JP2005079360A - Semiconductor integrated circuit - Google Patents

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▲隆▼夫 渡部
Yasuhiko Takahashi
保彦 高橋
Takeshi Sakata
健 阪田
Kazumasa Yanagisawa
一正 柳沢
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the following problems: when a state of a logic circuit in a latch circuit is held at the time of power switch-off, a leakage of a current cannot be completely decreased or a long time holding is difficult to consume the power required for a refleshing by the conventional technology. <P>SOLUTION: A typical circuit is provided by a field effect transistor composed of a polycrystal thin film having a channel region of not more than 5 nm, and a dynamic latch composed of a CMOS circuit with the transistor connected to its gate input terminal. This holds the state of the logic circuit at the time of a shut-off of the power switch. Further, the power switch is provided at every circuit block. When a failure is found in the information holding means at the time of a test, the power switch of the function block is kept conductive even the block is not used. Further, the power switch is tuned off and the state of the logic circuit can be held in the dynamic latch in an unused circuit block even at the time of operation of the whole semiconductor integrated circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体集積装置、特にリーク電流の遮断のために電源と回路の間にスイッチを設けた半導体集積回路におけるラッチ回路の情報保持に関するものである。   The present invention relates to information retention of a latch circuit in a semiconductor integrated device, particularly a semiconductor integrated circuit in which a switch is provided between a power source and a circuit for blocking leakage current.

現在の半導体集積回路の大部分はCMOS回路を用いて構成されている。CMOS回路は、動作時のみに負荷容量の充放電に伴うAC電流が流れ、待機時にはほとんど電流が流れないという特長を持つ。このため、特に低電力の半導体集積回路の実現に適している。しかし、加工寸法が0.15μm程度以下の微細な電界効果型トランジスタを用いる最新の半導体集積回路では、DC電流の増大が問題になっている。これは、電界効果型トランジスタの微細化に伴い電源電圧の低電圧化が進むので、速度を確保するには電界効果型トランジスタのしきい電圧を低く設定する必要があるからである。つまり、しきい電圧が低いために、無視できない量のサブスレッショルドリーク電流が常に流れるからである。サブスレッショルドリーク電流は電界効果型トランジスタのしきい電圧を低く設定すると急激に大きくなる。このため、サブスレッショルドリーク電流による電力の増大は今後、微細化が進むとますます深刻になると予想されている。   Most of the current semiconductor integrated circuits are constructed using CMOS circuits. The CMOS circuit has an advantage that an AC current accompanying charge / discharge of the load capacitance flows only during operation, and hardly flows during standby. Therefore, it is particularly suitable for realizing a low power semiconductor integrated circuit. However, in the latest semiconductor integrated circuit using a fine field effect transistor having a processing dimension of about 0.15 μm or less, an increase in DC current is a problem. This is because the power supply voltage is lowered with the miniaturization of the field effect transistor, and the threshold voltage of the field effect transistor needs to be set low in order to secure the speed. That is, since the threshold voltage is low, a subthreshold leakage current that cannot be ignored always flows. The subthreshold leakage current increases rapidly when the threshold voltage of the field effect transistor is set low. For this reason, the increase in power due to the subthreshold leakage current is expected to become more serious in the future as miniaturization progresses.

このサブスレッショルドリーク電流を低減するための手段として、CMOS回路と電源線との間に電界効果型トランジスタからなる電源スイッチを設け、待機時にはその電界効果型トランジスタをオフする方法が提案されている。例えば、1995年8月発行のIEEE Journal of Solid State Circuits (アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・ソリッド・ステート・サーキット)の847ページから854ページに記載された方式(非特許文献1)や1998年2月に米国サンフランシスコで開催された国際固体素子会議(ISSCC:アイ・エス・エス・シー・シー)の予稿集192ページから193ページに記載された方式が知られている(非特許文献2)。前者は、しきい電圧が高くリーク電流が無視できる電界効果型トランジスタを電源スイッチに使う方式である。後者は、より低い電圧まで動作させるために電源スイッチにしきい電圧の低い電界効果型トランジスタを用いる代わりに、待機時にはそのゲート電圧を負電位にすることによってリーク電流を防止する方式である。前者はMTCMOS(Multi-Threshold CMOS)、後者はSCCMOS(Super Cut-off CMOS)と呼ばれている。電源スイッチを用いてリーク電流をカットする方式は他にも色々と提案されている。以下では、そのような方式を1括して電源スイッチ方式と呼ぶことにする。   As means for reducing the subthreshold leakage current, a method has been proposed in which a power switch composed of a field effect transistor is provided between a CMOS circuit and a power supply line, and the field effect transistor is turned off during standby. For example, the method described on pages 847 to 854 of the IEEE Journal of Solid State Circuits issued in August 1995 (Non-patent Document 1) And the method described on pages 192 to 193 of the proceedings of the International Conference on Solid State Devices (ISSCC) held in San Francisco in February 1998 is known (non-patented) Reference 2). The former is a method in which a field effect transistor having a high threshold voltage and negligible leakage current is used as a power switch. The latter is a method of preventing leakage current by setting the gate voltage to a negative potential during standby instead of using a field effect transistor having a low threshold voltage for the power switch to operate to a lower voltage. The former is called MTCMOS (Multi-Threshold CMOS), and the latter is called SCCMOS (Super Cut-off CMOS). Various other methods for cutting the leakage current using a power switch have been proposed. Hereinafter, such methods are collectively referred to as a power switch method.

