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JP5116127B2 - Semiconductor device - Google Patents

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JP5116127B2 JP2011069413A JP2011069413A JP5116127B2 JP 5116127 B2 JP5116127 B2 JP 5116127B2 JP 2011069413 A JP2011069413 A JP 2011069413A JP 2011069413 A JP2011069413 A JP 2011069413A JP 5116127 B2 JP5116127 B2 JP 5116127B2
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Description

本発明は半導体集積回路装置に係わり、特に高速・低電力動作特性の優れた半導体集積回路装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device, and more particularly to a semiconductor integrated circuit device excellent in high-speed and low-power operation characteristics.

“Identifying defects in deep-submicron CMOS Ics”, IEEE Spectrum, pp. 66-71, September, 1996 (以下、文献1と記す)に記載されているように、チップの製造プロセスの微細化にともなって各種リーク電流(サブスレッショルドリーク電流、ゲートトンネルリーク電流、GIDL(Gate-Induced Drain Leakage)電流などの接合リーク電流)が増大している。それらのリーク電流はチップの消費電流を増加させてしまう。サブスレッショルドリーク電流の低減方法の従来例としては、 ”A Low Power Data Holding Circuit with an Intermittent Power Supply scheme”, Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, pp. 14-15, 1996 (以下、文献2と記す)に記載されている方法がある。文献2では、回路ブロックの電源間に直列に、回路ブロックを構成しているMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値よりも十分にその絶対値の大きいしきい値電圧を持つMOSトランジスタで構成された電源スイッチを、電源側と接地側に挿入する。ここで、本明細書においては、絶縁ゲート型電界効果トランジスタの総称としてMOSトランジスタの語を使用する。また、回路に供給する電源電圧は高い電位と低い電位で定義されるが、電源は高い電位を、接地は低い電位をそれぞれ表すものとしてこれらの語を使用する。チップの待機時には、上記電源スイッチをオフすることで回路ブロックを貫通するサブスレッショルドリーク電流が遮断される。通常、電源スイッチをオフすると、回路ブロックへの電源供給が遮断されるため、回路ブロック内に含まれる情報保持回路(例えば、スタティックメモリ、フリップフロップ、ラッチ、レジスタファイル等の、揮発性の情報保持機能のある回路)に記憶された情報が消失してしまう。しかし、実際には電源スイッチをオフしてから情報保持回路内の情報が消失するまでには、ある時間(TR)を要する。そのため、文献2では、電源スイッチをオフしてからTR時間経過しないうちに電源スイッチを再度オンする(以下、この再電源投入をリフレッシュ動作と呼ぶ)。その後一定時間後にまた電源スイッチをオフし、それを繰り返すことで情報保持回路内の情報の消失を防ぎ、かつサブスレッショルドリーク電流による回路ブロックの電力消費を削減する。   As described in “Identifying defects in deep-submicron CMOS Ics”, IEEE Spectrum, pp. 66-71, September, 1996 (hereinafter referred to as Reference 1) Leakage current (junction leakage current such as subthreshold leakage current, gate tunnel leakage current, GIDL (Gate-Induced Drain Leakage) current) is increasing. Those leakage currents increase the current consumption of the chip. As a conventional example of a method for reducing the subthreshold leakage current, “A Low Power Data Holding Circuit with an Intermittent Power Supply scheme”, Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, pp. 14-15, 1996 (hereinafter referred to as Reference 2) There is a method described in the above. In Reference 2, the power supply of the circuit block is configured in series with a MOS transistor having a threshold voltage whose absolute value is sufficiently larger than the absolute value of the threshold voltage of the MOS transistor constituting the circuit block. Insert the power switch on the power supply side and ground side. In this specification, the word MOS transistor is used as a general term for an insulated gate field effect transistor. The power supply voltage supplied to the circuit is defined as a high potential and a low potential, but these terms are used to represent a high potential for the power supply and a low potential for the ground. When the chip is on standby, the sub-threshold leakage current passing through the circuit block is cut off by turning off the power switch. Normally, when the power switch is turned off, the power supply to the circuit block is cut off. Therefore, the information holding circuit included in the circuit block (for example, static memory, flip-flop, latch, register file, etc.) holds volatile information. The information stored in the functional circuit is lost. However, in practice, a certain time (TR) is required from when the power switch is turned off until information in the information holding circuit is lost. For this reason, in Document 2, the power switch is turned on again before the TR time has elapsed since the power switch was turned off (hereinafter, this re-power-on is referred to as a refresh operation). Thereafter, the power switch is turned off again after a certain time, and this is repeated to prevent the loss of information in the information holding circuit and reduce the power consumption of the circuit block due to the subthreshold leakage current.

また、”A Novel Powering-down Scheme for Low Vt CMOS Circuits”, Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, pp. 44-45, 1998 (以下、文献3と記す)に記載されている方法では、電源スイッチと回路ブロックの接続関係は文献2のものと同一である。文献3においては、電源スイッチと並列にダイオードを接続することで、電源スイッチオフ時の回路ブロックへ供給される電源の電圧(電源側と接地側の電位差)の過剰な低下をクランプし、回路ブロック中の情報保持回路の情報消失を防いでいる。文献3に例示されている数値例では、電源スイッチオフ時の回路ブロックへ供給される電源の電圧差は0.7V以上であり、回路ブロックを構成しているMOSトランジスタのしきい値電圧(PMOSは-0.14V、NMOSは0.31V)となっている。   In the method described in “A Novel Powering-down Scheme for Low Vt CMOS Circuits”, Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, pp. 44-45, 1998 (hereinafter referred to as Reference 3), the power switch The circuit block connection relationship is the same as that of Document 2. In Document 3, a diode is connected in parallel with the power switch to clamp an excessive drop in the voltage of the power supplied to the circuit block (potential difference between the power supply side and the ground side) when the power switch is turned off. The information loss of the information holding circuit inside is prevented. In the numerical example illustrated in Document 3, the voltage difference of the power supplied to the circuit block when the power switch is turned off is 0.7 V or more, and the threshold voltage of the MOS transistor constituting the circuit block (PMOS is -0.14V, NMOS is 0.31V).

“Identifying defects in deep-submicron CMOS Ics”, IEEE Spectrum, pp. 66-71, September, 1996“Identifying defects in deep-submicron CMOS Ics”, IEEE Spectrum, pp. 66-71, September, 1996 ”A Low Power Data Holding Circuit with an Intermittent Power Supply scheme”, Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, pp. 14-15, 1996“A Low Power Data Holding Circuit with an Intermittent Power Supply scheme”, Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, pp. 14-15, 1996 ”A Novel Powering-down Scheme for Low Vt CMOS Circuits”, Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, pp. 44-45, 1998“A Novel Powering-down Scheme for Low Vt CMOS Circuits”, Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, pp. 44-45, 1998

電源スイッチは十分に絶対値の大きなしきい値電圧を持つMOSトランジスタで構成されており、文献2の方法では、チップの待機時中に電源スイッチのオン・オフを繰り返し、回路ブロック内のノードの充放電を繰り返している。一般に電源スイッチには、回路ブロックの動作時の速度劣化を防ぐために大きなサイズのMOSトランジスタが使用される。また、回路ブロックの全ノードの寄生容量は回路規模にも依存し、数nFを超える場合もある。したがって、電源スイッチのオン・オフの繰り返し及び回路ブロック内のノードの充放電の繰り返しは、チップの電力消費を増加させてしまう。   The power switch is composed of a MOS transistor having a sufficiently large threshold voltage. In the method of Document 2, the power switch is repeatedly turned on and off during standby of the chip, and the node in the circuit block is Repeated charging / discharging. In general, a large-size MOS transistor is used for a power switch in order to prevent speed deterioration during operation of a circuit block. Further, the parasitic capacitance of all nodes of the circuit block depends on the circuit scale and may exceed several nF. Therefore, repeated ON / OFF of the power switch and repeated charging / discharging of the nodes in the circuit block increase the power consumption of the chip.

一方、文献3の方法では、電源スイッチオフ時の回路ブロックへ供給される電源の電圧(電源側と接地側の電位差)は、回路ブロックを構成しているMOSトランジスタのしきい値電圧(PMOSは-0.14V、NMOSは0.31V)の絶対値よりも大きくされている。   On the other hand, in the method of Document 3, the voltage of the power supply (potential difference between the power supply side and the ground side) supplied to the circuit block when the power switch is turned off is the threshold voltage (PMOS is the PMOS) of the circuit block. -0.14V, NMOS is larger than the absolute value of 0.31V).

本発明者らは、電源スイッチオフ時の電源電圧をMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値よりも低くしてもなお情報保持回路の情報を維持できることを見いだし、情報保持回路の情報を維持しつつ、さらにリーク電力低減可能な構成を発明するに至ったものである。   The present inventors have found that even when the power supply voltage when the power switch is turned off is lower than the absolute value of the threshold voltage of the MOS transistor, information of the information holding circuit can be maintained, and information of the information holding circuit is maintained. However, the present inventors have invented a configuration that can further reduce leakage power.

上記課題を解決するための本発明の代表的な実施例は、第一のMOSトランジスタを有する回路ブロックと、第二のMOSトランジスタと電流源を有するリーク電流制御回路、を具備する半導体集積回路装置において、上記第二のMOSトランジスタのソース・ドレイン経路は、動作電位が供給される電位点と上記回路ブロックの電源線との間に設け、上記電流源は、上記電源線に接続し、第一の状態では、上記電源線は上記第二のMOSトランジスタによって第一電圧に駆動し、第二の状態では、上記電源線は上記電流源に流れる電流によって、第二電圧に制御し、第二の状態における第一のMOSトランジスタのソース・ドレイン間電圧に印加される電圧は、第一の状態における第一のMOSトランジスタのソース・ドレイン間電圧に印加される電圧よりも小さくする。   A typical embodiment of the present invention for solving the above problems is a semiconductor integrated circuit device comprising a circuit block having a first MOS transistor and a leakage current control circuit having a second MOS transistor and a current source. The source / drain path of the second MOS transistor is provided between a potential point to which an operating potential is supplied and the power supply line of the circuit block, the current source is connected to the power supply line, In the state, the power line is driven to the first voltage by the second MOS transistor, and in the second state, the power line is controlled to the second voltage by the current flowing through the current source, The voltage applied to the source-drain voltage of the first MOS transistor in the state is smaller than the voltage applied to the source-drain voltage of the first MOS transistor in the first state. That.

回路ブロックが待機状態の時に、各種リーク電流(サブスレッショルドリーク電流、GIDL電流、ゲートトンネルリーク電流など)を削減しつつ、回路ブロック内の情報保持回路に格納されている情報を保持できる。また、回路ブロックが動作状態の時には、回路ブロックを高速に動作させることができる。   When the circuit block is in a standby state, information stored in the information holding circuit in the circuit block can be held while reducing various leak currents (subthreshold leak current, GIDL current, gate tunnel leak current, etc.). Further, when the circuit block is in an operating state, the circuit block can be operated at high speed.

本発明のリーク電流削減方法の実施例を示す図である。It is a figure which shows the Example of the leakage current reduction method of this invention. 図1の動作例のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart of the operation example of FIG. MOSトランジスタのしきい値電圧のドレイン・ソース間電圧依存性を示す図である。It is a figure which shows the drain-source voltage dependence of the threshold voltage of a MOS transistor. 擬似電源線を完全に放電させた場合のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart at the time of discharging a pseudo power supply line completely. インバータの動作時の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic at the time of operation | movement of an inverter. インバータの待機時の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic at the time of standby of an inverter. インバータの待機時の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic at the time of standby of an inverter. 回路ブロックの基板バイアス電位を制御した構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example which controlled the substrate bias potential of the circuit block. 図8の動作例のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart of the operation example of FIG. 図8の構成における、インバータの待機時の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic at the time of standby of an inverter in the structure of FIG. 回路ブロックの基板バイアス電位を制御した別の構成例を示す図である。It is a figure which shows another structural example which controlled the substrate bias potential of the circuit block. 図1とは異なる電流源を用いた構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example using the current source different from FIG. 図12の動作例のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart of the operation example of FIG. 図1とは異なる電流源を用いた構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example using the current source different from FIG. 図1の電流源として抵抗を用いた構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example using resistance as a current source of FIG. 図1の電流源として定電流回路を用いた構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example using a constant current circuit as a current source of FIG. 図1の電流源の代わりに電圧源を用いた構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example using the voltage source instead of the current source of FIG. ディープ待機状態を実現する構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example which implement | achieves a deep standby state. 図18の動作例のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart of the operation example of FIG. 電源スイッチとして、NMOSトランジスタを用いた構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example using an NMOS transistor as a power switch. 電源スイッチとして、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタの両方を用いた場合の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example at the time of using both a PMOS transistor and an NMOS transistor as a power switch. 電源スイッチコントローラの外部インターフェースの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the external interface of a power switch controller. 仮想電源線のスルーレート制御を行う電源スイッチコントローラの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the power switch controller which performs the slew rate control of a virtual power line. 図23の動作例のタイミングチャートを示す図である。FIG. 24 is a diagram illustrating a timing chart of the operation example of FIG. 23. 仮想電源線のスルーレート制御を行う電源スイッチコントローラの別の構成例を示す図である。It is a figure which shows another structural example of the power switch controller which performs the slew rate control of a virtual power line. 図25の動作例のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart of the operation example of FIG. 仮想電源線のスルーレート制御を行う電源スイッチコントローラの別の構成例を示す図である。It is a figure which shows another structural example of the power switch controller which performs the slew rate control of a virtual power line. 図27の動作例のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart of the operation example of FIG. 仮想電源線のスルーレート制御を行う電源スイッチコントローラの別の構成例を示す図である。It is a figure which shows another structural example of the power switch controller which performs the slew rate control of a virtual power line. 図29の動作例のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart of the operation example of FIG. 本発明のスタティックメモリの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the static memory of this invention. 図31の動作例のタイミングチャートを示す図である。FIG. 32 is a diagram illustrating a timing chart of the operation example of FIG. 31. 本発明のスタティックメモリの別の構成例を示す図である。It is a figure which shows another structural example of the static memory of this invention. 図33の動作例のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart of the operation example of FIG. 本発明のチップの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the chip | tip of this invention. 三種類の電源を入力した場合のチップの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the chip | tip at the time of inputting three types of power supplies. 一つの電源を内部の降圧回路で生成したチップの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the chip | tip which produced | generated one power supply with the internal voltage reduction circuit. 電源スイッチと降圧回路をマージした構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example which merged the power switch and the pressure | voltage fall circuit. 電源スイッチをNMOSトランジスタを用いて構成した場合のチップの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the chip | tip at the time of comprising a power switch using an NMOS transistor. 本発明のラッチ型レベル変換回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the latch type level conversion circuit of this invention. MOSトランジスタのしきい値電圧Vthの定義を示す図である。It is a figure which shows the definition of the threshold voltage Vth of a MOS transistor.

<第1の実施の形態>
図1は本発明の基本的な構成例である。CKTは回路ブロック、PSW1は電源スイッチ、PSW2は電流源、VDDは電源で電圧は例えば1.0V、VVDDは仮想電源線、VSSは接地で電圧は0V、PSCは電源スイッチコントローラを示している。回路ブロックCKTは、図1に示されているように例えば、インバータINV、NAND回路NAND、NOR回路NOR、フリップフロップ回路FFなどからなる論理回路LG1や、メモリセルアレイMARY、ワードデコーダDEC、センスアンプSAなどからなるメモリMEM1などから構成されている。回路ブロックCKTは論理回路LG1のみ、またはメモリMEM1のみという構成もあり得る。論理回路LG1のフリップフロップFF、メモリセルアレイMARYのように情報保持回路が含まれていることが一つの特徴である。ここで情報保持回路は、揮発性の情報保持機能のある回路であって、特にその情報がCMOS論理によって決定されるものである。
<First Embodiment>
FIG. 1 shows a basic configuration example of the present invention. CKT is a circuit block, PSW1 is a power switch, PSW2 is a current source, VDD is a power supply and a voltage is, for example, 1.0V, VVDD is a virtual power supply line, VSS is ground, a voltage is 0V, and PSC is a power switch controller. As shown in FIG. 1, the circuit block CKT includes, for example, a logic circuit LG1 including an inverter INV, a NAND circuit NAND, a NOR circuit NOR, a flip-flop circuit FF, a memory cell array MARY, a word decoder DEC, and a sense amplifier SA. It consists of memory MEM1 etc. The circuit block CKT may be configured to include only the logic circuit LG1 or only the memory MEM1. One feature is that an information holding circuit is included such as the flip-flop FF and the memory cell array MARY of the logic circuit LG1. Here, the information holding circuit is a circuit having a volatile information holding function, and in particular, the information is determined by CMOS logic.

電源コントローラPSCは電源VDDと仮想電源線VVDD間に接続された電源スイッチPSW1のオン・オフを制御し、仮想電源線VVDDと電源VDDに流れる電流を制御している。電流源も電源VDDと仮想電源線VVDDの間に接続され、電源VDDから仮想電源線VVDDへ流れる電流を制限している。回路ブロックCKTは仮想電源線VVDDと接地VSSの間に接続されており、回路ブロックCKTに対しては仮想電源線が実質的な電源に相当することになる。すなわち、動作時に回路ブロックへ供給する電流は主に電源スイッチPSW1から、待機時に回路ブロックへ供給する電流は主に電流源PSW2から供給する。図1には図示しないが、電源VDDの電位は回路ブロックCKTの動作電位であって、安定化された電源回路から供給される。   The power controller PSC controls on / off of the power switch PSW1 connected between the power supply VDD and the virtual power supply line VVDD, and controls the current flowing through the virtual power supply line VVDD and the power supply VDD. A current source is also connected between the power supply VDD and the virtual power supply line VVDD to limit the current flowing from the power supply VDD to the virtual power supply line VVDD. The circuit block CKT is connected between the virtual power supply line VVDD and the ground VSS, and the virtual power supply line corresponds to a substantial power supply for the circuit block CKT. That is, the current supplied to the circuit block during operation is mainly supplied from the power switch PSW1, and the current supplied to the circuit block during standby is mainly supplied from the current source PSW2. Although not shown in FIG. 1, the potential of the power supply VDD is the operating potential of the circuit block CKT and is supplied from a stabilized power supply circuit.

