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JP3144370B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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Publication number
JP3144370B2
JP3144370B2 JP00537498A JP537498A JP3144370B2 JP 3144370 B2 JP3144370 B2 JP 3144370B2 JP 00537498 A JP00537498 A JP 00537498A JP 537498 A JP537498 A JP 537498A JP 3144370 B2 JP3144370 B2 JP 3144370B2
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JP
Japan
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mos transistor
semiconductor region
state
conductivity type
region
Prior art date
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正文 宮本
元伸 外村
誠 花輪
浩一 関
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は低消費電力型半導体集積
回路に関し、特に電池で動作するとともにMOSトラン
ジスタを用いたマイクロプロセッサなどの情報処理装置
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a low power consumption type semiconductor integrated circuit, and more particularly to an information processing apparatus such as a microprocessor which operates on a battery and uses a MOS transistor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、基板バイアスを印加した半導
体回路の例としては、昭和62年2月10日培風館より
発行の「超高速MOSデバイス」第259頁乃至第26
1頁(菅野卓雄監修)に述べられているものがある。
2. Description of the Related Art Conventionally, as an example of a semiconductor circuit to which a substrate bias is applied, a super-high-speed MOS device published by Baifukan on Feb. 10, 1987, pp. 259 to 26
There is one described on page 1 (supervised by Takuo Sugano).

【0003】従来の一般的な基板バイアスの印加は、こ
の従来例のように、pn接合容量を低減することにより
高速化することを目的としている。一方、基板バイアス
の印加時にはnチャネルMOSFETのしきい値が上昇
して0.6〜1.0V程度の実用的な値になるように設
計されている。この例によれば基板バイアスの値が高い
ほどドレインの空乏層が広がり、pn接合の容量が減少
して高速化をすることができる。
[0003] The conventional general application of a substrate bias is intended to increase the speed by reducing the pn junction capacitance as in the conventional example. On the other hand, when the substrate bias is applied, the threshold value of the n-channel MOSFET is designed to rise to a practical value of about 0.6 to 1.0 V. According to this example, as the value of the substrate bias is higher, the depletion layer of the drain is expanded, and the capacity of the pn junction is reduced, so that the speed can be increased.

【0004】一方、CMOS型回路を用いたプロセッサ
の低消費電力化について対策した例として、特開昭56
−42827 号公報に述べられているように、プログ
ラム命令によりCPU部分および動作しない回路へのク
ロック供給を停止して待機モードに入り、消費電力を抑
えようとするものがある。CMOS型回路ではクロック
を停止して全てのスイッチングを停止すれば、消費電力
はMOSトランジスタのサブスレッショルド電流による
リーク電流のみとなるので、待機モード時の消費電流を
動作時よりも3桁以上低減させることができる。
On the other hand, Japanese Patent Laid-Open Publication No. Sho 56 (1988) discloses an example of a countermeasure for reducing the power consumption of a processor using a CMOS type circuit.
As described in Japanese Unexamined Patent Publication No. 42827/1992, there is a method in which a clock instruction to a CPU portion and a circuit that does not operate is stopped by a program instruction to enter a standby mode to reduce power consumption. In the CMOS circuit, if the clock is stopped and all switching is stopped, the power consumption is only the leakage current due to the subthreshold current of the MOS transistor, so that the current consumption in the standby mode is reduced by three digits or more compared to the operation mode. be able to.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】現状のしきい値(0.
5V程度)のMOS型トランジスタを用いたマイクロプ
ロセッサでも5Vの電源電圧を用いれば高速で動作させ
ることが可能であり、従来のように基板バイアスの印加
によるpn接合容量の低減により高速化も可能であっ
た。しかし、低消費電力の観点からは、消費電力が電源
電圧の2乗に比例するため電源電圧を5V以下に下げる
必要がある。特に電池動作の場合には1V程度の低電圧
化が必要となる。また、MOSトランジスタの微細化が
進むにつれて素子耐圧も低下するため、電源電圧を下げ
る必要がでてきている。
The current threshold value (0.
Even a microprocessor using a MOS transistor of about 5 V) can operate at high speed by using a power supply voltage of 5 V, and can operate at high speed by reducing the pn junction capacitance by applying a substrate bias as in the conventional case. there were. However, from the viewpoint of low power consumption, since power consumption is proportional to the square of the power supply voltage, it is necessary to reduce the power supply voltage to 5 V or less. In particular, in the case of battery operation, it is necessary to lower the voltage to about 1V. In addition, as the MOS transistor becomes finer, the withstand voltage of the element also decreases. Therefore, it is necessary to lower the power supply voltage.

【0006】一方、CMOS回路の遅延時間は負荷容量
の電荷をドレイン電流で充放電する時間であり、電源電
圧/(電源電圧−しきい値)2乗に比例する。従って、
しきい値が無視できるような高い電源電圧では遅延時間
は電源電圧に反比例するが、しきい値が無視できなくな
る低電圧では電源電圧の低下に伴って遅延時間が急激に
増加する。このような低電圧の動作時には基板バイアス
を印加するとしきい値が上昇するため、かえって動作速
度が低下してしまう問題がある。従って、低電圧動作時
には基本的に基板バイアスを印加せず、MOSトランジ
スタのしきい値を低く保たなければならない。
On the other hand, the delay time of the CMOS circuit is the time for charging and discharging the charge of the load capacitance with the drain current, and is proportional to the power supply voltage / (power supply voltage-threshold) square. Therefore,
The delay time is inversely proportional to the power supply voltage at a high power supply voltage at which the threshold value can be ignored, but at a low voltage at which the threshold value cannot be ignored, the delay time sharply increases as the power supply voltage decreases. At the time of such a low-voltage operation, when the substrate bias is applied, the threshold value increases, so that there is a problem that the operation speed is rather reduced. Therefore, at the time of low-voltage operation, basically, no substrate bias is applied, and the threshold value of the MOS transistor must be kept low.