単純な電源スイッチ方式では、電源の遮断時にラッチの情報が失われるので、電源の再導通時に論理回路の内部状態を復帰できない。そこで、これを解決する方法も提案されている。例えば、ラッチの情報を外部のメモリに退避させる方法や、ラッチ回路に工夫をする方法である。前者の例が、特開平5-110392号公報の第128カラムに記述されている(特許文献1)。待機状態にはラッチの情報を外部のメモリに退避させて電源を遮断し、動作時には電源スイッチを導通してからラッチにデータを戻すという方法である。後者の例としては、1995年6月に京都で開催された半導体回路の国際会議(Symposium on VLSI Circuits:シンポジウム・オン・ブイエルエスアイ・サーキット)の予稿集125ページから126ページに記載された方式(以下バルーンラッチ方式と呼ぶ)(非特許文献3)や、特開平2000-77982号公報に記載された方式(以下不揮発ラッチ方式と呼ぶ)(特許文献2)、あるいは特開平5-110392号公報に記載された方式(以下ダイナミック方式と呼ぶ)(特許文献3)、の3つを挙げることができる。   In the simple power switch method, the latch information is lost when the power is cut off, and thus the internal state of the logic circuit cannot be restored when the power is turned on again. Therefore, a method for solving this problem has also been proposed. For example, there are a method of saving latch information in an external memory and a method of devising a latch circuit. The former example is described in the 128th column of JP-A-5-110392 (Patent Document 1). In the standby state, the latch information is saved in an external memory to cut off the power, and during operation, the power switch is turned on and the data is returned to the latch. An example of the latter is the method described on pages 125-126 of the proceedings of the Symposium on VLSI Circuits held in Kyoto in June 1995 (Symposium on VLSI Circuits). (Hereinafter referred to as the balloon latch method) (Non-patent Document 3), the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-77982 (hereinafter referred to as the non-volatile latch method) (Patent Document 2), or Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-110392. 3 (hereinafter referred to as a dynamic method) (Patent Document 3).

バルーンラッチ方式は、本来のラッチに加えて、常に電源が供給されている小さなサイズの電界効果型トランジスタで構成されたラッチを待機時用に設けるものである。不揮発ラッチ方式は、ラッチ内部に設けた強誘電体キャパシタにラッチ内部の情報を退避させるものである。強誘電体キャパシタは不揮発メモリとして動作するので待機時に電源を遮断してもラッチの内容を記憶できる。ダイナミック方式は、通常のキャパシタと電界効果型トランジスタから構成されるダイナミックセルにラッチの情報を保持するものである。キャパシタに蓄えられた電荷はリークするのでリフレッシュ動作が必要であるが、待機時用にラッチを設けるバルーンラッチに比較すると消費電力は少ないことが期待できる。   In the balloon latch system, in addition to the original latch, a latch composed of a small-sized field effect transistor to which power is always supplied is provided for standby. In the nonvolatile latch system, information in the latch is saved in a ferroelectric capacitor provided in the latch. Since the ferroelectric capacitor operates as a non-volatile memory, the contents of the latch can be stored even if the power is cut off during standby. In the dynamic method, latch information is held in a dynamic cell composed of a normal capacitor and a field effect transistor. Since the charge stored in the capacitor leaks, a refresh operation is necessary. However, it can be expected that the power consumption is less than that of a balloon latch provided with a latch for standby.

特開平5-110392号公報(第128欄)JP 5-110392 A (column 128)

特開平2000-77982号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-77982 特開平5-110392号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-110392 特開2000-269457号公報(段落0010、図23)JP 2000-269457 A (paragraph 0010, FIG. 23) 特開2002-94029号公報(段落0017、図1)JP 2002-94029 A (paragraph 0017, FIG. 1) IEEE Journal of Solid State Circuits (アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・ソリッド・ステート・サーキット)(1995年8月発行、847ページから854ページ)IEEE Journal of Solid State Circuits (issued August 1995, pages 847 to 854) 1998年国際固体素子会議(ISSCC:アイ・エス・エス・シー・シー)予稿集(192ページから193ページ)1998 Solid State Device Conference (ISSCC) Preliminary Proceedings (pages 192 to 193) 1995年半導体回路の国際会議(Symposium on VLSI Circuits:シンポジウム・オン・ブイエルエスアイ・サーキット)予稿集(125ページから126ページ)1995 International Symposium on Semiconductor Circuits (Symposium on VSI Circuit) Proceedings (125-126 pages)

前記の従来例のうち、ラッチの情報を外部メモリに退避させる方法は、データの退避と復帰のために外部メモリをアクセスするので、ラッチの数が多いと時間がかかる。このため、大規模な回路を搭載する半導体集積回路には、適していない。一方、上述した従来例のうちラッチ回路に工夫をしたタイプは、データの退避や再読み込みに長い時間を必要とはしない。しかし、それぞれ以下のような課題がある。まず、バルーンラッチ方式では、情報保持用のラッチ回路には常に電源を供給しなくてはならないので、リーク電流を完全にカットすることができない。今後、半導体プロセスの微細化が進むと、搭載される回路の増大に伴いラッチの数が増え、更に低電圧化が進ので、情報保持用のラッチの部分のリーク電流は無視できない量になる恐れがある。一方、不揮発ラッチ方式は、電源を完全に遮断することができるため消費電力の面からは優れている。しかし、強誘電体キャパシタはよく知られているように書き込み回数の制限がある。このため、短期間の待機状態が頻繁におきるような場合には信頼性に問題が生ずるおそれがある。例えば、10ミリ秒程度の待機時間が要求されるシステムを10年間連続して稼動する場合を想定してみる。すると、3×10の10乗(3×1010)回の待機状態が起きるので、強誘電体への書き込み回数としては、少なくとも10の11乗(1011)回程度、マージンを持たせてできれば10の12乗(1012)回程度を保証する必要がある。しかし、一般に、強誘電体の書き込み回数は10の10乗(1010)からせいぜい12乗(1012)が限界と言われている。従って、前記のような条件では量産時の信頼性の確保が困難である。更に、不揮発素子を使う場合は、一般にテストが複雑で時間がかかるためテストコストの増大といった問題も生じる可能性がある。ダイナミック方式では、リフレッシュによる電力増加が課題である。キャパシタに接続された電界効果型トランジスタのしきい電圧を高くすることが前記の文献には示されている。しかし、通常の電界効果型トランジスタは、しきい電圧を上げたとしても接合リーク電流が無視できない。設計にもよるが、素子のばらつきや温度条件を合わせた最悪のケースでは、リテンション時間として10マイクロ秒から100マイクロ秒程度になってしまう恐れがある。この場合、待機時間中にリフレッシュで消費する電力が問題となる。 Of the conventional examples described above, the method of saving latch information to an external memory takes time if the number of latches is large because the external memory is accessed for saving and restoring data. Therefore, it is not suitable for a semiconductor integrated circuit on which a large-scale circuit is mounted. On the other hand, the type in which the latch circuit is devised in the conventional example described above does not require a long time for saving and rereading data. However, each has the following problems. First, in the balloon latch system, power must always be supplied to the latch circuit for holding information, so that the leakage current cannot be cut completely. If the semiconductor process is further miniaturized in the future, the number of latches increases as the number of mounted circuits increases, and the voltage is further lowered. Therefore, the leakage current in the latch portion for holding information may become a non-negligible amount. There is. On the other hand, the nonvolatile latch system is excellent in terms of power consumption because the power supply can be completely shut off. However, as is well known, ferroelectric capacitors have a limited number of times of writing. For this reason, there may be a problem in reliability when a short-term standby state frequently occurs. For example, assume that a system that requires a waiting time of about 10 milliseconds is operated continuously for 10 years. Then, since a standby state of 3 × 10 10 (3 × 10 10 ) times occurs, the number of times of writing to the ferroelectric material should be at least 10 11 (10 11 ) times with a margin. It is necessary to guarantee about 10 12 times (10 12 ) times. However, it is generally said that the limit of the number of times of writing a ferroelectric material is 10 10 (10 10 ) to 12 (10 12 ) at most. Therefore, it is difficult to ensure reliability during mass production under the above conditions. Furthermore, when using a non-volatile element, the test is generally complicated and time-consuming, which may cause a problem of increased test cost. In the dynamic method, an increase in power due to refresh is a problem. The above document shows that the threshold voltage of a field effect transistor connected to a capacitor is increased. However, in a normal field effect transistor, even if the threshold voltage is increased, the junction leakage current cannot be ignored. Although it depends on the design, in the worst case where the variation of elements and temperature conditions are combined, the retention time may be about 10 to 100 microseconds. In this case, power consumed by refresh during the standby time becomes a problem.

