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Dokumentenidentifikation DE102006027382A1 27.12.2007
Titel MOS Transistor mit modularem Layout
Anmelder austriamicrosystems AG, Unterpremstätten, AT
Erfinder Pummer, Roswitha, St.Peter, AT;
Perske, Frank, Graz, AT
Vertreter Epping Hermann Fischer, Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80339 München
DE-Anmeldedatum 13.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006027382
Offenlegungstag 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse H01L 29/78(2006.01)A, F, I, 20060829, B, H, DE
Zusammenfassung Zur Anpassung einer Transistoranordnung an eine gewünschte Stromtragfähigkeit wird eine Anordnung von Basiszellen vorgeschlagen, die jeweils ein zentrales Drain-Gebiet, ein ringförmig um das Drain-Gebiet geschlossenes Gate und ein außerhalb des Gates angeordnetes Source-Gebiet umfassen. In der Transistoranordnung sind die Elemente des Transistors über Durchkontaktierungen mit Metallisierungsstrukturen verbunden, die in einer oder mehreren Metallisierungsebenen oberhalb der Anordnung vorgesehen sind.

Beschreibung[de]

In den letzten Jahren wurde der CMOS (complementary metaloxide semiconductor) Prozess immer wieder abwärts skaliert bis zur heutigen Submicron oder Deep Submicron Technologie. Durch diese Fortschritte wurde es erst möglich, beispielsweise externe diskrete Leistungstransistoren sowie große Schalttransistoren, on-chip, also direkt auf ein Trägermaterial kostengünstig zu integrieren.

Ein Integrierter Schalttransistor (Switch) oder ein Ausgangstreiber kann je nach Anforderung aus einem PMOS oder NMOS Transistor, oder aus einer Kombination aus beiden ausgebildet werden. Um die gewünschte elektrische Performance zu erreichen, werden diese PMOS und NMOS Transistoren über ihre geometrischen Parameter, die Transistorweite und Transistorlänge dimensioniert. Um heutigen Anforderungen zu entsprechen, kann es ohne weiteres sein das die Transistoren je nach Einsatzbereich eine Transistorweite von einigen hunderttausend Mikrometern aufweisen können.

Für Standard CMOS und BiCMOS Bauelemente sind zwei Layoutstrukturen bekannt, mit denen große Transistorweiten realisiert werden können: das Finger-layout und das so genannte Waffellayout.

Beim Fingerlayout wird ein Transistor, PMOS oder NMOS, mit einer großen Weite in mehrere kleinere parallel geschaltete Transistorenstreifen aufgeteilt. Die Summe der parallel geschalteten Devices ergibt wieder die ursprüngliche Gesamtweite. Nachteilig ist hier, dass sich bei der Parallelschaltung der einzelnen Transistoren nicht nur die Weite sondern auch die Drainfläche und damit auch die Drain/Junction Kapazität addiert. Hinzu kommt, dass durch die streifenförmige Anordnung im Ersatzschaltbild ein RC Netzwerk entsteht, das beim Einschalten des Transistors eine Verzögerung bewirkt. Bei schnellem Spannungsanstieg Vgs beginnt der gesamte Strom daher ungleichmäßig über einzelne Devices abzufließen, was zu einer Überlastung dieser Strukturen und schließlich einer Zerstörung des gesamten Transistors führt.

Das Waffellayout ist aus einer Anzahl von horizontalen und vertikalen Polysilizium-Leitungen aufgebaut, die ein Gitter bilden, in dessen Zwischenräumen die Source und Drain Regionen definiert sind. Die Polysilizium-Leitungen stellen den Anschluss des Gates dar. Die Bereiche der Polysilizium Kreuzungen zählen nicht zur effektiven Transistorweite.

Eine solche Waffelstruktur ist symmetrisch und weist gleiche Längen für den Abstand DGS zwischen Source und Gate und den Abstand DGD zwischen Drain und Gate auf. Dies kann dazu führen, dass entweder einer dieser Abstände größer als erforderlich oder der andere Abstand zu gering ist, was sich einmal in einer höheren Grundfläche und in anderen Fall in einer geringeren ESD (= Electrostatic Discharge) Festigkeit äußert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein MOS Transistor Layout anzugeben, das bei minimiertem Flächenbedarf auf eine gewünschte Transistorweite erweiterbar ist.

Diese Aufgabe wird mit einem MOS Transistor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es wird ein in Basiszellen aufgeteilter MOS Transistor vorgeschlagen, der sich durch Parallelschaltung einer gewünschten Anzahl von Basiszellen beliebig in seiner Transistorweite einstellen lässt. Die gleich ausgebildeten Basiszellen umfassen je ein zentrales Draingebiet und ein um das Draingebiet ringförmig geschlossenes Gate. Das Sourcegebiet ist außerhalb des Gates angeordnet. Auf diese Weise gelingt ein modularer Aufbau des Transistors.

