JPS5943548A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JPS5943548A
JPS5943548A JP57153921A JP15392182A JPS5943548A JP S5943548 A JPS5943548 A JP S5943548A JP 57153921 A JP57153921 A JP 57153921A JP 15392182 A JP15392182 A JP 15392182A JP S5943548 A JPS5943548 A JP S5943548A
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池田 満弘
Akihiko Takano
明彦 高野
Yoji Nishio
洋二 西尾
Ikuo Masuda
増田 郁郎
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (発明の対象) 本発明は、半導体集積回路装置、特に多品種少量生産品
のLSI化に適するセミカスタムLSI、換言すればゲ
ートアレイLSIに関し、特にRAM、レジスタなどの
記憶回路に好適な高集積ゲートアレイを対象とする。
(従来技術) マスタスライスLSIとは、LSIを製造する時に用い
る10数枚のマスクのうちで配線に相当するマスクのみ
全開発品種に応じて作成して所望の電気回路動作を有す
るLSIを製造するものである。
従来のマスタスライスLSIの構成を第1図に示す。L
SIチップ1は、その外周にボンディングバッドおよび
入出力回路領域5を持ち、内部にはトランジスタ等の素
子から成る活本セル2をX軸方向に配列した基本セル列
3を配線領域4をはさんで繰返し配置した構成を採って
いる。所望の電気回路動作を得るために、隣接した基本
セル2を1個あるいは数個結線してNANDゲートやフ
リップフロップなどを形成する。そして複数個の基本セ
ル2で形成した各種論理ゲーム間を論理図に従って結線
することによって1つのLSIを形成する。
第2図に一例として基本セル2の平面図を示す。
基本セル2は、P形MOSトランジスタのソースあるい
はドレインとなるP+形領城6、N形MOSトランジス
タのソースあるいはドレインとなるN+形領域7、N+
形領域7を形成するためにN形基板内に形成されるP−
WELL領域12、P及びN形MOSトランジスタで共
有する2本のポリSiゲート電極8、両トランジスタに
電源を供給するVCC電源線10、GND電源線11、
ソースあるいはドレインとなるP+、N+拡散層6、7
とAl配線(図示せず)とを接続するためのコンタクト
孔9及びゲート電極8とAl配線とを接続するためのコ
ンタクト孔9′から構成されている。
第3図は基本セル2の断面構造、配線領城4及び配線層
の構造を展開して示したものである。第2図と同じもの
に同じ符号で示す。N形基板20の一方の表面側にトラ
ンジスタ等の素子が形成される。フィールド酸化膜21
は基板20の一方の表面上に存在し、1μm程度の膜厚
である。トランジスタのゲート電極8の下にはゲート酸
化膜31があり、膜厚は500〜1000Åである。ゲ
ート電極8等を構成するポリSi配線の上には絶縁膜2
2があり、この上にAlで畏手力向をセル列と平行に電
源配線10、11やAl配線25及び26等の第1配線
が形成される。ポリSi配線8或いは拡散層6,7と第
1配線とを接続する必要のある時は絶縁膜22にコンタ
クト孔9,9′を開ける。第1配線層上には絶縁膜23
が、更にその上に長手方向がセル列と直交するようにA
lの第2配線29、30がそれぞれ形成されている。
第1配線と第2配線とを接続する必要のある時には絶縁
膜23にコンタクト孔28を開ける。最上層には絶縁膜
24がありトランジスタ、配線を保護している。通常の
ゲートアレイLSIでは第1配線、第2配線両者を接続
するために必要な部分にコンタクト孔28を設けた絶縁
膜23を、マスクを変更することにより品種毎に変えて
所望のLSIを得る。また、第1配線とポリSi配線、
凱拡散層を接続するために必要な部分にコンタクト孔9
、9′を設けた絶縁膜22も変えている例もある。
次に、第4図は第2図に示した基本セルで構成した基本
セル列を示したものである。ただし、論理的なシンボル
で表わしており、第2図と同一物および同等物には同一
番号を付けてある。基本セルの大きさ(横寸法LBC、
縦寸法YBC)は、集積度を上げるため小型にすること
が望ましい。
XBCは第2層金属配線(以下Al2と略す)のピッチ