このように、スイッチ遮断方式における従来のラッチ回路では、情報を保持するために電力を消費したり、書き込み回数の制限があったりとさまざまな課題があった。   As described above, the conventional latch circuit in the switch cutoff method has various problems such as power consumption for holding information and a limit on the number of times of writing.

更に、ラッチ回路の情報保持機構に不良があった場合にどのように対処するのかという点についての配慮もなされていなかった。又、従来例では、待機時の電流の低減を目的としたリーク電流の低減を目的とした検討がなされているが、将来は動作時におけるAC電流に対してリークに伴うDC電流が無視できない量になることも予想される。従って、これについても考慮が必要である。   Furthermore, no consideration has been given to how to deal with a failure in the information holding mechanism of the latch circuit. In the conventional example, studies aimed at reducing leakage current for the purpose of reducing standby current have been made, but in the future, the amount of DC current associated with leakage will not be negligible with respect to AC current during operation. It is also expected to become. Therefore, this also needs to be considered.

前記課題の解決のために、本発明では以下のような手段を用いる。   In order to solve the above problems, the present invention uses the following means.

本発明の骨子は、論理回路とラッチ回路とを有し、前記ラッチ回路は、チャネル部の平均の厚さが5nm以下である第1の電界効果型トランジスタを含んで構成されることを特徴とする半導体集積回路である。   The essence of the present invention includes a logic circuit and a latch circuit, and the latch circuit includes a first field effect transistor having an average thickness of a channel portion of 5 nm or less. A semiconductor integrated circuit.

更に、詳しくは、複数の論理ゲートと、前記論理ゲートに接続される複数のラッチ回路と、を有する論理回路と、前記論理ゲートに接続される複数のラッチ回路、前記第1のラッチ回路、及び複数の論理ゲートの各電源供給を制御する電源スイッチと、を有し、且つ前記複数のラッチ回路は、第1のラッチ回路と前記第1のラッチ回路の状態を保持可能な第2のラッチ回路とを有し、前記第1のラッチ回路の状態信号を保持可能な第2のラッチ回路は、チャネル領域の平均の厚さが5nm以下である電界効果型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と云うことが出来る。   More specifically, a logic circuit having a plurality of logic gates and a plurality of latch circuits connected to the logic gates, a plurality of latch circuits connected to the logic gates, the first latch circuit, and A power switch for controlling power supply to each of the plurality of logic gates, and the plurality of latch circuits can hold a state of the first latch circuit and the first latch circuit. And the second latch circuit capable of holding the state signal of the first latch circuit has a field effect transistor having an average thickness of the channel region of 5 nm or less. It can be called a circuit.

仔細にその特徴を説明すれば、次の通りである。まず、ラッチ回路部分を、通常のスタティックなラッチ回路と、情報保持手段としてのダイナミックなラッチ回路とで構成する。そして、後者のダイナミックなラッチ回路を、チャネル領域が5nm程度以下の多結晶薄膜で構成される第1の電界効果型トランジスタと、その第1のトランジスタが入力端子に接続されたCMOSインバータで構成する。電源遮断時にCMOSインバータの、即ち第2の電界効果型トランジスタのゲート容量部に電荷としてラッチの情報を保持し、前記の第1の電界効果型トランジスタをオフ状態とし、CMOSインバータは電源を遮断する。この第1の電界効果型トランジスタはチャネル部が非常に薄いためリーク電流を10のマイナス19乗(10−19)アンペア程度と極端に小さくできる。温度、ばらつきを考慮しても10のマイナス16乗(10−16)アンペア程度となし得る。このため、従来のダイナミック方式におけるリテンションの問題を回避できる。更に、情報保持部分が電源から切り離されるのでリークもなく、又不揮発素子のように書き換え回数の問題も起きない。 The characteristics are explained in detail as follows. First, the latch circuit portion is composed of a normal static latch circuit and a dynamic latch circuit as information holding means. The latter dynamic latch circuit is composed of a first field effect transistor composed of a polycrystalline thin film having a channel region of about 5 nm or less, and a CMOS inverter having the first transistor connected to the input terminal. . When the power is shut off, latch information is held as a charge in the gate capacitor of the CMOS inverter, that is, the second field effect transistor, the first field effect transistor is turned off, and the CMOS inverter shuts off the power. . Since the first field effect transistor has a very thin channel portion, the leakage current can be extremely reduced to about 10 19 (10 −19 ) ampere. Even if temperature and variation are taken into account, it can be as low as 10 minus 16 (10 −16 ) amperes. For this reason, the problem of retention in the conventional dynamic method can be avoided. Further, since the information holding portion is disconnected from the power source, there is no leakage and the problem of the number of rewrites does not occur unlike the nonvolatile element.

