DE69112476T2 - Integrierter Halbleiterschaltkreis. - Google Patents

Integrierter Halbleiterschaltkreis.

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DE69112476T2
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung mit einer aus Transistoren mit isoliertem Gate aufgebauten logischen Zelle.
  • Herkömmlicherweise weist eine integrierte Halbleiterschaltung mit einer aus Transistoren mit isoliertem Gate aufgebauten logischen Zelle, wie sie beispielsweise in Figur 2 gezeigt ist, eine für jede logische Zelle manuell entworfene Standardzellstruktur auf. Bei der in Figur 2 gezeigten logischen Zelle sind Transistoren 101, 102, 111 und 112 Eingangstransistoren, während Transistoren 105 und 115 Ausgangstransistoren sind. Die Transistoren 101, 102 und 105 sind P-Kanal-Transistoren mit isoliertem Gate, während die Transistoren 111, 112 und 115 N-Kanal-Transistoren mit isoliertem Gate sind. Die logische Zelle weist zwei durch Eingangsanschlüsse 131 und 132 vorgesehene Eingänge auf und bildet eine ODER-Schaltung, bei der die P-Kanal-Eingangstransistoren 101 und 102 in Reihe geschaltet sind. Ein Ausgangsanschluß 135 dieser Zelle ist durch eine Aluminiumverdrahtung mit weiteren Zellen in der integrierten Schaltung verbunden.
  • Wenn eine solche logische Zelle, bei der einige der Eingangstransistoren in Reihe geschaltet sind, manuell entworfen wird, sind die Transistoren nicht nur im Fall der ODER-Schaltung der Figur 2, sondern auch generell oben und unten sowie rechts und links gewöhnlich zueinander ausgerichtet, wobei die Verdrahtung mittendrin angeordnet ist, wie in Figur 8 gezeigt. Figur 8 zeigt ein Layout für die ODER-Schaltung der Figur 2, bei dem die Eingangs- und Ausgangstransistoren zwischen Energiequellenverdrahtungen zur Bereitstellung eines Quellenpotentials VDD und eines Massepotentials VSS angeordnet sind, wobei die Eingangstransistoren 101, 102, 111 und 112 innen liegen und die Ausgansgtransistoren 105 und 115 außen liegen. Die N-Kanal-Transistoren 111, 112 und 115 sind im Bereich einer Wanne vom P-Typ gebildet. Die zwei Eingangsanschlüsse 131 und 132 der Zelle sind mit jeweiligen Polysilizium-Gate-Elektroden 120 der Transistoren 101, 102, 111 und 112 verbunden. Die Transistoren 101 bis 115, die Polysilizium-Gate-Elektroden 120, eine Aluminiumverdrahtung 143 sowie Kontakte 145 bilden die ODER-Schaltung, und die Drain-Zonen der Ausgangstransistoren 105 und 115 sind mit dem Ausgangsanschluß 135 verbunden.
  • Um die Arbeitsgeschwindigkeit der in Figur 2 gezeigten logischen Schaltung zu erhöhen, ist es notwendig, die Kanalweite W der Transistoren mit isoliertem Gate zu vergrößern. Beispielsweise kann die Übergangszeit tp beim Signalanstieg der P-Kanal-Transistoren durch den folgenden Ausdruck angenähert werden:
  • tp = 4 x C/ (βP0 x W / n x VDD) (1)
  • wobei C die Lastkapazität ist, βP0 der Verstärkungsfaktor für den elektrischen Strom pro Längeneinheit des P-Kanal-Transistors ist, W die Kanalweite ist, n die Anzahl der in Reihe geschalteten Eingangstransistoren ist und VDD das Quellenpotential ist. Da die Übergangszeit tp umgekehrt proportional zur Kanalweite W ist, kann die Übergangszeit tp verkürzt werden, indem die Kanalweite W vergrößert wird.
  • Bei der in Figur 8 gezeigten herkömmlichen, manuell entworfenen Struktur ist es jedoch notwendig, die Transistoren 105 und 115 nach oben und nach unten zu versetzen, um die Kanalweite W der Transistoren 101, 102, 105, 111, 112 und 115 zu vergrößern. Gleichzeitig ist es ebenfalls notwendig, die Anordnung der Aluminiumverdrahtung 143 und der Polysilizium- Gate-Elektroden 120 zu modifizieren und darüberhinaus die Kontakte 145 für die Aluminiumverdrahtung 143 und die Polysilizium-Gate-Elektroden 120 usw. sowie Durchgangslöcher in ersten und zweiten Aluminiumschichten etc. zu versetzen und zu korrigieren. Als Folge wird auch viel Zeit und Energie benötigt, um die Modifikation zu prüfen.
