JPH053290A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JPH053290A
JPH053290A JP3257454A JP25745491A JPH053290A JP H053290 A JPH053290 A JP H053290A JP 3257454 A JP3257454 A JP 3257454A JP 25745491 A JP25745491 A JP 25745491A JP H053290 A JPH053290 A JP H053290A
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bipolar transistor
gate
transistor
bipolar
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洋二 西尾
Shigeo Kuboki
茂雄 久保木
Masahiro Iwamura
将弘 岩村
Ikuro Masuda
郁朗 増田
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/90Masterslice integrated circuits
    • H10D84/996Masterslice integrated circuits using combined field effect technology and bipolar technology

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Design And Manufacture Of Integrated Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】ゲートアレイLSIを含むセミカスタムLSI
の基本セルにおいて、バイポーラトランジスタとMOS
トランジスタの最適なレイアウトを提供することにあ
る。 【構成】論理ゲートの出力段を構成するバイポーラトラ
ンジスタと、該バイポーラトランジスタを駆動するMO
Sトランジスタとを有する基本セルにおいて、MOSト
ランジスタのゲートの長手方向の延長方向又は長手方向
に対して直角方向に上記バイポーラトランジスタを配置
し、又はバイポーラトランジスタとバイポーラトランジ
スタの電荷引き抜き手段を配置することにより達成され
る。 【効果】延長方向に配置すると未使用のバイポーラトラ
ンジスタ領域を論理回路構成用の内部配線領域として利
用でき、直角方向に配置するとゲートのセル高さを所定
の高さにすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体集積回路装置に係
り、特に、MOSトランジスタとバイポーラトランジス
タより構成される高速で、低消費電力のゲートアレイL
SIを含むセミカスタムLSIに関する。
【0002】
【従来の技術】ゲートアレイLSIとは、LSIを製造
する時に用いる10数枚のホトマスクのうちで配線に相
当するマスクのみを開発品種に応じて作成して所望の電
気回路動作を有するLSIを製造するものである。この
マスタスライス方式の概念は1960年代からあると言
われている。
【0003】ゲートアレイLSIの構成を図3に示す。
LSIチップ10はその外周にボンディングパッド及び
入出力回路領域14を持ち、内部にはトランジスタ等の
素子から成る基本セル11をx軸方向に配列した基本セ
ル列12を配線領域13を挾んで繰り返し配置した構成
を採っている。所望の電気回路動作を得るために、隣接
した基本セル11を1個あるいは数個結線してNAND
ゲートやフリップフロップ等を形成する。そして複数個
の基本セル11で形成した各種論理ゲート間を論理図に
従って配線することによって1つのLSIを構成する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来のCMOSゲート
アレイLSIでは、基本セル11はCMOSトランジス
タから構成されている。CMOS回路は消費電力が小さ
いという特長を有しているが、MOSトランジスタの伝
達コンダクタンスが小さいため、負荷容量が大きいとそ
の充放電に時間がかかり、スピードが遅くなる欠点があ
った。
【0005】また、従来のバイポーラゲートアレイLS
Iでは、基本セル11はバイポーラトランジスタ及び抵
抗などから構成されている。バイポーラ回路は、バイポ
