JP3184265B2 - Semiconductor integrated circuit device and control method therefor - Google Patents
Semiconductor integrated circuit device and control method thereforInfo
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Description
【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 a 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 Application Laid-Open No. Sho 56-56 discloses an example of a countermeasure against low power consumption of a processor using a CMOS type circuit.
As described in Japanese Patent Publication No. 42827, 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 a CMOS type circuit, if the clock is stopped and all switching is stopped, the power consumption will be MOS
Since only the leakage current due to the sub-threshold current of the transistor occurs, the current consumption in the standby mode can be reduced by three digits or more compared with the operation.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】現状のしきい値(0.5
V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 present threshold value (0.5)
A microprocessor using a MOS transistor (about V) can be operated at high speed by using a power supply voltage of 5 V, and can be operated 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 lowered from 0.5 V to 0.3 V, the leak current becomes 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, causing 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 device that consumes less power due to leakage current.
【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]
【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、待機モード時には閾値電圧が高
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。このように、回路を待機させるときクロックを停止
するだけではリーク電流は止められないので、消費電力
を低減させるために基板バイアスも制御して閾値を上昇
させ、リーク電流を低減する。また逆に、しきい値を変
化させるとトランジスタの動作速度が変わるので、動作
クロックを制御しないと誤動作を起こすおそれがある。
本発明では、基板バイアスと動作クロックを連動して制
御することにより、高速動作、低消費電力、高信頼性の
半導体集積回路装置を提供できる。具体例としては、共
通の制御信号で基板バイアスと動作クロックを制御した
り、動作クロック周波数に基づいて基板バイアスを制御
したりする。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 leak current can be greatly reduced. As described above, since the leakage current cannot be stopped simply by stopping the clock when the circuit is on standby, the threshold value is increased by controlling the substrate bias to reduce the power consumption, and the leakage current is reduced. Conversely, when the threshold value is changed, the operation speed of the transistor is changed. Therefore, a malfunction may occur unless the operation clock is controlled.
According to the present invention, a high-speed operation, low power consumption, and high reliability of a semiconductor integrated circuit device can be provided by controlling the substrate bias and the operation clock in conjunction with each other. As a specific example, the substrate bias and the operation clock are controlled by a common control signal, or the substrate bias is controlled based on the operation clock frequency.
【0013】[0013]
【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.
【0014】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.
【0015】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
VBn,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,
A negative substrate bias V Bn is applied to the NMOS transistor (MN), and a positive substrate bias V Bp than the power supply is applied to the PMOS transistor (MP). By applying the substrate bias, the threshold value of the MOS transistor increases,
The leak 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.
【0016】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、NMO
S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Vc
c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V
cc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 composed of a CMOS circuit and has an NMO
The threshold value of the S transistor is set to 0.3 V, the threshold value of the PMOS transistor is set to -0.3 V, and the power supply voltage Vc
High-speed operation is possible even when c is as low as 1 V.
A supply terminal of the power supply voltage Vcc of the microprocessor chip is connected to a battery (not shown).
cc 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.
【0017】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、M
PU1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 NMOS and PMOS substrate bias circuits 2-1 and 2-2 to control the levels of substrate biases V Bp and V Bn . The mode can be switched under the conditions such as the presence or absence of an input from the 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, M
The on / off and frequency of the clock supplied to PU1 are controlled.
【0018】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.
【0019】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V
cc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, the low power supply voltage V of 1 V
High speed operation is possible with cc. 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.
【0020】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MOS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, the clock control circuit 3 responds to the frequency switching signal B in response to the frequency switching signal B so that the clock frequency is divided by 2 to 8 MHz.
z. NMOS substrate bias V Bn of -0.5 V and +1.5 V by substrate bias circuits 2-1 and 2-2
Is applied to raise the threshold value of the MOS transistor 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.
【0021】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, substrate biases V Bn and V Bp are similarly 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 the application of the substrate bias, the leak current can be suppressed to about 1/2200 of the operation.
【0022】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100μA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, an embodiment of the substrate bias circuits 2-1 and 2-2 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. A charge pumping circuit is used to generate a negative voltage for NMOS and a voltage higher than a power supply voltage for PMOS. When power supply voltage Vcc is 1V, for NMOS-
Bias voltages V Bn and V Bp of about 0.5 V and about +1.5 V for PMOS can be generated. This clock signal is a clock,
Since a basic clock that always operates for a microprocessor or the like is used, a new oscillation circuit is unnecessary,
The current consumption for applying the substrate bias is about 100 μA. 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.
【0023】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.