【0007】一方、しきい値電圧を低下させることは、
MOSトランジスタのサブスレッショルド電流によるリ
ーク電流の増加につながると言う別の問題を生じる。こ
のリーク電流は、室温においてしきい値を0.1V 低
下させるごとに約47倍と指数関数で増加する。たとえ
ば0.5Vから0.3Vまでしきい値を低下させるとリ
ーク電流は約2200倍となる。数十万素子規模のマイ
クロプロセッサの場合、動作時の電流と比較するとこの
リーク電流は1割以下でありあまり消費電力は増加しな
い。しかしながら、従来例のようにクロックのみを停止
する待機モード時の消費電流はまさにこのリーク電流に
よるものなので、0.5Vから0.3Vまでしきい値を
低下させるとリーク電流は直接2200倍になる。従っ
てしきい値電圧を低下した場合は、クロックを止めるだ
けでは消費電流の低減は十分でなく、待機モード時の電
池バックアップ時間が著しく短縮されると言う問題が生
ずる。
On the other hand, lowering the threshold voltage requires
Another problem occurs that the leakage current increases due to the subthreshold current of the MOS transistor. This leak current increases exponentially to about 47 times each time the threshold voltage is lowered by 0.1 V at room temperature. For example, when the threshold value is reduced from 0.5 V to 0.3 V, the leak current increases by about 2200 times. In the case of a microprocessor having a scale of several hundred thousand elements, the leakage current is 10% or less as compared with the current during operation, and the power consumption does not increase much. However, the current consumption in the standby mode in which only the clock is stopped as in the conventional example is exactly due to this leak current. Therefore, when the threshold value is lowered from 0.5 V to 0.3 V, the leak current directly increases by 2200 times. . Therefore, when the threshold voltage is lowered, merely stopping the clock does not sufficiently reduce the current consumption, and causes a problem that the battery backup time in the standby mode is significantly reduced.

【0008】本発明は上述の如き本発明者等による検討
結果を基礎としてなされたものであり、その目的とする
ところは動作時は低電源電圧でも高速な動作が可能であ
り、かつ待機モード時にはリーク電流による消費電力が
少ない情報処理装置、特にこれに適したデバイス構造を
提供することである。
The present invention has been made on the basis of the results of the study by the present inventors as described above. The purpose of the present invention is to enable high-speed operation even with a low power supply voltage during operation, and to provide a standby mode. An object of the present invention is to provide an information processing apparatus that consumes less power due to a leak current, particularly a device structure suitable for the information processing apparatus.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】前記の問題点は、スイッ
チング動作をしない待機モード時にもMOSトランジス
タのしきい値が低いことが原因である。
The above-mentioned problem is caused by the fact that the threshold value of the MOS transistor is low even in the standby mode in which the switching operation is not performed.

【0010】従って、動作時にはしきい値を低くして低
電源電圧でも高速動作を可能にし、待機モード時にはし
きい値を高くしてリーク電流を低減できれば、低電源電
圧による動作時の高速動作性と待機モード時の低消費電
力性との両立が可能である。そのため、MOSトランジ
スタそのもののしきい値は低く設定し、待機モード時に
は基板バイアスを印加することによりしきい値を上昇さ
せる。
Therefore, if the threshold value is lowered during operation to enable high-speed operation even at a low power supply voltage, and if the leakage current can be reduced by increasing the threshold value in the standby mode, high-speed operation at the time of operation at a low power supply voltage is possible. And low power consumption in the standby mode. Therefore, the threshold value of the MOS transistor itself is set low, and the threshold value is raised by applying a substrate bias in the standby mode.

【0011】尚、この時の基板バイアスはしきい値の上
昇によるリーク電流の低減量が基板バイアス回路の消費
電流よりも大きくなるように設定する必要があることは
言うまでもない。
It is needless to say that the substrate bias at this time needs to be set so that the amount of reduction of the leak current due to the rise of the threshold value is larger than the current consumption of the substrate bias circuit.

【0012】[0012]

【0013】[0013]

【0014】[0014]

【0015】[0015]

【0016】[0016]

【0017】[0017]

【0018】[0018]

【0019】[0019]

【作用】動作時はしきい値が低いので低電圧でも高速動
作が可能になり、一方、待機モード時にはしきい値電圧
が高くなるのでリーク電流を大幅に減少させることがで
きる。
In operation, since the threshold value is low, high-speed operation is possible even at a low voltage. On the other hand, in the standby mode, the threshold voltage is high, so that the leakage current can be greatly reduced.

【0020】[0020]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0021】図1は本発明の代表的な実施例であり、そ
の基本的な概念を説明する。まず、低電源電圧での高速
動作を保つために、MOSトランジスタ(MN,MP)
のしきい値は低く設定されている。一方、キーボード入
力が一定時間以上無い場合や、最低消費電力の状態が一
定時間以上続いた場合を判定して、プログラム命令ある
いは外部の制御信号によって待機モードに入る。
FIG. 1 shows a typical embodiment of the present invention, and its basic concept will be described. First, in order to maintain high-speed operation at a low power supply voltage, MOS transistors (MN, MP)
Is set low. On the other hand, when there is no keyboard input for a certain period of time or when the state of the lowest power consumption continues for a certain period of time, the standby mode is entered by a program command or an external control signal.