ーラトランジスタの伝達コンダクタンスがMOSトラン
ジスタに比して大きいために、負荷容量が大きくなって
もスピードが落ちにくいという特長を有しているが、大
電流を低インピーダンス回路に流し込んだり、流し出し
たりするので消費電力が大きいという欠点があった。
【0006】これらの欠点を補うために、バイポーラ・
MOS複合回路が提案されている。ここで、バイポーラ
・MOS複合回路のインバータ回路のレイアウトが、IE
EETransactions on Electron Devices,Vol.ED−1
6,No.11,1969のp.951に掲載されてい
る。このレイアウトでは、バイポーラトランジスタの引
き抜き手段が無いために、回路としては消費電力が大き
くなり、実用的ではないという欠点がある。また、この
レイアウトは、インバータ回路単体のレイアウトであ
り、ゲートアレイLSIを含むセミカスタムLSIに用
いられるものではない。
【0007】本発明の目的は、ゲートアレイLSIを含
むセミカスタムLSIの基本セルにおいて、バイポーラ
トランジスタとMOSトランジスタの最適なレイアウト
を提供することにある。
【0008】本発明の他の目的は、DA(Design Automa
tion)システムにおいて、自動配線処理が容易になるレ
イアウトを施したゲートアレイLSIを含むセミカスタ
ムLSIを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、バイポーラトランジスタで出力段を構成し、MOSト
ランジスタで論理とバイポーラトランジスタを駆動させ
る回路を構成する基本セルにおいて、MOSトランジス
タのゲートの長手方向の延長方向にバイポーラトランジ
スタを配置する、又は、バイポーラトランジスタとベー
ス電荷引き抜き手段とを配置することを特徴とする。
【0010】さらに、上記目的を達成するために、上記
基本セルにおいて、MOSトランジスタのゲートの長手
方向に対して直角方向にバイポーラトランジスタを配置
する、又はバイポーラトランジスタをベース引き抜き手
段を配置することを特徴とする。
【0011】
【作用】MOSデバイスの低消費電力特性とバイポーラ
デバイスの高速特性に着目し、両デバイスを組み合せた
複合回路とする。すなわち、バイポーラトランジスタで
出力段を構成し、MOSトランジスタで論理回路を構成
するとともに、バイポーラトランジスタを駆動する回路
を構成し、このバイポーラ・MOSの複合回路と、バイ
ポーラトランジスタのベース電荷を引き抜く手段とを基
本セルとしている。この基本セルにおいて、MOSトラ
ンジスタのゲートの長手方向の延長方向にバイポーラト
ランジスタを配置することにより、未使用のバイポーラ
トランジスタ上を論理回路の構成のための内部配線領域
として有効に引用できるので、バイポーラトランジスタ
の付加による面積の増加を最少限にすることが可能とな
る。また、MOSトランジスタのゲートの長手方向に対
して直角方向にバイポーラトランジスタを配置すると、
論理回路を構成する際に、BiCMOSゲートとCMO
Sゲートのセルの高さを揃えることができるので、配線
領域の凸凹がなくなり、DA(Design Automation)シス
テムにおける自動配線処理が容易になる。ここでセルの
高さは、配線レイアウトの平面図の上下方向の長さのこ
とである。
【0012】
【実施例】以下、本発明を実施例によって詳細に説明す
る。
【0013】図2にトーテムポール出力形2入力NAN
D回路を示す。
【0014】図2に於いて、20は、コレクタが電源端
子203に、エミッタが出力端子202に接続される第
1のNPNトランジスタ(以下NPNと略す)、21
は、コレクタが出力端子202に、エミッタが接地電位
GNDである固定電位端子に接続される第2のNPN、
201は2個の入力端子、22及び23は、各ゲートが
それぞれ異なる入力端子201に、各ソース及び各ドレ
インが、第1のNPN20のコレクタとベースとの間に
並列にそれぞれ接続されるPMOS、26及び27は、
各ゲートがそれぞれ異なる入力端子201に、各ドレイ
ン及び各ソースが第2のNPN21のコレクタとベース
との間に直列にそれぞれ接続されるNMOS、210及び2
11は、第1及び第2のNPN20及び21のベースと
エミッタとの間に設けられる抵抗である。
【0015】図12は本回路の論理動作を示すものであ
る。
【0016】まず入力201のどちらかが“0”レベル
の時、PMOS22,23のどちらかがオンとなり、N