以下、図1の動作例を図2のタイミングチャートを用いて示す。時刻T1以前では、電源スイッチコントローラPSCによって電源スイッチPSW1のゲート信号PSWGATE1はロウレベルに駆動され、電源スイッチPSW1がオン状態になっている。この状態では電源スイッチPSW1を介して回路ブロックCKTに電源が供給されるために仮想電源線VVDDはVDD電位になり、回路ブロックCKTは動作可能状態(動作状態)になっている。時刻T1では、電源スイッチコントローラPSCによって電源スイッチPSW1のゲート信号PSWGATE1はハイレベルに駆動され、電源スイッチPSW1はオフ状態になる。電源スイッチPSW1がオフ状態になることにより、回路ブロックCKTの仮想電源線VVDDから接地VSSに流れるリーク電流によって、仮想電源線VVDDは徐々に放電されてゆく。仮想電源線VVDDの電位が低くなるにしたがい、始め(時刻T1)では大きかったIoff(CKT)(回路ブロックCKTに流れるリーク電流をIoff(CKT)と表記する。以下も同様である。)も徐々に小さい値となる(時刻T1から時刻T2の間)。やがて、仮想電源線VVDDはある電圧レベルVFNLに収束する(時刻T2から時刻T3の間)。この収束する電圧レベルは、回路ブロックCKTの仮想電源線VVDDから接地VSSに流れるリーク電流(Ioff(CKT))が、電源VDDから仮想電源線VVDDへ流れる電源スイッチPSW1のオフ電流(Ioff(PSW1))と電源VDDから電流源PSW2を介して仮想電源線VVDDへ流れる電流I(PSW2)を加えた値に等しくなるという条件で決定される。   Hereinafter, an operation example of FIG. 1 will be described with reference to a timing chart of FIG. Before time T1, the gate signal PSWGATE1 of the power switch PSW1 is driven to a low level by the power switch controller PSC, and the power switch PSW1 is in the on state. In this state, since power is supplied to the circuit block CKT via the power switch PSW1, the virtual power supply line VVDD is at the VDD potential, and the circuit block CKT is in an operable state (operating state). At time T1, the power switch controller PSC drives the gate signal PSWGATE1 of the power switch PSW1 to a high level, and the power switch PSW1 is turned off. When the power switch PSW1 is turned off, the virtual power supply line VVDD is gradually discharged by a leak current flowing from the virtual power supply line VVDD of the circuit block CKT to the ground VSS. As the potential of the virtual power supply line VVDD decreases, Ioff (CKT) (leakage current flowing through the circuit block CKT is expressed as Ioff (CKT), which is large at the beginning (time T1) gradually). (Time between time T1 and time T2). Eventually, the virtual power supply line VVDD converges to a certain voltage level VFNL (between time T2 and time T3). This converged voltage level is determined by the leakage current (Ioff (CKT)) flowing from the virtual power supply line VVDD of the circuit block CKT to the ground VSS, and the off current (Ioff (PSW1) of the power switch PSW1 flowing from the power supply VDD to the virtual power supply line VVDD. ) And the current I (PSW2) flowing from the power supply VDD to the virtual power supply line VVDD via the current source PSW2 is determined to be equal to the value.

特に限定しないが簡単のために、Ioff(PSW1) ≪ I(PSW2)という条件に設定する。例えば、電源スイッチPSW1を構成しているPMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値を、電流源PSW2を構成しているPMOSトランジスタのしきい値の絶対値よりも大きくすればよい。この場合、上記仮想電源線VVDDが収束する条件は、Ioff(CKT) = I(PSW2)となる。このように、電流源PSW2を仮想電源線VVDDの電圧の過剰な低下を防ぐ目的に用いる。これにより、初期(時刻T1)のIoff(CKT)が大きくても、結局はそれがI(PSW2)に等しくなるように仮想電源線VVDDの電位が低下して自動的に安定点に達し、その時のIoff(CKT)の値はI(PSW2)の値で制約されることになる。すなわち、電流源PSW2は回路ブロックCKTのリーク電流制限回路として働く。   Although not particularly limited, for the sake of simplicity, the condition of Ioff (PSW1) << I (PSW2) is set. For example, the absolute value of the threshold voltage of the PMOS transistor constituting the power switch PSW1 may be made larger than the absolute value of the threshold value of the PMOS transistor constituting the current source PSW2. In this case, the condition for the virtual power supply line VVDD to converge is Ioff (CKT) = I (PSW2). As described above, the current source PSW2 is used for the purpose of preventing an excessive decrease in the voltage of the virtual power supply line VVDD. As a result, even if Ioff (CKT) at the initial stage (time T1) is large, the potential of the virtual power supply line VVDD is lowered so that it eventually becomes equal to I (PSW2) and automatically reaches a stable point. The value of Ioff (CKT) is restricted by the value of I (PSW2). That is, the current source PSW2 functions as a leakage current limiting circuit for the circuit block CKT.

本明細書において、MOSトランジスタのしきい値電圧Vthは、MOSトランジスタのドレイン電流(この電流にはサブスレッショルドリーク電流を含まない)が流れ始めるときのゲート電圧の値であり、以下のような一般的に広く用いられている定義で定める。ゲート電圧Vgsが十分大きく、ドレイン電圧Vdsも十分大きな飽和領域では、ドレイン電流Idsは(Vgs-Vth)のγ乗に比例する。したがって、ドレイン電流Idsの1/γ乗は、図41に示したように十分に大きなゲート電圧Vgsにおいて直線になる。したがって例えば、しきい値電圧Vthは図41に示されたようにして(Vgs-Vth)の1/γ乗の直線部分の接線から、図41の如く読み取ることができる。なお、γの値はMOSトランジスタのゲート長に大きく依存する。一般にゲート長Lgが1μm程度の長チャネルMOSトランジスタでは、γは2程度の値となり、ゲート長Lgが0.25μm以下の短チャネルMOSトランジスタでは、γは2より小さな値で、例えば1.4程度の値となる。   In this specification, the threshold voltage Vth of a MOS transistor is the value of the gate voltage when the drain current of the MOS transistor (this current does not include the subthreshold leakage current) starts to flow. The definition is widely used. In a saturation region where the gate voltage Vgs is sufficiently large and the drain voltage Vds is also sufficiently large, the drain current Ids is proportional to (Vgs−Vth) to the γ power. Therefore, the drain current Ids raised to the 1 / γ power is a straight line at a sufficiently large gate voltage Vgs as shown in FIG. Therefore, for example, the threshold voltage Vth can be read as shown in FIG. 41 from the tangent of the linear part of (Vgs−Vth) to the 1 / γ power as shown in FIG. Note that the value of γ greatly depends on the gate length of the MOS transistor. In general, in a long channel MOS transistor having a gate length Lg of about 1 μm, γ is a value of about 2, and in a short channel MOS transistor having a gate length Lg of 0.25 μm or less, γ is a value smaller than 2, for example, a value of about 1.4. Become.

以上のように本発明では、回路ブロックCKTの、待機時のサブスレッショルドリーク電流やゲートトンネルリーク電流などのあらゆるリーク電流の大きさを、電流源PSW2によって決定し、その値は動作時に回路ブロックCKTに流れるリーク電流よりも小さい値となる。以下、そのメカニズムを詳しく説明する。   As described above, in the present invention, the magnitude of all the leakage currents such as the standby subthreshold leakage current and the gate tunnel leakage current of the circuit block CKT is determined by the current source PSW2, and the value is determined during operation. It becomes a value smaller than the leak current flowing through. Hereinafter, the mechanism will be described in detail.

一般に仮想電源線VVDDの電位が小さいほど、Ioff(CKT)は小さくなる。この理由を回路ブロックCKT内のインバータINVに流れるリーク電流を例に説明する。
(1)仮想電源線VVDDの電位が小さくなることにより、PMOSトランジスタMP1のソース電位が小さい電圧になる。一方、PMOSトランジスタMP1の基板電位は電源VDDに接続されており、一定の電圧である。そのためにソース・基板間に逆方向バイアスが印加され、基板バイアス効果によってPMOSトランジスタMP1のしきい値電圧が上昇する。これによってPMOSトランジスタMP1のソース・ドレイン間を流れるサブスレッショルドリーク電流が減少する。
(2)仮想電源線VVDDの電位が小さくなることにより、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタのソース・ドレイン間電圧が小さくなる。これにより、DIBL(Drain Induced Barrier Lowering)効果によってPMOSトランジスタとNMOSトランジスタのしきい値電圧が上昇する。これによってPMOSトランジスタと、NMOSトランジスタのソース・ドレイン間を流れるサブスレッショルドリーク電流が減少する。なお、このDIBL効果は基板・ソース間が上記(1)のように逆方向バイアスされていることで、より顕著に現れる。
(3)仮想電源線VVDDの電位が小さくなることにより、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタのソース・ゲート間電圧およびドレイン・ゲート間電圧が小さくなる。これにより、ゲート絶縁膜を流れるゲートトンネル電流が減少する。また、ドレインあるいはソースから基板に流れるGIDL(Gate Induced Drain Leakage)電流も減少する。
Generally, Ioff (CKT) decreases as the potential of the virtual power supply line VVDD decreases. The reason for this will be described by taking the leakage current flowing through the inverter INV in the circuit block CKT as an example.
(1) As the potential of the virtual power supply line VVDD becomes smaller, the source potential of the PMOS transistor MP1 becomes a smaller voltage. On the other hand, the substrate potential of the PMOS transistor MP1 is connected to the power supply VDD and is a constant voltage. Therefore, a reverse bias is applied between the source and the substrate, and the threshold voltage of the PMOS transistor MP1 rises due to the substrate bias effect. This reduces the subthreshold leakage current flowing between the source and drain of the PMOS transistor MP1.
(2) Since the potential of the virtual power supply line VVDD is reduced, the voltage between the source and drain of the PMOS transistor and the NMOS transistor is reduced. Thereby, the threshold voltage of the PMOS transistor and the NMOS transistor is increased by the DIBL (Drain Induced Barrier Lowering) effect. As a result, the subthreshold leakage current flowing between the PMOS transistor and the source / drain of the NMOS transistor is reduced. The DIBL effect appears more prominently when the substrate and the source are reverse-biased as in (1) above.
(3) Since the potential of the virtual power supply line VVDD is reduced, the source-gate voltage and the drain-gate voltage of the PMOS transistor and the NMOS transistor are reduced. This reduces the gate tunnel current flowing through the gate insulating film. Further, a GIDL (Gate Induced Drain Leakage) current flowing from the drain or source to the substrate is also reduced.

図3は本発明によるリーク削減効果を示す実測事例である。NMOSトランジスタのしきい値電圧Vthのドレイン・ソース間電圧VDS依存性の実測値を示している。製造プロセスは0.13μm CMOS(ゲート酸化膜厚は1.9nm)で、測定温度は室温である。パラメータとしてソース・基板間電圧VBSを用いている。VBSを逆方向バイアスし、VDSを小さくすることで、しきい値電圧が約0.15V高くなっている。これは、サブスレッショルドスロープ係数Sを75mV/decとすると、ドレイン・ソース間に流れるリーク電流を約2桁削減できることを意味している。   FIG. 3 is an actual measurement example showing the effect of reducing leakage according to the present invention. The measured value of the drain-source voltage VDS dependency of the threshold voltage Vth of the NMOS transistor is shown. The manufacturing process is 0.13 μm CMOS (gate oxide film thickness is 1.9 nm), and the measurement temperature is room temperature. The source-substrate voltage VBS is used as a parameter. By reverse biasing VBS and reducing VDS, the threshold voltage is increased by about 0.15V. This means that when the subthreshold slope coefficient S is 75 mV / dec, the leakage current flowing between the drain and the source can be reduced by about two orders of magnitude.

また、本発明では、図2に示されているように、回路ブロックCKT中の情報保持回路内に格納された情報を保持するため、待機時の仮想電源線VVDDの収束電圧値VFNLは、情報保持回路の格納する情報を保持できる最小の電圧VRTNよりも高いことである。図2の数値例では、VDDは1.0V、VFNLは0.4V、VRTNは0.2Vである。文献2では電流源PSW2に相当するものが存在しないために、待機時には回路ブロックの電源は完全に遮断され、Ioff(CKT) = Ioff(PSW1) ≒ 0になるまで仮想電源線VVDD電位が放電されて、0Vになってしまう。したがって、図4に示したようにVFNL = 0 < VRTNとなり、情報保持回路内に蓄えられた情報を保持することができない。一方、文献3では待機時の電源電圧を、回路ブロックCKTを構成するMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値よりも大きな値としている。これは待機時に電源電圧をMOSトランジスタのしきい値電圧よりも小さくするとオン状態のMOSトランジスタが遮断し、論理が失われると懸念したものと推測される。しかしながら、CMOS論理回路では電源電圧をMOSトランジスタのしきい値電圧よりも小さくすることと、その論理状態が失われることと等価ではない。発明者らは第1導電型のMOSトランジスタと第2導電型のMOSトランジスタとが直列接続されたCMOS論理回路では、オン状態にある第1導電型のMOSトランジスタの流しうる電流とオフ状態にある第2導電型のMOSトランジスタの流しうる電流とのオン・オフ比でその論理状態が維持されるか否かが決定されることに着目した。   Further, in the present invention, as shown in FIG. 2, in order to hold the information stored in the information holding circuit in the circuit block CKT, the convergence voltage value VFNL of the virtual power supply line VVDD during standby is information It is higher than the minimum voltage VRTN that can hold the information stored in the holding circuit. In the numerical example of FIG. 2, VDD is 1.0V, VFNL is 0.4V, and VRTN is 0.2V. Since there is no equivalent to the current source PSW2 in Document 2, the power supply of the circuit block is completely shut off during standby, and the virtual power supply line VVDD potential is discharged until Ioff (CKT) = Ioff (PSW1) ≈ 0. It becomes 0V. Therefore, as shown in FIG. 4, VFNL = 0 <VRTN, and the information stored in the information holding circuit cannot be held. On the other hand, in Document 3, the standby power supply voltage is set to a value larger than the absolute value of the threshold voltage of the MOS transistors constituting the circuit block CKT. This is presumed that if the power supply voltage is made lower than the threshold voltage of the MOS transistor during standby, the on-state MOS transistor is cut off and the logic is lost. However, in a CMOS logic circuit, making the power supply voltage smaller than the threshold voltage of the MOS transistor is not equivalent to losing its logic state. In the CMOS logic circuit in which the first conductivity type MOS transistor and the second conductivity type MOS transistor are connected in series, the inventors are in an off state and a current that can flow through the first conductivity type MOS transistor in the on state. It has been noted that whether or not the logic state is maintained is determined by the on / off ratio with the current that can flow through the MOS transistor of the second conductivity type.

CMOS論理回路の代表例として回路ブロックCKT内のインバータINVを例に、リーク電流低減メカニズム及び情報保持回路で情報が維持されるメカニズムを説明する。図5はインバータINVの動作時の特性図である。横軸はインバータの入力電圧で、PMOSトランジスタMP1とNMOSトランジスタMN1のゲート信号電圧に相当する。縦軸は各ゲート電圧時のドレイン電流値I(ds)を対数表示している。インバータINVの入力がハイレベル(電圧としては電源電圧VDD)の場合、PMOSトランジスタMP1はオフ状態で、特性図でd1のポイントとなり、MP1のドレイン電流はIoff1_pだけ流れる。また、NMOSトランジスタMN1はオン状態で、特性図ではc1のポイントとなり、MN1のドレイン電流はIon1_nだけ流れる。一方、インバータの入力がロウレベル(電圧としては接地VSS)の場合、PMOSトランジスタMP1はオン状態で、特性図でa1のポイントとなり、MP1のドレイン電流はIon1_pだけ流れる。また、NMOSトランジスタMN1はオフ状態で、特性図ではb1のポイントとなり、MN1のドレイン電流はIoff1_nだけ流れる。インバータの入力がハイレベルの場合にはIon1_n/Ioff1_pのオン・オフ比があり、インバータの入力がロウレベルの場合にはIon1_p/Ioff1_nのオン・オフ比があることがわかる。いずれにしても1以上の十分なオン・オフ比が得られていることがわかる。またリーク電流に関しては、インバータの入力がロウレベルの場合には、Ioff1_nの電流が、インバータの入力がハイレベルの場合には、Ioff1_pの電流が流れることがわかる。一方、図6は回路ブロックCKTが待機時に仮想電源線VVDDの電位がV1まで放電されたときの、インバータINVの特性図である。図6に示されるように、電位V1は通常時のMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値よりも小さくされる。しかしこの場合であっても、インバータの入力がハイレベルの場合にはIon2_n/Ioff2_pのオン・オフ比があり、インバータの入力がロウレベルの場合にはIon2_p/Ioff2_nのオン・オフ比があることがわかる。いずれにしても1以上の十分なオン・オフ比が得られていることがわかる。したがって、論理回路として正常に論理状態を維持できるため、CMOS論理に基づき情報を記憶する情報記憶回路においてもその内部に蓄積された情報を正しく保持できるのである。論理状態を維持するための特別な保持回路も必要ない。また、リーク電流に関しては、インバータの入力がロウレベルの場合には、Ioff2_nの電流が、インバータの入力がハイレベルの場合には、Ioff2_pの電流が流れることがわかる。前述の効果(基板バイアス効果、DIBL効果、ゲートリーク削減効果、GIDL電流削減効果)などによって、Ioff2_n < Ioff1_n、Ioff2_p < Ioff1_pとなっており、図5の場合に比較して図6の場合にはインバータのリーク電流は小さくなっている。なお、ここではMOSトランジスタのオン・オフ比に注目して、CMOS回路が正常に論理状態を維持できるかを検討した。例えばインバータの場合を考えると、一般に上記オン・オフ比が1以上の場合でも、そのオン・オフ比特性が悪く、インバータの増幅率の絶対値が全ての入力電圧レベルで1以下になってしまう場合には、多段に接続のインバータ全体で、正常に論理状態が維持できるとは保証できない。本明細書でいう十分なオン・オフ比が得られている状態とは、多段のCMOS回路全体、あるいはSRAMのメモリセルのようにポジティブフィードバックループを持つ回路で、正常に論理状態が維持できる状態を言う。   As a representative example of the CMOS logic circuit, an inverter INV in the circuit block CKT is taken as an example to explain a leakage current reduction mechanism and a mechanism for maintaining information by the information holding circuit. FIG. 5 is a characteristic diagram during operation of the inverter INV. The horizontal axis represents the input voltage of the inverter and corresponds to the gate signal voltage of the PMOS transistor MP1 and the NMOS transistor MN1. The vertical axis represents the logarithm of the drain current value I (ds) at each gate voltage. When the input of the inverter INV is at a high level (the power supply voltage VDD as a voltage), the PMOS transistor MP1 is in an off state, becomes a point d1 in the characteristic diagram, and the drain current of MP1 flows by Ioff1_p. Further, the NMOS transistor MN1 is in an on state, and becomes a point c1 in the characteristic diagram, and the drain current of MN1 flows by Ion1_n. On the other hand, when the input of the inverter is at a low level (the voltage is ground VSS), the PMOS transistor MP1 is in an on state and becomes a point a1 in the characteristic diagram, and the drain current of MP1 flows by Ion1_p. Further, the NMOS transistor MN1 is in an off state, and becomes a point b1 in the characteristic diagram, and the drain current of MN1 flows by Ioff1_n. It can be seen that there is an on / off ratio of Ion1_n / Ioff1_p when the input of the inverter is at a high level, and an on / off ratio of Ion1_p / Ioff1_n when the input of the inverter is at a low level. In any case, it can be seen that a sufficient on / off ratio of 1 or more is obtained. Regarding the leakage current, it can be seen that the current Ioff1_n flows when the input of the inverter is at a low level, and the current Ioff1_p flows when the input of the inverter is at a high level. On the other hand, FIG. 6 is a characteristic diagram of the inverter INV when the potential of the virtual power supply line VVDD is discharged to V1 when the circuit block CKT is on standby. As shown in FIG. 6, the potential V1 is made smaller than the absolute value of the threshold voltage of the MOS transistor at the normal time. However, even in this case, there is an on / off ratio of Ion2_n / Ioff2_p when the input of the inverter is high, and there is an on / off ratio of Ion2_p / Ioff2_n when the input of the inverter is low. Recognize. In any case, it can be seen that a sufficient on / off ratio of 1 or more is obtained. Therefore, since the logic state can be normally maintained as the logic circuit, the information stored in the information storage circuit that stores information based on the CMOS logic can be correctly held. There is also no need for a special holding circuit to maintain the logic state. Further, regarding the leakage current, it can be seen that the current Ioff2_n flows when the input of the inverter is at a low level, and the current Ioff2_p flows when the input of the inverter is at a high level. Ioff2_n <Ioff1_n and Ioff2_p <Ioff1_p due to the effects described above (substrate bias effect, DIBL effect, gate leak reduction effect, GIDL current reduction effect), etc. In the case of FIG. 6 as compared to FIG. The leak current of the inverter is small. Here, focusing on the on / off ratio of the MOS transistor, we examined whether the CMOS circuit can maintain the logic state normally. For example, in the case of an inverter, even when the on / off ratio is 1 or more, the on / off ratio characteristic is generally poor, and the absolute value of the amplification factor of the inverter becomes 1 or less at all input voltage levels. In this case, it cannot be guaranteed that the logic state can be normally maintained in the entire inverter connected in multiple stages. In this specification, a state where a sufficient on / off ratio is obtained is a state in which the logic state can be normally maintained in a multistage CMOS circuit or a circuit having a positive feedback loop such as an SRAM memory cell. Say.