【0022】待機モードではクロック制御回路3により
MPU(マイクロプロセッサ・ユニット)1に供給する
クロックCkmを停止し、同時に動作モード切替信号A
により基板バイアス回路2−1,2−2を作動させて、
NMOSトランジスタ(MN)には負の基板バイアスV
Bn,PMOSトランジスタ(MP)には電源よりも正
の基板バイアスVBpを印加する。基板バイアスを印加
することによりMOSトランジスタのしきい値は上昇
し、リーク電流はしきい値上昇分の指数関数で減少す
る。すなわち、基板バイアスを印加すると、サブスレッ
ショルド特性が改善されてリーク電流が減少する。素子
数の多いマイクロプロセッサであるほどリーク電流の低
減量は大きく、基板バイアス回路2−1,2−2の消費
電流以上の値となる。以上の作用により、低電圧での高
速動作が可能で待機モード時には低消費電力の少ない情
報処理装置が可能になる。
In the standby mode, the clock control circuit 3 stops the clock Ckm supplied to the MPU (microprocessor unit) 1 and simultaneously operates the operation mode switching signal A
To operate the substrate bias circuits 2-1 and 2-2,
Negative substrate bias V is applied to the NMOS transistor (MN).
A substrate bias VBp more positive than the power supply is applied to the Bn and PMOS transistors (MP). By applying the substrate bias, the threshold value of the MOS transistor rises, and the leakage current decreases as an exponential function of the threshold rise. That is, when a substrate bias is applied, the sub-threshold characteristic is improved and the leak current is reduced. The more the microprocessor has a larger number of elements, the greater the amount of reduction in the leak current, which is equal to or greater than the current consumption of the substrate bias circuits 2-1 and 2-2. With the above operation, an information processing device that can operate at high speed at a low voltage and consumes low power in the standby mode can be realized.

【0023】次に図1の実施例を図面を参照して詳細に
説明する。図1に示すように、MPU1,基板バイアス
回路2−1,2−2,クロック制御回路3等が1チップ
上に集積化されることにより、マイクロプロセッサが構
成されている。MPU1は同業者に周知のように、命令
フェッチユニット,命令デコーダ,命令実行部等から構
成されている。MPU1はCMOS回路で構成され、N
MOSトランジスタのしきい値は0.3V,PMOSト
ランジスタのしきい値は−0.3Vに設定して、電源電
圧Vccが1Vの低電圧でも高速な動作を可能にしてい
る。尚、マイクロプロセッサのチップの電源電圧Vcc
の供給端子は電池(図示せず)に接続されており、電源
電圧Vccは電池から供給されている。また、基板バイ
アス印加のために、MPU1のNMOSとPMOSの各
基板(またはウェル領域)には端子が出ている。
Next, the embodiment of FIG. 1 will be described in detail with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, a microprocessor is configured by integrating the MPU 1, the substrate bias circuits 2-1 and 2-2, the clock control circuit 3, and the like on one chip. The MPU 1 includes an instruction fetch unit, an instruction decoder, an instruction execution unit, and the like, as is well known to those skilled in the art. The MPU 1 is formed of a CMOS circuit,
The threshold value of the MOS transistor is set to 0.3 V, and the threshold value of the PMOS transistor is set to -0.3 V, thereby enabling high-speed operation even when the power supply voltage Vcc is as low as 1 V. The power supply voltage Vcc of the microprocessor chip
Is connected to a battery (not shown), and the power supply voltage Vcc is supplied from the battery. In addition, terminals are provided on each of the NMOS and PMOS substrates (or well regions) of the MPU 1 to apply a substrate bias.

【0024】プログラム命令あるいは外部信号に応答し
た動作モード切換信号AがNMOS,PMOS用の基板
バイアス回路2−1,2−2が印加され、基板バイアス
VBp,VBnのレベルを制御する。モードの切替は、
キーボードからの入力の有無や、消費電流の大小などの
条件で行うことが出来る。クロック制御回路3を動作モ
ード切換信号Aと周波数切換信号Bで制御することによ
り、MPU1に供給されるクロックのオン・オフおよび
周波数が制御される。
An operation mode switching signal A in response to a program command or an external signal is applied to substrate bias circuits 2-1 and 2-2 for NMOS and PMOS to control the levels of substrate biases VBp and VBn. Switching the mode
This can be performed under conditions such as the presence or absence of an input from a keyboard and the magnitude of current consumption. By controlling the clock control circuit 3 with the operation mode switching signal A and the frequency switching signal B, the on / off and frequency of the clock supplied to the MPU 1 are controlled.

【0025】通常動作モード,低消費電力モード,待機
モードの各動作モードにおけるクロックと基板バイアス
の変化を、図2に示す。
FIG. 2 shows changes in the clock and the substrate bias in each of the normal operation mode, the low power consumption mode, and the standby mode.

【0026】通常動作モードでは16MHzの高速クロ
ックが供給され、基板バイアスは印加されない。従って
N,Pの各チャネルMOSトランジスタのしきい値の絶
対値は0.3V のままであるので、1Vの低電源電圧
Vccでも高速動作が可能である。一方、しきい値が低
いのでサブスレッショルド電流による定常的なリーク電
流は流れているが、10万ゲートのマイクロプロセッサ
の場合、定常的なリーク電流による消費電流はスイッチ
ング動作による消費電流の1/10以下なので動作時の
消費電流はあまり変化しない。
In the normal operation mode, a high-speed clock of 16 MHz is supplied, and no substrate bias is applied. Accordingly, since the absolute value of the threshold value of each of the N and P channel MOS transistors remains at 0.3 V, high-speed operation is possible even with a low power supply voltage Vcc of 1 V. On the other hand, since the threshold value is low, a steady leakage current due to the subthreshold current flows. However, in the case of a 100,000 gate microprocessor, the consumption current due to the steady leakage current is 1/10 of the consumption current due to the switching operation. Since it is below, the current consumption during the operation does not change much.