更に、テストの際に、前記の情報保持手段に不良が発見された場合には、該当するラッチ回路のスタティックラッチ回路部分とそれに接続される論理回路の電源スイッチを導通したままにする手段を設ける。これにより、半導体集積回路内部の少数のラッチの情報保持手段に不良が存在しても、半導体集積回路を不良品として廃棄しなくてもよい。従って、歩留まりを向上することが可能となる。この際、電源遮断を止めた数に応じてリーク電流が増加するが、情報保持手段の不良率が低ければ問題にならない。更に、電源スイッチを、半導体集積回路を構成する回路ブロック毎に設け、半導体集積回路全体が動作時においても未使用の回路ブロックについては電源スイッチをオフして情報をラッチに保持することが可能となる。これにより半導体集積回路の動作時の電流低減も可能とする。   Further, when a defect is found in the information holding means during the test, a means is provided for keeping the static latch circuit portion of the corresponding latch circuit and the power switch of the logic circuit connected thereto conductive. . Thereby, even if a defect exists in the information holding means of a small number of latches inside the semiconductor integrated circuit, the semiconductor integrated circuit does not have to be discarded as a defective product. Therefore, the yield can be improved. At this time, the leakage current increases according to the number of power interruptions, but there is no problem if the defect rate of the information holding means is low. Furthermore, a power switch is provided for each circuit block constituting the semiconductor integrated circuit, and even when the entire semiconductor integrated circuit is in operation, it is possible to turn off the power switch and hold the information in the latch for the unused circuit block. Become. As a result, the current during operation of the semiconductor integrated circuit can be reduced.

本発明では、半導体集積回路の待機状態、もしくは動作状態において未使用状態にある回路ブロックについて、リーク電流による電力の削減すると、ラッチ回路のデータを保持を両立することが可能となる。   In the present invention, when the power of the circuit block that is not used in the standby state or the operating state of the semiconductor integrated circuit is reduced by the leakage current, the data of the latch circuit can be held at the same time.

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。図1は、本発明を適用した半導体集積回路の実施例の基本構成を示した回路構成図である。図1には、半導体集積回路の基本的な要素であるラッチ回路LCKTとCMOS回路CCKTを示している。実際の半導体集積回路は、機能毎に分かれた回路ブロック(コアあるいはマクロ)から構成され、それぞれの回路ブロックは、多数のCMOS回路とラッチ回路を含んで構成されるが、ここでは、説明を行うに簡単のため1つの回路ブロックの中のCMOS回路とラッチ回路を1つづつ示している。尚、以下ではCMOS回路は一般的な論理回路であるとして説明を行うが、デコーダなどメモリの周辺回路や演算回路などであってもよいことは勿論である。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing a basic configuration of an embodiment of a semiconductor integrated circuit to which the present invention is applied. FIG. 1 shows a latch circuit LCKT and a CMOS circuit CCKT, which are basic elements of a semiconductor integrated circuit. An actual semiconductor integrated circuit is composed of circuit blocks (cores or macros) divided for each function, and each circuit block includes a large number of CMOS circuits and latch circuits, which will be described here. For simplicity, one CMOS circuit and one latch circuit are shown in one circuit block. In the following description, the CMOS circuit is assumed to be a general logic circuit, but it goes without saying that it may be a memory peripheral circuit such as a decoder or an arithmetic circuit.

電源制御ユニットPCUは、回路ブロックが未使用状態(待機状態)にあるときに、電源Vddから回路ブロックに流れるリーク電流を遮断する手段である。電源制御ユニットPCUの出力VddIがラッチ回路LCKTやCMOS回路CCKTの電源端子に接続される(以下、VddIのことを便宜上内部電源と呼ぶ)。   The power supply control unit PCU is means for cutting off a leak current flowing from the power supply Vdd to the circuit block when the circuit block is in an unused state (standby state). The output VddI of the power supply control unit PCU is connected to the power supply terminals of the latch circuit LCKT and the CMOS circuit CCKT (hereinafter, VddI is referred to as an internal power supply for convenience).

ラッチ回路LCKTとCMOS回路CCKTはクロック信号CLKに同期して動作する。ラッチ回路の入力信号はD出力信号すなわちCMOS回路の入力信号はQ、CMOS回路の出力信号はOUTと記す。ラッチ制御信号φLはラッチ回路LCKTを制御する信号である。後述する実施例のようにラッチ制御信号φLは、リセット信号やその他の複数の信号で構成される場合も有る。   The latch circuit LCKT and the CMOS circuit CCKT operate in synchronization with the clock signal CLK. The input signal of the latch circuit is indicated as D output signal, that is, the input signal of the CMOS circuit is indicated as Q, and the output signal of the CMOS circuit is indicated as OUT. The latch control signal φL is a signal for controlling the latch circuit LCKT. As in the embodiments described later, the latch control signal φL may be composed of a reset signal and other signals.

本発明のラッチ回路LCKTは、通常用いられるスタティック型のラッチ回路SLとダイナミックラッチ回路DLから構成される。尚、本願明細書において、第1のラッチ回路の称した回路が、ここに説明する通常用いられるスタティック型のラッチ回路に相当し、一方、前記第1のラッチ回路の状態を保持可能な第2のラッチ回路と称したラッチ回路が、ここに説明するダイナミックラッチ回路に相当する。前記ダイナミックラッチ回路は、前記スタティック型のラッチ回路の所望の中間ノードより当該ラッチ回路の内部状態情報を取り出し、前記ダイナミックラッチ回路に入力されている。   The latch circuit LCKT of the present invention is composed of a static latch circuit SL and a dynamic latch circuit DL that are normally used. In the specification of the present application, the circuit referred to as the first latch circuit corresponds to a normally used static latch circuit described here, while the second latch capable of holding the state of the first latch circuit. The latch circuit referred to as a latch circuit corresponds to the dynamic latch circuit described here. The dynamic latch circuit extracts internal state information of the latch circuit from a desired intermediate node of the static type latch circuit, and is input to the dynamic latch circuit.

