DE1789137A1 - CIRCUIT CONSTRUCTED FROM UNIT CELLS - Google Patents
CIRCUIT CONSTRUCTED FROM UNIT CELLSInfo
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Description
66l9-ö8B/H/Lb66l9-ö8B / H / Lb
RCA 58 762RCA 58 762
U.S. Ser.No. 648,449U.S. Ser.No. 648,449
Filed: June 23, 1967Filed: June 23, 1967
RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)
Aus Einheitszellen aufgebaute LSI-SohaltungLSI housing made up of unit cells
Die Erfindung betrifft eine aus Einheitszellen aufgebaute LSI-Schaltung (integrierte Großschaltung).The invention relates to a built up from unit cells LSI circuit (integrated large circuit).
Der Aufbau elektronischer Anlagen auf System- und/oder Untersystemebene unterliegt seit dem Aufkommen der LSI-Schaltungstechnik einem radikalen Wandel bezüglich Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und konstruktiver Praxis. Mit "LSI-Schaltungstechnik" ist dabei eine Schaltungs- und Herstellungstechnik gemeint, bei der mehr und mehr Schaltungselemente in oder auf dem gleichen Plättchen oder Substrat angebracht werden, so daß die funktioneile elektronische Komplexheit einer solchen Anordnung der ganzer Systeme oder Untersysteme nahekommt, zum Unterschied von elementareren funktioneilen Einheiten wie logisohen Schaltkreisen oder Gattern, Verstärkern und dgl..The structure of electronic systems on the system and / or subsystem level has been subject to the advent of LSI circuit technology a radical change in terms of performance, reliability and constructive practice. With "LSI circuit technology" a circuit and manufacturing technique is meant in which more and more circuit elements in or on the same plate or substrate are attached, so that the functional electronic complexity of such an arrangement which approximates whole systems or subsystems, in contrast to more elementary functional units such as logical circuits or gates, amplifiers and the like.
Die Anwendung der LSI-Schaltungstechnik auf digitale Systeme wie elektronische Computer verspricht beträchtliche Verbesserungen hinsichtlich der Arbeitsgeschwindigkeit. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß annähern 99$ des Platzes oder Raumes in selbst dicht gepackten Computern, die nicht unter Verwendung des LSI-Prinzips aufgebaut sind, als Packraum und für Verschaltungszwecke dient. Die räumliche Trennung zwischen den einzelnen Komponenten oder Bausteinen des Computers bedeutet dabei eine ernsthafte Beschränkung hinsichtlich der Arbeitsge-The application of LSI circuit technology to digital systems like electronic computers, promises considerable improvements in operating speed. Let it be in this one Context noted that approximately $ 99 of the space or space in even densely packed computers that are not constructed using the LSI principle, as packing space and is used for interconnection purposes. The spatial separation between the individual components or building blocks of the computer means a serious limitation in terms of working
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schwindigkeit. Eine deutliche Verbesserung hinsichtlich dieses Problems ist von der Anwendung der LSI-Schaltungstechnik, d.h. der Integration einer großen Zahl von Schaltungebausteinen auf einem einzigen Substrat zu erwarten.speed. A significant improvement on this Problem is related to the application of LSI circuit technology, i. E. the integration of a large number of circuit components on a single substrate can be expected.
Ein weiteres Problem bei herkömmlich, d.h. nicht nach der LSI-Schaltungstechnik aufgebauten Computern besteht darin, daß die elektrischen Signale eine Vielzahl von Grenzflächen oder Randbereichen zwischen Computerelementen (z.B. Klemmenverbindungen, Lot- oder Schweißverbindungen, Drähtwiekelverbindungen und Steckverbindungen) durchlaufen müssen. Wegen des bei der Herstellung solcher Verbindungen, beteiligten menschlichen Faktors ist die Zuverlässigkeit dieser Verbindungen beschränkt. Andererseits ermöglicht die LSI-Schaltungstechnik eine serienmäßige Herstellung von Schaltungsverbindungen, wodurch sich die Verläßlichkeit entsprechend verbessert.Another problem with conventional computers, i.e. not built according to LSI circuit technology, is that the electrical signals a large number of interfaces or edge areas between computer elements (e.g. terminal connections, Soldered or welded connections, wire loop connections and plug connections). Because of the human factor involved in making such compounds the reliability of these connections is limited. On the other hand, the LSI circuit technology enables series production Making circuit connections, which improves reliability accordingly.
Die herkömmliche Zweiteilung der konstruktiven Aufgaben bei digitalen Systemen zwischen dem Konstrukteur von funktionellen oder Schaltungsbausteinen einerseits und dem Systemkonstrukteur andererseits wird durch die LSI-Schaltungstechnik modifiziert, wobei sich eine neue Trennung der kontruktiven Aufgaben ergibt, nämlich zwischen dem Serienhersteller einerseits und sowohl dem Bausteinkonstrukteur als auch dem Systemkonstrukteur andererseits. Ziel der Konstruktion vonLSI-Computeranlagen ist es, mit möglichst wenigen LSI-Einheiten auszukommen, die vorzugsweise sämtlich vom gleichen Typ sind (um die Kosten sowie die Anzahl unterschiedlicher Teile möglichst gering zu halten). Um jedoch dieses Ziel zu erreichen, muß man in einer LSI-Einheit möglichst viel funktioneile Kapazität unterbringen. Dies erfordert eine optimale Ausnützung des LSI-Packungsraumes (d.h. der Schaltungsfläche) hinsichtlich sowohl der Auslegung der Schaltungselemente als auch der Verschaltung auf Systemebene. Eine optimale Ausnützung der Schaltungsfläche (und damit eine optimale funktionelle Kapazität der LSI-Einheit) läßt sich nur durch intensive Zusammenarbeit des Serienherstellers, des Bausteinkonstruk-The traditional dichotomy of the constructive tasks in digital systems between the designer of functional ones or circuit modules on the one hand and the system designer on the other hand it is modified by the LSI circuit technology, resulting in a new separation of the constructive tasks, namely between the series manufacturer on the one hand and both the module designer and the system designer on the other. The aim of the construction of LSI computer systems is to get by with as few LSI units as possible, preferably are all of the same type (in order to keep costs and the number of different parts as low as possible). To however achieving this goal must be done in an LSI unit if possible accommodate a lot of functional capacity. This requires optimal use of the LSI packaging space (i.e. the circuit area) in terms of both the layout of the circuit elements as well as the interconnection at system level. An optimal use of the circuit area (and thus an optimal functional Capacity of the LSI unit) can only be achieved through intensive cooperation between the series manufacturer, the
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teurs und des Systemkonstrukteurs erreichen.reach the expensive and the system designer.
Die bestmögliche Ausnützung der LSI-Schaltungsfläche ist durch die Nach-Maß-Methode (Custom-Methode) gewährleistet, wobei die einzelnen Punktions- oder Systemkonstruktionen sowohl hinsichtlich der Auslegung der Schaltungselemente als auch hinsichtlich der metallischen Schaltungsverbindungen jeweils "nach Maß", d.h. entsprechend den jeweiligen schaltungsmäßigen Erfordernissen entworfen werden. Dies setzt jedoch voraus, daß für jeden neuen Funktions- oder Systementwurf ein neuer Satz von Fabrikationsmasken konstruiert und hergestellt werden muß. Derzeit sind die Kosten eines neuen Fabrikationsmaskensatzes für jede neue LSI-Einheit so hoch, daß sie nur bei Großaufträgen, nicht dagegen bei Klein- oder Einzelaufträgen tragbar sind.The best possible use of the LSI circuit area is guaranteed by the made-to-measure method (custom method), whereby the individual puncture or system constructions both with regard to the design of the circuit elements as well as with regard to of the metallic circuit connections in each case "after Measure ", i.e. designed according to the respective circuit requirements. However, this assumes that for every new functional or system design a new set of fabrication masks must be designed and manufactured. Currently the cost of a new set of fabrication masks for each new LSI unit is so high that it is only necessary for large orders, however, are not acceptable for small or individual orders.
Eine andere Möglichkeit der Bewältigung der konstruktiven Aufgaben der LSI-Schaltungsteehnik 1st die sogenannte Standardschablonen-Methode (Master-Slice-Methode). Dabei verteilen sich die Kosten der Fabrikationsmasken auf die verschiedenen Funktionsoder Systementwürfe, mit Ausnahme der für die Metallisierung, d.h. beim letzten Verfahrensschritt der Herstellung verwendeten Maske oder Masken. Das heißt, es werden bei gegebener Auslegung der Schaltungselemente für jeden Funktionsentwurf die gleichen Standardschablonen-Fabrikationsmasken wie Diffusions- und Isolierungsmasken verwendet, während für jeden neuen oder andersartigen Entwurf andere Metallisierungsmasken benötigt werden. Es liegt also die Auslegung der Schaltungskomponenten fest und lediglich das Metallisierungsmuster wird für jeden neuen Anwendungszweck nach Maß entworfen. Der Erfolg dieser konstruktiven Methode hängt davon ab, ob mit einer gegebenen Auslegung der Schaltungselemente eine angemessene Anzahl unterschiedlicher Anwendungsmögliohkeiten mit ausreichender funktionelier Komplexheit oder Vielseitigkeit erzielt werden kann. Es ist daher wichtig, daß die Schaltungselemente so ausgelegt werden, daß nicht nur die verfügbare Schaltungs- oder Substra\fläche möglichst gut ausgenützt sondern auch die ganze Anordnung hinsichtlich der Möglichkeit der Reali-Another possibility for coping with the structural tasks of LSI circuit technology is the so-called standard template method (Master slice method). The costs of the fabrication masks are distributed among the various functional or system designs, with the exception of those for metallization, i.e. mask or masks used in the last step of the manufacturing process. In other words, given the interpretation, the Circuit elements the same standard template fabrication masks for each functional design such as diffusion and isolation masks, while used for any new or different design other metallization masks are required. So the design of the circuit components is fixed and only that Metallization patterns are made to measure for each new application. The success of this constructive method depends on it whether with a given design of the circuit elements a reasonable number of different application possibilities can be achieved with sufficient functional complexity or versatility. It is therefore important that the circuit elements be designed in such a way that not only the available circuit or sub-surface area is used as well as possible, but also the whole arrangement with regard to the possibility of realizing
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sierung unterschiedlicher Punktionen durch entsprechendes Verschalten ausreichend flexibel gestaltet wird.different punctures through appropriate interconnection is designed to be sufficiently flexible.