つぎに、回路ブロックCKT内の情報保持回路、例えばSRAMセル、フリップフロップ回路FFがその中に蓄積している情報を保持できる最小の電圧VRTNについて検討する。   Next, the minimum voltage VRTN that can hold the information stored in the information holding circuit in the circuit block CKT, for example, the SRAM cell and the flip-flop circuit FF, will be considered.

図7は回路ブロックCKTが待機時に仮想電源線VVDDの電位が図6の電圧V1よりもさらに低い電圧V2まで放電されたときの、インバータINVの特性図である。インバータの入力がハイレベルの場合にはIon3_n/Ioff3_pのオン・オフ比があり、1以上の十分なオン・オフ比が得られているが、インバータの入力がロウレベルの場合にはIon3_p /Ioff3_n < 1となっており、十分なオン・オフ比が得られていないことがわかる。このとき、インバータの入力がロウレベルの場合にはインバータの論理が反転するおそれが生じる。   FIG. 7 is a characteristic diagram of the inverter INV when the potential of the virtual power supply line VVDD is discharged to a voltage V2 lower than the voltage V1 of FIG. 6 when the circuit block CKT is on standby. When the input of the inverter is high level, there is an on / off ratio of Ion3_n / Ioff3_p, and a sufficient on / off ratio of 1 or more is obtained, but when the input of the inverter is low level, Ion3_p / Ioff3_n < 1 indicates that a sufficient on / off ratio is not obtained. At this time, when the input of the inverter is at a low level, the logic of the inverter may be inverted.

図6と図7の検討によって、インバータINVが正常に論理状態を維持するための仮想電源線VVDDの待機時電圧はV1からV2の間にある値として定めることができる。また同様にして、例えば6つのトランジスタを用いたいわゆる完全CMOS型スタティックRAM(SRAM)の場合でも、正常動作する最小の仮想電源電圧を決定することができる。ここでいう正常動作とは、あくまで情報保持回路内の情報を保持できるという意味である。AC的に動作する必要はないために、SRAMのスタティック・ノイズ・マージン(SNM)などに注意する必要は少ない。下限電圧VRTNを小さくする場合にはソフトエラー耐性の劣化が懸念されるが、これについては情報保持回路の記憶ノードに容量を付加するなどの処置や、ECCなどのエラー修正回路を付加するなどの処置が有効である。   6 and 7, the standby voltage of the virtual power supply line VVDD for normally maintaining the logic state of the inverter INV can be determined as a value between V1 and V2. Similarly, even in the case of a so-called complete CMOS static RAM (SRAM) using, for example, six transistors, the minimum virtual power supply voltage for normal operation can be determined. Here, the normal operation means that information in the information holding circuit can be held. Since there is no need to operate in an AC manner, there is little need to pay attention to the static noise margin (SNM) of SRAM. When the lower limit voltage VRTN is reduced, there is a concern about deterioration of the soft error tolerance. However, measures such as adding a capacity to the storage node of the information holding circuit and adding an error correction circuit such as ECC. The treatment is effective.

本発明では、このように回路ブロックCKT内の回路が待機時にそのDC状態(論理状態)を保持できる電圧をVRTNとして定める。この値は、文献3の数値例のようにMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値よりも大きい値である必要はなく、本発明ではMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値よりも小さな電圧であっても待機時に情報保持回路内の情報を保持できることを示した。さらに、文献3ではVFNLに相当する電圧はダイオードのクランプ電圧で決定しているが、図1の構成ではIoff(CKT)とI(PSW2)のつりあいで自動的に決定される。この点については後述する。   In the present invention, a voltage that allows the circuit in the circuit block CKT to maintain its DC state (logic state) during standby is determined as VRTN. This value does not need to be larger than the absolute value of the threshold voltage of the MOS transistor as in the numerical example of Reference 3, and in the present invention, the voltage is smaller than the absolute value of the threshold voltage of the MOS transistor. It was shown that the information in the information holding circuit can be held during standby. Further, in Document 3, the voltage corresponding to VFNL is determined by the clamp voltage of the diode, but in the configuration of FIG. 1, it is automatically determined by the balance of Ioff (CKT) and I (PSW2). This point will be described later.

なお、図1の実施例ではMOSトランジスタの基板端子に印加する基板電位は、基本的には、PMOSトランジスタは電源VDDが、NMOSトランジスタは接地VSSになっている。本明細書では、基板電位は図1の接続を前提に説明するが、特にこの電位に限定するものではない。図1の接続方法の場合、大きな容量を持つ基板を駆動する必要がない利点がある。しかし、後述するように必要に応じて駆動することもできる。ただし、図1と異なる基板電位の接続の場合には、リーク電流低減効果などが変わることは言うまでない。MOSトランジスタの基板電位を下げることでさらにリーク電流低減効果を高めた変形例について、説明する。   In the embodiment of FIG. 1, the substrate potential applied to the substrate terminal of the MOS transistor is basically the power supply VDD for the PMOS transistor and the ground VSS for the NMOS transistor. In this specification, the substrate potential is described based on the connection shown in FIG. 1, but the substrate potential is not particularly limited to this potential. The connection method of FIG. 1 has an advantage that it is not necessary to drive a substrate having a large capacity. However, it can be driven as required as will be described later. However, it goes without saying that in the case of connection with a substrate potential different from that in FIG. A modified example in which the leakage current reduction effect is further enhanced by lowering the substrate potential of the MOS transistor will be described.

本発明では、待機時の仮想電源線電位の最小値VFNLは、電圧VRTNよりも大きな値である。また、VFNLは小さくなるほど待機時の回路ブロックCKTのリーク低減効果が大きい。したがって、電圧VRTNを小さな値にできればそれだけVFNLを小さくすることができ、回路ブロックCKTのリーク電流を低減できる。図8にVRTNを図1の実施例よりも小さい値にするための変形例である。   In the present invention, the minimum value VFNL of the virtual power line potential during standby is larger than the voltage VRTN. In addition, the smaller the VFNL, the greater the leakage reduction effect of the circuit block CKT during standby. Therefore, if the voltage VRTN can be reduced to a small value, VFNL can be reduced accordingly, and the leakage current of the circuit block CKT can be reduced. FIG. 8 shows a modification for setting VRTN to a value smaller than that of the embodiment of FIG.

図7の検討から、待機時にIon3_p/Ioff3_n < 1となって論理状態の維持が不可能になってしまうのは、待機時の仮想電源線VVDDの放電において、PMOSトランジスタMP1のオン電流(Ion3_p)の低下量に比較して、NMOSトランジスタMN1のオフ電流(Ioff3_n)の低下量が小さいのが原因であることがわかる。そこで、図8の実施例では待機時にNMOSトランジスタMN1の基板電位を制御してNMOSトランジスタのしきい値電圧を高くする。これにより、低い仮想電源線VVDD電位でもIon3_p/Ioff3_n > 1を満たすようにすることが可能になる。VBCが基板バイアス制御回路、VBNがNMOSトランジスタの基板バイアス信号である。この基板電位制御のタイミングチャートを図9に示す。待機時(時刻T1からT3の間)に、基板バイアス信号VBNとして-1.5Vを印加することでNMOSトランジスタMN1のオフ電流(Ioff3_n)を制御する。図10に図8の構成例におけるインバータの特性図を示す。NMOSトランジスタのしきい値電圧が高くなることで、の待機時のNMOSトランジスタのカーブが図7の場合よりも下方に移行する。これにより、待機時に仮想電源線VVDDの電位が図7と同じ電圧V2まで放電した場合でも、インバータの入力がロウレベルの場合の オン・オフ比(Ion4_p /Ioff4_n)は1以上の十分大きな値になっている。   From the study of FIG. 7, the reason why Ion3_p / Ioff3_n <1 during standby and the logic state cannot be maintained is that the on-current (Ion3_p) of the PMOS transistor MP1 is discharged during the discharge of the virtual power line VVDD during standby. It can be seen that the cause is that the amount of decrease in the off-state current (Ioff3_n) of the NMOS transistor MN1 is smaller than the amount of decrease. Therefore, in the embodiment of FIG. 8, the substrate potential of the NMOS transistor MN1 is controlled during standby to increase the threshold voltage of the NMOS transistor. This makes it possible to satisfy Ion3_p / Ioff3_n> 1 even with a low virtual power supply line VVDD potential. VBC is a substrate bias control circuit, and VBN is a substrate bias signal of the NMOS transistor. A timing chart of this substrate potential control is shown in FIG. During standby (between times T1 and T3), the off-current (Ioff3_n) of the NMOS transistor MN1 is controlled by applying −1.5 V as the substrate bias signal VBN. FIG. 10 is a characteristic diagram of the inverter in the configuration example of FIG. As the threshold voltage of the NMOS transistor becomes higher, the curve of the NMOS transistor during standby shifts downward than in the case of FIG. As a result, even when the potential of the virtual power supply line VVDD is discharged to the same voltage V2 as in FIG. 7 during standby, the on / off ratio (Ion4_p / Ioff4_n) when the input of the inverter is low level is a sufficiently large value of 1 or more. ing.

このように待機時に回路ブロックCKT内のMOSトランジスタの特性をうまく制御すれば、制御しない場合と比較してVRTNをより小さな値にできる。図8の基板バイアス制御はトランジスタの特性を制御する有効は手法の一例である。図11は回路ブロックCKT内のPMOSトランジスタとNMOSトランジスタの基板バイアスを制御する実施例である。待機時には回路ブロックには低い電圧がその電源として印加されるために、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタのしきい値電圧のバランスを調整することが回路を正常動作させるために望ましい。図11では、図8の実施例に加えて、PMOSトランジスタの基板バイアス信号VBPも制御している。PMOSトランジスタのしきい値電圧を上げることはVRTNが上昇するように作用するが、全体としてリーク電流を低下させる場合、またはPMOSトランジスタとNMOSトランジスタのしきい値電圧のバランスをとるためにPMOSトランジスタとNMOSトランジスタのしきい値電圧を独立に制御できる構成は有効である。   Thus, if the characteristics of the MOS transistors in the circuit block CKT are controlled well during standby, VRTN can be made smaller than when not controlled. The substrate bias control in FIG. 8 is an example of a method for effectively controlling the characteristics of the transistor. FIG. 11 shows an embodiment for controlling the substrate bias of the PMOS transistor and the NMOS transistor in the circuit block CKT. Since a low voltage is applied to the circuit block as a power source during standby, it is desirable to adjust the balance between the threshold voltages of the PMOS transistor and the NMOS transistor in order to operate the circuit normally. In FIG. 11, in addition to the embodiment of FIG. 8, the substrate bias signal VBP of the PMOS transistor is also controlled. Increasing the threshold voltage of the PMOS transistor acts to increase VRTN, but when reducing the leakage current as a whole, or in order to balance the threshold voltage of the PMOS transistor and the NMOS transistor, the PMOS transistor A configuration capable of independently controlling the threshold voltage of the NMOS transistor is effective.

動作時の基板バイアス信号VBP、VBNの電位は特に限定しないが、回路ブロックCKTを高速動作させるためには、VBPには低い電圧(例えばVDDまたはそれ以下の電圧)を、VBNには高い電圧(例えばVSSまたはそれ以上の電圧)を印加すればよい。さらには、回路ブロックCKTに要求される動作速度に応じて、最適な電位を基板バイアス信号VBP、VBNに印加してもよい。図8や図11では回路ブロックCKTの中のインバータINVの構成例を示しているが、これはCMOS論理回路の典型例として示したに過ぎず、図1の回路ブロックに示したような情報保持回路を含む種々の回路に対して適用できることは言うまでない。特に基板バイアス制御において、MOSトランジスタの基板に印加する基板バイアス電圧の値を、プロセスや温度、電源電圧に応じて決定すれば、プロセスばらつきや温度・電源電圧変動を補償でき、VRTNをより小さな値にできる。   The substrate bias signals VBP and VBN at the time of operation are not particularly limited, but in order to operate the circuit block CKT at high speed, a low voltage (for example, VDD or lower voltage) is used for VBP, and a high voltage ( For example, a voltage of VSS or higher may be applied. Furthermore, an optimum potential may be applied to the substrate bias signals VBP and VBN according to the operation speed required for the circuit block CKT. 8 and 11 show the configuration example of the inverter INV in the circuit block CKT, but this is only shown as a typical example of the CMOS logic circuit, and holds information as shown in the circuit block of FIG. Needless to say, the present invention can be applied to various circuits including a circuit. Especially in substrate bias control, if the value of the substrate bias voltage applied to the substrate of the MOS transistor is determined according to the process, temperature, and power supply voltage, process variations and temperature / power supply voltage fluctuations can be compensated, and VRTN is a smaller value. Can be.

次に、電流源PSW2の具体的な構成を説明する。   Next, a specific configuration of the current source PSW2 will be described.

VFNLは、回路ブロックCKTの仮想電源線VVDDから接地VSSに流れるリーク電流Ioff(CKT)が、電源VDDから仮想電源線VVDDへ流れる電源スイッチPSW1のオフ電流Ioff(PSW1)と、電源VDDから電流源PSW2を介して仮想電源線VVDDへ流れる電流I(PSW2)を加えた値に等しくなるという条件で決定される。前述のようにIoff(PSW1) ≪ I(PSW2)という条件が成立すれば、VFNLの設定が容易となる。この条件が成立する場合の待機時の仮想電源線VVDDの電位は、定常状態においてIoff(CKT) = I(PSW2)を満たす値となる。Ioff(PSW1) ≪ I(PSW2)という条件は、電源スイッチPSW1や電流源PSW2のデバイスパラメータの選択により満足させることが可能である。さらに、図12の構成例は、図13に示したように待機時に電源スイッチPSW1のゲート信号をVDD+αまでオーバドライブする。これにより、電源スイッチPSW1のソース・ゲート間に逆バイアスが印加され、Ioff(PSW1)が小さくなる。Ioff(PSW1) ≪ I(PSW2)という条件を実現するための一方法である。以下、図12〜16に所定のVFNLを満たすような電流源PSW2の構成例について説明する。   VFNL is the off-state current Ioff (PSW1) of the power switch PSW1 flowing from the virtual power supply line VVDD of the circuit block CKT to the ground VSS, the off current Ioff (PSW1) of the power switch PSW1 flowing from the power supply VDD, and the current source from the power supply VDD This is determined under the condition that the current I (PSW2) flowing to the virtual power supply line VVDD via PSW2 is equal to the added value. If the condition of Ioff (PSW1) << I (PSW2) is satisfied as described above, the setting of VFNL becomes easy. The potential of the virtual power supply line VVDD during standby when this condition is satisfied is a value that satisfies Ioff (CKT) = I (PSW2) in a steady state. The condition Ioff (PSW1) << I (PSW2) can be satisfied by selecting device parameters of the power switch PSW1 and the current source PSW2. Further, the configuration example of FIG. 12 overdrives the gate signal of the power switch PSW1 to VDD + α during standby as shown in FIG. As a result, a reverse bias is applied between the source and gate of the power switch PSW1, and Ioff (PSW1) is reduced. This is a method for realizing the condition of Ioff (PSW1) << I (PSW2). Hereinafter, a configuration example of the current source PSW2 that satisfies the predetermined VFNL will be described with reference to FIGS.