ダイナミックラッチDLは、電源遮断時にスタティックラッチSLの状態を保持手段で、チャネル部が5nm程度以下の薄膜チャネルをもつ電界効果型トランジスタTR1と、このトランジスタTR1が入力端子に接続されたCMOSインバータ回路INVDで構成する。尚、当該薄膜チャネルをもつ電界効果型トランジスタTR1を、通常の電界効果型トランジスタと、図面上で区別しやすいようにトランジスタ記号の1部の線の太さを太くして示した。   The dynamic latch DL is a means for holding the state of the static latch SL when the power is cut off, and a field effect transistor TR1 having a thin film channel whose channel portion is about 5 nm or less, and a CMOS inverter circuit INVD in which the transistor TR1 is connected to an input terminal Consists of. It should be noted that the field effect transistor TR1 having the thin film channel is shown by increasing the thickness of a part of the line of the transistor symbol so that it can be easily distinguished from a normal field effect transistor on the drawing.

尚、ここで、薄膜チャネルをもつ電界効果型トランジスタのチャネル部は5nm程度以下の厚さは平均の厚さである。又、トランジスタのチャネル領域の厚さを問題としており、この意味からチャネルの高さの平均が5nm以下であると言える。更には、当該トランジスタのチャネル領域は短径が5nm以下の複数の半導体の結晶粒、即ち多結晶薄膜(通例シリコン多結晶薄膜)からなると云える。このトランジスタは量子力学的なキャリアの閉じ込め効果を用いるもので、この観点からチャネルの厚さが5nm以下が良い。さらにこの厚さは2.5nmより2nm程度がより好ましい。   Here, the channel portion of a field effect transistor having a thin film channel has an average thickness of about 5 nm or less. In addition, the thickness of the channel region of the transistor is a problem. From this point of view, it can be said that the average channel height is 5 nm or less. Furthermore, it can be said that the channel region of the transistor is composed of a plurality of semiconductor crystal grains having a minor axis of 5 nm or less, that is, a polycrystalline thin film (usually a silicon polycrystalline thin film). This transistor uses a quantum mechanical carrier confinement effect. From this viewpoint, the channel thickness is preferably 5 nm or less. Further, this thickness is more preferably about 2 nm than 2.5 nm.

電源を遮断するときにCMOSインバータのゲート容量部に電荷としてスタティックラッチの情報を保持し、前記の電界効果型トランジスタTRIをオフ状態とする。この電界効果型トランジスタはチャネル部が極端に薄いためオフ時のリーク電流を通常の論理トランジスタより数桁以上削減できる。このため、従来のダイナミック方式におけるリテンションの問題を回避できる。更に、情報保持部分が電源から切り離されるのでリークもない。又、不揮発素子のように書き換え回数の問題も起きない。   When the power is shut off, the static latch information is held as charges in the gate capacitor portion of the CMOS inverter, and the field effect transistor TRI is turned off. Since the field effect transistor has an extremely thin channel portion, the leakage current at the time of off can be reduced by several orders of magnitude or more than a normal logic transistor. For this reason, the problem of retention in the conventional dynamic method can be avoided. Further, since the information holding part is disconnected from the power source, there is no leakage. Further, the problem of the number of rewrites does not occur unlike a nonvolatile element.

以下、第2図、第3図を用いて第1図の電源制御ユニットPCUとラッチ回路LCKTの具体的な回路構成の実施例を示す。第2図は、電界効果型トランジスタからなる電源スイッチを電源制御ユニットPCUに適用した実施例である。しきい電圧の高いpMOS(図中の符号P)によるスイッチを用いて電源制御ユニットPCUを構成している。電源スイッチ制御信号/φPWを低電位にすると電界効果型トランジスタPがオンし、ラッチ回路LやCMOS回路CCKTの電源VddIが電源Vddと接続される。一方、電源スイッチ制御信号/φPWを高電位にすると電界効果型トランジスタPがオフし、ラッチ回路LやCMOS回路CCKTの電源VddIが電源Vddから切り離され、リーク電流が遮断される。本実施例では、電源スイッチを電源Vdd側に設けてあるが、接地電源Vss側に設けても良いことは勿論である。その場合には、p型電界効果型トランジスタより電流駆動能力のあるn型電界効果型トランジスタで電源スイッチを構成できるので、より占有面積を低減できるというメリットがある。又、前記SCCMOSのような方式にもとづいた電源スイッチを用いることもできる。その場合には、しきい電圧の高い電界効果型トランジスタを用いる場合に較べて、より低電圧で動作させることが可能となる。尚、ここでは電源スイッチを、1つの回路ブロックに対してまとめて1つ設けたが、半導体チップ上の回路配置などの都合により回路ブロックに対してスイッチを複数設けることももちろん可能である。スイッチを複数に分割した場合は、回路配置(所謂レイアウト)の自由度が増し、結果的に占有面積が減少する場合がある。尚、電源スイッチを複数設ける場合には電源スイッチの接続された回路規模によって電源スイッチに用いる電界効果型トランジスタの大きさを最適化することはもちらんである。   Examples of specific circuit configurations of the power supply control unit PCU and the latch circuit LCKT shown in FIG. 1 will be described below with reference to FIGS. FIG. 2 shows an embodiment in which a power switch composed of a field effect transistor is applied to a power control unit PCU. The power supply control unit PCU is configured by using a switch of pMOS (reference numeral P in the figure) having a high threshold voltage. When the power switch control signal / φPW is set to a low potential, the field effect transistor P is turned on, and the power supply VddI of the latch circuit L and the CMOS circuit CCKT is connected to the power supply Vdd. On the other hand, when the power switch control signal / φPW is set to a high potential, the field effect transistor P is turned off, the power supply VddI of the latch circuit L and the CMOS circuit CCKT is disconnected from the power supply Vdd, and the leakage current is cut off. In this embodiment, the power switch is provided on the power supply Vdd side, but it is needless to say that it may be provided on the ground power supply Vss side. In that case, since the power switch can be configured by an n-type field effect transistor having a current driving capability than the p-type field effect transistor, there is an advantage that the occupied area can be further reduced. A power switch based on the SCCMOS method can also be used. In that case, it is possible to operate at a lower voltage than in the case of using a field effect transistor having a high threshold voltage. Although one power switch is collectively provided for one circuit block here, it is of course possible to provide a plurality of switches for the circuit block for reasons such as circuit arrangement on the semiconductor chip. When the switch is divided into a plurality of parts, the degree of freedom of circuit arrangement (so-called layout) increases, and as a result, the occupied area may decrease. When a plurality of power switches are provided, the size of the field effect transistor used for the power switch may be optimized depending on the circuit scale to which the power switch is connected.