Bei der Standardschablonen-Methode werden im allgemeinen die Schaltungselemente, so ausgelegt oder organisiert, daß sich eine Anordnung von im wesentlichen identischen Schaltungszelle'n (die in Standardausführung ausgebildet sein können) ergibt. Diese Zellen können als Bausteine mit fester oder veränderlicher funktioneller Identität angesehen werden. Eine identitätsfeste Zelle kann beispielsweise ein NOR-Gatter sein, wobei jede neue Anwendung durch entsprechend unterschiedliche Verschaltung der Gatter in der Anordnung sich ergibt. Eine solche Anordnung mit identitätsfesten Zellen ist u.U. nicht zufriedenstellend, da sie in ihrer konstruktiven Flexibilität beschränkt und in der Ausnützung der Substratfläche, mangelhaft ist. Sodann ist die konstruktive Flexibilität dadurch beschränkt, daß für die Erfüllung der Systemfunktionen in diesem Fall nur NOR-Gatter verwendet werden können. Ein weiterer Mangel besteht darin, daß in vielen Fällen nicht alle Eingänge eines Gatters verwendet werden, so daß die von nichtverwendeten Gattereingangselementen eingenommene Fläche unnötig vergeudet wird. Außerdem lassen sich mit einer Anordnung aus identitätsfesten Zellen bestimmte Schaltungsfunktionen, beispielsweise tastbare Flipflops, nicht realisieren.In the standard template method, the circuit elements are generally designed or organized in such a way that one Arrangement of essentially identical circuit cells (which can be designed in standard design) results. These cells can be seen as building blocks with a fixed or changeable functional identity. A cell with a solid identity can be a NOR gate, for example, with each new application by correspondingly different interconnection of the gates in the Arrangement results. Such an arrangement with cells with a fixed identity may not be satisfactory, since in their constructive Flexibility is limited and the use of the substrate surface is inadequate. Then there is the constructive flexibility limited by the fact that only NOR gates can be used to fulfill the system functions in this case. Another shortcoming is that in many cases not all of the inputs of a gate are used, so that those of unused gate input elements unnecessarily is wasted. In addition, certain circuit functions, for example tactile flip-flops, do not realize.
Dagegen bietet die identitätsveränderliche Zelle eine solche Flexibilität hinsichtlich der Spezifikation der funktioneilen Identität einer Zelle, einer Zellengruppe, der Teile einer Zelle sowie verschiedener Kombinationen dieser Elemente, daß die funktionelle Komplexität der gesamten Anordnung stark vergrößert wird. Es ist dabei jedoch äußerst wichtig, daß eine Zelle zur Verfügung steht, bei der die Substratfläche gut ausgenützt let und die ausreichend vielseitige Anwendung mit genügend funktioneller Komplexität ermöglicht, so daß ihre Kosten gerechtfertigt sind.In contrast, the identity-changeable cell offers one Flexibility in terms of specifying the functional identity of a cell, a group of cells, the parts of a cell and various combinations of these elements that the functional complexity of the entire arrangement is greatly increased. However, it is extremely important that a cell is available in which the substrate area is well used and which is sufficient allows versatile use with sufficient functional complexity that its cost is justified.
Die Erfindung bezieht sich daher in einem ihrer Aspekte auf eine Anordnung von auf einem Substrat angebrachten Sohaltungs-The invention, in one of its aspects, therefore relates to an arrangement of mounting brackets attached to a substrate
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zellen, die in einer Koordinatenmatrix von Zeilen und Spalten ausgelegt sind. Jede dieser Zellen kann eine Anzahl von Halbleitergebieten eines ersten Leitungstyps enthalten, die in eine Oberfläche des Substrats aus Halbleitermaterial aes anderen Leitungstyps eindiffundiert sind. Die jeweils benachbarten Zeilen der Matrix sind voneinander beabstandet, so daß zwischen ihnen Laufbahnflächen oder Schneisen bzw. Korridore gebildet werden. Eine auf dem Substrat angebrachte Mehrschicht-Leiteranordnung enthält eine erste Leiterschicht, die eine zweite Leiterschicht überlagert und von dieser durch eine Isolierschicht getrennt ist.cells in a coordinate matrix of rows and columns are designed. Each of these cells can have a number of semiconductor regions a first conductivity type contained in a surface of the substrate made of semiconductor material aes other Conduction type are diffused. The neighboring Rows of the matrix are spaced from one another so that runway surfaces or aisles or corridors are formed between them will. A multilayer conductor arrangement attached to the substrate contains a first conductor layer, which is a second conductor layer is superimposed and separated from this by an insulating layer.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält die Zellenanordnung eine Speiseleitung, die mindestens teilweise in der ersten Leiterschicht enthalten und so angeordnet ist, daß sie den Korridoren der Anordnung in Serpentinenwindungen folgt. According to one embodiment of the invention, the cell arrangement includes a feed line which is at least partially contained in the first conductor layer and is arranged so that it follows the corridors of the arrangement in serpentine turns.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Anordnung der oben beschriebenen Art vorgesehen, bei der in der ersten Substratfläche mindestens ein Gebiet aus Material des ersten Leitungstyps unter einem der Korridore ausgebildet ist, um die Überkreuzungen von Leitern zu realisieren. Dieses "mindestens eine" Gebiet dient daher zum selektiven Anschluß an längs des betreffenden Korridors geführte Leiter durch entsprechende Zugangsöffnungen in der Isolierschicht (die an sich bekannt sind).According to a further embodiment of the invention is a Arrangement of the type described above is provided, in which in the first substrate surface at least one area made of material of the first line type is formed under one of the corridors in order to realize the crossings of conductors. This "at least An "area is therefore used for selective connection to conductors running along the corridor in question through appropriate access openings in the insulating layer (which are known per se).
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung, der sich auf eine LSI-Anordriung von ein gemeinsames Substrat teilenden Zellen be- . zieht, enthält jede Zelle mindestens drei gitterisolierte Feldeffekfcbauelemente mit jeweils einem Gittergebiet, das von einem durch ein Quellengebiet und ein Abflußgebiet gebildeten stromführenden Kanal isoliert ist. Das erste der Bauelemente hat eine verhältnismäßig große Transkonduktanz (Übertragungsleitwert) gm, so daß es sich beispielsweise für die Verwendung als Inverter in digitalen Anwendungen der Zelle eignet. Das zweite Bauelement hatAccording to another aspect of the invention, which relates to a LSI arrangement of cells sharing a common substrate. pulls, each cell contains at least three grid-insulated field effect components each with a grid area, which is formed by a current-carrying area formed by a source area and a drainage area Channel is isolated. The first of the components has one relatively large transconductance (transmission conductance) gm, so that it is suitable, for example, for use as an inverter in digital cell applications. The second component has
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eine verhältnismäßig kleine Transkonduktanz gm, so daß es sich als Last für die Inverterelemente eignet. Das dritte Bauelement hat eine Transkonduktanz gm mittleren Wertes, so daß es sich als Übertragungs- oder Koppelelement in sowohl dynamischen als auch statischen Logikanwendungen eignet.a relatively small transconductance gm, so that it is suitable as a load for the inverter elements. The third component has a transconductance gm of medium value, so that it turns out to be Transmission or coupling element in both dynamic and static logic applications.
