JP2004172627A - Semiconductor integrated circuit device, memory medium memorizing cell library, and design method of semiconductor integrated circuit - Google Patents

Semiconductor integrated circuit device, memory medium memorizing cell library, and design method of semiconductor integrated circuit Download PDF

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直樹 加藤
Kazuo Yano
和男 矢野
Yohei Akita
庸平 秋田
Mitsuru Hiraki
充 平木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor integrated circuit device where an increase of a power consumption caused from a leak current of MOSFETs and an operation speed are harmonized suitably in the semiconductor integrated circuit device composed of MOSFETs. <P>SOLUTION: For a plurality of signal routes of the semiconductor integrated circuit device, a delay when signals are transmitted along the signal routes is considered. A route having room for delay consists of MOSFETs of a high threshold voltage, contrarily, a route having no room for delay consists of MOSFETs of a low threshold voltage whose leak current is large, however, its operation speed is quick. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

本発明は、半導体集積回路装置に係わり、特に、高速かつ低電圧動作に好適な半導体集積回路装置およびセルライブラリを記憶した記憶媒体に関わる。 The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device, and more particularly, to a semiconductor integrated circuit device suitable for high-speed and low-voltage operation and a storage medium storing a cell library.

現在製造されている半導体集積回路装置においては、高集積度、低消費電力という特徴を持つMOSFETが広く用いられている。MOSFETには、しきい値電圧が存在し、このしきい値電圧によりFETのオン−オフの特性が決まる。ドライブ能力を上げ、回路の動作速度を向上させるためには、しきい値電圧を低く設定しなければならない。   In semiconductor integrated circuit devices currently manufactured, MOSFETs having characteristics of high integration and low power consumption are widely used. A MOSFET has a threshold voltage, which determines the on-off characteristics of the FET. To increase the drive capability and the operation speed of the circuit, the threshold voltage must be set low.

しかし、1993シンポジュウム オン ブイ・エル・エス・アイ サーキット ダイジェスト オブ テクニカル ペーパーズ(1993年5月)第45頁から第46頁(1993 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, pp45-46(May 1993))に述べられているように、しきい値伝あるをあまり低く設定すると、MOSFETのサブスレッショルド特性(テーリング特性)によって、FETを完全にオフすることができなくなり、サブスレッショルドリーク電流(以下リーク電流)が増大し、半導体集積回路の消費電力が非常に大きくなるという問題がある。   However, 1993 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers (May 1993), pp. 45-46 (May 1993), pp. 45-46. As described in, if the threshold voltage is set too low, the FET cannot be completely turned off due to the MOSFET sub-threshold characteristic (tailing characteristic), and the sub-threshold leakage current (hereinafter referred to as leakage current) And the power consumption of the semiconductor integrated circuit becomes very large.

一般に、MOSFETのしきい値電圧を高くするためには、ゲート酸化膜厚を高くしたり、ゲート酸化膜下の不純物濃度を高くする方法がとられている。つまりMOSFETにより構成される半導体集積回路装置を設計する際には、所望する動作周波数と消費電力を勘案し、MOSFETのしきい値電圧を決定し、半導体製造プロセス条件が決定されている。   Generally, in order to increase the threshold voltage of a MOSFET, a method of increasing the thickness of a gate oxide film or increasing the impurity concentration under the gate oxide film has been adopted. That is, when designing a semiconductor integrated circuit device composed of MOSFETs, the threshold voltage of the MOSFET is determined in consideration of a desired operating frequency and power consumption, and semiconductor manufacturing process conditions are determined.

半導体集積回路装置中のMOSFETのしきい値電圧を、一律一定の値に設定することが通常行われているが、近年の発明によれば、また、1996 アイ・イー・イー・イー インターナショナル ソリッドステイト サーキット カンファレンス ダイジェスト オブ テクニカル ペーパーズ(1996年)第166頁から第167頁(IEEE International Solid State Circuits Conference Digest of Technical Papers, pp.166-167, 1996)にあるように、スタンバイ時や動作時等の動作状態に応じて、基板バイアス電圧値を変化させMOSFETのしきい値電圧をコントロールすることを可能とする半導体集積回路が提案されている。   It is common practice to set the threshold voltage of the MOSFET in a semiconductor integrated circuit device to a uniform and constant value. According to recent inventions, however, it has also been reported that 1996 IEE International Solid State Circuit Conference Digest of Technical Papers (1996), pages 166 to 167 (IEEE International Solid State Circuits Conference Digest of Technical Papers, pp.166-167, 1996) There has been proposed a semiconductor integrated circuit capable of controlling a threshold voltage of a MOSFET by changing a substrate bias voltage value according to an operation state.

特開平8-274620では、半導体集積回路を複数の機能ブロックで構成する場合に、機能ブロックごとに、独立に基板バイアス電圧値を変化させ高速性が重視されるブロックは低しきい値電圧のMOSFETにし、そうでないブロックは高しきい値電圧のMOSFETとして動作させることも提案されている。   In Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-274620, when a semiconductor integrated circuit is composed of a plurality of functional blocks, a block in which the substrate bias voltage value is independently changed for each functional block and high-speed performance is important is a low threshold voltage MOSFET. It has also been proposed to operate the other blocks as high threshold voltage MOSFETs.

また、アイ・イー・イー・イー ジャーナル オブ ソリッドステイト サーキット、VOL30、NO8(1995年8月)第847頁から第854頁(IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUIT, VOL30, NO8, AUGUST 1995)によれば、電源供給線と擬似電源供給線を設け、これらの間にスイッチングMOSFETを配し、主回路には、擬似電源供給線から電源を供給する構成をとり、スタンバイ時には、上記スイッチングMOSFETをOFFし、主回路に電源を供給しないことにより、低消費電力化を実現する提案がなされている。ここで、上記スイッチングMOSFETは、動作時にはスイッチング動作をせずONの状態を保つために、主回路を構成するMOSFETと比べ、高しきい値電圧にしておくことが提案されている。   According to IEE Journal of Solid State Circuit, VOL30, NO8 (August 1995), pages 847 to 854 (IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUIT, VOL30, NO8, AUGUST 1995). A power supply line and a pseudo power supply line are provided, and a switching MOSFET is arranged between them.The main circuit has a configuration in which power is supplied from the pseudo power supply line. Proposals have been made to reduce power consumption by not supplying power to the main circuit. Here, it has been proposed that the switching MOSFET has a higher threshold voltage than the MOSFET constituting the main circuit in order to maintain the ON state without performing a switching operation during operation.

1993シンポジュウム オン ブイ・エル・エス・アイ サーキット ダイジェスト オブ テクニカル ペーパーズ(1993年5月)第45頁から第46頁1993 Symposium on VSI Circuit Digest of Technical Papers (May 1993) pp. 45-46

1996 アイ・イー・イー・イー インターナショナル ソリッドステイト サーキット カンファレンス ダイジェスト オブ テクニカル ペーパーズ(1996年)第166頁から第167頁1996 IEE International Solid State Circuit Conference Digest of Technical Papers (1996) 166-167 アイ・イー・イー・イー ジャーナル オブ ソリッドステイト サーキット、VOL30、NO8(1995年8月)第847頁から第854頁IEE Journal of Solid State Circuit, VOL30, NO8 (August 1995) pp. 847-854 特開平8-274620号公報JP-A-8-274620

上述したように、上記従来技術においてはスタンバイ時やアクティブ動作時等の動作状態に応じて、基板バイアス電圧値を変化させMOSFETのしきい値電圧をコントロールしたり、機能ブロックごとに、独立に基板バイアス電圧値を変化させ高速性が重視されるブロックは低しきい値電圧のMOSFETにし、そうでないブロックは高しきい値電圧のMOSFETとして動作させることが提案されている。さらには、動作時にスイッチング速度が要求されない特別なMOSFETのしきい値電圧を高くすることが提案されている。ところが、スタンバイ時に一律にしきい値電圧を上げて、アクティブ動作時には、一律にしきい値電圧を下げる方法では、アクティブ動作時に高速に動作させるためには、リーク電流による消費電力の増加を避けることができない。また、実際には、同一の機能ブロックにおいてでさえも、機能ブロックを構成する個々の論理ゲートによっては、必要な動作速度が異なる場合が存在することが発明者らの検討により判明した。   As described above, in the above-described conventional technology, the threshold voltage of the MOSFET is controlled by changing the substrate bias voltage value in accordance with the operation state such as a standby state or an active operation, or the substrate is independently controlled for each functional block. It has been proposed that a block in which high-speed performance is emphasized by changing a bias voltage value is operated as a low threshold voltage MOSFET, and a block which is not so operated as a high threshold voltage MOSFET. Further, it has been proposed to increase the threshold voltage of a special MOSFET which does not require a switching speed during operation. However, in a method of uniformly increasing the threshold voltage during standby and uniformly decreasing the threshold voltage during active operation, an increase in power consumption due to leakage current cannot be avoided in order to operate at high speed during active operation. . In addition, the present inventors have found that, even in the same functional block, the required operation speed may be different depending on the individual logic gates constituting the functional block.

図11は、100MHzで動作する半導体集積回路におけるフリップフロップ間の経路のディレイ値の度数分布を示したものである。横軸は経路のディレイ値、縦軸はそのディレイ値をもつ経路の度数を示している。100MHzで動作するためには、図中の(1)の分布のように、全経路がディレイ値10nsecより小さい値に分布している必要がある。この半導体集積回路の動作速度を125MHzにしたい場合には、全経路がディレイ値8nsecより小さい値に分布している必要が生じる。そのために、従来の技術によれば、プロセス条件を変える、または、基板バイアス電源を変えることにより、回路を構成するMOSFETのしきい値電圧を一律低くしていた。   FIG. 11 shows a frequency distribution of delay values of a path between flip-flops in a semiconductor integrated circuit operating at 100 MHz. The horizontal axis indicates the delay value of the path, and the vertical axis indicates the frequency of the path having the delay value. In order to operate at 100 MHz, it is necessary that all the paths are distributed to a value smaller than the delay value of 10 nsec as in the distribution (1) in the figure. If the operating speed of this semiconductor integrated circuit is to be 125 MHz, it is necessary that all the paths are distributed to a value smaller than the delay value of 8 nsec. Therefore, according to the prior art, the threshold voltage of the MOSFET constituting the circuit is reduced uniformly by changing the process conditions or the substrate bias power supply.

その結果、例えば、図11中の(2)の分布のように変化する。しかし、この時には、リーク電流による消費電力が増大し、要求される消費電力の条件を満足しなくなる場合がある。また、逆に、消費電力をもっと低くしたい場合には、従来の技術によれば、プロセス条件を変える、または、基板バイアス電源を変えることにより、回路を構成するMOSFETのしきい値電圧を一律高くしていた。その結果、例えば、図中の(3)分布のように変化する。つまり、回路の動作速度が低下し、100MHzは実現できなくなってしまう。   As a result, for example, the distribution changes as shown in (2) in FIG. However, at this time, the power consumption due to the leak current increases, and the required power consumption condition may not be satisfied. Conversely, if it is desired to lower the power consumption, according to the prior art, the threshold voltage of the MOSFETs constituting the circuit is uniformly increased by changing the process conditions or the substrate bias power supply. Was. As a result, for example, the distribution changes as indicated by (3) in the figure. That is, the operation speed of the circuit is reduced, and 100 MHz cannot be realized.

そこで、動作速度を重視するか、消費電力を重視するかを決めて、どちらかを妥協せざるを得なかった。   Therefore, it is necessary to decide whether to emphasize the operation speed or the power consumption, and to compromise between the two.

本発明の課題は、上記したような従来技術の問題点を解決することにある。すなわち、MOSFETにより構成される半導体集積回路装置において、 リーク電流による消費電力の増加と動作速度の調和を好適にはかり、アクティブ動作時のMOSFETのリーク電流による消費電力の増加を抑えかつ高速に動作可能な半導体集積回路装置を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above-described problems of the related art. In other words, in a semiconductor integrated circuit device composed of MOSFETs, the increase in power consumption due to leakage current and the operation speed can be appropriately coordinated, and the increase in power consumption due to MOSFET leakage current during active operation can be suppressed and high-speed operation is possible. It is to provide a simple semiconductor integrated circuit device.

さらには、リーク電流による消費電力の増加と動作速度の調和を好適に設計するために必要なセルライブラリを格納した記憶媒体を提供することにある。
さらには、リーク電流による消費電力の増加と動作速度の調和を好適に設計するための半導体集積回路の設計方法を提供することにある。
It is still another object of the present invention to provide a storage medium storing a cell library necessary for appropriately designing an increase in power consumption due to a leak current and a harmony of an operation speed.
It is still another object of the present invention to provide a method of designing a semiconductor integrated circuit for suitably designing an increase in power consumption due to a leak current and a harmony of an operation speed.

上記課題を解決するための本発明の骨子は、ある一定の動作状態、例えば、高速動作を要求されるアクティブ動作状態において、同一の機能ブロックにおいてでさえも、しきい値電圧の異なるMOSFETにより半導体集積回路装置を構成する点にある。   The gist of the present invention for solving the above-mentioned problem is that, in a certain operating state, for example, in an active operating state where high-speed operation is required, even in the same functional block, a semiconductor using MOSFETs having different threshold voltages is used. This is to constitute an integrated circuit device.

詳しく述べると、本発明の半導体集積回路装置の第1の特徴は、半導体集積回路装置中の複数の信号経路について、各々の信号経路に沿って信号が伝わる時間すなわちディレイを鑑み、要求される動作周波数を満足するために、ディレイに余裕のある経路においては、動作速度は遅いがリーク電流が小さいような高しきい値電圧のMOSFETにより構成し、逆に、ディレイに余裕のない経路においては、リーク電流は大きいが動作速度が速いような低しきい値電圧のMOSFETにより構成することである。   More specifically, a first characteristic of the semiconductor integrated circuit device of the present invention is that, for a plurality of signal paths in the semiconductor integrated circuit device, an operation required in consideration of a time, that is, a delay in which a signal is transmitted along each signal path, that is, a required operation. In order to satisfy the frequency, a path with a delay allowance is constituted by a MOSFET with a high threshold voltage such that the operation speed is slow but a leakage current is small, and conversely, in a path with a delay allowance, It is to be configured by a MOSFET having a low threshold voltage which has a large leakage current but a high operation speed.

また、本発明の半導体装置の第2の特徴は、半導体集積回路装置中のある信号経路を高しきい値電圧のMOSFETのみで構成すると、その経路のディレイが大きくなり要求される動作周波数を満足することができず、低しきい値のMOSFETのみで構成すると、逆にディレイに余裕が生じ、無駄にリーク電流による消費電力を増加させる場合に、信号経路にそって、低しきい値のMOSFETと高しきい値電圧のMOSFETを適宜混在させ、要求される動作周波数を満たすディレイを確保しつつ、リーク電流を最小限に抑えることである。
さらに、本発明の半導体装置の第3の特徴は、半導体集積回路装置中の1つの始点ノードからの信号経路が、あるノードで分岐して複数のノードへ至る信号経路において、前記したように、低しきい値のMOSFETと高しきい値電圧のMOSFETを適宜混在させる場合、低しきい値のMOSFETの使用を最小限にするために、始点ノードから分岐ノードまでの経路に低しきい値のMOSFETを多く使用することである。また、複数の始点ノードからの信号経路が、あるノードで合流し、1つの終点ノ
ードに至る経路に対して、前記したように、低しきい値のMOSFETと高しきい値電圧のMOSFETを適宜混在させる場合、低しきい値のMOSFETの使用を最小限にするために、合流ノードから終点ノードまでの経路に低しきい値のMOSFETを多く使用することである。
A second feature of the semiconductor device of the present invention is that, when a certain signal path in a semiconductor integrated circuit device is composed of only MOSFETs with a high threshold voltage, the delay of the path becomes large and the required operating frequency is satisfied. However, if only low-threshold MOSFETs are used, there is a margin for delay, and when power consumption due to leakage current is increased unnecessarily, low-threshold MOSFETs are placed along the signal path. And a MOSFET having a high threshold voltage, as appropriate, to minimize the leakage current while securing a delay that satisfies the required operating frequency.
Further, a third feature of the semiconductor device of the present invention is that, as described above, a signal path from one start node in a semiconductor integrated circuit device is branched at a certain node and reaches a plurality of nodes. When appropriately mixing low-threshold and high-threshold-voltage MOSFETs, use a low-threshold MOSFET in the path from the start node to the branch node to minimize the use of the low-threshold MOSFET. The use of many MOSFETs. In addition, as described above, a low-threshold MOSFET and a high-threshold voltage MOSFET are appropriately connected to a signal path from a plurality of start nodes at a certain node to a single end node. When mixed, the use of many low-threshold MOSFETs in the path from the junction node to the end node is to minimize the use of low-threshold MOSFETs.

さらに、本発明において、しきい値電圧の異なるMOSFETにより半導体集積回路を構成するための第1の手段は前記MOSFETのゲート酸化膜下の半導体基板の不純物濃度を変えることであり、第2の手段は前記MOSFETの基板に供給するバイアス電圧値を変えることであり、第3の手段は前記MOSFETのゲート酸化膜厚寸法を変えることであり、第4の手段は前記MOSFETのゲート長を変えることである。   Further, in the present invention, a first means for forming a semiconductor integrated circuit by MOSFETs having different threshold voltages is to change an impurity concentration of a semiconductor substrate under a gate oxide film of the MOSFET, and The third means is to change the gate oxide film thickness of the MOSFET, and the fourth means is to change the gate length of the MOSFET. is there.

さらに、上記した4つの手段を組み合わせることにより、しきい値電圧の異なるMOSFETを構成することを特徴とする。   Further, the invention is characterized in that MOSFETs having different threshold voltages are formed by combining the above four means.

さらに、上記した、しきい値電圧の異なるMOSFETを構成する第2の手段において、基板に供給するバイアス電圧値を変えるために、互いに絶縁された複数の島状のウェル領域を構成し、前記しきい値電圧が異なるMOSFETは異なるウェル領域上に配置されることを特徴とすることである。   Further, in the above-mentioned second means for forming MOSFETs having different threshold voltages, a plurality of island-shaped well regions insulated from each other are formed in order to change a bias voltage value supplied to the substrate. MOSFETs having different threshold voltages are arranged on different well regions.

さらに、上記したように、しきい値電圧が異なるMOSFETを異なるウェル領域上に構成するために、論理ゲートを1次元の列状に配置し、複数の列を列と直交方向に並べることにより、論理ゲートを2次元的に配置し、同一のしきい値電圧のMOSFETにより構成される論理ゲートを、同一の列上に配置し、列に沿った同一のウェル領域上に同じしきい値電圧のMOSFET構成し、列と同方向の配線によりバイアス電源を供給することを特徴とすることである。   Further, as described above, in order to configure MOSFETs having different threshold voltages on different well regions, logic gates are arranged in a one-dimensional column, and a plurality of columns are arranged in a direction orthogonal to the columns. Logic gates are two-dimensionally arranged, and logic gates composed of MOSFETs with the same threshold voltage are arranged on the same column, and the same threshold voltage is placed on the same well region along the column. A feature is that a MOSFET is configured and a bias power is supplied by wiring in the same direction as a column.

さらに、上記したように、同一のしきい値電圧のMOSFETにより構成される論理ゲートを、同一の列上に配置し、列に沿った同一のウェル領域上に構成するさいに、隣接する複数の列の論理ゲートが同一のしきい値電圧のMOSFETにより構成される場合、前記複数の列に渡りウェル領域を共有することを特徴とすることである。   Furthermore, as described above, when logic gates constituted by MOSFETs having the same threshold voltage are arranged on the same column, and are arranged on the same well region along the column, a plurality of adjacent logic gates are arranged. In the case where the logic gates of a column are formed by MOSFETs having the same threshold voltage, a well region is shared over the plurality of columns.

さらに、上記したような半導体集積回路装置を設計するために使用するセルライブラリを記憶した記憶媒体は、 同一の機能と同一の外形をもち、しきい値電圧の異なるMOSFETにより構成されたことにより、ディレイおよび消費電力が異なった少なくとも2種類以上のセルが登録されていることを特徴とすることである。   Further, the storage medium storing the cell library used for designing the semiconductor integrated circuit device as described above has the same function and the same outer shape, and is constituted by MOSFETs having different threshold voltages. At least two or more types of cells having different delays and different power consumptions are registered.

さらに、上記したような半導体集積回路装置を設計するための設計方法は、上述したセルライブラリを記憶した記憶媒体を用い、信号経路のディレイを計算するステップと、上記信号経路のディレイを計算するステップによる計算結果を用い、同一の機能と同一の形状をもち、しきい値電圧の異なるスイッチング素子により構成された少なくとも2種類以上のセルの中から1つのセルを選択し、論理回路に割り当てるステップを含むことを特徴とする。   Further, a design method for designing a semiconductor integrated circuit device as described above includes a step of calculating a delay of a signal path using a storage medium storing the above-described cell library, and a step of calculating a delay of the signal path. Using the calculation result by, selecting one cell from at least two or more types of cells having the same function and the same shape and configured by switching elements having different threshold voltages, and assigning the selected cell to a logic circuit. It is characterized by including.