図1や図12の構成例では、I(PSW2)はPMOSトランジスタPSW2のゲート信号を電源VDDに接続しているため、I(PSW2)はPMOSトランジスタPSW2のオフ電流で決定される。また、Ioff(CKT)も主にMOSトランジスタのオフ電流で決定される。MOSトランジスタのドレイン・ソース間電流は、拡散電流とドリフト電流が主な成分であり、オン電流はドリフト電流が主で、オフ電流は拡散電流が主な成分である。ドリフト電流と拡散電流はその温度特性が逆であるという特徴がある。I(PSW2)とIoff(CKT)は、どちらともMOSトランジスタのオフ電流が主であり、サブスレッショルドリーク電流が主であるために、温度や電源電圧VDD変動、プロセスばらつきなどに関しての特性変動が同じになりやすい。すなわち、温度変化等の原因によってI(PSW2)が大きくなればIoff(CKT)も大きくなり、I(PSW2)が小さくなればIoff(CKT)も小さくなることで、擬似電源線VVDDの電位の変動は小さく抑えられる。これにより、一つのMOSトランジスタのゲート幅Wだけで待機時リーク電流を決められ、VFNLの設計が容易になるという利点がある。   In the configuration examples of FIGS. 1 and 12, I (PSW2) connects the gate signal of the PMOS transistor PSW2 to the power supply VDD, so I (PSW2) is determined by the off-current of the PMOS transistor PSW2. Also, Ioff (CKT) is mainly determined by the off-state current of the MOS transistor. The drain-source current of the MOS transistor is mainly composed of diffusion current and drift current, the on-current is mainly drift current, and the off-current is mainly composed of diffusion current. The drift current and the diffusion current are characterized by their temperature characteristics being reversed. Since both I (PSW2) and Ioff (CKT) are mainly off-state current of MOS transistors and mainly sub-threshold leakage currents, the characteristic variation regarding temperature, power supply voltage VDD variation, process variation, etc. is the same. It is easy to become. That is, if I (PSW2) increases due to temperature changes, etc., Ioff (CKT) also increases, and if I (PSW2) decreases, Ioff (CKT) also decreases, resulting in fluctuations in the potential of the pseudo power supply line VVDD. Can be kept small. This has the advantage that the standby leakage current can be determined only by the gate width W of one MOS transistor, and the design of VFNL becomes easy.

図14は図1の電流源PSW2を構成しているPMOSトランジスタのゲート信号をVSSに接続した場合の構成例である。I (PSW2)はPMOSトランジスタPSW2のオン電流で決定される。上記のようにIoff(CKT)は主にトランジスタのオフ電流で決定されるために、図14の構成の場合、I(PSW2)とIoff(CKT)の温度や電源電圧VDD変動などに関しての特性変動が異なる可能性がある。したがって、I(PSW2)とIoff(CKT)のつりあいで決定されるVFNLの設計は、上記特性変動を十分注意して行う必要が生じる。しかし、I(PSW2)の値をPMOSトランジスタPSW2のオン電流で決定できるということは、回路ブロックCKTの待機時の消費電流を、PMOSトランジスタPSW2のオン電流で決定できるために、図1のようにPMOSトランジスタPSW2のオフ電流でそれを決定する場合と比較して、温度依存性が小さく、その動作特性が安定しているという利点がある。また、電流源PSW2には回路ブロックCKT中の情報保持回路の情報を維持するだけの電流を流す必要があり、この電流をトランジスタのオン電流で供給するためにより小面積で電流源PSW2を実現できるという利点がある。   FIG. 14 shows a configuration example when the gate signal of the PMOS transistor constituting the current source PSW2 of FIG. 1 is connected to VSS. I (PSW2) is determined by the on-current of the PMOS transistor PSW2. As described above, Ioff (CKT) is mainly determined by the off-state current of the transistor. Therefore, in the case of the configuration of FIG. 14, the characteristic variation with respect to the temperature of I (PSW2) and Ioff (CKT), power supply voltage VDD variation, etc. May be different. Therefore, the design of the VFNL determined by the balance between I (PSW2) and Ioff (CKT) needs to be performed with careful attention to the above characteristic variation. However, the value of I (PSW2) can be determined by the on-current of the PMOS transistor PSW2, which means that the current consumption during standby of the circuit block CKT can be determined by the on-current of the PMOS transistor PSW2, as shown in FIG. Compared with the case where it is determined by the off-state current of the PMOS transistor PSW2, there is an advantage that the temperature dependency is small and the operation characteristics are stable. In addition, it is necessary to supply the current source PSW2 with a current sufficient to maintain information stored in the information holding circuit in the circuit block CKT. By supplying this current with the on-state current of the transistor, the current source PSW2 can be realized with a small area. There is an advantage.

また、図15はI(PSW2)を抵抗R1で決定されるようにした実施例である。抵抗の実施方法は特に限定しない。拡散抵抗でもよいし、ウェル抵抗、ゲート配線抵抗でもよい。抵抗で実現した場合には、温度依存性の小さい電流源PSW2を実現できるという利点がある。   FIG. 15 shows an embodiment in which I (PSW2) is determined by the resistor R1. The method for implementing the resistance is not particularly limited. It may be a diffused resistor, a well resistor, or a gate wiring resistor. When realized by a resistor, there is an advantage that a current source PSW2 having a small temperature dependency can be realized.

図16はI(PSW2)を定電流回路で実現した実施例である。定電流回路IS1は、PMOSトランジスタMP10、MN11と、定電流源IS10から構成されている。定電流回路で構成することにより、待機時の回路ブロックのリーク電流値を、仮想電源線VVDDの電位や回路ブロックCKTの規模に依存せずに、定電流回路で定められた電流で決定できるという利点がある。   FIG. 16 shows an embodiment in which I (PSW2) is realized by a constant current circuit. The constant current circuit IS1 includes PMOS transistors MP10 and MN11 and a constant current source IS10. By configuring with a constant current circuit, the leakage current value of the circuit block during standby can be determined by the current determined by the constant current circuit without depending on the potential of the virtual power supply line VVDD or the scale of the circuit block CKT. There are advantages.

以上、電流源PSW2の様々な構成例を示した。本発明においては、動作状態では主に電源スイッチPSW1で回路ブロックCKTに電源を供給し、待機状態では主に電流源PSW2によって回路ブロックCKTに電源を供給する。待機時のVFNLがIoff(CKT)と電流源PSW2の電流とのつりあいで決定され、VFNL > VRTNを満たすことが重要であり、電流源の構造は上述のものには限られない。したがって、電流源PSW2を省き、待機時の電源スイッチPSW1のオフ電流Ioff(PSW1)とIoff(CKT)のつりあいでVFNLを決定し、VFNL > VRTNとなるように電源スイッチPSW1の大きさやしきい値電圧、あるいはゲート絶縁膜厚(本明細書では、ゲート絶縁膜厚はゲート絶縁膜材料の誘電率等を考慮した実効的なゲート絶縁膜厚をいう)、ゲート信号振幅などを決定する構成も可能である。   Heretofore, various configuration examples of the current source PSW2 have been shown. In the present invention, power is supplied to the circuit block CKT mainly by the power switch PSW1 in the operating state, and power is supplied to the circuit block CKT mainly by the current source PSW2 in the standby state. It is important that the standby VFNL is determined by the balance between Ioff (CKT) and the current of the current source PSW2, and it is important that VFNL> VRTN is satisfied, and the structure of the current source is not limited to that described above. Therefore, the current source PSW2 is omitted, the VFNL is determined by the balance between the off currents Ioff (PSW1) and Ioff (CKT) of the power switch PSW1 during standby, and the size and threshold of the power switch PSW1 so that VFNL> VRTN It is also possible to determine the voltage or gate insulating film thickness (in this specification, the gate insulating film thickness is an effective gate insulating film thickness considering the dielectric constant of the gate insulating film material), the gate signal amplitude, etc. It is.

例えば動作時に電源スイッチPSW1に流す必要のある電流が数A、待機時の回路ブロックCKTのリーク電流を数百μAとすると、電源スイッチPSW1のオン・オフ比は4桁あればよいことになる。このように電源スイッチPSW1に要求されるオン・オフ比が小さい場合には、図1の構成から電流源PSW2を省き、電源スイッチPSW1の制御により本発明のリーク削減方法を実現できる。このような電流源PSW2を除いた構成が回路のオーバーヘッドを小さくする利点がある一方、電流源PSW2を設置することの利点は設計の自由度が大きいことである。例えば、電源スイッチのオン・オフ比が大きな場合には、そのオン・オフ比を実現できる電源スイッチPSW1の設計を検討すればよく、待機時のIoff(PSW1)とIoff(CKT)とのつりあいといったことを考慮する必要がない。動作時に回路ブロックCKTへ供給する電流は電源スイッチPSW1から、待機時に回路ブロックCKTへ供給する電流は電流源PSW2からというように別々の回路で行うことは、これらリーク電流制御回路の設計を容易化する。   For example, assuming that the current required to flow through the power switch PSW1 during operation is several A and the leakage current of the circuit block CKT during standby is several hundred μA, the on / off ratio of the power switch PSW1 may be four digits. Thus, when the on / off ratio required for the power switch PSW1 is small, the current source PSW2 is omitted from the configuration of FIG. 1, and the leakage reduction method of the present invention can be realized by controlling the power switch PSW1. Such a configuration excluding the current source PSW2 has the advantage of reducing the overhead of the circuit, while the advantage of installing the current source PSW2 is that the degree of design freedom is large. For example, if the on / off ratio of the power switch is large, the design of the power switch PSW1 that can realize the on / off ratio may be considered, and the balance between Ioff (PSW1) and Ioff (CKT) during standby There is no need to consider that. The current supplied to the circuit block CKT during operation is supplied from the power switch PSW1, and the current supplied to the circuit block CKT during standby is supplied from the current source PSW2, which makes it easy to design these leakage current control circuits. To do.

図17は、待機時のVFNLの設定するための別の構成例である。図17では待機時に電圧源VFNLGENから所定の降圧電圧VFNLを発生し、仮想電源線VVDDを駆動する。動作状態では電源スイッチPSW1で回路ブロックに電源を供給し、待機状態では電圧源VFNLGENによって回路ブロックに電源を供給する。待機時に電圧源VFNLGENから発生するVFNLの値は、VRTN以上の値であればよいが、低い電圧であるほど、待機時の回路ブロックCKTのリーク電流をより小さい値にできることはいうまでない。電圧源VFNLGENの構造は特に限定しない。電圧源VFNLGENを回路ブロックCKTが集積されているチップと同一チップ上に集積する場合には、例えば電源電圧VDDを公知の降圧回路により所望のVFNLを発生する構成で実現可能である。また、そのチップの外部に設置してもよい。図17のように直接VFNLを電圧源VFNLGENで生成する場合には、仮想電源線VVDDの電位をVRTNに近い電圧に設計できるという利点がある。また、電圧源VFNLGENの出力電圧VFNLを電源VDDの電圧、温度、プロセス条件等に応じて自動的に制御することもできる。   FIG. 17 is another configuration example for setting the VFNL during standby. In FIG. 17, a predetermined step-down voltage VFNL is generated from the voltage source VFNLGEN during standby, and the virtual power line VVDD is driven. In the operating state, power is supplied to the circuit block by the power switch PSW1, and in the standby state, power is supplied to the circuit block by the voltage source VFNLGEN. The value of VFNL generated from the voltage source VFNLGEN during standby may be a value greater than or equal to VRTN, but it goes without saying that the lower the voltage, the smaller the leakage current of the circuit block CKT during standby. The structure of the voltage source VFNLGEN is not particularly limited. When the voltage source VFNLGEN is integrated on the same chip as the chip on which the circuit block CKT is integrated, for example, the power supply voltage VDD can be realized by a configuration that generates a desired VFNL by a known step-down circuit. Moreover, you may install outside the chip | tip. When the VFNL is directly generated by the voltage source VFNLGEN as shown in FIG. 17, there is an advantage that the potential of the virtual power supply line VVDD can be designed to a voltage close to VRTN. Further, the output voltage VFNL of the voltage source VFNLGEN can be automatically controlled according to the voltage, temperature, process conditions, etc. of the power supply VDD.

本発明は、回路ブロック内の情報保持回路内の情報を保持したまま、回路ブロックのリーク電流による電力消費を大きく削減する待機状態を有することが特徴である。この待機状態をリテンション待機状態と呼ぶものとする。このリテンション待機状態に加えて、電流源PSW2に流れる電流を小さくしたり、電圧源VFNLGENの電圧を小さく(図17の構成)することで、VFNLをより小さい値(VRTN以下の値)にする状態を設けてもよい。この構成により、回路ブロック内の情報保持回路の情報は消失してしまうが、リテンション待機時状態よりも低電力な待機時状態(リテンション待機状態と対比して、ディープ待機状態と呼ぶ。本明細書では両者を区別する場合にこれらの用語を用いる。)が実現できる。   The present invention is characterized in that it has a standby state in which the power consumption due to the leakage current of the circuit block is greatly reduced while the information in the information holding circuit in the circuit block is held. This standby state is called a retention standby state. In addition to this retention standby state, a state in which VFNL is made smaller (value below VRTN) by reducing the current flowing through current source PSW2 or reducing the voltage of voltage source VFNLGEN (configuration in FIG. 17). May be provided. With this configuration, information stored in the information holding circuit in the circuit block is lost, but the standby state is lower in power than the retention standby state (referred to as a deep standby state in contrast to the retention standby state). Then, these terms are used to distinguish the two).

一例として、図14の構成例においてディープ待機状態を実現する構成例を図18に示す。図18では電流源PSW2のゲート信号PSWGATE1aを電源スイッチコントローラPSCによって制御している。図19は図18の動作の一例を示したタイミングチャートである。時刻T1から時刻T2までがリテンション待機状態で、電源スイッチコントローラPSCによって図14の実施例の場合と同じように電流源PSW2のゲート信号にはロウレベルが印加されている。時刻T2から時刻T3がディープ待機時状態であり、電源スイッチコントローラPSCによって、電流源PSW2のゲート信号にはハイレベルが印加されている。リテンション待機状態では、I (PSW2)はPMOSトランジスタPSW2のオン電流で決定され、そのオン電流とIoff(CKT)のとりあいでVFNLが決定され、VFNL > VRTNを満たしている。しかし、時刻T2から時刻T3ではPMOSトランジスタPSW2がオフするため、VFNLはほぼ0Vに近い値(当然、VRTN以下の値)となる。ディープ待機状態は情報保持回路の情報の保持ができない代わりに、リテンション待機状態よりもより低リーク電流であるという利点がある。情報保持回路の情報の保持が不要な場合には、ディープ待機状態に移行して、消費電力を更に削減することができる。   As an example, FIG. 18 shows a configuration example for realizing the deep standby state in the configuration example of FIG. In FIG. 18, the gate signal PSWGATE1a of the current source PSW2 is controlled by the power switch controller PSC. FIG. 19 is a timing chart showing an example of the operation of FIG. From time T1 to time T2, in the retention standby state, the power switch controller PSC applies a low level to the gate signal of the current source PSW2 as in the case of the embodiment of FIG. From time T2 to time T3 is a deep standby state, and a high level is applied to the gate signal of the current source PSW2 by the power switch controller PSC. In the retention standby state, I (PSW2) is determined by the ON current of the PMOS transistor PSW2, and VFNL is determined by the relationship between the ON current and Ioff (CKT), and VFNL> VRTN is satisfied. However, since the PMOS transistor PSW2 is turned off from the time T2 to the time T3, the VFNL is a value close to 0V (naturally a value equal to or less than the VRTN). The deep standby state has an advantage that the leakage current is lower than that of the retention standby state, although the information holding circuit cannot hold the information. When it is not necessary to hold information in the information holding circuit, it is possible to shift to a deep standby state and further reduce power consumption.

以上の構成例では、電源スイッチPSW1にはPMOSトランジスタを用い、待機時には電源VDDと仮想電源線VVDD間に流れる電流を制御していた。しかし、図20に示したように、電源スイッチとしてNMOSトランジスタPSW1nを用い、待機時に仮想接地線VVSSと接地VSSの間に流れる電流を制御してもよい。図1の電流源PSW2に相当する構成が、図20ではNMOSトランジスタPSW2nで実現されている。動作時の電源スイッチのオン抵抗は小さい方が、仮想電源線VVDDあるいは仮想接地線VVSSのインピーダンスを小さくできるために、本発明を適用したことによる回路ブロックCKTの速度低下を防ぐことができる。一般にNMOSトランジスタはPMOSトランジスタと比較して、ゲート幅あたりのオン抵抗が小さい。したがって、図20の構成例の方が、図1の構成例よりも同程度の面積オーバーヘッドで動作時の回路ブロックの速度低下を小さく抑えることができ、または小さな面積オーバーヘッドで同等の動作速度の回路ブロックを実現できる。また、図21は図1と図20を合わせた構成である。図21の構成例では電流源PSW2、電流源PSW2nの双方を設けているが、いずれか一方のみとする構成も可能である。これらの構成に対して、本明細書で説明する種々の変形例が適用できることはいうまでもない。但し、極性が異なる場合もある。例えば、図20の構成例において図8で説明した基板バイアス制御を適用するためには図8のようなNMOSトランジスタではなく、PMOSトランジスタのしきい値電圧を上げるように構成する必要がある。また、以降の説明においても、電源スイッチ、電流源としてPMOSトランジスタを用いる構成を例にとって説明するが、これらを図20または図21の構成により実現することが可能であることはいうまでもない。   In the above configuration example, a PMOS transistor is used for the power switch PSW1, and the current flowing between the power supply VDD and the virtual power supply line VVDD is controlled during standby. However, as shown in FIG. 20, the NMOS transistor PSW1n may be used as a power switch to control the current flowing between the virtual ground line VVSS and the ground VSS during standby. A configuration corresponding to the current source PSW2 of FIG. 1 is realized by the NMOS transistor PSW2n in FIG. Since the impedance of the virtual power supply line VVDD or the virtual ground line VVSS can be reduced when the on-resistance of the power switch during operation is smaller, the speed reduction of the circuit block CKT due to the application of the present invention can be prevented. In general, NMOS transistors have a smaller on-resistance per gate width than PMOS transistors. Therefore, the configuration example of FIG. 20 can suppress the speed reduction of the circuit block during operation with the same area overhead as the configuration example of FIG. 1, or a circuit having the same operation speed with a small area overhead. A block can be realized. FIG. 21 shows a configuration combining FIG. 1 and FIG. In the configuration example of FIG. 21, both the current source PSW2 and the current source PSW2n are provided, but a configuration in which only one of them is possible is also possible. It goes without saying that various modifications described in this specification can be applied to these configurations. However, the polarity may be different. For example, in order to apply the substrate bias control described in FIG. 8 in the configuration example of FIG. 20, it is necessary to increase the threshold voltage of the PMOS transistor instead of the NMOS transistor as in FIG. In the following description, a configuration using a PMOS transistor as a power switch and a current source will be described as an example, but it goes without saying that these can be realized by the configuration of FIG. 20 or FIG.

