JP2669346B2 - 半導体集積回路装置 - Google Patents
半導体集積回路装置Info
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Description
し、特に異電源電圧の集積回路装置間を接続するときに
使用する入力バッファ回路に関する。
トランジスタからなるLSI(高密度集積回路)の電源
電圧は5V系から3V系へ移行しつつある。トランジス
タのゲート長が0.8μm以下の場合、ゲート酸化膜は
15nm以下を使用しており、ゲート−ドレイン間ある
いはゲート−ソース間に5Vの電圧が加えられると信頼
性上の基準となる電界強度を越えてしまうためである。
信頼性上の基準となる電界強度とは、ゲート酸化膜の電
界強度が例えば5MV/cm程度を基準とし、これを越
えるとゲート電流が流れる。電界強度が下がればまた復
帰するが、一度電流が流れると、それを原因とした結晶
欠陥が生じ、デバイスの信頼性を劣化させてしまう。従
って、ゲート長が0.8μm以上、ゲート酸化膜15n
m以上のLSIと、0.8μm、15nmより小さいL
SIとでは電源電圧が変わり、その結果それらのLSI
間のインターフェースにつぎのような形態が必要になっ
てきた。
を、5V系電源のLSIの入力に加える。
を、3V系電源のLSIの入力に加える。上記(1)の
場合、3V出力の高レベル電圧(VOH)が、5V系電
源のLSIの高入力スレッショルド電圧よりも充分高く
ないと、誤動作するばかりでなく、その入力バッファに
貫通電流が流れてしまうという問題点がある。また上記
(2)の場合は、3V系のLSIの入力バッファのゲー
トに、過大な5Vが印加され、信頼性上問題となる。
示す図3を参照すると、3V系の電源電圧のLSI1
と、5V系のLSI2と、信号線18,19と、信号線
18と5V電源電圧との間に接続された抵抗7とがあ
る。
説明する。3V系のLSI1の信号端子3には、3V振
幅信号を出力するべく、P型MOSトランジスタ8とN
型MOSトランジスタ9とで構成される出力段21が、
N型MOSトランジスタ10を介して接続されている。
なお、このトランジスタ10は、3Vフルスイングが得
られるように、基板濃度の操作によってスレッショルド
電圧を0Vにしている。一方、5V系のLSIの信号端
子5には、その信号を入力するべく、P型MOSトラン
ジスタ14とN型MOSトランジスタ15とで構成され
る入力段20のゲートが接続されている。そして、両者
を結ぶ信号線18には、信号端子3より出力される信号
の高レベル出力VOHを5Vまでプルアップするための
プルアップ抵抗7が接続されている。このような構成に
よって、信号線18の信号振幅は0Vから5Vまで安定
して得られるので、入力段20に貫通電流が流れること
はない。また出力段21についても、トランジスタ8、
9、10ののゲート長、ゲート酸化膜厚は0.8μm以
下、15nm以下になっているが、トランジスタ8、9
のドレインにはトランジスタ10の作用で最大3Vまで
しか印加化されない。トランジスタ10は、ゲートが3
V一定なので、信号端子3が0Vから5Vまで触れても
ゲート−ドレイン間またはゲート−ソース間に5Vの電
位差が生じる事はない。
明する。信号端子6には、5V振幅信号を出力するべ
く、P型MOSトランジスタ16とN型MOSトランジ
スタ17とで構成される出力段22が接続されている。
一方、信号端子4には、その信号を入力するべく、P型
MOS型トランジスタ11とN型MOSトランジスタ1
2とで構成される入力段23のゲートがN型MOSトラ
ンジスタ13を介して接続されている。なお、このトラ
ンジスタ13は3Vフルスイングが得られるように、ス
レッショルド電圧を0Vにしている。そして、両者は信
号線19で結ばれている。このような構成によって、信
号線19の信号振幅が0Vから5Vまで振れても、入力
段23を構成するゲート長、ゲート酸化膜厚が0.8μ
m以下、15nm以下のトランジスタ11、12、13
のゲート−ドレイン間またはゲート−ソース間に5Vの
電位差が生じる事はない。
(2)を実現する回路において、次のような問題が発生
した。図4はその説明図である。(a)の信号は5VL
SI2から出力される出力信号。(b)の信号は3VL
SI1の入力段23から出力される信号である。一般に
5V系のCMOSのLSI2の入力スレッショルド電圧
は2.5V程度で、3V系のCMOSのLSI1のそれ
