JPH073863B2 - Semiconductor integrated circuit - Google Patents

Semiconductor integrated circuit

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JPH073863B2
JPH073863B2 JP58231881A JP23188183A JPH073863B2 JP H073863 B2 JPH073863 B2 JP H073863B2 JP 58231881 A JP58231881 A JP 58231881A JP 23188183 A JP23188183 A JP 23188183A JP H073863 B2 JPH073863 B2 JP H073863B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、マスタースライス方式の半導体集積回路に係
り、特にCMOS構造の基本セル配列を用いてゲートアレイ
を構成する半導体集積回路に関する。
Description: TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a master slice type semiconductor integrated circuit, and more particularly to a semiconductor integrated circuit that forms a gate array using a basic cell array of CMOS structure.

〔発明の技術的背景とその問題点〕 近年の半導体集積回路(LSI)技術の進歩は目覚しく、
メモリやマイコンに代表される論理用LSIは急激な大規
模化をとげている。この結果、各種電子機器システムの
LSI化が進められ、電子機器システムの高性能化、低価
格化、軽量小型化、高信頼性化をもたらしている。各種
機器システムのLSI化の要求は高まる一方であり、この
要求に応えるためにはメモリやマイコン等の汎用品の大
規模化だけでなく、各種機器システムに特有の機能をも
つ電子回路部のLSI化も同時に重要になってきている。
このような機器システムに特有の電子回路部は当然のこ
とながら汎用のLSIでは実現が困難なもので、実現でき
たとしてもLSIの利点を発揮しにくい。このため、機器
システム産業を発展させるためにシステムに専用な部分
のLSI化の要求は強く、これに応えるのも半導体企業の
重要な役割であった。
[Technical Background of the Invention and its Problems] Recent advances in semiconductor integrated circuit (LSI) technology are remarkable,
Logic LSIs typified by memories and microcomputers are rapidly increasing in scale. As a result, various electronic device systems
As LSIs are advanced, high performance, low price, light weight and small size, and high reliability of electronic equipment systems are brought about. There is an ever-increasing demand for LSIs for various device systems.To meet this demand, not only are general-purpose products such as memories and microcomputers scaled up, but also LSIs for electronic circuits that have functions unique to various device systems. At the same time, becoming more important.
The electronic circuit section peculiar to such a device system is naturally difficult to realize with a general-purpose LSI, and even if it can be realized, it is difficult to exert the advantages of the LSI. For this reason, in order to develop the equipment system industry, there is a strong demand for the LSI to be a part dedicated to the system, and it has been an important role for semiconductor companies to meet this demand.

しかし周知のように、半導体素子特にLSIは量産化によ
って低価格化を実現できるものである。各種機器システ
ムに特有の部分のLSI化は当然のことながら少量多品種
製品を作ることになり、LSI開発に必要な膨大な開発費
を少量のLSIで負担する結果、専用LSIの高価格化を招い
ていた。
However, as is well known, semiconductor devices, particularly LSIs, can be manufactured at low cost by mass production. As a matter of course, making the parts specific to various equipment systems into LSIs will lead to the production of high-mix, low-volume products. I was invited.

このような状況で生まれたのがいわゆるマスタースライ
ス方式によるゲートアレイである。ゲートアレイの製造
工程はマスター工程とパーソナライズ工程の2つに分か
れる。
A gate array based on the so-called master slice method was born in such a situation. The gate array manufacturing process is divided into a master process and a personalization process.

第1図はマスター工程を終えた半導体チップ(マスター
チップ)の表面を示す概略図である。チップ中央部には
複数のセル列1(11,12,…,1n)が配列形成されてい
て、これが論理回路を構成する主要素である。各セル列
1はそれぞれ複数の基本セルの配列からなる。各セル列
1の間には、後のパーソナライズ工程で回路を特化する
ための配線を施す配線領域2が設けられている。またチ
ップ周辺には外部からの入力信号を受け入れるための入
力回路と外部へ出力信号を出すための出力回路を構成す
るI/Oセル3がセル列1を取り囲むように配列形成さ
れ、更にその外側にボンディング・パッド4が配列形成
されている。
FIG. 1 is a schematic view showing the surface of a semiconductor chip (master chip) that has completed the master process. A plurality of cell rows 1 (1 1 , 1 2 , ..., 1 n ) are arranged and formed in the central portion of the chip, and this is the main element constituting the logic circuit. Each cell row 1 is composed of an array of a plurality of basic cells. Between each cell row 1, a wiring region 2 is provided in which wiring for specializing a circuit in a later personalization step is provided. Further, around the chip, I / O cells 3 forming an input circuit for receiving an input signal from the outside and an output circuit for outputting an output signal to the outside are arrayed and formed so as to surround the cell row 1, and further outside thereof. Bonding pads 4 are formed in an array.

セル列1を構成する基本セルはまた複数の素子からなる
ものであり、その構成法にはいくつかの方法がある。CM
OS構造を用いた基本セルのパターン例を第2図に示し、
その等価回路を第3図に示す。この基本セルは、n型Si
基板に形成したpウエル11内にn+層121〜123とポリSiゲ
ート電極131,132からなる2個のnチャネルMOS FET−Q
n1,Qn2を形成し、pウエル11に隣接してp+層141〜143
とポリSiゲート電極151,152からなる2個のpチャネル
MOS FET−Qp1,Qp2を形成して構成されている。図から
明らかなように、基本セルはこのままでは具体的な論理
機能を果すものではなく、論理機能を実現する母体とな
るものである。
The basic cell that constitutes the cell array 1 is also composed of a plurality of elements, and there are several methods for constructing the basic cell. cm
Figure 2 shows an example of a basic cell pattern using the OS structure.
The equivalent circuit is shown in FIG. This basic cell consists of n-type Si
Two n-channel MOS FET-Qs consisting of n + layers 12 1 to 12 3 and poly-Si gate electrodes 13 1 and 13 2 in a p-well 11 formed on a substrate.
n 1 and Qn 2 are formed, and p + layers 14 1 to 14 3 are formed adjacent to the p well 11
And two p-channels consisting of poly-Si gate electrodes 15 1 and 15 2
It is configured by forming MOS FET-Qp 1 and Qp 2 . As is apparent from the figure, the basic cell does not perform a specific logical function as it is, but serves as a base for realizing the logical function.