電源スイッチを構成しているMOSトランジスタのゲート絶縁膜の厚さや材料は限定していない。動作時に電源スイッチPSW1の面積あたりのオン抵抗を小さくするという意味では、電源スイッチPSW1を構成しているMOSトランジスタもゲート絶縁膜は薄く、しきい値電圧の絶対値は小さくする方がよい。しかし、ゲート絶縁膜厚が薄いとゲート電極に大きな電圧を印加できない場合がある。また、待機時にゲートトンネルリーク電流を削減するためには、回路ブロックCKTを構成しているMOSトランジスタのゲートトンネルリーク電流の合計値よりも小さいゲートトンネルリーク電流のMOSトランジスタを電源スイッチPSW1に用いた方がよい。これらのトレードオフの関係を全て満たすようにする構成の一つが、回路ブロックCKTを構成しているMOSトランジスタと比較して、電源スイッチPSW1を構成しているMOSトランジスタのゲート絶縁膜厚を厚くし、かつ電源スイッチPSW1のゲート端子に印加する電圧振幅を電源VDD電源よりも大きくすることである。かかる構成を採用する場合には、電源スイッチPSW1を構成するMOSトランジスタには、回路ブロックCKTを集積しているチップにおいて、チップ外部とのインターフェースをとるためのI/O回路(入力バッファまたは出力バッファ)に用いられているMOSトランジスタを用いることができる。なぜなら一般に、入力バッファまたは出力バッファに用いられるMOSトランジスタは耐圧を高くするために、回路ブロックを構成しているMOSトランジスタのゲート絶縁膜厚よりも厚いゲート絶縁膜厚を用いているからである。このように電源スイッチとI/O回路に用いるトランジスタを共通化すると、チップ全体で使用するMOSトランジスタの絶縁膜厚の種類を少なくすることができ、ひいては低コスト化できる。この場合には、ゲート信号PSWGATE1の振幅は、I/O電圧と同じとすることができる。これにより、動作時にオン抵抗を小さくすることができ、待機時には十分リーク電流が小さな電源スイッチが実現できる。   The thickness and material of the gate insulating film of the MOS transistor constituting the power switch are not limited. In terms of reducing the on-resistance per area of the power switch PSW1 during operation, it is preferable that the MOS transistor constituting the power switch PSW1 also has a thin gate insulating film and the absolute value of the threshold voltage is small. However, if the gate insulating film thickness is thin, a large voltage may not be applied to the gate electrode. In order to reduce the gate tunnel leakage current during standby, a MOS transistor having a gate tunnel leakage current smaller than the total gate tunnel leakage current of the MOS transistors constituting the circuit block CKT was used for the power switch PSW1. Better. One configuration that satisfies all these trade-offs is to increase the gate insulating film thickness of the MOS transistor that constitutes the power switch PSW1 compared to the MOS transistor that constitutes the circuit block CKT. In addition, the voltage amplitude applied to the gate terminal of the power switch PSW1 is made larger than that of the power supply VDD power supply. When such a configuration is adopted, the MOS transistor constituting the power switch PSW1 includes an I / O circuit (an input buffer or an output buffer) for interfacing with the outside of the chip in a chip in which the circuit block CKT is integrated. The MOS transistor used in (1) can be used. This is because, in general, a MOS transistor used for an input buffer or an output buffer uses a gate insulating film thickness larger than that of the MOS transistor constituting the circuit block in order to increase the breakdown voltage. If the transistors used for the power switch and the I / O circuit are made common in this way, the types of insulating film thickness of the MOS transistors used in the entire chip can be reduced, and the cost can be reduced. In this case, the amplitude of the gate signal PSWGATE1 can be the same as the I / O voltage. As a result, the on-resistance can be reduced during operation, and a power switch with a sufficiently small leakage current can be realized during standby.

また、電源スイッチPSW1のしきい値電圧には回路ブロックを構成しているMOSトランジスタのしきい値電圧よりも高いものを用いてもよい。これにより、Ioff(PSW1) ≪ I(PSW2)という条件を容易に満たすことが可能になり、VFNLがI(PSW2)によって決定できる結果、本発明の設計が容易になる。また、電流源PSW2のゲート長は回路ブロックCKTを構成するMOSトランジスタのゲート長よりも太くても良い。このような構成はプロセスによるしきい値ばらつきを小さくすることができ、待機状態の回路ブロックCKTに流れるリーク電流の大きさをプロセスばらつきに鈍感にできる。   Further, the threshold voltage of the power switch PSW1 may be higher than the threshold voltage of the MOS transistors constituting the circuit block. As a result, the condition of Ioff (PSW1) << I (PSW2) can be easily satisfied, and VFNL can be determined by I (PSW2), thereby facilitating the design of the present invention. Further, the gate length of the current source PSW2 may be larger than the gate length of the MOS transistors constituting the circuit block CKT. Such a configuration can reduce the variation in threshold value due to the process, and makes the magnitude of the leakage current flowing in the circuit block CKT in the standby state insensitive to the process variation.

次に電源スイッチコントローラPSCについての実施例を示す。   Next, an embodiment of the power switch controller PSC will be shown.

図22は電源スイッチコントローラPSCのインターフェースの実施例である。電源スイッチPSW1及び電流源PSW2を制御する電源スイッチコントローラPSCは、電力制御回路PMGにより制御する構成とする。これにより、回路ブロックCKT個別の低リーク化機構の設計とチップ全体の低消費電力化のための電力制御回路PMGの設計とを独立に行うことができる。電力制御回路PMGと電源スイッチコントローラPSCとの間の要求線REQと応答線ACKによるハンドシェイクによって、電源スイッチPSW1のオン・オフを制御し、回路ブロックの状態を制御している。ここでは、要求線REQをハイレベルにすることで電源スイッチPSW1をオンし、回路ブロックCKTを動作状態に制御する。完全に電源スイッチPSW1がオンし、仮想電源線VVDDに電源VDDの電位が充電された後、応答線ACKがハイレベルになることで、電源スイッチコントローラ外部(電力制御回路PMG)に回路ブロックが動作状態に移行したことを通知する。逆に、要求線REQをロウレベルにすることで電源スイッチPSW1をオフし、回路ブロックを待機状態に制御する。完全に電源スイッチPSW1がオフし、応答線ACKがロウレベルになることで、電源スイッチコントローラ外部に回路ブロックが待機状態に移行したことを通知する。   FIG. 22 shows an embodiment of the interface of the power switch controller PSC. The power switch controller PSC that controls the power switch PSW1 and the current source PSW2 is controlled by the power control circuit PMG. As a result, the design of the low leakage mechanism for each circuit block CKT and the design of the power control circuit PMG for reducing the power consumption of the entire chip can be performed independently. On / off of the power switch PSW1 is controlled by the handshake between the power control circuit PMG and the power switch controller PSC by the request line REQ and the response line ACK to control the state of the circuit block. Here, the power switch PSW1 is turned on by setting the request line REQ to a high level, and the circuit block CKT is controlled to be in an operating state. After the power switch PSW1 is completely turned on and the potential of the power supply VDD is charged to the virtual power supply line VVDD, the response line ACK goes high, so that the circuit block operates outside the power switch controller (power control circuit PMG) Notify that the status has been changed. Conversely, the power switch PSW1 is turned off by setting the request line REQ to the low level, and the circuit block is controlled to be in a standby state. When the power switch PSW1 is completely turned off and the response line ACK becomes low level, the fact that the circuit block has shifted to the standby state is notified outside the power switch controller.

回路ブロックを使用する装置は、電源スイッチPSW1が完全にオンしていない状態で回路ブロックを使用した場合、回路ブロックが誤作動してしまうという可能性がある。図22の実施例では、回路ブロックが動作状態に遷移し、完全に回路ブロックを使用できるようになったことが応答線ACKで検出できるため、この誤作動を防止できる。   In the device using the circuit block, when the circuit block is used in a state where the power switch PSW1 is not completely turned on, the circuit block may malfunction. In the embodiment of FIG. 22, it is possible to detect by the response line ACK that the circuit block has transitioned to the operating state, and the circuit block can be completely used, so this malfunction can be prevented.

図23は電源スイッチコントローラPSCのより詳細な実施例である。C1は小さい駆動能力を持つゲート信号PSWGATE1の駆動回路(以下、高インピーダンス駆動回路と記す)、C2はC1よりも大きな駆動能力を持つゲート信号PSWGATE1の駆動回路(以下、低インピーダンス駆動回路と記す)、C3はゲート信号PSWGATE1の電位検出回路、C1DRVはC1制御回路、C2DRVはC2制御回路、TM1はタイマを示している。   FIG. 23 shows a more detailed embodiment of the power switch controller PSC. C1 is a driving circuit for a gate signal PSWGATE1 having a small driving capability (hereinafter referred to as a high impedance driving circuit), and C2 is a driving circuit for a gate signal PSWGATE1 having a driving capability larger than that of C1 (hereinafter referred to as a low impedance driving circuit). , C3 is a potential detection circuit for the gate signal PSWGATE1, C1DRV is a C1 control circuit, C2DRV is a C2 control circuit, and TM1 is a timer.

以下、図23の動作例を図24のタイミングチャートを用いて示す。待機状態から動作状態に遷移する場合、時刻T1で要求線REQがハイレベルになることで、まずC1制御回路C1DRVを介して、C1によってゲート信号PSWGATE1が高インピーダンスで駆動される。時刻T1Aでゲート信号PSWGATE1があるレベル(Vth1)まで駆動させたことを、電位検出回路C3で検出し、タイマTIM1によってTRG1がハイレベルに駆動される。これにより、C2制御回路C2DRVを介して、C2によってゲート信号PSWGATE1が低インピーダンスに駆動される。タイマTM1は時刻T1から時刻T1Aまでの時間TAを計測し、時間TAと所定の関係(例えば1/2)をもって定められるある時間TB後(図24の例では時刻T1B)に応答線ACKをハイレベルに駆動する。タイマの特性(時間TAと時間TBとの関係)は特に限定しないが、時刻T1Bでゲート信号PSWGATE1が完全にロウレベルに駆動され、さらに仮想電源線VVDDが完全に電源VDDの電位まで充電されているようにすればよい。   Hereinafter, the operation example of FIG. 23 will be described with reference to the timing chart of FIG. When transitioning from the standby state to the operating state, the request line REQ goes high at time T1, so that the gate signal PSWGATE1 is first driven with high impedance by C1 via the C1 control circuit C1DRV. The potential detection circuit C3 detects that the gate signal PSWGATE1 has been driven to a certain level (Vth1) at time T1A, and TRG1 is driven to high level by the timer TIM1. Thus, the gate signal PSWGATE1 is driven to a low impedance by C2 via the C2 control circuit C2DRV. The timer TM1 measures the time TA from the time T1 to the time T1A, and sets the response line ACK to high after a certain time TB (time T1B in the example of FIG. 24) determined with a predetermined relationship (for example, 1/2) with the time TA. Drive to level. The characteristics of the timer (relationship between time TA and time TB) are not particularly limited, but at time T1B, the gate signal PSWGATE1 is driven completely low, and the virtual power supply line VVDD is fully charged to the potential of the power supply VDD. What should I do?

動作状態から待機状態に遷移する場合、時刻T2で要求線REQがロウレベルになることで、まずC1制御回路C1DRVを介して、C1によってゲート信号PSWGATE1が高インピーダンスで駆動される。時刻T2Aでゲート信号PSWGATE1があるレベルVth2まで駆動させたことを、電位検出回路C3で検出し、タイマTIM1によってTRG1がロウレベルに駆動される。これにより、C2制御回路C2DRVを介して、C2によってゲート信号PSWGATE1が低インピーダンスに駆動する。タイマは時刻T2から時刻T2Aまでの時間をもとに、ある時間後(時刻T2B)に応答線ACKをロウレベルに駆動する。タイマの特性(時刻T2Bから時刻T2Aまでの時間TA'と時刻T2Aから時刻T2Bまでの時間TB'との関係)は特に限定しない。例えば、TA'/TB'=2でもよい。   When transitioning from the operating state to the standby state, the request line REQ goes low at time T2, so that the gate signal PSWGATE1 is first driven with high impedance by C1 via the C1 control circuit C1DRV. The potential detection circuit C3 detects that the gate signal PSWGATE1 has been driven to a certain level Vth2 at time T2A, and TRG1 is driven to a low level by the timer TIM1. As a result, the gate signal PSWGATE1 is driven to a low impedance by C2 via the C2 control circuit C2DRV. The timer drives the response line ACK to the low level after a certain time (time T2B) based on the time from time T2 to time T2A. The characteristics of the timer (the relationship between time TA ′ from time T2B to time T2A and time TB ′ from time T2A to time T2B) are not particularly limited. For example, TA ′ / TB ′ = 2 may be used.

本発明の待機状態では情報保持回路内の情報が保持されるという特徴がある。当然、待機時状態から動作状態への遷移時および、動作状態から待機状態への遷移時にも情報保持回路内の情報が保持されていなければならない。待機時状態から動作状態への遷移時には、仮想電源線VVDDからのカップリングノイズによって情報保持回路内の情報が破壊される懸念がある。図23の構成例はこの問題に対処するものであって、ゲート信号PSWGATE1を高インピーダンスの駆動回路C1及び低インピーダンスの駆動回路C2を用いて、スルーレートが小さくなるように駆動しているため、仮想電源線VVDDからのカップリングノイズを小さくして、情報保持回路内の情報の破壊を防ぐことができる。   In the standby state of the present invention, information in the information holding circuit is held. Naturally, the information in the information holding circuit must be held at the time of transition from the standby state to the operation state and at the time of transition from the operation state to the standby state. At the time of transition from the standby state to the operating state, there is a concern that information in the information holding circuit is destroyed due to coupling noise from the virtual power supply line VVDD. The configuration example of FIG. 23 addresses this problem, and the gate signal PSWGATE1 is driven using a high-impedance drive circuit C1 and a low-impedance drive circuit C2 so as to reduce the slew rate. Coupling noise from the virtual power line VVDD can be reduced to prevent information destruction in the information holding circuit.

ここで、待機状態から動作状態への遷移時の、仮想電源線VVDDのスルーレートdV/dtの決定方法としては特に限定しない。例えば、仮想電源線VVDDとその記憶ノードとの間のカップリング容量をCpとすると、記憶ノードにはCp * dV/dtの電流が流れ出す。記憶ノードに流れても記憶が破壊されない記憶ノードからの流出電流の上限をImaxとすると、Imax > Cp * dV/dtを満たすようにスルーレートdV/dtを決定すればよい。Imaxについては、例えば図6の例ではIon2_nが目安になる。図6のインバータの入力がハイレベル(電圧ではV1)の場合、インバータの出力にIon2_nよりも大きな電流が印加されると、インバータの出力電圧をロウレベルに駆動しているNMOSトランジスタの電流(Ion2_n)よりも大きな電流が流れることになり、インバータの出力をロウレベルに保持できなくなって誤作動する。   Here, the method for determining the slew rate dV / dt of the virtual power supply line VVDD at the time of transition from the standby state to the operating state is not particularly limited. For example, assuming that the coupling capacitance between the virtual power supply line VVDD and its storage node is Cp, a current of Cp * dV / dt flows out to the storage node. Slew rate dV / dt may be determined so as to satisfy Imax> Cp * dV / dt, where Imax is the upper limit of the outflow current from the storage node that does not destroy the memory even though it flows to the storage node. For Imax, for example, Ion2_n is a guide in the example of FIG. When the input of the inverter of FIG. 6 is at a high level (V1 in voltage), when a current larger than Ion2_n is applied to the output of the inverter, the current (Ion2_n) of the NMOS transistor that drives the output voltage of the inverter to a low level Larger current flows, and the inverter output cannot be held at a low level, resulting in malfunction.

また、一般に待機時状態から動作状態への遷移時には、仮想電源線VVDDの充電や、回路ブロックCKT内のハイレベルになっているノードの充電など、大きな容量を電源VDDの電位まで充電する必要がある。この充電の際には大きな突入電流が電源VDDに流れてしまう懸念がある。大きな突入電流は電源VDDの電圧降下を生み、電源VDDを使用している他の回路が誤作動されてしなう危険性がある。図23の構成例で仮想電源線VVDDのスルーレートが小さいため、上記大きな容量の充電をゆっくりと行うことになるため、上記突入電流を小さくでき、誤作動を防ぐことができる。   In general, at the time of transition from the standby state to the operating state, it is necessary to charge a large capacity up to the potential of the power supply VDD, such as charging the virtual power supply line VVDD and charging a high level node in the circuit block CKT. is there. There is a concern that a large inrush current flows to the power supply VDD during this charging. A large inrush current causes a voltage drop of the power supply VDD, and there is a risk that other circuits using the power supply VDD may malfunction. In the configuration example of FIG. 23, since the slew rate of the virtual power supply line VVDD is small, the large capacity is charged slowly, so that the inrush current can be reduced and malfunction can be prevented.