In den Zeichnungen, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, zeigen:In the drawings, in which like parts have the same reference numerals are labeled, show:
Fig. 1 das Schaltschema der erfindungsgemäßen Standard- oder Einheitszelle unter Verwendung konventioneller Schaltsymbole;1 shows the circuit diagram of the standard or unit cell according to the invention using conventional circuit symbols;
Fig. 2 das Schaltschema der Einheitszelle nach Fig. 1 bei ' Verschaltung als Inverter;FIG. 2 shows the circuit diagram of the unit cell according to FIG. 1 at ' Interconnection as an inverter;
Fig. 3 das Schaltschema der Einheitszelle nach Fig. 1 bei Verschaltung als zweieingängiges Logikgatter;3 shows the circuit diagram of the unit cell according to FIG Interconnection as a two-input logic gate;
Fig. 4 das Schaltschema einer einbitigen Verzögerungsstufe eines dynamischen Schieberegisters;4 shows the circuit diagram of a one-bit delay stage of a dynamic shift register;
Fig. 5 ein Zeitsteuerdiagramm für das Schieberegister nach5 is a timing diagram for the shift register according to FIG
Fig. 4;Fig. 4;
Fig. 6 das Blockschaltschema des erfindungsgemäßen Verschal tungsmusters der LSI-Anordnung;6 shows the block diagram of the cladding according to the invention pattern of the LSI array;
Fig. 7 eine Grundrißdarstellung von vier Zellen der LSI-Anordnung nach Fig. 6 unter Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Einheitszelle;FIG. 7 shows a plan view of four cells of the LSI arrangement according to FIG. 6, illustrating the one according to the invention Unit cell;
Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie M-M1 in Fig. 7;8 shows a section along the line MM 1 in FIG. 7;
Fig. 9 ein Schaltschema, das den Ableitweg in ener dynamischen Logikanordnung veranschaulicht;Figure 9 is a circuit diagram illustrating the derivation path in a dynamic logic arrangement;
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Pig. 10 das Blockschaltschema einer dynamischen Logikanordnung gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung; undPig. 10 shows the block diagram of a dynamic logic arrangement according to a further aspect of the invention; and
Fig. 11 ein Zeitsteuerdiagramm für die dynamische Logikanordnung nach Fig. 10.Figure 11 is a timing diagram for the dynamic logic arrangement according to Fig. 10.
Die Erfindung läßt sich mit gitterisolierten Feldeffektbauelementen beliebigen Leitungstyps, die ein gemeinsames Substrat aus einem geeigneten Material wie Glas, Saphir, Halbleitermaterial und dgl. teilen,realisieren. Im vorliegenden Fall werden beispielsweise gitterisolierte Feldeffektbauelemente des Metall-Oxid-Halbleiter-Typs (MOS) vom p-Leitungstyp (p-MOS-Bauelemente) verwendet. Als Halbleitermaterial kann ein beliebiges derjenigen Materialien, die allgemein für die Herstellung von gitterisolierten Feldeffektbauelementen in der Halbleitertechnik verwendet werden, dienen. Im vorliegenden Fall ist beispielsweise vorausgesetzt, daß sämtliche Halbleitermaterialien, außer wenn anders angegeben, aus Silicium bestehen.The invention can be used with grid-insulated field effect components any conduction type sharing a common substrate made of a suitable material such as glass, sapphire, semiconductor material and the like. Share, realize. In the present case, for example Grid-insulated field-effect components of the metal-oxide-semiconductor type (MOS) of the p-conductivity type (p-MOS components) used. The semiconductor material can be any of those materials that are generally used for the manufacture of lattice-insulated Field effect components used in semiconductor technology are used. In the present case, for example, it is assumed that that all semiconductor materials, unless otherwise indicated, consist of silicon.
Fig. 1 zeigt das Schaltschema der erfindungsgemäßen Standard- oder Einheitszelle 50 unter Verwendung konventioneller Schaltsymbole. Die Einheitszelle $0 enthält zwei p-MOS-Bauelemente 20 und 21, die aufgrund ihrer verhältnismäßig großen Transkonduktanz (gm) sich als Inverterelemente eignen. Ferner enthält die Zelle 50 ein drittes p-rMOS-Bauelement 22 mit verhältnismäßig kleiner Transkonduktanz (gm). Das p-MOS-Bauelement 22 kann als Lastelement für die Inverterelemente 20 und 21 verwendet werden. Das vierte p-MOS-Bauelement 22, das eine Transkonduktanz (gm) mittleren Wertes hat, kann als Übertragungs- oder Koppelelement in sowohl dynamischen als auch statischen Logikanwendungen dienen.1 shows the circuit diagram of the standard or unit cell 50 according to the invention using conventional circuit symbols. The unit cell $ 0 contains two p-MOS components 20 and 21, which are suitable as inverter elements due to their relatively large transconductance (gm). Furthermore, the cell 50 contains a third p-rMOS component 22 with a relatively small transconductance (gm). The p-MOS device 22 can be used as a load element for the inverter elements 20 and 21. The fourth p-MOS component 22, which has a transconductance (gm) of average value, can serve as a transmission or coupling element in both dynamic and static logic applications.
Jedes der p-MOS-Bauelemente hat einen Kanal oder Leitungsweg, der an seinen Enden durch ein Quellengebiet und ein Abflußgebiet (für die Bau^emente 20, 21 und 22 durch angehängte Kleinbuchstaben s bzw. d bezeichnet) begrenzt ist. Beispielsweise hatEach of the p-MOS components has a channel or conduction path, the one at its ends by a source area and a drainage area (for building elements 20, 21 and 22 by appending lower case letters s and d respectively) is limited. For example, has
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das p-MOS-Bauelement 22 ein Quellengebiet 20s und ein Abflußgebiet 2Od, wobei diese Bezeichnungen auf der normalen Anwendung der Bauelemente 20, 21 und 22 beruhen, jedoch die Bezeichnungen für Quelle und Abfluß, jenachdem ob das Bauelement als Quellenfolger oder in Quellenschaltung arbeitet, untereinander austausch bar sind. Da das p-MOS-Bauelement 22 normalerweise als Übertragungsgatter verwendet wird, sind das Quellengebiet und das Abflußgebiet in Fig. 1 lediglich durch die Bezugsnummern 26 und 27 bezeichnet. Außerdem hat jedes p-MOS-Bauelement ein Gittergebiet,. das den betreffenden Kanal überlagert und von ihm durch eine verhältnismäßig dünne Isolierschicht isoliert ist. Das Gittergebiet ist jeweils durch den angehängten Kleinbuchstaben g bezeichnet. Beispielsweise ist das Gittergebiet des p-MQS-Bauelements 20 mit 20g bezeichnet. .the p-MOS component 22 has a source area 20s and a drain area 20d, these designations being based on the normal application of the components 20, 21 and 22, but the designations for source and drain, depending on whether the component works as a source follower or in source circuit, are interchangeable . Since the p-MOS device 22 is normally used as a transmission gate, the source area and the drain area are designated by reference numerals 26 and 27 in FIG. In addition, each p-MOS component has a grid area. which is superimposed on the channel in question and isolated from it by a relatively thin insulating layer. The grid area is indicated by the appended lower case letter g . For example, the grid area of the p-MQS component 20 is designated by 20g. .
Die Einheitszelle 30 hat zwei unbedingte funktionelle Kontaktpunkte 24 und 25. Der Kontaktpunkt 24 stellt eine unbedingte oder feste Verbindung der Quellengebiete 20s und 21s dar. Der Kontakt 25 stellt eine unbedingte oder feste Verbindung des Quellengebiets 22s und des Quellen-Abflußgebietes 26 des p-MOS-Bauelements 23 dar.The unit cell 30 has two unconditional functional contact points 24 and 25. The contact point 24 represents an unconditional or permanent connection of the source regions 20s and 21s. The contact 25 represents an unconditional or permanent connection of the source region 22s and the source drainage region 26 of the p-MOS Component 23.
Ferner sind eine Anzahl von bedingten oder wahlweise Kontaktpunkten 1-12 vorgesehen. Die bedingten Kontakte 2 urrö 9 sind den unbedingten Kontakten 24 bzw. 25 zugeordnet. Die bedingten Kontakte 4 und 5 sind den Abflußgebieten 2Od bzw. 21d zugeordnet. Der bedingte Kontakt 8 ist dem Quellen-Abflußgeblet 27 des p-MOS-Bauelements 22 zugeordnet. Die bedingten Kontakte 1,2,6 und 7 sind den Gittergebieten 20g, 21g, 22g bzw. 22g zugeordnet. Die restlichen bedingen Kontakte 10, 11, 12 und 12 dienen zum Anschluß der Zelle 50 an verschiedene Speiseleitungen. Beispielsweise dienen die Kontakte 12 und 12 zum Anschluß an Masse Grd bzw. an die Stromversorgung Vdd, während die Kontakte 10 und 11 zum Anschluß an zwei Taktsignalleitungen 01 bzw, 02 dienen. Furthermore, a number of conditional or optional contact points 1-12 are provided. The conditional contacts 2 and 9 are assigned to the unconditional contacts 24 and 25 , respectively. The conditional contacts 4 and 5 are assigned to the drainage areas 20d and 21d , respectively. The conditional contact 8 is assigned to the source drainage area 27 of the p-MOS device 22. The conditional contacts 1,2,6 and 7 are assigned to the grid areas 20g, 21g, 22g or 22g. The remaining conditional contacts 10, 11, 12 and 12 are used to connect the cell 50 to various feed lines. For example , the contacts 12 and 12 are used for connection to ground Grd or to the power supply Vdd, while the contacts 10 and 11 are used for connection to two clock signal lines 01 and 02, respectively.
Ein weiterer fester oder unbedingter funktloneller Anschluß Another permanent or unconditional functional connection
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28 verbindet das Abflußgebiet 22d mit der mit Vdd bezeichneten Speiseleitung.28 connects the drainage area 22d to the feed line labeled Vdd.