以上のマスター工程を終えた半導体ウエハを用いて、こ
の上に金属配線を施してLSI回路を特化する工程がパー
ソナライズ工程である。ゲートアレイでは、顧客の注文
を受けてからの製作期間がこのパーソナライズ工程だけ
であることが、LSI開発期間の短縮につながるわけであ
る。この場合、もう一つ重要なことは、設計期間が短か
いことである。このためには次のような方法が採られて
いる。前述した基本セルを用いて論理回路を構成するた
めに必要な各種のゲート(例えばNOR回路及びNAND回路
を初めとする基本的な論理回路である単位論理回路や単
位論理回路を組み合わせたF/F回路など基本的な回路約1
50種)が設計され、そのデータはコンピュータにライブ
ラリとして登録されている。ゲートアレイの場合、この
用意されたゲートをマクロセルと称する。顧客の要求が
決まると、マクロセルを用いて全体回路を設計し、それ
らをCADシステムを用いて自動的に配置し、マクロセル
間の配線を施す。この配線のために第1図に示す配線領
域2が設けられている。現在の一般的なゲートアレイで
は二層の金属配線が用いられている。このような方法で
顧客の要求する機能を設計するため、設計期間の短縮が
図られることになる。
A personalization process is a process of using a semiconductor wafer that has undergone the above master process and providing metal wiring on it to specialize an LSI circuit. In the gate array, the manufacturing period after receiving the customer's order is only the personalization process, which leads to the shortening of the LSI development period. In this case, another important thing is that the design period is short. For this purpose, the following method is adopted. Various gates required to configure a logic circuit using the above-mentioned basic cell (for example, a unit logic circuit which is a basic logic circuit including a NOR circuit and a NAND circuit, or an F / F combining unit logic circuits) Basic circuit such as circuit About 1
50 species) were designed, and the data is registered as a library in the computer. In the case of a gate array, this prepared gate is called a macro cell. When the customer's requirements are decided, the whole circuit is designed by using macro cells, they are automatically arranged by using CAD system, and wiring between macro cells is performed. The wiring region 2 shown in FIG. 1 is provided for this wiring. The current general gate array uses two layers of metal wiring. Since the function requested by the customer is designed by such a method, the design period can be shortened.

基本セルを用いてマクロセルを構成するためには通常、
複数個の基本セルが用いられる。この場合、第1図のセ
ル列1の縦方向に並んだ複数の基本セルを用いるのが普
通である。簡単な例として、第2図および第3図に示し
たCMOS構造の基本セル1個を用いて2入力NORゲートを
設計した例を第4図および第5図に示す。161〜164は第
1層金属配線であって、161,162がそれぞれ電源線であ
るVDD(通常正電源)線、VSS(通常接地)線であり、16
3,164はセル内配線である。171および172はそれぞれ信
号入力端子となる第2層金属配線である。二層の金属配
線を用いるのは、セル列1の外側の配線領域2には多数
の第1層金属配線を設けておき、セル間接続のために各
セルの端子と配線領域2にある第1層金属配線との間の
接続を第2層金属配線で行うためである。なお第4図で
黒丸はコンタクト位置を示している。以下の図面でも同
じである。
To configure a macro cell using basic cells,
A plurality of basic cells are used. In this case, it is usual to use a plurality of basic cells arranged in the vertical direction of the cell row 1 in FIG. As a simple example, FIGS. 4 and 5 show an example in which a 2-input NOR gate is designed by using one basic cell having the CMOS structure shown in FIGS. 2 and 3. 16 1 to 16 4 are first-layer metal wirings, and 16 1 and 16 2 are power supply lines V DD (normal positive power supply) line and V SS (normal ground) line, respectively.
3 and 16 4 are the wiring in the cell. Reference numerals 17 1 and 17 2 denote second-layer metal wirings that serve as signal input terminals, respectively. The two-layer metal wiring is used because a large number of first-layer metal wirings are provided in the wiring area 2 outside the cell row 1 and the terminals of each cell and the wiring area 2 are provided for inter-cell connection. This is because the second layer metal wiring is used for connection with the first layer metal wiring. In FIG. 4, black circles indicate contact positions. The same applies to the following drawings.

以上のようにゲートアレイは、マスター工程では半製品
ではあるがいわば汎用品としてのマスターチップを大量
に作ることができ、パーソナライズ工程ではCADシステ
ムを利用して顧客の要求に合致した論理回路を短かい設
計期間で実現することができる。このため、各種電子機
器システムの専用LSIを短かい納期でしかも安価に供給
できるものとして注目されている。
As described above, a gate array can produce a large number of master chips, which are semi-finished products in the master process, but are so-called general-purpose products. It can be realized in the design period. For this reason, attention has been paid to the fact that dedicated LSIs for various electronic device systems can be supplied at low cost with a short delivery time.

しかしながら、機器システムのLSI化の傾向が一層強ま
るにつれて、ゲートアレイの更なる大規模化、高性能
化、低価格化が要求されてきている。
However, as the trend toward LSI for device systems further increases, there is a demand for further large scale, high performance, and low cost of gate arrays.

例えば第1図に示すように、従来のゲートアレイでは基
本セル列1の部分と配線領域2とはほぼ同じ面積となっ
ており、LSIとしては配線部分の占有面積が非常に大き
い。また基本セル中の素子も大きい。これは次のような
理由による。通常の論理LSIでは、特性上およびチップ
面積の縮小の要請から大小さまざまなトランジスタが用
いられる。これに対しゲートアレイでは、基本セル内の
トランジスタは同じ大きさによることが必要なため、中
間的大きさが採られるからである。
For example, as shown in FIG. 1, in the conventional gate array, the area of the basic cell row 1 and the wiring area 2 are almost the same area, and the occupied area of the wiring portion is very large for an LSI. The elements in the basic cell are also large. This is for the following reasons. In a normal logic LSI, various sizes of transistors are used due to the characteristics and demand for reduction of the chip area. On the other hand, in the gate array, since the transistors in the basic cell need to have the same size, an intermediate size is adopted.