図25の構成例では、図23の構成例のようにゲート信号PSWGATE1の電位を検出し、さらにタイマを用いて応答線ACKを生成しているのではなく、仮想電源線VVDDの電位を検出して応答線ACKを生成している。SENS1は仮想電源線電位検出回路である。   In the configuration example of FIG. 25, the potential of the gate signal PSWGATE1 is detected as in the configuration example of FIG. 23, and the response line ACK is not generated using a timer, but the potential of the virtual power supply line VVDD is detected. Response line ACK is generated. SENS1 is a virtual power line potential detection circuit.

図25の動作例を図26のタイミングチャートを用いて示す。待機状態から動作状態に遷移する場合、時刻T1で要求線REQがハイレベルになることで、まずC1制御回路C1DRVを介して、C1によってゲート信号PSWGATE1が高インピーダンスで駆動される。時刻T1Cで仮想電源線VVDDがあるレベルVth3まで駆動させたことを、仮想電源線電位検出回路SENS1で検出し、応答線ACKをハイレベルに駆動している。同時に、C2制御回路C2DRVを介して、C2によってゲート信号PSWGATE1が低インピーダンスに駆動している。動作状態から待機状態に遷移する場合、時刻T2で要求線REQがロウレベルになることで、C1制御回路C1DRVを介して、C1によってゲート信号PSWGATE1が高インピーダンスで駆動し、C2制御回路C2DRVを介して、C2によってゲート信号PSWGATE1が低インピーダンスに駆動されている。   The operation example of FIG. 25 is shown using the timing chart of FIG. When transitioning from the standby state to the operating state, the request line REQ goes high at time T1, so that the gate signal PSWGATE1 is first driven with high impedance by C1 via the C1 control circuit C1DRV. The virtual power supply line potential detection circuit SENS1 detects that the virtual power supply line VVDD is driven to a certain level Vth3 at time T1C, and drives the response line ACK to the high level. At the same time, the gate signal PSWGATE1 is driven to a low impedance by C2 via the C2 control circuit C2DRV. When transitioning from the operating state to the standby state, the request signal REQ goes low at time T2, and the gate signal PSWGATE1 is driven with high impedance by C1 via the C1 control circuit C1DRV, and via the C2 control circuit C2DRV. , C2 drives the gate signal PSWGATE1 to a low impedance.

図27では、待機状態から動作状態への遷移時における仮想電源線VVDDの駆動を、電源スイッチPSW1とは別の、電源スイッチPSW1sによって行っている。電源スイッチPSW1sは電源スイッチPSW1よりも駆動力が小さい(面積も小さい)。図28は動作例のタイミングチャートである。待機状態から動作状態に遷移する場合、時刻T1で要求線REQがハイレベルになることで、まずC1制御回路C1DRVを介して、電源スイッチPSW1sがオンされる。時刻T1Cで仮想電源線VVDDがあるレベルVth3まで駆動させたことを、仮想電源線電位検出回路SENS1で検出し、応答線ACKをハイレベルに駆動している。同時に、C2制御回路C2DRVを介して、C2によってゲート信号PSWGATE1が低インピーダンスに駆動している。動作状態から待機状態に遷移する場合、時刻T2で要求線REQがロウレベルになることで、C1制御回路C1DRVによって電源スイッチPSW1sがオフされ、C2制御回路C2DRVを介して、C2によってゲート信号PSWGATE1が低インピーダンスに駆動されている。このように図27の構成例では仮想電源線VVDDのスルーレート制御を、小さな電源スイッチPSW1sを用いて仮想電源線VVDDを駆動することで実現している。   In FIG. 27, the virtual power line VVDD is driven by the power switch PSW1s different from the power switch PSW1 at the transition from the standby state to the operating state. The power switch PSW1s has a smaller driving force (smaller area) than the power switch PSW1. FIG. 28 is a timing chart of an operation example. When transitioning from the standby state to the operating state, the power supply switch PSW1s is first turned on via the C1 control circuit C1DRV when the request line REQ goes high at time T1. The virtual power supply line potential detection circuit SENS1 detects that the virtual power supply line VVDD is driven to a certain level Vth3 at time T1C, and drives the response line ACK to the high level. At the same time, the gate signal PSWGATE1 is driven to a low impedance by C2 via the C2 control circuit C2DRV. When transitioning from the operating state to the standby state, when the request line REQ goes low at time T2, the power switch PSW1s is turned off by the C1 control circuit C1DRV, and the gate signal PSWGATE1 is lowered by C2 through the C2 control circuit C2DRV. Driven by impedance. In this way, in the configuration example of FIG. 27, the slew rate control of the virtual power supply line VVDD is realized by driving the virtual power supply line VVDD using the small power switch PSW1s.

図29は、図23の応答線ACK信号の生成方法と図27の仮想電源線VVDDのスルーレート制御とを併用する構成例である。SENS2が仮想電源線電位検出回路、TIM2がタイマである。図30は動作例のタイミングチャートである。待機状態から動作状態に遷移する場合、時刻T1で要求線REQがハイレベルになることで、まずC1制御回路C1DRVを介して、電源スイッチPSW1sがオンされる。時刻T1Cで仮想電源線VVDDがあるレベルVth3まで駆動させたことを、仮想電源線電位検出回路SENS2で検出し、これによりC2制御回路C2DRVを介して、C2によってゲート信号PSWGATE1が低インピーダンスに駆動される。時刻T1Aでゲート信号PSWGATE1があるレベルVth1まで駆動させたことを、電位検出回路C3で検出し、タイマTIM2によってTRG2がハイレベルに駆動される。   FIG. 29 is a configuration example in which the method for generating the response line ACK signal in FIG. 23 and the slew rate control of the virtual power supply line VVDD in FIG. 27 are used together. SENS2 is a virtual power line potential detection circuit, and TIM2 is a timer. FIG. 30 is a timing chart of an operation example. When transitioning from the standby state to the operating state, the power supply switch PSW1s is first turned on via the C1 control circuit C1DRV when the request line REQ goes high at time T1. At time T1C, the virtual power supply line VVDD is driven to a certain level Vth3, which is detected by the virtual power supply line potential detection circuit SENS2, and the gate signal PSWGATE1 is driven to low impedance by C2 via the C2 control circuit C2DRV. The The potential detection circuit C3 detects that the gate signal PSWGATE1 has been driven to a certain level Vth1 at time T1A, and TRG2 is driven to high level by the timer TIM2.

タイマTIM2は時刻T1Cから時刻T1Aまでの時間をもとに、ある時間後(時刻T1B)に応答線ACKをハイレベルに駆動する。タイマの特性(時刻T1Cから時刻T1Aまでの時間TAと、時刻T1Aから時刻T1Bまでの時間TBの関係)は特に限定しないが、時刻T1Bでゲート信号PSWGATE1が完全にロウレベルに駆動され、さらに仮想電源線VVDDが完全に電源VDDの電位まで充電されているようにすればよい。例えば、TA/TB=2でもよい。動作状態から待機状態に遷移する場合、時刻T2で要求線REQがロウレベルになることで、C1制御回路C1DRVによって電源スイッチPSW1sがオフされ、C2制御回路C2DRVを介して、C2によってゲート信号PSWGATE1が低インピーダンスに駆動されている。時刻T2Aでゲート信号PSWGATE1があるレベルVth2まで駆動させたことを、電位検出回路C3で検出し、タイマTIM2によってTRG2がロウレベルに駆動される。タイマTIM2は時刻T2から時刻T2Aまでの時間をもとに、ある時間後(時刻T2B)に応答線ACKをロウレベルに駆動する。タイマの特性(時刻T2Bから時刻T2Aまでの時間TA'と、時刻T2Aから時刻T2Bまでの時間TB'の関係)は特に限定しない。例えば、TA'/TB'=2でもよい。   The timer TIM2 drives the response line ACK to a high level after a certain time (time T1B) based on the time from time T1C to time T1A. The characteristics of the timer (the relationship between time TA from time T1C to time T1A and time TB from time T1A to time T1B) are not particularly limited, but at time T1B, the gate signal PSWGATE1 is completely driven to the low level, and the virtual power supply The line VVDD may be completely charged to the potential of the power supply VDD. For example, TA / TB = 2 may be used. When transitioning from the operating state to the standby state, when the request line REQ goes low at time T2, the power switch PSW1s is turned off by the C1 control circuit C1DRV, and the gate signal PSWGATE1 is lowered by C2 through the C2 control circuit C2DRV. Driven by impedance. The potential detection circuit C3 detects that the gate signal PSWGATE1 has been driven to a certain level Vth2 at time T2A, and TRG2 is driven to a low level by the timer TIM2. The timer TIM2 drives the response line ACK to low level after a certain time (time T2B) based on the time from time T2 to time T2A. The characteristics of the timer (relationship between time TA ′ from time T2B to time T2A and time TB ′ from time T2A to time T2B) are not particularly limited. For example, TA ′ / TB ′ = 2 may be used.

以上、電源スイッチコントローラPSCの構成例を示した。待機状態から動作状態への遷移時と、動作状態から待機状態への遷移時に情報保持回路内の情報の保持ができるように、電源スイッチPSW1および仮想電源線VVDDの電位を制御する点に特徴を有する。
<第2の実施の形態>
以下、本発明の電力制御方法をより具体的な回路に適用した例について説明する。
The configuration example of the power switch controller PSC has been described above. It is characterized in that the potential of the power switch PSW1 and virtual power supply line VVDD is controlled so that the information in the information holding circuit can be retained at the transition from the standby state to the operation state and from the operation state to the standby state. Have.
<Second Embodiment>
Hereinafter, an example in which the power control method of the present invention is applied to a more specific circuit will be described.

図31は、スタティックメモリに対して本発明を適用した図である。CELL11〜CELLm1、CELL1n〜CELLmnはスタティックメモリセル、BL1〜BLmはビット線、/BL1〜/BLmはビット線BL1〜BLmに対する相補信号、WL1〜WLnはワード線を示している。PS1〜PSnが本発明の仮想電源線制御回路で、電源スイッチPSW1と電流源PSW2を含む。ワード線WL1が接続されているメモリセル(CELL11〜CELLm1)の仮想電源線がVL1であり、ワード線WLnが接続されているメモリセル(CELL1n〜CELLmn)の仮想電源線がVLnである。   FIG. 31 is a diagram in which the present invention is applied to a static memory. CELL11 to CELLm1, CELL1n to CELLmn are static memory cells, BL1 to BLm are bit lines, / BL1 to / BLm are complementary signals to the bit lines BL1 to BLm, and WL1 to WLn are word lines. PS1 to PSn are virtual power line control circuits of the present invention, and include a power switch PSW1 and a current source PSW2. The virtual power line of the memory cells (CELL11 to CELLm1) to which the word line WL1 is connected is VL1, and the virtual power line of the memory cells (CELL1n to CELLmn) to which the word line WLn is connected is VLn.

図32は図31の動作例のタイミングチャートである。時刻T1でメモリセルの仮想電源線VL1が、仮想電源線制御回路PS1によって電源VDDまで駆動される。仮想電源線VVDDの電位が電源VDDの電位まで完全に駆動された後、時刻T1'でワード線WL1がハイレベルに駆動される。これにより、ワード線WL1によって選択されたメモリセルCELL11〜CELLm1によってビット線BL1からBLmおよび/BL1から/BLmが駆動され、メモリセル内の情報がビット線に表れる。図31には簡単のために図示していないが、ビット線に接続されたセンスアンプによってそのビット線の情報が増幅される。仮想電源線VVDDの電位が完全に電源VDDの電位に駆動されない間にワード線がハイレベルに駆動されると、メモリセル内に記憶された情報がビット線からの電流によって破壊されてしまう危険性がある。本発明の手順ではその可能性がない。   FIG. 32 is a timing chart of the operation example of FIG. At time T1, the virtual power supply line VL1 of the memory cell is driven to the power supply VDD by the virtual power supply line control circuit PS1. After the potential of the virtual power supply line VVDD is completely driven to the potential of the power supply VDD, the word line WL1 is driven to a high level at time T1 ′. As a result, the bit lines BL1 to BLm and / BL1 to / BLm are driven by the memory cells CELL11 to CELLm1 selected by the word line WL1, and information in the memory cells appears on the bit lines. Although not shown in FIG. 31 for simplicity, information on the bit line is amplified by a sense amplifier connected to the bit line. If the word line is driven to a high level while the potential of the virtual power supply line VVDD is not completely driven to the potential of the power supply VDD, there is a risk that the information stored in the memory cell is destroyed by the current from the bit line. There is. This is not possible with the procedure of the present invention.

時刻T2でワード線WL1をロウレベルに駆動し、その後、時刻T2'で電源スイッチPSW1をオフする。これにより、本発明のリーク削減方法によって、電流源PSW2によりメモリセル内に格納された情報は保持されたまま、メモリセルを流れるリーク電流が削減できる。なお、ワード線をロウレベルに駆動したことを確認してから仮想電源線VVDDの電位を放電しないと、メモリセル内に記憶された情報がビット線からの電流によって破壊されてしまう危険性がある。本発明の手順ではその可能性がない。図31では簡単のために図示していないが、BL1と/BL1のビット線ペアからBLmと/BLmのビット線ペアの各ビット線ペアには、ビット線イコライザが接続されている。時刻T3では、このビット線イコライザによってビット線を電源VDDの電位までイコライズしている。   At time T2, the word line WL1 is driven to a low level, and then the power switch PSW1 is turned off at time T2 ′. Thus, according to the leakage reduction method of the present invention, the leakage current flowing through the memory cell can be reduced while the information stored in the memory cell by the current source PSW2 is retained. Note that if the potential of the virtual power supply line VVDD is not discharged after confirming that the word line is driven to the low level, there is a risk that information stored in the memory cell is destroyed by the current from the bit line. This is not possible with the procedure of the present invention. Although not shown in FIG. 31 for the sake of simplicity, a bit line equalizer is connected to each bit line pair from the bit line pair BL1 and / BL1 to the bit line pair BLm and / BLm. At time T3, the bit line is equalized to the potential of the power supply VDD by this bit line equalizer.

なお、メモリセルのゲートトンネルリークが無視できないほど大きい場合、待機時(ワード線がロウレベルの時)にビット線を電源VDD以下の電位に駆動してもよい。これにより、待機時に、メモリセルのトランスファトランジスタのゲート・ソース間電圧を小さくすることができ、そのトランスファトランジスタに流れるゲートトンネルリーク電流を小さくできる。もちろん、その場合にはワード線を時刻T1でハイレベルに駆動する前に、ビット線電位を図32のように電源VDDの電位まで駆動しておく必要がある(ビット線のリセット動作という)。もちろんこれはビット線をVSSプリチャージする方法にすれば必要ないことは言うまでない。図33は、ビット線をVDDプリチャージしても、上記ビット線のリセット動作が必要ない例である。   If the gate tunnel leak of the memory cell is so large that it cannot be ignored, the bit line may be driven to a potential lower than the power supply VDD during standby (when the word line is at low level). Thereby, the gate-source voltage of the transfer transistor of the memory cell can be reduced during standby, and the gate tunnel leakage current flowing through the transfer transistor can be reduced. Of course, in that case, before the word line is driven to the high level at time T1, it is necessary to drive the bit line potential to the potential of the power supply VDD as shown in FIG. 32 (referred to as a bit line reset operation). Of course, this is not necessary if the bit line is VSS precharged. FIG. 33 shows an example in which the reset operation of the bit line is not necessary even if the bit line is VDD precharged.

図33の構成例は、図31においてPMOSトランジスタで電源スイッチを構成する代わりに、NMOSトランジスタを用いて電源スイッチを構成している。PS1〜PSnが、本発明の仮想電源線制御回路で、NMOSトランジスタを用いて構成した電源スイッチPSW1nと電流源PSW2nを含む。ワード線WL1が接続されているメモリセル(CELL11〜CELLm1)の仮想接地線がSL1であり、ワード線WLnが接続されているメモリセル(CELL1n〜CELLmn)の仮想接地線がSLnである。   In the configuration example of FIG. 33, the power switch is configured by using an NMOS transistor instead of configuring the power switch by a PMOS transistor in FIG. PS1 to PSn are virtual power line control circuits of the present invention, and include a power switch PSW1n and a current source PSW2n configured using NMOS transistors. The virtual ground line of the memory cells (CELL11 to CELLm1) to which the word line WL1 is connected is SL1, and the virtual ground line of the memory cells (CELL1n to CELLmn) to which the word line WLn is connected is SLn.

図34は図33の動作例のタイミングチャートである。時刻T1でワード線WL1をハイレベルに駆動すると同時に、そのワード線が接続されたメモリセルの仮想電源線SL1が、仮想電源線制御回路PS1によって電源VSSまで駆動される。これにより、ワード線WL1によって選択されたメモリセルCELL11〜CELLm1によってビット線BL1〜BLmおよび/BL1〜/BLmが駆動され、メモリセル内の情報がビット線に表れる。図33には簡単のために図示していないが、ビット線に接続されたセンスアンプによってそのビット線の情報が増幅される。図31では仮想電源線VVDDの電位が完全に電源VDDの電位に駆動された後に、ワード線がハイレベルに駆動している。しかし、図34の構成例においては仮想接地線VVSSの駆動とワード線WLの駆動は同時に行ってもよい。メモリセル内に記憶された情報がビット線からの電流によって破壊されてしまう危険性はないからである。むしろ、仮想接地線VVSSの駆動によって仮想接地線VVSSの電位が接地の電位に完全に駆動される前にワード線をハイレベルに駆動できるために、両駆動動作がオーバラップでき、メモリセルの読み出し速度が高速に行える。   FIG. 34 is a timing chart of the operation example of FIG. At the time T1, the word line WL1 is driven to a high level, and at the same time, the virtual power supply line SL1 of the memory cell to which the word line is connected is driven to the power supply VSS by the virtual power supply line control circuit PS1. As a result, the bit lines BL1 to BLm and / BL1 to / BLm are driven by the memory cells CELL11 to CELLm1 selected by the word line WL1, and the information in the memory cells appears on the bit lines. Although not shown in FIG. 33 for simplicity, the information on the bit line is amplified by a sense amplifier connected to the bit line. In FIG. 31, the word line is driven to the high level after the potential of the virtual power supply line VVDD is completely driven to the potential of the power supply VDD. However, in the configuration example of FIG. 34, the driving of the virtual ground line VVSS and the driving of the word line WL may be performed simultaneously. This is because there is no risk that the information stored in the memory cell is destroyed by the current from the bit line. Rather, since the drive of the virtual ground line VVSS allows the word line to be driven to a high level before the potential of the virtual ground line VVSS is completely driven to the ground potential, both drive operations can overlap, and the memory cell is read. The speed can be increased.