  • In den letzten Jahren wurde zur Bildung einer Standardzellenstruktur eine Gate-Array-Anordnung, wie sie in Figur 7 gezeigt ist, gewählt, um eine Zellenmodifizierung leicht in kurzer Zeit durchführen zu können. Bei der Gate-Array-Anordnung sind Transistoren gleicher Größe zur Bildung einer Zelle horizontal ausgerichtet; die oben genannte Korrektur kann so einfach dadurch vorgenommen werden, daß die Kanalweite der Transistoren vergrößert wird. Figur 7 zeigt ein alternatives Layout für die Transistoren der ODER-Schaltung der Figur 2. Alle P-Kanal-Transistoren 101, 102 und 105 besitzen gleiche Größe und sind längs der Energiequellenverdrahtung 141 gebildet; ebenso besitzen alle N-Kanal-Transistoren 111, 112 und 115 gleiche Größe und sind entlang der Energiequellenverdrahtung 142 gebildet. Auf diese Weise sieht das Bauelement als Ganzes wie ein regelmäßiges Feld aus. Dementsprechend kann eine Korrektur, wie beispielsweise die Vergrößerung der Kanalweite, flexibel ohne große Notwendigkeit zur Veränderung der Anordnung der Gate-Elektroden und der Aluminiumverdrahtung vorgenommen werden.
  • Allerdings führt eine solche Korrektur zu einer Zunahme des elektrischen Energieverbrauchs, weil alle Transistoren in jeder Reihe gleiche Größe besitzen und so eine Vergrößerung der Kanalweite der Ausgangstransistoren 105 und 115 auch zu einer Vergrößerung der Kanalweite der Eingangstransistoren 101, 102, 111 und 112 führt. Als Folge nimmt der Durchgangsstrom IS zu, der die Transistoren im Betrieb lädt und entlädt. Beispielsweise kann der Durchgangsstrom IS eines P- Kanal-Transistors durch den folgenden Ausdruck angenähert werden:
  • IS = 1 / 8 x βP0 x W / n x (VDD - 2 x Vth)² (2)
  • wobei Vth die Schwellenspannung des Transistors ist und die anderen Symbole die gleichen wie oben in Gleichung (1) sind. Wie man erkennen kann, nimmt der Durchgangsstrom IS mit größer werdender Kanalweite W zu, da der Durchgangsstrom IS proportional zur Kanalweite W ist.
  • Die Zunahme der Arbeitsgeschwindigkeit einer integrierten Schaltung hängt nun davon ab, wie stark die Zeit Ttrans verkürzt werden kann, die ein Signal von einem Ausgang einer Zelle benötigt, um die nächste Zelle zu erreichen, die mit dem Ausgang verbunden ist. Diese Zeit Ttrans kann auf Basis der Beziehung zwischen der Gesamtsumme der parasitären Kapazität CL am Ausgang der Zelle - wie durch die Kapazität der die Zelle mit der nächsten Zelle verbindenden Aluminiumverdrahtung und durch die Anzahl weiterer mit der Zelle verbundener Zellen, d.h. die Anzahl der Fine-Outs (FO-Zahl) bestimmt -und Gleichung (1) berechnet werden. Die Kapazität der Aluminiumverdrahtung ist mit der Chipgröße einer integrierten Schaltung korreliert: je größer die Chipgröße ist, desto größer ist die Kapazität. Und auf Basis der Chipgröße kann auch die FO-Zahl geschätzt werden.
  • Die Kanalweite Wo des Ausgangstransistors der Zelle ist durch Ttrans - wie oben erwähnt berechnet - und die Frequenzbandgrenzen bestimmt, in denen der Chip benutzt wird. Bei der herkömmlichen Gate-Array-Anordnung nimmt der Durchgangsstrom der Zelle wesentlich mit einer Zunahme der Kanalweite des Ausgangstransistors - weil die Eingangstransistoren die gleiche Kanalweite wie die Ausgangstransistoren haben - proportional zu der wie oben erwähnt bestimmten Gesamtsumme der parasitären Kapazität CL an der Zelle zu. Somit ist ein signifikanter Anstieg des elektrischen Energieverbrauchs erforderlich, um die Arbeitszeit bei einer integrierten Schaltung mit einer logischen Zelle zu verkürzen, welche gemäß der herkömmlichen Gate-Array-Anordnung aufgebaut ist.
  • Gegenwärtig benötigen Laptop-Computer und dergleichen, die zunehmend nachgefragt werden, eine schnell arbeitende und wenig elektrische Energie verbrauchende integrierte Schaltung, da sie eine Energiequelle mit begrenzter Leistungsfähigkeit verwenden, beispielsweise eine Batterie. Dennoch ist es, wie oben erwähnt, schwierig, eine derartige integrierte Schaltung unter Verwendung einer mittels der herkömmlichen Gate-Array-Anordnung erhaltenen Zellenstruktur zu realisieren, und unrealistisch, eine solche integrierte Schaltung durch manuelles Entwerfen herzustellen, da viel Zeit für die Modifizierung der Zellenstruktur verschwendet wird.