【0027】低消費電力モードではスイッチングによる
消費電力を抑えるため、クロック制御回路3は周波数切
換信号Bに応答して、クロック周波数は2分周の8MH
zに低下する。基板バイアス回路2−1,2−2により
−0.5V のNMOS用基板バイアスVBnと+1.
5V のPMOS用基板バイアスVBpを印加してMO
Sトランジスタのしきい値を絶対値で0.5V 程度ま
で上昇させる。動作速度が遅いのでしきい値を上げても
動作上問題が無い。この低消費電力モードによりスイッ
チング電流は1/2、リーク電流は約1/2200に低
減することができる。
In the low power consumption mode, in order to suppress power consumption due to switching, the clock control circuit 3 responds to the frequency switching signal B and sets the clock frequency to 8 MHZ divided by 2.
z. The NMOS substrate bias VBn of -0.5 V and +1.
5V PMOS substrate bias VBp is applied to
The threshold value of the S transistor is raised to about 0.5 V in absolute value. Since the operation speed is low, there is no problem in operation even if the threshold value is increased. By this low power consumption mode, the switching current can be reduced to 1/2 and the leakage current can be reduced to about 1/2200.

【0028】待機モードでは動作を行わないため、クロ
ックを停止させる。クロックを停止すれば、スイッチン
グ動作は一切停止する。また、絶対値で上昇されたしき
い値を得るため、同様に基板バイアスVBn, VBp
を印加する。従って、CMOS回路の消費電流は高いし
きい値に対応する極めて微小のサブスレッショルド電流
によるリーク電流のみになる。基板バイアス印加により
しきい値の絶対値が0.5V程度に上昇しているので、
リーク電流は動作時の約1/2200に抑えることがで
きる。
Since no operation is performed in the standby mode, the clock is stopped. When the clock is stopped, the switching operation stops at all. Further, in order to obtain a threshold value increased in absolute value, the substrate biases VBn and VBp are similarly calculated.
Is applied. Therefore, the current consumption of the CMOS circuit is only a leak current due to an extremely small subthreshold current corresponding to a high threshold value. Since the absolute value of the threshold is increased to about 0.5 V by applying the substrate bias,
The leak current can be suppressed to about 1/2200 of the operation.

【0029】次に、基板バイアス回路2−1, 2−2
の実施例を、図3に示す。動作モード切換信号が1にな
ると基板バイアス回路にクロック信号が供給され動作が
開始する。チャージポンピング回路を用いて、NMOS
用に負電圧,PMOS用に電源電圧より高い電圧を発生
させている。電源電圧Vccが1Vの場合NMOS用に
−0.5V程度,PMOS用に+1.5V程度のバイア
ス電圧VBn,VBpが発生できる。このクロック信号
は時計,マイクロプロセッサなどのために常時動作させ
る基本クロックを用いるので、新たな発振回路は不必要
であり、基板バイアス印加のための消費電流は100μ
A程度である。本実施例では、単一電源を基本に考え基
板バイアス回路を設けたが、電池動作の場合には基板バ
イアス専用の電池を設けても良い。
Next, the substrate bias circuits 2-1 and 2-2
3 is shown in FIG. When the operation mode switching signal becomes 1, a clock signal is supplied to the substrate bias circuit, and the operation starts. NMOS using charge pumping circuit
And a voltage higher than the power supply voltage for the PMOS. When the power supply voltage Vcc is 1 V, bias voltages VBn and VBp of about -0.5 V for NMOS and about +1.5 V for PMOS can be generated. Since this clock signal uses a basic clock that is constantly operated for a clock, a microprocessor, and the like, a new oscillation circuit is unnecessary, and the current consumption for applying a substrate bias is 100 μm.
It is about A. In this embodiment, the substrate bias circuit is provided on the basis of a single power supply. However, in the case of battery operation, a battery dedicated to the substrate bias may be provided.

【0030】次に、クロック制御回路3の実施例を図4
に示す。基本クロック信号は動作モード切換信号Aが0
のときにクロック制御回路3を通してクロック出力CK
mとしてMPU1に供給される。待機モード時には動作
モード切替信号が1となり、クロック出力はMPU1に
供給されない。クロック入力の一方はTフリップフロッ
プによる分周回路に入り、他方は素通りしてクロック周
波数切換回路に入る。クロック周波数切換信号Bが1の
ときには高速のクロックがそのままMPU1に供給さ
れ、クロック周波数切換信号Bが0のときには1/2に
分周された低消費電力モード用の低速クロックが供給さ
れる。
Next, an embodiment of the clock control circuit 3 is shown in FIG.
Shown in The basic clock signal is such that the operation mode switching signal A is 0
The clock output CK through the clock control circuit 3
m is supplied to the MPU 1. In the standby mode, the operation mode switching signal becomes 1, and the clock output is not supplied to MPU1. One of the clock inputs enters a frequency dividing circuit by a T flip-flop, and the other passes through to a clock frequency switching circuit. When the clock frequency switching signal B is 1, the high-speed clock is supplied to the MPU 1 as it is, and when the clock frequency switching signal B is 0, the low-speed clock for the low power consumption mode, which is divided by half, is supplied.