さらに、上記したような半導体集積回路装置を設計するための別の設計方法は、上述したセルライブラリを記憶した記憶媒体を用い、高しきい値のスイッチング素子により構成されたセルのみを用いて論理回路を設計するステップと、信号経路のディレイを計算するステップと、上記高しきい値のスイッチング素子により構成されたセルのみを用いて設計された論理回路のセルの一部を、同一機能と同一形状を持つ低しきい値のスイッチング素子により構成されたセルに置き換えるステップを含むことを特徴とする。   Further, another design method for designing a semiconductor integrated circuit device as described above uses a storage medium storing the above-described cell library, and uses only a cell constituted by a high-threshold switching element. A circuit designing step, a signal path delay calculating step, and a part of the cells of the logic circuit designed using only the cells constituted by the high threshold switching elements, having the same function. The method is characterized in that the method includes a step of replacing the cell with a switching element having a low threshold voltage having a shape.

本願発明の他の観点では、信号経路中にラッチ回路、フリップフロップ回路、信号出力端子、あるいは信号入力端子のように信号の状態を保持する回路を複数有し、これらの回路の間の信号経路中には閾値の異なる複数のトランジスタを有する。あるいは、信号経路中にクロック信号により制御される第1の回路を複数有し、第1の回路の間の信号経路中には閾値の異なる複数のトランジスタを含む第2の回路を有する。   According to another aspect of the present invention, a signal path includes a plurality of circuits for holding a state of a signal such as a latch circuit, a flip-flop circuit, a signal output terminal, or a signal input terminal, and a signal path between these circuits is provided. Some of the transistors have different threshold values. Alternatively, a plurality of first circuits controlled by a clock signal are provided in a signal path, and a second circuit including a plurality of transistors having different thresholds is provided in a signal path between the first circuits.

設計思想としては、信号経路中にクロック信号により制御される第1の回路を複数有し、第1の回路の間の信号経路には閾値の異なる複数のトランジスタからなる第2の回路を有する半導体集積回路装置の設計方法であって、回路を構成する第1の回路相互間の信号遅延時間が所定目標値を超えないように、第2の回路を構成するトランジスタの閾値を設定する。   As a design concept, a semiconductor having a plurality of first circuits controlled by a clock signal in a signal path and a second circuit including a plurality of transistors having different thresholds in a signal path between the first circuits is provided. A method of designing an integrated circuit device, wherein a threshold value of a transistor forming a second circuit is set such that a signal delay time between first circuits forming a circuit does not exceed a predetermined target value.

すなわち、閾値が同一のトランジスタを用いたとすれば、複数ある第1の回路間の経路のうちで、回路全体の動作速度を律速する遅延時間の大きな経路の出現を避け得ない。しかし、このような遅延時間の大きな経路に、閾値の小さな高速トランジスタを適宜用いることで当該経路の遅延時間を小さくすることができ、回路全体の動作周波数を改善することができる。   That is, assuming that transistors having the same threshold value are used, it is inevitable that a path having a large delay time, which determines the operation speed of the entire circuit, among paths among a plurality of first circuits. However, by appropriately using a high-speed transistor having a small threshold value in such a path having a large delay time, the delay time of the path can be reduced, and the operating frequency of the entire circuit can be improved.

以上説明したように本発明によれば、ある一定の動作状態で同一の機能ブロックにおいてでさえも、しきい値電圧の異なるMOSFETを適宜選択して、半導体集積回路装置を構成することにより、 アクティブ動作時にMOSFETのリーク電流による消費電力の増加を抑えた上で、高速に動作動作可能な半導体集積回路装置が得られる。   As described above, according to the present invention, even in the same functional block in a certain operating state, the MOSFETs having different threshold voltages are appropriately selected and the semiconductor integrated circuit device is configured to be active. A semiconductor integrated circuit device capable of operating at high speed while suppressing an increase in power consumption due to leakage current of the MOSFET during operation can be obtained.

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の代表的な実施例を示す図である。図1の回路は、フリップフロップf11からf14およびNAND素子g11からg19で構成されている。図では、説明を簡単にするためにg11からg19の論理ゲートを全てNANDで示しているが、本発明の半導体集積回路装置がNAND素子のみで構成される制限を持つものではない。また、図中で説明に関係のない信号は省略してある。図1の例の回路は、200MHzで動作させることする。そのためには、フリップフロップf11にクロック信号CKが入力してから、信号がフリップフロップf12に入力するまでの経路のディレイ、および、フリップフロップf13にクロック信号CKが入力してから、信号がフリップフロップf14に入力するまでの経路のディレイが5nsec以内であることが求められる。ここで、NAND素子およびフリップフロップを高しきい値電圧のMOSFETで構成した場合のディレイを1nsec、低しきい値電圧のMOSFETで構成した場合のディレイを0.8nsecとする。   FIG. 1 is a diagram showing a typical embodiment of the present invention. The circuit of FIG. 1 includes flip-flops f11 to f14 and NAND elements g11 to g19. In the figure, for the sake of simplicity, all the logic gates g11 to g19 are shown as NAND, but the semiconductor integrated circuit device of the present invention is not limited to being constituted only by NAND elements. In the drawing, signals not related to the description are omitted. The circuit in the example of FIG. 1 is operated at 200 MHz. To this end, a delay in the path from the input of the clock signal CK to the flip-flop f11 to the input of the signal to the flip-flop f12, and the input of the clock signal CK to the flip-flop f13, It is required that the delay of the path until input to f14 is within 5 nsec. Here, it is assumed that the delay when the NAND element and the flip-flop are constituted by the high threshold voltage MOSFET is 1 nsec, and the delay when the NAND element and the flip-flop are constituted by the low threshold voltage MOSFET is 0.8 nsec.

図1において、網掛けで示した論理ゲートつまり、f13、g15からg19は、低しきい値電圧のMOSFETにより構成され、白抜きで示した素子は、高しきい値電圧のMOSFETで構成されている。これにより、f11およびg11からg14を経てf12に至る経路のディレイは5nsecであり、f13およびg15からg19を経てf14に至る経路のディレイは4.8nsecになり、両方の経路とも5nsec以内であり目標の200MHzで動作させることができる。   In FIG. 1, the shaded logic gates, i.e., f13 and g15 to g19, are constituted by low threshold voltage MOSFETs, and the elements outlined are constituted by high threshold voltage MOSFETs. I have. Thus, the delay of the path from f11 and g11 to f12 via g14 is 5 nsec, the delay of the path from f13 and g15 to f14 via g19 is 4.8 nsec, and both paths are within 5 nsec and the target It can operate at 200MHz.

ここで、従来技術のように全ての論理ゲートを高しきい値のMOSFETで構成すると、f13およびg15からg19を経てf14に至る経路のディレイは6nsecとなり、本回路は167MHzでしか動作させることができない。   Here, if all the logic gates are composed of high-threshold MOSFETs as in the prior art, the delay of the path from f13 and g15 to f14 via g19 is 6 nsec, and this circuit can be operated only at 167 MHz. Can not.

次に、リーク電流に着目する。ここで、高しきい値電圧のMOSFETで構成した場合の1つの論理ゲートのリーク電流を1pAとし、低しきい値電圧のMOSFETで構成した場合の1つの論理ゲートのリーク電流を5pAとする。この時、図1のように、信号経路毎に、論理ゲートを構成するMOSFETのしきい値電圧を変えた場合には、総リーク電流は37pAになる。従来技術のように、全ての論理ゲートを一律高しきい値電圧のMOSFETで構成した場合の総リーク電流は13pAになり、一律低しきい値電圧のMOSFETで構成した場合の総リーク電流は65pAになってしまう。   Next, attention is paid to the leak current. Here, it is assumed that the leakage current of one logic gate in the case of a MOSFET with a high threshold voltage is 1 pA, and the leakage current of one logic gate in the case of a MOSFET with a low threshold voltage is 5 pA. At this time, when the threshold voltage of the MOSFET constituting the logic gate is changed for each signal path as shown in FIG. 1, the total leakage current is 37 pA. As in the prior art, the total leakage current is 13 pA when all the logic gates are configured with a uniformly high threshold voltage MOSFET, and the total leakage current is 65 pA when configured with a uniformly low threshold voltage MOSFET. Become.

つまり、図1の例では、リーク電流13pAで動作周波数167MHz、または、リーク電流65pAで動作周波数200MHzの選択しかできなかったが、本発明にように、信号経路によって、リーク電流37pAで動作周波数200MHzを実現することができる。つまり、図1に示す実施例の骨子は、目標動作周波数を実現しつつ、リーク電流を抑えるために、半導体集積回路を構成する信号経路のディレイにより、低しきい値電圧のMOSFETと高しきい値電圧のMOSFETを使い分けることにある。   That is, in the example of FIG. 1, only the operating frequency of 167 MHz with the leak current of 13 pA or the operating frequency of 200 MHz with the leak current of 65 pA could be selected. Can be realized. In other words, the essence of the embodiment shown in FIG. 1 is that the low threshold voltage MOSFET and the high threshold voltage are realized by the delay of the signal path constituting the semiconductor integrated circuit in order to suppress the leakage current while achieving the target operating frequency. The purpose is to use MOSFETs with different voltage values.

図2を用いて本発明の別の実施例を示す。図2の回路は、図1と全く同様な回路であるが、唯一異なるのは、図2では、論理ゲートg17が高しきい値電圧のMOSFETで構成されていることである。図1では、f13およびg15からg19を経てf14に至る経路の全ての論理ゲートが低しきい値電圧のMOSFETで構成されおり、そのディレイは4.8nsecであった。つまり、動作周波数200MHzであるためには、0.2nsecの余裕が存在したことになる。図2の場合は、f13およびg15からg19を経てf14に至る経路においても、高しきい値電圧のMOSFETで構成される素子を1つ混在させるこ
とにより、ディレイを5nsecとし、リーク電流をさらに削減することができ、総リーク電流は33pAになる。つまり、図2に示す実施例の骨子は、目標動作周波数を実現しつつ、リーク電流を最小限に抑えるために、1つの信号経路においても、しきい値電圧の異なるMOSFETを適宜混在させることである。
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The circuit of FIG. 2 is exactly the same as that of FIG. 1, but the only difference is that in FIG. 2, the logic gate g17 is constituted by a MOSFET having a high threshold voltage. In FIG. 1, all the logic gates on the path from f13 and g15 to f14 via g19 are formed of low threshold voltage MOSFETs, and the delay is 4.8 nsec. That is, in order for the operating frequency to be 200 MHz, there is a margin of 0.2 nsec. In the case of Fig. 2, a delay of 5nsec is achieved by mixing one element composed of a MOSFET with a high threshold voltage on the path from f13 and g15 to f14 via g19, further reducing leakage current. And the total leakage current is 33 pA. In other words, the gist of the embodiment shown in FIG. 2 is to appropriately mix MOSFETs having different threshold voltages even in one signal path in order to minimize the leakage current while achieving the target operating frequency. is there.

図3を用いて本発明のさらに別の実施例を示す。図3では、フリップフロップf31、f32、f33と、論理ゲートg301からg317により構成されている。f31からf32の経路およびf31からf33の経路の目標とするディレイを10nsecとする。各素子のディレイおよびリーク電流の値は図1および図2と同様とする。 f31からf32の経路、f31からf33の経路のどちらも、11個の論理ゲートで構成されており、10nsecのディレイを実現するためには、11個の論理ゲート中で少なくとも5個の素子を低しきい値電圧のMOSFETで構成する必要がある。   Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the circuit includes flip-flops f31, f32, and f33 and logic gates g301 to g317. The target delay of the path from f31 to f32 and the path from f31 to f33 is 10 nsec. The values of the delay and the leak current of each element are the same as those in FIGS. Both the path from f31 to f32 and the path from f31 to f33 are composed of 11 logic gates, and in order to realize a delay of 10 nsec, at least 5 elements are reduced in 11 logic gates. It must be composed of a MOSFET with a threshold voltage.

この時、図3に示すように、両経路の共通部分であるg301からg305を低しきい値電圧のMOSFETで構成することにより、低しきい値電圧のMOSFETで構成する論理ゲート数を全体で最小にすることができる。この場合の総リーク電流は37pAであり、両経路の共通部分以外の論理ゲート例えばg307からg311およびg313からg317を低しきい値電圧のMOSFETで構成すると総リーク電流は57pAとなり、従来技術のように全ての論理ゲートを低しきい値電圧のMOSFETで構成した場合は85pAとなる。つまり図3に示す実施例の骨子は、1つの始点ノードからの信号経路が、あるノードで分岐して複数のノードへ至る信号経路において、低しきい値のMOSFETと高しきい値電圧のMOSFETを適宜混在させる場合、低しきい値のMOSFETの使用を最小限にするために、始点ノードから分岐ノードまでの経路に低しきい値のMOSFETを多く使用することである。   At this time, as shown in FIG. 3, by configuring g301 to g305, which is a common part of both paths, with low threshold voltage MOSFETs, the number of logic gates composed of low threshold voltage MOSFETs as a whole is reduced. Can be minimized. In this case, the total leakage current is 37 pA, and if logic gates other than the common part of both paths, such as g307 to g311 and g313 to g317, are formed by low threshold voltage MOSFETs, the total leakage current is 57 pA, which is the same as in the prior art. In the case where all the logic gates are composed of low threshold voltage MOSFETs, it becomes 85 pA. In other words, the gist of the embodiment shown in FIG. 3 is that the signal path from one start node is divided into a signal path from a certain node to a plurality of nodes. In order to minimize the use of low-threshold MOSFETs, low-threshold MOSFETs are often used in the path from the starting node to the branch node.

図4を用いて本発明のさらに別の実施例を示す。図4は、フリップフロップf41、f42、f43と、論理ゲートg401からg417により構成されている。f41からf43の経路およびf42からf43の経路の目標とするディレイを図3同様に10nsecとする。各素子のディレイおよびリーク電流の値は図1から図3と同様とする。 f41からf43の経路、f42からf43の経路のどちらも、11個の論理ゲートで構成されており、10nsecのディレイを実現するためには、11個の論理ゲート中で少なくとも5個の素子を低しきい値電圧のMOSFETで構成する必要がある。   Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 includes flip-flops f41, f42, and f43 and logic gates g401 to g417. The target delay of the path from f41 to f43 and the path from f42 to f43 is 10 nsec as in FIG. The values of the delay and the leak current of each element are the same as in FIGS. Both the path from f41 to f43 and the path from f42 to f43 are composed of 11 logic gates, and in order to realize a delay of 10 nsec, at least 5 elements are reduced in 11 logic gates. It must be composed of a MOSFET with a threshold voltage.

この時、図4に示すように、両経路の共通部分であるg407からg411を低しきい値電圧のMOSFETで構成することにより、低しきい値電圧のMOSFETで構成する論理ゲート数を全体で最小にすることができる。この場合の総リーク電流は37pAであり、両経路の共通部分以外の論理ゲート例えばg401からg405およびg412からg416を低しきい値電圧のMOSFETで構成すると総リーク電流は57pAとなり、従来技術のように全ての論理ゲートを低しきい値電圧のMOSFETで構成した場合は85pAとなる
。つまり図4に示す実施例の骨子は、複数の始点ノードからの信号経路が、あるノードで合流して1つのノードへ至る信号経路において、低しきい値のMOSFETと高しきい値電圧のMOSFETを適宜混在させる場合、低しきい値のMOSFETの使用を最小限にするために、合流ノードから終点ノードまでの経路に低しきい値のMOSFETを多く使用することである。
At this time, as shown in FIG. 4, by configuring g407 to g411, which are common parts of both paths, with low threshold voltage MOSFETs, the number of logic gates composed of low threshold voltage MOSFETs as a whole is reduced. Can be minimized. In this case, the total leakage current is 37 pA, and when logic gates other than the common part of both paths, such as g401 to g405 and g412 to g416, are configured by low threshold voltage MOSFETs, the total leakage current is 57 pA, which is the same as in the prior art. In the case where all the logic gates are composed of low threshold voltage MOSFETs, it becomes 85 pA. In other words, the gist of the embodiment shown in FIG. 4 is that the signal paths from a plurality of start-point nodes are merged at a certain node and reach a single node. In order to minimize the use of the low-threshold MOSFETs, the use of many low-threshold MOSFETs in the path from the junction node to the end point node.

図19を用いて、本発明のさらに別の実施例を説明する。図19は、フリップフロップf191から1つまたは複数の論理ゲートで構成される回路c191、論理ゲートg191、論理ゲートg192、論理ゲート群gg191を通ってフリップフロップf192に至る第1の信号経路および、フリップフロップf191から1つまたは複数の論理ゲートで構成される回路c191、論理ゲートg191、論理ゲートg193、論理ゲート群gg192を通ってフリップフロップf193に至る第2の信号経路が存在する例である。一律高しきい値電圧のMOSFETのみで構成すると両経路ともに目標ディレイをオーバーしてしまうとする。   Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 19 shows a first signal path from a flip-flop f191 to a flip-flop f192 through a circuit c191 including one or more logic gates, a logic gate g191, a logic gate g192, a logic gate group gg191, and a flip-flop. This is an example in which there is a second signal path from the flip-flop f191 to the flip-flop f193 through the circuit c191 including one or more logic gates, the logic gate g191, the logic gate g193, and the logic gate group gg192. It is assumed that if only MOSFETs having a uniform high threshold voltage are used, both paths exceed the target delay.

この場合、両経路の共有論理ゲートであるg191のMOSFETを低しきい値電圧MOSFETで構成することは上述した。さらに、論理ゲート群gg191とgg192に着目すると、gg192は、N段の論理ゲートで構成され、gg191はgg192よりM段多いN+M段で構成されている。この時、gg191を含む第1の信号経路が、gg192を含む第2の信号経路よりディレイが大きくなる。このような場合には、低しきい値電圧のMOSFETで構成したg191でファンアウトした第1の経路の論理ゲートg192を低しきい値電圧のMOSFETで構成する。図には示していないが、必要に応じてgg191の論理ゲートのいくつかを低しきい値電圧のMOSFETで構成する。   In this case, as described above, the MOSFET of g191, which is a shared logic gate of both paths, is configured by a low threshold voltage MOSFET. Further focusing on the logic gate groups gg191 and gg192, gg192 is composed of N stages of logic gates, and gg191 is composed of N + M stages, which are M stages more than gg192. At this time, the first signal path including gg191 has a larger delay than the second signal path including gg192. In such a case, the logic gate g192 of the first path fanned out by the g191 formed of a low threshold voltage MOSFET is formed of a low threshold voltage MOSFET. Although not shown, some of the logic gates of gg191 are formed of low threshold voltage MOSFETs as necessary.

図20を用いて、本発明のさらに別の実施例を説明する。図20は、フリップフロップf201から論理ゲート群gg201、論理ゲートg201 、論理ゲートg202、1つまたは複数の論理ゲートで構成される回路c201を通ってフリップフロップf203に至る第1の信号経路および、フリップフロップf202から論理ゲート群gg202、論理ゲートg203 、論理ゲートg202、1つまたは複数の論理ゲートで構成される回路c201を通ってフリップフロップf203に至る第2の信号経路が存在する例である。一律高しきい値電圧のMOSFETのみで構成すると両経路ともに目標ディレイをオーバーしてしまうとする。   Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 20 shows a first signal path from a flip-flop f201 to a flip-flop f203 through a logic gate group gg201, a logic gate g201, a logic gate g202, a circuit c201 including one or more logic gates, and a flip-flop. In this example, there is a second signal path from the flip-flop f202 to the flip-flop f203 through the logic gate group gg202, the logic gate g203, the logic gate g202, and the circuit c201 including one or more logic gates. It is assumed that if only MOSFETs having a uniform high threshold voltage are used, both paths exceed the target delay.

この場合、両経路の共有論理ゲートであるg202のMOSFETを低しきい値電圧MOSFETで構成することは上述した。さらに、論理ゲート群gg201とgg202に着目すると、gg202は、K段の論理ゲートで構成され、gg201はgg202よりL段多いK+L段で構成されている。この時、gg201を含む第1の信号経路が、gg202を含む第2の信号経路よりディレイが大きくなる。このような場合には、第1の経路の論理ゲートg201を低しきい値電圧のMOSFETで構成する。図には示していないが、必要に応じてgg201の論理ゲートのいくつかを低しきい値電圧のMOSFETで構成する。   In this case, as described above, the MOSFET of g202, which is a shared logic gate of both paths, is configured by a low threshold voltage MOSFET. Furthermore, focusing on the logic gate groups gg201 and gg202, gg202 is configured by K stages of logic gates, and gg201 is configured by K + L stages L stages more than gg202. At this time, the first signal path including gg201 has a larger delay than the second signal path including gg202. In such a case, the logic gate g201 in the first path is configured by a low threshold voltage MOSFET. Although not shown in the figure, some of the logic gates of gg201 are formed of low threshold voltage MOSFETs as necessary.