  • Die EP-A-0 349 294 offenbart eine integrierte Schaltung mit E/A-Zellen, bei denen die Ausgangstransistoren größere Kanalweiten als die Eingangstransistoren haben; die JP-A-58-122771 offenbart eine Eingangsschaltung, bei der der logische Pegel der Schaltung ohne weiteres verändert werden kann. Keines dieser Dokumente befaßt sich jedoch mit internen Logikschaltungen.
  • Die vorliegende Erfindung sucht, diese Probleme zu lösen. Eine Aufgabe der Erfindung ist, eine integrierte Halbleiterschaltung mit einer logischen Zelle bereitzustellen, bei der in einfacher Weise eine Korrektur vorgenommen werden kann und die Zunahme des elektrischen Energieverbrauchs unter Kontrolle gehalten werden kann.
  • Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine integrierte Halbleiterschaltung mit einer logischen Zelle vorgesehen, welche als Eingangs- und Ausgangstransistoren vorgesehene Transistoren mit isoliertem Gate eines ersten elektrischen Leitfähigkeitstyps sowie als weitere Eingangs- und Ausgangstransistoren vorgesehene Transistoren mit isoliertem Gate eines zweiten elektrischen Leitfähtigkeitstyps umfaßt, wobei die Transistoren in regelmäßigen Intervallen längs jeweiliger Energiequellenverdrahtungen gebildet sind, wobei die Kanalweite jedes Transistors orthogonal zu der Energiequellenverdrahtung verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalweite des oder jedes Eingangstransistors wenigstens eines der ersten und zweiten elektrischen Leitfähigkeitstypen kleiner als die Kanalweite des oder jedes Ausgangstransistors des wenigstens einen elektrischen Leitfähigkeitstyps ist und die Gate-Elektrode des oder jedes Eingangstransistors parallel zu derjenigen des oder jedes Ausgangstransistors ist.
  • Indem die Transistoren in regelmäßigen Intervallen längs der zugehörigen Energiequellenverdrahtung gebildet werden, kann in einfacher Weise eine Justierung bewirkt werden. Da die Kanalweite der Transistoren so angeordnet ist, daß sie orthogonal zur Energiequellenverdrahtung verläuft, können die Kanalweiten verändert werden, ohne das Intervall zu modifizieren, in dem die Transistoren angeordnet sind. Indem außerdem die Kanalweite der Eingangstransistoren kleiner als die Kanalweite der Ausgangstransistoren sein kann, ist es möglich, den Durchgangsstrom zu reduzieren und damit den elektrischen Energieverbrauch zu senken.
  • Ferner ist die parasitäre Kapazität an jedem Eingangstransistor der Zelle, die einfach durch die Kapazität der Verdrahtung innerhalb der Zelle und die Kapazität des nächsten Transistors bestimmt ist, viel kleiner als die Gesamtsumme der parasitären Kapazität an den Ausgangstransistoren. Die Arbeitszeit der Zelle richtet sich somit nach der Arbeitszeit der Ausgangstransistoren, wobei die Arbeitszeit der Eingangstransistoren nur wenig beiträgt. Obwohl die Arbeitszeit der Eingangstransistoren mit kleiner werdener Kanalweite der Eingangstransistoren zunimmt, ist dementsprechend die resultierende Verzögerung in der Arbeitszeit klein, da die parasitäre Kapazität an den Eingangstransistoren vergleichsweise klein ist. Auf diese Weise kann eine integrierte Halbleiterschaltung, bei der die Kanalweite der Eingangstransistoren bezüglich derjenigen der Ausgangstransistoren reduziert ist, um die Zunahme des elektrischen Energieverbrauchs zu kontrollieren, trotzdem eine vergleichsweise kurze Arbeitszeit aufweisen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Mehrzahl der Eingangstransistoren in Reihe geschaltet; in diesem Fall ist es wünschenswert, die Kanalweite der Eingangstransistoren zu vergrößern, wenn die Anzahl in der Reihe zunimmt. Dies kommt daher, daß die Arbeitszeit der Eingangstransistoren zunimmt wird, wenn die Zahl n in der Reihe zunimmt, wie durch obige Gleichung (1) gezeigt; so ist es wünschenswert, die Kanalweite zu verlängern, um die Verzögerung der Arbeitszeit auszugleichen.