【0024】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M
OSの基板pウェル3は基板1からPチャネルMOS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NMOS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 substrate biases V Bn and V Bp to the N-channel and P-channel MOS transistors with the P-type semiconductor substrate 1 grounded, an N-channel M
The OS substrate p-well 3 is insulated from the substrate 1 by a P-channel MOS substrate n epitaxial layer 2. A negative voltage is applied to the p-well 3 as the NMOS substrate bias V Bn through the substrate bias terminal 5-1 and a positive voltage is applied to the n-epitaxial layer 2 as the PMOS substrate bias V Bp through the substrate bias terminal 5-2. , All the bias relations are reverse biases of the pn junction and are insulated from each other.
【0025】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 with 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 /
The density of the cm 3 , p-type high concentration region 7 is set to 3 × 10 17 / cm 3 . 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 is reduced to about 0.5.
2V can be increased.
【0026】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-
The values of the substrate biases V Bn and V Bp generated from 1 and 2-2 are switched. 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.
【0027】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,VBp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 . Vc when the clock frequency is high
Is high, and the signal at point a goes low through the passage of the MOS transistor MN1, so that the ring oscillator does not oscillate and the substrate biases V Bn and V Bp are not applied. Next, when the clock frequency is low, the Vc value is low and MN1 does not pass through, so the point a goes high, the ring oscillator oscillates, and the substrate biases V Bn and V Bp are applied.
Of course, when the clock signal stops, the point a becomes high and the substrate biases V Bn and V Bp are 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 V Bn and V Bp automatically change according to the clock frequency, there is no need to provide a specific command or control signal.
【0028】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44
nA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1
00μA程度あるので、総合で102μA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 drain current characteristic of a MOS transistor depending on a threshold value. The leak current is a drain current when the gate voltage is 0V. Threshold
When the voltage is increased from 0.3 V to 0.5 V, the leakage current becomes 44
It decreases from nA to about 1/200. Considering that a microprocessor is composed of 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 about 100,000, the leakage current is 4. 4mA
Reach When a substrate bias of 0.5 V is applied, the threshold value rises to 0.5 V, and the leakage 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, the current consumption of the substrate bias circuit is 1
Since there is about 00 μA, the current consumption is 102 μA in total. FIG. 10 summarizes a comparison between the conventional example and the present embodiment in which the threshold values are 0.5 V and 0.3 V with respect to the maximum operating frequency and the current consumption of the microprocessor.
【0029】[0029]
【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.
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。V Bn ... N-channel MOS substrate bias, V Bp ... P-channel MOS substrate bias, CKm ... clock signal for the microprocessor, CKb ... substrate bias generating clock signals.
フロントページの続き (72)発明者 花輪 誠 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 (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 昭61−52723(JP,A) 特開 昭56−85128(JP,A) 特開 平3−82151(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06F 1/04 H01L 27/06 Continuing from the front page (72) Inventor Makoto Hanawa 1-280 Higashi-Koikekubo, Kokubunji-shi, Tokyo Hitachi Central Research Laboratory, Ltd. (56) reference Patent Sho 61-52723 (JP, a) JP Akira 56-85128 (JP, a) JP flat 3-82151 (JP, a) (58 ) investigated the field (Int.Cl. 7 , DB name) G06F 1/04 H01L 27/06
Claims (13)
回路と、 上記MOSトランジスタの基板電位を変化させる基板バ
イアス回路と、 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を有し、通常動作モードと待機モードとの2つの状態を少なくと
も有する 制御信号に基づいて、上記基板バイアス回路と
上記クロック制御回路とを制御し、 上記待機モードにおいては、上記MOSトランジスタの
しきい値の絶対値が上記通常動作モードにおける上記M
OSトランジスタのしきい値の絶対値よりも大きくなる
ように上記基板バイアス回路を制御するとともに、上記
クロック信号の周波数が零すなわち上記クロック信号の
供給が停止するように上記クロック制御回路を制御する
半導体集積回路装置。 1. A logic circuit comprising a MOS transistor, a substrate bias circuit for changing a substrate potential of the MOS transistor, and a clock control circuit for controlling a frequency of a clock signal supplied to the logic circuit. , The two states of the normal operation mode and the standby mode are reduced
Controlling the substrate bias circuit and the clock control circuit on the basis of the control signal also provided in the standby mode.
The absolute value of the threshold value is equal to the M in the normal operation mode.
Becomes larger than the absolute value of the threshold value of the OS transistor
Control the substrate bias circuit so that
When the frequency of the clock signal is zero,
Control the clock control circuit so that supply stops
Semiconductor integrated circuit device.