は1.5V程度である。よって(a)の信号の5V出力
信号のデューティ比a:bが1:1であっても、(b)
の信号の3VLSI1の入力段23から、図示されてい
ないチップ内部回路に出力される信号のデューティ比
a′:b′は1:1でなくなってしまう。これは、5V
系LSI2の入力スレッショルド電圧が2.5V(図4
中の一点鎖線のレベル)であるのに対して、入力段23
の入力スレッショルド電圧が1.5V(図4中の二点鎖
線のレベル)であることに起因する。(a)の信号の出
力波形(実線)が、2.5Vのレベルと交差する点での
パルス幅a,bは等しくなっているが、(b)の入力段
23の出力信号(実線)が1.5Vのレベルと交差する
点でのパルス幅a′,b′では、a′>b′となってし
まう。従って、この伝送路にクロック系の信号を伝搬さ
せると、両LSI1,2のクロックタイミングが互いに
異なっているため、回路設計マージンが少なくなり、高
速動作ができないという問題点が発生していた。
更する回路を加えた特開平4−250716号公報を参
照すると、ここで記載された回路をサブミクロンプロセ
スにおける薄い酸化膜のトランジスタで構成してみる
と、そのゲート電極に5V信号が直接入力されてしま
い、その結果ゲート酸化膜の電界強度が、信頼性上の基
準を越えてしまい、ゲート酸化膜の劣化を生じることが
判明した。
第1の電源系の回路からのパルス出力を前記第1の電源
系の電源電圧とは異なる電源電圧を有する第2の電源系
の回路に伝達するインターフェースを備えた半導体集積
回路装置において、第1,第2の電界効果トランジスタ
を前記第2の電源の電源間に直列接続して前記第1,第
2の電界効果トランジスタの共通接続点を出力となすバ
ッファ回路を構成し、前記第1,第2の電界効果トラン
ジスタのゲートを共通接続してさらにNチャネル型電界
効果トランジスタを介して入力端子に接続し、前記Nチ
ャネル型電界効果トランジスタのゲートを前記第2の電
源系の高電位側に接続し、前記入力端子に印加される前
記パルス出力のデューティ比が前記バッファ回路から出
力されるパルス信号のデューティ比と等しくなるよう
に、前記第1の電界効果トランジスタと並列に接続する
このトランジスタと同チャネル型でかつチャネル長及び
チャネル幅が同一の第3の電界効果トランジスタの接続
個数を定めたことを特徴とする。また本発明の第2の構
成は、第1の電源系の回路からのパルス出力を前記第1
の電源系の電源電圧とは異なる電源電圧を有する第2の
電源系の回路に伝達するインターフェースを備えた半導
体集積回路装置において、第1,第2の電界効果トラン
ジスタを前記第2の電源の電源間に直列接続して前記第
1,第2の電界効果トランジスタの共通接続点を出力と
なすバッファ回路を構成し、前記第1,第2の電界効果
トランジスタのゲートを共通接続してさらにNチャネル
型電界効果トランジスタを介して入力端子に接続し、前
記Nチャネル型電界効果トランジスタのゲートを前記第
2の電源系の高電位側に接続し、前記入力端子に印加さ
れる前記パルス出力のデューティ比が前記バッファ回路
から出力されるパルス信号のデューティ比と等しくなる
ように、前記第1の電界効果トランジスタと並列に接続
するこのトランジスタと同チャネル型の第3の電界効果
トランジスタのチャネル長及びチャネル幅を定めたこと
を特徴とする。
路からのパルス出力を前記第1の電源系の電源電圧とは
異なる電源電圧を有する第2の電源系の回路に伝達する
インターフェースを備えた半導体集積回路装置におい
て、第1,第2の電界効果トランジスタを前記第2の電
源の電源間に直列接続して前記第1,第2の電界効果ト
ランジスタの共通接続点を出力となすバッファ回路を構
成し、前記第1,第2の電界効果トランジスタのゲート
を共通接続してさらにNチャネル型電界効果トランジス
タを介して入力端子に接続し、前記Nチャネル型電界効
果トランジスタのゲートを前記第2の電源系の高電位側
に接続し、前記入力端子に印加される前記パルス出力の
デューティ比が前記バッファ回路から出力されるパルス
信号のデューティ比と等しくなるように、前記第2の電
界効果トランジスタと前記第2の電源系の低電位側との
間に直列に接続するこのトランジスタと同チャネル型で
かつチャネル長及びチャネル幅が同一の第3の電界効果
トランジスタの接続個数を定めたことを特徴とする。ま
た本発明の第4の構成は、第1の電源系の回路からのパ
ルス出力を前記第1の電源系の電源電圧とは異なる電源