  • Beispielsweise kann die Kanalweite WI der Eingangstransistoren festgelegt werden, indem WI gemäß einer Korrelationsfunktion WI = K (Wo, n) normiert wird, wobei Wo die Kanalweite des oder jedes, den in Reihe geschalteten Eingangstransistoren entsprechenden Ausgangstransistors ist. Indem die Kanaweite WI in dieser Weise normiert wird, wird es leicht, eine bei der Herstellung der integrierten Halbleiterschaltung verwendete Maskenvorlage zu korrigieren. Genauer gesagt ist es notwendig, die bei der Herstellung verwendete Maskenvorlage zu korrigieren, wenn die Kanalweite eines Transistors justiert wird. Durch Normierung der Kanalweiten kann jedoch ein Satz von Maskenvorlagen im voraus vorbereitet werden; die Korrektur der Maskenvorlage kann einfach dadurch erfolgen, daß eine Maskenvorlage gegen eine andere ausgetauscht wird, welche bereits vorbereitet worden ist. Die für eine solche Korrektur benötigte Zeit kann auf diese Weise stark reduziert werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, in denen:
  • Figur 1 eine Darstellung ist, die die Struktur einer logischen Zelle einer erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltung zeigt;
  • Figur 2 ein Schaltplan der in Figur 1 gezeigten logischen Zelle ist;
  • Figur 3 eine Darstellung ist, die die Struktur einer weiteren Ausführungsform einer logischen Zelle einer erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltung zeigt;
  • Figur 4 ein Schaltplan der in Figur 3 gezeigten logischen Zelle ist;
  • Figur 5 eine Ansicht ist, die Basiszellenkomponenten zur Verwendung bei den logischen Zellen der Figuren 1 und 3 zeigt;
  • Figur 6 ein Schaltplan ist, der eine weitere logische Zelle zeigt, die mehrstufig angeordnete Eingangs- und Zwischentransistoren enthält;
  • Figur 7 eine Darstellung ist, die die Struktur einer logischen Zelle einer herkömmlichen integrierten Halbleiterschaltung mit herkömmlicher Gate-Array-Anordnung zeigt; und
  • Figur 8 eine Darstellung ist, die die Struktur der gleichen logischen Zelle mit manuell entworfener Anordnung zeigt.
  • Figur 1 zeigt die Struktur einer logischen Zelle einer erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltung, die Transistoren mit isoliertem Gate aufweist. Wie hier gezeigt, sind P- Kanal-Eingangstransistoren 101, 102, ein P-Kanal-Ausgangstransistor 105, N-Kanal-Eingangstransistoren 111, 112 sowie ein N-Kanal-Ausgangstransistor 115 in regelmäßigen Intervallen L längs Energiequellenverdrahtungen 141 und 142 angeordnet, welche ein Quellenpotential VDD bzw. ein Massepotential VSS bereitstellen. Die N-Kanal-Transistoren 111, 112 und 115 sind in einer P-Wanne gebildet. Die Transistoren 101 bis 115 sind so angeordnet, daß ihre Kanalweiten WIP, WOP, WIN und WON in einer Richtung rechtwinklig zu den Energiequellenverdrahtungen 141 und 142 verlaufen.
  • Die in Figur gezeigte logische Schaltung bildet eine in Figur 2 dargestellte ODER-Schaltung. Zwei Eingangssignale werden über Eingangsanschlüsse 131 und 132 vermittels Polysilizium- Gate-Elektroden 120 an die P-Kanal-Eingangstransistoren 101 und 102, welche in Reihe geschaltet sind, und auch an die N- Kanal-Eingangstransistoren 111 und 112 angelegt, welche parallel geschaltet sind. Die Ausgänge der Eingangstransistoren werden an den P-Kanal-Ausgangstransistor 105 und den N- Kanal-Ausgangstransistor 115 angelegt, wobei die Drain-Zonen dieser Transistoren mit einem Ausgangsanschluß 135 über eine Aluminiumverdrahtung 143 verbunden sind. In dieser Weise bilden die Transistoren zusammen mit den Polysilizium-Gate- Elektroden 120, der Aluminiumverdrahtung 143, den Eingangsanschlüssen 131 und 132, dem Ausgangsanschluß 135 und Kontakten 145 die ODER-Schaltung der Figur 2.
  • Das Intervall L ist durch ein dem Prozeß eigenes Design bestimmt und beträgt bei dieser Ausführungsform 5 um. Die Kanalweite WOP des P-Kanal-Ausgangstransistors und die Kanalweite WON des N-Kanal-Ausgangstransistors werden dadurch bestimmt, daß die parasitäre Kapazität der vom Ausgang der logischen Zelle getriebenen Aluminiumverdrahtung und die FO- Zahl geschätzt werden. In diesem Beispiel betragen WOP 20 um und WON 12 um. Die Kanalweite WIP der P-Kanal-Eingangstransistoren beträgt 12 um, während die Kanalweite WIN der N-Kanal- Eingangstransistoren 4 um beträgt.