このような二つの理由、即ち配線部分の面積が大きいこ
と、トランジスタが大きいこと、によりゲートアレイの
規模は通常の論理LSIのそれの約1/5に抑えられている。
このように顧客の要求する規模を、ゲートアレイでは、
技術面の制約から十分満足していないのが現状である。
そしてゲートアレイの大規模化のためには、配線領域を
含むセルアレイ部の高密度化が特に重要となる。
Due to these two reasons, that is, the area of the wiring portion is large and the size of the transistor is large, the scale of the gate array is suppressed to about 1/5 of that of a normal logic LSI.
In this way, the scale required by the customer
At present, we are not fully satisfied due to technical restrictions.
In order to increase the scale of the gate array, it is especially important to increase the density of the cell array portion including the wiring region.

またゲートアレイでは前述のように、CMOS構造を用いた
ものが主流になりつつあるが、この場合大規模化の要求
に応えるために解決すべき大きな問題として、第1に素
子の微細化に伴うラッチアップ現象があり、第2に高集
積化のための配線技術がある。
As described above, the gate array using the CMOS structure is becoming the mainstream. In this case, the first problem is to solve the large-scale problem in order to meet the demand for large scale. There is a latch-up phenomenon, and secondly, there is a wiring technique for high integration.

ラッチアップ現象は周知のように、CMOSにおける寄生ト
ランジスタ効果である。この現象を簡単に説明する。第
6図に示すように、n型Si基板21にpウエル22を形成
し、このpウエル22内にnチャネルMOS FETを、これに
隣接するn型Si基板にpチャネルMOS FETをそれぞれ形
成してCMOSが得られる。図ではソースとなるn+層23,P+
層25のみ示してある。このとき各素子領域にはP+層24,n
+層26を設けてそれぞれ電源VSS,VDDに接続する。この
ようなCMOSにおいて、図示のようにpnpトランジスタTp
とnpnトランジスタTnとが寄生する。Rp,Rnはそれぞれp
ウエル22およびn型基板21内の横方向抵抗を示してい
る。この寄生トランジスタ回路を等価回路で示すと第7
図のようになる。いま、第7図のノードA、即ちpウエ
ル22に雑音電流が注入され、トランジスタTnがオンした
とすると、そのコレクタ電流によって抵抗Rnに電圧降下
が発生し、これがトランジスタTpをオンにする方向に働
く。これによりトランジスタTpがオンしてコレクタ電流
が流れると、抵抗Rpに電圧降下が発生し、これはトラン
ジスタTnをオンにする方向に働く。こうして正帰還がか
かる結果、この帰還利得が1以上であると、トランジス
タTp,Tn共にオンして電源VDD,VSSの間に大電流が流
れ、雑音電流がなくなった後にもこの大電流が維持され
るため、CMOSが破壊に至る。このようなラッチアップ現
象を生ずる外部雑音電流としては、例えばpウエル22内
のnチャネルMOS FETのドレイン近傍からpウエル22に
流れ込む正孔電流がある。これは、素子の微細化が進
み、ドレイン近傍の電界が強くなる程問題となる。
As is well known, the latch-up phenomenon is a parasitic transistor effect in CMOS. This phenomenon will be briefly described. As shown in FIG. 6, a p-well 22 is formed in an n-type Si substrate 21, an n-channel MOS FET is formed in the p-well 22, and a p-channel MOS FET is formed in an n-type Si substrate adjacent thereto. And CMOS can be obtained. In the figure, the source n + layer 23, P +
Only layer 25 is shown. At this time, the P + layer 24, n is
A + layer 26 is provided and connected to the power supplies V SS and V DD , respectively. In such a CMOS, as shown in the figure, the pnp transistor Tp
And npn transistor Tn are parasitic. Rp and Rn are p
The lateral resistance in the well 22 and the n-type substrate 21 is shown. The equivalent circuit of this parasitic transistor circuit is
It becomes like the figure. Now, assuming that the noise current is injected into the node A in FIG. 7, that is, the p-well 22 and the transistor Tn is turned on, a voltage drop occurs in the resistor Rn due to the collector current thereof, which turns on the transistor Tp. work. As a result, when the transistor Tp is turned on and a collector current flows, a voltage drop occurs in the resistor Rp, which acts to turn on the transistor Tn. As a result of the positive feedback, if the feedback gain is 1 or more, both the transistors Tp and Tn are turned on and a large current flows between the power supplies V DD and V SS , and this large current is generated even after the noise current disappears. As it is maintained, CMOS is destroyed. An external noise current that causes such a latch-up phenomenon is, for example, a hole current flowing into the p-well 22 from the vicinity of the drain of the n-channel MOS FET in the p-well 22. This becomes a problem as the device becomes finer and the electric field near the drain becomes stronger.

第2の問題点である配線技術上の問題は、第1図で説明
したように、セル列1の間にセル列1と同程度の占有面
積で配線領域2を設けているために素子のより一層の高
集積化が妨げられているということにある。
The second problem in the wiring technology is that the wiring region 2 is provided between the cell rows 1 in the same area as the cell rows 1 as described with reference to FIG. The reason is that further integration is hindered.