図3の(a)は、ラッチ回路Lの具体的な回路構成を示す実施例である。尚、以下、本発明では、簡単のためにp型電界効果型トランジスタとn型電界効果型トランジスタを並列に接続したトランスファゲートを図3の(b)に示したような記号で示すことにする。記号の脇に書いた入力信号は、その信号の極性が高電位になったときにトランスファゲートが導通することを示している。又、図3の(a)の実施例では、インバータINV1やNAND回路NAND2などにおいて、インバータやNANDの回路記号に電源VddIやVssからの結線が示してある。これは、これらの回路が接続される電源を明示するための表記方法として以下で用いる。同様にNAND回路NAND1やインバータINV2についてもトランジスタM1、M2やキャパシタCが回路記号に接続されている。これは、これらの回路において電源との間にトランジスタやキャパシタが接続されていることを示している。又、以下では、同1の信号名に対して/の付くものと付かないもの(例えば/φ2とφ2)は、電位が反転された関係(例えば、/φ2が低電位ならφ2が高電位)にあることを示すものとする。   FIG. 3A is an embodiment showing a specific circuit configuration of the latch circuit L. FIG. In the following description, in the present invention, a transfer gate in which a p-type field effect transistor and an n-type field effect transistor are connected in parallel is indicated by a symbol as shown in FIG. . The input signal written beside the symbol indicates that the transfer gate becomes conductive when the polarity of the signal becomes a high potential. In the embodiment of FIG. 3A, in the inverter INV1, NAND circuit NAND2, etc., the connection from the power sources VddI and Vss is shown in the inverter and NAND circuit symbols. This will be used below as a notation for clearly indicating the power supply to which these circuits are connected. Similarly, for the NAND circuit NAND1 and the inverter INV2, transistors M1 and M2 and a capacitor C are connected to a circuit symbol. This indicates that transistors and capacitors are connected to the power supply in these circuits. In the following, the signal names with / without (for example, / φ2 and φ2) for the same signal name are the relationship in which the potential is inverted (for example, if / φ2 is low potential, φ2 is high potential). It shall be shown that

図3の実施例において、スタティックラッチSLは、クロックCLKに同期して動作するラッチ回路である。/RSTはリセット信号であり、/RSTが低電位になると、ラッチ回路Lの出力Qは高電位に固定され、ラッチ回路の内部電位も1定の値に固定される。スタティックラッチSLは、入力端子Dから入力される信号が、CLKの遷移とともにトランスファゲートTG1、TG2を通じて順次転送されて出力される機能をもつ。まず、このスタティックラッチの動作の概要を説明し、続いて第4図のタイミングチャートを用いて、本発明の特長であるダイナミックラッチDLの動作を説明する。スタティックラッチ部分の動作は以下の通りである。   In the embodiment of FIG. 3, the static latch SL is a latch circuit that operates in synchronization with the clock CLK. / RST is a reset signal. When / RST becomes a low potential, the output Q of the latch circuit L is fixed to a high potential, and the internal potential of the latch circuit is also fixed to a constant value. The static latch SL has a function in which a signal input from the input terminal D is sequentially transferred and output through the transfer gates TG1 and TG2 along with the transition of CLK. First, the outline of the operation of the static latch will be described, and then the operation of the dynamic latch DL, which is a feature of the present invention, will be described using the timing chart of FIG. The operation of the static latch portion is as follows.

リセット信号/RSTが高電位、NAND1に接続された電界効果型トランジスタの入力信号φ2が低電位(/φ2が高電位)、/φPWが低電位の状態で、通常の動作状態となる。クロックCLKが低電位になると、入力端子Dの電位がインバータINV1に入力される。つづいて、クロックCLKが高電位になると、トランスファゲートTG1が閉鎖され、TG2、TG3が開放される。これにより先程入力された信号は、インバータINV1とNAND回路NAND2によって構成される回路ループによってラッチされる。又、トランスファゲートTG3を通じて、前記の入力信号はNAND回路NAND1に入力され、出力Qより出力される。このときインバータINV1とNAND回路NAND1を通過するので、信号の極性は元に戻る。つづいて、クロックCLKが再び低電位になると、NAND回路NAND1とインバータ回路INV2によって出力Qに出力されている先程の入力信号はラッチされる。つづいて新しい入力信号が入力端子DからインバータINV1に入力される。このスタティックラッチ回路を構成するインバータやNAND回路の電源端子は内部電源VDDIに接続されているので、電源スイッチがオフして、電源Vddからの電流が遮断されると情報を保持することができない。電源スイッチが遮断されたときにスタティックラッチの情報を保持するのがダイナミックラッチDLである。以下、その動作を図4のタイミングチャートを用いて説明する。   When the reset signal / RST is at a high potential, the input signal φ2 of the field effect transistor connected to NAND1 is at a low potential (/ φ2 is a high potential), and / φPW is at a low potential, a normal operation state is obtained. When the clock CLK becomes a low potential, the potential of the input terminal D is input to the inverter INV1. Subsequently, when the clock CLK becomes a high potential, the transfer gate TG1 is closed and TG2 and TG3 are opened. As a result, the previously input signal is latched by a circuit loop constituted by the inverter INV1 and the NAND circuit NAND2. The input signal is input to the NAND circuit NAND1 through the transfer gate TG3 and output from the output Q. At this time, since the signal passes through the inverter INV1 and the NAND circuit NAND1, the polarity of the signal is restored. Subsequently, when the clock CLK becomes a low potential again, the previous input signal output to the output Q by the NAND circuit NAND1 and the inverter circuit INV2 is latched. Subsequently, a new input signal is input from the input terminal D to the inverter INV1. Since the power supply terminals of the inverter and NAND circuit constituting the static latch circuit are connected to the internal power supply VDDI, information cannot be retained when the power switch is turned off and the current from the power supply Vdd is cut off. The dynamic latch DL holds information on the static latch when the power switch is shut off. The operation will be described below with reference to the timing chart of FIG.