時刻T2ではワード線WL1をロウレベルに駆動すると、電源スイッチPSW1nがオフされる。これにより、本発明の方法によって、電流源PSW2によりメモリセル内に格納された情報は保持されたまま、メモリセルを流れるリーク電流が削減できる。なお、図33では簡単のために表していないが、BL1と/BL1のビット線ペアからBLmと/BLmのビット線ペアの各ビット線ペアには、ビット線イコライザが接続されている。時刻T2でワード線WL1をロウレベルに駆動すると同時に、このビット線イコライザによってビット線を電源VDDの電位まで駆動する。   At time T2, when the word line WL1 is driven to a low level, the power switch PSW1n is turned off. Thus, according to the method of the present invention, the leakage current flowing through the memory cell can be reduced while the information stored in the memory cell by the current source PSW2 is retained. Although not shown in FIG. 33 for simplicity, a bit line equalizer is connected to each bit line pair from the bit line pair BL1 and / BL1 to the bit line pair BLm and / BLm. At time T2, the word line WL1 is driven to the low level, and at the same time, the bit line is driven to the potential of the power supply VDD by the bit line equalizer.

なお、図34の構成例で時刻T1以前および時刻T2以降のワード線電位は接地VSSの電位であるが、GIDLやゲートトンネルリーク電流が流れないように、VSS以上、VFNL以下の電位に駆動してもよい。WL1のロウレベルは仮想接地線SL1の電位、同様にWL2のロウレベルは仮想接地線SL2の電位でもよい。これは例えばワード線ドライバの接地を仮想接地線からとることで実現できる。   In the configuration example of FIG. 34, the word line potential before time T1 and after time T2 is the potential of ground VSS, but it is driven to a potential of VSS or more and VFNL or less so that no GIDL or gate tunnel leakage current flows. May be. The low level of WL1 may be the potential of the virtual ground line SL1, and similarly the low level of WL2 may be the potential of the virtual ground line SL2. This can be realized, for example, by grounding the word line driver from the virtual ground line.

図31および図33で、メモリセルに印加する電源電圧は、センスアンプに印加する電源電圧よりも高くてもよい。その場合でもビット線のプリチャージレベルは、センスアンプに印加される電源電圧と同じ電圧でもよい。なお、この場合にはメモリセルを構成するMOSトランジスタのゲート絶縁膜厚は、センスアンプを構成するMOSトランジスタのゲート絶縁膜厚よりも厚い方が望ましい。当然、ビット線のプリチャージレベルはメモリセルに印加される電源電圧と同じでもよい。その場合には、センスアンプは自分の電源電圧よりも高い電圧を入力して増幅することになるため、センスアンプを構成するMOSトランジスタのゲート絶縁膜厚がメモリセルを構成しているMOSトランジスタのゲート絶縁膜厚よりも薄い場合、センスアンプには耐圧緩和MOSトランジスタ等が必要である。   31 and 33, the power supply voltage applied to the memory cell may be higher than the power supply voltage applied to the sense amplifier. Even in this case, the precharge level of the bit line may be the same voltage as the power supply voltage applied to the sense amplifier. In this case, it is desirable that the gate insulating film thickness of the MOS transistor constituting the memory cell is thicker than the gate insulating film thickness of the MOS transistor constituting the sense amplifier. Of course, the precharge level of the bit line may be the same as the power supply voltage applied to the memory cell. In that case, since the sense amplifier inputs and amplifies a voltage higher than its own power supply voltage, the gate insulating film thickness of the MOS transistor constituting the sense amplifier is that of the MOS transistor constituting the memory cell. When it is thinner than the gate insulating film thickness, the sense amplifier needs a withstand voltage relaxation MOS transistor or the like.

また、第2の実施の形態における電源スイッチPS1〜PSnには、第1の実施の形態において開示した様々な具体例、変形例を適用することができることはもちろんである。   Of course, various specific examples and modifications disclosed in the first embodiment can be applied to the power switches PS1 to PSn in the second embodiment.

<第3の実施の形態>
図35は本発明を適用したチップCHP1の構成例である。接地用の電源と信号配線の多くは簡単のために省略して図示している。回路ブロックCKT1は電源VDDから本発明のリーク削減回路を介さないで直接電源が供給された回路ブロック、回路ブロックCKT2aおよびCKT2bは電源VDDから本発明のリーク削減回路PSM2aおよびPSM2bを介して電源が供給された回路ブロック、回路ブロックCKT3は電源VDDと異なる電源VCCから本発明のリーク削減回路を介さないで直接電源が供給された回路ブロックである。MP20、MP21a、MP22b、MP23はPMOSトランジスタであり、MN20、MN21a、MN22b、MN23はNMOSトランジスタである。CTLa、CTLbは図22の要求線REQと応答線ACKに相当する本発明のリーク削減回路のリーク制御線である。図35では、回路ブロックCKT1は常時電源が投入される必要がある回路である。例えば、リーク削減回路PSM2a、PSM2bを制御する回路や、リアルタイムクロック(RTC)、割り込み処理回路、DRAMリフレッシュ回路、メモリなどである。回路ブロックCKT3はI/O回路である。電源VCCはチップ外部とのインターフェース用の電源であり、電源VCCは電源VDDよりも高い電位である。例えば、VDDの電位は1.8Vに対して、VCCの電位は3.3Vや2.5Vである。入力バッファまたは出力バッファを構成するMOSトランジスタMP23およびMN23のゲート絶縁膜厚は、その他のMOSトランジスタのゲート絶縁膜厚よりも厚い。
<Third Embodiment>
FIG. 35 shows a configuration example of a chip CHP1 to which the present invention is applied. Many of the grounding power supply and signal wiring are omitted for simplicity. The circuit block CKT1 is a circuit block that is directly supplied with power from the power supply VDD without going through the leakage reduction circuit of the present invention. The circuit blocks CKT2a and CKT2b are supplied with power from the power supply VDD through the leakage reduction circuits PSM2a and PSM2b of the present invention. The circuit block CKT3 is a circuit block in which power is directly supplied from a power supply VCC different from the power supply VDD without going through the leakage reduction circuit of the present invention. MP20, MP21a, MP22b, and MP23 are PMOS transistors, and MN20, MN21a, MN22b, and MN23 are NMOS transistors. CTLa and CTLb are leak control lines of the leak reduction circuit of the present invention corresponding to the request line REQ and response line ACK of FIG. In FIG. 35, the circuit block CKT1 is a circuit that needs to be powered on at all times. For example, a circuit that controls the leak reduction circuits PSM2a and PSM2b, a real-time clock (RTC), an interrupt processing circuit, a DRAM refresh circuit, a memory, and the like. The circuit block CKT3 is an I / O circuit. The power supply VCC is a power supply for interfacing with the outside of the chip, and the power supply VCC has a higher potential than the power supply VDD. For example, the potential of VDD is 1.8V, and the potential of VCC is 3.3V or 2.5V. The gate insulating film thickness of the MOS transistors MP23 and MN23 constituting the input buffer or the output buffer is thicker than the gate insulating film thickness of the other MOS transistors.

図35のようにリーク制御回路を複数設け、チップに集積している回路を複数に分けてリーク電流を制御することで、チップ全体のリーク電流を効率よく削減できる。   As shown in FIG. 35, by providing a plurality of leak control circuits and dividing the circuits integrated on the chip into a plurality of parts to control the leak current, the leak current of the entire chip can be efficiently reduced.

図36の構成例は、図35の構成例において回路ブロックCKT1の電源と回路ブロックCKT2aおよびCKT2bの電源とを、別々の電源端子から供給するようにした実施例である。上記したように回路ブロックCKT1は常時電源が投入されていて動作可能な状態である必要がある回路である。そのような回路には本発明のリーク削減回路を適用しても効果は小さい。しかし、回路ブロックCKT1として構成される回路は図35の説明において列記したような回路であって、それらに要求される動作周波数は、回路ブロックCKT2aやCKT2bに搭載されている回路に要求される動作周波数よりも低くてもよい場合が多い。したがって、回路ブロックCKT1と回路ブロックCKT2aおよびCKT2bに同じMOSトランジスタを用いた場合、回路ブロックCKT1の動作電流による電力消費に対するリーク電流による電力消費が、回路ブロックCKT2に比較して顕著になってしまう。これを防ぐには、回路ブロックCKT1を構成するMOSトランジスタのしきい値電圧を高くすることが望ましい。これはゲート絶縁膜厚を回路ブロックCKT1とCKT2とで同じにして、チャネル不純物濃度を変えてもよく、基板バイアス値を変えてもよい。あるいは、回路ブロックCKT2のMOSトランジスタのゲート絶縁膜厚を回路ブロックCKT1のMOSトランジスタのゲート絶縁膜厚よりも厚くしてもよい。この場合には回路ブロックCKT1に印加される電源VDD2の電圧を電源VDDの電圧よりも高くすることが望ましい。これにより、チップ全体のリーク電流を効率よく削減できる。なお、MOSトランジスタのゲート絶縁膜厚については、回路ブロックCKT2aあるいはCKT2bを構成しているMOSトランジスタ、回路ブロックCK1を構成しているMOSトランジスタ、回路ブロックCKT3を構成しているMOSトランジスタの順に厚くしてもよい。回路ブロックCK1を構成しているMOSトランジスタは、回路ブロックCKT3を構成しているMOSトランジスタと同じゲート絶縁膜厚でもよい。   The configuration example of FIG. 36 is an embodiment in which the power source of the circuit block CKT1 and the power sources of the circuit blocks CKT2a and CKT2b are supplied from different power source terminals in the configuration example of FIG. As described above, the circuit block CKT1 is a circuit that needs to be in an operable state with the power on at all times. Even if the leak reduction circuit of the present invention is applied to such a circuit, the effect is small. However, the circuit configured as the circuit block CKT1 is a circuit as listed in the description of FIG. 35, and the operation frequency required for them is the operation required for the circuits mounted on the circuit blocks CKT2a and CKT2b. In many cases, it may be lower than the frequency. Therefore, when the same MOS transistor is used for the circuit block CKT1 and the circuit blocks CKT2a and CKT2b, the power consumption due to the leakage current with respect to the power consumption due to the operation current of the circuit block CKT1 becomes significant compared to the circuit block CKT2. In order to prevent this, it is desirable to increase the threshold voltage of the MOS transistors constituting the circuit block CKT1. In this case, the gate insulating film thickness may be the same in the circuit blocks CKT1 and CKT2, and the channel impurity concentration may be changed or the substrate bias value may be changed. Alternatively, the gate insulating film thickness of the MOS transistor of the circuit block CKT2 may be made larger than the gate insulating film thickness of the MOS transistor of the circuit block CKT1. In this case, it is desirable that the voltage of the power supply VDD2 applied to the circuit block CKT1 is higher than the voltage of the power supply VDD. Thereby, the leakage current of the whole chip can be efficiently reduced. The gate insulating film thickness of the MOS transistor is increased in the order of the MOS transistor constituting the circuit block CKT2a or CKT2b, the MOS transistor constituting the circuit block CK1, and the MOS transistor constituting the circuit block CKT3. May be. The MOS transistor constituting the circuit block CK1 may have the same gate insulating film thickness as the MOS transistor constituting the circuit block CKT3.

図37は、図36において電源VDD2の電圧を電源VDD電源の電圧よりも高くした場合に、電源VDDを電源VDD2から降圧して作成した場合の実施例である。VDCが降圧回路である。この降圧回路の構造は特に限定しないが、シリーズレギュレータ方式でもよいし、スイッチングレギュレータ方式でもよい。チップに供給される電源の種類を削減できる。   FIG. 37 shows an embodiment in which the power supply VDD is stepped down from the power supply VDD2 when the voltage of the power supply VDD2 is made higher than the voltage of the power supply VDD power supply in FIG. VDC is a step-down circuit. The structure of the step-down circuit is not particularly limited, but may be a series regulator system or a switching regulator system. The type of power supplied to the chip can be reduced.

図37の構成例において、降圧回路VDCとリーク制御回路PSM2aあるいはPSM2bの構成部品をマージして構成することもできる。図38にその構成例を示す。PSW1は電源スイッチ、PSW2は電流源、OPAMPはオペアンプ、VREFは基準電源である。動作時にはVREFにVDD電位を印加することで仮想電源線VVDD2aに電位VDDを供給できる。一方、電源スイッチPSW1をオフするときには、VREFに十分低い電圧(例えば0V以下)の電圧を印加すればよい。PSW1sは、電源スイッチPSW1よりも駆動力が小さな電源スイッチである。待機状態から動作状態の遷移時の、ノイズ低減のために用いるが、動作方法は図27に関連して説明した動作方法と同様である。なお、ここでも電源スイッチPSW1のしきい値電圧、ゲート絶縁膜厚は特に限定しないが、電源VDD2の電位に応じて最適なものを使用すればよい。   In the configuration example of FIG. 37, the components of the step-down circuit VDC and the leakage control circuit PSM2a or PSM2b can be merged. FIG. 38 shows an example of the configuration. PSW1 is a power switch, PSW2 is a current source, OPAMP is an operational amplifier, and VREF is a reference power supply. During operation, the potential VDD can be supplied to the virtual power supply line VVDD2a by applying the VDD potential to VREF. On the other hand, when the power switch PSW1 is turned off, a sufficiently low voltage (for example, 0 V or less) may be applied to VREF. PSW1s is a power switch having a smaller driving force than the power switch PSW1. Although used for noise reduction at the transition from the standby state to the operation state, the operation method is the same as the operation method described in relation to FIG. Here, the threshold voltage of the power switch PSW1 and the gate insulating film thickness are not particularly limited, but an optimum one may be used according to the potential of the power supply VDD2.

降圧回路は仮想電源線VVDD2aあるいはVVDD2bの電位をモニタし、回路ブロックCKT2aやCKT2bの消費電流が大きくなっても所望の電圧VDDが仮想電源線に印加されるように制御してもよい。チップの電源供給端子から回路ブロック内の回路までの経路が高いインピーダンスになると、回路ブロックCKT2aやCKT2bの消費電流によっていわゆるIRドロップが発生する。上記方式により、IRドロップを防ぐことができる。また、動作時の仮想電源線VVDD2aあるいはVVDD2bの電圧は、チップの製造ばらつき情報や環境変動情報をもとに変化させ、回路ブロックCKT2aやCKT2bの特性が上記ばらつきや変動によって変化してしまうことを補償するようにしてもよい。   The step-down circuit may monitor the potential of the virtual power supply line VVDD2a or VVDD2b and control so that the desired voltage VDD is applied to the virtual power supply line even when the current consumption of the circuit blocks CKT2a and CKT2b increases. When the path from the power supply terminal of the chip to the circuit in the circuit block has a high impedance, a so-called IR drop occurs due to the consumption current of the circuit blocks CKT2a and CKT2b. By the above method, IR drop can be prevented. In addition, the voltage of the virtual power supply line VVDD2a or VVDD2b during operation changes based on chip manufacturing variation information and environmental variation information, and the characteristics of the circuit blocks CKT2a and CKT2b change due to the above variations and variations. You may make it compensate.

図38の構成例は、図17の構成例のように、待機時にVFNL電位を仮想電源線VVDDに直接印加する方法にも使用できる。この場合、図38のPSW2は必要ない。この場合、二種類の制御方法がある。第一の方法は、動作時には、前述のようにVREFにはVDD電位を印加して、仮想電源線VVDD2aに電位VDDを供給する。待機時には、VREFにはVFNL(<VDD)電位を印加して、仮想電源線VVDD2aに電位VFNLを供給する。図17の構成例では電圧源VFNLGENが必要であったが、それをオペアンプOPAMPと電源スイッチPSW1で代用することができるという利点がある。第二の方法は、オペアンプOPAMPや電源スイッチPSW1のほかに、図17の構成例のように電圧源VFNLGENを仮想電源線VVDD2aに設置する。動作時には、前述のようにVREFにはVDD電位を印加して、仮想電源線VVDD2aに電位VDDを供給する。待機時には、VREFには0Vを印加して、電圧源VFNLGENから仮想電源線VVDD2aに電位VFNLを供給する。   The configuration example of FIG. 38 can also be used for a method of directly applying the VFNL potential to the virtual power supply line VVDD during standby, like the configuration example of FIG. In this case, PSW2 in FIG. 38 is not necessary. In this case, there are two types of control methods. In the first method, during operation, the VDD potential is applied to VREF as described above, and the potential VDD is supplied to the virtual power supply line VVDD2a. During standby, a VFNL (<VDD) potential is applied to VREF, and the potential VFNL is supplied to the virtual power supply line VVDD2a. In the configuration example of FIG. 17, the voltage source VFNLGEN is necessary, but there is an advantage that it can be replaced by the operational amplifier OPAMP and the power switch PSW1. In the second method, in addition to the operational amplifier OPAMP and the power switch PSW1, a voltage source VFNLGEN is installed on the virtual power line VVDD2a as in the configuration example of FIG. During operation, the VDD potential is applied to VREF as described above, and the potential VDD is supplied to the virtual power supply line VVDD2a. During standby, 0 V is applied to VREF, and the potential VFNL is supplied from the voltage source VFNLGEN to the virtual power supply line VVDD2a.

いずれの方法でも、待機時に直接VFNLを仮想電源線VVDD2aに印加することで、待機時の仮想電源線VVDD2aの電位をVRTNに近い電圧に設計できるという利点がある。また、直接印加するVFNLの値を電源VDDの電圧、温度、プロセス条件等に応じて自動的に制御することもできる。   Either method has an advantage that the potential of the virtual power supply line VVDD2a during standby can be designed to a voltage close to VRTN by directly applying VFNL to the virtual power supply line VVDD2a during standby. Further, the value of VFNL to be directly applied can be automatically controlled according to the voltage of the power supply VDD, temperature, process conditions, and the like.