〔発明の目的〕[Object of the Invention]

本発明は上記した問題を解決し、設計の自由度を高くし
てより一層の大規模集積化と高性能化を図った、CMOS構
造をもつマスタースライス方式の半導体集積回路を提供
することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems and to provide a master slice type semiconductor integrated circuit having a CMOS structure, in which the degree of freedom in design is increased to achieve further large-scale integration and high performance. And

〔発明の構成〕[Structure of Invention]

半導体基板にPMOSトランジスタとNMOSトランジスタから
なるCMOS構造の基本セルを複数個形成しセル列を構成す
ると共に、該セル列の延びる方向に対して直行する方向
に該セル列を複数列形成してマスターチップとし、必要
な配線を施して所望の機能回路を構成する半導体集積回
路において、1つのセル列内では同一の導電型のトラン
ジスタが前記セル列の延びる方向に並ぶように前記CMOS
構造を形成し、前記セル列の延びる方向に対して直行す
る方向の隣接するセル列相互間では配線領域を設けるこ
となく密に且つ一方のセル列のCMOS構造と他方のセル列
のCMOS構造とが鏡像関係になるように前記セル列のCMOS
構造を形成し、前記基本セルのトランジスタのゲート電
極を形成するための配線層より上層に設ける配線層を三
層以上の多層構造とし、電源線を前記セル列内のNMOSト
ランジスタが並ぶNMOS領域及びPMOSトランジスタが並ぶ
PMOS領域の境界近傍のPMOS領域側に、接地線を該境界近
傍のNMOS領域側に、それぞれ該セル列の延びる方向に形
成するとともに、前記基本セルのうち任意のものを組合
わせて前記機能回路の構成要素となる単位論理回路を構
成したことを特徴とする。
A master cell is formed by forming a plurality of basic cells having a CMOS structure composed of PMOS transistors and NMOS transistors on a semiconductor substrate to form a cell row, and forming a plurality of cell rows in a direction orthogonal to the extending direction of the cell row. In a semiconductor integrated circuit in which a chip is provided with necessary wirings to form a desired functional circuit, the CMOS is formed so that transistors of the same conductivity type are arranged in one cell row in the extending direction of the cell row.
Forming a structure, between adjacent cell columns in a direction orthogonal to the extending direction of the cell columns densely and without providing a wiring region, a CMOS structure of one cell column and a CMOS structure of the other cell column Of the cell array so that
Forming a structure, the wiring layer provided above the wiring layer for forming the gate electrode of the transistor of the basic cell is a multilayer structure of three or more layers, the power supply line is an NMOS region in which the NMOS transistors are arranged in the cell row and Lined up PMOS transistors
A ground line is formed on the side of the PMOS region near the boundary of the PMOS region, on the side of the NMOS region near the boundary in the direction in which the cell columns extend, and the functional circuit is formed by combining any of the basic cells. It is characterized in that a unit logic circuit which is a constituent element of the above is constructed.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、隣接する基本セルを背中合せとして、
従来のような配線領域をなくし三層以上の多層配線構造
とすることで従来に比べて大幅な高集積化が図られる。
この場合、背中合せにした基本セルの間でpウエル又は
nウエルを共用することも高集積化に寄与することにな
る。また本発明ではセル列の間に配線領域がなく、隣接
するセル列間で基本セルを組合せたマクロセルを含ませ
ることにより、従来に比べて設計の自由度が増し、これ
も高集積化に寄与する。
According to the present invention, adjacent basic cells as back to back,
By eliminating the conventional wiring region and using a multi-layered wiring structure of three layers or more, it is possible to achieve a significantly higher degree of integration than in the past.
In this case, sharing the p well or n well between the back-to-back basic cells also contributes to high integration. Further, according to the present invention, there is no wiring region between the cell columns, and the inclusion of the macro cell in which the basic cells are combined between the adjacent cell columns increases the degree of freedom in design as compared with the conventional one, which also contributes to high integration. To do.

従って本発明によれば、従来に比べて大幅に高性能化、
高集積化を図ったゲートアレイを実現することができ
る。又、電源線を中央部を横切って配線すれば寄生トラ
ンジスタがオンしたときのコレクタ電流が各素子領域内
を横方向に長いパスをもって流れることなく、電源線に
流出するため、正帰還量が小さくなり、従って微細化し
たCMOS構造であってもラッチアップ現象が効果的に防止
される。また基本セルを背中合せの配置することで、セ
ル列の2本の電源線のうち一方のみをセル列方向に連続
的に配設し、隣接するセル列の電源線からセル列と直交
する方向に導出した枝配線をもう一方の電源線として利
用することができ、これも高集積化に寄与する。
Therefore, according to the present invention, the performance is significantly improved as compared with the conventional one,
It is possible to realize a highly integrated gate array. In addition, if the power supply line is wired across the central portion, the collector current when the parasitic transistor turns on does not flow in a laterally long path in each element region and flows out to the power supply line, so the positive feedback amount is small. Therefore, even in the miniaturized CMOS structure, the latch-up phenomenon is effectively prevented. Also, by arranging the basic cells back to back, only one of the two power supply lines of the cell row is continuously arranged in the cell row direction, and the power supply line of the adjacent cell row is arranged in the direction orthogonal to the cell row. The derived branch wiring can be used as the other power supply line, which also contributes to high integration.

〔発明の実施例〕Example of Invention

以下本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.

第8図は一実施例の基本セルにおけるCMOS構造を示して
いる。n型Si基板31にpウエル32を形成し、pウエル32
内にnチャネルMOS FETを、これに隣接してn型Si基板3
1内にnチャネルMOS FETをそれぞれ形成することは従来
と変らない。図ではそれぞれのソースとなるn+層33とp+
層35のみを示してある。従来の第6図と異なるのは、p
ウエル32およびn型Si基板31をそれぞれ電源線VSSおよ
びVDDに接続するためのp+層34およびn+層36を、図示の
ように各素子領域の境界近傍に設けていることである。
FIG. 8 shows the CMOS structure in the basic cell of one embodiment. A p-well 32 is formed on the n-type Si substrate 31, and the p-well 32 is formed.
N-channel MOS FET inside, n-type Si substrate 3 adjacent to this
Forming each n-channel MOS FET in 1 is no different from the conventional method. In the figure, n + layer 33 and p + that are the respective sources
Only layer 35 is shown. The difference from the conventional FIG. 6 is that p
The p + layer 34 and the n + layer 36 for connecting the well 32 and the n-type Si substrate 31 to the power supply lines V SS and V DD , respectively, are provided in the vicinity of the boundary of each element region as shown in the drawing. .