電圧を有する第2の電源系の回路に伝達するインターフ
ェースを備えた半導体集積回路装置において、第1,第
2の電界効果トランジスタを前記第2の電源の電源間に
直列接続して前記第1,第2の電界効果トランジスタの
共通接続点を出力となすバッファ回路を構成し、前記第
1,第2の電界効果トランジスタのゲートを共通接続し
てさらにNチャネル型電界効果トランジスタを介して入
力端子に接続し、前記Nチャネル型電界効果トランジス
タのゲートを前記第2の電源系の高電位側に接続し、前
記入力端子に印加される前記パルス出力のデューティ比
が前記バッファ回路から出力されるパルス信号のデュー
ティ比と等しくなるように、前記第2の電界効果トラン
ジスタと前記第2の電源系の低電位側との間に直列に接
続するこのトランジスタと同チャネル型の第3の電界効
果トランジスタのチャネル長及びチャネル幅を定めたこ
とを特徴とする。
路装置を示す回路図である。この実施例の回路は、3V
系電源で動作する入力バッファであり、入力端子40に
は5V系の回路からの出力が印加され、出力端子41に
は3V系の出力が得られる。この回路の3V系電源,前
段の5V系の入力回路,後段の3V系の出力回路は、い
ずれも接地電位を共通とする。
MOSトランジスタ24,27とPチャネル型MOSト
ランジスタ25,26とを有する。トランジスタ25,
26は、互いにソース,ドレインを共通接続され、これ
にトランジスタ27が直列接続され、トランジスタ2
5,27のゲートは共通接続され、トランジスタ24を
介して入力端子40に接続され、トランジスタ24のゲ
ートは3Vの電源に接続され、トランジスタ25,26
とトランジスタ27との共通接続部は出力端子41とな
り、トランジスタ25,26の並列回路とトランジスタ
27との直列回路は、3Vの電源と接地電位とに接続さ
れる。
0Vになる基板濃度に設定して拡散されている。
5,26を2個並列接続すると、P型MOSトランジス
タの相互コンダクタンスgmが増大して、より少ないゲ
ート・ソース電圧で、大きなドレイン電流が流れること
になる。
をP型MOSトランジスタが1個の場合と2個並列の場
合とで変わらないと仮定する(N型MOSトランジスタ
27が電流リミッタとなっているから)と、1個の場合
より2個並列の場合の方が、より少ないゲート・ソース
電圧で済むので、遷移点における入力単位電圧即ち入力
スレッショルド電圧はVDD側にシフトする。
のサイズを、Nチャネル型トランジスタのゲート幅WN
=10μ,同ゲート長LN=0.5μ,Pチャネル型ト
ランジスタのゲート幅WP=10μ,同ゲート長LP=
0.5μとすると、この実施例のインバータは、図3の
入力段23に比較して、約0.1V入力スレッショルド
レベルが上がる。それによるデューティ比の改善度は、
入力信号の立上り,立下り時間に依存するが、それぞれ
1.0V/ns,0.5V/nsとすると、パルス幅の
変化Δtは、Δt=0.1÷1+0.1÷0.5=0.
3〔ns〕となり、0.3ns分だけ、所望のデューテ
ィ比に近づくことになる。図1の回路は、図3の入力段
23に使用することが好ましい。この実施例は、トラン
ジスタ25、26の2個の並列回路であったが、必要に
応じて3個や4個等の並列回路にすれば、さらに相互コ
ンダクタンスgmが増大し、入力スレッショルド電圧が
さらに上昇する。この実施例によれば、入力バッファに
貫通電流が流れることもなく、酸化膜の電界強度が信頼
性上の基準を超えることもなく、得られるパルスのデュ
ーティ比を1:1に近づけることが可能となり、もって
回路設計上のマージンが大きくなり、高速動作で使用で
きるようになる。
入力バッファ)の入力と半導体チップの入力端子40と
の間に入れたことにより、入力端子40に5Vの電圧が
加えられても、このトランジスタ24のゲートを3Vに
バイアスしておけば、ゲート・ソース間あるいはゲート
・ドレイン間5Vの電圧が加わることがない。また、こ
のトランジスタ24はNチャネル型でなければならず、
もしPチャネル型が接続されると、入力端子が5Vにな
った場合、入力端子のP型拡散層とVDD(3V)につ
ながっているNウェルに電流が流れ込んでしまう。
は、3Vの電源電圧は以下の固定電源に接続されている
ことが好ましいが、その加減は5V系入力の半分の電圧
即ち2.5V程度が好ましい。
したが、この種の回路は半導体基板に必要数だけ形成さ
れることが多い。3V系の電源駆動の論理回路を形成し
た半導体基板の主表面のうち周辺部にこの種の回路が多