  • Der Durchgangsstrom IS der P-Kanal-Eingangstransistoren ist nach Berechnung aus Gleichung (2) wie folgt:
  • IS = 1 / 8 x βP0 x WIP / n x (VDD - 2 x Vth)² = 1 / 8 x 15 x 12 / 2 x (5 - 2 x 0.5)² = 180 uA (3)
  • wobei der Verstärkungsfaktor des elektrischen Stroms βP0 der P-Kanal-Eingangstransistoren pro Längeneinheit 15 uA/V²/um beträgt, das Quellenpotential VDD 5 Volt beträgt und die Schwellenspannung Vth 0,1 x VDD beträgt.
  • Im Gegensatz hierzu ist bei dem in Figur 7 gezeigten Stand der Technik der Durchgangsstrom IS der P-Kanal-Eingangstransistoren, deren Kanalweite WIP die gleiche ist wie die Kanalweite WOP der Ausgangstransistoren und somit 20 um beträgt, wie folgt:
  • IS = 1 / 8 x 15 x 20 / 2 x (5 - 2 x 0,5)² = 300 uA (4)
  • Dementsprechend kann bei der vorliegenden Ausführungsform der Durchgangsstrom IS verglichen mit der entsprechenden herkömmlichen Anordnung um etwa 40% verringert werden.
  • Die Verzögerungszeit der logischen Zelle zwischen der Zuführung eines Eingangs und der Erzeugung eines Ausgangs wird wie folgt ausgedrückt:
  • Tdr = Tif + Tor
  • Tdf = Tir + Tof (5)
  • wobei Tdr und Tdf die Verzögerungszeit des Anstiegs bzw. die Verzögerungszeit des Abfalls im Signal zwischen Eingang und Ausgang sind, Tif und Tir die Verzögerungszeit des Abfalls im Signal bzw. des Anstiegs im Signal über die Eingangstransistoren sind und Tor und Tof die Verzögerungszeit des Anstiegs im Signal bzw. des Abfalls im Signal über die Ausgangstransistoren sind.
  • Die Verzögerungszeit jedes Transistors wird durch die Übergangszeitdauer t und die Verzögerung T&sub0; eines Transistors ausgedrückt. Unter der Annahme, daß die Laufzeiten jedes Transistors gleich sind, ist die Verzögerungszeit Tdf wie folgt:
  • Tdf = tp + tn + 3 x T&sub0; (6)
  • Wenn man die in obiger Gleichung (1) gegebene Näherung für die Übergangszeit einführt, kann die Verzögerungszeit Tdf wie folgt ausgedrückt werden:
  • Tdf = 4 x C&sub1; / (βP0 x WIP / n x VDD) + 4 x CL / (βN0 x WON / n x VDD) + 3 x T&sub0; (7)
  • wobei Cl die parasitäre Kapazität an einem Eingangstransistor ist und die Summe der Verdrahtungskapazität innerhalb der Zelle und der Kapazität des nächsten Transistors ist, CL die Gesamtsumme der parasitären Kapazität an den Ausgangstransistoren ist, nämlich die Gesamtsumme der Kapazität der die Zelle mit der nächsten Zelle verbindenden Aluminiumverdrahtung mit der parasitären Kapazität am Ausgang dieser Zelle oder die Kapazität der Aluminiumverdrahtung mal die Anzahl der mit dieser Zelle verbundenen Zellen (d.h. die FO-Zahl), und βN0 der Verstärkungsfaktor für den elektrischen Strom der N-Kanal-Eingangstransistoren pro Längeneinheit ist. Angenommen, daß hier βN0 30 uA/V²/um ist, Cl 0,1 pF ist, CL 1 pF ist und T&sub0; 0,3 ns ist, und unter Verwendung der oben für βP0, nämlich 15 uA/V²/um, und für das Quellenpotential VDD, nämlich 5 Volt, gegebenen Werte kann Tdf aus Gleichung (7) wie folgt berechnet werden:
  • Tdf = 4 x 0,1 / (15 12 / 2 x 5) + 4 x 1,0 / (30 12 / 1 x 5) + 3 x 0,3 = 4,0 ns (8)
  • wobei die Kanalweite WIP der P-Kanal-Eingangstransistoren 12 um beträgt und die Kanalweite WON ebenfalls 12 um beträgt.