【0031】CMOSトランジスタに基板バイアスを印
加するための素子構造の実施例を図5に示す。通常のC
MOS構造でも基板を接地せずにバイアスを印加するこ
とは可能であるが、パッケージングが複雑になったり、
ノイズ等を拾いやすい問題がある。P型半導体基板1を
接地した状態でN,P両チャネルMOSトランジスタに
基板バイアスVBn,VBpを加えるために、Nチャネ
ルMOSの基板pウェル3は基板1からPチャネルMO
Sの基板nエピタキシャル層2により絶縁されている。
pウェル3には基板バイアス端子5−1を通してNMO
S基板バイアスVBnとして負の電圧が、nエピタキシ
ャル層2には基板バイアス端子5−2を通してPMOS
基板バイアスVBpとして正の電圧が印加されるが、全
てのバイアス関係はpn接合の逆バイアスなのでお互い
に絶縁される。
FIG. 5 shows an embodiment of an element structure for applying a substrate bias to a CMOS transistor. Normal C
Although it is possible to apply a bias to the MOS structure without grounding the substrate, the packaging becomes complicated,
There is a problem that noise is easily picked up. In order to apply the substrate bias VBn, VBp to the N-channel and P-channel MOS transistors with the P-type semiconductor substrate 1 grounded, the N-channel MOS substrate p-well 3 is moved from the substrate 1 to the P-channel MO.
It is insulated by the S substrate n epitaxial layer 2.
NMO is applied to the p-well 3 through the substrate bias terminal 5-1.
A negative voltage is applied to the S substrate bias VBn, and a PMOS voltage is applied to the n epitaxial layer 2 through the substrate bias terminal 5-2.
A positive voltage is applied as the substrate bias VBp, but all are insulated from each other because the bias relationship is a reverse bias of a pn junction.

【0032】低電源電圧では発生できる基板バイアス電
圧も低いため、デバイス構造を工夫している。Nチャネ
ルMOSのゲート電極直下のp形高濃度領域7およびP
チャネルMOSのゲート電極直下のn形高濃度領域8は
それぞれチャネル反転層形成時の表面空乏層の厚さより
も深い位置に設けている。従って、基板バイアスが印加
されないときにはしきい値に影響を与えない。基板バイ
アスを印加すると空乏層は高濃度領域7,8に広がり、
実効的な基板濃度が高いためしきい値は基板バイアスに
より大きく変化する。基板バイアスとしきい値の変化量
を図6に示す。p形ウェル3の表面濃度は5×1016
/cm3 ,p形高濃度領域7の濃度は3×1017/
cm3 にしてある。p形高濃度領域7が無い場合は基
板定数が小さいために基板バイアスを印加してもしきい
値の変化は少なく、低電源電圧ではしきい値の制御幅が
小さすぎる。p形高濃度領域7を設けることにより、基
板定数が2倍以上になってしきい値を大きく制御するこ
とができる。基板バイアス0.5V の印加により、し
きい値を約0.2V 上昇させることができる。
Since the substrate bias voltage that can be generated at a low power supply voltage is low, the device structure is devised. P-type high concentration region 7 and P just below the gate electrode of N-channel MOS
The n-type high-concentration regions 8 immediately below the gate electrode of the channel MOS are provided at positions deeper than the thickness of the surface depletion layer when the channel inversion layer is formed. Therefore, when no substrate bias is applied, the threshold is not affected. When a substrate bias is applied, the depletion layer spreads to high concentration regions 7 and 8,
Since the effective substrate concentration is high, the threshold value greatly changes depending on the substrate bias. FIG. 6 shows changes in the substrate bias and the threshold value. The surface concentration of the p-type well 3 is 5 × 10 16
/ Cm 3, the concentration of the p-type high concentration region 7 is 3 × 10 17 /
cm3. When the p-type high-concentration region 7 is not provided, the change in the threshold value is small even when the substrate bias is applied because the substrate constant is small, and the control width of the threshold value is too small at a low power supply voltage. By providing the p-type high-concentration region 7, the substrate constant becomes twice or more and the threshold value can be largely controlled. By applying a substrate bias of 0.5 V, the threshold can be raised by about 0.2 V.

【0033】次に本発明の他の実施例として、クロック
周波数により自動的に基板バイアスを切り換える基本構
成を図7に示す。クロック信号の周波数の変化を基板バ
イアス制御回路2−0が検出して基板バイアス回路2−
1,2−2から発生される基板バイアスVBn,VBp
の値を切り換える。これによりクロック信号のみで、基
板バイアスの通常モード,低消費電力モード,待機モー
ドの切換ができる。
Next, as another embodiment of the present invention, FIG. 7 shows a basic configuration for automatically switching the substrate bias according to the clock frequency. A change in the frequency of the clock signal is detected by the substrate bias control circuit 2-0, and the substrate bias circuit 2-
Substrate biases VBn and VBp generated from 1 and 2-2
Switch the value of. As a result, the normal mode, the low power consumption mode, and the standby mode of the substrate bias can be switched only by the clock signal.

【0034】基板バイアス制御回路2−0の実施例を図
8に示す。クロック信号からチャージポンプ回路により
電圧Vc を発生させる。Vc の値はクロックの周波
数に比例し、結合容量Ccおよび負荷抵抗Rbによって
調整することができる。クロック周波数が高周波の時に
はVc の値が高くMOSトランジスタMN1が同通し
てa点の信号はローレベルとなるため、リングオシレー
タは発振せず基板バイアスVBn,VBpは印加されな
い。次にクロック周波数が低周波の時には、Vc 値が
低くMN1が同通しないため、a点はハイレベルにな
り、リングオシレータが発振して基板バイアスVBn,
VBpが印加される。もちろんクロック信号が停止した
ときにはa点がハイになり、基板バイアスVBn,VB
pが印加される。本実施例では基板バイアス発生用にリ
ングオシレータを発振させるため、待機モード時の消費
電力が300μA程度と大きくなるが、リーク電流の低
減量の方が大きいので効果はある。また、クロック周波
数により自動的に基板バイアスVBn,VBpが変化す
るので、特定の命令や制御信号を設ける必要が無い。
FIG. 8 shows an embodiment of the substrate bias control circuit 2-0. The voltage Vc is generated by the charge pump circuit from the clock signal. The value of Vc is proportional to the frequency of the clock, and can be adjusted by the coupling capacitance Cc and the load resistance Rb. When the clock frequency is high, the value of Vc is high and the MOS transistor MN1 passes through, and the signal at point a goes low, so that the ring oscillator does not oscillate and the substrate biases VBn and VBp are not applied. Next, when the clock frequency is low, since the Vc value is low and MN1 does not pass through, point a becomes high level, the ring oscillator oscillates, and the substrate bias VBn,
VBp is applied. Of course, when the clock signal stops, the point a becomes high and the substrate biases VBn, VB
p is applied. In this embodiment, since the ring oscillator is oscillated to generate the substrate bias, the power consumption in the standby mode is as large as about 300 μA, but the effect is large because the amount of reduction of the leak current is large. Further, since the substrate biases VBn and VBp automatically change according to the clock frequency, there is no need to provide a specific command or control signal.