Die Einheitszelle 50 eignet sich zur Verwendung als identiüätsveränderlicher Baustein in einer LSI-Anordnung zur Realisierung gewünschter digitaler Systeme wie Addierer, Schieberegister, Zähler und anderer Logikschaltsysteme. Um ein gewünschtes System zu realisieren, gibt der Konstrukteur der Einheitszelle, einer Gruppe von Einheitszellen, Teilen von Einheitszellen oder beliebigen Kombinationen dieser Elemente eine funktioneile Identität, indem er die elektrischen oder funktionellen Anschlüsse der bedingten oder wahlweisen Kontakte 1-12 spezifiziert. In Fig. 2, j5 und 4 sind einige Beispiele funktioneller Identitäten, die der Einheitszelle oder mehreren Einheitszellen oder Teilen derselben erteilt werden können, veranschaulicht, wobei die Speisespannung für die p-MOS-Schaltungen mit -Vdd bezeichnet ist.The unit cell 50 is suitable for use as a mutable identity Module in an LSI arrangement for the implementation of desired digital systems such as adders, shift registers, Counters and other logic switching systems. In order to realize a desired system, the designer of the unit cell, one Group of unit cells, parts of unit cells or any Combinations of these elements create a functional identity by having the electrical or functional connections of the conditional or optional contacts 1-12 specified. In Fig. 2, j5 and 4 are some examples of functional identities that the unit cell or a plurality of unit cells or parts thereof can be issued, illustrated, wherein the supply voltage for the p-MOS circuits is denoted by -Vdd.
Durch Verwendung des Inverterelements 20 in Verbindung mit dem Lastelement 22 kann der Einheitszelle die Identität eines Inverters gegeben werden. Dies ist in Fig. 2 für statische Logikanwendungen dadurch veranschaulicht, daß die Leitung J>0 die bedingten Kontakte Jf und 12 verbindet, die Leitung J)I die Kontakte 4 und 9 verbindet und die Leitung J>2. die Kontakte 6 und 10 verbindet. Die Funktionstabelle in Fig. 2 gibt die Funktion der Schaltung bei dem Kontakt 1 zugeführten Eingangssignal A und von entweder dem Kontakt 4 oder dem Kontakt 9 abgenommenem Ausgangssignal Cs wieder. Und zwar ist, wenn das Eingangssignal A den hohen Pegel (H) hat, das Ausgangssignal Cs auf dem niedrigen Pegel (L). Beispielsweise kann der Pegel L dem Potential -Vdd und der Pegel H dem Potential Grd entsprechen. Umgekehrt ist, wenn das Eingangssignal A niedrig (L) ist, das Ausgangssignal Cs hoch (H). Für statische Logikanwendungen ist die Leitung 01 an eine statische Gleichspannung, z.B. entweder die Leitung -Vdd oder eine andere geeignete negative Spannung angeschlossen. Die in diesem Falle nicht verwendeten p-MOS-Bauelemente 21 undBy using the inverter element 20 in conjunction with the load element 22, the unit cell can be given the identity of an inverter. This is illustrated in FIG. 2 for static logic applications in that the line J> 0 connects the conditional contacts Jf and 12, the line J) I connects the contacts 4 and 9 and the line J> 2. contacts 6 and 10 connects. The function table in FIG. 2 shows the function of the circuit with the input signal A supplied to contact 1 and output signal Cs taken from either contact 4 or contact 9. Namely, when the input signal A is at the high level (H), the output signal Cs is at the low level (L). For example, the level L can correspond to the potential -Vdd and the level H can correspond to the potential Grd. Conversely, when input A is low (L), output Cs is high (H). For static logic applications, line 01 is connected to a static DC voltage, such as either line -Vdd or some other suitable negative voltage. The p-MOS components 21 and not used in this case
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23 können in Verbindung mit anderen Einheitszellen der Anordnung für die Realisierung anderweitiger Funktionen verwendet werben.23 can be used in conjunction with other unit cells of the arrangement advertise used for the implementation of other functions.
Für dynamische Logikanwendungen sind mittels einer weiteren Leitung J$ die Kontakte 6 und 7 verbunden. Die Taktsignalleitung 01 wird jetzt statt mit einer statischen Gleichspannung mit einem Taktsignal gespeist, und das Ausgangssignal kann entweder vom Kontakt 8 oder vom Kontakt 9* jenachdera ob das Bauelement 23 benutzt wird, abgenommen werden. Auch in diesem Fall erfüllt die Anordnung die Funktion eines Inverters.For dynamic logic applications, contacts 6 and 7 are connected by means of a further line J $. The clock signal line 01 is now fed with a clock signal instead of a static DC voltage, and the output signal can be tapped either from contact 8 or from contact 9 *, depending on whether component 23 is used. In this case too, the arrangement fulfills the function of an inverter.
Fig. 3 zeigt eine weitere exemplarische funktioneile Identität für die Einheitszelle, die in diesem Falle als zweieingängiges Logikgatter ausgebildet ist. Wie in Fig. 2 sind die Last- und Übertragungselemente 22 und 23 durch die Leitungen 32 und 33 verbunden. Die Leitung 31 hat jetzt eine zusätzliche oder Hilfsleitung y*r, um auch den Kontakt 3 mit dem Kontakt 9 zu'verbinden. Wiederum verbindet die Leitung 30 die Kontakte 3 und 12. Wiederum für statische Logikanwendungen ist die Leitung 01 mit einer statischen Gleichspannung, die entweder Vdd oder eine andere geeignete Spannung sein kann, verbunden. Die Eingangssignale A und B sind den Kontakten 1 und 2 zugeführt und das statische Ausgangssignal Cs wird vom Kontakt 9 abgenommen. Die der Fig. 3 beigefügte Funktionstabelle gibt die Schaltungsfunktion wieder. Und zwar ist, wenn eines der Eingangssignale A oder B niedrig (L) ist, das Ausgangssignal Cs hoch (H). Wenn dagegen beide Eingangs-Signale A und B hoch (H) sind, ist das Ausgangssignal Cs niedrig (L). Ferner ist, wenn beide Eingangssignale A und B niedrig (L) sind, das Ausgangssignal Cs hoch (H). Ordnet man die Binärgrößen 1 und 0 den Pegeln H bzw. L zu, so erfüllt die Schaltung die Funktion eines NAND-Gatters. Ordnet man dagegen umgekehrt die Binärgrößen 1 und 0 den Pegeln L bzw. H zu, so erfüllt die Schaltung die Funktion eines NOR-Gatters.3 shows a further exemplary functional identity for the unit cell, which in this case is designed as a two-input logic gate. As in FIG. 2, the load and transmission elements 22 and 23 are connected by lines 32 and 33. The line 31 now has an additional or auxiliary line y * r in order to also connect the contact 3 to the contact 9. Again, line 30 connects contacts 3 and 12. Again, for static logic applications, line 01 is connected to a static DC voltage, which may be either Vdd or some other suitable voltage. The input signals A and B are fed to contacts 1 and 2 and the static output signal Cs is taken from contact 9. The function table attached to FIG. 3 shows the circuit function. Namely, when either input signal A or B is low (L), output signal Cs is high (H). On the other hand, when both input signals A and B are high (H), the output signal Cs is low (L). Further, when both inputs A and B are low (L), the output signal Cs is high (H). If the binary quantities 1 and 0 are assigned to the levels H and L, the circuit fulfills the function of a NAND gate. Conversely, if, conversely, the binary quantities 1 and 0 are assigned to the levels L and H, the circuit fulfills the function of a NOR gate.
Die bedingten Kontakte 6 und 7 können beide an entweder die Leitung 01 oder die Leitung 02 oder aber getrennt an diese beidenThe conditional contacts 6 and 7 can both be connected to either the line 01 or the line 02 or separately to these two
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Leitungen angeschlossen werden. Ferner ist die Leitung 33 unnötig, wenn das Bauelement 23 nicht verwendet werden soll, wie es bei den meisten statischen und einigen dynamischen Logikanwendungen der Fall ist. Für eine typische dynamische Logikanwendung, wo das Bauelement 23 benutzt wird, kann man entweder das Ausgangssignal Cd oder das Ausgangssignal Cs verwenden.Lines are connected. Furthermore, the line 33 is unnecessary, when device 23 is not to be used, as in most static and some dynamic logic applications the case is. For a typical dynamic logic application where device 23 is used, one can either use the output signal Cd or the output signal Cs.
Zur Erfüllung dynamischer Logikfunktionen mit der Einheitszelle wird mit Mehrphasen-Taktgabe für die Lastelemente und die Übertragungselemente gearbeitet, um den Informationsfluß zu steuern und gleichzeitig die Gitterkapazitäten eines nachgeschalteten p-MOS-Bauelements für Zwecke der zeitweiligen Speicherung in noch zu beschreibender Weise auszunützen. Gerade für dynamische Logikanwendungen sind die MOS-Bauelemente häufig am besten geeignet. Die Schaltungen sind wegen des hohen Eingangswiderstands der MOS-Bauelemente einfach. Ferner wird Energie oder Leistung nur dann verbraucht, wenn das Taktsignal anwesend ist, so daß der Leistungsverbrauch geringer ist als bei gleichartigen statischen Logikanwendungen.To fulfill dynamic logic functions with the unit cell multiphase clocking is used for the load elements and the transmission elements in order to control the flow of information and at the same time the grid capacitance of a downstream p-MOS component to be used for purposes of temporary storage in a manner yet to be described. Especially for dynamic logic applications the MOS devices are often the most suitable. The circuits are because of the high input resistance of the MOS components simple. Furthermore, energy or power is only consumed when the clock signal is present, so that the Power consumption is lower than with similar static Logic applications.