上記PMOSトランジスタと直列接続されるNMOSト
ランジスタとを含み、 上記基板バイアス回路は、上記PMOSトランジスタの
基板電位を制御する第1の基板バイアス回路と、上記N
MOSトランジスタの基板電位を制御する第2の基板バ
イアス回路とを有する請求項1記載の半導体集積回路装
置。2. The logic circuit includes a PMOS transistor and an NMOS transistor connected in series with the PMOS transistor. The substrate bias circuit includes a first substrate bias circuit for controlling a substrate potential of the PMOS transistor; N above
2. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, further comprising a second substrate bias circuit for controlling a substrate potential of the MOS transistor.
御方法であって、 上記半導体回路はMOSトランジスタを含んで構成さ
れ、上記半導体回路のモードとして第1モードと第2モ
ードとを備え、 上記第1モードと上記第2モードとの切換を制御する制
御信号に基づいて、上記MOSトランジスタのしきい値
と上記クロック信号の周波数とを制御し、 上記第1モードにおいては、上記クロック信号が供給さ
れ、 上記第2モードにおいては、上記クロック信号の供給が
停止され、かつ、上記MOSトランジスタのしきい値の
絶対値が上記第1モードにおける上記MOSトランジス
タのしきい値の絶対値よりも大きくなるように制御され
る半導体回路の制御方法。 3. A method for controlling a semiconductor circuit to which a clock signal is supplied, wherein the semiconductor circuit includes a MOS transistor, and includes a first mode and a second mode as modes of the semiconductor circuit. A threshold value of the MOS transistor and a frequency of the clock signal are controlled based on a control signal for controlling switching between the first mode and the second mode. In the first mode, the clock signal is supplied. In the second mode, the supply of the clock signal is stopped, and the absolute value of the threshold value of the MOS transistor becomes larger than the absolute value of the threshold value of the MOS transistor in the first mode. Control method for a semiconductor circuit controlled as described above.
る請求項3記載の半導体回路の制御方法。 4. The method according to claim 3, wherein said semiconductor circuit is a microprocessor.
体回路と、 上記半導体回路にクロック信号を供給するクロック供給
手段と、 上記MOSトランジスタの基板電位を第1と第2の電位
の間で制御する電位制御手段とを有し、 上記クロック供給手段は上記クロック信号の周波数の切
り換え機能を有し、 上記電位制御手段は上記基板電位の切り換え機能を有
し、 上記クロック供給手段による上記周波数の切り換えタイ
ミングと上記電位制御手段による上記基板電位の切り換
えタイミングとは同期しており、 第1状態においては、上記クロック供給手段は上記半導
体回路に第1の周波数のクロック信号を供給し、上記電
位制御手段は上記MOSトランジスタの基板電位を上記
第1の電位に制御し、 第2状態においては、上記クロック供給手段は上記半導
体回路に上記第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半導体回路へのクロッ
ク信号の供給を停止し、上記電位制御手段は上記MOS
トランジスタの基板電位を上記第2の電位に制御して上
記MOSトランジスタのしきい値の絶対値を上記第1状
態における上記MOSトランジスタのしきい値の絶対値
よりも大きくすることを特徴とする半導体集積回路装
置。 5. A semiconductor circuit comprising a MOS transistor, clock supply means for supplying a clock signal to the semiconductor circuit, and potential control for controlling a substrate potential of the MOS transistor between first and second potentials. The clock supply means has a function of switching the frequency of the clock signal; the potential control means has a function of switching the substrate potential; and the timing of switching the frequency by the clock supply means and The switching timing of the substrate potential by the potential control means is synchronized. In the first state, the clock supply means supplies a clock signal of a first frequency to the semiconductor circuit. Controlling the substrate potential of the transistor to the first potential; and supplying the clock in the second state. Stage stops the supply of the semiconductor circuit supplies a second clock signal having a frequency lower than the first frequency or the clock signal to the semiconductor circuit, said potential control means the MOS
Semiconductor wherein the substrate potential of the transistor is controlled to the second potential to make the absolute value of the threshold value of the MOS transistor larger than the absolute value of the threshold value of the MOS transistor in the first state. Integrated circuit device.
板電位の切り換えタイミングが同一の制御信号に基づい
て形成された信号により制御されることを特徴とする請
求項5記載の半導体集積回路装置。 6. The semiconductor integrated circuit device according to claim 5, wherein the switching timing of the frequency and the switching timing of the substrate potential are controlled by a signal formed based on the same control signal.