Drain- und Sourcegebiet sind im Substrat als dotierte Gebiete eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet. Das Gate kann über undotiertem Substrat oder über einem mit einem Dotierstoff vom zweiten Leitfähigkeitstyp dotierten Gebiet ausgebildet sein. Drain- und Sourcegebiete sind je mit einem hochdotierten Drain- bzw. Sourcekontakt versehen.

Die Größe des Draingebiets kann minimal gewählt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Drainkapazität, die beim Einschalten des Transistors geladen werden muss, minimal bleibt. Dadurch ist eine hohe Schaltgeschwindigkeit bzw. eine hohe Schaltfrequenz für den Transistor möglich. Die Abstände DGS zwischen Sourcekontakt und Gate und DGD zwischen Drainkontakt und Gate können unabhängig voneinander gewählt und so unabhängig voneinander optimiert werden. Damit wird ein MOS Transistor erhalten, der bei genau einstellbaren elektrischen Eigenschaften in seiner Grundfläche minimiert ist. Das Verhältnis „W /area" (Transistorweite zur benötigten Layoutfläche) kann, verglichen mit dem Fingerlayout, um 40% und, verglichen mit dem Wafffellayout, bei gleichem Abstand DGD (Gate zu Drainkontakt) um zirka 30% verringert werden.

Die Weite der einzelnen Transistor Basiszelle ist allein durch die Struktur bzw. Form des Gates vorgegeben.

Vorteilhaft hat jede der Basiszellen eine quadratische Grundfläche. Je zwei benachbarte Basiszellen weisen dann eine gemeinsame Seitenkante auf, wobei die Sourcegebiete dieser zwei und möglicher weiterer Basiszellen so verbunden sind, dass diesen Sourcegebieten zugeordnete und nahe oder entlang dieser Seitenkante angeordnete Sourcekontakte beiden Basiszellen gemeinsam angehören und daher von beiden Sources gemeinsam genutzt werden. Die gleichen Seitenlängen bei quadratischer Grundfläche der Basiszellen ermöglichen eine beliebige Erweiterbarkeit durch Aneinanderreihung von Basiszellen in zwei Richtungen, so dass sich aus entsprechend zusammengefügten Basiszellen Anordnungen mit nahezu beliebig geformter Gesamtfläche arrangieren lassen. Alle Basiszellen des Transistors sind elektrisch miteinander verschaltet. Wegen der gemeinsam genutzten Sourcekontakte benötigt die gesamte derart miteinander verbundene Transistoranordnung weniger Grundfläche als es der Summe der Grundflächen einer entsprechenden Anzahl unverbundener Basiszellen entspräche.

Mit dem derart in Basiszellen aufgeteilten Transistor ist es nicht nur möglich, rechteckige oder quadratische Transistor Arrays zu layouten, sondern es können praktisch Flächen in jeder Form mit einem Array gefüllt werden, bis die gewünschte Transistorweite erreicht ist.

Möglich ist jedoch auch, die Basiszelle mit einer Grundfläche zu realisieren, die einem anderen regelmäßigen Polygon, z.B. einem Sechseck entspricht. Auch diese Polygone lassen sich in dichter Packung so anordnen, dass eine Transistoranordnung ohne Zwischenräume zwischen den Basiszellen entsteht.

Eine gleichmäßige Anordnung mit gleich bleibenden Abständen DGS und DGD kann erhalten werden, wenn das ringförmig geschlossenes Gate bei gleich bleibender Breite eine regelmäßige Fläche einschließt und eine an die z.B. quadratische Basiszelle angepasste Form mit demgegenüber höherer oder niedrigerer Symmetrie aufweist.

Vorteilhaft umfasst das Gate eine über einem Gateoxid angeordnete Polysiliziumstruktur, die geometrisch einer Kreislinie oder einem geradzahligen Polygon mit zumindest zweizähniger Symmetrie bezüglich einer vertikal auf dem Polygon stehenden Symmetrieachse folgt. Neben dem kreisförmigen Gate ist eine achteckiges (oktogonales) Gate besonders bevorzugt. Vier erste Kanten des Oktogons können dann parallel zu den Kanten der quadratischen Basiszelle ausgerichtet werden, während die vier zweiten Kanten die Ecken der Basiszelle „abschneiden". Der Abstand der ersten Kanten der oktogonalen Polysiliziumstruktur zur Kante der Basiszelle ist so gewählt, dass dazwischen die Sourcekontakte Platz finden und ein ausreichender Abstand DGS gewährleist bleibt. Die Sourcekontakte können dann entlang der ersten Kanten angeordnet werden. Dabei kann die Länge der zweiten Kanten von der Länge der ersten Kanten abweichen und größer oder kleiner sein. Ein geeignet eingestelltes Verhältnis zwischen den Längen der ersten und zweiten Kanten ermöglicht es daher, in jeder Basiszelle eine maximale Anzahl von Sourcekontakten zu anzuordnen.