図12で、pチャネルMOSFETおよびnチャネルMOSFETにより構成される相補型MOSFETを用いた本発明の一実施例について説明する。フリップフロップf121の出力ピンは、1つまたは複数のMOSFETを通って、第1のpチャネルMOSFETpm1のゲートおよび第1のnチャネルMOSFETnm1のゲート電極に接続されている。 pチャネルMOSFETpm1は、第1の動作電位供給線Vdd121と第1のノードnd1の間にソース・ドレイン経路を持つように接続され、nチャネルMOSFETnm1は、第1のノードnd1と第2の動作電位供給線Vss121との間にソース・ドレイン経路を持つように接続されている。   An embodiment of the present invention using a complementary MOSFET constituted by a p-channel MOSFET and an n-channel MOSFET will be described with reference to FIG. The output pin of the flip-flop f121 is connected to the gate of the first p-channel MOSFET pm1 and the gate electrode of the first n-channel MOSFET nm1 through one or more MOSFETs. The p-channel MOSFET pm1 is connected to have a source / drain path between the first operating potential supply line Vdd121 and the first node nd1, and the n-channel MOSFET nm1 is connected to the first node nd1 and the second operating potential supply It is connected so as to have a source / drain path between it and the line Vss121.

さらに、第1のノードnd1は、第2のpチャネルMOSFETpm2のゲートおよび第2のnチャネルMOSFETnm2のゲート電極に接続されている。 pチャネルMOSFETpm2は、第1の動作電位供給線Vdd121と第2のノードnd2の間にソース・ドレイン経路を持つように接続され、nチャネルMOSFETnm2は、第2のノードnd2と第2の動作電位供給線Vss121との間にソース・ドレイン経路を持つように接続されている。さらに、第2のノードnd2は1つまたは複数のMOSFETを通って、第2のフリップfロップf122の入力ピンに接続されている。   Further, the first node nd1 is connected to the gate of the second p-channel MOSFET pm2 and the gate electrode of the second n-channel MOSFET nm2. The p-channel MOSFET pm2 is connected to have a source / drain path between the first operating potential supply line Vdd121 and the second node nd2, and the n-channel MOSFET nm2 is connected to the second node nd2 and the second operating potential supply It is connected so as to have a source / drain path between it and the line Vss121. Further, the second node nd2 is connected to the input pin of the second flip-flop f122 through one or more MOSFETs.

なお、本図ではフリップフロップf121、f122の内部はインバータ、トライステートゲート、トランスファーゲート等を論理ゲート記号で示している。フリップフロップf121、f122には、クロック信号CKが入力されている。本図では、高しいきい値電圧のMOSFETは細い実線で、低しいきい値電圧のMOSFETは太い実線で示している。以下、この表記を用いる。   In the figure, the insides of the flip-flops f121 and f122 indicate inverters, tri-state gates, transfer gates, and the like with logic gate symbols. The clock signal CK is input to the flip-flops f121 and f122. In the figure, the high threshold voltage MOSFETs are shown by thin solid lines, and the low threshold voltage MOSFETs are shown by thick solid lines. Hereinafter, this notation is used.

図12では、 pチャネルMOSFETpm2およびnチャネルMOSFETnm2が低しきい値電圧のMOSFETであり、 pチャネルMOSFETpm1およびnチャネルMOSFETnm1が高しきい値電圧のMOSFETである。枠で囲み示しているように、 pチャネルMOSFETpm1およびnチャネルMOSFETnm1によりインバータ論理ゲートinv1が構成され、 pチャネルMOSFETpm2およびnチャネルMOSFETnm2により、インバータ論理ゲートinv2が構成されている。本回路は、クロック信号CKがフリップフロップf121に入力されてから、フリップフロップf121の出力ピンから信号が出力され、インバータinv1およびインバータinv2を通過しフリップフロップf122の入力に信号が到達するまでの時間つまりこの経路のディレイがクロック信号CKの周期以内である必要がある。   In FIG. 12, the p-channel MOSFET pm2 and the n-channel MOSFET nm2 are low threshold voltage MOSFETs, and the p-channel MOSFET pm1 and the n-channel MOSFET nm1 are high threshold voltage MOSFETs. As indicated by the frame, the inverter logic gate inv1 is formed by the p-channel MOSFET pm1 and the n-channel MOSFET nm1, and the inverter logic gate inv2 is formed by the p-channel MOSFET pm2 and the n-channel MOSFET nm2. In this circuit, the time from when the clock signal CK is input to the flip-flop f121 to when the signal is output from the output pin of the flip-flop f121 and passes through the inverters inv1 and inv2 and reaches the input of the flip-flop f122 That is, the delay of this path needs to be within the cycle of the clock signal CK.

実際は、フリップフロップのセットアップに必要な時間や、クロック信号がフリップフロップに到達する時間のずれ等を考慮する必要があるが、ここでは説明の本質に関係ないために無視する。つまり、この経路のディレイは、フリップフロップf121にクロック信号が入力してからフリップフロップf121が信号を出力するためのディレイ、インバータinv1のディレイとインバータinv2のディレイの和になる。ここで、 pチャネルMOSFETpm1およびnチャネルMOSFETnm1および pチャネルMOSFETpm2およびnチャネルMOSFETnm2を全て高しきい値電圧のMOSFETで構成した場合にはこの経路のディレイがクロック周期より大きくなり、全てを低しきい値MOSFETで構成した場合ディレイに余裕が発生する(つまり、無駄に電力を消費することになる)とする。   Actually, it is necessary to consider the time required for the setup of the flip-flop, the time lag of the clock signal reaching the flip-flop, and the like, but they are ignored here because they are irrelevant to the description. That is, the delay of this path is the sum of the delay for the flip-flop f121 to output a signal after the clock signal is input to the flip-flop f121, the delay of the inverter inv1, and the delay of the inverter inv2. Here, when the p-channel MOSFET pm1 and the n-channel MOSFET nm1 and the p-channel MOSFET pm2 and the n-channel MOSFET nm2 are all composed of high threshold voltage MOSFETs, the delay of this path becomes longer than the clock cycle, and It is assumed that a delay occurs when a MOSFET is used (that is, power is wasted).

このように、従来の技術では、ディレイと消費電力を極限まで最適化することはできなかったが、本実施例のように、 pチャネルMOSFETpm2およびnチャネルMOSFETnm2のみを低しきい値電圧にすることで、ディレイを間に合わせた上で消費電力を押さえることが可能になる。   As described above, in the conventional technology, the delay and the power consumption cannot be optimized to the utmost, but as in the present embodiment, only the p-channel MOSFET pm2 and the n-channel MOSFET nm2 are set to the low threshold voltage. Thus, the power consumption can be suppressed after the delay is set in time.

図13を用いて、pチャネルMOSFETおよびnチャネルMOSFETにより構成される相補型MOSFETを用いた本発明の別の実施例について説明する。フリップフロップf131の出力ピンは第1のpチャネルMOSFETpm131のゲートおよび第1のnチャネルMOSFETnm131のゲート電極に接続されている。   Another embodiment of the present invention using a complementary MOSFET composed of a p-channel MOSFET and an n-channel MOSFET will be described with reference to FIG. The output pin of the flip-flop f131 is connected to the gate of the first p-channel MOSFET pm131 and the gate electrode of the first n-channel MOSFET nm131.

pチャネルMOSFETpm131は、第1の動作電位供給線Vdd131と第1のノードnd131の間にソース・ドレイン経路を持つように接続され、nチャネルMOSFETnm131は、第1のノードnd131と第2の動作電位供給線Vss131との間にソース・ドレイン経路を持つように接続されている。さらに、第1のノードnd131は、第2のpチャネルMOSFETpm132のゲートおよび第2のnチャネルMOSFETnm132および第3のpチャネルMOSFETpm134のゲートおよび第3のnチャネルMOSFETnm134のゲートに接続されている。   The p-channel MOSFET pm131 is connected so as to have a source / drain path between the first operating potential supply line Vdd131 and the first node nd131, and the n-channel MOSFET nm131 is connected to the first operating potential supply line Vdd131 and the second operating potential supply line. It is connected to the line Vss131 so as to have a source / drain path. Further, the first node nd131 is connected to the gate of the second p-channel MOSFET pm132, the gates of the second n-channel MOSFET nm132 and the third p-channel MOSFET pm134, and the gate of the third n-channel MOSFET nm134.

pチャネルMOSFETpm132は、第1の動作電位供給線Vdd131と第2のノードnd132の間にソース・ドレイン経路を持つように接続され、さらに第4のpチャネルMOSFETpm133も、同様に第1の動作電位供給線Vdd131と第2のノードnd132の間にソース・ドレイン経路を持つように接続されている。nチャネルMOSFETnm132と第4のnチャネルMOSFETnm133は、第2のノードnd132と第2の動作電位供給線Vss131との間にソース・ドレイン経路を持つように直列に接続されている。   The p-channel MOSFET pm132 is connected so as to have a source-drain path between the first operating potential supply line Vdd131 and the second node nd132, and the fourth p-channel MOSFET pm133 is similarly connected to the first operating potential supply line. The source and drain paths are connected between the line Vdd131 and the second node nd132. The n-channel MOSFET nm132 and the fourth n-channel MOSFET nm133 are connected in series so as to have a source / drain path between the second node nd132 and the second operating potential supply line Vss131.

pチャネルMOSFETpm134と第5のpチャネルMOSFETpm135は、第1の動作電位供給線Vdd131と第3のノードnd133の間にソース・ドレイン経路を持つように直列に接続され、nチャネルMOSFETnm132は、第3のノードnd133と第2の動作電位供給線Vss131との間にソース・ドレイン経路を持つように接続されている。同様に、第5のnチャネルMOSFETnm135も、第3のノードnd133と第2の動作電位供給線Vss131との間にソース・ドレイン経路を持つように接続されている。    The p-channel MOSFET pm134 and the fifth p-channel MOSFET pm135 are connected in series with a source-drain path between the first operating potential supply line Vdd131 and the third node nd133, and the n-channel MOSFET nm132 is connected to the third The source and drain paths are connected between the node nd133 and the second operating potential supply line Vss131. Similarly, the fifth n-channel MOSFET nm135 is also connected so as to have a source / drain path between the third node nd133 and the second operating potential supply line Vss131.

さらに、第2のノードnd132は1つまたは複数の論理ゲートで構成される回路c131(本図では略記として楕円形で示した)を経由して第2のフリップフロップf132の入力ピンに接続されている。また、第3のノードnd133は1つまたは複数の論理ゲートで構成される回路c132(c131同様に楕円形で示した)を経由して第3のフリップフロップf133の入力ピンに接続されている。   Further, the second node nd132 is connected to an input pin of a second flip-flop f132 via a circuit c131 (shown as an abbreviation in this drawing) composed of one or more logic gates. I have. Further, the third node nd133 is connected to an input pin of the third flip-flop f133 via a circuit c132 (shown by an ellipse like c131) composed of one or a plurality of logic gates.

なお、本図ではフリップフロップの内部ゲートは省略した。フリップフロップには、クロック信号CKが入力されている。また、枠で囲み示しているように、 pチャネルMOSFETpm131およびnチャネルMOSFETnm131によりインバータ論理ゲートinv131が構成され、 pチャネルMOSFETpm132、pm133およびnチャネルMOSFETnm132、nm133により、NAND論理ゲートNAND131が構成され、 pチャネルMOSFETpm134、pm135およびnチャネルMOSFETnm134、nm135により、NOR論理ゲートNOR131が構成されている。なお、NAND131にはinv131の出力以外にin2信号が入力され、NOR131にはomv131の出力以外にin3信号が入力されている。   In this figure, the internal gate of the flip-flop is omitted. The clock signal CK is input to the flip-flop. Also, as indicated by the frame, an inverter logic gate inv131 is constituted by the p-channel MOSFET pm131 and the n-channel MOSFET nm131, and a NAND logic gate NAND131 is constituted by the p-channel MOSFETs pm132 and pm133 and the n-channel MOSFETs nm132 and nm133. MOSFETs pm134 and pm135 and n-channel MOSFETs nm134 and nm135 form a NOR logic gate NOR131. Note that the NAND 131 receives an in2 signal in addition to the output of the inv 131, and the NOR 131 receives an in3 signal in addition to the output of the omv 131.

本回路は、クロック信号CKがフリップフロップf131に入力されてから、フリップフロップf131の出力ピンから信号が出力され、インバータinv131およびNAND131を通過しc131を経由しフリップフロップf132の入力に信号が到達するまでの時間および、フリップフロップf131の出力ピンから信号が出力され、インバータinv131およびNOR131を通過しc132を経由しフリップフロップf133の入力に信号が到達するまでの時間がクロック信号CKの周期以内である必要がある。本実施例でもNAND131およびNOR131およびinv131を構成するすべてのMOSFETを高しきい値電圧で構成した場合には、上記2つの経路のディレイがクロック周期より大きくなり、全てを低しきい値MOSFETで構成した場合には、上記2つの経路のディレイに余裕が発生する(つまり、無駄に電力を消費することになる)とする。   In this circuit, after the clock signal CK is input to the flip-flop f131, a signal is output from the output pin of the flip-flop f131, passes through the inverter inv131 and the NAND131, passes through c131, and reaches the input of the flip-flop f132. Until the signal is output from the output pin of the flip-flop f131, passes through the inverter inv131 and the NOR131, passes through c132, and reaches the input of the flip-flop f133 within the cycle of the clock signal CK. There is a need. Also in this embodiment, when all the MOSFETs constituting the NAND 131, NOR 131 and inv 131 are configured with the high threshold voltage, the delay of the above two paths becomes longer than the clock cycle, and all are configured with the low threshold MOSFET. In this case, it is assumed that a margin occurs in the delay between the two paths (that is, power is wasted unnecessarily).

図12の実施例では、inv1とinv2のどちらを低しきい値電圧で構成しても、消費電力に差はなかったが、本実施例のように、経路がnd131で分岐している場合には、分岐ノードnd131より上流、つまり、両経路に共有される論理ゲートのMOSFETpm131およびnm131を低しきい値電圧にする。これにより、ディレイを目標時間以内におさえるために必要となる低しきい値電圧MOSFETの数を最小限にし、消費電力をさらに押さえることが可能になる。本実施例では、2つの経路に分岐する例を示したが、3分岐、つまり、ファンアウト3以上の場合でも、同様であり本発明に含まれる。   In the embodiment of FIG. 12, there is no difference in power consumption regardless of which of inv1 and inv2 is configured with the low threshold voltage, but as in this embodiment, when the path is branched at nd131. Makes the MOSFETs pm131 and nm131 of the logic gates upstream of the branch node nd131, that is, the logic gates shared by both paths, have a low threshold voltage. As a result, the number of low threshold voltage MOSFETs required to keep the delay within the target time can be minimized, and the power consumption can be further reduced. In the present embodiment, an example of branching into two routes has been described. However, the same applies to a case of three branches, that is, a fan-out of 3 or more, which is included in the present invention.

図14を用いて、pチャネルMOSFETおよびnチャネルMOSFETにより構成される相補型MOSFETを用いた本発明のさらに別の実施例について説明する。フリップフロップf141の出力ピンは論理ゲート回路c141を経由して、第1のpチャネルMOSFETpm141および第1のnチャネルMOSFETnm141のゲート電極に接続されている。 pチャネルMOSFETpm141は、第1の動作電位供給線Vdd141と第1のノードnd141の間にソース・ドレイン経路を持つように接続されている。第2のpチャネルMOSFETpm142も同様に、第1の動作電位供給線Vdd141と第1のノードnd141の間にソース・ドレイン経路を持つように接続されている。nチャネルMOSFETnm141と第2のnチャネルMOSFETnm142は、第1のノードnd141と第2の動作電位供給線Vss141との間にソース・ドレイン経路を持つように直列接続されている。   Another embodiment of the present invention using a complementary MOSFET constituted by a p-channel MOSFET and an n-channel MOSFET will be described with reference to FIG. The output pin of the flip-flop f141 is connected to the gate electrodes of the first p-channel MOSFET pm141 and the first n-channel MOSFET nm141 via the logic gate circuit c141. The p-channel MOSFET pm141 is connected to have a source / drain path between the first operating potential supply line Vdd141 and the first node nd141. Similarly, the second p-channel MOSFET pm142 is connected to have a source / drain path between the first operating potential supply line Vdd141 and the first node nd141. The n-channel MOSFET nm141 and the second n-channel MOSFET nm142 are connected in series so as to have a source / drain path between the first node nd141 and the second operating potential supply line Vss141.

フリップフロップf142の出力ピンは論理ゲート回路c142を経由して、第3のpチャネルMOSFETpm143および第3のnチャネルMOSFETnm143のゲート電極に接続されている。 pチャネルMOSFETpm143は、第1の動作電位供給線Vdd141と第2のノードnd142の間にソース・ドレイン経路を持つように接続されている。第4のpチャネルMOSFETpm144も同様に、第1の動作電位供給線Vdd141と第2のノードnd142の間にソース・ドレイン経路を持つように接続されている。nチャネルMOSFETnm143と第4のnチャネルMOSFETnm144は、第2のノードnd142と第2の動作電位供給線Vss141との間にソース・ドレイン経路を持つように直列接続されている。   The output pin of the flip-flop f142 is connected to the gate electrodes of the third p-channel MOSFET pm143 and the third n-channel MOSFET nm143 via the logic gate circuit c142. The p-channel MOSFET pm143 is connected so as to have a source / drain path between the first operating potential supply line Vdd141 and the second node nd142. Similarly, the fourth p-channel MOSFET pm144 is connected to have a source / drain path between the first operating potential supply line Vdd141 and the second node nd142. The n-channel MOSFET nm143 and the fourth n-channel MOSFET nm144 are connected in series so as to have a source / drain path between the second node nd142 and the second operating potential supply line Vss141.

さらに、第1のノードnd141は、第5のpチャネルMOSFETpm145および第5のnチャネルMOSFETnm145のゲート電極に接続されている。 さらに、第2のノードnd142は、第6のpチャネルMOSFETpm146および第6のnチャネルMOSFETnm146のゲート電極に接続されている。 pチャネルMOSFETpm145、pm146は、第1の動作電位供給線Vdd141と第3のノードnd143の間にソース・ドレイン経路を持つように接続され、nチャネルMOSFETnm145とnチャネルMOSFETnm146は、第3のノードnd143と第2の動作電位供給線Vss141との間にソース・ドレイン経路を持つように直列に接続されている。さらに、第3のノードnd143は第3のフリップフロップf143の入力ピンに接続されている。なお、本図でもフリップフロップの内部ゲートは省略した。フリップフロップには、クロック信号CKが入力されている。また、枠で囲み示しているように、 pチャネルMOSFETpm141、pm142およびnチャネルMOSFETnm141 、pm142によりNAND論理ゲートNAND141が構成され、 pチャネルMOSFETpm143、pm144およびnチャネルMOSFETnm143、pm144により、イNAND論理ゲートNAND142が構成され、pチャネルMOSFETpm145、pm146およびnチャネルMOSFETnm145、nm146により、NAND論理ゲートNAND143が構成されている。   Further, the first node nd141 is connected to the gate electrodes of the fifth p-channel MOSFET pm145 and the fifth n-channel MOSFET nm145. Further, the second node nd142 is connected to the gate electrodes of the sixth p-channel MOSFET pm146 and the sixth n-channel MOSFET nm146. The p-channel MOSFETs pm145 and pm146 are connected so as to have a source / drain path between the first operating potential supply line Vdd141 and the third node nd143, and the n-channel MOSFET nm145 and the n-channel MOSFET nm146 are connected to the third node nd143. The source and drain paths are connected in series with the second operating potential supply line Vss141. Further, the third node nd143 is connected to the input pin of the third flip-flop f143. Note that the internal gate of the flip-flop is also omitted in this drawing. The clock signal CK is input to the flip-flop. Also, as indicated by the frame, the p-channel MOSFETs pm141 and pm142 and the n-channel MOSFETs nm141 and pm142 form a NAND logic gate NAND141. The p-channel MOSFETs pm145 and pm146 and the n-channel MOSFETs nm145 and nm146 form a NAND logic gate NAND143.

本回路は、クロック信号CKがフリップフロップf141に入力されてから、フリップフロップf141の出力ピンから信号が出力され、c141を通過し、NAND141およびNAND143を通過し、フリップフロップf143の入力に信号が到達するまでの時間および、フリップフロップf142の出力ピンから信号が出力され、クロック信号CKがフリップフロップf142に入力されてから、フリップフロップf142の出力ピンから信号が出力され、c142を通過し、イNAND142およびNAND143を通過し、フリップフロップf143の入力に信号が到達するまでの時間がクロック信号CKの周期以内である必要がある。   In this circuit, after the clock signal CK is input to the flip-flop f141, a signal is output from the output pin of the flip-flop f141, passes through c141, passes through NAND141 and NAND143, and reaches the input of the flip-flop f143. And a signal is output from the output pin of the flip-flop f142, and after the clock signal CK is input to the flip-flop f142, a signal is output from the output pin of the flip-flop f142 and passes through c142. And the time required for the signal to pass through the NAND 143 and reach the input of the flip-flop f143 must be within the cycle of the clock signal CK.