Die bilateralen Stromleitungseigenschaften der MOS-Bauelemente, d.h. ihre Fähigkeit, den Strom in beiden Richtungen zu leiten, und zwar insbesondere des Ubertragungsgatterelements 23, machen es möglich, daß die Gitterkapazität der nächstfolgenden Logikfunktion entweder aufgeladen oder entladen werden kann. Mit Hilfe von zwei Invertern, zwei Koppelelementen und zwei Taktgebern läßt sich eine Einbit-Verzögerungsstufe eines dynamischen Schieberegisters realisieren. Eine solche Einbitstufe eines dynamischen Schieberegisters mit zwei Standardzellen 50a und 50b ist in Fig. 4 gezeigt. Die Einheitszelle 50a ist als Inverter in der gleichen Weise wie der Inverter nach Fig. 2 geschaltet. Ebenso ist die Einheitszelle 50b in ähnlicher Weise als Inverter geschaltet, mit Ausnahme der Tatsache, daß die Leitung 32 weggelassen ist und eine Leitung 35 die Kontakte 7 und 11 verbindet. Auf diese Weise kann der Inverter der Zelle 50a mit der Taktphase 01 und der Inverter der Zelle 50b mit der Taktphase 02 ge-The bilateral current conduction properties of the MOS components, ie their ability to conduct the current in both directions, and in particular of the transmission gate element 23, make it possible that the grid capacitance of the next logic function can be either charged or discharged. A one-bit delay stage of a dynamic shift register can be implemented with the aid of two inverters, two coupling elements and two clock generators. Such a one-bit stage of a dynamic shift register with two standard cells 50a and 50b is shown in FIG. The unit cell 50a is connected as an inverter in the same manner as the inverter of FIG. Likewise, the unit cell 50b is similarly connected as an inverter, with the exception of the fact that the line 32 is omitted and a line 35 connects the contacts 7 and 11. In this way, the inverter of cell 50a with clock phase 01 and the inverter of cell 50b with clock phase 02.
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steuert werden. Die Gitterkapazität C-20b repräsentiert die . Gitterkapazität des p-MOS-Bauelements 20b in der Zelle 30b, während die Kapazität C-20c die Gitterkapazität der nächstfolgenden Stufe (nicht gezeigt) repräsentiert. Die Ausgangsklemme Cd der Zelle 50a ist mit der Eingangsklemme 1 der Zelle 50b verbunden .be controlled. The grid capacitance C-20b represents the. Grid capacitance of the p-MOS component 20b in the cell 30b, while the capacitance C-20c represents the grid capacitance of the next following level (not shown). The output terminal Cd of cell 50a is connected to input terminal 1 of cell 50b .
Fig· 5 gibt das Zeitsteuerdiagramm für das dynamische Schieberegister wieder. Um einen einwandfreien Informationsfluß zu gewährleisten, haben die beiden Taktphasen niemals gleichzeitig den L-Pegel (-Vdd). Ferner muß die Kapazltätsspeicherzeitk'onsfcante größer als das Zeitintervall zwischen den Hinterflanken von 01 und 02 oder umgekehrt, jenachdem welches am größten ist, sein. Die kleinen Stufen in den Signalνerlaufen Xn+ 1/2'und Xn + 1 werden durch kapazitive Durchkopplung in den Übertr.agungsgatterelementen 2j3a und 2^b beim Rückspringen des Taktimpulses auf den Η-Pegel erzeugt.Fig. 5 gives the timing diagram for the dynamic shift register again. In order to ensure a perfect flow of information, the two clock phases never have the same time the L level (-Vdd). The capacity storage time must also be used greater than the time interval between the trailing edges of 01 and 02 or vice versa, whichever is largest. The small steps in the signals run Xn + 1/2 'and Xn + 1 are generated by capacitive coupling in the transmission gate elements 2j3a and 2 ^ b when the clock pulse jumps back on generates the Η level.
Die Arbeitsweise ist wie folgt: Das auf den L-Pegel umschaltende Taktsignal 01 schaltet die Bauelemente 22a und 2^a ein. Die Gitterkapazität C-20b wird, wenn Xn den L-Pegel hat, über die Bauelemente 2^a und 20a auf den H-Pegel (Grd) aufgeladen oder, wenn Xn den Η-Pegel hat, über die Bauelemente 22a und 2^a auf den L-Pegel entladen. Das Taktsignal 01 schaltet auf den H-Pegel zurück und schaltet die p-MOS-Bauelemente 22a und 2jJa aus. Die Information bleibt in der Kapazität C-20b gespeichert.The mode of operation is as follows: The one that switches to the L level Clock signal 01 switches components 22a and 2 ^ a a. When Xn has the L level, the grid capacitance C-20b is charged to the H level (Grd) via the components 2 ^ a and 20a or, if Xn has the Η level, via the components 22a and 2 ^ a discharged to the L level. The clock signal 01 switches to the H level back and turns off the p-MOS devices 22a and 2jYes. The information remains stored in the capacity C-20b.
Das Taktsignal 02 wechselt auf den L-Pegel und schaltet die Bauelemente 22b und 2^b ein. Die Umkehrung oder das Komplement der in der Gitterkapazität C-20b gespeicherten Information wird über das Übertragungsbauelement 2j5b zur Gitterkapazität C-20c übertragen. Das Taktsignal 02 kehrt auf den H-Pegel zurück und schaltet die Bauelemente 22b. und 2j5b ab. Die in der Kapazität C-20c gespeicherte Information wird übertragen, wenn das Taktsignal 01 wieder auf den L-Pegel wechselt, Während einer vollen Periode eines Taktimpulses 01 und eines folgenden TaktimpulsesThe clock signal 02 changes to the L level and switches on the components 22b and 2 ^ b. The inverse or the complement of the information stored in the grid capacitance C-20b is transmitted to the grid capacitance C-20c via the transmission component 2j5b. The clock signal 02 returns to the H level and switches the components 22b. and 2j5b. The information stored in the capacitor C-20c is transmitted when the clock signal 01 changes back to the L level, during a full period of a clock pulse 01 and a subsequent clock pulse
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02 wandert oder fließt also die Information Xn mit einer Verzögerung eines Bitintervalls vom Eingang des Bauelements 20a der Zelle 50a zur Gitterkapazität C-20c der nächstfolgenden Stufe. 02 , the information Xn migrates or flows with a delay of one bit interval from the input of the component 20a of the cell 50a to the grid capacitance C-20c of the next following stage.
Die in Fig. 2-5 veranschaulichten funktioneilen Identitäten der Einheitszelle sind hier lediglich beispielsweise angegeben, und es können auch andere Identitäten den Zellen zugewiesen werden. Beispielsweise kann man mit der Standardzelle Schaltungen realisieren, welche die EXKLUSIV-ODER-Funktion oder die EXKLUSIV-ODER-Funktion erfüllen. Andere realisierbaren Schaltungsfunktionen sind u.a. Flipflops vom Setz-Zurücksetztyp sowie tastbare Flipflops. Außer für solche digitalen Schaltungsfunktionen kann die Einheitszelle auch dafür verwendet werden, einen linearen Verstärker zu realisieren.The functional identities of the unit cell illustrated in FIGS. 2-5 are only given here by way of example, and other identities can also be assigned to the cells. For example, the standard cell can be used for circuits realize which fulfill the EXCLUSIVE-OR function or the EXCLUSIVE-OR function. Other realizable circuit functions include set-reset type flip-flops and tactile flip-flops. Except for such digital circuit functions the unit cell can also be used to implement a linear amplifier.
In Fig. 6, Y und 8 ist die LSI-Anordnung, in der die Einheitszelle verwendbar ist, gezeigt. Fig. 8 zeigt eine Anordnung aus vier der in Fig. 6 gezeigten Einheitszellen und dient dazu, die p-MOS-Anordnung sowie das Metallisierungsschema für das zweieingängige Logikgatter nach Fig. 2 zu veranschaulichen. In Fig. sind die Einheitszellen der LSI-Anordnung in Koordinatenzeilen und -spalten ausgelegt. Jede der Einheitszellen trägt als ersten Bestandteil ihres Bezugszeichens die Nummer 50. Der zweite Teil des Bezugszeichens bezeichnet den Ort der jeweiligen Zelle in der Matrix. Und zwar bezeichnet die Ziffer der ersten Stelle die betreffende Zeile, während die Ziffer der zweiten Stelle die betreffende Spalte bezeichnet. Beispielsweise ist die Einheitszelle in der untersten Zeile und der am weitesten linken Spalte mit 50-61 bezeichnet, wobei die Ziffer 6 die sechste Zeile und die Ziffer 1 die linkeste Spalte bezeichnet.In Figs. 6, Y and 8, the LSI arrangement in which the unit cell can be used is shown. Fig. 8 shows an arrangement of four of the unit cells shown in Fig. 6 and serves MOS p-assembly to illustrate and the metallization for the two catchy logic gate of FIG. 2. In FIG. 1, the unit cells of the LSI array are laid out in coordinate lines and columns. Each of the unit cells has the number 50 as the first component of its reference number. The second part of the reference number denotes the location of the respective cell in the matrix. The number in the first position indicates the relevant line, while the number in the second position indicates the relevant column. For example, the unit cell in the bottom row and the leftmost column is denoted by 50-61, the number 6 denoting the sixth row and the number 1 denoting the leftmost column.