図4の各信号の符号は前述した通りである。図4においてACTと示した期間は、ラッチ回路の属している回路ブロックが使用状態(動作状態)であることを示す。この期間には、電源スイッチが導通(電源ON)され、クロックCLKが入力されている。回路ブロックが未使用状態(待機状態)になると、まず、クロックCLKを停止して、信号φ1を立ち上げる。φ1が立ち上がると、図3におけるダイナミックラッチDL内のトランジスタTR1が導通し、スタティックラッチ内部のインバータINV2の出力の電位と、ダイナミックラッチ内部のインバータINVDのゲート容量の電位が等しくなる(SET)。つづいて、信号φ1を低電位とするとその電位が前記のゲート容量に保存される。   The sign of each signal in FIG. 4 is as described above. 4 indicates that the circuit block to which the latch circuit belongs is in use (operating state). During this period, the power switch is turned on (power ON) and the clock CLK is input. When the circuit block is in an unused state (standby state), first, the clock CLK is stopped and the signal φ1 is raised. When φ1 rises, the transistor TR1 in the dynamic latch DL in FIG. 3 becomes conductive, and the potential of the output of the inverter INV2 inside the static latch becomes equal to the potential of the gate capacitance of the inverter INVD inside the dynamic latch (SET). Subsequently, when the signal φ1 is set to a low potential, the potential is stored in the gate capacitance.

ここで、後述するようにトランジスタTR1は、通常の電界効果型トランジスタではなくチャネルを5nm以下の多結晶薄膜で構成したトランジスタである。従って、リーク電流がほとんどなく、保存された電荷を長時間保持できる。次に信号/φPWを高電位とすると、電源スイッチがオフとなり、ラッチ回路および論理回路のリーク電流が遮断される。尚、前記においては、回路ブロックが待機状態に入ってから信号φ1を立ち上げてダイナミックラッチDLへの書き込みを行っている。これは、信号φ1を立ち上げると、スタティックラッチの信号経路の負荷容量が、ダイナミックラッチのインバータINVDの入力容量の分だけ増加し、動作速度に影響を与えることを避けるためである。動作速度が遅い場合など前記の負荷容量の影響が問題にならないような場合には、動作状態では常にφ1を高電位としておいて、待機状態になってダイナミックラッチへの書込みが終了したら低電位とするように制御してもよい。この場合は。クロックの停止と同時にダイナミックラッチへの書込みが開始されるので、電源スイッチを遮断するまでの時間が短縮される場合がある。   Here, as will be described later, the transistor TR1 is not a normal field effect transistor but a transistor having a channel formed of a polycrystalline thin film of 5 nm or less. Therefore, there is almost no leakage current, and the stored charge can be held for a long time. Next, when the signal / φPW is set to a high potential, the power switch is turned off, and the leakage current of the latch circuit and the logic circuit is cut off. In the above description, the signal φ1 is raised after the circuit block enters the standby state, and writing to the dynamic latch DL is performed. This is because, when the signal φ1 is raised, the load capacity of the signal path of the static latch is increased by the input capacity of the inverter INVD of the dynamic latch to avoid affecting the operation speed. When the effect of the load capacity does not become a problem, such as when the operation speed is slow, keep φ1 at a high potential in the operating state, and when the writing to the dynamic latch is completed in the standby state, the low potential is You may control to do. in this case. Since writing to the dynamic latch is started simultaneously with the stop of the clock, the time until the power switch is cut off may be shortened.

つづいて、回路ブロックの未使用状態(待機状態)が終了し、再び電源を導通するときの動作について説明する。図4に示したように/φPWを立ち下げ、電源スイッチをオンする際には、スタティックラッチSLのリセット信号/RSTを立ち下げておく。これはスタティックラッチ内部の回路の入力端子やスタティックラッチの出力男子の電位がフローティング状態のまま電源を導通するとスタティックラッチ内部の回路や論理回路に大きな貫通電流が流れる恐れがあるためである。つづいて、信号φ2を立ち上げてダイナミックラッチDLに保持されている情報をスタティックラッチに書き戻す。図3からわかるように、φ2を立ち上げるとNAND回路NAND1が内部電源VddIから切り離され、ダイナミックラッチDL内のトランスファゲートTG5が導通する。この結果、インバータINVDによりダイナミックラッチの出力線Oを通じてスタティックラッチのインバータINV2の入力端子の電位がセットされる。これによりダイナミックラッチで保持されていた情報がスタティックラッチに再び書き戻される(SET)される。つづいて、φ2を立ち下げてからクロックCLKを入力し、通常の動作状態に移行する。   Next, an operation when the unused state (standby state) of the circuit block ends and the power is turned on again will be described. As shown in FIG. 4, when / φPW is lowered and the power switch is turned on, the reset signal / RST of the static latch SL is lowered. This is because if a power supply is turned on while the potential of the input terminal of the circuit inside the static latch or the output boy of the static latch is in a floating state, a large through current may flow through the circuit or logic circuit inside the static latch. Subsequently, the signal φ2 is raised and the information held in the dynamic latch DL is written back to the static latch. As can be seen from FIG. 3, when φ2 is raised, the NAND circuit NAND1 is disconnected from the internal power supply VddI, and the transfer gate TG5 in the dynamic latch DL becomes conductive. As a result, the potential of the input terminal of the inverter INV2 of the static latch is set through the output line O of the dynamic latch by the inverter INVD. As a result, the information held in the dynamic latch is written back to the static latch (SET). Subsequently, after the φ2 is lowered, the clock CLK is input to shift to a normal operation state.

