路を用い、負荷
の重いときにはBiCMOS回路を用いる構成が一般的
である。従って、このような基準でLSIを設計すると
負荷の軽い回路が多いLSIでは、BiCMOS回路の
使用される割合が小さく、CMOS回路で構成したLS
Iの性能に比べ大きく向上させることは難しい。また、
現在のBiCMOS回路の面積はCMOS回路の面積に
比べて約4倍大きい。BiCMOS回路を多用するとL
SIに搭載できる回路数がCMOS回路を用いたときに
比べて約1/2となり、高集積のLSIを実現すること
が難しい。LSIに搭載できる回路数が減少すると高速
動作にとっても障害となる。すなわち、同一機能をもつ
回路を実現するにはその分だけ多くのLSIが必要とな
る。これにともなって、LSI間の信号の伝送が必要と
なり、その分遅延時間は増加する。さらには、LSIの
必要個数が増加するとコストの増加を引き起こす欠点も
生じる。以上述べたようにCMOS、BiCMOS回路
では消費電力の一層の低減と動作の高速化が求められて
おり、BiCMOS回路には回路面積の低減も求められ
ている。
The power consumption of the semiconductor integrated circuit by the CMOS circuit is as follows: average operating frequency f of the internal CMOS circuit, average load capacitance C L of the circuit, average operating probability R of the internal CMOS circuit.
And is proportional to the square of the voltage amplitude V of the signal (which is usually equal to the power supply voltage in a CMOS circuit). Therefore, f is increased to speed, fast C L is increased by high integration,
Highly integrated LSI consumes a large amount of power, and some LSIs require a special container for heat dissipation. Therefore, reduction of power consumption is strongly demanded, and it is necessary to reduce these values in order to reduce power consumption. Conventionally, a method of reducing the power consumption by reducing the power supply voltage V to reduce the signal amplitude has been attempted, and an LSI in which the power supply voltage has already been reduced from 5V to 3.3V has been manufactured. Further, since the CMOS circuit has a slower operation speed than the bipolar circuit, higher speed is also required. On the other hand, in the CMOS circuit, the load driving capability of the N-channel MOSFET is larger than that of the P-channel MOSFET, so that the NAND circuit operates at the highest speed. However, the number of circuits is smaller and the high-speed operation can often be realized in combination with the NOR circuit rather than realizing a desired logical function using only the NAND gate.
Therefore, as seen in the decoder circuit of the memory LSI, a combination circuit of NAND and NOR is generally used.
Further, the BiCMOS circuit, which is a combination of a CMOS circuit and a bipolar transistor, draws attention because it operates at a higher speed than the CMOS circuit because the stationary power consumption, like the CMOS circuit, is only the power consumption based on the leakage current of the device. There is. The high-speed performance of the BiCMOS circuit is based on the high load driving ability by driving the load by amplifying the current flowing in the P-channel MOSFET or the N-channel MOSFET with a bipolar transistor.
Since the circuit configuration is a circuit in which a bipolar transistor for driving a load is added to the CMOS circuit, the NAND gate operates at a higher speed than the NOR gate, but a combination circuit of the NAND and NOR circuits is used like the CMOS circuit. As described above, the BiCMOS gate has a high load driving ability because it drives a load by using a bipolar transistor. Therefore, for example, with a load capacitance of 1 pF, the BiCMOS gate has about 2
Double speed operation. However, when the load capacitance is as small as about 0.1 pF, the speed-up effect by driving the load by using the bipolar transistor and the increase in the delay time by driving the load through the bipolar transistor become almost equal, Only operating speeds comparable to those of CMOS circuits have been realized. Therefore, in the integrated circuit, a CMOS circuit is generally used when the load is light and a BiCMOS circuit is used when the load is heavy. Therefore, when an LSI is designed with such a standard and there are many circuits with a light load, the BiCMOS circuit is used in a small proportion, and the LS configured by the CMOS circuit is used.
It is difficult to greatly improve the performance of I. Also,
The area of the current BiCMOS circuit is about four times larger than that of the CMOS circuit. If BiCMOS circuit is heavily used, L
The number of circuits that can be mounted on the SI is about 1/2 of that when a CMOS circuit is used, and it is difficult to realize a highly integrated LSI. If the number of circuits that can be mounted on the LSI is reduced, it becomes an obstacle to high-speed operation. That is, to realize a circuit having the same function, more LSIs are required. Along with this, it becomes necessary to transmit signals between LSIs, and the delay time increases accordingly. Furthermore, there is a drawback that the cost increases as the required number of LSIs increases. As described above, the CMOS and BiCMOS circuits are required to further reduce the power consumption and the operation speed, and the BiCMOS circuits are also required to reduce the circuit area.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上述したようにCMO
SLSIやBiCMOSLSIの半導体集積回路の一層
の高速化を実現するためには、本質的には半導体集積回
路のCMOS論理回路の一層の高速化が必要である。従
って本発明の目的とするところは、本質的な高速化が実
現されたCMOS論理回路を有する半導体集積回路を提
供することにある。
As mentioned above, the CMO is used.
In order to realize higher speed of semiconductor integrated circuits such as SLSI and BiCMOSLSI, it is essentially necessary to further speed up CMOS logic circuits of semiconductor integrated circuits. Therefore, it is an object of the present invention to provide a semiconductor integrated circuit having a CMOS logic circuit which realizes an essentially high speed.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の代表的な実施形態による半導体集積回路は、
ソース・ドレイン経路が第1動作電位点(Vcc)と回
路ノード(1)との間に直列接続された第1導電型の複
数のMOSFET(QP1、QP2、QP3)と、ソース・ド
レイン経路が上記回路ノード(1)と第2動作電位点
(VEE1)との間に並列接続された上記第1導電型と反
対の第2導電型の複数のMOSFET(QN1A、QN2A
N3A)とを具備し、複数の入力信号のそれぞれが上記
第1導電型の複数のMOSFETと上記第2導電型の複
数のMOSFETの対応するFETのゲートに印加され
ることにより、上記回路ノードに上記複数の入力信号の
論理信号を生成する論理回路を有してなり、上記直列接
続された上記第1導電型の複数のMOSFET(QP1
P2、QP3)のうち、上記第1動作電位点(Vcc)に
近接して接続されたMOSFET(QP1、QP2)の駆動
能力は、上記回路ノード(1)に近接して接続されたM
OSFET(QP3)の駆動能力より大きく設定されたこ
とを特徴とする。
To achieve the above object, a semiconductor integrated circuit according to a typical embodiment of the present invention is
A plurality of MOSFETs (Q P1 , Q P2 , Q P3 ) of the first conductivity type whose source / drain paths are connected in series between the first operating potential point (Vcc) and the circuit node (1), and source / drain A plurality of MOSFETs (Q N1A , Q N2A) of the second conductivity type opposite to the first conductivity type and connected in parallel between the circuit node (1) and the second operating potential point (V EE1 );
Q N3A ), each of the plurality of input signals being applied to the gates of the corresponding FETs of the plurality of MOSFETs of the first conductivity type and the plurality of MOSFETs of the second conductivity type. A logic circuit for generating logic signals of the plurality of input signals, and the plurality of first conductivity type MOSFETs (Q P1 ,
Of the Q P2 and Q P3 ), the driving capability of the MOSFET (Q P1 , Q P2 ) connected near the first operating potential point (Vcc) is connected near the circuit node (1). M
It is characterized in that it is set to be larger than the driving capability of the OSFET (Q P3 ).