In einer bestimmten ZeLLenanordnung können ein oder mehrere Zwischenräume übrighLeiben, die zu kLein L'iiv eine Einhoitaaeile !>() sind. Diese übt'igjjübLicbfimni Zwischenräume können mit npezieL-lfiii ZoI Lon ausgefüiit Herden und in Fms. ^ nut die LiJ £ -Anordnung Holcho anderon !'«--LLerx, boiiipU.'LüweLse ULu 'ZuIlan ujl, IUl, i>j undIn a certain cell arrangement, one or more spaces can be left that are too small to be a unity!> (). These practiced spaces can be executed with special foci and in fms. ^ use the LiJ £ arrangement Holcho anderson! '«- LLerx, boiiipU.'LüweLse ULu ' ZuIlan u jl, IUl, i> j and
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5^. Diese Zellen können beispielsweise zwei Inverterelemente und ein Lastelement zur Verschaltung als zweieingängiges Log^kgatter enthalten. .· ·5 ^. These cells can, for example, have two inverter elements and a load element for interconnection as a two-input log gate contain. . · ·
Oberhalb der ersten oder obersten Zellerizeile befindet sich eine Schneise oder ein Korridor 70-1· Weitere solche Korridore 70-2 bis 70-7 befinden sich zwischen den verschiedenen Zeilen und unterhalb der letzten oder untersten Zeile. Auf den Korridorflächen 70-2, 70-4 und 70-6 ist ein Metailisierungsmuster von . Speiseleitungen angebracht, die serpentinenförmig oder S-förmig durch die Koordinatenanordnung geführt sind, so datf die sämtlichen Zellen gemeinsam sind. Zu diesen Speiseleitungen gehören eine Vdd-Leitung, eine Grd-Leitung, eine 02-TaktsignalleitungAbove the first or top cell line is a lane or corridor 70-1 · Further such corridors 70-2 to 70-7 are between the different lines and below the last or bottom line. On the corridor areas 70-2, 70-4 and 70-6 is a detailing pattern of. Attached feed lines, which are serpentine-shaped or S-shaped through the coordinate arrangement, so datf all Cells are common. These feed lines include a Vdd line, a Grd line, and an O2 clock signal line
, en, en
und zwei 01-Taktsignalleitungen. Die 01-Taktsignalleitung' sind aus später im Zusammenhang mit Fig. 7 zu erläuternden Gründen' jeweils an oder bei einer anderen Zellenzeile angeordnet. Die Korridore 70-1, 70-3, 70-5 und 70-7 dienen allgemein für Zwecke der Verschaltung der verschiedenen Einheitszellen 50.and two 01 clock signal lines. The 01 clock signal line 'are for reasons to be explained later in connection with FIG. 7 ' each arranged on or next to a different row of cells. Corridors 70-1, 70-3, 70-5, and 70-7 are generally for purposes the interconnection of the various unit cells 50.
In einer Zeile am oberen Rand der Zellenanordnung und in einer Zeile am unteren Rand der Anordnung sind eine Anzahl von Kontaktgebieten 60 für die Rand- oder äußere Verschaltung zwischen der LSI-Anordnung und anderen Bauteilen vorgesehen. Obwohl die Kontakte 60 entweder diffundiert oder als Metallstege ausgebildet sein können, sind sie für die p-MOS-Anordnung vorzugsweise aus metallischem Material gefertigt. Einige der Kontakte 60 können als Eingangs/Ausgangsanschlüsse der Anordnung verwendet werden, während andere dazu dienen, der Anordnung die verschiedenen Speise- und Steuerspannungen zuzuführen. Zu diesem Zweck sind die 01-Taktsignaileitungen jeweils an das mit 01 bezeichnete Kontaktplättchen angeschlossen, während die 02-Taktsignalleitung an das mit 02 bezeichnete- Kontaktplättchen angeschlossen ujt. Entsprechend sind die Vdd-Leitungan das nut Vdd imU die irrd-Leitung an dar, mit ürd bezeichaolo Koataktplätbchen angeschlossen.In a row at the upper edge of the cell arrangement and in a row at the lower edge of the arrangement, a number of contact areas 60 are provided for the edge or external interconnection between the LSI arrangement and other components. Although the contacts 60 can either be diffused or designed as metal webs, they are preferably made of metallic material for the p-MOS arrangement. Some of the contacts 60 can be used as input / output terminals of the arrangement, while others serve to supply the various supply and control voltages to the arrangement. For this purpose, the 01-Taktsignaileitungen are respectively connected to the designated contact plate 01 during the 02-clock signal line connected to the ujt bezeichnete- with 02 contact pads. Correspondingly, the Vdd line is connected to the nut Vdd imU, the irrd line to dar, with ürd denoted Koataktplätbchen.
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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
Unter jedem der Korridore befindet sich jeweils eine Anzahl von beabstandeten diffundierten Gebieten. Wie im einzelnen noch erläutert werden wird, erfüllen einige dieser Gebiete unter den Korridoren 70-2, 70-4 und 70-6 die doppelte Aufgabe eines Quellenoder Abflußgebietes in einer Zelle sowie eines diffundierten Anschlusses an die Sammeileiteranordnung. Andere der diffundierten Gebiete, bezeichnet mit 48, unterqueren im Abstand voneinander die verschiedenen Korridore, so daß Leiterkreuzungen gebildet werden. Die Zugangsöffnungen zu den verschiedenen diffundierten Gebieten sind im Aostand voneinander angeordnet, so daß die darüberliegenden metallischen Leiter zwischen ihnen in gewünschten Anordnungen geführt werden können.Under each of the corridors are a number of spaced apart diffused areas. As in detail will be explained, some of these areas under Corridors 70-2, 70-4 and 70-6 serve the dual role of sources or Drainage area in a cell and a diffused connection to the manifold assembly. Others of the diffused Areas, designated 48, pass under the various corridors at a distance from one another, so that ladder crossings are formed will. The access openings to the different diffused areas are arranged in a standstill of one another so that the overlying metallic conductors between them in desired Arrangements can be made.
Die serpentinenförmige oder S-förmige Sammelleiteranordnung für die LSI-Schaltung ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, indem sie metallische Verschaltungen zwischen den Zellen irgendeiner Zeile und verschiedenen der anderen Zeilen ermöglicht, - so daß der höhere Widerstand und die größere Kapazität diffundierter Leitergebiete vermieden werden. Beispielsweise können die Zellen in der ersten Zeile mit den Zellen der vierten und der fünften Zeile durch lediglich metallische Leiter verbunden werden, während die Zellen der zweiten Zeile mit den Zellen der dritten und der sechsten Zeile durch lediglich metallische Leiter verbunden werden können.The serpentine or S-shaped busbar arrangement for the LSI circuit is an important feature of the invention, by making metallic interconnections between the cells of any Row and various of the other rows allows - so that the higher resistance and the larger capacitance are more diffused Ladder areas are avoided. For example, the cells in the first row can match the cells in the fourth and of the fifth row are connected by only metallic conductors, while the cells of the second row are connected to the cells of the third and sixth rows can be connected by only metallic conductors.
Fig. 7 und 8 zeigen kontruktive Einzelheiten sowohl der p-M0S-Einheits2ellen als auch der Gesamtanordnung. Fig. 7 zeigt in Draufsicht eine Vierzellengruppe entsprechend den Zellen 50-13, 50-14, 50-23 und 50-24 der LSI-Anordnung nach Fig. 6. Die Zelle 50-12, deren Eezugszeichen denen des Einheitszellen-Schaltschemas nach Fig. 1 entsprechen, wird zunächst anhand der Big. 6, Qie einen Schnitt entlang der Linie M-M1 in Fig. 7 zeigt, beschrieben.Figures 7 and 8 show structural details of both the p-MOS unit cells and the overall arrangement. FIG. 7 shows a plan view of a four-cell group corresponding to cells 50-13, 50-14, 50-23 and 50-24 of the LSI arrangement according to FIG. 6. Cell 50-12, whose reference numerals are those of the unit cell circuit diagram according to FIG . 1 is initially based on the Big. 6, Qie shows a section along the line MM 1 in FIG.
Die p-MOS-Einheitszelxe 50-13 sowie die gesamte LSI-Anordnung sind auf einem n-leitenden Halbleitersubstrat 40 angebrachtThe p-MOS unit cells 50-13 and the entire LSI arrangement are mounted on an n-type semiconductor substrate 40
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(Fig. 8). Durch eine Anzahl von beabstandeten p-Gebieten, die in die eine Oberfläche des Substrates 40 eindiffundiert sind, werden die p-MOS-Bauelemente sowie p-Anschlußleiter (p-TunnelansohlÜsse) gebildet. Beispielsweise bilden in Fig. 8 die "diffundierten p-Gebiete 2Od und 21d die Abflußgebiete der p-MOS-Bauelemente 20 und 21, während das p-Gebiet 24 ein gemeinsames Quellengebiet für die p-MOS-Bauelemente 20 und 21 sowie einen unbedingten oder festen elektrischen Anschluß dieses Gebietes bildet. Der Zwischenraum zwischen den p-Gebieten 2Od und 24 sowie der Zwisohenraum zwischen den p-Gebieten 21d und 24 bilden die Kanäle oder Leitungswege der p-MOS-Bauelemente 20 und 21.(Fig. 8). By a number of spaced p-regions which are diffused into one surface of the substrate 40 the p-MOS components as well as p-connecting conductors (p-tunnel connections) educated. For example, in Fig. 8, "form diffused p-regions 20d and 21d the drainage areas of the p-MOS components 20 and 21, while the p-area 24 is a common source area for the p-MOS components 20 and 21 and an unconditional or permanent electrical connection of this area forms. The space between the p-regions 20d and 24 as well as the intermediate space The channels or conduction paths of the p-MOS components 20 and 21 form between the p-regions 21d and 24.