【0035】図9は、MOSトランジスタのドレイン電
流特性のしきい値による変化を示す。リーク電流とはゲ
ート電圧が0Vの時のドレイン電流である。しきい値を
0.3Vから0.5V に上昇させると、リーク電流は
44nAから約2200分の1に低下する。しきい値電
圧が0.3V でリーク電流が44nAのMOSトラン
ジスタでマイクロプロセッサを構成することを考える
と、マイクロプロセッサのゲート数が約10万ゲートの
場合、そのリーク電流はマイクロプロセッサ全体では
4.4mAに達する。基板バイアスを0.5V印加する
と、しきい値は0.5V まで上昇し、リーク電流はも
ともとのしきい値が0.5V のトランジスタとほぼ同
じ20pA程度まで減少する。一方、基板バイアス回路
の消費電流が100μA程度あるので、総合で102μ
Aの消費電流となる。図10は、マイクロプロセッサの
最大動作周波数と消費電流に関して、しきい値0.5V
および0.3Vの従来例と本実施例の比較をまとめて示
したものである。
FIG. 9 shows a change in the drain current characteristic of the MOS transistor depending on the threshold value. The leak current is a drain current when the gate voltage is 0V. As the threshold is increased from 0.3 V to 0.5 V, the leakage current drops from 44 nA to about 1/2200. Considering that a microprocessor is constituted by MOS transistors having a threshold voltage of 0.3 V and a leakage current of 44 nA, when the number of gates of the microprocessor is approximately 100,000, the leakage current is 4. Reaches 4 mA. When a substrate bias of 0.5 V is applied, the threshold value rises to 0.5 V, and the leak current decreases to about 20 pA, which is almost the same as that of a transistor whose original threshold value is 0.5 V. On the other hand, since the current consumption of the substrate bias circuit is about 100 μA, the total
A is the current consumption. FIG. 10 shows a threshold value of 0.5 V for the maximum operating frequency and current consumption of the microprocessor.
And a comparison between the conventional example of 0.3 V and this example and the present embodiment.

【0036】[0036]

【発明の効果】本発明によれば、しきい値電圧を低く設
定できるので低電源電圧でも高速動作が可能であり、低
速動作時や待機モード時には基板バイアスを印加してし
きい値電圧を上昇させるので消費電力を小さく抑えるこ
とができる。
According to the present invention, since the threshold voltage can be set low, high-speed operation can be performed even at a low power supply voltage. In a low-speed operation or a standby mode, the threshold voltage is increased by applying a substrate bias. Power consumption can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例による半導体集積回路のブロ
ック図を示す。
FIG. 1 shows a block diagram of a semiconductor integrated circuit according to one embodiment of the present invention.

【図2】図1の半導体集積回路の各モードにおける各部
の波形変化を示す。
FIG. 2 shows waveform changes of respective portions in each mode of the semiconductor integrated circuit of FIG.

【図3】図1の半導体集積回路の基板バイアス回路の実
施例を示す。
FIG. 3 shows an embodiment of a substrate bias circuit of the semiconductor integrated circuit of FIG. 1;

【図4】図1の半導体集積回路のクロック制御回路の実
施例を示す。
FIG. 4 shows an embodiment of a clock control circuit of the semiconductor integrated circuit of FIG.

【図5】図1の半導体集積回路のCMOS構造の断面図
を示す。
FIG. 5 is a sectional view of a CMOS structure of the semiconductor integrated circuit of FIG. 1;

【図6】MOSトランジスタの基板バイアスとしきい値
電圧の関係を示す。
FIG. 6 shows a relationship between a substrate bias and a threshold voltage of a MOS transistor.

【図7】本発明の他の実施例による半導体集積回路のブ
ロック図を示す。
FIG. 7 shows a block diagram of a semiconductor integrated circuit according to another embodiment of the present invention.

【図8】図7の基板バイアス制御回路と基板バイアス回
路の実施例を示す。
8 shows an embodiment of the substrate bias control circuit and the substrate bias circuit of FIG.

【図9】NチャネルMOSトランジスタとしきい値電圧
とリーク電流の関係を示す。
FIG. 9 shows a relationship between an N-channel MOS transistor, a threshold voltage, and a leak current.