【0006】[0006]

【作用】CMOS論理回路では、複数のMOSFETの
ソース・ドレイン経路の直列接続と複数のMOSFET
のソース・ドレイン経路の並列接続とによって、複数の
入力信号に関する論理信号を生成することができる。こ
のようなCMOS論理回路では、第1動作電位点(Vc
c)と回路ノード(1)との間に直列接続された複数の
MOSFET(QP1、QP2、QP3)の各MOSFETの
相互接続点には、無視できない寄生容量が存在してい
る。この直列接続された複数のMOSFET(QP1、Q
P2、QP3)が導通して、第1動作電位点(Vcc)から
回路ノード(1)に所定の電圧を高速に発生するために
は、各MOSFETのオン抵抗を介して各相互接続点の
寄生容量が高速に充電される必要が有る。本発明の代表
的な実施形態によれば、第1動作電位点(Vcc)に近
接して接続されたMOSFET(QP1、QP2)の駆動能
力は、回路ノード(1)に近接して接続されたMOSF
ET(QP3)の駆動能力より大きく設定されているの
で、第1動作電位点(Vcc)に近接して接続されたM
OSFET(QP1、QP2)のオン抵抗は小さく設定され
るとともに、回路ノード(1)に近接して接続されたM
OSFET(QP3)のドレイン領域の寄生容量を小さく
設定される。従って、直列接続された複数のMOSFE
T(QP1、QP2、QP3)の相互接続点の寄生容量と回路
ノード(1)の寄生容量とが高速で充電され、本質的な
高速化が実現されたCMOS論理回路を有する半導体集
積回路を提供することができる。本発明のその他の目的
と特徴は、以下の実施例から明らかとなろう。
In the CMOS logic circuit, the source / drain paths of a plurality of MOSFETs are connected in series and the plurality of MOSFETs are connected in series.
By connecting the source and drain paths in parallel with each other, it is possible to generate a logical signal for a plurality of input signals. In such a CMOS logic circuit, the first operating potential point (Vc
There is a parasitic capacitance that cannot be ignored at the interconnection point of the MOSFETs (Q P1 , Q P2 , Q P3 ) connected in series between c) and the circuit node (1). This plurality of MOSFETs connected in series (Q P1 , Q
In order to quickly generate a predetermined voltage from the first operating potential point (Vcc) to the circuit node (1) by making P2 and QP3 ) conductive, it is necessary to connect each interconnection point via the on resistance of each MOSFET. The parasitic capacitance needs to be charged quickly. According to the representative embodiment of the present invention, the driving capability of the MOSFETs (Q P1 , Q P2 ) connected close to the first operating potential point (Vcc) is connected close to the circuit node (1). MOSF
Since it is set larger than the drive capacity of ET (Q P3 ), M connected close to the first operating potential point (Vcc)
The on-resistance of the OSFETs (Q P1 , Q P2 ) is set small and M connected close to the circuit node (1)
The parasitic capacitance of the drain region of the OSFET (Q P3 ) is set small. Therefore, a plurality of MOSFEs connected in series
A semiconductor integrated circuit having a CMOS logic circuit in which the parasitic capacitance of the interconnection point of T (Q P1 , Q P2 , Q P3 ) and the parasitic capacitance of the circuit node (1) are charged at high speed, and an essentially high speed is realized. A circuit can be provided. Other objects and features of the present invention will be apparent from the following examples.