Eine verhältnismäßig dicke (z.B. 15000 8) Isolierschicht 4l, z.B. aus Siliciumoxid, befindet sich über dem diffundierten Oberflächengebiet des Substrats 40. In der Oxidschicht 41 sind eine Anzahl von Zugangslöchern oder -durchbrüchen vorgesehen, welche die Kanäle der Bauelemente sowie einen Teil oder Teile der verschiedenen diffundierten p-Gebiete freilegen. Bei der Einheitszelle 5O-1J5 bilden diese Zugangs öffnungen die in Fig. 1 gezeigten wahlweisen oder bedingten Ansohluöpunkte bzw. Kontakte, so daß sie mit den entsprechend gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Bei den p-MOS-Bauelementen 20 und 21 sind die Zugangsöffnungen 4 und 5 über den Abflußgebieten 2Od bzw. 21d angeordnet, so daß sie einen Teil dieser Gebiete freilegen. Die Zugangsöffnungen 1 und 2 befinden sich über den Kanälen der beiden Bauelemente. Innerhalb der öffnungen 1 und 2"über dem Substrat 40 befinden sich verhältnismäßig dünne (z.B. lOOÖ 8) Schichten 42 aus Oxid, welche die Gittergebiete 20g und 21g bilden.A relatively thick (e.g. 15000 8) insulating layer 4l, e.g. of silicon oxide, is located over the diffused surface area of the substrate 40. In the oxide layer 41 are a number of access holes or penetrations are provided, which the channels of the components as well as a part or parts of the various diffused p-regions. In the case of the unit cell 50-1J5, these access openings form those in FIG. 1 Optional or conditional connection points or contacts shown, so that they are designated with the same reference numerals. In the p-MOS devices 20 and 21, the access openings are 4 and 5 arranged above the drainage areas 2Od and 21d, respectively, so that they expose part of these areas. The access openings 1 and 2 are located above the channels of the two components. Inside the openings 1 and 2 ″ above the substrate 40 there are relatively thin (e.g. 1008) layers 42 made of oxide, which form the grid regions 20g and 21g.
Die anderen p-MOS-Bauelemente 22 und 23 sind in entsprechender Weise im n-Substrat 40 ausgebildet. Diese beiden Bauelemente teilen ein gemeinsames p-Gebiet 25, das dem unbedingten oder festen Anschluß in Fig. 1 entspricht.The other p-MOS components 22 and 23 are similar Manner in the n-type substrate 40. These two components share a common p-region 25 which corresponds to the unconditional or fixed connection in FIG.
Bei in der LSI-Anordnung eingebauter Einheitszelle sind die effektive Beweglichkeit oder Mobilität yu der, Ladungsträger, dieWhen the unit cell is built in the LSI array, the effective mobility or mobility yu the, charge carriers that
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8AOORlQmAL8AOORlQmAL
Dielektrizitätskonstante £ des Gitterübertragers und die Dicke T des Gitterisolators für sämtliche p-MOS-Elemente gleich, so daß die Transkonduktanz gm für jedes p-MOS-Element gleich der Breite dividiert durch die Länge (γ) des betreffenden Kanals ist. In Fig. 7 sind diese Abmessungen 1 und w, die für jedes p-MOS-Element entsprechend definiert sind, beispielsweise für den Kanal p-MOS-Bauelements 20 angegeben. Und zwar ist die Länge 1 der Abstand zwischen den p-leitenden Abfluß- und Quellengebieten 2Od und 24, während die Breite w die Abmessung quer oder rechtwinklig zur Länge ist. Diese Kanalabmessungen w und 1 und folglich die Transkonduktanz gm der einzelnen p-MOS-Bauelemente werden durch die während der Herstellung der Anordnung verwendete Diffusionsmaske für die p-Gebiete bestimmt. Und zwar werden auf diese Weise die Transkonduktanzen gm der p-MOS-Inverterelemente 20 und 21 dadurch, daß man w groß und 1 klein macht, groß gemacht, während die Transkonduktanz gm des p-MOS-Lastelements 22 dadurch, daß man die Kanalabmessungen 1 und w relativ größer bzw. kleiner macht, klein gemacht wird.Dielectric constant £ of the grid transformer and the thickness T of the grid insulator is the same for all p-MOS elements, so that the transconductance gm for each p-MOS element is equal to the width divided by the length (γ) of the channel in question. In Fig. 7, these dimensions 1 and w are common to each p-MOS element are defined accordingly, for example for the channel p-MOS component 20 specified. The length 1 is the distance between the p-conducting drainage and source areas 20d and 24, while the width w is the dimension across or perpendicular to the length. These channel dimensions w and 1 and consequently the transconductance gm of the individual p-MOS components are through the diffusion mask used during the production of the arrangement intended for the p regions. In this way, the Transconductances gm of the p-MOS inverter elements 20 and 21 in that that one makes w large and 1 small made large, while the transconductance gm of the p-MOS load element 22 by making the channel dimensions 1 and w makes relatively larger and smaller, respectively, is made small.
Der Korridor 70-2 zwischen den Zellen 50-13 und 50-14 der ersten Zeile und den Zellen 50-22 und 50-24 der zweiten Zeile bildet einen Zugang zu den einzelnen Zellen von den verschiedenen Speiseleitern 01, 02, Vdd und Grd, welche die dicke Oxidschicht überlagern und längs des Korridors geführt sind. Diese Leiter bestehen imjkllgemeinen aus Metall z.B. Aluminium. Die Leiter Vdd, Grd und 02 sind in die einzelnen Zellen eingebracht, indem sie durch die Zugangsöffnungen die darunterliegenden diffundierten p-Gebiete kontaktieren und dadurch Uberkreuzungsverbindungen. bilden. So kontaktiert die Vdd-Leitung das p-Gebiet 28 über die Zugangsöffnung 28, die Grd-Leitung das p-Geblet 46 über die Zugangsöffnung 44 und die 02-Leitung das p-Gebiet 47 über die Zugangsöffnung 45. In der Zeichnung sind die Zugangsöffnungen 43, 44 und 45 schraffiert dargestellt, um eine eintrische Verbindung oder einen elektrischen Anschluß anzudeuten. Die p-Gebiete 28, 46 und 47 verlaufen unter dem Korridor 70-2 und sind den Einheitszellen 50-13-und 50-23 gemeinsam. Es hat also in jeder Zelle das Corridor 70-2 between cells 50-13 and 50-14 of the first row and cells 50-22 and 50-24 of the second row provides access to the individual cells from the various feeders 01, 02, Vdd and Grd, which overlay the thick oxide layer and run along the corridor. These conductors generally consist of metal, for example aluminum. The conductors Vdd, Grd and 02 are introduced into the individual cells by contacting the underlying diffused p-regions through the access openings and thus crossover connections. form. Thus, the Vdd line contacts the p-region 28 via the access opening 28, the Grd-line the p-Geblet 46 via the access opening 44 and the O2-line the p-area 47 via the access opening 45. In the drawing, the access openings are 43, 44 and 45 shown hatched to indicate a one-way connection or an electrical connection. The p-regions 28, 46 and 47 run under the corridor 70-2 and are common to the unit cells 50-13 and 50-23. So it has that in every cell
-18--18-
,w,-^ :** 309818/0922, w, - ^ : ** 309818/0922
p-MOS-Bauelement 22 Anteil am gemeinsamen p-Gebiet 28.p-MOS component 22 portion of the common p-region 28.
Jede Zelle hat Zugang zur 01-Leitung, da an jeder Zelle eine 01-Leitung vorbeiläuft. Und zwar verläuft in Fig. 6 die oberste 01-Leitung angrenzend an die Zellen der ersten Zeile, Während die unterste 01-Leitung angrenzend an die Zellen der zweiten Zeile verläuft. Die 01-Leitungen können daher durch entsprechende Metallisierung an die gewünschte Zugangsöffnung einer Zelle ohne Verwendung diffundierter p-Gebiete angeschlossen werden.Every cell has access to the 01 line, there is one on every cell 01 line passes by. The topmost one runs in FIG. 6 01 line is adjacent to the cells of the first row, while the bottom 01 line is adjacent to the cells of the second row runs. The 01 lines can therefore be connected to the desired access opening of a cell without using appropriate metallization Use of diffused p-regions can be connected.
Die weiteren p-Gebiete 48, die unter dem Korridor 70-2 verlaufen, unterkreuzen die Speiseleiter, um die Zellen der ersten Zeile mit den Zellen der zweiten Zeile zu funktionellen Systemen zu verbinden. Wie man in Fig. 6 sieht, sind diese zusätzlichen p-Gebiete 48 an verschiedenen Stellen längs der Korridore 70-2, 70-4 und 70-6 sowie in bestimmter Verteilung länge der Korridore 70-1, 70-3, 70-5 und 70-7 angeordnet.The other p-regions 48, which run under the corridor 70-2, cross the feeder conductors to the cells of the first Row with the cells of the second row to connect to functional systems. As can be seen in Figure 6, these are additional p-areas 48 at various points along corridors 70-2, 70-4 and 70-6 as well as in a certain distribution length of the corridors 70-1, 70-3, 70-5 and 70-7.