MOS26,27のどちらかがオフとなる。したがって
第1のNPN20のベース電位が上昇し、第1のNPN
20はオンとなり、第2のNPN21は抵抗211を介
してベース,エミッタ間が短絡されオフとなるので第1
のNPN20のエミッタ電流は負荷を充電し出力202
は“1”レベルとなる。
【0017】入力201の両方が“0”レベルの時、P
MOS22,23の両方がオンとなり、NMOS26,
27の両方がオフとなる。したがって動作は上記と同じ
で出力202は“1”となる。
【0018】一方入力201の両方が“1”レベルの
時、PMOS22,23の両方がオフとなり、NMOS
26,27の両方がオンとなる。したがって第1のNP
N20はベース,エミッタ間が抵抗210を介して短絡
されオフとなり、第2のNPN21のベース,コレクタ
間はNMOS26,27を介して短絡されるので、第2
のNPN21のベースには出力202から電流が供給さ
れ、第2のNPN21はオンとなり、出力202は
“0”レベルとなる。抵抗210,211はNPNトラ
ンジスタがオンになる時には、ベース電流を分流する
が、NPNトランジスタがオフに切換った時に蓄積電荷
を引き抜く働きをする。
【0019】本回路によれば、CMOSと、バイポーラ
トランジスタの最小構成で2入力NAND回路が実現で
きる。また、本回路によれば、高周波特性のすぐれたNP
Nバイポーラトランジスタを使用するので、超高速動作
が可能である。
【0020】また、本回路によれば、高入力インピーダ
ンス,低出力インピーダンス回路を実現でき、電源20
3から接地までに導電パスを作ることはないので低消費
電力特性を実現できる。
【0021】このバイポーラ・CMOS複合回路を好適
に構成できるレイアウトパターンを図1に示し、理解を
助けるために縦構造を図4に示す。図4はインバータ回
路を示すが、共通概念は図1と同じ符号で表わす。
【0022】図1には簡潔のため図4の埋込層227の
パターン等は省略している。アイソレーション212内
にPMOS22,23、NPN20,抵抗210,21
1及びNMOS26,27を構成し、アイソレーション
213内にNPN21を構成する。図1のゲート電極2
20,221上に図2と対応したMOSトランジスタの
番号を示す。P+ 領域219とゲート電極220,22
1からPMOS22,23が構成され、Pウェル214
内のN+ 領域223とゲート電極221,220からNM
OS26,27が構成される。NPN20はP領域21
7をベースとし、P領域217内のN+ 領域218をエ
ミッタとし、N+ 領域215をコレクタとしている。抵
抗210,211はそれぞれP領域216,222から
構成される。NPN21はアイソレーション213内に
あるP領域225をベースとし、P領域225内のN+
領域226をエミッタとし、N+ 領域224をコレクタ
としている。
【0023】次に各素子間の結線について説明する。N
PN20のコレクタ215とPMOS22,23のソースはA
l配線42によって電源に接続される。×印はAl配線
と各素子とのコンタクトを示す。PMOS22,23の
ドレインとNPN20のベースと抵抗210の一端はA
l配線228によって各々接続される。抵抗210の他
の一端とNPN20のエミッタ218はAl配線229
によって接続される。NPN21のエミッタ226と抵
抗211の一端とPウェル214はAl配線43によっ
て接地電位に接続される。抵抗211の他の一端とNM
OS27のソースとNPN21のベースはAl配線23
0によって各々接続される。NMOS26のドレインと
NPN21のコレクタ224はAl配線231によって
接続される。図示していないが、NPN20のエミッタ
218とNPN21のコレクタ224は2層目のAl配
線によって接続する。
【0024】図1に示したレイアウトパターンからAl
配線とコンタクトを除いたパターンを図5に示す。つま
り、図5のパターンに図1のAl配線とコンタクトを施
せば2入力NAND回路になり、他のAl配線とコンタ
クトを施せばインバータや2入力NOR回路を構成する
ことができる。更にフリップフロップ等を構成する場合
には図5のパターンを必要数横に並べて用いれば良い。
したがって、図5を基本セルとして図3のように配置す
れば、ゲートアレイの基本セル列を構成することができ
る。
【0025】本実施例によれば、バイポーラトランジス
タで出力段を構成し、MOSトランジスタで論理とバイ
ポーラトランジスタを駆動する回路を構成した複合回路