このCMOS構造により、ラッチアップ現象が効果的に防止
される理由は次のとおりである。図示のように寄生トラ
ンジスタTn,Tpが発生し、それぞれのベースに横方向抵
抗Rp,Rnが入ることは従来と同じである。いま、トラン
ジスタTnが外部雑音電流によりオンした場合、そのコレ
クタ電流はn型Si基板31内を流れるが、この電流はpウ
エル32に隣接して設けられたn+層36から効果的に供給さ
れる。従って第6図の場合に比べ、横方向抵抗Rnによる
電圧降下が小さく、トランジスタTpへの順バイアスは小
さい。同様に、トランジスタTpがオンした場合、そのコ
レクタ電流はpウエル32内を流れるが、pチャネル素子
領域に近いp+層34に吸収される結果、横方向抵抗Rpでの
電圧降下は小さく、トランジスタTnへの順バイアスは小
さい。以上の理由で寄生トランジスタ回路の正帰還利得
が小さいため、ラッチアップ現象は生じにくくなる。
The reason why the CMOS structure effectively prevents the latch-up phenomenon is as follows. As shown in the figure, parasitic transistors Tn and Tp are generated, and lateral resistances Rp and Rn enter the respective bases, as in the conventional case. Now, when the transistor Tn is turned on by an external noise current, its collector current flows in the n-type Si substrate 31, but this current is effectively supplied from the n + layer 36 provided adjacent to the p well 32. It Therefore, compared to the case of FIG. 6, the voltage drop due to the lateral resistance Rn is small and the forward bias to the transistor Tp is small. Similarly, when the transistor Tp is turned on, its collector current flows in the p well 32, but is absorbed by the p + layer 34 close to the p channel element region, and as a result, the voltage drop at the lateral resistance Rp is small, and The forward bias on Tn is small. For the above reason, since the positive feedback gain of the parasitic transistor circuit is small, the latch-up phenomenon hardly occurs.

次に基本セル配列と配線構造について説明する。第9図
は従来構造の基本セルのセル列41(411,412,…)をそ
の間の配線領域を詰めて配列した様子を示している。即
ち各セル列41の基本セルは例えば第2図に示す如きCMOS
構造であり、図中のn−ch,p−chはそれぞれnチャネル
素子領域、pチャネル素子領域を表示している。以下の
図でも同様である。VSS電源線42(421,422,…)およ
びVDD電源線43(431,432,…)は基本セルの両端側で
各基板層にコンタクトさせてセル列方向に配設してい
る。このようにセル列の間を詰めるだけでも高集積化に
一定の効果が期待できる。この考え方を本実施例のセル
構造を用いた場合に適用すると第10図のようになる。セ
ル列51(511,512,…)に対してVSS電源線52(521,52
2,…)およびVDD電源線53(531,532,…)はそれぞれ
基本セルのnチャネル素子領域とpチャネル素子領域の
境界(破線で示す)近傍で各基板層にコンタクトさせ、
基本セルの中央部を横切るように配設している。
Next, the basic cell array and the wiring structure will be described. FIG. 9 shows a state in which the cell rows 41 (41 1 , 41 2 , ...) Of the basic cells of the conventional structure are arranged with the wiring region between them being filled. That is, the basic cell of each cell row 41 is, for example, a CMOS as shown in FIG.
This is a structure, and n-ch and p-ch in the figure represent an n-channel element region and a p-channel element region, respectively. The same applies to the following figures. The V SS power supply line 42 (42 1 , 42 2 , ...) And the V DD power supply line 43 (43 1 , 43 2 , ...) Are arranged in the cell column direction by contacting each substrate layer at both ends of the basic cell. ing. As described above, a certain effect can be expected for high integration simply by filling the space between the cell rows. When this idea is applied to the case where the cell structure of this embodiment is used, it becomes as shown in FIG. V SS power supply line 52 (52 1 , 52) for the cell row 51 (51 1 , 51 2 , ...)
2 , ...) and V DD power supply lines 53 (53 1 , 53 2 , ...) Contact the respective substrate layers in the vicinity of the boundary (indicated by a broken line) between the n-channel element region and the p-channel element region of the basic cell,
It is arranged so as to cross the central portion of the basic cell.

しかしこれだけでは、未だ高集積化は十分ではない。そ
こで本実施例では、第11図に示すように、セル列61(61
1,612,…)を隣接するものが背中合せに対称的配置と
して密に配列する。VSS電源線62(621,622,…)およ
びVDD電源線63(631,632,…)は第10図と同様、基本
セルの中央部を横切るように配設する。
However, this alone is not enough for high integration. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG.
1, 61 2, ...) is adjacent ones of the densely arranged as symmetrically disposed back to back. The V SS power supply line 62 (62 1 , 62 2 , ...) And the V DD power supply line 63 (63 1 , 63 2 , ...) Are arranged so as to cross the central portion of the basic cell as in FIG.