In den von den zweiten Kanten abgeschnittenen Ecken der Basiszellen ist dann Raum für Kontakte zu anderen als den Source-Gebieten. Es können in diesen Ecken z.B. Kontakte zum Substrat oder Durchkontaktierungen vom Gate bzw. der Polysiliziumstruktur zu einer darüber angeordneten und elektrisch leitend mit dieser verbundenen Metallisierungsstruktur angeordnet werden.

So kann eine erste strukturierte Metallisierungsebene über der Polysiliziumstruktur vorgesehen sein, die je Basiszelle eine Metallisierungsstruktur zum Verstärken der Leitfähigkeit des Gates umfasst. Diese Metallisierungsstruktur verläuft vorteilhaft je Basiszelle innerhalb des Gates und parallel zu diesem. Ein Überlapp mit dem Gate wird so weit wie möglich vermieden, damit es durch das Metall dieser mit dem Gate verbundenen Metallisierungsstruktur nicht zu einer Degeneration des Gateoxids kommt. Im Bereich zweier einander gegenüberliegender Ecken jeder Basiszelle ist die Metallisierungsstruktur über Durchkontaktierungen mit der Polysiliziumstruktur verbunden.

Im Transistor können je Basiszelle in der ersten strukturierten Metallisierungsebene zwei weitere galvanisch getrennte Metallisierungsstrukturen vorgesehen sind, die über Durchkontaktierungen jeweils mit der Source oder der Drain verbunden sind.

Die Durchkontaktierungen sind in eine zwischen Substrat und Metallisierungsebene oder zwischen zwei Metallisierungsebenen angeordnete Dielektrikumsschicht strukturierte Löcher, die mit einem leitfähigen Material gefüllt sind, z.B. mit Wolfram.

Die Polysiliziumstruktur kann an zwei einander gegenüber liegenden Ecken jeder Basiszelle diagonale Ausläufer aufweisen, über die sie mit der Polysiliziumstruktur zumindest einer benachbarten Basiszelle verbunden ist. Damit gelingt eine einfache modulare Verschaltung der Polysiliziumstrukturen aller Basiszellen und es kann zusammen mit der damit verbundenen Metallisierungsstruktur, im folgenden auch Gatemetallisierung genannt, ein niederohmiges Gate bzw. ein MOS Transistor mit niedrigem Einschaltwiderstand RON realisiert werden. Die Durchkontaktierung von der Polysiliziumstruktur zur Gatemetallisierung darüber ist vorzugsweise über diesem Ausläufer angeordnet und bei diagonal benachbarten Basiszellen mittig zwischen deren Gates positioniert.

Der niederohmige Anschluss von Source und Drain kann verbessert werden, wenn in der ersten strukturierten Metallisierungsebene zwei weitere galvanisch getrennte Metallisierungsstrukturen, im folgenden Source- und Drainmetallisierung genannt, vorgesehen sind, die über Durchkontaktierungen jeweils mit der Source oder der Drain verbunden sind.

Der Substratkontakt kann als hochdotiertes Gebiet in einer oder beiden Ecken der quadratischen Basiszelle angeordnet sein, die nicht von einem der genannten Ausläufer der Polysiliziumstruktur belegt sind. Dort ist entsprechend eine hohe Substratdotierung vorgesehen, die im Kontakt zum Substrat steht. In einer Ausführung kann der Substratkontakt an dieselbe Metallisierungsstruktur wie der Sourcekontakt angeschlossen werden, so dass Source und Substrat mit dem gleichen Potential beaufschlagt werden können.

Es können alle elektrisch kontaktierbaren Elemente in der ersten Metallisierungsebene eine Entsprechung in Form einer oder mehrerer mit dem jeweiligen Element verbundenen Metallisierungsstrukturen finden. Über Durchkontaktierungen können diese mit weiteren Metallisierungsstrukturen in darüber angeordneten weiteren Metallisierungsebenen verbunden sein. Es ist aber auch möglich, die Metallisierungsstrukturen für unterschiedlicher Elemente der Basiszellen in unterschiedlichen Metallisierungsebenen anzuordnen.

In einer Variante ist zumindest eine zweite strukturierte Metallisierungsebene vorgesehen, die sich zusammenhängend und großflächig über alle Basiszellen des Transistors erstreckt, die Sourcemetallisierung darstellt und über Durchkontaktierungen und gegebenenfalls weitere dazwischen angeordnete Metallisierungsstrukturen mit den Sources aller Basiszellen verbunden ist.

In einer weiteren Variante ist entsprechend eine dritte strukturierte Metallisierungsebene vorgesehen, die sich zusammenhängend und großflächig über alle Basiszellen des Transistors erstreckt, die Drainmetallisierung darstellt und über Durchkontaktierungen und gegebenenfalls weitere dazwischen angeordnete Metallisierungsstrukturen mit den Drains aller Basiszellen verbunden ist.