【0007】[0007]

【実施例】図1は、図2に示したBiCMOS回路構成
の3入力NOR回路を、LSI上に形成した平面レイア
ウト図と断面図を示すものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows a plane layout diagram and a sectional view of a 3-input NOR circuit having the BiCMOS circuit configuration shown in FIG. 2 formed on an LSI.

【0008】図2のBiCMOSの3入力NOR回路
は、3入力がゲートG1、G2、G3に印加され、ソー
ス・ドレイン経路が正電源Vccとバイポーラトランジ
スタQ0のベースとの間で直列接続されたPチャネル型
MOSFETQP1、QP2、QP3と、3入力がゲートG
1、G2、G3に印加され、ソース・ドレイン経路がバ
イポーラトランジスタQ0のベースと負電源VEE1との間
で並列接続されたNチャネル型MOSFETQN1A、Q
N2A、QN3Aと、3入力がゲートG1、G2、G3に印加
され、ソース・ドレイン経路がバイポーラトランジスタ
0のエミッタの出力OUTと負電源VEEとの間で並列
接続されたNチャネル型MOSFETQN1B、QN2B、Q
N3Bとにより構成されている。従って、図2のBiCM
OSの3入力NOR回路では、3入力がすべてローレベ
ルの時に、Pチャネル型MOSFETQP1、QP2、QP3
とバイポーラトランジスタQ0とが導通となり、Nチャ
ネル型MOSFETQN1A、QN2A、QN3A、QN1B、Q
N2B、QN3Bが非導通となり、出力OUTはハイレベルと
なる。一方、3入力のいずれかがハイレベルとなると、
バイポーラトランジスタQ0とが非導通となり、出力O
UTはローレベルとなり、3入力に関してのNOR機能
が実現される。
In the BiCMOS three-input NOR circuit of FIG. 2, three inputs are applied to the gates G1, G2, and G3, and source / drain paths are connected in series between the positive power supply Vcc and the base of the bipolar transistor Q 0 . P channel type MOSFETs Q P1 , Q P2 , Q P3 and 3 inputs are gate G
N-channel type MOSFETs Q N1A , Q applied to G1, G2 and G3 and having source / drain paths connected in parallel between the base of the bipolar transistor Q 0 and the negative power source V EE1.
N2A , Q N3A and an N-channel MOSFET Q whose three inputs are applied to the gates G1, G2, G3 and whose source / drain paths are connected in parallel between the output OUT of the emitter of the bipolar transistor Q 0 and the negative power supply V EE. N1B , Q N2B , Q
It is composed of N3B and. Therefore, the BiCM of FIG.
In the three-input NOR circuit of OS, when all three inputs are at low level, P-channel MOSFETs Q P1 , Q P2 , Q P3
And the bipolar transistor Q 0 become conductive, and N-channel type MOSFETs Q N1A , Q N2A , Q N3A , Q N1B , Q
N2B and Q N3B become non-conductive, and the output OUT becomes high level. On the other hand, if any of the three inputs goes high,
The bipolar transistor Q 0 becomes non-conductive, and the output O
UT becomes low level, and the NOR function for three inputs is realized.