基本セルとして第2図および第3図に示した構造を用い
た場合のより具体的な実施例について、第11図のセル列
612と613の隣接する2つの基本セル部分の構造を第12図
に示す。隣接する基本セルは1つのpウエル64を共有
し、このpウエル64内に4個のnチャネルMOS FETを形
成し、その両側にそれぞれ2個ずつpチャネルMOS FET
を形成して、第3図に示す回路が2個背中合わせに並設
されている。また第12図では、右側の基本セルで第4
図、第5図により説明した2入力NORゲートに相当する
マクロセルを構成した例の配線を示している。例えば、
電源線62,63およびセル内のゲート電極を接続する配線6
5を第1層金属配線とし、出力端となる配線66と入力端
となる配線671,672を第2層金属配線とする。そしてこ
のようなマクロセル間の配線を、第3層以上の金属配線
で行う。これにより、セル列上をそのまま配線領域とし
て所望の論理機能を実現することができる。
For a more specific embodiment in which the structure shown in FIGS. 2 and 3 is used as the basic cell, the cell row of FIG.
The structure of two adjacent basic cell portions of 61 2 and 61 3 is shown in FIG. Adjacent basic cells share one p-well 64, four n-channel MOS FETs are formed in this p-well 64, and two p-channel MOS FETs are formed on each side of the n-channel MOS FETs.
And two circuits shown in FIG. 3 are arranged back to back. Also, in FIG. 12, in the basic cell on the right side,
The wiring of the example which comprises the macrocell equivalent to the 2-input NOR gate demonstrated by FIG. 5 and FIG. 5 is shown. For example,
Wiring 6 that connects the power supply lines 62 and 63 and the gate electrode in the cell
5 is the first layer metal wiring, and the wiring 66 serving as the output terminal and the wirings 67 1 and 67 2 serving as the input terminals are the second layer metal wirings. Then, the wiring between such macro cells is performed by the metal wiring of the third layer or more. As a result, a desired logical function can be realized by using the cell row as it is as a wiring area.

次にこの実施例において2個以上の基本セルを用いるマ
クロセルの構成部分を説明する。前述のように従来は、
セル列間に配線領域があるため、マクロセルの回路が大
きい場合、1つのセル列内の2以上の基本セルを用いて
マクロセルを構成している。しかし本発明では、第11図
に示すようにセル列を密に配置していることから、隣接
するセル列の間で基本セルを複数個用いてマクロセルを
構成することができる。即ち、同じ数の基本セルを用い
て同じ回路を設計する場合、基本セルの組合せの自由度
が高くなっている。この考え方は更に発展させることが
できる。例えば6個の基本セルを用いるマクロセルで
は、列方向に6個の基本セルを用いる場合、行方向に6
個の基本セルを用いる場合の他、2列3行あるいは3列
2行の基本セルを用いる場合も存在する。更に次のよう
な場合も存在する。第4図、第5図に示す2入力NORゲ
ートでは1つの基本セル中の4個のトランジスタを用い
ている。この場合、2つのnチャネルMOSトランジスタ
は並列に、2つのpチャネルMOSトランジスタは直接に
接続される。したがってpチャネルMOSトランジスタの
直列接続部分の抵抗が高くなり、この結果出力電圧が高
レベルに上がる速度が遅くなる。これを避けるために
は、第13図に示すように、nチャネルMOSトランジスタ
を4個用いる方法がある。即ちpチャネルMOSトランジ
スタQp11,Qp12を並列接続し、同様にQp21,Qp22を並列
接続してこれらを直列接続する。このようなNORゲート
を第2図に示す基本セル構造を用い、1つのセル列内で
2つの基本セルを用いて構成すると第14図のようにな
る。第14図中のトランジスタ表示は第13図のそれと対応
する。この場合第14図においてMOSトランジスタQn12,Q
n22が未使用となる。
Next, the constituent parts of the macro cell using two or more basic cells in this embodiment will be described. As mentioned previously,
Since there is a wiring region between cell columns, when the macrocell circuit is large, two or more basic cells in one cell column are used to configure the macrocell. However, in the present invention, since the cell rows are densely arranged as shown in FIG. 11, it is possible to configure a macro cell by using a plurality of basic cells between adjacent cell rows. That is, when the same circuit is designed using the same number of basic cells, the degree of freedom in combining the basic cells is high. This idea can be further developed. For example, in a macro cell using 6 basic cells, when 6 basic cells are used in the column direction, 6 in the row direction.
In addition to the case of using one basic cell, there is also a case of using two columns and three rows or three columns and two rows of basic cells. Furthermore, there are the following cases. The two-input NOR gate shown in FIGS. 4 and 5 uses four transistors in one basic cell. In this case, the two n-channel MOS transistors are connected in parallel and the two p-channel MOS transistors are directly connected. Therefore, the resistance of the p-channel MOS transistor connected in series becomes high, and as a result, the speed at which the output voltage rises to a high level becomes slow. In order to avoid this, there is a method of using four n-channel MOS transistors as shown in FIG. That is, p-channel MOS transistors Qp 11 and Qp 12 are connected in parallel, Qp 21 and Qp 22 are connected in parallel, and these are connected in series. When such a NOR gate is constructed by using the basic cell structure shown in FIG. 2 and using two basic cells in one cell row, it becomes as shown in FIG. The transistor representation in FIG. 14 corresponds to that in FIG. In this case, in FIG. 14, MOS transistors Qn 12 , Q
n 22 is unused.

これに対し、同様のNORゲートを隣接するセル列の2つ
の基本セルを用いて構成した本発明の実施例を第15図に
示す。ここでもトランジスタ表示は第13図のそれと対応
させている。この第15図の実施例でもnチャネルMOSト
ランジスタQn12,Qn22は未使用のまま残る。
On the other hand, FIG. 15 shows an embodiment of the present invention in which a similar NOR gate is constructed by using two basic cells in adjacent cell rows. Again, the transistor display corresponds to that in FIG. Also in the embodiment shown in FIG. 15, the n-channel MOS transistors Qn 12 and Qn 22 remain unused.