幅と、横方向に何個のMOSトランジスタを並べるか、
すなわち基本セルで形成する論理ゲート種によって規定
される。通常、第2図、第4図の例に示すように、1基
本セルは2入力NAND1個を構成し、XBCは5ピッ
チ程度である。
一方、YBCはMOSトランジスタのチャンネル幅とブ
ロック設計用配線(通常はAl1が使われるが、一部A
l2を使うこともある)のチャンネル数によってほぼ決
る。チャンネル幅は要求されるゲート遅延によって決定
される。従来の基本セルでは第2図にP、Q、R、S、
T、Uの矢印で示すように6〜8本のチャンネル(Al
1配線用スルー)、を確保しているが、カウンタやJK
フリップフロップなどの大型で配線が混雑しているブロ
ックを設計する場合、基本セルが基本セル列方向に10
〜16個程度も並び、はみ出し配線が多くなる欠点があ
った。なお、はみ出し配線とは、ブロック内配線が内部
では困難のため、一部がブロックセル外(Al1の配線
領域4)へ飛び出ることを言う。そのため、Al1用ブ
ロック内チャンネルを充分取らねばならず、基本セルサ
イズの増大、集積度の低下をもたらした。
さらに従来の基本セルではRAM、ROM、PLAなど
の規則セル群を構成する場合、レジスタ、メモリ類に適
した基本セルになっていないとと、およびアドレス線と
データ線が規則的に走るのみでランダムゲート間の雑多
な相互配線が不要であることのため、配線領域4の大部
分が無駄になり面積効率が悪かった。
本発明の目的は、RAM、レジスタそれにカウンタなど
の大型ブロックが容易に、しかも小型に配線設計できる
ゲートアレイLSIのマスター方式を提供するにある。
もう一点は上記マスター方式において、可変調ブロック
方式(1ブロックあたり1機能論理ゲート)が可能で、
2NANDなどの小型ブロックを無駄なく効率よく構成
できるマスター方式を提供するにある)。
本発明は基本セル列を2段ないし複数段構成方式にすれ
ば、大型ブロックの配線パターン設計が容易で、はみ出
し配線も少なく小型化が得られることに着目したもので
ある。
第5図に、2段構成の場合の効果を説明するため、マス
ターの構成を示す。なお、前出のものと同一物および相
当物は同一番号で表わす(今後も特に断わらない限り、
この原則に従うものとする)。
第5図(a)は従来の1段構成のマスター方式、第5図
(b)は本発明による2段構成のマスター方式である。
前者の場合、通常1個の基本セルは2入力NAND1個
のブロック50−1を構成するようになっている。しか
し、大型ブロックの場合、50−2のように基本セルを
多数個組み合わせて形成する必要があるのに対し、基本
セル間の配線は第5図(a)の矢印で示す基本セル列方
向に限られるため、ブロック内配線が非常に困難になる
。基本セルの縦方向寸法YBCの増加はチップサイズを
増大させることは自明である。
一方、第5図(b)の場合は、単位セル52が2個隣接
して並設され、基本セル列3を形成する。なお、隣接す
る単位セルの下地パターンは同一でも、あるいは互いに
異なってもよい。たとえば、論理ブロック51−1は基
本セル2が1個から構成され、51−2は2個で構成さ
れる。論理ブロック51−2は4個の単位セルで構成さ
れるが、各単位セル間の配線は矢印で示すように4つの
方向に分散され、配線の混み具合が緩和される。また、
配線をブロック境界上端子位置まで引き延すための面積
余裕(オーバーヘッド)が第5図(a)に比して1/2
程度に低減できる。これは、同一機能論理ブロックの配
線領域4に面している長さが、第5図(5)の方が第5
図(a)の場合よりも50%ほど短いためである。以上
の点から、RAM、レジスタやカウンタなどの大型ブロ
ックが面積効率よく構成できる。
なお、上記では2段マスター方式を述べたが、複数段の
マスター方式も同様の効果があることに明らかである。
特に、RAM、ROM、レジスタファイルなどでは、デ
コードライン、アドレスラインそれにセル間の配線が規
則的に走り、本方式は好適である。
ところで、複数段マスター方式はRAM、レジスタなど
比較的大型のブロックの機能、配線しやすさに合致した
基本セル下地パターンを採用するので、面積効率はアッ
プする。一方、この場合1基本セルあたり1機能論理ゲ
ートを維持し、ゲート使用効率を上げるためには、基本
セルのサイズより基本ゲートの論理ブロックのサイズを
小さくする必要もある。以下、この点に対する解決策の
動作原理について示す。
第6図は1解決策を示すマスター構成を示す。
第6図(a)において、3−1は基本セル2から成る基