と、バイポーラトランジスタのベース電荷を引き抜く手
段とを基本セルとしたものにおいて、MOSトランジス
タのゲートの長手方向の延長上にバイポーラトランジス
タを配置し、又は、バイポーラトランジスタとベース電
荷引き抜き手段である抵抗210を配置したので、複雑
な論理回路を構成する際に生じる未使用のバイポーラト
ランジスタ領域又はベース電荷引き抜き手段領域を、論
理回路構成のための内部配線領域として有効に利用でき
る。すなわち、バイポーラトランジスタの付加による面
積の増加を実質的に小さくでき、高速,低消費電力で高
密度のゲートアレイLSIを構成することが可能とな
る。
【0026】図6はトーテムポール出力形2入力NAN
D回路の他の例を示す。図2の例に於ける抵抗210を
NMOS240とPMOS242に、抵抗211をNM
OS241に置き換えた例である。NMOS240のゲ
ートは電源端子203に、ドレイン及びソースはそれぞ
れNPN20のベースとエミッタに接続される。
【0027】NMOS241のゲートは電源端子203
に、ドレイン及びソースはそれぞれNPN21のベース
とエミッタに接続される。PMOS242のゲートは接
地電位に、ドレイン及びソースはそれぞれNPN20の
エミッタとベースに接続される。図2と同じ部品は同じ
番号で示す。図2とほぼ同じ動作である。NMOS24
1は非飽和領域で常に動作し、抵抗211の代用をして
いる。PMOS242は入力201のどちらかが“0”レ
ベルの時に、出力202を電源電圧まで上げる働きを
し、NMOS240は出力202が“0”レベルの時、
NPN20のベース,エミッタ間を短絡し、NPN20
をオフにして、貫通電流をなくし、消費電力を減少させ
る働きをする。本例によれば、抵抗の代わりに小さなチ
ャネル幅を有するMOSトランジスタを用いるので更に
集積度の向上を図ることができる。
【0028】このバイポーラ・CMOS複合回路を好適
に構成できるレイアウトパターンを図7に示す。図7に
は簡潔のため埋込層のパターン等は省略している。アイ
ソレーション243内にPMOS22,23,242,
NPN20及びNMOS26,27,240,241を
構成し、アイソレーション244内にNPN21を構成
する。ゲート電極253,254,255,256上に
図6と対応したMOSトランジスタの番号を示す。P+
領域249とゲート電極253,254,255からPM
OS242,23,22が構成され、Pウェル245内
のN+ 領域250とゲート電極254,255からNMO
S26,27が構成される。また、Pウェル245内の
N+ 領域251,252とゲート電極256からNMO
S240,241が構成される。NPN20はP領域2
47をベースとし、P領域247内のN+ 領域248を
エミッタとし、N+ 領域246をコレクタとしている。
【0029】NPN21はアイソレーション244内に
あるP領域258をベースとし、P領域258内のN+
領域259をエミッタとし、N+ 領域257をコレクタ
としている。
【0030】次に各素子間の結線について説明する。N
PN20のコレクタ246とPMOS22,23のソースとN
MOS240,241のゲート256はAl配線42に
よって電源に接続される。図中×印はAl配線と各素子
とのコンタクトを示す。
【0031】PMOS22,23のドレインとNPN2
0のベース247とPMOS242のソースはAl配線
260によって各々接続される。NPN20のエミッタ
248とPMOS242のドレインはAl配線261に
よって接続される。PMOS242のドレインとNMO
S26のドレインとNMOS240のソースはAl配線
262によって接続される。NMOS26のドレインと
NPN21のコレクタ257はAl配線263によって
接続される。NMOS27のソースとNMOS241の
ドレインとNPN21のベース258はAl配線264
によって各々接続される。NPN21のエミッタ259
とNMOS241のソースとPMOS242のゲート2
53とPウェル245はAl配線43によって接地電位
に接続される。
【0032】図7に示したレイアウトパターンからAl
配線とコンタクトを除いたパターンを図8に示す。つま
り、図8のパターンに図7のAl配線とコンタクトを施
せば、2入力NAND回路になり、他のAl配線とコン
タクトを施せばインバータや2入力NOR回路を構成す
ることができる。更にフリップフロップ等を構成する場
合には図8のパターンを必要数横に並べて用いれば良