第14図と第15図のマクロセル構成における使用トランジ
スタと未使用トランジスタの配置関係をわかり易く示す
と、それぞれ第16図と第17図のようになる。第16図と第
17図において斜線を施した部分のnチャネルMOSトラン
ジスタQn12,Qn22が未使用である。これらを比較する
と、1つのセル列内でマクロセルを構成する従来方式に
よる第16図の場合、nチャネルMOSトランジスタQn12
もはや使い道がない。ところが本実施例による第17図の
構成では、未使用のトランジスタQn12,Qn22はいずれも
他のマクロセルの構成に有効に利用することが可能であ
る。例えば、2入力NANDゲートを構成する場合を考え
る。通常、2入力NANDゲートはnチャネルMOSトランジ
スタが2個直列接続され、pチャネルMOSトランジスタ
が2個並列接続される。この場合、nチャネルMOSトラ
ンジスタが2個直列接続されることによる抵抗増大を避
けるために、先の第13図のNORゲートと同様の考え方に
従ってnチャネルMOSトランジスタを4個用いる。そし
てこのようなNANDゲートを隣接する2つの基本セルによ
り構成しようとすると、第17図に示すNORゲートの場合
と対称的に、内側の2個のnチャネルMOSトランジスタ
が未使用となる。そこでこの2入力NANDゲートと先の2
入力NORゲートを接触させて、2列2行の基本セルを用
いて配置すると、第18図に示すようにNORゲートG1とNAN
DゲートG2とを、4角形を維持しながら3個の基本セル
面積分で全く無駄なく設計することが可能となる。
The layout relationships between the used transistors and the unused transistors in the macrocell configurations of FIGS. 14 and 15 are shown in FIGS. 16 and 17, respectively, for easy understanding. Fig. 16 and
In FIG. 17, the shaded portions of the n-channel MOS transistors Qn 12 and Qn 22 are unused. Comparing these, in the case of FIG. 16 according to the conventional method in which a macro cell is formed in one cell row, the n-channel MOS transistor Qn 12 is no longer useful. However, in the configuration of FIG. 17 according to this embodiment, both the unused transistors Qn 12 and Qn 22 can be effectively used for the configuration of another macro cell. For example, consider the case of configuring a 2-input NAND gate. In general, two-input NAND gates have two n-channel MOS transistors connected in series and two p-channel MOS transistors connected in parallel. In this case, in order to avoid an increase in resistance due to the serial connection of two n-channel MOS transistors, four n-channel MOS transistors are used according to the same concept as the NOR gate in FIG. If an attempt is made to construct such a NAND gate with two adjacent basic cells, the inner two n-channel MOS transistors are unused, symmetrically with the case of the NOR gate shown in FIG. So this 2-input NAND gate and the previous 2
When the input NOR gates are brought into contact with each other and arranged using basic cells of 2 columns and 2 rows, as shown in FIG. 18, NOR gates G 1 and NAN are arranged.
It becomes possible to design the D gate G 2 and the basic cell area for three basic cells without waste while maintaining the square shape.

以上説明したようにこの実施例によれば、CMOS構造の基
本セルでの電源線コンタクト位置を改良することで、素
子を微細化したときにもラッチアップ現象を効果的に防
止することができ、また基本セルの配列を改良し三層以
上の金属配線層を施すことにより、ゲートアレイの高性
能化、高集積化を図ることができる。
As described above, according to this embodiment, by improving the power supply line contact position in the basic cell having the CMOS structure, it is possible to effectively prevent the latch-up phenomenon even when the device is miniaturized. Further, by improving the arrangement of the basic cells and providing three or more metal wiring layers, it is possible to achieve high performance and high integration of the gate array.

また、この実施例によれば、従来のような配線領域をな
くして、隣接するセル列の基本セルを組合せたマクロセ
ルを構成することにより、設計の自由度の増大、基本セ
ルの高効率利用が可能となり、ゲートアレイの大規模化
に大きく寄与することができる。
Further, according to this embodiment, the conventional wiring area is eliminated and the macro cell is formed by combining the basic cells of the adjacent cell rows, so that the degree of freedom in design can be increased and the basic cells can be efficiently used. This is possible and can greatly contribute to the scale-up of the gate array.

なお、第11図に示す電源線62,63の配設パターンは更に
改良することができる。例えば第19図に示すように、セ
ル列方向に走る電源線は各セル列に一本とする。即ち、
セル列611,613,…にはVDD側電源線631,633,…を、
これらと左右対称パターンのセル列612,614,…にはV
SS側電源線622,624,…をそれぞれセル列方向に走ら
せ、これらの電源線から横方向に導出させた枝配線によ
りそれぞれ隣接するセル列の必要な基本セルに電源を供
給する。第20図は更に第19図の変形例であり、横方向に
導出する枝配線をセル列の上下に隣接する基本セルの境
界上をはわせ、一つの枝配線から上下の基本セルに同時
に電源を供給するようにしたものである。これを更に発
展させれば、第21図に示すように横方向に導出する枝配
線を半分に減らすことも可能である。
The arrangement pattern of the power supply lines 62, 63 shown in FIG. 11 can be further improved. For example, as shown in FIG. 19, there is one power supply line running in the cell column direction for each cell column. That is,
V DD side power supply lines 63 1 , 63 3 , ... Are connected to the cell columns 61 1 , 61 3 ,.
A V in the cell rows 61 2 , 61 4 , ...
SS power line 62 2, 62 4, run ... to cell column direction, and supplies power to the required basic cells of the cell column adjacent each by a branch wiring is led out laterally from these power lines. FIG. 20 is a modification of FIG. 19, in which the branch lines that are derived in the horizontal direction are placed on the boundaries of the basic cells that are adjacent to each other in the upper and lower parts of the cell row, and one branch line simultaneously supplies power to the upper and lower basic cells. Is to be supplied. If this is further developed, it is possible to reduce the number of branch wirings extending in the horizontal direction to half as shown in FIG.

また以上の説明では、pウエル方式のCMOSを専ら例示し
たが、本発明はnウエル方式やツインタブ方式のCMOSを
用いた場合にも同様に適用することができる。
Further, in the above description, the p-well type CMOS is exclusively exemplified, but the present invention can be similarly applied to the case of using the n-well type or twin-tab type CMOS.