本セル列であり、金属配線を施す前の下地パターンであ
る。第6図(b)において、3−2は下地パターンの上
に配線工程を施して形成した論理ブロックセル列である
。基本セル2は、Y軸方向の線分によって2等分割され
たとき、分割セル2−1、2−2はX軸に関して線対称
の関係にあるように設計する。すなわち、上記分割セル
はそれぞれ、(対称、回転)が(0、0)、(2、0)
の関係にあるようにする。そして、同一論理機能ゲート
につき、分割セル2−1用と2−2用の2個のブロック
を登録しておき、分割セルを単位として数えて偶数番目
のときは前者のブロックを奇数番目のときは後者のセル
を配置して使いわける。これらの一連の番号は第6図(
a)に示してある。なお、2種類のブロックを用意しな
ければならないのは、VCC、GND電源線それぞれ1
0、11が固定されているため、両電源線に接続される
配線パターンを変える必要があるためである。通常、配
置配線プログラムによって、ブロックは自動的に配置さ
れ、ブロック間の配線も自動的に実施される。
2入力NANDなどの基本ゲートが1ブロックすなわち
、1個ごとに自動配置されるのでゲート使用効率がアッ
プする。第6図(b)はブロック配置結果の一例を示し
たもので、60−1、60−2はそれぞれ基本セル2−
1用、2−2用の2入力NANDのブロックセルであり
、61−1、61−2はそれぞれ2−1用、2−2用の
4入力NANDのブロックである。また、62−2は2
−2用のEORゲートである。
第7図はもう一つの解決策を示すもので、第6図と同一
物、同等物は同一番号で示す。第6図(a)基本セル2
から成る基本セル列3−1(下地パターン)を示し、第
6図(b)は論理ブロックのセル列3−2を示す。
基本セル2はY軸方向の線分で2等分したとき分割セル
2−3、2−4がY軸に関して線対称の関係にあるよう
に設計する。すなわち、両分割セルはそれぞれ、(0、
0)、(2、2)の関係にある。この場合は、分割セル
2−3用のブロックを登録しておき、分割セルサイズの
単位で数えて偶数番目のときは、該ブロックをそのまま
配置し、奇数番目のときは、(2、2)の対称、回転動
作を施して、すなわち該ブロックをY軸に関して折返し
て配置する。一連の番号は第6図(a)に示してある。
ブロックセル列3−2は、配置の一例を示したもので、
65−1、65−2はそれぞれ、対称、回転が(0、0
)、(2、2)の2入力NANDブロック、66−1、
66−2は同様の関係にある4入力NANDのブロック
、67−2は(2、2)変換後のEORゲートのブロッ
クである。本実施例では同一論理ゲートに対し1個のブ
ロックの登録でよい。
以上の2例では、2等分割したとき一定の回転対称関係
にある基本セルパターンについて説明したが、何もこれ
に限定されることはなく、複数分割したとき、各分割セ
ルの間に同様の対称、回転関係が存在する場合にも適用
できることは明らかである。この場合も分割セルサイズ
を最小基本ゲートのブロックとすることができる。
第8図は本発明の一実施例を示すもので、第8図(a)
は8入力NANDゲートの回路を、第8図(b)は該ゲ
ートのブロックを本発明のマスターで実施した場合のブ
ロック構成を示す。
8入力NAND73は入力A、B、C、D、E、F、G
、H、出力■を持ち、4入力NAND70−1、70−
2、2入力NOR71、インバータ72に分解される。
通常、直接8入力NANDを構成すると論理的しきい電
圧が高くなりまずいため、分解された形でブロック設計
される。第8図(b)に示すマスターは第4図に示した
基本セル列を2段に並設したもので、違う点は2連のP
またはNチャンネル型MOSトランジスタ間にポリSi
のアンダーパス75が配置されており、1段目と2段目
の間にスルー用ポリ−Si76が配信してある点である
。黒太の実線77はAl1配線であり、第8図(b)は
上記8入力NANDを構成したブロック配線パターンを
示す。A、B〜Iは入出力端子であり、第8図(a)の
記号に対応する。
その他の実施例を表わす基本セル列およびその回路配置
図を第9図に示す。
6はPMOSトランジスタのソースまたはドレイン電極
を形成するP+形拡散層、7はNMOSトランジスタの
ソースまたはドレイン電極を形成するN+形拡散層であ
る。8−1、8−2はポリ−Siゲート電極、8−3は
ポリ−Siのアンダーパス、9は拡散層上コンタクト孔
、9′はポリ−Si上コンタクト孔、10、11はそれ
ぞれVCCGND電源線である。基本セルは区間XBC
、区間YBCで表わされる領域であり、2連のPMOS
と3連のNMOSおよび1本のポリ−Siスル−8−3