【0009】図1の上の平面レイアウト図に示すよう
に、半導体チップの右側にバイポーラトランジスタQ0
が配置され、その左隣にPチャネル型MOSFET
P1、QP2、QP3が配置され、さらにその左隣に入力側
のNチャネル型MOSFETQN1A、QN2A、QN3Aが配
置され、最も左側に出力側のNチャネル型MOSFET
N1B、QN2B、QN3Bが配置されている。図1のレイア
ウトでは、上述のように論理回路の本質的な高速化を実
現するために、Pチャネル型MOSFETQP1、QP2
P3のゲート電極G1、G2、G3を折り曲げてPチャ
ネル型MOSFETQP3のドレイン電極Dをとり囲む構
造にし、Pチャネル型MOSFETQP1、QP2のオン抵
抗を小さくするとともに、Pチャネル型MOSFETQ
P3のドレイン領域Dの寄生容量を小さくしている。
As shown in the top plan layout of FIG. 1, a bipolar transistor Q 0 is provided on the right side of the semiconductor chip.
Is placed, and a P-channel MOSFET is located next to it.
Q P1 , Q P2 , and Q P3 are arranged, input side N-channel type MOSFETs Q N1A , Q N2A , and Q N3A are arranged on the left side thereof, and an output side N-channel type MOSFET is arranged on the leftmost side.
Q N1B , Q N2B and Q N3B are arranged. In the layout of FIG. 1, the P-channel MOSFETs Q P1 , Q P2 ,
The structure surrounding the drain electrode D of the P-channel type MOSFET Q P3 by bending a gate electrode G1, G2, G3 of Q P3, as well as reduce the on-resistance of P-channel type MOSFETQ P1, Q P2, P-channel type MOSFET Q
The parasitic capacitance of the drain region D of P3 is reduced.

【0010】図7には図2の回路を従来の方法でレイア
ウトしたときの平面構造図を示しているので構造の違い
は理解できる。図1、図7の各領域のデバイス等は図2
の回路図と対応させることで明らかであるので説明は省
略する。なお、図1、図7ではドレイン領域Dに対応す
る領域を斜線で表示している。図1ではドレイン領域D
の面積が従来のレイアウト法(図7)に比べて60%減
少している。図1のレイアウト法によって、ドレイン領
域Dの寄生容量は約1/2に減少し、図2の回路図にお
けるノード1の寄生容量は約1/2になり、無負荷の遅
延時間は20%程度高速化される。また、ゲート幅(帯
状のゲート電極の長手方向の長さをゲート幅、短方向の
長さをゲート長と呼ぶ)は、ゲートG3、G2、G1の
比が1:1.6:2.2となる。このように、ゲートG
3に対してG2、G1のゲート幅が大きくすることによ
り、回路を高速に動作させることができる。図1の下に
は、上の平面レイアウト図のX−Y線に沿ったデバイス
断面構造が示され、右のN型ウェル領域はバイポーラト
ランジスタQ0のコレクタ領域として使用されるととも
にPチャネル型MOSFETQP1、QP2、QP3の基板と
しても使用され、左側のP型ウェル領域はNチャネル型
MOSFETQN1A、QN2A、QN3A、QN1B、QN2B、Q
N3Bの基板として使用されている。また、バイポーラト
ランジスタQ0のコレクタ端子CNからPチャネル型M
OSFETQP1のソース領域LPへ破線で示す配線層に
よって動作電圧Vccの給電が行われる。従って、第2
図に示すように、バイポーラトランジスタQ0のコレク
タ領域の寄生抵抗rCSでの電圧降下された動作電圧がP
チャネル型MOSFETQP1のソースに給電されるの
で、バイポーラトランジスタQ0は飽和領域に駆動され
ることがなく、ラッチアップ特性は大幅に改善される。
またバイポーラトランジスタQ0のベースに接続された
入力側のNチャネル型MOSFETQN1A、QN2A、Q
N3Aのソースの負電源電圧VEE1は、バイポーラトランジ
スタQ0のエミッタである出力OUTに接続された出力
側のNチャネル型MOSFETQN1B、QN2B、QN3B
ソースの負電源電圧VEEより約0.5V高く設定されて
いる。このVEE1の給電によって、バイポーラトランジ
スタQ0のベースの電位をエミッタの電位よりも高電位
に維持されて、無負荷の遅延時間は約20%短縮され
る。以上はNOR回路について説明したが、NAND回
路についても同様の回路とレイアウトが可能なことは容
易に理解できるので説明は省略する。
FIG. 7 is a plan view showing the layout of the circuit of FIG. 2 according to the conventional method, so that the difference in structure can be understood. Devices and the like in each area of FIGS. 1 and 7 are shown in FIG.
The explanation is omitted because it is clear by making it correspond to the circuit diagram of FIG. Note that, in FIGS. 1 and 7, the region corresponding to the drain region D is shaded. In FIG. 1, the drain region D
Area is reduced by 60% compared to the conventional layout method (FIG. 7). By the layout method of FIG. 1, the parasitic capacitance of the drain region D is reduced to about 1/2, the parasitic capacitance of the node 1 in the circuit diagram of FIG. 2 is reduced to about 1/2, and the no-load delay time is about 20%. It will be faster. The gate width (the length of the strip-shaped gate electrode in the longitudinal direction is called the gate width, and the length in the short direction is called the gate length) is such that the ratio of the gates G3, G2, and G1 is 1: 1.6: 2.2. Becomes Thus, the gate G
By increasing the gate widths of G2 and G1 with respect to 3, the circuit can operate at high speed. The lower part of FIG. 1 shows a device cross-sectional structure taken along line XY in the upper plan layout diagram. The right N-type well region is used as the collector region of the bipolar transistor Q 0 and the P-channel type MOSFET Q is used. P1, is also used as a substrate for Q P2, Q P3, P-type well region on the left N-channel type MOSFETQ N1A, Q N2A, Q N3A , Q N1B, Q N2B, Q
Used as a substrate for N3B . Further, from the collector terminal CN of the bipolar transistor Q 0 to the P-channel type M
The operating voltage Vcc is supplied to the source region LP of the OSFET Q P1 by the wiring layer shown by the broken line. Therefore, the second
As shown in the figure, the operating voltage reduced by the parasitic resistance r CS in the collector region of the bipolar transistor Q 0 is P
Since the source of the channel type MOSFET Q P1 is supplied with power, the bipolar transistor Q 0 is not driven to the saturation region, and the latch-up characteristic is greatly improved.
Further, input side N-channel type MOSFETs Q N1A , Q N2A , Q connected to the base of the bipolar transistor Q 0.
Negative supply voltage V EE1 of N3A sources, N-channel type MOSFET Q N1B output side connected to the output OUT is an emitter of the bipolar transistor Q 0, Q N2B, about the negative supply voltage V EE sources Q N3B 0 It is set higher by 0.5V. By supplying this V EE1 , the potential of the base of the bipolar transistor Q 0 is maintained higher than that of the emitter, and the delay time without load is shortened by about 20%. Although the NOR circuit has been described above, the NAND circuit can be easily understood to have the same circuit and layout, and a description thereof will be omitted.