本実施例でもNAND141、NAND142、NAND143を構成するすべてのMOSFETを高しきい値電圧で構成した場合には、上記2つの経路のディレイがクロック周期より大きくなり、全てを低しきい値MOSFETで構成した場合には、上記2つの経路のディレイに余裕が発生する(つまり、無駄に電力を消費することになる)とする。図12の実施例では、inv1とinv2のどちらを低しきい値電圧で構成しても、消費電力に差はなかったが、本実施例のように、2つの入力からの経路が合流している場合には、図13で説明したのと同様に、両経路に共有される論理ゲートのMOSFETを優先的に低しきい値電圧にする。つまり、本図では、pm145、pm146およびnm145、nm146を低しきい値電圧のMOSFETとする。このために、ディレイを目標時間以内におさえるために必要となる低しきい値電圧MOSFETの数を最小限にし、消費電力を押さえることが可能になる。なお、本実施例では、2つの経路が合流する例を示したが、3経路以上が合流する場合でも、同様であり本発明に含まれる。   Also in this embodiment, when all the MOSFETs constituting the NAND 141, NAND 142, and NAND 143 are configured with the high threshold voltage, the delay of the above two paths becomes longer than the clock cycle, and all of the MOSFETs are configured with the low threshold MOSFET. In this case, it is assumed that a margin occurs in the delay between the two paths (that is, power is wasted unnecessarily). In the embodiment of FIG. 12, there is no difference in power consumption regardless of which of inv1 and inv2 is configured with the low threshold voltage. However, as in the present embodiment, the paths from the two inputs merge. In such a case, the logic gate MOSFET shared by both paths is preferentially set to a low threshold voltage, as described with reference to FIG. That is, in this drawing, pm145, pm146 and nm145, nm146 are MOSFETs with a low threshold voltage. For this reason, it is possible to minimize the number of low threshold voltage MOSFETs required to keep the delay within the target time and to suppress power consumption. In the present embodiment, an example in which two routes merge is described. However, the case where three or more routes merge is the same and is included in the present invention.

図21を用いて、pチャネルMOSFETおよびnチャネルMOSFETにより構成される相補型MOSFETおよびnチャネルMOSFETにより構成されるパストランジスタゲートを用いた本発明の実施例について説明する。   An embodiment of the present invention using a complementary MOSFET constituted by a p-channel MOSFET and an n-channel MOSFET and a pass transistor gate constituted by an n-channel MOSFET will be described with reference to FIG.

第1のnチャネルMOSFETnm212のドレイン電極に入力信号in211が入り、第2のnチャネルMOSFETnm213のドレイン電極に入力信号in212が入り、さらに、第2のnチャネルMOSFETnm213のゲート電極に入力信号in213が入り、第1のnチャネルMOSFETnm212のゲート電極に入力信号in213の否定が入り、第1のnチャネルMOSFETnm212および第2のnチャネルMOSFETnm213のソース電極は第1のノードnd211に接続されることで、第1のnチャネルMOSFETnm212および第2のnチャネルMOSFETnm213によって、2入力1出力のセレクタ論理ゲートsel211をパストランジスタにより構成している。   The input signal in211 enters the drain electrode of the first n-channel MOSFET nm212, the input signal in212 enters the drain electrode of the second n-channel MOSFET nm213, and the input signal in213 enters the gate electrode of the second n-channel MOSFET nm213, The negation of the input signal in213 is input to the gate electrode of the first n-channel MOSFET nm212, and the source electrodes of the first n-channel MOSFET nm212 and the second n-channel MOSFET nm213 are connected to the first node nd211. The n-channel MOSFET nm212 and the second n-channel MOSFET nm213 configure a 2-input / 1-output selector logic gate sel211 by a pass transistor.

さらに、第1のノードnd211は、第1のpチャネルMOSFETpm211および第3のnチャネルMOSFETnm211のゲート電極に接続されている。第1のpチャネルMOSFETpm211は、第1の動作電位供給線Vdd211と第2のノードnd212の間にソース・ドレイン経路を持つように接続されて、第3のnチャネルMOSFETnm211は、第2の動作電位供給線Vss211と第2のノードnd212の間にソース・ドレイン経路を持つように接続されている。これにより、第1のpチャネルMOSFETpm211および第3のnチャネルMOSFETnm211により、インバータ論理ゲートinv211が構成されている。図21に示した回路は、パストランジスタ論理ゲートと相補型MOSFET論理ゲートが混在する回路である。   Further, the first node nd211 is connected to the gate electrodes of the first p-channel MOSFET pm211 and the third n-channel MOSFET nm211. The first p-channel MOSFET pm211 is connected to have a source-drain path between the first operating potential supply line Vdd211 and the second node nd212, and the third n-channel MOSFET nm211 is connected to the second operating potential The source and drain paths are connected between the supply line Vss211 and the second node nd212. As a result, the first p-channel MOSFET pm211 and the third n-channel MOSFET nm211 form an inverter logic gate inv211. The circuit shown in FIG. 21 is a circuit in which pass transistor logic gates and complementary MOSFET logic gates coexist.

この時、パストランジスタである第1、第2のnチャネルMOSFETnm212およびnm213を低しきい値電圧にする。近年、コンパクトに論理ゲートを構成できる利点から、パストランジスタによる論理ゲートが注目されているが、低電圧動作時のスイッチング速度の低下が相補型MOSFETに比べ、パストランジスタでは顕著であるという問題点を発明者らは見出していた。そこで、本実施例のように、相補型MOSFETとパストランジスタを混在して使用する半導体集積回路において、パストランジスタを低しきい値電圧で構成することにより、上記問題を解決でき、相補型MOSFETとパストランジスタを混在する半導体装置において、パストランジスタの動作速度を低下させることなく、低電圧、高速動作が可能となる。   At this time, the first and second n-channel MOSFETs nm212 and nm213, which are pass transistors, are set to a low threshold voltage. In recent years, logic gates using pass transistors have attracted attention due to the advantage of being able to construct logic gates in a compact manner.However, there is a problem that the switching speed at the time of low-voltage operation is significantly reduced in pass transistors compared to complementary MOSFETs. The inventors have found. Therefore, in a semiconductor integrated circuit in which a complementary MOSFET and a pass transistor are used together as in this embodiment, the above problem can be solved by configuring the pass transistor with a low threshold voltage. In a semiconductor device in which pass transistors are mixed, low-voltage and high-speed operations can be performed without lowering the operation speed of the pass transistors.

次に、本発明において、しきい値電圧の異なるMOSFETを実現する手段の実施例を説明する。しきい値電圧の異なるMOSFETにより半導体集積回路を構成する第1の手段は、前記MOSFETのゲート酸化膜下の半導体基板の不純物濃度を変えることである。   Next, an embodiment of means for realizing MOSFETs having different threshold voltages in the present invention will be described. A first means of forming a semiconductor integrated circuit with MOSFETs having different threshold voltages is to change an impurity concentration of a semiconductor substrate under a gate oxide film of the MOSFET.

図15に示すものは、上記方法を用いて図12の回路をレイアウトした実施例である。図15では、フリップフロップf121、f122は省略した。フリップフロップf121の出力ピンは、term121と接続される。term121は、第1のゲート電極gate121と接続されている。ゲート電極gate121は、p+ソース・ドレイン領域darea121上を通過することにより第1のpチャネルMOSFETpm1が形成され、n+ソース・ドレイン領域darea122上を通過することにより第1のnチャネルMOSFETnm1が形成される。p+ソース・ドレイン領域darea121はnウェル領域nw121上に、 n+ソース・ドレイン領域darea122はpウェル領域pw121上に形成されている。   FIG. 15 shows an embodiment in which the circuit of FIG. 12 is laid out using the above method. In FIG. 15, the flip-flops f121 and f122 are omitted. The output pin of the flip-flop f121 is connected to term121. term121 is connected to the first gate electrode gate121. The gate electrode gate121 forms a first p-channel MOSFET pm1 by passing over the p + source / drain region darea121, and forms a first n-channel MOSFET nm1 by passing over the n + source / drain region darea122. The p + source / drain region darea121 is formed on the n-well region nw121, and the n + source / drain region darea122 is formed on the p-well region pw121.

pチャネルMOSFETpm1のソースは、第1の動作電位供給線Vdd121と接続され、ドレインは、 nチャネルMOSFETnm1のドレインおよび端子term122に接続する。また、 nチャネルMOSFETnm1のソースは、第2の動作電位供給線Vss121に接続されている。図中で黒塗りの正方形は、異なる金属配線層および半導体基板との接続を行うスルーホールを示している。nウェル領域nw121には、スルーホールTH121を通じてVdd121から給電され、pウェル領域pw121には、スルーホールTH122を通じてVss121から給電されている。   The source of the p-channel MOSFET pm1 is connected to the first operating potential supply line Vdd121, and the drain is connected to the drain of the n-channel MOSFET nm1 and the terminal term122. The source of the n-channel MOSFET nm1 is connected to the second operating potential supply line Vss121. In the figure, black squares indicate through holes for connection to different metal wiring layers and semiconductor substrates. Power is supplied to the n-well region nw121 from Vdd121 through the through-hole TH121, and power is supplied to the p-well region pw121 from Vss121 through the through-hole TH122.

これにより図2のインバータ論理ゲートinv1が構成されている。第1のpチャネルMOSFETpm1および第1のnチャネルMOSFETnm1により、第1のインバータ論理ゲートinv1が構成される。同様に、第2のゲート電極gate122および p+ソース・ドレイン領域darea123およびn+ソース・ドレイン領域darea124により、第2のpチャネルMOSFETpm2および第2のnチャネルMOSFETnm2が形成され、これらにより第2のインバータ論理ゲートinv2が構成される。inv1の出力端子であるterm122とinv2の入力端子であるterm123が接続され、図12に示すインバータ2段の回路が構成される。   Thereby, the inverter logic gate inv1 of FIG. 2 is configured. The first p-channel MOSFET pm1 and the first n-channel MOSFET nm1 form a first inverter logic gate inv1. Similarly, the second gate electrode gate122 and the p + source / drain region darea123 and the n + source / drain region darea124 form a second p-channel MOSFET pm2 and a second n-channel MOSFET nm2, which form the second inverter logic gate. inv2 is configured. A term122 which is an output terminal of inv1 and a term123 which is an input terminal of inv2 are connected to form a two-stage inverter circuit shown in FIG.

inv2の出力端子term124は、第2のフリップフロップf122の入力ピンに接続される。ここで、第1のゲート電極gate121の下にハッチングを施した領域area121およびarea122を示した。半導体集積回路の製造過程において、ウェル領域pw121、nw121それぞれに不純物を薄く分布させた後に、選択的にarea121、area122のみに、再度不純物を追加して分布させる工程を行うことにより、これらの領域の不純物濃度が高くなり、MOSFETpm1およびnm1のみが高しきい値電圧になる。   The output terminal term124 of inv2 is connected to the input pin of the second flip-flop f122. Here, hatched areas area121 and area122 are shown below the first gate electrode gate121. In the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit, after the impurities are thinly distributed in each of the well regions pw121 and nw121, a step of selectively adding and distributing the impurities again only in the area 121 and the area 122 is performed, whereby these regions are formed. The impurity concentration increases, and only the MOSFETs pm1 and nm1 have a high threshold voltage.

図5に示すように、この方法によれば、半導体集積回路の任意の場所の論理ゲートを構成するMOSFETのしきい値電圧を自由に変えることができる。図5では、半導体集積回路LSI50の論理ゲートを全て模式的に矩形で表している。網掛けを施した矩形例えばg51が低しきい値電圧のMOSFETで構成した論理ゲート、白抜きの矩形例えばg52が高しきい値電圧のMOSFETで構成した論理ゲートを示している。図中にpath51として図2のf11からf12の経路、path52として図2のf13からf14の経路を示した。   As shown in FIG. 5, according to this method, the threshold voltage of the MOSFET constituting the logic gate at an arbitrary position of the semiconductor integrated circuit can be freely changed. In FIG. 5, all the logic gates of the semiconductor integrated circuit LSI50 are schematically represented by rectangles. A shaded rectangle, for example, g51 indicates a logic gate formed of a low threshold voltage MOSFET, and a white rectangle, for example, g52 indicates a logic gate formed of a high threshold voltage MOSFET. In the figure, the path from f11 to f12 in FIG. 2 is shown as path51, and the path from f13 to f14 in FIG. 2 is shown as path52.

ただし、この方法では、半導体集積回路の製造過程において、基板に不純物を分布させる工程例えばイオン打ち込み工程が、使用するMOSFETの種類数必要になる。   However, in this method, in the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit, a step of distributing impurities to the substrate, for example, an ion implantation step requires the number of types of MOSFETs to be used.

図25に示すのは、この方法を用いた場合に、図12の高低2種のしきい値のMOSFETによる2つのインバータの例についてのデバイスの縦構造例である。図12の例は相補型MOSFETを用いているので、p型基板表面層の一部に、nウェルが形成されている2重ウェル構造をとっている。p基板の表面層には、n+型のソース・ドレイン領域diff2501、 diff2504、ゲート酸化膜ox2501、ox2504およびゲート電極gate2501、gate2504が形成されnチャネルMOSFETnm2501、nm2504を構成している。nウェル領域表面層にはp+型のソース・ドレイン領域diff2502、diff2503、ゲート酸化膜ox2502、ox2503、およびゲート電極gate2502、gate2503からなるpチャネルMOSFETpm2502、pm2503が形成されている。さらに、pチャネルMOSFETのソースおよびnウェルにVdd、nチャネルMOSFETのソースおよびp基板にVssが接続さ
れている。
FIG. 25 shows an example of a vertical structure of a device in the case of using this method, which is an example of two inverters each having a MOSFET having two kinds of thresholds, high and low, shown in FIG. Since the example of FIG. 12 uses a complementary MOSFET, it has a double well structure in which an n well is formed in a part of the p-type substrate surface layer. On the surface layer of the p substrate, n + type source / drain regions diff2501, diff2504, gate oxide films ox2501, ox2504 and gate electrodes gate2501, gate2504 are formed to form n-channel MOSFETs nm2501, nm2504. On the surface layer of the n-well region, p-channel source / drain regions diff2502, diff2503, gate oxide films ox2502, ox2503, and p-channel MOSFETs pm2502, pm2503 including gate electrodes gate2502, gate2503 are formed. Further, Vdd is connected to the source of the p-channel MOSFET and n-well, and Vss is connected to the source of the n-channel MOSFET and the p-substrate.

ここで、nm2501とpm2502により、図12のインバータinv1、 nm2504とpm2503により、図12のインバータinv2が構成されているとする。 inv1は高しきい値のMOSFETで構成するために、 nm2501とpm2502のゲート酸化膜下の半導体基板の不純物濃度(図の不純物濃度1)は高くして、 inv2は低しきい値のMOSFETで構成するために、 nm2504とpm2503のゲート酸化膜下の半導体基板の不純物濃度(図の不純物濃度2)を低くする。   Here, it is assumed that the inverter inv1 in FIG. 12 is configured by nm2501 and pm2502, and the inverter inv2 in FIG. 12 is configured by nm2504 and pm2503. Since inv1 is composed of a high threshold MOSFET, the impurity concentration (impurity concentration 1 in the figure) of the semiconductor substrate under the gate oxide film of nm2501 and pm2502 is high, and inv2 is composed of a low threshold MOSFET. Therefore, the impurity concentration (impurity concentration 2 in the figure) of the semiconductor substrate under the gate oxide film of nm2504 and pm2503 is reduced.

また、しきい値電圧の異なるMOSFETにより半導体集積回路を構成する第3の手段は、前記MOSFETのゲート酸化膜厚寸法を変えることである。この手段を用いても、図5に示すように半導体集積回路の任意の場所の論理ゲートを構成するMOSFETのしきい値電圧を自由に変えることができる。ただし、この方法でも、半導体集積回路の製造過程において、ゲート酸化膜を形成する工程例えば熱酸化工程が、使用するMOSFETの種類数必要になる。   A third means of forming a semiconductor integrated circuit using MOSFETs having different threshold voltages is to change the gate oxide film thickness of the MOSFET. Even with this means, it is possible to freely change the threshold voltage of the MOSFET constituting the logic gate at an arbitrary position in the semiconductor integrated circuit as shown in FIG. However, even in this method, in the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit, a step of forming a gate oxide film, for example, a thermal oxidation step requires the number of types of MOSFETs to be used.

図26は、他のデバイスの縦構造であり、上記の方法を用いた場合に、図12の高低2種のしきい値のMOSFETによる2つのインバータの例について示す図である。   FIG. 26 is a view showing a vertical structure of another device, and shows an example of two inverters using MOSFETs having two kinds of high and low threshold values shown in FIG. 12 when the above method is used.

図25同様に、p型基板表面層の一部に、nウェルが形成されている2重ウェル構造をとっている。p基板の表面層には、n+型のソース・ドレイン領域diff2601、 diff2604、ゲート酸化膜ox2601、ox2604およびゲート電極gate2601、gate2604が形成されnチャネルMOSFETnm2601、nm2604を構成している。nウェル領域表面層にはp+型のソース・ドレイン領域diff2602、diff2603、ゲート酸化膜ox2602、ox2603、およびゲート電極gate2602、gate2603からなるpチャネルMOSFETpm2602、pm2603が形成されている。   As in FIG. 25, a double well structure in which an n-well is formed in a part of the p-type substrate surface layer is employed. On the surface layer of the p substrate, n + type source / drain regions diff2601, diff2604, gate oxide films ox2601, ox2604 and gate electrodes gate2601, gate2604 are formed to form n-channel MOSFETs nm2601, nm2604. On the surface layer of the n-well region, p-type source / drain regions diff2602, diff2603, gate oxide films ox2602, ox2603, and p-channel MOSFETs pm2602, pm2603 each including a gate electrode gate2602, gate2603 are formed.

さらに、pチャネルMOSFETのソースおよびnウェルにVdd、nチャネルMOSFETのソースおよびp基板にVssが接続されている。ここで、nm2601とpm2602により、図12のインバータinv1、 nm2604とpm2603により、図12のインバータinv2が構成されているとする。 inv1は高しきい値のMOSFETで構成するために、 nm2601とpm2602のゲート酸化膜の厚さ(図の厚さt1)を厚くして、 inv2は低しきい値のMOSFETで構成するために、 nm2604とpm2603のゲート酸化膜の厚さ(図の厚さt2)を薄くする。   Further, Vdd is connected to the source of the p-channel MOSFET and the n-well, and Vss is connected to the source of the n-channel MOSFET and the p-substrate. Here, it is assumed that the inverter inv1 in FIG. 12 is configured by the nm2601 and pm2602, and the inverter inv2 in FIG. 12 is configured by the nm2604 and pm2603. Inv1 is composed of a high-threshold MOSFET, so the thickness of the gate oxide film of nm2601 and pm2602 (thickness t1 in the figure) is increased, and inv2 is composed of a low-threshold MOSFET. The thickness (thickness t2 in the figure) of the gate oxide film of nm2604 and pm2603 is reduced.

また、しきい値電圧の異なるMOSFETにより半導体集積回路を構成する第4の手段は、前記MOSFETのゲート長を変えることをである。この手段を用いても、図5に示すように半導体集積回路の任意の場所の論理ゲートを構成するMOSFETのしきい値電圧を自由に変えることができる。   A fourth means for configuring a semiconductor integrated circuit with MOSFETs having different threshold voltages is to change the gate length of the MOSFET. Even with this means, it is possible to freely change the threshold voltage of the MOSFET constituting the logic gate at an arbitrary position in the semiconductor integrated circuit as shown in FIG.

図6にゲート長としきい値電圧の関係の例を示す。例えば、図6のグラフに示す
2点を選び、ゲート長を微少に変えることで、しきい値電圧が異なる2種類のMOSFETを形成することができる。
FIG. 6 shows an example of the relationship between the gate length and the threshold voltage. For example, as shown in the graph of FIG.
By choosing two points and changing the gate length slightly, two types of MOSFETs with different threshold voltages can be formed.