から成る単位セルで構成される単位セル列を2段に隣接
して対向させ、かつ該単位セル列がX軸方向にXBC/
2だけ互いにずれた位置関係を保持している。すなわち
、単位セルのパターンは千鳥状に配置されている。した
がって、基本セルをY軸方向の線分で2等分割したとき
、分割セル78、79はX軸に対して対称である。
千鳥状に配置してあるため、通常のゲートブロック形成
する場合、ポリ−Si8−2、8−3の2本に等電位面
端子を出すためのスルーとして使うことができる。そし
て、後述するようにRAMのブロックを構成する場合は
、8−2は小サイズのNMOSトランジスタ(RAMの
構成要素)のゲート電極として使う。該NMOSトラン
ジスタは小サイズのため、ゲート容量は小さくスルーと
兼用ができる。
さらに、電源線10、11は内側のNMOSトランジス
タの上を走っている(電源線からMOSトシンジスタへ
の給電はAl1だけでなくAl2も使う)。まだ、外側
のPMOSトランジスタのドレインまたはソース電極上
のコンタクト孔が基本セルの内側へ寄せてあるので、P
MOSトランジスタ上の一部を配線領域4として使え、
基本セルの小型化ができる。
次に、第9図のマスタを使って種々の論理ゲートを構成
した例について説明していく。第10図はブロック内配
線の構成図であり、第11図はそのブロックシンボル図
である。
第10図において、黒太の実線77はAl1配線、通常
の実線83はAl2配線、X印84はAl1、Al2接
続用のコンタクト孔、一点鎖線はブロック間のレイアウ
ト上の境界である。下地基本セルは6ピッチで、最小論
理ブロック(2NAND1個)は3ピッチで構成する(
格子状の黒丸の間隔は1ピッチ幅)。なお、Al2配線
83はX印84から始まってX印84に終る。
領域80、81は2入力NANDの偶数番目配置用、奇
数番目配置用ブロックである。領域82は偶数番目配置
用Dタイプフリップフロップのブロックであり、2入力
NAND換算6ゲートで構成される。A、B、C、D、
CK、RES、Q、Qは出力端子名であり、第11図の
それらと対応する。
第10図からわかるように、Al2配線のはみ出し配線
12入力NANDで1本、Dタイプフリップフロップで
3本だけと少なく、等電位面も確保されている。Dタイ
プフリップフロップはインバータ86−1、86−2、
89−1、89−2、アンドゲート87−1、87−2
、NORゲート88−1、88−2で形成される。CK
=“1”のタイミングで88−1、88−2で構成され
るフリップフロップに、データ入力D=“1”のときは
“1”を、D=“0”のときは“0”をラッチする。
次に、RAMのブロックを構成した例について説明する
。第12図にRAM1ビットの回路を示す。90はNM
OSトランジスタ、91はインバータ、92はクロック
ドインバータ、93はデータバスライン94に付く負荷
容量である。また、100はグランド、96はリードラ
イト信号である。クロックドインバータ92について説
明する。
第13図はクロックドインバータの回路を示すもので、
NMOSトランジスタM3、M4、PMOSトランジス
タM1、M2から成る。100はグランド、101はV
CC電源線である。97はライトイネーブル信号で、9
8は該信号の反転信号であり、99はデータ入力である
。ライトイネーブル信号97がHレベルのとき(98は
Lレベル)、データ入力99のいかんによらず、出力9
5はオフ状態すなわちハイインピーダンス状態となる。
NMOSトランジスタM3とPMOSトランジスタへM
2がオフとなるためである。一方、ライトイネーブル信
号97がLレベルのとき(98はHレベル)は、NMO
SトランジスタM3とPMOSトランジスタM2がとも
にオンとなるので、出力95はデータ入力99に応じて
その反転レベルの出力となる。
さて、第12図のRAM1ピットにおいて書込みは、ラ
イトイネーブル信号97がHレベルとなり、リードライ
ト信号96がHレベルのときに行なわれる。このとき、
クロックドゲート92はオフとなりループが切れ、デー
タバスライン94上のデータはライン95および99の
容量に電荷となって書込まれる。書込みが終れば、信号
96、97はレベルに戻る。データはインバータ91、
クロックドインバータ92で形成されるループに保持さ
れる。一方、読出しは、リードライト信号96がHレベ
ル(ライトイネーブル信号97はLレベルのまま)にな
って、ライン95上の信号レベルが、容量93を充電あ
るいは放電することによりデータバスライト94へ伝達
される。