  • Andererseits beträgt beim Stand der Technik, wie er in Figur 7 gezeigt ist, die Kanalweite WIP der P-Kanal-Eingangstransistoren 20 um, wobei sie gleich der Kanalweite WOP des P- Kanal-Ausgangstransistors ist. Berechnet in derselben Weise wie oben angeführt:
  • Tdf = 4 x 0,1 / (15 20 / 2 x 5) + 4 x 1,0 / (30 12 / 1 x 5) + 3 x 0,3 = 3,6 ns (9)
  • Dies würde nahelegen, daß die Verzögerungszeit beim Stand der Technik um etwa 10% im Vergleich zur vorliegenden Ausführungsform der Erfindung reduziert ist. Allerdings ist in den Gleichungen (8) und (9) der Wert Cl/CL etwa 0,1. Bei einer wirklichen integrierten Schaltung ist dieser Wert in der Praxis jedoch unvergleichbar kleiner. Die Ungleichheit bei der Verzögerungszeit wird dementsprechend in der Praxis geringer sein, als es oben nahegelegt ist. Somit kann damit gerechnet werden, daß die erfindungsgemäße logische Zelle etwa die gleiche Verzögerungszeit wie die herkömmliche logische Zelle realisiert, während sie es im Gegensatz erlaubt, Zunahmen des elektrischen Energieverbrauchs unter Kontrolle zu halten.
  • Figur 3 zeigt die Struktur einer logischen Zelle - in Form einer ODER-Schaltung mit drei Eingängen - einer weiteren erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltung. Die korrespondierende ODER-Schaltung ist in Figur 4 gezeigt. Bei dieser ODER-Schaltung sind drei P-Kanal-Eingangstransistoren 101, 102 und 103 in Reihe geschaltet und drei N-Kanal-Eingangstransistoren 111, 112 und 113 parallel geschaltet. Dementsprechend ist in der Zellenstruktur ein zusätzliches Paar Eingangstransistoren hinzugefügt, um zwei Reihen von drei Eingangstransistoren zu bilden, wie in Figur 3 gezeigt. Darüberhinaus beträgt die Kanalweite WIP der P-Kanal-Eingangstransistoren 16 um, was größer ist als die Kanalweite WIP der P-Kanal-Eingangstransistoren der in Figur 1 gezeigten logischen Zelle. Die übrigen Aspekte der Struktur sind die gleichen wie bei der in Figur 1 gezeigten logischen Zelle und werden daher nicht weiter beschrieben. Die Kanalweite WIP ist bei dieser Ausführungsform größer als bei derjenigen der Figur 1, um eine Zunahme der Übergangszeit tp auszugleichen: da die Übergangszeit tp umgekehrt proportional zu βP0 x WIP/n ist, wie durch Gleichung (1) gezeigt, nimmt sie mit steigender Zahl n der in Reihe liegenden P-Kanal-Transistoren (von zwei in Figur 1 auf drei bei dieser Ausführungsform) zu. Es ist daher wünschenswert, die Kanalweite der P-Kanal-Eingangstransistoren innerhalb gewisser, gemäß der Kanalweite des entsprechenden Ausgangstransistors auferlegter Grenzen zu erhöhen, wenn die Zahl n in der Reihe zunimmt.
  • Weiterhin hat in diesem Fall der P-Kanal-Ausgangstransistor eine durch Normierung der Kanalweite WIP unter Verwendung der folgenden Korrelationsfunktion bestimmte Kanalweite:
  • WOP = k (n) x WIP (10)
  • wobei k(n) ein Korrelationskoeffizient ist, der 2,5 ist, wenn n=1, der 1,67 ist, wenn n=2, der 1,25 ist, wenn n=3, und der 1,0 ist, wenn n=4. Zu beachten ist, daß der Koeffizient in diesem Fall unter der Annahme festgelegt ist, daß die maximale Anzahl in der Reihe 4 ist; der Koeffizient kann aber abhängig von dieser maximalen Anzahl in der Praxis geändert werden usw.
  • Vermittels Gleichung (10) kann die Größe jedes Transistors und der zugehörigen Teile in Basiszellenkomponenten normiert werden, wie in Figur 5 gezeigt. Beispielsweise kann ein P- Kanal-Eingangstransistor eine Basiszellenkomponente 405 mit einer Kanalweite WIP von 8 um haben, wenn n=1, eine Basiszellenkomponente 406 mit einer Kanalweite WIP von 12 um, wenn n=2, eine Basiszellenkomponente 407 mit einer Kanalweite WIP von 16 um, wenn n=3, und eine Basiszellenkomponente 408 mit einer Kanalweite WIP von 20 um, wenn n=4. Ein ähnlicher Bereich von Basiszellenkomponenten dient für die Ausgangstransistoren. Im Fall der N-Kanal-Transistoren ist es möglich, einen ähnlichen Bereich von Basiszellenkomponenten 416 bis 419 im voraus vorzubereiten. Die Zellenkomponenten 401 bis 404 und 411 bis 415 sehen eine Source-Zone bzw. eine Drain- Zone vor, die den obigen Basistransistorzellenkomponenten entsprechen; die Zellenkomponenten 421 bis 426 sehen entsprechende Polysilizium-Gate-Elektroden vor. Indem eine logische Zelle unter Verwendung dieser Basiszellenkomponenten konstruiert wird, kann eine Änderung der Struktur der logischen Zelle einfach durch Auswählen unter im voraus vorbereiteten Zellenkomponentendesigns bewirkt werden. Insbesondere können den obigen Basiszellenkomponenten entsprechende Maskenvorlagen zur Verwendung bei der Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung im voraus vorbereitet werden. Wenn dann die Struktur der logischen Zelle bestimmt oder verändert wird, kann eine geeignete Maskenvorlage unter Verwendung der zuvor vorbereiteten Maskenvorlagen in kurzer Zeit problemlos gefertigt werden. Änderungen kann daher flexibel Rechnung getragen werden.