Neben dem beschrieben MOS Transistor mit je Basiszelle zentralem Draingebiet ist es natürlich auch möglich, die Funktionalität von Source und Drain zu vertauschen und dabei gegebenenfalls Geometrien und insbesondere die Abstände DGS und DGD anzupassen. Wegen der dadurch erhöhten ESD Sicherheit kann es vorteilhaft sein, die Entfernung DGD größer als DGS zu wählen. Ein solcher ebenfalls erfindungsgemäßer Transistor weist dann je Basiszelle ein zentrales Sourcegebiet und ein außerhalb des ringförmig geschlossenen Gates ein Draingebiet auf.

Der Transistor kann in einer Ausführung in einem IC auf einem kristallinen Si Substrat realisiert sein, in dessen Oberfläche weitere vom FET Transistor unterschiedliche Bauelemente realisiert sind. Die Basiszellen des Transistors können dann so angeordnet sein, dass sie die Lücken zwischen den weiteren Bauelementen in dichter Packung auffüllen. Mit dem modularen Aufbau der Transistoranordnung ist eine geometrische Anpassung an layout-bedingt beliebig geformte Lücken zwischen andern Bauelementen problemlos möglich. Damit kann beim IC zusätzlich Substratfläche eingespart und das Bauelement kleiner als mit bekannten Transistoren hergestellt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen 1 bis 12 näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und dienen nur der Veranschaulichung der Erfindung. Sie sind nicht maßstabsgetreu, so dass ihnen keine relativen oder absoluten Größenangaben zu entnehmen sind.

1 zeigt beispielhaft einen Transistor mit Fingerlayout,

2 zeigt ein Ersatzschaltbild dieses Transistors mit Fingerlayout,

3 zeigt schematisch eine Transistoranordnung mit Waffellayout,

4 zeigt schematisch eine Basiszelle eines erfindungsgemäßen Transistors,

5 zeigt die Basiszelle mit Durchkontaktierungen und einer ersten Metallisierungsebene,

6 zeigt eine Variation der ersten Metallisierungsebene eines erfindungsgemäßen Transistors,

7 zeigt vier Basiszellen einer Transistoranordnung,

8 zeigt grobschematisch eine Anordnung von zwölf Basiszellen einer Transistoranordnung,

9 zeigt eine beispielhafte erste Metallisierungsebene für eine Transistoranordnung,

10 zeigt beispielhaft eine zweite Metallisierungsebene für eine Transistoranordnung,

11 zeigt den Flächenbedarf erfindungsgemäßer Transistoranordnungen im Vergleich zu bekannten Transistoranordnungen mit Fingerlayout,

12 verdeutlicht die Flächeneinsparung erfindungsgemäßer aus Basiszellen zusammengesetzter Transistoranordnungen.

1 zeigt schematisch einen Transistor mit großer Weite W im bekannten Fingerlayout. Dieses Layout besteht aus einer beliebigen Anzahl von Transistorelementen, die parallel zur Weite W des Transistors nebeneinander angeordnet sind. Jedes Transistorelement weist eine Source S und Drain D auf, die in einem Abstand Dgd beziehungsweise Dgs zum Gate angeordnet sind. Aufgrund der unterschiedlichen Erfordernisse sind beide Abstände unterschiedlich. Das Fingerlayout kann zwei Streifen umfassen, die um zentrale Drain-Kontakte DK gespiegelt sind. Als Gate dient eine Polysiliziumstruktur PS. Parallel zu der Transistoranordnung sind Substratkontakte SK vorgesehen, die ebenfalls streifenförmig neben dem Fingerlayout angeordnet sind.

2 zeigt ein Ersatzschaltbild für vier solcher Transistorelemente M1 bis M4. Jedes Element weist eine Kombination aus Gate-Widerstand RG und Gate-Kapazität auf, die zusammen ein RC-Netzwerk bilden, welches eine Verzögerung beim Einschalten des Transistors bewirkt. Steigt die Spannung Vgs schnell an, so wird der Bereich des ersten Transistorelements M1 aktiv und die Lastkapazität beginnt sich über M1 zu entladen, bevor die übrigen Transistorelemente M2 bis M4 noch eingeschaltet sind. Bei hoher anliegender Spannung fließt der gesamte Strom durch M1, wobei dieses erste Transistorelement und damit die gesamte Transistoranordnung zerstört werden kann.

3 zeigt schematisch einen Transistor mit Waffelstruktur, bei dem eine Polysiliziumstruktur PS als Gate in Form eines Gitters angeordnet sind. Zwischen dem durch die Polysiliziumstruktur gebildeten Gitter sind Source-Gebiete S und Drain-Gebiete D alternierend angeordnet. Die Polysiliziumstruktur wird über Polysiliziumkontakte PSK kontaktiert. Ein Substratkontakt SBK ist entlang der Seitenkanten der Anordnung angeordnet. Die Source-Gebiete sind ebenso wie die Drain-Gebiete durch schräg verlaufende Metallisierungen in einer darüber liegenden Metallisierungsebene miteinander verbunden. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus, bei dem sowohl Drain als auch Source den gleichen Abstand zum Gate aufweisen, hat dieses Waffellayout immer eine entweder zu kleine Entfernung Dgd oder eine zu große Distanz Dgs. Im ersten Fall ergibt sich eine geringere ESD-Festigkeit aufgrund des verringerten Drain-Gate-Abstands oder im zweiten Fall ein erhöhter Platzbedarf wegen des Source-Gate-Abstands, der größer als erforderlich ist.