【0011】図3には本発明のNAND、NOR回路を
用いて構成したときに最も効率よく論理機能を実現する
に好適な論理構成を示す。集積回路に内蔵される論理回
路を検討した結果、図3に示すように、前段の3入力N
AND回路の次に後段の3入力NOR回路が接続される
組み合わせの多いことが明らかになった。この結果にも
とづき、前段のNAND回路は軽負荷を駆動した時、具
体的には出力信号配線の寄生容量が軽い条件のもとでN
OR回路を駆動したときに高速動作をするように前段の
NAND回路をCMOS回路構成で設計し、後段のNO
R回路はLSI内の他の論理回路を駆動するに適した設
計、すなわち0.2pF程度の平均負荷である重負荷を
駆動する時に高速動作をするように、後段のNOR回路
を図1と図2に示すBiCMOS回路構成で設計する。
このように設計されたCMOS回路構成の前段NAND
論理回路とBiCMOS回路構成の後段NOR論理回路
とを1組とした論理回路を、LSI内部に設けると、高
速動作をするゲートアレーを達成できる。
FIG. 3 shows a logical configuration suitable for realizing a logical function most efficiently when the NAND and NOR circuits of the present invention are used. As a result of studying the logic circuit built in the integrated circuit, as shown in FIG.
It has become clear that there are many combinations in which the subsequent three-input NOR circuit is connected after the AND circuit. Based on this result, when the NAND circuit in the previous stage drives a light load, specifically, under the condition that the parasitic capacitance of the output signal wiring is light,
The NAND circuit at the front stage is designed with a CMOS circuit configuration so that it operates at high speed when the OR circuit is driven.
The R circuit is designed to drive other logic circuits in the LSI, that is, the NOR circuit in the subsequent stage is designed to operate at high speed when driving a heavy load that is an average load of about 0.2 pF as shown in FIG. 1 and FIG. It is designed with the BiCMOS circuit configuration shown in FIG.
Pre-stage NAND of CMOS circuit structure designed in this way
When a logic circuit including a logic circuit and a NOR logic circuit in the latter stage of the BiCMOS circuit configuration as one set is provided inside the LSI, a gate array that operates at high speed can be achieved.