図35から図38の構成例では、電源スイッチはPMOSトランジスタを用いた例を示した。しかし、前記したように電源スイッチとしてNMOSトランジスタPSW1nを用いてもよい。図39は、図37の実施例において、電源スイッチとしてNMOSトランジスタを用いたリーク制御回路PSM2a2およびPSM2b2を使用した場合の実施例である。一般にNMOSトランジスタはPMOSトランジスタと比較して、ゲート幅あたりのオン抵抗が小さい。図39の構成例の方が図37の構成例よりも動作時の回路ブロックの速度低下を小さく抑えることが容易である。   In the configuration examples of FIGS. 35 to 38, the example in which the power switch uses a PMOS transistor is shown. However, as described above, the NMOS transistor PSW1n may be used as the power switch. FIG. 39 shows an embodiment in which leak control circuits PSM2a2 and PSM2b2 using NMOS transistors are used as power switches in the embodiment of FIG. In general, NMOS transistors have a smaller on-resistance per gate width than PMOS transistors. In the configuration example of FIG. 39, it is easier to suppress the speed reduction of the circuit block during operation than in the configuration example of FIG.

また、第3の実施の形態におけるリーク削減回路には、第1の実施の形態において開示した様々な具体例、変形例を適用することができることはもちろんである。   Of course, various specific examples and modifications disclosed in the first embodiment can be applied to the leakage reduction circuit in the third embodiment.

なお、図35から図39では、回路ブロック間の信号授受形態に関しては省略しているが、本発明のリーク削減方法を用いた場合、待機時には回路ブロック内の回路へ供給される電圧は小さくなる。したがって、その回路から出力される信号の振幅は小さくなる。この小さくなった振幅の信号を、異常電流を発生させないで別の回路ブロックへ伝播するためには、回路ブロック間にレベル変換回路を設ける必要がある。図40にレベル変換回路の構成例を示した。MP30、MP31、MP32、MP33はPMOSトランジスタ、MN30、MN31はNMOSトランジスタである。各トランジスタのしきい値電圧、ゲート絶縁膜厚は特に限定しない。   In FIG. 35 to FIG. 39, the signal transmission / reception mode between circuit blocks is omitted. However, when the leakage reduction method of the present invention is used, the voltage supplied to the circuits in the circuit block is reduced during standby. . Therefore, the amplitude of the signal output from the circuit becomes small. In order to propagate the signal having the reduced amplitude to another circuit block without generating an abnormal current, it is necessary to provide a level conversion circuit between the circuit blocks. FIG. 40 shows a configuration example of the level conversion circuit. MP30, MP31, MP32, and MP33 are PMOS transistors, and MN30 and MN31 are NMOS transistors. The threshold voltage and gate insulating film thickness of each transistor are not particularly limited.

回路ブロックCKT2aが本発明のリーク削減方法によって待機状態になった場合、d1sおよびその相補信号である/d1sの信号振幅は、動作状態の時の信号振幅VDDと比較して小さくなる。しかし、図40の実施例ではラッチ型レベル変換回路LVL1によって電源VDDの電圧振幅まで増幅され、d1eとして出力される。d1eを入力するCMOS回路に印加されている電源電圧がVDDでも、異常電流を発生させないで信号の授受が可能になる。   When the circuit block CKT2a enters the standby state by the leak reduction method of the present invention, the signal amplitude of d1s and its complementary signal / d1s is smaller than the signal amplitude VDD in the operating state. However, in the embodiment of FIG. 40, the voltage is amplified to the voltage amplitude of the power supply VDD by the latch type level conversion circuit LVL1 and output as d1e. Even if the power supply voltage applied to the CMOS circuit for inputting d1e is VDD, signals can be exchanged without generating an abnormal current.

なお、一般にラッチ型レベル変換回路LVL1のトグル周波数は、入力信号振幅に大きく依存する。しかし、本発明ではラッチ型レベル変換回路LVL1の入力振幅が小さくなる時には、それを出力する回路(回路ブロックCKT2a)は待機状態であり、入力信号の論理レベルがトグルすることはない。したがって、ラッチ型レベル変換回路LVL1は論理レベルを保持して信号振幅のみを増幅しつづければ十分なため、上記トグル周波数低下は問題にならない。   In general, the toggle frequency of the latch type level converter circuit LVL1 greatly depends on the input signal amplitude. However, in the present invention, when the input amplitude of the latch type level conversion circuit LVL1 becomes small, the circuit (circuit block CKT2a) that outputs it is in a standby state, and the logic level of the input signal does not toggle. Accordingly, it is sufficient for the latch type level conversion circuit LVL1 to maintain the logic level and continue to amplify only the signal amplitude, and thus the above-described reduction in the toggle frequency is not a problem.

なお、回路ブロックCKT2aに、図18および図19で説明したディープ待機状態を実施し、ディープ待機状態でd1sおよび/d1sがフローティング状態になった場合には、ラッチ型レベル変換回路LVL1に異常電流が流れる可能性がある。それを防ぐには例えば特開平11−195975号公報で示された方法を用いることができる。また、図40は、図1のように電源スイッチとしてPMOSトランジスタを用いた場合に有効なラッチ型レベル変換回路の実施例であるが、図20のように電源スイッチとしてNMOSトランジスタを用いた場合には、図40のラッチ型レベル変換回路の相補な形式のレベル変換回路が適用できる。   When the deep standby state described in FIGS. 18 and 19 is performed on the circuit block CKT2a, and d1s and / d1s are in a floating state in the deep standby state, an abnormal current is generated in the latch type level conversion circuit LVL1. There is a possibility of flowing. In order to prevent this, for example, the method disclosed in JP-A-11-195975 can be used. FIG. 40 shows an embodiment of a latch-type level conversion circuit effective when a PMOS transistor is used as a power switch as shown in FIG. 1, but when an NMOS transistor is used as a power switch as shown in FIG. A level conversion circuit of a complementary type to the latch type level conversion circuit of FIG. 40 can be applied.

以上、本発明者によりなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば回路の具体的構造やレイアウト構造は、種々の実施形態を取ることができる。   The invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Not too long. For example, the specific structure and layout structure of the circuit can take various embodiments.

CKT、CKT1、CKT2a、CKT2b、CKT3 回路ブロック
PSW1、PSW1n 電源スイッチ
PSW2、PSW2n 電流源
VVDD、VL1、VLn、VVDD2a、VVDD2b 仮想電源線
VVSS、SL1、SLn、VVSS2a、VVSS2b 仮想接地線
PSC 電源スイッチコントローラ
INV インバータ
NAND NAND回路
NOR NOR回路
FF フリップフロップ
LG1 論理回路
MARY メモリセルアレイ
DEC ワードデコーダ
SA センスアンプ
MEM1 メモリ回路
a0、a1、a2、an アドレス信号
d0、d1、d2、dn データ信号
IN 入力信号
OUT 出力信号
VBC 基板バイアス制御回路
MP1、MP10、MP20、MP21a、MP22b、MP23、MP30、MP31、MP32、MP33 PMOSトランジスタ
MN1、MN10、MN20、MN21a、MN22b、MN23、MN30、MN31 NMOSトランジスタ
PSWGATE1、PSWGATE1a、PSWGATE2、PSWGATEn 電源スイッチPSW1のゲート信号
PSWGATE1n 電源スイッチPSW1nのゲート信号
R1 抵抗
IS10 定電流源
IS1 定電流回路
VFNLGEN 電圧源
REQ 要求線
ACK 応答線
PMG 電力制御回路(パワーマネージャ)
TIM1、TIM2 タイマ
SENS1、SENS2 仮想電源線電位検出回路
WL1、WLn ワード線
BL1、BLm、/BL1、/BLm ビット線
CELL11、CELLm1、CELL1n、CELLmn メモリセル
PSM2a、PSM2b、PSM2a2、PSM2b2 リーク削減回路
CTLa、CTLb リーク制御線
VDC 降圧回路
OPAMP オペアンプ
LVL1 ラッチ型レベル変換回路
CKT, CKT1, CKT2a, CKT2b, CKT3 circuit block
PSW1, PSW1n Power switch
PSW2, PSW2n Current source
VVDD, VL1, VLn, VVDD2a, VVDD2b Virtual power supply line
VVSS, SL1, SLn, VVSS2a, VVSS2b Virtual ground wire
PSC power switch controller
INV inverter
NAND NAND circuit
NOR NOR circuit
FF flip-flop
LG1 logic circuit
MARY memory cell array
DEC word decoder
SA sense amplifier
MEM1 memory circuit
a0, a1, a2, an address signal
d0, d1, d2, dn data signals
IN input signal
OUT output signal
VBC substrate bias control circuit
MP1, MP10, MP20, MP21a, MP22b, MP23, MP30, MP31, MP32, MP33 PMOS transistors
MN1, MN10, MN20, MN21a, MN22b, MN23, MN30, MN31 NMOS transistors
PSWGATE1, PSWGATE1a, PSWGATE2, PSWGATEn Power switch PSW1 gate signal
PSWGATE1n Gate signal for power switch PSW1n
R1 resistance
IS10 constant current source
IS1 constant current circuit
VFNLGEN voltage source
REQ request line
ACK response line
PMG power control circuit (power manager)
TIM1, TIM2 timer
SENS1, SENS2 Virtual power line potential detection circuit
WL1, WLn Word line
BL1, BLm, / BL1, / BLm bit lines
CELL11, CELLm1, CELL1n, CELLmn memory cells
PSM2a, PSM2b, PSM2a2, PSM2b2 Leakage reduction circuit
CTLa, CTLb Leak control line
VDC step-down circuit
OPAMP operational amplifier
LVL1 Latch type level conversion circuit

Claims (14)

第1電位である第1電源線と、
前記第1電位より低い第2電位である第2電源線と、
前記第2電位より低い第3電位である第3電源線と、
前記第2電源線と前記第3電源線との間に接続される第1トランジスタと、
前記第1電源線と前記第2電源線との間に接続される回路ブロックと、
第1駆動回路及び第2駆動回路を有する駆動制御部と、を有する半導体装置であって、
前記駆動制御部は、前記第1トランジスタのゲートを制御し、
前記第1トランジスタは、待機状態ではオフ状態とされ、動作状態ではオン状態とされ、
前記待機状態から前記動作状態に遷移する場合には、前記駆動制御部は、前記第1トランジスタのゲート電圧を第1の割合で変化させた後、前記第1の割合よりも早い第2の割合で変化させ、
前記第1駆動回路の駆動能力は、前記第2駆動回路の駆動能力より低く、
前記第1駆動回路の出力と前記第2駆動回路の出力は、前記第1トランジスタのゲートに共通に接続され、
前記第1トランジスタはNMOSトランジスタである、半導体装置。
A first power line having a first potential;
A second power supply line having a second potential lower than the first potential;
A third power supply line having a third potential lower than the second potential;
A first transistor connected between the second power line and the third power line;
A circuit block connected between the first power supply line and the second power supply line;
A drive control unit having a first drive circuit and a second drive circuit,
The drive control unit controls a gate of the first transistor;
The first transistor is turned off in a standby state and turned on in an operating state;
When transitioning from the standby state to the operation state, the drive control unit changes the gate voltage of the first transistor at a first rate, and then a second rate that is faster than the first rate. To change
The drive capability of the first drive circuit is lower than the drive capability of the second drive circuit,
The output of the first drive circuit and the output of the second drive circuit are connected in common to the gate of the first transistor,
The semiconductor device, wherein the first transistor is an NMOS transistor.
請求項1記載の半導体装置において、
前記待機状態から前記動作状態に遷移する場合には、前記第1駆動回路が前記第1トランジスタのゲート電圧を所定の電圧レベルまで変化させた後に、前記第2駆動回路が前記第1トランジスタのゲートを駆動する、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
In the case of transition from the standby state to the operation state, the second driving circuit changes the gate voltage of the first transistor to a predetermined voltage level after the first driving circuit changes the gate voltage of the first transistor. A semiconductor device for driving
請求項1記載の半導体装置において、
要求線と、
電位検出部と、を更に有し、
前記第1駆動回路は、前記要求線が初めにイネーブルになったら、前記第1トランジスタのゲートを駆動し、
前記第2駆動回路は、前記第1トランジスタのゲート電圧が所定の電圧レベルになったことを前記電位検出部が検出したら、前記第1トランジスタのゲートを駆動する、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
Request line,
An electric potential detector;
The first driving circuit drives the gate of the first transistor when the request line is first enabled;
The semiconductor device, wherein the second drive circuit drives the gate of the first transistor when the potential detection unit detects that the gate voltage of the first transistor has reached a predetermined voltage level.
請求項3記載の半導体装置において、
タイマと、
応答線と、を更に有し、
前記タイマが、前記電位検出部によって前記第1トランジスタのゲート電圧が所定の電圧レベルになったことが検出されてから所定時間経過したことを検出したら、前記応答線はイネーブルにされる、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3.
A timer,
A response line;
The response line is enabled when the timer detects that a predetermined time has elapsed since the detection of the gate voltage of the first transistor at a predetermined voltage level by the potential detector. .
請求項1記載の半導体装置において、
電圧検出部を更に有し、
前記第2駆動回路は、前記第2電源線の電位が所定の電位になったことを前記電圧検出部が検出したら、前記第1トランジスタのゲートを駆動する、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A voltage detection unit;
The semiconductor device, wherein the second drive circuit drives the gate of the first transistor when the voltage detection unit detects that the potential of the second power supply line has become a predetermined potential.
請求項5記載の半導体装置において、
応答線を更に有し、
前記第2電源線の電位が所定の電位になったことを前記電圧検出部が検出したら、前記応答線はハイレベルにされる、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 5.
A response line;
The semiconductor device, wherein the response line is set to a high level when the voltage detection unit detects that the potential of the second power supply line has become a predetermined potential.
請求項1記載の半導体装置において、
電流源を更に有し、
前記電流源は、前記第2電源線と前記第3電源線との間に接続され、
前記回路ブロックは、揮発性の情報保持機能を備える情報保持回路を含む、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A current source;
The current source is connected between the second power line and the third power line,
The circuit block includes a semiconductor device including an information holding circuit having a volatile information holding function.
請求項7記載の半導体装置において、
前記情報保持回路は、フリップフロップ回路、又はメモリセルアレイである、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 7.
The information holding circuit is a semiconductor device which is a flip-flop circuit or a memory cell array.
第1電位である第1電源線と、
前記第1電位より低い第2電位である第2電源線と、
前記第2電位より低い第3電位である第3電源線と、
前記第2電源線と前記第3電源線との間に接続される第1トランジスタと、
前記第1電源線と前記第2電源線との間に接続される回路ブロックと、
第1駆動回路及び第2駆動回路を有する駆動制御部と、を有する半導体装置であって、
前記駆動制御部は、前記第1トランジスタのゲートを制御し、
前記第1トランジスタは、待機状態ではオフ状態とされ、動作状態ではオン状態とされ、
前記動作状態から前記待機状態に遷移する場合には、前記駆動制御部は、前記第1トランジスタのゲート電圧を第1の割合で変化させた後、前記第1の割合よりも早い第2の割合で変化させ、
前記第1駆動回路の駆動能力は、前記第2駆動回路の駆動能力より低く、
前記第1駆動回路の出力と前記第2駆動回路の出力は、前記第1トランジスタのゲートに共通に接続され、
前記第1トランジスタはNMOSトランジスタである、半導体装置。
A first power line having a first potential;
A second power supply line having a second potential lower than the first potential;
A third power supply line having a third potential lower than the second potential;
A first transistor connected between the second power line and the third power line;
A circuit block connected between the first power supply line and the second power supply line;
A drive control unit having a first drive circuit and a second drive circuit,
The drive control unit controls a gate of the first transistor;
The first transistor is turned off in a standby state and turned on in an operating state;
When transitioning from the operating state to the standby state, the drive control unit changes the gate voltage of the first transistor at a first rate, and then a second rate that is faster than the first rate. To change
The drive capability of the first drive circuit is lower than the drive capability of the second drive circuit,
The output of the first drive circuit and the output of the second drive circuit are connected in common to the gate of the first transistor,
The semiconductor device, wherein the first transistor is an NMOS transistor.
請求項9記載の半導体装置において、
前記動作状態から前記待機状態に遷移する場合には、前記第1駆動回路が前記第1トランジスタのゲート電圧を所定の電圧レベルまで変化させた後に、前記第2駆動回路が前記第1トランジスタのゲートを駆動する、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 9.
When transitioning from the operating state to the standby state, the second driving circuit changes the gate voltage of the first transistor to a predetermined voltage level, and then the second driving circuit changes the gate voltage of the first transistor. A semiconductor device for driving
請求項9記載の半導体装置において、
要求線と、
電位検出部と、を更に有し、
前記第1駆動回路は、前記要求線がディセーブルになったら前記第1トランジスタのゲートを駆動し、
前記第2駆動回路は、前記第1トランジスタのゲート電圧が所定の電圧レベルになったことを前記電位検出部が検出したら、前記第1トランジスタのゲートを駆動する、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 9.
Request line,
An electric potential detector;
The first driving circuit drives the gate of the first transistor when the request line is disabled;
The semiconductor device, wherein the second drive circuit drives the gate of the first transistor when the potential detection unit detects that the gate voltage of the first transistor has reached a predetermined voltage level.
請求項11記載の半導体装置において、
タイマと、
応答線と、を更に有し、
前記タイマが、前記電位検出部によって前記第1トランジスタのゲート電圧が所定の電圧レベルになったことが検出されてから所定時間経過したことを検出したら、前記応答線はディセーブルにされる、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 11.
A timer,
A response line;
The response line is disabled when the timer detects that a predetermined time has elapsed after the potential detection unit detects that the gate voltage of the first transistor has reached a predetermined voltage level. apparatus.
請求項9記載の半導体装置において、
電流源を更に有し、
前記電流源は、前記第2電源線と前記第3電源線との間に接続され、
前記回路ブロックは、揮発性の情報保持機能を備える情報保持回路を含む、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 9.
A current source;
The current source is connected between the second power line and the third power line,
The circuit block includes a semiconductor device including an information holding circuit having a volatile information holding function.
請求項13記載の半導体装置において、
前記情報保持回路は、フリップフロップ回路、又はメモリセルアレイである、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 13.
The information holding circuit is a semiconductor device which is a flip-flop circuit or a memory cell array.
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