4 zeigt schematisch eine Basiszelle gemäß der Erfindung. Diese zeichnet sich aus durch eine konzentrische Anordnung mit zentral gelegenem Drain-Gebiet D, ein dieses Drain-Gebiet umschließendes Gate mit einer ringförmig geschlossenen Polysiliziumstruktur PS sowie ein außerhalb der Polysiliziumstruktur PS angeordnetem Source-Gebiet S. Neben der beispielhaft dargestellten oktogonalen Polysiliziumstruktur PS sind in der Figur auch als alternative Ausgestaltung tetragonale Polysiliziumstrukturen PS' (gestrichelt) und runde Polysiliziumstrukturen PS'' (gepunktete) Linie dargestellt. Source-Gebiet S und Drain-Gebiet D sind im Substrat durch ein dotiertes Gebiet entsprechender Abmessung ausgebildet. Unterhalb der Polysiliziumstruktur PS befindet sich das Gateoxid und darunter das Kanalgebiet mit demgegenüber entgegen gesetzter Dotierung beziehungsweise mit Substratdotierung. Source-Gebiet S, Polysiliziumstruktur PS und Drain-Gebiet D sind über entsprechende Kontakte (in der Figur nicht dargestellt) mit darüber angeordneten Metallisierungsebenen verbunden, über die der elektrische Anschluss der Basiszelle erfolgt.

Das Drain-Gebiet hat eine für einen ausreichenden Gate-Drain-Abstand geeignete Größe, die dann auch die Größe des des Drain-Gebiet umgebenden Polysiliziumstruktur PS bestimmt. Der wesentlich geringere Gate-Source-Abstand wird durch nahe der Polysiliziumstruktur im Source-Gebiet S angeordnete Source-Kontakte realisiert.

5 zeigt die in 4 dargestellte Basiszelle mit einer beispielhaften zusätzlich eingezeichneten ersten Metallisierungsebene und den zugehörigen Durchkontaktierungen. Ein oder mehrere möglichst zentral angeordnete Drain-Kontakte DK verbinden das Drain-Gebiet D mit einer Drain-Metallisierung DM in einer darüber angeordneten Metallisierungsebene, beispielsweise in der Metall-1-Ebene. Über Source-Kontakte SK, die (möglichst) symmetrisch zu den Drain-Kontakten angeordnet sind, ist das Source-Gebiet S mit einer Source-Metallisierung SM verbunden, die ebenfalls in der M1-Metallisierungsebene angeordnet sein kann. Die Polysiliziumstruktur PS einer jeden Basiszelle weist Ausläufer PSA auf, beispielsweise zwei Ausläufer, die hin zu zwei diagonal gegenüberstehenden Ecken der Basiszelle geführt sind. Im Bereich der Ecken der Basiszelle sind die Polysiliziumkontakte PSK angeordnet, die die Polysiliziumstruktur PS mit einer darüber liegenden Gatemetallisierung in einer ersten oder einer höheren Metallisierungsebene verbinden.

6 zeigt die in 5 dargestellte Anordnung, bei der zusätzlich noch die Gate-Metallisierung GM dargestellt ist. Diese ist eine Metallisierungsstruktur in einer Metallisierungsebene M, die über die Polysiliziumkontakte PSK mit der Polysiliziumstruktur PS verbunden ist. Weiter sind in 6 Substratkontakte SBK dargestellt, die innerhalb des Source-Gebiets als Zonen hoher Dotierung mit Substratdotierung realisiert sind. Die Substratkontakte können über entsprechende Durchkontaktierungen zur Source-Metallisierung SM geführt werden, die üblicherweise auf dem gleichen Potenzial wie das Substrat liegt. Die übrigen Elemente sind wie bereits in 5 dargestellt ausgebildet.

7 zeigt vier nebeneinander angeordnete Basiszellen, die den Ausschnitt einer größeren Transistoranordnung bilden können. Mit gestrichelter Linie dargestellt ist die Polysiliziumstruktur PS, die über Polysiliziumkontakte PSK zu einer (nicht dargestellten) Gate-Metallisierung in einer darüber oder darunter liegenden Metallisierungsebene führt.