読出し時は、保持データが反転しないようにNMOSト
ランジスタ90はチャンネル比を小さくオン抵抗を大き
く)設計する必要がある。なぜなら、たとえばライン9
5の信号がHレベル、ライン94の信号がLレベルの状
態で読出したとき、ライン95の信号は、PMOSトラ
ンジスタへM1、M2とNMOSトランジスタ90の直
列接続された抵抗により電圧分圧され、レベルが低下す
るためである。読出す前の状態が上記と反対レベルのと
きも同様の理由で、NMOSトランジスタ90のオン抵
抗を大きくする必要がある。
第14図はRAMブロックの配線構成を、第15図はそ
のブロックシンボル図を示す。本ブロックはデータバス
ラインD1、D2(Al1配線)に接がれた2ビット×
2ワードのRAMである。
1ワードはリードライト信号RW1、ライトイネーブル
信号W1、その反転信号W1で制御され、もう1ワード
はリードライト信号RW2、ライトイネーブル信号W2
、その反転信号W2で制御される。以上の6本のデコー
ドラインは、基本セル列に直角の方向にAl2で配線さ
れる。
第14図において、配線上のルールおよび番号で指示さ
れたものは第10図のものと同じである。
データバスラインD1、D2は基本セル列の両側、フィ
ールド酸化膜上をAl1配線で走っている。
そして、6本のデコードラインは基本セル列と直角方向
にAl2配線で規則正しく走っている。
本実施例では、RAMブロックが6ゲートから成り、R
AM1ビットは2入力NAND換算で1.5ゲート(基
本セル0.75個)だけで構成でき、集積度を上げるこ
とができる。
本発明によれば、RAM、レジスタやJKクリップフロ
ップなどの大型で複雑なブロックが容易に、しかも小型
に構成できるマスター方式が得られる。一方、2入力N
ANDなどの基本ゲート用小型ブロックに対しても1ブ
ロックあたり1ゲートに構成でき、無駄なく効率よくゲ
ートを使用することができる。
以上の点から、本マスター方式によれば大型ブロックに
対しても基本小型ブロックに対しても面積効率のよいゲ
ートアレイを実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のマスタチップの平面図、第2図は従来の
基本セルの平面図、第3図は従来のゲートアレイLSI
の断面図と層構成を示す展開図、第4図は従来のマスタ
ー方式を示す回路配置図、第5図は従来例と本発明のマ
スター方式の有異差を示す平面図、第6、7図は本発明
のマスター方式を示す平面図、第8図は本発明の一実施
例を示す回路図および構成図、第9図は他の実施例を示
す平面図および構成図、第10、11図はそれぞれ、第
9図の基本セルを使って設計した論理ブロックの構成図
、該論理ブロックのシンボル図、第12図はRAM1ビ
ットの回路図、第13図は第12図を説明する回路図、
第14図はRAMブロックの構成図、第15図はRAM
ブロックのシンボル図。 2・・・基本セル、3・・・基本セル列。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.マスクスライス方式による半導体集積回路において
    、半導体基板の一方の主面側に少なくとも基本トランジ
    スタ素子を固定配置した単位セルを一方向に多数個並設
    して成る単位セル列を、少なくとも2個以上にお互いに
    隣接、並設したものを基本セル列とし、該基本セル列を
    列間に所定の間隔の配線領域を有して、該基本セル列と
    直角方向に複数個並設してなることを特徴とする半導体
    集積回路装置。
  2. 2.特許請求の範囲第1項において、該基本セルを基本
    セル列に直角方向の線分で複数に等分割したときに、該
    分割セルが基本セル列の方向に関して線対称の関係にあ
    ることを特徴とする半導体集積回路装置。
  3. 3.特許請求の範囲第1項において、該基本セルを基本
    セル列に直角方向の線分で複数に等分割したときに、該
    分割セルが基本セル列方向の直角方向に関して線対称の
    関係にあることを特徴とする半導体集積回路装置。
  4. 4.特許請求の範囲第2項または第3項において、上記
    基本セル列が通常の1個の単位セル列から成ることを特
    徴とする半導体集積回路装置。
  5. 5.特許請求の範囲第1項または第2項において、隣接
    する上記基本セル列内のセルパターンが千鳥状に配置し
    て身ることを特徴とする半導体集積回路装置。
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