図27には、この方法を用いた場合に、図12の高低2種のしきい値のMOSFETによる2つのインバータの例についての、デバイスの縦構造を示す。図25同様に、p型基板表面層の一部に、nウェルが形成されている2重ウェル構造をとっている。p基板の表面層には、n+型のソース・ドレイン領域diff2701、 diff2704、ゲート酸化膜ox2701、ox2704およびゲート電極gate2701、gate2704が形成されnチャネルMOSFETnm2701、nm2704を構成している。nウェル領域表面層にはp+型のソース・ドレイン領域diff2702、diff2703、ゲート酸化膜ox2702、ox2703、およびゲート電極gate2702、gate2703からなるpチャネルMOSFETpm2702、pm2703が形成されている。さらに、pチャネルMOSFETのソースおよびnウェルにVdd、nチャネルMOSFETのソースおよびp基板にVssが接続されている。   FIG. 27 shows the vertical structure of the device in the case of using this method, for an example of two inverters each having a MOSFET having two kinds of high and low threshold values shown in FIG. As in FIG. 25, a double well structure in which an n-well is formed in a part of the p-type substrate surface layer is employed. On the surface layer of the p substrate, n + type source / drain regions diff2701, diff2704, gate oxide films ox2701, ox2704, and gate electrodes gate2701, gate2704 are formed to form n-channel MOSFETs nm2701, nm2704. In the surface layer of the n-well region, p-channel source / drain regions diff2702 and diff2703, gate oxide films ox2702 and ox2703, and p-channel MOSFETs pm2702 and pm2703 each composed of gate electrodes gate2702 and gate2703 are formed. Further, Vdd is connected to the source of the p-channel MOSFET and the n-well, and Vss is connected to the source of the n-channel MOSFET and the p-substrate.

ここで、nm2701とpm2702により、図12のインバータinv1、 nm2704とpm2703により、図12のインバータinv2が構成されているとする。 inv1は高しきい値のMOSFETで構成するために、 nm2701とpm2702のゲート長(図のゲート長Lg1)を大きくして、 inv2は低しきい値のMOSFETで構成するために、 nm2704とpm2703のゲート長(図のゲート長Lg2)を小さくする。   Here, it is assumed that the inverter inv1 of FIG. 12 is configured by the nm2701 and pm2702, and the inverter inv2 of FIG. 12 is configured by the nm2704 and pm2703. Inv1 has a large gate length of nm2701 and pm2702 (the gate length Lg1 in the figure) in order to be composed of a high threshold MOSFET, and inv2 has a large threshold of nm2704 and pm2703 in order to be composed of a low threshold MOSFET. Reduce the gate length (gate length Lg2 in the figure).

図7を用いて、本発明において、しきい値電圧の異なるMOSFETを実現する第2の手段の実施例を説明する。しきい値電圧の異なるMOSFETにより半導体集積回路を構成する第2の手段は、前記MOSFETの基板に供給するバイアス電圧値を変えることである。そのために、上記した3つの手段と異なり、しきい値電圧の異なるMOSFETには、異なる基板バイアス電圧を供給するために、ウェル領域を分離する必要が生じる。   Referring to FIG. 7, an embodiment of the second means for realizing MOSFETs having different threshold voltages in the present invention will be described. A second means of forming a semiconductor integrated circuit with MOSFETs having different threshold voltages is to change a bias voltage value supplied to a substrate of the MOSFET. Therefore, unlike the above three means, it is necessary to separate well regions in order to supply different substrate bias voltages to MOSFETs having different threshold voltages.

また、それぞれのウェル領域に供給する基板バイアス動作電位供給線が必要になる。そのために、図5のように任意の場所の論理ゲートのMOSFETのしきい値電圧を自由に変えることは、面積の増加が大きく現実的ではない。   Further, a substrate bias operation potential supply line to be supplied to each well region is required. For this reason, it is not practical to freely change the threshold voltage of the MOSFET of the logic gate at an arbitrary position as shown in FIG. 5, since the area increases greatly.

そこで、図7に示すように、同一のしきい値電圧のMOSFETはなるべくまとめて同一のウェル領域上に構成するレイアウトを行う。ただし、この手段を用いる場合には、複数のしきい値電圧のMOSFETを形成するための付加的な製造工程の必要がないという利点がある。   Therefore, as shown in FIG. 7, a layout is performed in which MOSFETs having the same threshold voltage are collectively arranged on the same well region as much as possible. However, when this means is used, there is an advantage that an additional manufacturing step for forming MOSFETs having a plurality of threshold voltages is not required.

図7では、半導体集積回路LSI70上にwell71からwell 75のウェル領域を構成した例である。ここで、 well 71からwell 74が低しきい値電圧MOSFET用のウェル領域、 well 75が高しきい値電圧のMOSFET用のウェル領域である。この場合には、MOSFETのしきい値電圧によって論理ゲートを配置できる場所に制約が生じるために、論理ゲートのレイアウトの際に、この制約を守った配置を行う必要がある
FIG. 7 shows an example in which well regions from well 71 to well 75 are formed on a semiconductor integrated circuit LSI70. Here, wells 71 to 74 are well regions for a low threshold voltage MOSFET, and well 75 is a well region for a high threshold voltage MOSFET. In this case, the location where the logic gate can be arranged is restricted by the threshold voltage of the MOSFET. Therefore, when laying out the logic gate, it is necessary to arrange the logic gate in accordance with the constraint.

図7は低しきい値電圧のMOSFETによる論理ゲートと高しきい値電圧のMOSFETによる論理ゲートの面積比を1:3で構成した例である。この比は、目標とする動作周波数および目標とするリーク電流値および搭載する論理回路によって決まるものである。また、本発明をゲートアレイに用いる際には、予め、低しきい値電圧のMOSFETによる論理ゲートと高しきい値電圧のMOSFETによる論理ゲートの使用比率の概略値を見込んで、拡散層までの下地を形成しておくことになる。また、図7に示すように、2種類のしきい値のMOSFETを用いる際には、2種類の基板バイアス供給用の動作電位供給線が必要になる。   FIG. 7 shows an example in which the area ratio between a logic gate formed by a low threshold voltage MOSFET and a logic gate formed by a high threshold voltage MOSFET is 1: 3. This ratio is determined by a target operating frequency, a target leak current value, and a logic circuit to be mounted. In addition, when the present invention is used for a gate array, an approximate value of the usage ratio of a logic gate formed by a low-threshold voltage MOSFET and a logic gate formed by a high threshold-voltage MOSFET is estimated in advance. A base will be formed in advance. Further, as shown in FIG. 7, when using two types of MOSFETs with thresholds, two types of operating potential supply lines for supplying a substrate bias are required.

図7では、nチャネルMOSFETまたはpチャネルMOSFETのどちらか単独で構成する例であるが、 nチャネルMOSFETとpチャネルMOSFETを両方用いて相補型MOSFETにより半導体集積回路を構成する実施例を説明する。相補型MOSFETの場合は、 nチャネルMOSFETを構成するためのpウェル領域とpチャネルMOSFETを構成するためのnウェル領域が必要になり、それぞれのバイアス電圧値を可変とするためには、3重ウェル構造を用いる。   Although FIG. 7 shows an example in which either an n-channel MOSFET or a p-channel MOSFET is used alone, an embodiment in which a semiconductor integrated circuit is formed by a complementary MOSFET using both an n-channel MOSFET and a p-channel MOSFET will be described. In the case of a complementary MOSFET, a p-well region for forming an n-channel MOSFET and an n-well region for forming a p-channel MOSFET are required. A well structure is used.

図8は、図12の高低2種のしきい値のMOSFETによる2つのインバータの例について、三重ウェル構造を採用したデバイスの縦構造を示したものである。n型基板表面層の一部に、絶縁された2つのpウェルp-well1およびp-well2が形成されており、さらに、 p-well1の表面層の一部にnウェルn-well1、 p-well2の表面層の一部にnウェルn-well2が形成されている3重ウェル構造をとっている。pウェルの表面層にn+型のソース・ドレイン領域diff801、 diff804、ゲート酸化膜ox801、ox804およびゲート電極gate801、gate804が形成されnチャネルMOSFETnm801、nm804を構成している。nウェル領域表面層にはp+型のソース・ドレイン領域diff802、diff803、ゲート酸化膜ox802、ox803、およびゲート電極gate802、gate803からなるpチャネルMOSFETpm802、pm803が形成されている。   FIG. 8 shows a vertical structure of a device adopting a triple well structure for an example of two inverters each including a MOSFET having two kinds of thresholds, high and low, shown in FIG. Two insulated p-wells p-well1 and p-well2 are formed in part of the surface layer of the n-type substrate, and n-wells n-well1 and p-well1 are formed in part of the surface layer of p-well1. It has a triple well structure in which an n-well n-well2 is formed in part of the surface layer of well2. The n + type source / drain regions diff801 and diff804, gate oxide films ox801 and ox804, and gate electrodes gate801 and gate804 are formed on the surface layer of the p-well to form n-channel MOSFETs nm801 and nm804. On the surface layer of the n-well region, p-channel MOSFETs pm802 and pm803 including p + type source / drain regions diff802 and diff803, gate oxide films ox802 and ox803, and gate electrodes gate802 and gate803 are formed.

pチャネルMOSFETのソースにVdd、nチャネルMOSFETのソースにVssが接続されている。 pチャネルMOSFETpm802のnウェルにVbp1、 nチャネルMOSFETnm801のpウェルにVbn1が接続されている。さらに、 pチャネルMOSFETpm803のnウェルにVbp2、 nチャネルMOSFETnm804のpウェルにVbn2が接続されている。ここで、nm801とpm802により、図12のインバータinv1、 nm804とpm803により、図12のインバータinv2が構成されているとする。 inv1は高しきい値のMOSFETで構成 し、inv2は低しきい値のMOSFETで構成するために、 Vbp1をVbp2より高い電圧に、Vbn1をVbn2より低い電圧にする。 それぞれの電圧値は、例えば、Vdd=1.5V、 Vss=0V、Vbp1=2.0V、Vbn1=-0.5V、 Vbp2=1.5V、Vbn2=0V等に設定する。   Vdd is connected to the source of the p-channel MOSFET and Vss is connected to the source of the n-channel MOSFET. Vbp1 is connected to the n-well of the p-channel MOSFET pm802, and Vbn1 is connected to the p-well of the n-channel MOSFET nm801. Further, Vbp2 is connected to the n-well of the p-channel MOSFET pm803, and Vbn2 is connected to the p-well of the n-channel MOSFET nm804. Here, it is assumed that the inverter inv1 in FIG. 12 is configured by nm801 and pm802, and the inverter inv2 in FIG. 12 is configured by nm804 and pm803. Since inv1 is composed of a high threshold MOSFET and inv2 is composed of a low threshold MOSFET, Vbp1 is set to a voltage higher than Vbp2 and Vbn1 is set to a voltage lower than Vbn2. The respective voltage values are set to, for example, Vdd = 1.5V, Vss = 0V, Vbp1 = 2.0V, Vbn1 = -0.5V, Vbp2 = 1.5V, Vbn2 = 0V, and the like.

図16に図8の構造のデバイスによる図12の回路のレイアウトの平面図を示す。
図16が図15と異なる点は、第1のゲート電極gate121とp+ソース・ドレイン領域darea121により構成される第1のpチャネルMOSFETpm1と、第2のゲート電極gate122および p+ソース・ドレイン領域darea123により構成される第2のpチャネルMOSFETpm2は、それぞれ別のnウェル領域nw151およびnw152上に形成されていることである。同様に、第1のゲート電極gate121とn+ソース・ドレイン領域darea122により構成される第1のnチャネルMOSFETnm1と、第2のゲート電極gate122およびn+ソース・ドレイン領域darea124により構成される第2のnチャネルMOSFETnm2は、それぞれ別のpウェル領域pw151およびpw152上に形成されている。
FIG. 16 shows a plan view of a layout of the circuit of FIG. 12 using the device having the structure of FIG.
FIG. 16 differs from FIG. 15 in that a first p-channel MOSFET pm1 composed of a first gate electrode gate121 and a p + source / drain region darea121, and a second gate electrode gate122 and a p + source / drain region darea123 The second p-channel MOSFET pm2 to be formed is formed on different n-well regions nw151 and nw152, respectively. Similarly, a first n-channel MOSFET nm1 constituted by a first gate electrode gate121 and an n + source / drain region darea 122, and a second n-channel MOSFET constituted by a second gate electrode gate122 and an n + source / drain region darea124 MOSFET nm2 is formed on different p-well regions pw151 and pw152, respectively.

これは、ウェル領域に供給する電位を低しきい値MOSFETと高しきい値MOSFETで変えるために、ウェル領域の分離が必要になるためである。nw151は、スルーホールTH151を通じて、第3の動作電位供給線Vbp151によりバイアス電圧を供給され、 nw152は、スルーホールTH153を通じて、第4の動作電位供給線Vbp152によりバイアス電圧を供給され、 pw151は、スルーホールTH152を通じて、第5の動作電位供給線Vbn151によりバイアス電圧を供給され、 nw152は、スルーホールTH154を通じて、第6の動作電位供給線Vbn152によりバイアス電圧を供給されている。
MOSFETの基板に供給するバイアス電圧値を変える方法によれば、図16に示すように、新たな動作電位供給線が必要になることやウェル領域を分離する必要が生じること等の理由からレイアウト面積は大きくなるが、図15の場合のように、半導体集積回路の製造過程において新たな工程を行うことになくMOSFETのしきい値電圧を変化させることが可能になる利点がある。
This is because the well region needs to be separated in order to change the potential supplied to the well region between the low threshold MOSFET and the high threshold MOSFET. nw151 is supplied with a bias voltage via a third operating potential supply line Vbp151 through a through hole TH151, nw152 is supplied with a bias voltage via a fourth operating potential supply line Vbp152 through a through hole TH153, and pw151 is supplied with a through voltage. A bias voltage is supplied through a hole TH152 by a fifth operating potential supply line Vbn151, and a bias voltage is supplied to the nw152 through a through hole TH154 by a sixth operating potential supply line Vbn152.
According to the method of changing the bias voltage value supplied to the MOSFET substrate, as shown in FIG. 16, a layout area is required because a new operating potential supply line is required and a well region needs to be separated. However, as shown in FIG. 15, there is an advantage that the threshold voltage of the MOSFET can be changed without performing a new process in the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit.

図9に、図8に示した相補型MOSFETにより構成した本発明の半導体集積回路装置の実施例を示す。図9の(a)は半導体集積回路LSI90上に、論理ゲートを横一列に配置し、複数の列row91からrow98を縦方向に並べることにより、論理ゲートを2次元的に配置した例である。本実施例において、論理ゲートは矩形で示され、内部のパターンは省略したが、pチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETが上下に配置されている。ここで、row91およびrow96上の論理ゲートは、低しきい値電圧のMOSFETにより構成され、それ以外の列の論理ゲートは全て高しきい値電圧のMOSFETで構成している。   FIG. 9 shows an embodiment of the semiconductor integrated circuit device of the present invention constituted by the complementary MOSFETs shown in FIG. FIG. 9A shows an example in which logic gates are two-dimensionally arranged on a semiconductor integrated circuit LSI 90 by arranging logic gates in one row and arranging a plurality of columns row 91 to row 98 in a vertical direction. In this embodiment, the logic gate is shown by a rectangle and the internal pattern is omitted, but the p-channel MOSFET and the n-channel MOSFET are arranged vertically. Here, the logic gates on row 91 and row 96 are constituted by low threshold voltage MOSFETs, and the logic gates in the other columns are all constituted by high threshold voltage MOSFETs.

この場合、pw91からpw94の絶縁された4つのpウェル領域が必要になる。隣接している列row92、row93、row94、row95は、同一のしきい値電圧のMOSFETにより構成されるためpウェル領域pw92を共有することができる。同様に、row97とrow98はpウェル領域pw94を共有している。また、 nw91からnw95の5つの nウェル領域が必要になる。nウェルについても、隣接している列row92とrow93は1つのnウェル領域nw92、 row93とrow94はnウェル領域nw93、 row97とrow98はnウェル領域nw95を共有することができる。   In this case, four insulated p-well regions pw91 to pw94 are required. The adjacent columns row92, row93, row94, and row95 are configured by MOSFETs having the same threshold voltage, and thus can share the p-well region pw92. Similarly, row97 and row98 share a p-well region pw94. Also, five n-well regions from nw91 to nw95 are required. Also for the n-well, adjacent rows row92 and row93 can share one n-well area nw92, row93 and row94 can share an n-well area nw93, and row97 and row98 can share an n-well area nw95.

また、図9の(b)に(a)の配置を行った場合の基板バイアス電源を供給するための動作電位供給線を示す。図9の(b)では、煩雑を避けるためにウェル領域は省略した。wire91からwire94は、列に平行に配線されいる。また、列の左右に補強用に直角方向にも配線を施した例を示してある。wire91は高しきい値MOSFETのpウェルに、 wire92は高しきい値MOSFETのnウェルに、 wire93低しきい値MOSFETのpウェルに、 wire94は低しきい値MOSFETのnウェルに、それぞれバイアス電源を供給している。このようにレイアウトすることで、ウェルの分離を少なくし、基板に供給するバイアス電圧値を変える手段を用いて、しきい値電圧の異なるMOSFETにより半導体集積回路を構成する場合の面積の増加を最小限にすることが可能となる。   FIG. 9B shows an operating potential supply line for supplying the substrate bias power when the arrangement shown in FIG. 9A is performed. In (b) of FIG. 9, the well region is omitted to avoid complication. Wires 91 to 94 are wired in parallel to the columns. In addition, an example is shown in which wiring is also provided on the left and right sides of the column in a direction perpendicular to the reinforcement for reinforcement. wire91 is bias power supply for high threshold MOSFET p-well, wire92 is high threshold MOSFET n-well, wire93 low threshold MOSFET p-well, wire94 is low threshold MOSFET n-well. Has been supplied. By laying out in this way, the separation of wells is reduced, and the increase in the area when a semiconductor integrated circuit is formed with MOSFETs having different threshold voltages by means of changing the bias voltage value supplied to the substrate is minimized. It becomes possible to limit.

次に、本発明において、しきい値電圧の異なるMOSFETを実現する第2の手段をSOI(シリコン・オン・インシュレータ)デバイス構造を用いて実施した例を示す。SOI構造では、個々のMOSFETのウェル領域を分離する必要がない。そのために、上述したような、しきい値電圧の同一のMOSFETをまとめて同一のウェル領域に構成する必要がない。この場合は、図5に示したように、半導体集積回路上の任意の場所に任意のしきい値電圧のMOSFETを配置することができる。ただし、しきい値電圧の異なるMOSFETを実現する第2の手段は基板バイアス電源の電圧値を変える必要があるので、そのための動作電位供給線が必要になる。   Next, in the present invention, an example in which a second means for realizing MOSFETs having different threshold voltages is implemented using an SOI (silicon-on-insulator) device structure will be described. In the SOI structure, there is no need to separate well regions of individual MOSFETs. Therefore, it is not necessary to form MOSFETs having the same threshold voltage in the same well region as described above. In this case, as shown in FIG. 5, a MOSFET having an arbitrary threshold voltage can be arranged at an arbitrary location on the semiconductor integrated circuit. However, the second means for realizing MOSFETs having different threshold voltages requires changing the voltage value of the substrate bias power supply, and therefore requires an operating potential supply line.

図22にその実施例を示す。半導体集積回路LSI220は、SOI構造の相補型MOSFETにより構成された論理ゲートを列状に配置した例である。図中で論理ゲート、例えばg221、g222は矩形で表している。g221のように、網掛けの矩形は、低しきい値電圧のMOSFETで構成された論理ゲートを、g222のように、白色の矩形は、高しきい値電圧のMOSFETで構成された論理ゲートである。   FIG. 22 shows the embodiment. The semiconductor integrated circuit LSI220 is an example in which logic gates composed of complementary MOSFETs having an SOI structure are arranged in columns. In the figure, logic gates, for example, g221 and g222 are represented by rectangles. Shaded rectangles, such as g221, indicate logic gates composed of low threshold voltage MOSFETs, and white rectangles, such as g222, indicate logic gates composed of high threshold voltage MOSFETs. is there.

また、低しきい値電圧のpチャネルMOSFETの基板バイアス電位供給線Vbp221、高しきい値電圧のpチャネルMOSFETの基板バイアス電位供給線Vbp222、低しきい値電圧のnチャネルMOSFETの基板バイアス電位供給線Vbn221、低しきい値電圧のnチャネルMOSFETの基板バイアス電位供給線Vbn221がそれぞれ列と平行に配線されている。   Also, a substrate bias potential supply line Vbp221 for a low threshold voltage p-channel MOSFET, a substrate bias potential supply line Vbp222 for a high threshold voltage p-channel MOSFET, and a substrate bias potential supply line for a low threshold voltage n-channel MOSFET. The line Vbn221 and the substrate bias potential supply line Vbn221 of the low threshold voltage n-channel MOSFET are wired in parallel with the columns.

なお、本図に於いては、MOSFETのソース電極の電位給電線は省略した。 スルーホールTH221、TH222などににより、電位供給線と基板を接続され、各ゲートを構成するMOSFETの基板のバイアス電源が供給されている。ここで、図のように、列と平行のバイアス電位供給線を、しきい値の種類数(ただし、相補型MOSFETの場合は、pチャネルMOSFET用とnチャネルMOSFET用の電位供給線が夫々必要である)配線しておき、MOSFETのしきい値電圧によって、スルーホールを打ち分けることにより、異なったしきい値電圧のMOSFETを任意の場所に配置することができる
In this figure, the potential supply line of the source electrode of the MOSFET is omitted. The potential supply line and the substrate are connected to the through holes TH221, TH222, and the like, and the bias power of the substrate of the MOSFET constituting each gate is supplied. Here, as shown in the figure, connect the bias potential supply lines parallel to the columns with the number of threshold types (however, in the case of complementary MOSFETs, the potential supply lines for p-channel MOSFET and n-channel MOSFET are required respectively. By laying out the wires and punching through holes depending on the threshold voltage of the MOSFET, MOSFETs having different threshold voltages can be arranged at arbitrary locations.