【図10】マイクロプロセッサの最大動作周波数と消費
電流に関して、従来と本発明とを比較し、まとめて示し
たものである。
FIG. 10 shows a comparison between the conventional technology and the present invention with respect to the maximum operating frequency and the current consumption of the microprocessor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

VBn…NチャネルMOS用基板バイアス、VBp…P
チャネルMOS用基板バイアス、CKm…マイクロプロ
セッサ用クロック信号、CKb…基板バイアス発生用ク
ロック信号。
VBn: N-channel MOS substrate bias, VBp: P
Channel MOS substrate bias, CKm: clock signal for microprocessor, CKb: clock signal for substrate bias generation.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 27/06 27/092 H03K 19/094 (72)発明者 関 浩一 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平3−82151(JP,A) 特開 平1−134616(JP,A) 特開 昭63−163912(JP,A) 特開 昭58−107930(JP,A) 特開 昭63−179576(JP,A) 特開 昭63−86559(JP,A) 特開 昭63−148672(JP,A) 特開 平4−341996(JP,A) 特開 平4−291756(JP,A) 特開 平3−232272(JP,A) 特開 平3−152791(JP,A) 特開 平2−264462(JP,A) 特開 昭63−229848(JP,A) 特開 昭60−10656(JP,A) 特開 昭57−133668(JP,A) 特開 昭57−67332(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06F 1/04 - 1/08 G11C 11/408 G11C 11/413 H01L 21/822 - 21/8238 H01L 27/04 - 27/092 H03K 19/094 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI H01L 27/06 27/092 H03K 19/094 (72) Inventor Koichi Seki 1-280 Higashi-Koigabo, Kokubunji-shi, Tokyo Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-3-82151 (JP, A) JP-A-1-134616 (JP, A) JP-A-63-163912 (JP, A) JP-A-58-107930 (JP, A) JP-A-63-179576 (JP, A) JP-A-63-86559 (JP, A) JP-A-63-148672 (JP, A) JP-A-4-341996 (JP, A) JP-A-Heisei 4- JP-A-3-232272 (JP, A) JP-A-3-1522791 (JP, A) JP-A-2-264462 (JP, A) JP-A-63-229848 (JP, A) JP-A-60-10656 (JP, A) JP-A-57-133668 (JP, A) JP-A-57-6 7332 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G06F 1/04-1/08 G11C 11/408 G11C 11/413 H01L 21/822-21/8238 H01L 27/04 -27/092 H03K 19/094