数配列される。出力端子41は、この半導体基板の内部
の論理回路(3V系)に接続され、入力端子40はボン
ディング・パッドや突起電極等であってもよく、いずれ
も電気的に外部リードに接続されることが好ましい。こ
の外部リードには、5V系のLSIの出力リードがプリ
ント配線板等を介して電気的に接続される。この外部リ
ードに3V系のLSIの出力リードが接続される場合に
も備えて、この実施例の回路を介さず、ダイレクトに入
力されるように、スイッチング回路を設けてもよい。こ
の場合には、このスイッチング回路とこれを制御する信
号を入力するための外部リードが必要である。
回路装置を示す回路図である。図2において、この実施
例のインバータは、Nチャネル型MOSトランジスタ2
8,30,31とPチャネル型MOSトランジスタ29
とを備える。トランジスタ29,30,31が直列接続
された回路は、3V電源電圧と接地電位との間に接続さ
れ、トランジススタ29,30の共通接続点を出力端子
43とし、トランジスタ29,30,31のゲートは互
いに接続され、トランジスタ28を介して入力端子42
に接続される。トランジスタ28のゲートは3V電源電
圧に接続される。このインバータの回路と前後の回路と
は、接地電位を共通にする。入力端子42に入力される
電圧は、5V系電源の回路の出力信号であり、出力端子
43からは3V系電源の回路に出力信号を与える。ここ
で、トランジスタ28は、しきい値を0Vにする基板濃
度に設定され拡散されている。
直列接続すると、Nチャネル型MOSトランジスタの相
互コンダクタンスgmが減少し、同じドレイン電流を流
すのに、より大きなゲート・ソース電圧を必要とする。
この結果、Nチャネルトランジスタが1個の場合に比
べ、2個直列の方が、より大きなゲート・ソース電圧を
必要とするので、遷移点における入力端子電圧即ち入力
スレッショルド電圧はVDD側へシフトされる。ここ
で、Pチャネル型トランジスタ29が電流リミッタとな
っているので、インバータの遷移点における貫通電流を
Nチャネル型トランジスタが1個の場合と2個直列の場
合で変らないと仮定している。
施例と共通とすると、この第2の実施例のインバータ
は、図3の入力段23に比較して、約0.2V入力スレ
ッショルド・レベルが上がる。これによるデューティ比
の改善度は、第1の実施例と同じ入力信号であれば、Δ
t=0.2÷1+0.2÷0.5=0.6〔ns〕とな
り、0.6ns分だけ所望のデューティ比に近づく。
の2個の直列回路であるが、この他に3個や4個等の直
列回路にすれば、さらにNチャネル型MOSトランジス
タの相互コンダクタンスgmが減少するので、さらに入
力スレッショルド電圧が上昇する。
替わりに用いられることが好ましい。
効果の他に、所望のデューティ比に近づける能力が大き
いという効果がある。
こと、半導体基板上の構成位置関係や、スイッチング回
路及びその外部リードを設けること等は、上記第1の実
施例の場合と共通する。また、上記第1の実施例と共通
する構成・効果の部分は説明を省略する。
ースライス方式の半導体集積回路基板に適用することが
好ましい。
基本セルを半導体チップに設けておき、所望の回路機能
を実現するために配線を形成して使用するCMOS型半
導体集積回路に適用し、前記基本セルで構成されたイン
バータ回路と、このインバータ回路の入力と前記半導体
チップの入力端子との間に接続されたN型MOSトラン
ジスタとを有する入力バッファ回路を設けることも好ま
しい。そして、前記インバータ回路は、前記基本セル内
の基本P型MOSトランジスタを2つ以上並列に接続
(図1)し、あるいは前記基本セル内の基本N型MOS
トランジスタを2つ以上直列に接続(図2)されること
が好ましい。
系のLSIから3V系のLSIへのクロック信号伝達に
おいてデューティ比の変動がないパルスを伝えることが
可能となり、回路設計においてタイミング余裕ができて
安定し回路動作が得られるという効果があり、さらに入
力に貫通電流が流れることがなく、酸化膜の電解強度が
信頼性上の基準を越える心配もないという効果の他に、
特にマスタースライス方式の半導体集積回路の基本セル
にN型MOSトランジスタを追加するだけで構成できる
ので、簡便に設計・利用できるという効果もある。
示す回路図である。
示す回路図である。
0,31 Nチャネル型MOSトランジスタ 8,11,14,16,25,26,29 Pチャネ