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

第1図は従来のゲートアレイにおけるマスターチップの
概略パターンを示す図、第2図はCMOSを用いた基本セル
の構成例を示す図、第3図はその基本セルの等価回路
図、第4図は同じくその基本セルを用いて2入力NORゲ
ートを構成したマクロセルの配線を示す図、第5図はそ
のマクロセルの等価回路図、第6図は従来の基本セルで
のCMOS構造を示す図、第7図はそのCMOS構造のラッチア
ップ現象を説明するための寄生トランジスタ回路を示す
図、第8図は本発明の一実施例の基本セルにおけるCMOS
構造を示す図、第9図は従来の基本セル構造でセル列間
を詰めたセル列の配置を示す図、第10図は本発明の実施
例に用いる基本セル構造でセル列間を詰めたセル列の配
置を示す図、第11図は本発明の一実施例におけるセル列
の配置を示す図、第12図はその隣接するセル列間の二つ
の基本セル部分の具体的なパターン例を示す図、第13図
はこの実施例で用いる2入力NORゲートの等価回路図、
第14図はこのNORゲートを従来方式により構成したパタ
ーンを示す図、第15図はこの実施例により構成したパタ
ーンを示す図、第16図と第17図は上記第14図と第15図の
使用トランジスタ分布を示す図、第18図はこの実施例に
よるNORゲートとNANDゲートを隣接配置したときの使用
トランジスタ分布を示す図、第19図〜第21図は第11図の
電源配線を変形した実施例を示す図である。 31…n型Si基板、32…pウエル、33…n+層(ソース)、
34…p+層(電源線コンタクト領域)、35…p+層(ソー
ス)、36…n+層(電源線コンタクト領域)、61(611,6
12,…)…セル列、62(621,622,…)…電源線
(VSS)、63(631,632,…)…電源線(VDD)、64…p
ウエル、65…第1層金属配線、66…第2層金属配線、67
1,672…第3層金属配線。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic pattern of a master chip in a conventional gate array, FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a basic cell using CMOS, FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the basic cell, and FIG. Is a diagram showing the wiring of a macro cell in which a 2-input NOR gate is also constructed using the basic cell, FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the macro cell, and FIG. 6 is a diagram showing a CMOS structure in a conventional basic cell. FIG. 7 is a diagram showing a parasitic transistor circuit for explaining the latch-up phenomenon of the CMOS structure, and FIG. 8 is a CMOS in a basic cell of one embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing the structure, FIG. 9 is a diagram showing the arrangement of cell rows in which the cell rows are packed in the conventional basic cell structure, and FIG. 10 is a basic cell structure used in the embodiment of the present invention in which the cell rows are packed. FIG. 11 is a diagram showing the arrangement of cell columns, FIG. 11 is a diagram showing the arrangement of cell columns in one embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a specific pattern example of two basic cell parts between adjacent cell columns. FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of a 2-input NOR gate used in this embodiment,
FIG. 14 is a diagram showing a pattern in which this NOR gate is constructed by a conventional method, FIG. 15 is a diagram showing a pattern constructed in this embodiment, and FIGS. 16 and 17 are the same as FIGS. 14 and 15 above. FIG. 18 is a diagram showing a distribution of used transistors, FIG. 18 is a diagram showing a distribution of used transistors when a NOR gate and a NAND gate according to this embodiment are arranged adjacent to each other, and FIGS. 19 to 21 are modified power supply wirings of FIG. It is a figure which shows an Example. 31 ... n type Si substrate, 32 ... p well, 33 ... n + layer (source),
34 ... p + layer (power line contact area), 35 ... p + layer (source), 36 ... n + layer (power line contact area), 61 (61 1 , 6)
1 2 , ...) ... Cell row, 62 (62 1 , 62 2 , ...) ... Power line (V SS ), 63 (63 1 , 63 2 , ...) ... Power line (V DD ), 64 ... p
Well, 65 ... First layer metal wiring, 66 ... Second layer metal wiring, 67
1 , 67 2 … Third layer metal wiring.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板にPMOSトランジスタとNMOSトラ
ンジスタからなるCMOS構造の基本セルを複数個形成しセ
ル列を構成すると共に、該セル列の延びる方向に対して
直行する方向に該セル列を複数列形成してマスターチッ
プとし、必要な配線を施して所望の機能回路を構成する
半導体集積回路において、 1つのセル列内では同一の導電型のトランジスタが前記
セル列の延びる方向に並ぶように前記CMOS構造を形成
し、 前記セル列の延びる方向に対して直行する方向の隣接す
るセル列相互間では配線領域を設けることなく密に且つ
一方のセル列のCMOS構造と他方のセル列のCMOS構造とが
鏡像関係になるように前記セル列のCMOS構造を形成し、 前記基本セルのトランジスタのゲート電極を形成するた
めの配線層より上層に設ける配線層を三層以上の多層構
造とし、 電源線を前記セル列内のNMOSトランジスタが並ぶNMOS領
域及びPMOSトランジスタが並ぶPMOS領域の境界近傍のPM
OS領域側に、接地線を該境界近傍のNMOS領域側に、それ
ぞれ該セル列の延びる方向に形成するとともに、 前記基本セルのうち任意のものを組合わせて前記機能回
路の構成要素となる単位論理回路を構成したことを特徴
とする半導体集積回路。
1. A plurality of basic cells having a CMOS structure composed of a PMOS transistor and an NMOS transistor are formed on a semiconductor substrate to form a cell row, and the plurality of cell rows are arranged in a direction orthogonal to the extending direction of the cell row. In a semiconductor integrated circuit in which columns are formed into a master chip and necessary wirings are formed to form a desired functional circuit, transistors of the same conductivity type are arranged in one cell column so that they are arranged in the extending direction of the cell column. A CMOS structure is formed, and a CMOS structure of one cell column and a CMOS structure of the other cell column are densely formed without providing a wiring region between adjacent cell columns in a direction orthogonal to the extending direction of the cell column. Forming a CMOS structure of the cell row so that and are in a mirror image relationship, and providing three or more wiring layers provided above the wiring layer for forming the gate electrode of the transistor of the basic cell. The power supply line has a PM structure near the boundary between the NMOS region in which the NMOS transistors are arranged and the PMOS region in which the PMOS transistors are arranged in the cell line.
A unit forming a ground line on the OS region side on the NMOS region side near the boundary in the extending direction of the cell column and combining any of the basic cells to be a constituent element of the functional circuit. A semiconductor integrated circuit comprising a logic circuit.
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