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 第1導電型の第1MOSトランジスタと第
2導電型の第2MOSトランジスタとを含む論理回路
と、 上記論理回路に供給されるクロック信号の周波数を制御
するクロック制御回路と、 上記第1MOSトランジスタおよび上記第2MOSトラ
ンジスタの基板電位を制御するための基板バイアス回路
とを備え、 上記論理回路は、第1導電型の第1半導体領域と、上記
第1半導体領域に形成された第2導電型の第2半導体領
域と、上記第2半導体領域に形成された第1導電型の第
3半導体領域とを有し、 上記第1MOSトランジスタは、上記第2半導体領域に
形成された第1導電型のソース・ドレイン領域を含み、 上記第2MOSトランジスタは、上記第3半導体領域に
形成された第2導電型のソース・ドレイン領域を含み、 上記クロック制御回路は、第1状態においては上記論理
回路に第1の周波数のクロック信号を供給し、第2状態
においては上記論理回路に上記第1の周波数よりも低い
第2の周波数のクロック信号を供給しあるいは上記論理
回路へのクロック信号の供給を停止でき、 上記基板バイアス回路は、上記第2状態における上記第
1MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値が上記第
1状態における上記第1MOSトランジスタのしきい値
電圧の絶対値よりも高くなり、上記第2状態における上
記第2MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値が上
記第1状態における第2MOSトランジスタのしきい値
電圧の絶対値よりも高くなるように、上記第2半導体領
域および上記第3半導体領域に印加する電位を制御でき
る半導体集積回路装置。
1. A and the 1MOS transistor of the first conductivity type and a logic circuit including a first 2MOS transistor of the second conductivity type, and a clock control circuit for controlling the frequency of the clock signal supplied to said logic circuit, said first A substrate bias circuit for controlling a substrate potential of the first MOS transistor and the second MOS transistor, wherein the logic circuit includes a first semiconductor region of a first conductivity type and a second conductive region formed in the first semiconductor region. A second semiconductor region, and a third semiconductor region of a first conductivity type formed in the second semiconductor region. The first MOS transistor has a first conductivity type formed in the second semiconductor region. Wherein the second MOS transistor includes a second conductivity type source / drain region formed in the third semiconductor region, The lock control circuit supplies a clock signal of a first frequency to the logic circuit in a first state, and supplies a clock signal of a second frequency lower than the first frequency to the logic circuit in a second state. Or the supply of the clock signal to the logic circuit can be stopped. The substrate bias circuit may be configured such that the absolute value of the threshold voltage of the first MOS transistor in the second state is equal to the absolute value of the first MOS transistor in the first state. The absolute value of the threshold voltage becomes higher than the absolute value of the threshold voltage, and the absolute value of the threshold voltage of the second MOS transistor in the second state becomes higher than the absolute value of the threshold voltage of the second MOS transistor in the first state. Thus, a semiconductor integrated circuit device capable of controlling the potential applied to the second semiconductor region and the third semiconductor region.
【請求項2】 上記第1MOSトランジスタのチャネル形
成領域の下に形成されたキャリア濃度が周囲より高い第
2導電型の第1高濃度領域と、 上記第2MOSトランジスタのチャネル形成領域の下に
形成されたキャリア濃度が周囲より高い第1導電型の第
2の高濃度領域とを有する請求項1記載の半導体集積回
路装置。
2. A said first heavily doped region carrier concentration formed under the channel formation region is higher second conductivity type than the surrounding of the 1MOS transistor, is formed below a channel formation region of the first 2MOS transistor 2. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, further comprising a second high-concentration region of the first conductivity type having a higher carrier concentration than the surroundings.
【請求項3】 上記第1MOSトランジスタと上記第2M
OSトランジスタとは直列接続されており、 上記第1MOSトランジスタはPMOSトランジスタ、
上記第2MOSトランジスタはNMOSトランジスタで
あって、 上記基板バイアス回路は、上記第2状態においては上記
第2半導体領域に印加する電位を上記第1MOSトラン
ジスタのソース電位よりも高い電位とし、 上記基板バイアス回路は、上記第2状態においては上記
第3半導体領域に印加する電位を上記第2MOSトラン
ジスタのソース電位よりも低い電位としうる請求項1ま
たは2記載の半導体集積回路装置。
3. The first MOS transistor and the second MOS transistor.
The first MOS transistor is connected to the OS transistor in series, the first MOS transistor is a PMOS transistor,
The second MOS transistor is an NMOS transistor, and the substrate bias circuit sets the potential applied to the second semiconductor region to a potential higher than the source potential of the first MOS transistor in the second state. 3. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein in the second state, the potential applied to the third semiconductor region can be lower than the source potential of the second MOS transistor.
【請求項4】 第1導電型の第1MOSトランジスタと第
2導電型の第2MOSトランジスタとを含むマイクロプ
ロセッサと、 上記マイクロプロセッサに供給されるクロック信号の周
波数を制御するクロック制御回路と、 上記第1MOSトランジスタおよび上記第2MOSトラ
ンジスタの基板電位を制御するための基板バイアス回路
とを備え、 上記マイクロプロセッサは、第1導電型の第1半導体領
域と、上記第1半導体領域に形成された第2導電型の第
2半導体領域と、上記第2半導体領域に形成された第1
導電型の第3半導体領域とを有し、 上記第1MOSトランジスタは、上記第2半導体領域に
形成された第1導電型のソース・ドレイン領域を含み、 上記第2MOSトランジスタは、上記第3半導体領域に
形成された第2導電型のソース・ドレイン領域を含み、 上記クロック制御回路は、第1状態においては上記マイ
クロプロセッサに第1の周波数のクロック信号を供給
し、第2状態においては上記マイクロプロセッサに上記
第1の周波数よりも低い第2の周波数のクロック信号を
供給しあるいは上記マイクロプロセッサへのクロック信
号の供給を停止でき、 上記基板バイアス回路は、上記第2状態における上記第
1MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値が上記第
1状態における上記第1MOSトランジスタのしきい値
電圧の絶対値よりも高くなり、上記第2状態における上
記第2MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値が上
記第1状態における第2MOSトランジスタのしきい値
電圧の絶対値よりも高くなるように上記第2半導体領域
および上記第3半導体領域に印加する電位を制御できる
半導体集積回路装置。
4. A microprocessor including a first MOS transistor of a first conductivity type and a second MOS transistor of a second conductivity type; a clock control circuit for controlling a frequency of a clock signal supplied to the microprocessor; A microprocessor for controlling a substrate potential of the first MOS transistor and the second MOS transistor, wherein the microprocessor includes a first semiconductor region of a first conductivity type, and a second conductive region formed in the first semiconductor region. A second semiconductor region, and a first semiconductor region formed in the second semiconductor region.
A third semiconductor region of a conductivity type, the first MOS transistor includes a source / drain region of a first conductivity type formed in the second semiconductor region, and the second MOS transistor includes a third semiconductor region. Wherein the clock control circuit supplies a clock signal of a first frequency to the microprocessor in a first state and the microprocessor in a second state. A clock signal having a second frequency lower than the first frequency or a supply of the clock signal to the microprocessor can be stopped, and the substrate bias circuit is configured to operate the first MOS transistor in the second state. The absolute value of the threshold voltage is smaller than the absolute value of the threshold voltage of the first MOS transistor in the first state. The second semiconductor region so that the absolute value of the threshold voltage of the second MOS transistor in the second state is higher than the absolute value of the threshold voltage of the second MOS transistor in the first state. And a semiconductor integrated circuit device capable of controlling a potential applied to the third semiconductor region.
【請求項5】 上記第1MOSトランジスタのチャネル形
成領域の下に形成されたキャリア濃度が周囲より高い第
2導電型の第1高濃度領域と、 上記第2MOSトランジスタのチャネル形成領域の下に
形成されたキャリア濃度が周囲より高い第1導電型の第
2の高濃度領域とを有する請求項4記載の半導体集積回
路装置。
5. A first high-concentration region of a second conductivity type having a carrier concentration higher than its surroundings formed below a channel formation region of the first MOS transistor, and formed below a channel formation region of the second MOS transistor. 5. The semiconductor integrated circuit device according to claim 4, further comprising a second high-concentration region of the first conductivity type having a higher carrier concentration than the surroundings.
【請求項6】 上記第1MOSトランジスタと上記第2M
OSトランジスタとは直列接続されており、 上記第1MOSトランジスタはPMOSトランジスタ、
上記第2MOSトランジスタはNMOSトランジスタで
あって、 上記基板バイアス制御回路は、上記第2状態においては
上記第2半導体領域に印加する電位を上記第1MOSト
ランジスタのソース電位よりも高い電位とし、 上記基板バイアス制御回路は、上記第2状態においては
上記第3半導体領域に印加する電位を上記第2MOSト
ランジスタのソース電位よりも低い電位としうる請求項
4または5記載の半導体集積回路装置。
6. The first MOS transistor and the second MOS transistor.
The first MOS transistor is connected to the OS transistor in series, the first MOS transistor is a PMOS transistor,
The second MOS transistor is an NMOS transistor, and the substrate bias control circuit sets the potential applied to the second semiconductor region to a potential higher than the source potential of the first MOS transistor in the second state, 6. The semiconductor integrated circuit device according to claim 4, wherein the control circuit can set the potential applied to the third semiconductor region to a potential lower than the source potential of the second MOS transistor in the second state.
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