つまり、本発明において、基板バイアス電源を変えることによってMOSFETのしきい値電圧を変える手段を用いた場合、面積の増加が少ないことから、SOIデバイス構造を用いることが、より好適である。   That is, in the present invention, when the means for changing the threshold voltage of the MOSFET by changing the substrate bias power supply is used, the increase in the area is small, so that it is more preferable to use the SOI device structure.

次に、以上述べた本発明の半導体集積回路を設計するために必要なセルライブラリを記憶した記憶媒体の実施例について説明する。実施例の説明の前に、まずセルおよびセルライブラリの簡単な説明を以下に述べる。通常、半導体集積回路を設計する際には、予め設 計されたセルと呼ばれる小規模な論理機能を有する部品を用いる。セルは、内部の回路要素とその接続、レイアウトパターン等を予め設計し、形状、外部との接続用の端子位置、論理機能、ディレイ特性、消費電力特性などの情報をセルライブラリとして登録しておく。セルライブラリ記憶した記憶媒体を配布することにより、すでに設計され動作が保証された部品を多くの半導体集積回路の設計に用いることが可能となる。   Next, an embodiment of a storage medium storing a cell library necessary for designing the above-described semiconductor integrated circuit of the present invention will be described. Before describing the embodiments, a brief description of the cell and the cell library will first be given below. Usually, when designing a semiconductor integrated circuit, a component having a small logic function called a predesigned cell is used. For the cell, internal circuit elements and their connections, layout patterns, etc. are designed in advance, and information such as shapes, terminal positions for connection to the outside, logical functions, delay characteristics, and power consumption characteristics are registered as a cell library. . By distributing the storage medium in which the cell library is stored, it is possible to use components that have already been designed and whose operations are guaranteed, in designing many semiconductor integrated circuits.

図10に本発明のセルライブラリを記憶した記憶媒体の例を示す。図10の例では、3種のインバータセルが登録されたライブラリを記憶した例である。セルに関する情報として、本実施例では、セルの名称、寸法、ゲート長、ピン、ディレイ特性、リーク電流、しきい値電圧、機能等が書かれている。c101は標準のインバータセル、c102は、MOSFETのゲート幅Wを倍にしたセルである。   FIG. 10 shows an example of a storage medium storing the cell library of the present invention. The example of FIG. 10 is an example in which a library in which three types of inverter cells are registered is stored. In this embodiment, as the information on the cell, the name, size, gate length, pin, delay characteristic, leak current, threshold voltage, function, and the like of the cell are written. c101 is a standard inverter cell, and c102 is a cell in which the gate width W of the MOSFET is doubled.

従来技術では、このように同一機能のセルを複数用意する場合は、ゲート幅Wを変え、ディレイ特性を変えたセルを用意していた。 c103は、c102と同じゲート幅W、同じ寸法を持っているが、ディレイ特性および消費電力特性のみが異なるセルである。つまり、c103がMOSFETのしきい値電圧が低いMOSFETにより構成されたセル、つまりリーク電流が大きくディレイが小さいセルである。上に述べたような本発明の半導体集積回路装置を設計、製造するためには、図10に示すライブラリが必要になる。例えば、本発明の半導体集積回路装置の製造工程において、しきい値電圧が異なるMOSFETを使用する場合、選択的に不純物を追加する工程やゲート酸化膜の厚さを場所によって変えるための工程において、特別なマスクパターンが必要になることは上述した。   In the related art, when a plurality of cells having the same function are prepared as described above, cells having different gate characteristics W and different delay characteristics are prepared. c103 is a cell having the same gate width W and the same dimensions as c102, but differing only in delay characteristics and power consumption characteristics. In other words, c103 is a cell constituted by a MOSFET having a low MOSFET threshold voltage, that is, a cell having a large leak current and a small delay. In order to design and manufacture the semiconductor integrated circuit device of the present invention as described above, the library shown in FIG. 10 is required. For example, in the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit device of the present invention, when MOSFETs having different threshold voltages are used, in the process of selectively adding impurities or the process of changing the thickness of the gate oxide film depending on the location, As described above, a special mask pattern is required.

このマスクパターンを作る際に、設計された集積回路のセルおよび配線のレイアウト情報、セルの接続情報、および、どのセルがどのしきい値のMOSFETにより構成されているかを認識できる情報が必要である。各セルのMOSFETのしきい値電圧に関する情報は、本発明のセルライブラリを記憶した記憶媒体に格納されているので、この情報を用いることで、上記したマスクパターンを作ることができる。この意味において、セルライブラリを記憶した記憶媒体でなく、セルおよび配線の接続関係いわゆるネットリストを記憶した記憶媒体において、しきい値電圧の異なるMOSFETを認識できる情報を持つことも本発明から容易に類推でき、本発明に含まれる。   When creating this mask pattern, it is necessary to have layout information of cells and wiring of the designed integrated circuit, connection information of the cells, and information capable of recognizing which cells are constituted by MOSFETs of which threshold value. . Since information on the threshold voltage of the MOSFET of each cell is stored in a storage medium storing the cell library of the present invention, the above-described mask pattern can be created by using this information. In this sense, not only the storage medium that stores the cell library but also the storage medium that stores the connection relationship between the cells and the wiring, that is, the so-called netlist, has information that can recognize MOSFETs having different threshold voltages. By analogy, it is included in the present invention.

なお、本実施例では、インバータセルを示したが、このほかAND、OR、NAND、NOR、セレクタ、フリップフロップ等のセルでも同様に実施することができ、本発明を実施するセルの種類は、特に限定されるものではない。   In this embodiment, the inverter cell is shown. However, the present invention can be similarly applied to cells such as AND, OR, NAND, NOR, a selector, and a flip-flop. There is no particular limitation.

次に、上記ライブラリを記憶した記憶媒体を用いた設計方法の例を説明する。   Next, an example of a design method using a storage medium storing the library will be described.

図23は、図10のセルライブラリを記憶した記憶媒体を用いて、論理設計を行う過程を示している。図で、矩形の箱step230〜step232は処理、黒い矢印は処理の流れ、白抜きの矢印はデータの流れを示している。論理記述LOG230は、例えばVHDL等の上位論理記述言語で書かれたものである。論理記述LOG230を読み込み、論理最適化処理step230を行う。   FIG. 23 shows a process of performing a logic design using a storage medium storing the cell library of FIG. In the figure, rectangular boxes step 230 to step 232 indicate processing, black arrows indicate processing flow, and white arrows indicate data flow. The logical description LOG 230 is written in a higher-level logical description language such as VHDL. The logic description LOG230 is read, and logic optimization processing step230 is performed.

論理最適化処理step230は、テクノロジーに依存しない最適化処理であり、例えば論理をブール式で表現してブール式の項数を最小化する等の処理である。この時、ディレイ推定処理step231により推定したディレイをもとに、最適化処理を行う。その後、セル割り当て処理step232を行う。これは、セルライブラリLIB230を読み込み、テクノロジーに依存しない論理を、実際のセルに割り当てる処理である。   The logic optimization process step 230 is an optimization process that does not depend on technology, and is, for example, a process of expressing logic by a Boolean expression and minimizing the number of terms in the Boolean expression. At this time, optimization processing is performed based on the delay estimated in the delay estimation processing step 231. After that, a cell allocation process step 232 is performed. This is a process of reading the cell library LIB230 and assigning technology-independent logic to actual cells.

ここでは、ディレイ計算処理step233および消費電力計算処理step234を繰り返し実行し、最適なセル割り当てを行い、ネットリストnet230を出力する。セル割り当て処理が、本発明の設計方法の特徴的な処理であるため、図中に詳細な例を示した。この例では、今、AからDの経路の一部のセル割り当ての実行中である。既にAからB、CからDの経路のセル割り当てが完了し、それぞれのディレイが3.22nsec、1.70secであるとする。BからCの論理がC=not(B)で表現されているとすると、このブール式はインバーターに割り付けられるべき事が分かる。AからDまでの経路の目標ディレイを5nsecとすると、インバーターのディレイは、0.08以下である必要がある。   Here, the delay calculation processing step 233 and the power consumption calculation processing step 234 are repeatedly executed to perform optimal cell allocation and output the netlist net230. Since the cell allocation process is a characteristic process of the design method of the present invention, a detailed example is shown in the drawing. In this example, the cell allocation of a part of the path from A to D is being executed. It is assumed that the cell allocation for the routes A to B and C to D has already been completed, and the delays are 3.22 nsec and 1.70 sec, respectively. Assuming that the logic from B to C is expressed as C = not (B), this Boolean expression should be assigned to the inverter. Assuming that the target delay of the path from A to D is 5 nsec, the delay of the inverter needs to be 0.08 or less.

このとき、同一の機能つまりインバータセルであり、しきい値電圧が異なるために、ディレイ値が異なるセルc102およびc103が存在することが、セルライブラリLIB230を読み込んだ結果として、わかっている。ここで、それぞれのセルを用いた場合のディレイと省電力を計算し、その結果、低しきい値電圧のセルc103が選択される。   At this time, as a result of reading the cell library LIB230, it is known that there are cells c102 and c103 having the same function, that is, the inverter cells and different threshold values because of different threshold voltages. Here, the delay and the power saving when each cell is used are calculated, and as a result, the cell c103 having a low threshold voltage is selected.

図24を用いて、上記ライブラリを記憶した記憶媒体を用いた別の設計方法の例を説明する。図24は、図10のセルライブラリを記憶した記憶媒体を用いて、論理設計を行う過程を示している。図23と同じく矩形の箱step240〜step244は処理、黒い矢印は処理の流れ、白抜きの矢印はデータの流れを示している。論理記述LOG240を読み込み、論理最適化処理step240を行う。これは図23におけるstep230と同様である。その後、高しきい値セルのみを用いたセル割り当て処理step241を行う。   An example of another design method using a storage medium storing the library will be described with reference to FIG. FIG. 24 shows a process of performing a logic design using the storage medium storing the cell library of FIG. As in FIG. 23, rectangular boxes step 240 to step 244 indicate processing, black arrows indicate processing flows, and white arrows indicate data flows. The logic description LOG240 is read, and logic optimization processing step240 is performed. This is the same as step 230 in FIG. Thereafter, a cell allocation process step 241 using only the high threshold cell is performed.

図23の実施例同様に、ディレイおよび消費電力計算処理step242を繰り返し実行し、高しきい値セルのみを使用するという限定のもとで最適なセル割り当てを行う。その後、配置配線処理step243を行う。さらに、配置配線後の実際の配線長を考慮に入れ、ディレイおよび消費電力計算処理step242を行った結果、より精度の高い計算結果が得られる。その結果、ディレイ違反経路が存在した場合に、違反経路上のセルを同一機能で低しきい値MOSFETのセルに置き換える処理step244を行い、レイアウト情報が付加されたネットリストnet240を出力する。
これにより、周囲のレイアウトを変更せずに違反を解消できるという利点がある。
As in the embodiment of FIG. 23, the delay and power consumption calculation processing step 242 is repeatedly executed, and the optimal cell allocation is performed under the limitation that only the high threshold value cells are used. After that, a placement and routing process step 243 is performed. Furthermore, the delay and power consumption calculation processing step 242 are performed in consideration of the actual wiring length after the placement and routing, and as a result, a more accurate calculation result is obtained. As a result, if there is a delay violation path, a process step 244 of replacing cells on the violation path with cells of a low threshold MOSFET by the same function is performed, and a netlist net240 to which layout information is added is output.
Thus, there is an advantage that the violation can be eliminated without changing the surrounding layout.

また、図24の実施例とは逆に、低しきい値MOSFETセルのみを用いて、セル割り当てと配置配線を行い、その後にディレイ計算を行った結果、ディレイ余裕が存在した場合に、ディレイに余裕のある経路上のセルを高しきい値MOSFETのセルに置き換える方法も考えられる。   Also, contrary to the embodiment of FIG. 24, cell assignment and placement and routing are performed using only low-threshold MOSFET cells, and delay calculation is performed thereafter. A method is also conceivable in which cells on a path with a margin are replaced with cells of a high threshold MOSFET.

次に、約8000セルからなる半導体集積回路に、本発明を実施した例について説明する。本実施例では、ゲート長0.25μmの相補型MOSFETをVdd=1.6V、Vss=0Vで動作させた例である。   Next, an example in which the present invention is applied to a semiconductor integrated circuit having about 8000 cells will be described. In this embodiment, a complementary MOSFET having a gate length of 0.25 μm is operated at Vdd = 1.6V and Vss = 0V.

図18は、横軸にサイクルタイム(最大経路ディレイ)をとり、縦軸にそのディレイ値の経路に含まれるセル数をとったグラフである。セルが複数の経路に含まれる場合は、最も大きなディレイ値の経路に含まれるとする。実線(1)は、一律に高しきい値電圧(0.15V)のMOSFETを使用した場合、太い実線(2)は、本発明を実施した結果で、高しきい値電圧(0.15V)、低しきい値電圧(-0.05V)とした場合、薄い実線(3)は、一律低しきい値電圧(-0.05V)のMOSFETを使用した場合を示している。実線(1)は最大5nsecの経路が存在するが、(2),(3)では、最大3.95nsecであり、両方とも高速化されていることがわかる。   FIG. 18 is a graph in which the horizontal axis indicates the cycle time (maximum path delay), and the vertical axis indicates the number of cells included in the path of the delay value. When a cell is included in a plurality of paths, it is assumed that the cell is included in a path having the largest delay value. The solid line (1) indicates the case where a high threshold voltage (0.15 V) MOSFET is used uniformly, and the thick solid line (2) indicates the result of the present invention. When the threshold voltage is set to (−0.05 V), a thin solid line (3) indicates a case where a MOSFET having a uniform low threshold voltage (−0.05 V) is used. The solid line (1) has a maximum path of 5 nsec, but in (2) and (3), it has a maximum of 3.95 nsec, which indicates that both are speeded up.

しかし、(3)のように一律しきい値を下げた場合は、ディレイ値が小さい領域も高速化されており、(1)の分布を左に平行移動した形になっている。このことは、高しきい値電圧のMOSFETを用いても目標サイクル以内に収まっている経路のセルも高速化し、無駄に電力を消費していることを示している。   However, when the uniform threshold value is lowered as in (3), the speed of the region where the delay value is small is also increased, and the distribution of (1) is translated to the left. This indicates that even if a MOSFET with a high threshold voltage is used, the speed of the cell in the path within the target cycle is increased, and power is wasted.

一方、本発明の実施結果である(2)では、ディレイの小さい領域では、(1)の分布と殆ど変化せずに、3.95nsec〜5nsecの範囲のみを左に圧縮した形になっている。つまり、無駄な電力を消費せずに高速化できていることを示している。   On the other hand, in (2), which is the result of the implementation of the present invention, in the region where the delay is small, only the range of 3.95 nsec to 5 nsec is compressed to the left without substantially changing the distribution of (1). In other words, this indicates that the speed has been increased without consuming unnecessary power.

図17は、横軸にサイクルタイム(最大経路ディレイ)をとり、縦軸にリーク電流による消費電力をとったグラフである。本回路は、一律に高しきい値電圧(0.15V)のMOSFETを使用した場合には、サイクルタイム5nsec(200MHz)で動作する回路である。消費電力の値は、一律に高しきい値電圧(0.15V)のMOSFETで構成した場合の消費電力を1として、正規化してある。   FIG. 17 is a graph in which the horizontal axis represents cycle time (maximum path delay) and the vertical axis represents power consumption due to leakage current. This circuit is a circuit that operates with a cycle time of 5 nsec (200 MHz) when a MOSFET having a high threshold voltage (0.15 V) is used uniformly. The value of the power consumption is normalized by assuming that the power consumption when a MOSFET having a high threshold voltage (0.15 V) is uniformly set to 1.

図中で、三角印で示したのは、一律にしきい値電圧を下げた場合の結果で、丸印で示したのが本発明により2種のしきい値電圧のMOSFETの使用を実施した結果である。各プロット点の横にしきい値電圧を示した。例えば、本発明では、低しきい値電圧を-0.05V、高しきい値電圧を0.15Vとし、2種のしきい値電圧のMOSFETを使用した場合には、サイクルタイムは3.95nsec(253MHz)まで高速化でき、消費電力は約20になる。   In the figure, the triangles indicate the results when the threshold voltage was reduced uniformly, and the circles indicate the results of using two types of threshold voltage MOSFETs according to the present invention. It is. The threshold voltage is shown next to each plot point. For example, in the present invention, the low threshold voltage is -0.05 V, the high threshold voltage is 0.15 V, and when two types of threshold voltage MOSFETs are used, the cycle time is 3.95 nsec (253 MHz). The speed can be increased to about 20 and the power consumption will be about 20.

一方、一律にしきい値電圧を-0.05Vにした場合は、サイクルタイムは、同様に3.95nsecになるが、消費電力は60以上になってしまう。また、例えば、リーク電流による消費電力を10以内に押さえるという条件では、一律にしきい値電圧を変える場合はサイクルタイム4.33nsec(231MHz)であるが、本発明によれば、サイクルタイム4.07nsec(246MHz)まで高速に動作できることがわかる。   On the other hand, when the threshold voltage is uniformly set to −0.05 V, the cycle time is similarly 3.95 nsec, but the power consumption is 60 or more. Further, for example, under the condition that the power consumption due to the leakage current is kept within 10 or less, the cycle time is 4.33 nsec (231 MHz) when the threshold voltage is changed uniformly, but according to the present invention, the cycle time is 4.07 nsec (246 MHz). It can be seen that the operation can be performed at high speed up to).

また、図17において、本発明を実施した場合の、低しきい値電圧MOSFETの比率は、低しきい値電圧0.1Vの時は6%、低しきい値電圧0.05Vの時は15%、低しきい値電圧0.0Vの時は23%、低しきい値電圧-0.05Vの時は30%となる。しきい値電圧を下げた場合のMOSFETのリーク電流は指数関数的に増加するために、しきい値を下げるMOSFETの比率は30%程度以内が望ましい。適切な消費電力に抑えるためには、10%以内に抑えることが、より好適である。本発明によれば、低しきい値電圧にするMOSFETを最小限にすることが可能であり、全体のMOSFETに対する低しきい値MOSFETの比率が30%以内であることも、本発明の特徴である。   In FIG. 17, when the present invention is implemented, the ratio of the low threshold voltage MOSFET is 6% when the low threshold voltage is 0.1 V, 15% when the low threshold voltage is 0.05 V, When the low threshold voltage is 0.0V, it is 23%, and when the low threshold voltage is -0.05V, it is 30%. Since the leakage current of the MOSFET when the threshold voltage is lowered increases exponentially, the ratio of the MOSFET that lowers the threshold voltage is preferably within about 30%. In order to suppress the power consumption appropriately, it is more preferable to suppress the power consumption within 10%. According to the present invention, it is possible to minimize the number of MOSFETs for setting the low threshold voltage, and the ratio of the low threshold MOSFET to the total MOSFET is within 30%. is there.

上記実施例から、本発明を実施することにより、高速に動作させるアクティブ動作時においても、MOSFETのリーク電流による消費電力の増加を最小限に抑えた上で、高い動作速度の半導体集積回路装置が得られることが明らかである。   From the above embodiment, by implementing the present invention, a semiconductor integrated circuit device having a high operation speed can be realized while minimizing an increase in power consumption due to MOSFET leakage current even during an active operation for operating at a high speed. It is clear that it can be obtained.

図28に、本発明の半導体集積回路をマイクロプロセッサに適用した例について示す。図28は、マイクロプロセッサの主な構成ブロックを示しており、その内部のセルの配置を矩形で模式的に表している。   FIG. 28 shows an example in which the semiconductor integrated circuit of the present invention is applied to a microprocessor. FIG. 28 shows main constituent blocks of a microprocessor, and the arrangement of cells inside the microprocessor is schematically represented by a rectangle.