Ebenfalls dargestellt sind Drain-Kontakte DK, die zu einer Drain-Metallisierung DM in einer Metallisierungsebene führen. Im Abstand zur Drain-Metallisierung DM und galvanisch von dieser getrennt ist die Source-Metallisierung SM angeordnet, die mit Ausnahme der Polysiliziumkontakte PSK die übrige Oberfläche dieser dargestellten Metallisierungsebene einnimmt. Die Substratkontakte SEK können wieder auf die Source-Metallisierung SM geführt und mit dieser auf gleiches Potenzial gelegt werden.

Die Durchkontaktierungen zu den Metallisierungsebenen können punktförmig und gut verteilt angeordnet sein. Möglich ist es auch, die Durchkontaktierungen großflächiger zu gestalten.

8 zeigt schematisch eine Anordnung von Basiszellen, aus der die geometrische Ausgestaltung der Polysiliziumstruktur sowie die Anordnung von Substratkontakten SBK und Polysilizium PSK deutlich wird. Neben der ringförmig geschlossenen hier oktogonal dargestellten Polysiliziumstruktur PS sind entlang jeweils einer Diagonale der Basiszellen Ausläufer PSA (der Polysiliziumstruktur) dargestellt. Es existieren hier zwei Typen von unterschiedlich orientierten Basiszellen, in denen die Polysiliziumstruktur beziehungsweise deren Ausläufer PSA gegeneinander um 90 Grad verdreht angeordnet sind. Auf diese Weise ist es möglich, die in 8 dargestellte Anordnung zu erzielen, bei denen im Mittelpunkt von je vier Basiszellen entweder ein Substratkontakt SEK oder ein Polysiliziumkontakt PSK angeordnet ist, wobei sich diese unterschiedlichen Kontakte in der gesamten Transistoranordnung alternierend wiederholen. Es kann so ein hochsymmetrische Anordnung realisiert werden, die über eine ausreichende Anzahl von Durchkontaktierungen zu einer Metallisierungsebene niederohmig angeschlossen werden können. Die Polysilizium-Strukturen sind hier in der Figur nur als Linien angedeutet, haben natürlich aber in Realität eine endliche Breite, die der einstellbaren Kanallänge des Transistors entspricht.

Es sind beliebige Variationen von Metallisierungsebenen für die Transistoranordnung möglich. Möglich ist es beispielsweise, eine erste Metallisierungsebene ausschließlich für die Gate-Metallisierung vorzusehen.

Weiterhin ist es möglich, in einer Metallisierungsebene Metallisierungsstrukturen für sämtliche anzuschließende Elemente vorzusehen, wie es beispielsweise in 9 dargestellt ist. Die dargestellte Metallisierungsebene weist eine Drain-Metallisierung DM auf, die zentral über dem Drain-Gebiet angeordnet ist. Die Gate-Metallisierung GM verläuft parallel zum Gate aber vorzugsweise so, dass sie versetzt zum Gate und in die Ebene projiziert versetzt zu diesem vorzugsweise innerhalb der geschlossenen Polysiliziumstruktur angeordnet ist. Ringförmige Gate-Metallisierungen sind ebenfalls über diagonal angeordnete Ausläufer miteinander vernetzt. In den von der vernetzten Gate-Metallisierung freien Zwischenräumen ist die Source-Metallisierung SM angeordnet, für die hier aus diesem Grund nur eine Vielzahl von großflächigen in dieser Metallisierungsebene jedoch nicht miteinander verbundenen Metallisierungsstrukturen verbleibt. Die Vielzahl von Source-Metallisierungen SM werden über eine weitere Metallisierungsebene, mit der sie über Durchkontaktierungen (in der Figur nicht dargestellt) verbunden sind, auf ein gemeinsames Potenzial gelegt und insgesamt niederohmig angeschlossen. Unterhalb dieser Metallisierungsebene kann eine weitere ausschließlich für die Gatemetallisierung vorgesehen sein. Dadurch lässt sich der Gatewiderstand weiter verringern.

10 zeigt eine Metallisierungsebene, in der Source-Metallisierung SM und Drain-Metallisierung DM galvanisch voneinander getrennt angeordnet sind. In einer tieferen nicht dargestellten Metallisierungsebene ist dabei eine Gate-Metallisierung GM ähnlich wie in 9 vorgesehen. Die in 10 dargestellte Anordnung zeichnet sich durch einen niedrigen Einschaltwiderstand Ron der Transistoranordnung aus. Ebenso weist sie einen niederohmigen und großflächigen Interconnect auf, der hier durch die großflächige Source-Metallisierung SM realisiert ist.

Bei Metallisierungsebenen mit großflächigen Metallisierungen ist es von Vorteil, wenn letztere regelmäßige Durchbrechungen aufweisen. Über diese bleiben die beiderseits (darüber und darunter) angeordneten dielektrischen Schichten in mechanischer Verbindung, was die Stabilität des mehrschichtigen Aufbaus gewährleistet und das Ablösen von Metallisierungen z.B. bei thermischer Verformung erschwert. Für großflächige Metallisierungen ist z.B. eine Gitterstruktur vorteilhaft, deren Knoten über den Draingebieten liegen und die über den Ecken der Basiszellen die genannten Durchbrechungen aufweisen.