【0012】以上は、3入力の論理回路を用いた時の動
作を説明した。しかし、LSI内の論理には3入力の論
理回路を必要としない論理もある。3入力の論理回路に
入力が2個しか無い場合を考えると、2入力用に専用設
計された論理回路の方が高速動作をすることが知られて
いる。この現状にもとづき、従来のゲートアレー用の論
理回路では、2入力論理や1入力の回路に組み換えられ
るような設計がなされていた。本発明では、3入力論理
回路のみの専用設計としても、第1、第2の入力信号を
受けるMOSFETのゲートG1、G2のゲート幅を第
3の入力信号を受けるMOSFETのゲートG3のゲー
ト幅の1.5乃至2倍にすること、および、第1、第2
の入力信号を受けるMOSFETのゲートG1、G2の
ゲート長を第1のMOSFETのゲートG3のゲート長
に対して20%程度短くすることで駆動能力を向上させ
ると2入力専用に設計した論理回路に劣らぬ高速性、高
負荷駆動能力をもたせ得ることを見出した。この構造で
は第1、第2のMOSFETのゲート長は短くなるので
ゲート幅の増加に伴う入力容量の増加はその分軽減され
る効果も見出された。
The operation when the three-input logic circuit is used has been described above. However, some logic in the LSI does not require a 3-input logic circuit. Considering a case where a 3-input logic circuit has only two inputs, it is known that a logic circuit specially designed for 2-input operates at a higher speed. Based on this situation, conventional logic circuits for gate arrays have been designed so that they can be rearranged into 2-input logic or 1-input circuits. According to the present invention, even if the exclusive design is made only for the 3-input logic circuit, the gate widths of the gates G1 and G2 of the MOSFETs receiving the first and second input signals are set to the gate widths of the gate G3 of the MOSFET receiving the third input signal. 1.5 to 2 times, and the first and second
The gate length of the gates G1 and G2 of the MOSFET that receives the input signal of is shortened by about 20% with respect to the gate length of the gate G3 of the first MOSFET to improve the driving capability. They have found that they can have comparable high speed and high load driving capability. In this structure, the gate lengths of the first and second MOSFETs are shortened, so that the effect of reducing the increase in the input capacitance due to the increase in the gate width is also found.

【0013】図4は本発明の実施例による論理回路を適
用したLSIチップの平面図の1例を模式的に示してい
る。図4において、41は入出力バッファ回路の配置領
域で、高速動作の要求されるLSIではECLレベルの
信号を処理する回路より構成される。42はメモリ回路
などの専用設計された回路領域で、ゲートアレーの設計
者はメモリ容量や読出しのデータ数などの変更のみが可
能な回路領域である。43は本発明の実施例の論理回路
を配置したゲートアレーと通称される論理回路領域で、
設計者が所望の論理機能を組み込むことができる。この
ようにLSIを3領域で構成することでゲートアレーの
特徴を失うことなく高速動作をし、かつ、高機能のLS
Iが提供できる。
FIG. 4 schematically shows an example of a plan view of an LSI chip to which a logic circuit according to an embodiment of the present invention is applied. In FIG. 4, reference numeral 41 denotes an arrangement area of the input / output buffer circuit, which is composed of a circuit for processing an ECL level signal in an LSI that requires high-speed operation. Reference numeral 42 denotes a circuit area designed exclusively for a memory circuit or the like, and a designer of the gate array can only change the memory capacity and the number of read data. Reference numeral 43 denotes a logic circuit area commonly called a gate array in which the logic circuit of the embodiment of the present invention is arranged.
Designers can incorporate the desired logic functionality. By configuring the LSI in three areas in this way, it is possible to operate at high speed without losing the characteristics of the gate array and to have a high-performance LS.
I can provide.

【0014】図5はこの改善を行なった後のPチャネル
型MOSFETの断面図を模式的に示している。図5に
示した断面図は図1のA−Bで示した点線に沿った断面
に対応している。上述のようにゲートG1、G2、G3
のゲート長L1、L2をL3より約20%短くする。ゲ
ート長を約20%短縮できる根拠を以下に説明する。
FIG. 5 schematically shows a cross-sectional view of the P-channel MOSFET after this improvement. The cross-sectional view shown in FIG. 5 corresponds to the cross section taken along the dotted line indicated by AB in FIG. As described above, the gates G1, G2, G3
The gate lengths L1 and L2 of are shorter than L3 by about 20%. The reason why the gate length can be reduced by about 20% will be described below.