ル型MOSトランジスタ 20 入力バッファ 21 5Vインターフェース用出力バッファ 22 出力バッファ 23 5Vインターフェース用入力バッファ 40,42 入力端子 41,43 出力端子
Claims (4)
- 【請求項1】 第1の電源系の回路からのパルス出力を
前記第1の電源系の電源電圧とは異なる電源電圧を有す
る第2の電源系の回路に伝達するインターフェースを備
えた半導体集積回路装置において、第1,第2の電界効
果トランジスタを前記第2の電源の電源間に直列接続し
て前記第1,第2の電界効果トランジスタの共通接続点
を出力となすバッファ回路を構成し、前記第1,第2の
電界効果トランジスタのゲートを共通接続してさらにN
チャネル型電界効果トランジスタを介して入力端子に接
続し、前記Nチャネル型電界効果トランジスタのゲート
を前記第2の電源系の高電位側に接続し、前記入力端子
に印加される前記パルス出力のデューティ比が前記バッ
ファ回路から出力されるパルス信号のデューティ比と等
しくなるように、前記第1の電界効果トランジスタと並
列に接続するこのトランジスタと同チャネル型でかつチ
ャネル長及びチャネル幅が同一の第3の電界効果トラン
ジスタの接続個数を定めたことを特徴とする半導体集積
回路装置。 - 【請求項2】 第1の電源系の回路からのパルス出力を
前記第1の電源系の電源電圧とは異なる電源電圧を有す
る第2の電源系の回路に伝達するインターフェースを備
えた半導体集積回路装置において、第1,第2の電界効
果トランジスタを前記第2の電源の電源間に直列接続し
て前記第1,第2の電界効果トランジスタの共通接続点
を出力となすバッファ回路を構成し、前記第1,第2の
電界効果トランジスタのゲートを共通接続してさらにN
チャネル型電界効果トランジスタを介して入力端子に接
続し、前記Nチャネル型電界効果トランジスタのゲート
を前記第2の電源系の高電位側に接続し、前記入力端子
に印加される前記パルス出力のデューティ比が前記バッ
ファ回路から出力されるパルス信号のデューティ比と等
しくなるように、前記第1の電界効果トランジスタと並
列に接続するこのトランジスタと同チャネル型の第3の
電界効果トランジスタのチャネル長及びチャネル幅を定
めたことを特徴とする半導体集積回路装置。 - 【請求項3】 第1の電源系の回路からのパルス出力を
前記第1の電源系の電源電圧とは異なる電源電圧を有す
る第2の電源系の回路に伝達するインターフェースを備
えた半導体集積回路装置において、第1,第2の電界効
果トランジスタを前記第2の電源の電源間に直列接続し
て前記第1,第2の電界効果トランジスタの共通接続点
を出力となすバッファ回路を構成し、前記第1,第2の
電界効果トランジスタのゲートを共通接続してさらにN
チャネル型電界効果トランジスタを介して入力端子に接
続し、前記Nチャネル型電界効果トランジスタのゲート
を前記第2の電源系の高電位側に接続し、前記入力端子
に印加される前記パルス出力のデューティ比が前記バッ
ファ回路から出力されるパルス信号のデューティ比と等
しくなるように、前記第2の電界効果トランジスタと前
記第2の電源系の低電位側との間に直列に接続するこの
トランジスタと同チャネル型でかつチャネル長及びチャ
ネル幅が同一の第3の電界効果トランジスタの接続個数
を定めたことを特徴とする半導体集積回路装置。 - 【請求項4】 第1の電源系の回路からのパルス出力を
前記第1の電源系の電源電圧とは異なる電源電圧を有す
る第2の電源系の回路に伝達するインターフェースを備
えた半導体集積回路装置において、第1,第2の電界効
果トランジスタを前記第2の電源の電源間に直列接続し
て前記第1,第2の電界効果トランジスタの共通接続点
を出力となすバッファ回路を構成し、前記第1,第2の
電界効果トランジスタのゲートを共通接続してさらにN
チャネル型電界効果トランジスタを介して入力端子に接
続し、前記Nチャネル型電界効果トランジスタのゲート
を前記第2の電源系の高電位側に接続し、前記入力端子
に印加される前記パルス出力のデューティ比が前記バッ
ファ回路から出力されるパルス信号のデューティ比と等
しくなるように、前記第2の電界効果トランジスタと前
記第2の電源系の低電位側との間に直列に接続するこの
トランジスタと同チャネル型の第3の電界効果トランジ
スタのチャネル長及びチャネル幅を定めたことを特徴と
する半導体集積回路装置。
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