Die Zelle 50-14 der ersten Zelle in Fig. 7 hat ein exemplarisches Metallisierungsmuster für das zweieingängige Logikgatter nach Fig. 3· Die durch ausgezogene Linien dargestellten metallischen Anschlußleiter tragen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2, so daß eine weitere Beschreibung sich erübrigt.Cell 50-14 of the first cell in FIG. 7 has an exemplary metallization pattern for the two-input logic gate according to Fig. 3 · The metallic shown by solid lines Connecting conductors have the same reference numerals as in FIG. 2, so that a further description is unnecessary.
Die LSI-Schaltungsanordnung kann nach irgendeinem geeigneten Verfahren hergestellt werden. Bei einem typischen Verfahren werden nur vier Fabrikationsmasken verwendet. Die erste Maske dient zum Eindiffundierten der p-Gebiete in das η-leitende Substrat. Sodann wird auf der die diffundierten p-Gebiete enthaltenden Substratoberfläche eine relativ dicke Oxidschicht angebracht. Danach werden mittels der zweiten Maske durch Wegätzen des Oxids die Öffnungen gebildet, welche die p-Gebiete und die Gittergebiete freilegen. Sodann wird die Anordnung mit einem dünnen Oxidbelag beschichtet. Mittels der dritten Maske wird die dünne Oxidschicht in den p-Gebiet-Zugangsöffnungen weggeätzt. Schließlich werden mittels der vierten Maske die Gitter-Qjuellen- und Abfluß-The LSI circuitry may be any suitable Process are produced. In a typical process, only four fabrication masks are used. The first mask is used for diffusing the p-regions into the η-conductive substrate. A relatively thick oxide layer is then applied to the substrate surface containing the diffused p-regions. Then the openings are formed by means of the second mask by etching away the oxide, which the p-regions and the grating regions uncover. The arrangement is then coated with a thin oxide coating. The thin oxide layer is created using the third mask etched away in the p-region access openings. Finally, using the fourth mask, the grid source and drainage
-19-309 8 1 S/0922 -19- 309 8 1 S / 0922
metallisierungen sowie die Metallisierungsverbindungen der p-MOS-Elemente und p-Überkreuzungsgebiete gebildet. Für den Metallisierungsschritt kann eine beliebige Anzahl von Masken verwendet werden. Beispielsweise können kritische Verschaltungen wie Quellen-, Abfluß- und Gitterkontakte sowie feste Metallanschlüsse mittels einer ersten festen Metallisierungsmaske hergestellt werden.metallizations and the metallization connections of the p-MOS elements and p-crossing regions are formed. Any number of masks can be used for the metallization step will. For example, critical interconnections such as source, Drain and grid contacts as well as fixed metal connections produced by means of a first fixed metallization mask will.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die unteren Grenzen des Taktgeberfrequenzbereichs für dynamische Logikanwendungen erweitert. In Fig. 9 ist das Grundschaltschema einer MOS-Anordnung für dynamische Logikanwendungen gezeigt. Die mit INFO bezeichnete Information ist der Quelle bzw. dem Abfluß 27 eines Übertragungsgatterelements 23 zugeführt. Das Taktsignal 01 schaltet das Übertragungsgatter 23 ein, so daß die INFO über seinen Kanal zu einem p-MOS-Inverterelement 20 geschleust wird. Während der Zeitintervalle der Abwesenheit des Taktsignals 01 wird die INFO in der Gitterkapazität C-20 des Gitters 20g gespeichert. Die Speicherzeitkonstante in einer p-MOS-LSI-Anordnung ist eine Funktion der Ableitung des pn-Übergangs zwischen dem Quellen/ Abflußgebiet 28 des Bauelements 23 und dem η-Substrat. Diese Ableitung ist durch den Widerstand R zwischen Quelle/Abfluß 28 und Masse angedeutet. Im allgemeinen gilt, daß, je größer die Fläche des pn-Übergangs ist, desto kleiner der Widerstand R und desto kürzer die Speicherzeitkonstante sind. Vorzugsweise sind daher sämtliche Verbindungen zwischen dem Ausgang eines Übertragungsgatterelements und dem Gitter eines Inverterelements durch einen metallischen Leiter statt durch ein diffundiertes Gebiet realisiert.According to a further aspect of the invention, the lower limits of the clock generator frequency range are extended for dynamic logic applications. FIG. 9 shows the basic circuit diagram of a MOS arrangement for dynamic logic applications. The information labeled INFO is fed to the source or drain 27 of a transmission gate element 23. The clock signal 01 switches on the transmission gate 23 so that the INFO is channeled to a p-MOS inverter element 20. During the time intervals of the absence of the clock signal 01 , the INFO is stored in the grid capacitance C-20 of the grid 20g. The storage time constant in a p-MOS LSI arrangement is a function of the derivative of the pn junction between the source / drain region 28 of the component 23 and the η substrate. This derivation is indicated by the resistance R between source / drain 28 and ground. In general, the larger the area of the pn junction, the smaller the resistance R and the shorter the storage time constant. Therefore, all connections between the output of a transmission gate element and the grid of an inverter element are preferably implemented by a metallic conductor instead of a diffused area.
Jedoch ist es bei einer LSI-Anordnung nicht immer möglich, metallische Leiterverbindungen zu verwenden, da Überkreuzungsverbindungen erforderlich sein können. Das in Fig. 10 und im Zeitsteuerdiagramm nach Fig. 11 veranschaulichte Merkmal der Erfindung erweitert die untere Taktgeberfrequenzgrenze, indem von Stufen der ersten Taktgeberphase zu Stufen der zweiten Taktgeber-However, with an LSI arrangement, it is not always possible to Use metallic conductor connections as crossover connections may be required. That in Fig. 10 and in the timing diagram The feature of the invention illustrated in FIG. 11 extends the lower clock frequency limit by adding Levels of the first clock phase to levels of the second clock
-20--20-
309818/0 9 22309818/0 9 22
20 _ Π89137 20 _ Π89137
phase rein metallische Verbindungen verwendet -werden, während diffundierte Verbindungen, wo erforderlich, nur von Stufen der zweiten Taktgeberphase nach Stufen der ersten Taktgeberphase verwendet werden. Außerdem wird die Zeit zwischen dem Ende der zweiten Taktgeberphase und dem Ende der ersten Taktgeberphase minimalisiert. Wie in Fig. 10 und 11 beispielsweise gezeigt, sind die Ausgänge der Stufen 80 der Taktgeberphase $1 über Metallverbindungen 81 an die Eingänge der Stufen 82 der Taktgeberphase 02 angeschlossen, während die Ausgänge der 02-Stufen 82 mit den Eingängen der 01-Stufen 80 über diffundierte Gebiete verbunden sind.phase purely metallic connections are used, while diffused connections, where necessary, are only used by stages of the second clock phase after steps of the first clock phase. In addition, the time between the end of the second clock phase and the end of the first clock phase is minimized. As shown in FIGS. 10 and 11, for example, the outputs of the stages 80 of the clock generator phase $ 1 are connected via metal connections 81 to the inputs of the stages 82 of the clock generator phase 02 , while the outputs of the 02 stages 82 are connected to the inputs of the 01 stages 80 via diffused areas are connected.
In Fig. 11 ist die Zeit Ta zwischen dem Ende des 02-Taktimpulses und dem Ende des 01-Taktimpulses entsprechend der Speicherzeitkonstante der Gitterkapazität C-20 minimalisiert. wobei der Ableitwiderstand R eine Verbindung mit diffundiertem Gebiet ist. Andererseits kann die Zeit Tb zwischen dem Ende des 01-Taktimpulses und dem Ende des 02-Taktimpulsee relativ länger sein (wegen des höheren Ableitwiderstands). DdLe Metallverbindungen 8l (niedrige Ableitpunkte) bestimmen daher im wesentlichen die minimale Taktgeberfrequenz. ,In Fig. 11, the time Ta between the end of the 02 clock pulse and the end of the 01 clock pulse is minimized in accordance with the storage time constant of the grid capacitance C-20. where the bleeder resistor R is a compound with a diffused region. On the other hand, the time Tb between the end of the 01 clock pulse and the end of the 02 clock pulse can be relatively longer (because of the higher leakage resistance). DdLe metal connections 8l (low discharge points) therefore essentially determine the minimum clock frequency. ,
Während die Erfindung vorstehend anhand der Verwendung von Einheitszellen nur eines Typs in der LSI-Anordnung erläutert wurde, kann die Anordnung auch andere Typen von Standardzellen enthalten. Beispielsweise kann die Anordnung einige Zeilen von Einheitszellen des Typs nach Fig. 1 und andere Zeilen mit anderen Einheitszellen enthalten.While the invention has been explained above with reference to the use of unit cells of only one type in the LSI arrangement the arrangement can also use other types of standard cells contain. For example, the arrangement may have some rows of unit cells of the type shown in Fig. 1 and other rows with others Unit cells included.
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Claims (1)
Applications Claiming Priority (2)
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Publications (1)
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Family Applications Before (1)
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Also Published As
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