【0015】図6には5図に示したPチャネル型MOS
FETが図2の論理回路の中で動作する時の各部の電位
の時間変化を示している。尚、正電源電圧Vccは0V
とされている。時刻0では、破線で示すG1、G2、G
3の電位をVEE電位の−3Vとすると、D、D1、D2
で示すドレインの電位は0V、ソース電位も0Vとな
る。時刻が1nsの時、ゲートG1の電位が−3Vから
−0.5Vに変化するとドレイン電位は引き下げられて
Dの電位はVEE1の電位−2.5Vになるが、D1、D
2の電位は約−2Vまでしか下がらない。このようにD
1、D2の電位がDの電位より高くなるのは直列接続さ
れたPチャネル型MOSFETQP1、QP2、QP3の特徴
である。この現象に着目すればG1、G2のゲート長L
1、L2を電圧が印加されない分だけ短縮できる。つぎ
に、再びゲート電位が−3Vに戻るとドレイン電位は上
昇する。この時のD1、D2、Dの電位はD1が最も高
く、Dが最も低く、D2は両者の中間に位置する。この
ような変化をするために、同じゲート電位がゲートに与
えられてもソースとゲートの間に加わる電圧はゲートG
1−S間が最も大きく、G3−D2間が最も小さくな
る。すなわち、直列接続されたPチャネル型MOSFE
TQP1、QP2、QP3では駆動能力の低下がゲートG3の
MOSFETQP3の駆動能力低下によって引き起こされ
る。この駆動能力低下を軽減するために、本発明の実施
例ではゲートG1、G2のMOSFETの駆動能力を向
上させている。その方法は上記のようにゲート長L1、
L2を短縮し、また、図1に示したようにG1、G2の
ゲート幅を広げて駆動能力を向上させている。この結
果、従来の直列接続されたMOSFETにおけるD1、
D2の電位変化に比べて本発明の実施例の構造ではD
1、D2の電位が急速に立上り、出力端子Dの応答速度
はその分高速化される。図1に示した構造ではG1、G
2をもつMOSFETの駆動能力はG3のMOSFET
の駆動能力に対してそれぞれ約2.5倍、1.5倍に向
上している。
FIG. 6 shows a P-channel type MOS shown in FIG.
3 shows a time change of the potential of each part when the FET operates in the logic circuit of FIG. The positive power supply voltage Vcc is 0V
It is said that. At time 0, G1, G2, G indicated by broken lines
When the potential of 3 is set to −3V of the V EE potential, D, D1, D2
The drain has a potential of 0V, and the source has a potential of 0V. At the time of 1 ns, when the potential of the gate G1 changes from −3 V to −0.5 V, the drain potential is lowered and the potential of D becomes −2.5 V of V EE1.
The potential of 2 drops only to about -2V. Like this
The fact that the potentials of 1 and D2 become higher than the potential of D is a characteristic of the P-channel MOSFETs Q P1 , Q P2 and Q P3 connected in series. Focusing on this phenomenon, the gate length L of G1 and G2
1 and L2 can be shortened as much as no voltage is applied. Next, when the gate potential returns to -3V again, the drain potential rises. At this time, the potentials of D1, D2, and D are highest in D1, lowest in D, and D2 is located in the middle of both. Because of such a change, even if the same gate potential is applied to the gate, the voltage applied between the source and the gate is
1-S is the largest, and G3-D2 is the smallest. That is, P-channel MOSFEs connected in series
In TQ P1 , Q P2 , and Q P3 , the reduction in driving capability is caused by the reduction in driving capability of MOSFET Q P3 of gate G3. In order to reduce this decrease in driving ability, the driving ability of the MOSFETs of the gates G1 and G2 is improved in the embodiment of the present invention. The method is as described above for the gate length L1,
L2 is shortened, and as shown in FIG. 1, the gate width of G1 and G2 is widened to improve the driving ability. As a result, D1 in the conventional MOSFETs connected in series,
Compared to the potential change of D2, in the structure of the embodiment of the present invention, D
The potentials of 1 and D2 rise rapidly, and the response speed of the output terminal D is increased accordingly. In the structure shown in FIG. 1, G1 and G
The driving capability of a MOSFET having 2 is a G3 MOSFET
The driving powers of 2.5 and 1.5 times, respectively.

【0016】以上は、BiCMOS回路について述べた
が、CMOS回路にこのNAND、NOR回路の組合
せ、ゲート幅や、ゲート長の変更を適用しても効果があ
ることは明らかである。
Although the BiCMOS circuit has been described above, it is clear that the combination of the NAND and NOR circuits, the change of the gate width and the change of the gate length can be applied to the CMOS circuit.

【0017】[0017]

【発明の効果】本発明によれば、本質的な高速化が実現
されたCMOS論理回路を有する半導体集積回路を提供
することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor integrated circuit having a CMOS logic circuit which realizes an essentially high speed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例による3入力NOR回路を有す
る半導体集積回路の素子構造を図である。
FIG. 1 is a diagram showing a device structure of a semiconductor integrated circuit having a 3-input NOR circuit according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示した実施例の3入力BiCMOS論理
回路の回路図である。
FIG. 2 is a circuit diagram of a 3-input BiCMOS logic circuit of the embodiment shown in FIG.

【図3】図2の3入力NOR回路をNAND回路の出力
に接続した論理構成を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a logical configuration in which the 3-input NOR circuit of FIG. 2 is connected to the output of a NAND circuit.

【図4】図2の3入力NOR回路を有するLSIチップ
のレイアウト構成を示す概念図である。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a layout configuration of an LSI chip having the 3-input NOR circuit of FIG.

【図5】図1の実施例による半導体集積回路のA−B線
上の素子断面構造を示す図である。
5 is a diagram showing an element cross-sectional structure on the line AB of the semiconductor integrated circuit according to the embodiment of FIG.

【図6】図1の実施例による半導体集積回路の各部の電
位の時間変化を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a change over time in the potential of each part of the semiconductor integrated circuit according to the embodiment of FIG.