Möglich ist auch, zwei Metallisierungsebenen mit gleicher oder ähnlicher Struktur übereinander anzuordnen und über eine ausreichende Anzahl von Durchkontaktierungen miteinander zu verbinden. Allein dadurch gelingt bereits eine erhebliche Reduzierung der Ohm'schen Widerstände, wie es mit einer einzelnen Metallisierungsebene dieser Struktur allein nicht möglich wäre.

Neben den in den 7 bis 10 dargestellten regelmäßigen Anordnungen von Basiszellen, mit denen beispielsweise großflächige rechteckige Transistoranordnungen realisiert werden können, besteht noch die Möglichkeit, die Transistoranordnung unsymmetrisch und unregelmäßig zu erweitern. 11 zeigt beispielsweise zwei erfindungsgemäße Transistoranordnungen TA, die aus Basiszellen zusammengesetzt sind und die beide die gleiche Transistorweite W aufweisen. Weiterhin sind in 11 noch drei Transistoranordnungen mit Fingerlayout FA eingezeichnet, die ebenfalls die gleiche Transistorweite wie die erfindungsgemäßen Transistoranordnungen TA aufweisen.

Aus der 11 ergibt sich klar die große Variabilität bezüglich der geometrischen Anordnung und damit der Möglichkeit, eine beliebige Fläche mit der Transistoranordnung zu belegen. Während ein Transistor mit Fingerlayout FA an eine regelmäßige Struktur gebunden ist und sich üblicherweise nur symmetrisch erweitern lässt, ist demgegenüber die erfindungsgemäße Transistoranordnung TA beliebig variierbar. Zudem weist sie ein um circa 40 Prozent besseres Verhältnis der Transistorfläche zur Weite des Transistors auf. Bei gleicher Weite belegen sie daher eine um 40 Prozent geringere Oberfläche im Transistor. Zusammen mit der variablen Ausnutzung von freien Substratoberflächen ergibt sich dadurch eine weitere Miniaturisierungsmöglichkeit gegenüber bekannten Transistoranordnungen.

12 zeigt noch einmal im Größenvergleich eine erfindungsgemäße Transistoranordnung TA und einen Transistor mit bekannter Fingeranordnung FA. Beide Zellen haben den gleichen Drain-Gate-Abstand Dgd. Eine quadratische Basiszelle gemäß der Erfindung kann beispielsweise mit einer Layoutfläche von 9,2 × 9,2 &mgr;m realisiert werden, führt aber zu einem Transistor einer Weite W von 25 &mgr;m. In 12 ist eine erfindungsgemäße Transistoranordnung TA mit vier Basiszellen dargestellt, die alle die gleiche Weite von je 25 &mgr;m aufweisen und dabei in der Gesamtweite der Transistoranordnung FA mit Fingerstruktur entsprechen, die eine Gesamtweite von 100 &mgr;m aufweist. Es zeigt sich der Flächengewinn, der mit der aus Basiszellen erfindungsgemäß zusammengesetzten Transistoranordnung gegenüber bekannten Transistoranordnungen mit Finger- oder Waffelstruktur erreicht werden kann.

Die Außenanschlüsse der erfindungsgemäßen Transistoranordnung können zentral angeordnet sein (Pad over active) oder an einem seitlichen Rand der Anordnung.

Die Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt, ist aber nicht auf diese begrenzt. Variationsmöglichkeiten ergeben sich insbesondere in Bezug auf die Anzahl und Struktur der über der Transistoranordnung platzierten Metallisierungsebenen, die Kombination von Metallisierungsstrukturen in einer Metallisierungsebene miteinander kombiniert oder auf getrennte Metallisierungsebenen aufgeteilt sind, und die Lage der Durchkontaktierungen von Source- und Drain-Gebieten hin zu den Metallisierungsebenen und zwischen unterschiedlichen Metallisierungsebenen. Über eine höhere Anzahl zueinander parallel geschalteter Metallisierungsstrukturen für jeden Typ anzuschließender Transistorstrukturen kann der jeweilige Anschlusswiderstand reduziert werden. Über einen niedrigen Gate-Widerstand beziehungsweise einen niedrigen Widerstand der mit den Polysilizium verbundenen Gate-Metallisierungen wird ein schnelles Einschalten möglich. Über einen niedrigen Widerstand von Source- und Drain-Metallisierungen wird ein niedriger Widerstand der Transistoranordnung im angeschalteten Zustand erhalten. Die Basiszellen können über geeignete Wahl der Geometrien und insbesondere über ein geeignetes Verhältnis der Abstände Dgd und Dgs kann die Transistoranordnung an eine gewünschte Betriebsspannung angepasst und das Layout entsprechend dimensioniert werden. Die Anzahl der in der Transistoranordnung verwendeten Basiszellen ist unbegrenzt, wobei durch eine höhere Anzahl die Weite der Transistoranordnung erhöht werden kann, ohne dass dabei andere Parameter verschlechtert werden. Mithin kann über die Anzahl der Basiszellen die Weite und damit die Stromtragfähigkeit bezüglich der mit der Transistoranordnung zu schaltenden Ströme beliebig angepasst werden. Die Erfindung ermöglicht es, Transistoranordnungen mit beliebigen Weiten zu konstruieren.