い。したがって、図8を基本セルとして図3のように配
置すれば、ゲートアレイの基本セル列を構成することが
できる。
【0033】本実施例によれば、バイポーラトランジス
タで出力段を構成し、MOSトランジスタで論理とバイ
ポーラトランジスタを駆動させる回路を構成する複合回
路を基本セルとしたものにおいて、MOSトランジスタ
のゲートの長手方向の延長上にバイポーラトランジスタ
を配置したので、複雑な論理回路を構成する時に生じる
未使用のバイポーラトランジスタ領域を、論理回路構成
のための内部配線領域として有効に利用できる。すなわ
ち、バイポーラトランジスタの付加による面積の増加を
実質的に小さくでき、高速・低消費電力で高密度のゲー
トアレイLSIを構成することが可能となる。
【0034】図9に示した相補形出力段を持つ2入力N
AND回路を好適に構成できる本発明の他の実施例を図
10に示し、理解を助けるために縦構造を図11に示
す。まず図9の動作を説明する。まず入力86のどちら
かが“0”レベルの時、PMOS82,83のどちらかがオン
となり、NMOS84,85のどちらかがオフとなる。
したがってNPN80とPNP81のベース電位が上が
りNPN80はオンになり、PNP81はオフになるの
でNPN80のエミッタ電流は負荷を充電し出力87は
“1”レベルとなる。次に入力86の両方が“0”レベ
ルの時、PMOS82,86の両方がオンとなり、NM
OS84,85の両方がオフとなる。したがって動作は
上記と同じで出力87は“1”レベルとなる。一方、入
力86の両方が“1”レベルの時、PMOS82,83
の両方がオフとなり、NMOS84,85の両方がオン
となる。したがってNPN80とPNP81のベース電
位が下がり、NPN80はオフとなり、PNP81はオ
ンとなるので、出力87は“0”レベルとなる。図10
は図9を好適に構成できるレイアウトパターンを示し、
図11はその縦構造である。図11はインバータ回路を
示すが、共通概念は図10と同じ符号で表わす。図10
のゲート電極93,94上に図9と対応したMOSトラ
ンジスタの番号を示す。P+ 領域91とゲート電極9
3,94からPMOS83,82が構成され、N+ 領域
92とゲート電極93,94からNMOS84,85が
構成される。NPN80はN+ 領域96をエミッタと
し、P領域95をベースとし、N+ 領域99をコレクタ
としている。またPNP81はP+ 領域98をエミッタ
とし、N領域97をベースとし、P+ 領域100をコレ
クタとしている。PMOS82,83のソースとNPN
80のコレクタ99はVCC電源線101で電源に接続
される。PMOS82,83のドレイン,NPN80とP
NP81のベース95と97,NMOS84のドレイン
間はAl配線102によって接続される。PNP81の
コレクタ100とNMOS85のソースはGND電源線
103でGNDに接続される。NPN80のエミッタ9
6とPNP81のエミッタ98間はAl配線104で接
続され、そこが出力87となる。入力86はゲート電極
93,94である。
【0035】図10に示したレイアウトパターンを必要
数用いてAl配線層及びコンタクト層を論理ゲート毎に
変えればインバータやNAND回路を構成することがで
きる。したがって図10にAl配線層とコンタクト層を
施していないものを基本セルとして図3のように配置す
ればゲートアレイの基本セル列となる。
【0036】本実施例によれば、バイポーラトランジス
タで出力段を構成し、MOSトランジスタで論理とバイ
ポーラトランジスタを駆動させる回路を構成する複合回
路を基本セルとしたものにおいて、MOSトランジスタ
のゲートの長手方向に対して直角方向にバイポーラトラ
ンジスタを配置したので、複雑な論理回路を構成する際
にも、バイポーラゲートとMOSゲートのセルの高さを
揃えることができるので、配線領域の凹凸がなくなり、
DA(Design Automation)システムにおいて、自動配線
処理が容易になる。
【0037】又、セルの高さは、BiCMOSゲートC
MOSゲートによっても同様の効果が達成できる。
【0038】
【発明の効果】以上、本発明によれば、MOSデバイス
の低消費電力特性とバイポーラデバイスの高速特性を組
み合せた複合回路、すなわち、バイポーラトランジスタ
で出力段を構成し、MOSトランジスタで論理とバイポ
ーラトランジスタを駆動させる回路を構成する基本セル
において、MOSトランジスタのゲートの長手方向の延
長方向にバイポーラトランジスタ又は、バイポーラトラ