【図7】図2の3入力BiCMOS論理回路を従来のレ
イアウト方法で構成した様子を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing how the 3-input BiCMOS logic circuit of FIG. 2 is configured by a conventional layout method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

LN…Nチャネル型MOSFETの領域、LP…Pチャ
ネル型MOSFETの領域、Vcc、VEE、VEE1…電
源電圧供給端子、CN…コレクタ接続領域、E…エミッ
タ領域、B…ベース領域、D…ドレイン、S…ソース領
域、G1、G2、G3…ゲート電極。
LN ... N-channel MOSFET region, LP ... P-channel MOSFET region, Vcc, V EE , V EE1 ... Power supply voltage supply terminal, CN ... Collector connection region, E ... Emitter region, B ... Base region, D ... Drain , S ... Source region, G1, G2, G3 ... Gate electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H03K 19/08 A 8321−5J 9170−4M H01L 27/06 321 J ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Office reference number FI technical display location H03K 19/08 A 8321-5J 9170-4M H01L 27/06 321 J

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ソース・ドレイン経路が第1動作電位点と
回路ノードとの間に直列接続された第1導電型の複数の
MOSFETと、 ソース・ドレイン経路が上記回路ノードと第2動作電位
点との間に並列接続された上記第1導電型と反対の第2
導電型の複数のMOSFETとを具備し、 複数の入力信号のそれぞれが上記第1導電型の複数のM
OSFETと上記第2導電型の複数のMOSFETの対
応するFETのゲートに印加されることにより、上記回
路ノードに上記複数の入力信号の論理信号を生成する論
理回路を有してなる半導体集積回路であって、 上記直列接続された上記第1導電型の複数のMOSFE
Tのうち、上記第1動作電位点に近接して接続されたM
OSFETの駆動能力は、上記回路ノードに近接して接
続されたMOSFETの駆動能力より大きく設定された
ことを特徴とする半導体集積回路。
1. A plurality of MOSFETs of the first conductivity type having source / drain paths connected in series between a first operating potential point and a circuit node, and source / drain paths having the circuit node and a second operating potential point. A second conductive type opposite to the first conductive type connected in parallel between
A plurality of conductive type MOSFETs, wherein each of a plurality of input signals is a plurality of M of the first conductive type.
A semiconductor integrated circuit having a logic circuit for generating logic signals of the plurality of input signals at the circuit node by being applied to the gates of the FETs corresponding to the OSFET and the plurality of MOSFETs of the second conductivity type. A plurality of the first conductivity type MOSFEs connected in series,
Of T, M connected close to the first operating potential point
The semiconductor integrated circuit is characterized in that the driving capability of the OSFET is set to be larger than that of the MOSFET connected in proximity to the circuit node.
【請求項2】上記論理回路の上記MOSFETの駆動能
力はMOSFETのゲート幅とゲート長の少なくともい
ずれかによって設定されたことを請求項1に記載の半導
体集積回路。
2. The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the driving capability of the MOSFET of the logic circuit is set by at least one of the gate width and the gate length of the MOSFET.
【請求項3】上記論理回路の上記直列接続された上記第
1導電型の複数のMOSFETのうち、上記第1動作電
位点に近接して接続された上記MOSFETは、上記回
路ノードに近接して接続された上記MOSFETの周囲
に配置されることにより、上記第1動作電位点に近接し
て接続された上記MOSFETのゲート長が上記回路ノ
ードに近接して接続された上記MOSFETのゲート長
より大きく設定されたことを特徴とする請求項2に記載
の半導体集積回路。
3. The MOSFET of the plurality of MOSFETs of the first conductivity type connected in series in the logic circuit, the MOSFET connected in proximity to the first operating potential point is in proximity to the circuit node. By being arranged around the connected MOSFET, the gate length of the MOSFET connected in proximity to the first operating potential point is larger than the gate length of the MOSFET connected in proximity to the circuit node. The semiconductor integrated circuit according to claim 2, wherein the semiconductor integrated circuit is set.
【請求項4】上記論理回路の上記回路ノードにバイポー
ラトランジスタのベースが接続され、該バイポーラトラ
ンジスタのエミッタより出力信号を得ることを特徴とす
る請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体集積
回路。
4. The semiconductor according to claim 1, wherein a base of a bipolar transistor is connected to the circuit node of the logic circuit, and an output signal is obtained from an emitter of the bipolar transistor. Integrated circuit.
【請求項5】上記バイポーラトランジスタのエミッタと
第3動作電位点との間にソース・ドレイン経路が並列接
続された第2導電型の他の複数のMOSFETをさらに
具備してなり、 上記第2動作電位点の電位は上記第3動作電位点の電位
より高電位に設定されたことを特徴とする請求項4に記
載の半導体集積回路。
5. The second operation type MOSFET further comprising a plurality of second conductivity type MOSFETs having source / drain paths connected in parallel between the emitter of the bipolar transistor and a third operation potential point. The semiconductor integrated circuit according to claim 4, wherein the potential of the potential point is set higher than the potential of the third operating potential point.
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