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MOSトランジスタの基板電位を制御する基板バイ
アス回路とを有し、 プログラム命令または外部制御信号に基づいて、上記ク
ロック制御回路は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とともに、上記基板バ
イアス回路は上記MOSトランジスタの基板電位を制御
し、 第1状態においては、上記クロック制御回路は上記マイ
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、上記基板バイアス回路は上記MOSトランジスタの
基板電位を第1の電位に制御し、 第2状態においては、上記クロック制御回路は上記マイ
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し、上記基板バイ
アス回路は上記MOSトランジスタの基板電位を第2の
電位に制御して上記MOSトランジスタのしきい値の絶
対値を上記第1状態における上記MOSトランジスタの
しきい値の絶対値よりも大きくすることを特徴とする半
導体集積回路装置。 7. A microprocessor including a MOS transistor, a clock control circuit for controlling a frequency of a clock signal supplied to the microprocessor, and a substrate bias circuit for controlling a substrate potential of the MOS transistor. A clock control circuit that controls a frequency of a clock signal supplied to the microprocessor based on a program command or an external control signal; a substrate bias circuit that controls a substrate potential of the MOS transistor; In the above, the clock control circuit supplies a clock signal of a first frequency to the microprocessor, the substrate bias circuit controls the substrate potential of the MOS transistor to a first potential, and in the second state, The clock control circuit is A clock signal having a second frequency lower than the first frequency or a supply of the clock signal to the microprocessor is stopped, and the substrate bias circuit changes the substrate potential of the MOS transistor to a second potential. Wherein the absolute value of the threshold value of the MOS transistor in the first state is made larger than the absolute value of the threshold value of the MOS transistor in the first state.
号に基づいて形成された第1の制御信号により、上記基
板バイアス回路は上記MOSトランジスタの基板電位を
変化させて、上記MOSトランジスタのしきい値電圧を
変化させ、 上記プログラム命令または上記外部制御信号に基づいて
形成された第2の制御信号により、上記クロック制御回
路は上記クロック信号の周波数を制御する請求項7記載
の半導体集積回路装置。 8. The substrate bias circuit changes a substrate potential of the MOS transistor according to a first control signal formed based on the program command or the external control signal, thereby changing a threshold voltage of the MOS transistor. 8. The semiconductor integrated circuit device according to claim 7, wherein the clock control circuit controls the frequency of the clock signal by a second control signal formed based on the program command or the external control signal.
するクロック制御回路と、 上記MOSトランジスタの基板電位を制御する基板バイ
アス回路とを有し、 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M
OS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MOS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MOSトランジスタの基
板電圧を制御できる半導体集積回路装置。 9. A logic circuit including a MOS transistor, a clock control circuit for controlling a frequency of a clock signal supplied to the logic circuit, and a substrate bias circuit for controlling a substrate potential of the MOS transistor, The clock 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. And the supply of the clock signal to the logic circuit can be stopped.
A semiconductor integrated circuit device capable of controlling the substrate voltage of the MOS transistor so that the absolute value of the threshold voltage of the OS transistor is higher than the absolute value of the threshold voltage of the MOS transistor in the first state.
電圧が0Vのときに流れるドレイン電流は、上記第1状
態において上記MOSトランジスタのゲート電圧が0V
のときに流れるドレイン電流よりも小さい半導体集積回
路装置。 10. The drain current flowing when the gate voltage of the MOS transistor is 0V in the second state, wherein the gate voltage of the MOS transistor is 0V in the first state.
A semiconductor integrated circuit device smaller than a drain current flowing at the time of (1).
と上記第1MOSトランジスタと直列接続される第2導
電型の第2MOSトランジスタとを含み、 上記基板バイアス回路は、上記第1MOSトランジスタ
の基板電位の制御のための第1の基板バイアス制御回路
と、上記第2MOSトランジスタの基板電位の制御のた
めの第2の基板バイアス制御回路とを有する半導体集積
回路装置。 11. The logic circuit according to claim 9, wherein the logic circuit includes a first MOS transistor of a first conductivity type and a second MOS transistor of a second conductivity type connected in series with the first MOS transistor. The circuit includes a first substrate bias control circuit for controlling the substrate potential of the first MOS transistor and a second substrate bias control circuit for controlling the substrate potential of the second MOS transistor. .
上記第2MOSトランジスタはNMOSトランジスタで
あって、 上記第1の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1MOSトランジスタの基板電位を上記第
1MOSトランジスタのソース電位よりも高い電位と
し、 上記第2の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2MOSトランジスタの基板電位を上記第
2MOSトランジスタのソース電位よりも低い電位とし
うる半導体集積回路装置。 12. The device according to claim 11, wherein the first MOS transistor is a PMOS transistor,
The second MOS transistor is an NMOS transistor, wherein the first substrate bias control circuit sets the substrate potential of the first MOS transistor higher than the source potential of the first MOS transistor in the second state. 2 is a semiconductor integrated circuit device, wherein in the second state, the substrate potential of the second MOS transistor can be lower than the source potential of the second MOS transistor.
路装置。 13. The semiconductor integrated circuit device according to claim 9, wherein said logic circuit is a microprocessor.
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