  • Die vorliegende Erfindung kann Anwendung auch bei einer logischen Zelle mit komplizierter Struktur, beispielsweise der in Figur 6 gezeigten, finden, die eine Zwischenlogik vorsehende Zwischentransistoren enthält, um zusätzlich zu Transistoren, die zum Direktempfang von Eingangssignalen angeordnet sind, Eingangssignale zu verarbeiten. Bei dieser Art von Zelle kann die Kanalweite der Zwischentransistoren kleiner sein; der Durchgangsstrom der Zwischentransistoren wird so verringert. Außerdem verringert sich die parasitäre Kapazität an den die Eingangssignale direkt empfangenden Transistoren, und es kann auf diese Weise die Verzögerungszeit dieser Transistoren so verkürzt werden, daß sie der bei der herkömmlichen Zellenstruktur entspricht. Indem die Erfindung bei einer Zelle Anwendung findet, welche eine komplizierte logische Schaltung realisiert, ist es sogar ferner möglich, die Zunahme des elektrischen Energieverbrauchs bei gleichzeitiger Verkürzung der Verzögerungszeit unter Kontrolle zu halten. Durch Verringerung der Kanalweite der jeweiligen Transistoren kann erwartet werden, daß der Lade- und Entladestrom sowie der Kurzschlußstrom innerhalb der Zelle reduziert werden. Auf diese Weise kann der elektrische Energieverbrauch bei einem derartigen Halbleiterchip voraussichtlich auf etwa die Hälfte desjenigen bei einem herkömmlichen Chip reduziert werden.
  • Selbstverständlich könenn verschiedene Abwandlungen bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden. Beispielsweise können die Gate-Elektroden, obwohl sie als aus Polysilizium hergestellt beschrieben wurden, aus verschiedenen Metallen gefertigt werden. Ferner müssen weder das Anordnungsintervall L noch die gegebenen Kanalweiten so genommen werden, wie sie angegeben sind. Auch die Korrelationsfunktion K(W&sub0;n) ist nicht fest. Die P-Kanal-Transistoren und die N-Kanal-Transistoren können vertauscht werden, und der Wannenbereich kann, anstatt wie beschrieben auf der N- Kanal-Seite, auf der P-Kanalseite liegen. Außerdem kann die Erfindung auf verschiedene andere logische Schaltungen als eine ODER-Schaltung angewendet werden.
  • Indem die Transistoren einer logischen Zelle in regelmäßigen Intervallen längs der zugehörigen Energiequellenverdrahtung gebildet werden und die Kanalweite der Eingangstransistoren kleiner als die der Ausgangstransistoren gemacht wird, ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die Arbeitsgeschwindigkeit der Zelle zu erhöhen, wärend Zunahmen des elektrischen Energieverbrauchs unter Kontrolle gehalten werden. Die Erfindung kann somit eine integrierte Halbleiterschaltung vorsehen, die insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung mit begrenzter elektrischer Energieversorgung, beispielsweise einem Laptop-Computer, geeignet ist.
  • Überdies kann Korrekturen oder Änderungen in der Struktur der logischen Zelle leicht und schnell dadurch Rechung getragen werden, daß die Kanalweite der Transistoren mit einer Korrelationsfunktion normiert oder standardisiert wird, um so einen Satz von Basiszellenkomponenten bereitzustellen.

Claims (8)

1. Integrierte Halbleiterschaltung mit einer logischen Zelle, welche als Eingangs- und Ausgangstransistoren vorgesehene Transistoren mit isoliertem Gate eines ersten elektrischen Leitfähigkeitstyps (101, 102, 105) sowie als weitere Eingangs- und Ausgangstransistoren vorgesehene Transistoren mit isoliertem Gate (111, 112, 115) eines zweiten elektrischen Leitfähigkeitstyps umfaßt, wobei die Transistoren in regelmäßigen Intervallen längs jeweiliger Energiequellenverdrahtungen (141, 142) gebildet sind, wobei die Kanalweite jedes Transistors orthogonal zu der Energiequelleverdrahtung verläuft, wobei die Kanalweite des oder jedes Eingangstransistors wenigstens eines der ersten und zweiten elektrischen Leitfähigkeitstypen kleiner als die Kanalweite des oder jedes Ausgangstransistors des wenigstens einen elektrischen Leitfähigkeitstyps ist und wobei die Gate-Elektrode des oder jedes Eingangstransistors parallel zu derjenigen des oder jedes Ausgangstransistors ist.
2. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß längs wenigstens einer jeweiligen Energiequellenverdrahtung eine Mehrzahl von Eingangstransistoren gebildet ist, welche die gleiche Kanalweite aufweisen.
3. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalweite der längs wenigstens einer jeweiligen Energiequellenverdrahtung gebildeten Eingangstransistoren mit zunehmender Zahl der Eingangstransistoren größer wird.
4. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalweite der längs wenigstens einer jeweiligen Energiequellenverdrahtung gebildeten Eingangstransistoren auf Basis einer Korrelationsfunktion festgelegt ist, welche als Variablen die Kanalweite des oder jedes längs der jeweiligen Energiequellenverdrahtung gebildeten Ausgangstransistors und einen Korrelationskoeffizienten aufweist, der von der Zahl der in Reihe geschalteten Transistoren abhängt, wobei der Korrelationskoeffizient mit zunehmender Zahl der Transistoren abnimmt und wobei die Kanalweite des oder jedes Ausgangstransistors durch das Produkt der Kanalweite des jeweiligen Eingangstransistors und des Korrelationskoeffizienten gegeben ist.
5. Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiterschaltung mit einer logischen Zelle, welche als Eingangs- und Ausgangstransistoren vorgesehene Transistoren mit isoliertem Gate (101, 102, 105) eines ersten elektrischen Leitfähigkeitstyps sowie als weitere Eingangs- und Ausgangstransistoren vorgesehene Transistoren mit isoliertem Gate (111, 112, 115) eines zweiten elektrischen Leitfähigkeitstyps umfaßt, welche Transistoren in Intervallen längs jeweiliger Energiequellenverdrahtungen (141, 142) gebildet sind, umfassend: Bilden der Transistoren derart, daß ihre Kanalweiten orthogonal zu den Energiequellenverdrahtungen verlaufen und daß die Kanalweite des oder jedes Eingangstransistors wenigstens eines der ersten und zweiten elektrischen Leitfähigkeitstypen kleiner als die Kanalweite des oder jedes Ausgangstransistors des wenigstens einen elektrischen Leitfähigkeitstyps ist, und Verwenden einer Maskenvorlage mit einem standardisierten Satz von Transistorvorlagengrößen, wobei die Gate-Elektrode des oder jedes Eingangstransistors parallel zu derjenigen jedes Ausgangstransistors gemacht wird.
6. Integrierte Halbleiterschaltung mit einer logischen Zelle, welche Transistoren vom Typ mit isoliertem Gate (101, 102, 105) eines ersten elektrischen Leitungstyps sowie Transistoren mit isoliertem Gate (111, 112, 115) eines zweiten elektrischen Leitungstyps umfaßt, wobei die Transistoren aus Ausgangstransistoren (105, 115) und Eingangstransistoren (101, 102, 111, 112), welche Signale erzeugen, die an die Ausgangstransistoren angelegt werden, zusammengesetzt sind, wobei die Transistoren in regelmäßigen Intervallen längs einer Energiequellenverdrahtung (141, 142) gebildet sind, so daß die Kanalweiten der Ausgangs- und Eingangstransistoren rechtwinklig zu der Energiequellenverdrahtung sein können, wobei die Kanalweite der Eingangstransistoren kleiner als diejenige der Ausgangstransistoren des gleichen Leitfähigkeitstyps ist.
7. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangstransistoren längs einer jeweiligen Energiequellenverdrahtung in Reihe geschaltet sind und daß die Kanalweite der Eingangstransistoren auf Basis einer Korrelationsfunktion festgelegt ist, welche als Variablen die Kanalweite des oder jedes längs der jeweiligen Energiequellenverdrahtung gebildeten Ausgangstransistors und einen Korrelationskoeffizienten aufweist, der von der Zahl der in Reihe geschalteten Transistoren abhängt, wobei der Korrelationskoeffizient mit zunehmender Zahl der Transistoren abnimmt und wobei die Kanalweite des oder jedes Ausgangstransistors durch das Produkt der Kanalweite des jeweiligen Eingangstransistors und des Korrelationskoeffizienten gegeben ist.
8. Herstellungsverfahren für eine bei der Herstellung der integrierten Halbleiterschaltung nach Anspruch 7 verwendete Maskenvorlage, dadurch gekennzeichnet, daß als Maskenvorlage der Eingangs- und Ausgangstransistoren die mit der Korrelationsfunktion normierte Vorlage verwendet wird.
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