図28の例では、構成ブロックは、CPU(中央演算装置)、FPU(浮動小数点演算ユニット)、キャッシュ(内臓メモリ)、BSC(バス制御)、DMA(ダイレクトメモリアクセス)、CPG(クロック制御)、INT(割込み制御)等である。書くブロック内のセルのうち網掛けを施したものは低しきい値、白抜きのものは高しきい値のセルである。例えば、タイミングクリティカルな経路が多く存在する、CPU、FPU、キャッシュ等は低しきい値のセルの数が多いことが分かる。またタイミングに余裕のあるブロックINT等は、低しきい値のセルの割合が少ない。このように、本発明によれば、単にブロック毎にしきい値電圧を変えるのでなく、同一のブロックにおいても、必要に応じ低しきい値のMOSFETと高しきい値のMOSFETを適宜使い分け、かつ、低しきいのMOSFETの使用を最小限に抑えることが可能であり、高速動作と低消費電力を同時に実現することが可能になる。
また、本発明は、アクティブ時の高速動作と低リーク電流を実現するものであるが、スタンバイ時に基板バイアス電源を制御することにより、しきい値を上げる公知の技術と組み合わせることも可能である。
In the example of FIG. 28, the constituent blocks are a CPU (central processing unit), an FPU (floating point arithmetic unit), a cache (built-in memory), a BSC (bus control), a DMA (direct memory access), a CPG (clock control), INT (interrupt control). The cells shaded in the block to be written are cells with a low threshold, and those outlined are cells with a high threshold. For example, it can be seen that the CPU, FPU, cache, etc., where many timing-critical paths exist, have a large number of cells with low thresholds. In addition, in a block INT or the like having extra timing, the ratio of cells having a low threshold value is small. As described above, according to the present invention, instead of simply changing the threshold voltage for each block, even in the same block, a low-threshold MOSFET and a high-threshold MOSFET are appropriately used as needed, and The use of low-threshold MOSFETs can be minimized, and high-speed operation and low power consumption can be achieved simultaneously.
Although the present invention realizes high-speed operation and low leakage current during active mode, it can be combined with a well-known technique for increasing the threshold value by controlling the substrate bias power supply during standby.

以上説明してきた実施例においては、しきい値電圧の異なる2種類のMOSFETを用いる場合を主に説明したが、3種類以上のしきい値電圧のMOSFETを混在させることも容易に実施可能であり、本発明に含まれる。   In the embodiment described above, a case where two types of MOSFETs having different threshold voltages are mainly used has been described. However, it is possible to easily mix three or more types of threshold voltage MOSFETs. , Included in the present invention.

本発明の半導体集積回路装置の代表的な実施例の論理ゲート回路図。FIG. 1 is a logic gate circuit diagram of a typical embodiment of a semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の別の実施例の論理ゲート回路図。FIG. 10 is a logic gate circuit diagram of another embodiment of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の別の実施例の論理ゲート回路。7 shows a logic gate circuit according to another embodiment of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の別の実施例の論理ゲート回路図。FIG. 10 is a logic gate circuit diagram of another embodiment of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の実勢例における論理ゲートの配置図。FIG. 3 is a layout diagram of logic gates in a practical example of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. ゲート長としきい値電圧の関係を示す図。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a gate length and a threshold voltage. 本発明の半導体集積回路装置の実勢例におけるウェル領域の構成図。FIG. 3 is a configuration diagram of a well region in a practical example of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の実施例におけるデバイス構造断面図。1 is a sectional view of a device structure in an embodiment of a semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の別の実勢例におけるウェル領域の構成図。FIG. 11 is a configuration diagram of a well region in another actual example of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明のセルライブラリを記憶した記憶媒体の実施例。1 is an embodiment of a storage medium storing a cell library according to the present invention. 一般的な信号経路のディレイ値の分布の例を示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a distribution of delay values of a general signal path. 本発明の半導体集積回路装置の実施例のMOSFET回路図。1 is a MOSFET circuit diagram of an embodiment of a semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の別の実施例のMOSFET回路。7 is a MOSFET circuit according to another embodiment of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の別の実施例のMOSFET回路図。FIG. 6 is a MOSFET circuit diagram of another embodiment of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の実施例のレイアウト図。1 is a layout diagram of an embodiment of a semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の別の実施例のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of another embodiment of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の実施例でのディレイと消費電力の関係を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a relationship between delay and power consumption in the embodiment of the present invention. 本発明の実施例でのディレイ値の分布を示す図。FIG. 4 is a diagram illustrating a distribution of delay values according to the embodiment of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の実施例の論理ゲート回路図。FIG. 1 is a logic gate circuit diagram of an embodiment of a semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の実施例の論理ゲート回路図。FIG. 1 is a logic gate circuit diagram of an embodiment of a semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置のパストランジスタと相補型MOSFETが混在した実施例のMOSFET回路図。FIG. 1 is a MOSFET circuit diagram of an embodiment in which a pass transistor and a complementary MOSFET are mixed in a semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明をSOIデバイス構造を用いて実施した場合の半導体集積回路装置のレイアウト図。FIG. 1 is a layout diagram of a semiconductor integrated circuit device when the present invention is implemented using an SOI device structure. 本発明の半導体集積回路の設計方法の実施例を示す図。FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a method for designing a semiconductor integrated circuit according to the present invention. 本発明を半導体集積回路の設計方法の別の実施例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing another embodiment of a method for designing a semiconductor integrated circuit according to the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の実施例におけるデバイス構造断面図。1 is a sectional view of a device structure in an embodiment of a semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の別の実施例におけるデバイス構造断面図。FIG. 9 is a sectional view of a device structure in another embodiment of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の別の実施例におけるデバイス構造断面図。FIG. 9 is a sectional view of a device structure in another embodiment of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置をマイクロプロセッサに適用した実施例の図。1 is a diagram of an embodiment in which a semiconductor integrated circuit device of the present invention is applied to a microprocessor.

符号の説明Explanation of reference numerals

g11〜 g222 … 論理ゲート
gg191、gg192、gg201、gg202 … 論理ゲート群
f11〜f14、f121〜f143、f191〜f203 … フリップフロップ
LSI50、LSI70、LSI90 … 半導体集積回路
well71〜well74 … ウェル領域
darea121〜darea124、diff801〜diff2704 … ソース・ドレイン領域
ox801〜ox2704 … ゲート酸化膜
gate121〜gate2704 … ゲート電極
row91〜row98 … 論理ゲート列
pw91〜pw94、pw121、pw151、pw152、802 … pウェル領域
nw91〜nw95、nw121、nw151、nw152、803 … nウェル領域
wire91〜wire94、Vdd、Vss、Vdd121、Vdd131,Vdd141、Vss121、vss131、Vss141
、 Vbp1〜 Vbp222、Vbn1〜Vbn222 … 動作電位供給線
c101〜c103 … セル
nd1、nd2、nd131〜nd141〜nd143、nd211〜nd212 … ノード
pm1〜pm2703 … pチャネルMOSFET
nm1〜nm2704 … nチャネルMOSFET
inv1、inv2、inv131、inv211 … インバータ論理ゲート
NAND131、NAND141〜NAND143 … NAND論理ゲート
term121〜term124 … 端子
TH121,TH122、TH151〜TH154、TH221、TH222 … スルーホール
c131、c132、c141、c142、c191、c201 … 論理ゲート回路
step230〜step232、 step240〜step244 … 処理ステップ
LOG230、LOG240 … 論理記述
LIB230、LIB230 … セルライブラリ
net230、net240 … ネットリスト。
g11-g222… logic gate
gg191, gg192, gg201, gg202… logic gate group
f11-f14, f121-f143, f191-f203… flip-flop
LSI50, LSI70, LSI90… Semiconductor integrated circuit
well71 to well74… well area
darea121-darea124, diff801-diff2704 ... source / drain area
ox801 ~ ox2704… gate oxide film
gate121 to gate2704… gate electrode
row91-row98… logic gate row
pw91 to pw94, pw121, pw151, pw152, 802 ... p-well region
nw91 to nw95, nw121, nw151, nw152, 803 ... n-well region
wire91 to wire94, Vdd, Vss, Vdd121, Vdd131, Vdd141, Vss121, vss131, Vss141
, Vbp1 to Vbp222, Vbn1 to Vbn222… Operating potential supply line
c101 ~ c103… cell
nd1, nd2, nd131 to nd141 to nd143, nd211 to nd212… node
pm1 to pm2703… p-channel MOSFET
nm1-nm2704… n-channel MOSFET
inv1, inv2, inv131, inv211… Inverter logic gate
NAND131, NAND141 to NAND143… NAND logic gate
term121 to term124… terminal
TH121, TH122, TH151-TH154, TH221, TH222… Through hole
c131, c132, c141, c142, c191, c201 ... Logic gate circuit
step230-step232, step240-step244… processing step
LOG230, LOG240… Logical description
LIB230, LIB230… cell library
net230, net240 ... Netlist.

Claims (26)