ンジスタとベース電荷引き抜き手段とを配置するので、
論理回路を構成する際に、未使用のバイポーラトランジ
スタ領域を論理回路構成用の内部配線領域として有効に
利用できる。また、上記基本セルにおいて、MOSトラ
ンジスタの長手方向に対して直角方向にバイポーラトラ
ンジスタを配置するとゲートのセル高さを所定の高さに
揃えることができる。
【0039】従って、高速,低消費電力で高密度なゲー
トアレイLSIを達成でき、またDAシステムで自動配
線の容易なゲートアレイLSIを構成することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す基本セルのレイアウト
図である。
【図2】バイポーラ・CMOS複合の2入力NAND回
路図である。
【図3】ゲートアレイLSIチップの概略図である。
【図4】図1の縦構造図である。
【図5】本発明の他の実施例を示す基本セルのレイアウ
ト図である。
【図6】バイポーラ・CMOS複合の2入力NAND回
路図である。
【図7】本発明の他の実施例を示す基本セルのレイアウ
ト図である。
【図8】本発明の他の実施例を示す基本セルのレイアウ
ト図である。
【図9】バイポーラ・CMOS複合の2入力NAND回
路図である。
【図10】本発明の他の実施例を示す基本セルのレイア
ウト図である。
【図11】図10の縦構造図である。
【図12】図2の回路の論理動作を示す図である。
【符号の説明】
11…基本セル、20,21…NPNトランジスタ、2
2,23,242…PMOSトランジスタ、26,2
7,240,241…NMOSトランジスタ、210,
211…抵抗。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 増田 郁朗 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立研究所内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】論理ゲートを構成する少なくとも1つのセ
    ルに、論理ゲートの出力段を構成するバイポーラトラン
    ジスタと、上記バイポーラトランジスタを駆動するMO
    Sトランジスタと、上記バイポーラトランジスタのベー
    ス電荷を引き抜く手段とを有する半導体集積回路装置に
    おいて、上記MOSトランジスタのゲートの長手方向の
    延長方向に上記バイポーラトランジスタを配置すること
    を特徴とする半導体集積回路装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、上記MOSトランジス
    タのゲートの長手方向の延長方向に上記バイポーラトラ
    ンジスタのベース電荷を引き抜く手段を配置することを
    特徴とする半導体集積回路装置。
  3. 【請求項3】論理ゲートを構成する少なくとも1つのセ
    ルに、論理ゲートの出力段を構成するバイポーラトラン
    ジスタと、上記バイポーラトランジスタを駆動するMO
    Sトランジスタとを有する半導体集積回路装置におい
    て、上記MOSトランジスタのゲートの長手方向に対し
    て直角方向に上記バイポーラトランジスタを配置するこ
    とを特徴とする半導体集積回路装置。
  4. 【請求項4】論理ゲートを構成する少なくとも1つのセ
    ルに、論理ゲートの出力段を構成するバイポーラトラン
    ジスタと、上記バイポーラトランジスタを駆動するMO
    Sトランジスタと、上記バイポーラトランジスタのベー
    ス電荷を引き抜く手段とを有する半導体集積回路装置に
    おいて、上記MOSトランジスタのゲートの長手方向に
    対して直角方向に上記バイポーラトランジスタを配置す
    ることを特徴とする半導体集積回路装置。
  5. 【請求項5】請求項4において、上記MOSトランジス
    タのゲートの長手方向に対して直角方向に上記バイポー
    ラトランジスタのベース電荷を引き抜く手段を配置する
    ことを特徴とする半導体集積回路装置。
  6. 【請求項6】請求項1,2,3,4又は5において、上
    記半導体集積回路装置はゲートアレイLSIであること
    を特徴とする半導体集積回路装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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