Anspruch[de]
MOS Transistor, umfassend eine Anordnung von in einem Substrat (SU) gleich ausgebildeten parallel geschalteten Basiszellen (BZ), die je ein zentrales Draingebiet (D), ein ringförmig um das Draingebiet geschlossenes Gate (G) und ein außerhalb des Gates angeordnetes Sourcegebiet (S) umfassen. Transistor nach Anspruch 1,

bei dem jede der Basiszellen (BZ) eine quadratische Grundfläche aufweist,

bei dem je zwei benachbarte Basiszellen eine gemeinsame Seitenkante aufweisen, und

bei dem die Sourcegebiete (S) von zwei derart benachbarten Basiszellen verbunden sind und diesen zugeordnete Sourcekontakte (SK) beiden Basiszellen gemeinsam angehören.
Transistor nach Anspruch 1 oder 2, umfassend Basiszellen (BZ), die unregelmäßig aber so angeordnet sind, dass jede Basiszelle direkt an eine zweite Basiszelle angrenzt und elektrisch mit dieser verschaltet ist. Transistor nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem das Gate (G) eine auf dem Substrat (SU) angeordnete Polysiliziumstruktur (PS) umfasst, deren Grundfläche einer Kreislinie oder einem geradzahligen Polygon mit zumindest zweizähniger Symmetrie bezüglich einer vertikal auf dem Polygon stehenden Symmetrieachse folgt. Transistor nach Anspruch 4, bei dem das Gate (G) einem Achteck oder einem Polygon mit zumindest zweizähniger Symmetrie bezüglich einer vertikal auf dem Achteck stehenden Symmetrieachse folgt. Transistor nach einem der Ansprüche 1–5, bei dem die Polysiliziumstruktur (PS) jeder Basiszelle (BZ) an zwei einander gegenüber liegenden Ecken der Basiszelle diagonale Ausläufer (PSA) aufweist, über die sie mit der Polysiliziumstruktur zumindest einer benachbarten Basiszelle verbunden ist. Transistor nach einem der Ansprüche 1–6, bei dem über der Polysiliziumstruktur (PS) eine erste strukturierte Metallisierungsebene vorgesehen ist, die eine Metallisierungsstruktur aufweist, die je Basiszelle (BZ) – auf die Ebene der Polysiliziumstruktur projiziert – innerhalb der Polysiliziumstruktur und parallel zu dieser verläuft, und die im Bereich zweier einander gegenüberliegender Ecken jeder Basiszelle über Durchkontaktierungen mit der Polysiliziumstruktur verbunden ist. Transistor nach Anspruch 7, bei dem in der ersten strukturierten Metallisierungsebene zwei weitere galvanisch getrennte Metallisierungsstrukturen vorgesehen sind, die über Durchkontaktierungen jeweils mit der Source (S) oder der Drain (D) verbunden sind. Transistor nach Anspruch 7 oder 8, bei dem an den Ecken jeder Basiszelle (BZ), die nicht von den Durchkontaktierungen zur Polysiliziumstruktur (PS) belegt sind, Substratkontakte (SBK) vorgesehen sind, die über entsprechend hochdotierten Gebieten des Substrats angeordnet sind. Transistor nach einem der Ansprüche 1–9, bei dem eine zweite strukturierte Metallisierungsebene vorgesehen ist, die zusammenhängend ist, sich großflächig über alle Basiszellen (BZ) des Transistors erstreckt und über Durchkontaktierungen und gegebenenfalls weitere dazwischen angeordnete Metallisierungsstrukturen mit der Source (S) jeder der Basiszellen verbunden ist. Transistor nach einem der Ansprüche 1–10, bei dem eine dritte strukturierte Metallisierungsebene vorgesehen ist, die sich zusammenhängend und großflächig über alle Basiszellen (BZ) des Transistors erstreckt und über Durchkontaktierungen und gegebenenfalls weitere dazwischen angeordnete Metallisierungsstrukturen mit der Drain (D) jeder der Basiszellen verbunden ist. Transistor nach einem der Ansprüche 1–11, bei dem Source (S) und Drain (D) vertauscht sind. Transistor nach einem der Ansprüche 1–12, realisiert auf einem kristallinen Si Substrat, bei dem in der Oberfläche des Substrats weitere vom FET Transistor (TA) unterschiedliche Bauelemente realisiert sind, bei dem die Lücken zwischen diesen weiteren Bauelementen in dichter Packung durch entsprechend verteilte Basiszellen aufgefüllt sind.






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