半導体基体に形成されたスイッチング素子によって構成された論理ゲートを有し、少なくとも1つまたは複数の入力信号に対し、前記論理ゲートにより所定の処理を行い、少なくとも1つまたは複数の信号を出力する半導体集積回路装置であり、前記スイッチング素子には、低しきい値電圧のスイッチング素子と高しきい値電圧のスイッチング素子の少なくとも2種以上のスイッチング素子があり、
前記信号の伝播する経路が複数存在し、第1の経路の論理ゲートを構成するスイッチング素子のしきい値電圧と、第2の信号経路の論理ゲートを構成するスイッチング素子のしきい値電圧が異なる事を特徴とする半導体集積回路装置。
A semiconductor having a logic gate constituted by a switching element formed on a semiconductor substrate, performing a predetermined process on at least one or a plurality of input signals by the logic gate, and outputting at least one or a plurality of signals An integrated circuit device, wherein the switching elements include at least two or more types of switching elements: a low threshold voltage switching element and a high threshold voltage switching element;
There are a plurality of paths through which the signal propagates, and a threshold voltage of a switching element forming a logic gate of the first path is different from a threshold voltage of a switching element forming a logic gate of the second signal path. A semiconductor integrated circuit device characterized in that:
半導体基体に形成されたスイッチング素子によって構成された論理ゲートを有し、少なくとも1つまたは複数の入力信号に対し、前記論理ゲートにより所定の処理を行い、少なくとも1つまたは複数の信号を出力する半導体集積回路装置であり、前記スイッチング素子には、低しきい値電圧のスイッチング素子と高しきい値電圧のスイッチング素子の少なくとも2種以上のスイッチング素子があり、
前記信号の伝播する1つの経路上に、低しきい値電圧のスイッチング素子により構成された論理ゲートと高しきい値電圧のスイッチング素子により構成された論理ゲートが混在する事を特徴とする半導体集積回路装置。
A semiconductor having a logic gate constituted by a switching element formed on a semiconductor substrate, performing a predetermined process on at least one or a plurality of input signals by the logic gate, and outputting at least one or a plurality of signals An integrated circuit device, wherein the switching elements include at least two or more types of switching elements: a low threshold voltage switching element and a high threshold voltage switching element;
A semiconductor integrated circuit, wherein a logic gate composed of a switching element with a low threshold voltage and a logic gate composed of a switching element with a high threshold voltage are mixed on one path through which the signal propagates. Circuit device.
半導体基体に形成されたスイッチング素子によって構成された論理ゲートを有し、少なくとも1つまたは複数の入力信号に対し、前記論理ゲートにより所定の処理を行い、少なくとも1つまたは複数の信号を出力する半導体集積回路装置であり、前記スイッチング素子には、低しきい値電圧のスイッチング素子と高しきい値電圧のスイッチング素子の少なくとも2種以上のスイッチング素子があり、
第1のノードから第2のノードへの信号経路と、第2のノードから第3のノードへの経路および第2のノードから第4のノードへの経路に分岐するような信号経路が存在し、第1のノードから第2のノードまでの経路上の全論理ゲート数に対する低しきい値のスイッチング素子により構成される論理ゲート数の比率が、第2のノードから第3のノードまでの経路および第2のノードから第4のノードまでの経路上の全論理ゲート数に対する低しきい値のスイッチング素子により構成される論理ゲート数の比率より高い事を特徴とする半導体集積回路装置。
A semiconductor having a logic gate constituted by a switching element formed on a semiconductor substrate, performing a predetermined process on at least one or a plurality of input signals by the logic gate, and outputting at least one or a plurality of signals An integrated circuit device, wherein the switching elements include at least two or more types of switching elements: a low threshold voltage switching element and a high threshold voltage switching element;
There is a signal path from the first node to the second node, a signal path branching from the second node to the third node, and a signal path branching from the second node to the fourth node. , The ratio of the number of logic gates constituted by the low threshold switching elements to the total number of logic gates on the path from the first node to the second node is different from the path from the second node to the third node. And a ratio higher than the ratio of the number of logic gates constituted by the low threshold switching elements to the total number of logic gates on the path from the second node to the fourth node.
半導体基体に形成されたスイッチング素子によって構成された論理ゲートを有し、少なくとも1つまたは複数の入力信号に対し、前記論理ゲートにより所定の処理を行い、少なくとも1つまたは複数の信号を出力する半導体集積回路装置であり、前記スイッチング素子には、低しきい値電圧のスイッチング素子と高しきい値電圧のスイッチング素子の少なくとも2種以上のスイッチング素子があり、
第1のノードから第2のノードへの信号経路および第3のノードから第2のノードへの経路および第2のノードから第4のノードへの経路が存在し、第2のノードから第4のノードまでの経路上の全論理ゲート数に対する低しきい値のスイッチング素子により構成される論理ゲート数の比率が、第1のノードから第2のノードまでの経路および第3のノードから第2のノードまでの経路上の全論理ゲート数に対する低しきい値のスイッチング素子により構成される論理ゲート数の比率より高い事を特徴とする半導体集積回路装置。
A semiconductor having a logic gate constituted by a switching element formed on a semiconductor substrate, performing a predetermined process on at least one or a plurality of input signals by the logic gate, and outputting at least one or a plurality of signals An integrated circuit device, wherein the switching elements include at least two or more types of switching elements: a low threshold voltage switching element and a high threshold voltage switching element;
There is a signal path from the first node to the second node, a path from the third node to the second node, and a path from the second node to the fourth node. The ratio of the number of logic gates constituted by the low threshold switching elements to the total number of logic gates on the path to the node is the path from the first node to the second node and the ratio from the third node to the second node. A ratio higher than the ratio of the number of logic gates constituted by the low threshold switching elements to the total number of logic gates on the path to the node.
前記信号の伝播する経路とは、第1の経路として、半導体集積回路の入力ピンから信号が最初に到達する、状態保持回路の入力ピンまでの経路、第2の経路として、状態保持回路の出力ピンから次に信号が到達する状態保持回路の入力ピンまでの経路、第3の経路として、状態保持回路の出力ピンから他の状態保持回路を経由せずに信号が到達する半導体集積回路の出力ピンまでの経路の3種類の経路、または、前記3種類の経路の部分経路であることを特徴とする請求項1から4記載のうちのいずれかに記載の半導体集積回路装置。   The path through which the signal propagates is, as a first path, a path from the input pin of the semiconductor integrated circuit to the input pin of the state holding circuit where the signal first arrives, and as a second path, an output of the state holding circuit, A third path from a pin to an input pin of a state holding circuit to which a signal arrives next is an output of a semiconductor integrated circuit to which a signal reaches from an output pin of the state holding circuit without passing through another state holding circuit. 5. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the semiconductor integrated circuit device is one of three types of routes to a pin or a partial route of the three types of routes. 半導体基体に形成されたスイッチング素子によって構成された論理ゲートを有し、少なくとも1つまたは複数の入力信号に対し、前記論理ゲートにより所定の処理を行い、少なくとも1つまたは複数の信号を出力する半導体集積回路装置であり、
少なくとも第1、第2の状態保持回路および第1、第2、第3、第4のスイッチング素子を有し、
第1の動作電位点が給電される第1動作電位供給線、第2の動作点電位が給電される第2の動作電位供給線および第1、第2のノードを有し、
前記第1の状態保持回路の出力ピンまたは半導体集積回路の入力ピンが、直接、または、1つまたは複数の論理ゲートを経由し、前記第1および前記第2のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第1のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と前記第1のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第2のスイッチング素子は、前記第2の動作電位点と前記第1のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第1のノードが、前記第3および前記第4のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第3のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と前記第2のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第4のスイッチング素子は、前記第2の動作電位点と前記第2のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
さらに、前記第2のノードは、直接、または、1つまたは複数の論理ゲートを経由し、前記第2の状態保持回路の入力ピンまたは半導体集積回路の出力ピンに接続され、
前記第1のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子のしきい値電圧が異なる、または、前記第2のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子のしきい値電圧が異なることを特徴とする半導体集積回路装置。
A semiconductor having a logic gate constituted by a switching element formed on a semiconductor substrate, performing a predetermined process on at least one or a plurality of input signals by the logic gate, and outputting at least one or a plurality of signals An integrated circuit device,
At least a first and second state holding circuit and first, second, third and fourth switching elements;
A first operating potential supply line to which a first operating potential point is supplied, a second operating potential supply line to which a second operating point potential is supplied, and first and second nodes;
An output pin of the first state holding circuit or an input pin of the semiconductor integrated circuit is connected to the gate electrodes of the first and second switching elements directly or via one or more logic gates. ,
The first switching element is connected to have a source / drain path between the first operating potential point and the first node,
The second switching element is connected to have a source / drain path between the second operating potential point and the first node,
The first node is connected to gate electrodes of the third and fourth switching elements;
The third switching element is connected to have a source / drain path between the first operating potential point and the second node,
The fourth switching element is connected to have a source / drain path between the second operating potential point and the second node,
Further, the second node is connected to an input pin of the second state holding circuit or an output pin of the semiconductor integrated circuit directly or via one or more logic gates,
A semiconductor integrated circuit, wherein threshold voltages of the first switching element and the third switching element are different, or threshold voltages of the second switching element and the fourth switching element are different. Circuit device.
半導体基体に形成されたスイッチング素子によって構成された論理ゲートを有し、少なくとも1つまたは複数の入力信号に対し、前記論理ゲートにより所定の処理を行い、少なくとも1つまたは複数の信号を出力する半導体集積回路装置であり、
少なくとも第1、第2、第3の状態保持回路および第1、第2、第3、第4、第5、第6のスイッチング素子を有し、
第1の動作電位点が給電される第1動作電位供給線、第2の動作点電位が給電される第2の動作電位供給線および第1、第2、第3のノードを有し、
前記第1の状態保持回路の出力ピンまたは半導体集積回路の入力ピンが、直接、または、1つまたは複数の論理ゲートを経由し、前記第1および前記第2のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第1のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と前記第1のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第2のスイッチング素子は、前記第2の動作電位点と前記第1のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第1のノードが、前記第3、第4、第5、第6のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第3のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と前記第2のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第4のスイッチング素子は、前記第2の動作電位点と前記第2のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第5のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と前記第3のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第6のスイッチング素子は、前記第2の動作電位点と前記第3のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
さらに、前記第2のノードは、直接、または、1つまたは複数の論理ゲートを経由し、前記第2の状態保持回路の入力ピンまたは半導体集積回路の出力ピンに接続され、
さらに、前記第3のノードは、直接、または、1つまたは複数の論理ゲートを経由し、前記第3の状態保持回路の入力ピンまたは半導体集積回路の出力ピンに接続され、
前記第3のスイッチング素子のしきい値電圧が前記第1のスイッチング素子のしきい値電圧より高い、または、前記第4のスイッチング素子のしきい値電圧が前記第2のスイッチング素子のしきい値電圧より高いことを特徴とする半導体集積回路装置。
A semiconductor having a logic gate constituted by a switching element formed on a semiconductor substrate, performing a predetermined process on at least one or a plurality of input signals by the logic gate, and outputting at least one or a plurality of signals An integrated circuit device,
At least a first, second, and third state holding circuit and first, second, third, fourth, fifth, and sixth switching elements;
A first operating potential supply line to which a first operating potential point is supplied, a second operating potential supply line to which a second operating point potential is supplied, and first, second, and third nodes;
An output pin of the first state holding circuit or an input pin of the semiconductor integrated circuit is connected to the gate electrodes of the first and second switching elements directly or via one or more logic gates. ,
The first switching element is connected to have a source / drain path between the first operating potential point and the first node,
The second switching element is connected to have a source / drain path between the second operating potential point and the first node,
The first node is connected to gate electrodes of the third, fourth, fifth, and sixth switching elements;
The third switching element is connected to have a source / drain path between the first operating potential point and the second node,
The fourth switching element is connected to have a source / drain path between the second operating potential point and the second node,
The fifth switching element is connected to have a source / drain path between the first operating potential point and the third node,
The sixth switching element is connected to have a source / drain path between the second operating potential point and the third node,
Further, the second node is connected to an input pin of the second state holding circuit or an output pin of the semiconductor integrated circuit directly or via one or more logic gates,
Further, the third node is connected to an input pin of the third state holding circuit or an output pin of a semiconductor integrated circuit directly or through one or more logic gates,
The threshold voltage of the third switching element is higher than the threshold voltage of the first switching element, or the threshold voltage of the fourth switching element is the threshold voltage of the second switching element. A semiconductor integrated circuit device which is higher than a voltage.
半導体基体に形成されたスイッチング素子によって構成された論理ゲートを有し、少なくとも1つまたは複数の入力信号に対し、前記論理ゲートにより所定の処理を行い、少なくとも1つまたは複数の信号を出力する半導体集積回路装置であり、
少なくとも第1、第2、第3の状態保持回路および第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7、第8のスイッチング素子を有し、
第1の動作電位点が給電される第1の動作点電位供給線、第2の動作点電位が給電される第2の動作電位供給線および第1、第2、第3のノードを有し、
前記第1の状態保持回路の出力ピンまたは半導体集積回路の入力ピンが、直接、または、1つまたは複数の論理ゲートを経由し、前記第1および前記第2のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第1のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と前記第1のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第2のスイッチング素子は、前記第2の動作電位点と前記第1のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第2の状態保持回路の出力ピンまたは半導体集積回路の入力ピンが、直接、または、1つまたは複数の論理ゲートを経由し、前記第3および前記第4のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第3のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と前記第2のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第4のスイッチング素子は、前記第2の動作電位点と前記第2のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第1のノードが、前記第5および前記第6のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第2のノードが、前記第7および前記第8のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第5および第7のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と前記第3のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第6および第8のスイッチング素子は、前記第2の動作電位点と前記第3のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
さらに、前記第3のノードは、直接、または、1つまたは複数の論理ゲートを経由し、前記第3の状態保持回路の入力ピンまたは半導体集積回路の出力ピンに接続され、
前記第1のスイッチング素子のしきい値電圧が前記第5または前記第7のスイッチング素子のしきい値電圧より高い、または、前記第2のスイッチング素子のしきい値電圧が前記第6または前記第8のスイッチング素子のしきい値電圧より高いことを特徴とする半導体集積回路装置。
A semiconductor having a logic gate constituted by a switching element formed on a semiconductor substrate, performing a predetermined process on at least one or a plurality of input signals by the logic gate, and outputting at least one or a plurality of signals An integrated circuit device,
At least a first, second, and third state holding circuit and first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, and eighth switching elements;
A first operating point potential supply line to which the first operating potential point is supplied, a second operating potential supply line to which the second operating point potential is supplied, and first, second, and third nodes ,
An output pin of the first state holding circuit or an input pin of the semiconductor integrated circuit is connected to the gate electrodes of the first and second switching elements directly or via one or more logic gates. ,
The first switching element is connected to have a source / drain path between the first operating potential point and the first node,
The second switching element is connected to have a source / drain path between the second operating potential point and the first node,
An output pin of the second state holding circuit or an input pin of the semiconductor integrated circuit is connected to a gate electrode of the third and fourth switching elements directly or via one or more logic gates. ,
The third switching element is connected to have a source / drain path between the first operating potential point and the second node,
The fourth switching element is connected to have a source / drain path between the second operating potential point and the second node,
The first node is connected to gate electrodes of the fifth and sixth switching elements;
The second node is connected to gate electrodes of the seventh and eighth switching elements;
The fifth and seventh switching elements are connected to have a source / drain path between the first operating potential point and the third node,
The sixth and eighth switching elements are connected to have a source / drain path between the second operating potential point and the third node,
Further, the third node is connected to an input pin of the third state holding circuit or an output pin of a semiconductor integrated circuit directly or through one or more logic gates,
The threshold voltage of the first switching element is higher than the threshold voltage of the fifth or seventh switching element, or the threshold voltage of the second switching element is the sixth or the 8. A semiconductor integrated circuit device which is higher than the threshold voltage of the switching element of No. 8.
半導体基体に形成されたスイッチング素子によって構成された論理ゲートを有し、少なくとも1つまたは複数の入力信号に対し、前記論理ゲートにより所定の処理を行い、少なくとも1つまたは複数の信号を出力する半導体集積回路装置で
少なくとも第1、第2、第3の状態保持回路および第1、第2、第3、第4、第5、第6のスイッチング素子を有し、
第1の動作電位点が給電される第1動作電位供給線、第2の動作点電位が給電される第2の動作電位供給線および第1、第2、第3のノードを有し、
複数の論理ゲートを直列に接続した第1、第2の論理ゲート群を有し、
前記第1の状態保持回路の出力ピンまたは半導体集積回路の入力ピンが、直接
、または、1つまたは複数の論理ゲートを経由し、前記第1のスイッチング素子のゲート電極および前記第2のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第1のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と第1のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第2のスイッチング素子は、前記第1のノードと前記第2の動作電位点の間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第1のノードが、前記第3、第4、第5、第6のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第3のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と前記第2のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第4のスイッチング素子は、前記第2のノードと前記第2の動作電位点の間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第5のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と前記第3のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第6のスイッチング素子は、前記第3のノードと前記第2の動作電位点の間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
さらに、前記第2のノードは、前記第1の論理ゲート群を経由し、前記第2の状態保持回路の入力ピンに接続され、
さらに、前記第3のノードは、前記第2の論理ゲート群を経由し、前記第3の状態保持回路の入力ピンに接続され、
前記第1の論理ゲート群は、前記第2の論理ゲート群より論理ゲート段数が多く、
前記第5のスイッチング素子のしきい値電圧が前記第1および第3のスイッチング素子のしきい値電圧より高い、または、前記第6のスイッチング素子のしきい値電圧が前記第2および第4のスイッチング素子のしきい値電圧より高いことを特徴とする半導体集積回路装置。
A semiconductor having a logic gate constituted by a switching element formed on a semiconductor substrate, performing a predetermined process on at least one or a plurality of input signals by the logic gate, and outputting at least one or a plurality of signals An integrated circuit device having at least first, second, and third state holding circuits and first, second, third, fourth, fifth, and sixth switching elements;
A first operating potential supply line to which a first operating potential point is supplied, a second operating potential supply line to which a second operating point potential is supplied, and first, second, and third nodes;
A first logic gate group in which a plurality of logic gates are connected in series;
The output pin of the first state holding circuit or the input pin of the semiconductor integrated circuit is directly or via one or more logic gates, and the gate electrode of the first switching element and the second switching element Connected to the gate electrode of
The first switching element is connected to have a source / drain path between the first operating potential point and a first node;
The second switching element is connected to have a source / drain path between the first node and the second operating potential point;
The first node is connected to gate electrodes of the third, fourth, fifth, and sixth switching elements;
The third switching element is connected to have a source / drain path between the first operating potential point and the second node,
The fourth switching element is connected to have a source / drain path between the second node and the second operating potential point,
The fifth switching element is connected to have a source / drain path between the first operating potential point and the third node,
The sixth switching element is connected to have a source / drain path between the third node and the second operating potential point,
Further, the second node is connected to an input pin of the second state holding circuit via the first logic gate group,
Further, the third node is connected to an input pin of the third state holding circuit via the second logic gate group,
The first logic gate group has more logic gate stages than the second logic gate group,
The threshold voltage of the fifth switching element is higher than the threshold voltages of the first and third switching elements, or the threshold voltage of the sixth switching element is higher than the threshold voltage of the second and fourth switching elements. A semiconductor integrated circuit device characterized by being higher than a threshold voltage of a switching element.
半導体基体に形成されたスイッチング素子によって構成された論理ゲートを有し、少なくとも1つまたは複数の入力信号に対し、前記論理ゲートにより所定の処理を行い、少なくとも1つまたは複数の信号を出力する半導体集積回路装置であり、
少なくとも第1、第2、第3の状態保持回路および第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7、第8のスイッチング素子を有し、
第1の動作電位点が給電される第1の動作点電位供給線、第2の動作点電位が給電される第2の動作電位供給線および第1、第2、第3のノードを有し、
複数の論理ゲートを直列に接続した第1、第2の論理ゲート群を有し、
前記第1の状態保持回路の出力ピンが、前記第1の論理ゲート群を経由し、前記第1および前記第2のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第1のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と前記第1のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第2のスイッチング素子は、前記第2の動作電位点と前記第1のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第2の状態保持回路の出力ピンが、前記第1の論理ゲート群を経由し、前記第3および前記第4のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第3のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と前記第2のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第4のスイッチング素子は、前記第2の動作電位点と前記第2のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第1のノードが、前記第5および前記第6のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第2のノードが、前記第7および前記第8のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第5および第7のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と前記第3のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第6および第8のスイッチング素子は、前記第2の動作電位点と前記第3のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
さらに、前記第3のノードは、直接、または、1つまたは複数の論理ゲートを経由し、前記第3の状態保持回路の入力ピンまたは半導体集積回路の出力ピンに接続され、前記第1の論理ゲート群は、前記第2の論理ゲート群より論理ゲート段数が多く、
前記第3のスイッチング素子のしきい値電圧が前記第1および第5または第7のスイッチング素子のしきい値電圧より高い、または、前記第4のスイッチング素子のしきい値電圧が前記第2および第6または第8のスイッチング素子のしきい値電圧より高いことを特徴とする半導体集積回路装置。
A semiconductor having a logic gate constituted by a switching element formed on a semiconductor substrate, performing a predetermined process on at least one or a plurality of input signals by the logic gate, and outputting at least one or a plurality of signals An integrated circuit device,
At least a first, second, and third state holding circuit and first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, and eighth switching elements;
A first operating point potential supply line to which the first operating potential point is supplied, a second operating potential supply line to which the second operating point potential is supplied, and first, second, and third nodes ,
A first logic gate group in which a plurality of logic gates are connected in series;
An output pin of the first state holding circuit is connected to gate electrodes of the first and second switching elements via the first logic gate group,
The first switching element is connected to have a source / drain path between the first operating potential point and the first node,
The second switching element is connected to have a source / drain path between the second operating potential point and the first node,
An output pin of the second state holding circuit is connected to a gate electrode of the third and fourth switching elements via the first logic gate group,
The third switching element is connected to have a source / drain path between the first operating potential point and the second node,
The fourth switching element is connected to have a source / drain path between the second operating potential point and the second node,
The first node is connected to gate electrodes of the fifth and sixth switching elements;
The second node is connected to gate electrodes of the seventh and eighth switching elements;
The fifth and seventh switching elements are connected to have a source / drain path between the first operating potential point and the third node,
The sixth and eighth switching elements are connected to have a source / drain path between the second operating potential point and the third node,
Further, the third node is connected to an input pin of the third state holding circuit or an output pin of a semiconductor integrated circuit directly or via one or more logic gates, The gate group has a greater number of logic gate stages than the second logic gate group,
The threshold voltage of the third switching element is higher than the threshold voltage of the first and fifth or seventh switching elements, or the threshold voltage of the fourth switching element is A semiconductor integrated circuit device which is higher than a threshold voltage of the sixth or eighth switching element.
半導体基体に形成されたスイッチング素子によって構成された論理ゲートを有し、少なくとも1つまたは複数の入力信号に対し、前記論理ゲートにより所定の処理を行い、少なくとも1つまたは複数の信号を出力する半導体集積回路装置であり、
少なくとも第1、第2、第3のスイッチング素子を有し、
第1の動作電位点が給電される第1の動作点電位供給線、第2の動作点電位が給電される第2の動作電位供給線および第1、第2、第3のノードを有し、
前記第1のノードが前記第1のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第2のノードが前記第1のスイッチング素子のドレイン電極に接続され、
前記第1のスイッチング素子のソース電極が前記第2および第3のスイッチング素子のゲート電極に接続され、
前記第2のスイッチング素子は、前記第1の動作電位点と前記第3のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第3のスイッチング素子は、前記第2の動作電位点と前記第3のノードの間にソース・ドレイン経路を持つように接続されており、
前記第1および第2のノードに信号が入力され、前記第3のノードから信号を出力する構成をなし、
前記第1のスイッチング素子のしきい値電圧が前記第2および第3のスイッチング素子のしきい値電圧より低いことを特徴とする半導体集積回路装置。
A semiconductor having a logic gate constituted by a switching element formed on a semiconductor substrate, performing a predetermined process on at least one or a plurality of input signals by the logic gate, and outputting at least one or a plurality of signals An integrated circuit device,
Having at least a first, a second, and a third switching element;
A first operating point potential supply line to which the first operating potential point is supplied, a second operating potential supply line to which the second operating point potential is supplied, and first, second, and third nodes ,
The first node is connected to a gate electrode of the first switching element;
The second node is connected to a drain electrode of the first switching element;
A source electrode of the first switching element is connected to gate electrodes of the second and third switching elements,
The second switching element is connected to have a source / drain path between the first operating potential point and the third node,
The third switching element is connected to have a source / drain path between the second operating potential point and the third node,
A signal is input to the first and second nodes and a signal is output from the third node;
A semiconductor integrated circuit device, wherein a threshold voltage of the first switching element is lower than threshold voltages of the second and third switching elements.
前記しきい値電圧が異なるスイッチング素子を構成する手段として、前記スイッチング素子のゲート酸化膜下の半導体基板の不純物濃度を変えることを特徴とする請求項1から11のうちのいずれかに記載の半導体集積回路装置。   12. The semiconductor according to claim 1, wherein the means for forming the switching elements having different threshold voltages includes changing an impurity concentration of a semiconductor substrate under a gate oxide film of the switching elements. Integrated circuit device. 前記しきい値電圧が異なるスイッチング素子を構成する手段として、前記スイッチング素子の基板に供給するバイアス電圧値を変えることを特徴とする請求項1から11のうちのいずれかに記載の半導体集積回路装置。   12. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein a bias voltage value supplied to a substrate of the switching element is changed as a means for configuring the switching element having the different threshold voltage. . 前記しきい値電圧が異なるスイッチング素子を構成する手段として、前記スイッチング素子のゲート酸化膜厚寸法を変えることを特徴とする請求項1から11のうちのいずれかに記載の半導体集積回路装置。   12. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein a gate oxide film thickness of the switching element is changed as a means for configuring the switching element having the different threshold voltage. 前記しきい値電圧が異なるスイッチング素子を構成する手段として、前記スイッチング素子のゲート長を変えることを特徴とする請求項1から11のうちのいずれかに記載の半導体集積回路装置。   12. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein a gate length of the switching element is changed as means for forming the switching element having the different threshold voltage. 前記しきい値電圧が異なるスイッチング素子を構成する手段として、前記スイッチング素子のゲート酸化膜下の半導体基板の不純物濃度を変える第1の手段および前記スイッチング素子の基板に供給するバイアス電圧値を変える第2の手段および前記スイッチング素子のゲート酸化膜厚寸法を変える第3の手段および前記スイッチング素子のゲート長を変える第4の手段のうち、複数の手段を組み合せることを特徴とする請求項1から11のうちのいずれかに記載の半導体集積回路装置。   The first means for changing the impurity concentration of the semiconductor substrate under the gate oxide film of the switching element and the second means for changing the bias voltage value supplied to the substrate of the switching element include means for forming the switching elements having different threshold voltages. 2. A method according to claim 1, wherein a plurality of means are combined among the second means, the third means for changing the gate oxide film thickness of the switching element, and the fourth means for changing the gate length of the switching element. 12. The semiconductor integrated circuit device according to any one of 11. 前記論理ゲートを1次元の列状に配置し、複数の列を列と直交方向に並べることにより、前記論理ゲートを2次元的に配置した半導体集積回路装置であって、
使用するスイッチング素子のしきい値電圧の種類と同じ数の列と平行な基板バイアス動作電位供給線を有することを特徴とする請求項13記載の半導体集積回路装置。
A semiconductor integrated circuit device in which the logic gates are two-dimensionally arranged by arranging the logic gates in a one-dimensional column and arranging a plurality of columns in a direction orthogonal to the columns.
14. The semiconductor integrated circuit device according to claim 13, further comprising a substrate bias operating potential supply line parallel to the same number of columns as the types of threshold voltages of the switching elements to be used.
互いに絶縁された複数のウェル領域を有し、前記しきい値電圧が異なるスイッチング素子は異なるウェル領域上に構成されるることを特徴とする、請求項13記載の半導体集積回路装置。   14. The semiconductor integrated circuit device according to claim 13, comprising a plurality of well regions insulated from each other, wherein the switching elements having different threshold voltages are formed on different well regions. 前記論理ゲートを1次元の列状に配置し、複数の列を列と直交方向に並べることにより、前記論理ゲートを2次元的に配置した半導体集積回路装置であって、
同一のしきい値電圧のスイッチング素子により構成される論理ゲートを同一の列上に配置し、列に沿った同一のウェル領域上に構成し、基板バイアス電源を供給するために列と平行な動作電位供給線を有することを特徴とする請求項18記載の半導体集積回路装置。
A semiconductor integrated circuit device in which the logic gates are two-dimensionally arranged by arranging the logic gates in a one-dimensional column and arranging a plurality of columns in a direction orthogonal to the columns.
Logic gates composed of switching elements having the same threshold voltage are arranged on the same column, are arranged on the same well region along the column, and operate in parallel with the column to supply substrate bias power. 19. The semiconductor integrated circuit device according to claim 18, further comprising a potential supply line.
隣接する複数の列の論理ゲートが、同一のしきい値電圧のスイッチング素子により構成される場合、前記複数の列に渡り、ウェル領域を共有することを特徴とする請求項19記載の半導体集積回路装置。   20. The semiconductor integrated circuit according to claim 19, wherein, when the logic gates of a plurality of adjacent columns are configured by switching elements having the same threshold voltage, a well region is shared over the plurality of columns. apparatus. 予め設計された特定の論理機能を有する論理回路部品すなわちセルについて、上記セル毎の機能、形状、ディレイ、消費電力等を記述したセルライブラリを記憶した記憶媒体であって、 同一の機能と同一の形状をもち、しきい値電圧の異なるスイッチング素子により構成されたことにより、ディレイおよび消費電力が異なった少なくとも2種類以上のセルが登録されているセルライブラリを記憶することを特徴とするセルライブラリを記憶した記憶媒体。   A storage medium storing a cell library that describes the function, shape, delay, power consumption, etc. of each of the above-described logic circuit components, that is, cells, having a specific logic function designed in advance. A cell library characterized by storing at least two or more types of cells having different shapes and having different threshold voltages so that delay and power consumption are registered. A storage medium that stores. 特許請求項21記載のセルライブラリを記憶した記憶媒体を用い、特許請求項1から20のうちのいずれかに記載の半導体集積回路装置を設計する設計方法であり
、少なくとも、消費電力および信号経路のディレイを計算するステップと、上記消費電力および信号経路のディレイを計算するステップによる計算結果を用い、同一の機能と同一の形状をもち、しきい値電圧の異なるスイッチング素子により構成された少なくとも2種類以上のセルの中から1つのセルを選択し、論理回路に割り当てるステップを含むことを特徴とする半導体集積回路の設計方法。
A design method for designing a semiconductor integrated circuit device according to any one of claims 1 to 20, using a storage medium storing a cell library according to claim 21. Using a calculation result of the step of calculating the delay and the step of calculating the power consumption and the delay of the signal path, at least two types of switching elements having the same function and the same shape and having different threshold voltages. A method for designing a semiconductor integrated circuit, comprising the step of selecting one cell from the above cells and assigning it to a logic circuit.
特許請求項21記載のセルライブラリを記憶した記憶媒体を用い、特許請求項1から20記載の半導体集積回路装置を設計する設計方法であり、少なくとも、高しきい値のスイッチング素子により構成されたセルのみを用いて論理回路を設計するステップと、消費電力および信号経路のディレイを計算するステップと、上記高しきい値のスイッチング素子により構成されたセルのみを用いて設計された論理回路の一部を、同一機能と同一形状を持つ低しきい値のスイッチング素子により構成されたセルに置き換えるステップを含むことを特徴とする半導体集積回路の設計方法。   21. A design method for designing a semiconductor integrated circuit device according to claim 1 using a storage medium storing the cell library according to claim 21, wherein the cell comprises at least a switching element having a high threshold value. Designing the logic circuit using only the logic circuit, calculating the power consumption and the delay of the signal path, and a part of the logic circuit designed using only the cell constituted by the high-threshold switching element. Replacing the cells with cells formed of low threshold switching elements having the same function and the same shape. 信号経路中にラッチ回路、フリップフロップ回路、信号出力端子、あるいは信号入力端子の少なくとも一つを含む回路を複数有し、
上記回路の間の信号経路中には閾値の異なる複数のトランジスタを有することを特徴とする半導体集積回路。
A plurality of circuits including at least one of a latch circuit, a flip-flop circuit, a signal output terminal, or a signal input terminal in a signal path;
A semiconductor integrated circuit having a plurality of transistors having different thresholds in a signal path between the circuits.
信号経経路中にクロック信号により制御される第1の回路を複数有し、
上記第1の回路の間の信号経路中には閾値の異なる複数のトランジスタを含む第2の回路を有することを特徴とする半導体集積回路。
A plurality of first circuits controlled by a clock signal in a signal path;
A semiconductor integrated circuit having a second circuit including a plurality of transistors having different thresholds in a signal path between the first circuits.
信号経経路中にクロック信号により制御される第1の回路を複数有し、
上記第1の回路の間の信号経路中には閾値の異なる複数のトランジスタからなる第2の回路を有する半導体集積回路装置の設計方法であって、
上記第1の回路相互間の信号遅延時間が、所定目標値を超えないように、上記第2の回路を構成するトランジスタの閾値を設定することを特徴とする半導体集積回路の設計方法。

A plurality of first circuits controlled by a clock signal in a signal path;
A method of designing a semiconductor integrated circuit device having a second circuit including a plurality of transistors having different thresholds in a signal path between the first circuits,
A method of designing a semiconductor integrated circuit, comprising: setting a threshold value of a transistor included in the second circuit so that a signal delay time between the first circuits does not exceed a predetermined target value.

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