以上のように、本実施例では、リークの少ないトランジスタによりダイナミックラッチに情報を保持するので、待機時間が特に長くない場合はリフレッシュの必要がない。このため頻繁にリフレッシュ動作が必要な従来のダイナミック方式や待機時にリーク電流を消費するバルーンラッチ方式に比べて回路ブロックの待機時の消費電流を非常に小さくできる。   As described above, in this embodiment, since information is held in the dynamic latch by a transistor with little leakage, there is no need for refresh when the standby time is not particularly long. For this reason, the current consumption during standby of the circuit block can be made very small as compared with the conventional dynamic method requiring frequent refresh operation and the balloon latch method that consumes leakage current during standby.

尚、場合によっては、回路ブロックの待機時間が長く、ダイナミックラッチのリテンション時間を越えること(つまり、インバータINVDの入力部の電位が徐々に変化して、論理しきい値を超えるおそれのある場合)もありえる。その場合には、以下に述べる方法によりダイナミックラッチの内容を容易にリフレッシュすることができる。もっとも簡単な方法は、クロック信号CLKを低電位に固定したまま、該当する回路ブロック全体を1旦待機状態から動作状態に復帰させ、ダイナミックラッチからスタティックラッチにデータを戻した後に、再びデータをダイナミックラッチに書き戻す方法である。その際のタイミングチャートは図4と同様なので図面は省略する。   In some cases, the waiting time of the circuit block is long and the retention time of the dynamic latch is exceeded (that is, when the potential of the input part of the inverter INVD changes gradually and may exceed the logic threshold). There can be. In that case, the contents of the dynamic latch can be easily refreshed by the method described below. The simplest method is to restore the entire circuit block from the standby state to the operating state with the clock signal CLK fixed at a low potential, return the data from the dynamic latch to the static latch, and then dynamically change the data again. It is a method of writing back to the latch. The timing chart at that time is the same as FIG.

前記の実施例では、回路ブロック全体の電源を復帰させるが、リフレッシュにはラッチ回路の電源のみを復帰させればよいので、論理回路とラッチ回路の電源スイッチを分離しておいて、ラッチ回路の電源スイッチのみオンさせリフレッシュを行うこともできる。この場合は、前記より消費電力を削減できる。更に電力を減らすには、インバータINV2とINVD用の電源スイッチを残りの回路の電源スイッチと別に設けて、インバータINV2とINVDのみ動作させてリフレッシュすることもできる。図3の回路図から容易にわかるように、信号φ2を高電位としてからインバータINV2とINVDの電源スイッチをオンさせ、その後に信号φ1を高電位とすればよい。これにより、インバータINV2とINVDのループによりダイナミックラッチの情報がリフレッシュされる。この場合は2つのインバータのみ動作するだけなので消費電力は更に低減される。いずれにせよ、トランジスタTR1のリーク電流が非常に小さいので前記のようなリフレッシュ動作が必要な頻度は少なく、それに伴う電力の増加は微小である。   In the above-described embodiment, the power supply of the entire circuit block is restored. However, only the power of the latch circuit needs to be restored for refreshing. It is also possible to perform refresh by turning on only the power switch. In this case, power consumption can be reduced as described above. In order to further reduce the power, a power switch for the inverters INV2 and INVD can be provided separately from the power switches of the remaining circuits, and only the inverters INV2 and INVD can be operated for refresh. As can be easily seen from the circuit diagram of FIG. 3, the signal φ2 is set to a high potential, the power switches of the inverters INV2 and INVD are turned on, and then the signal φ1 is set to a high potential. As a result, the information of the dynamic latch is refreshed by the loop of the inverters INV2 and INVD. In this case, since only two inverters are operated, power consumption is further reduced. In any case, since the leakage current of the transistor TR1 is very small, the frequency of the refresh operation as described above is low, and the accompanying increase in power is very small.

図3、図4の実施例では、回路ブロックが動作状態から待機状態に移行したのちに、まず信号φ1によりダイナミックラッチへのデータの書き込みを終えてから/φPWを立ち上げて電源スイッチをオフしていた。トランジスタTR1は、チャネル部を薄膜化した電界効果型トランジスタであるので、オン電流の値が通常の電界効果型トランジスタに較べて比較的小さい。このため、場合によっては、前記の書き込み時間が大きくなり、電源スイッチをオフするまでの時間が長くなる恐れがある。その場合は、回路のリーク電流が遮断されるまでの時間が長くなるので消費電力の削減割合が減少してしまう。   In the embodiment shown in FIGS. 3 and 4, after the circuit block shifts from the operating state to the standby state, first, after writing data into the dynamic latch by the signal φ1, / φPW is raised to turn off the power switch. It was. Since the transistor TR1 is a field effect transistor having a thin channel portion, the on-current value is relatively small as compared to a normal field effect transistor. For this reason, in some cases, the writing time becomes longer, and there is a possibility that the time until the power switch is turned off becomes longer. In that case, since the time until the leakage current of the circuit is cut off becomes long, the power consumption reduction rate is reduced.

そのような場合には、図5、図6に示した実施例が有効である。図5はこの電源制御回路の例を示す回路図、図6は本例でのタイミングチャートである。   In such a case, the embodiments shown in FIGS. 5 and 6 are effective. FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of this power supply control circuit, and FIG. 6 is a timing chart in this example.

本実施例では、φ1の立ち上げ(ダイナミックラッチへの書き込み開始)と同時に電源を遮断することができる。本実施例では、図5のように電源スイッチを2つに分離する。図においてp型電界効果型トランジスタP2、内部電源VddI2はNAND回路NAND1とインバータINV2用のものであり、pMOS (P1)とVddI1はそれ以外の回路用のものである。容量CI2がVddI2の端子に接続されている。残りの回路は図3の実施例と同じである。本実施例の動作を、図6に示す。図6では、動作状態(ACT)から待機状態に移行するところのみを示す(他の部分は図4の実施例と同様なので省略する)。前記したように、本実施例では信号φ1を立ち上げると同時に電源スイッチ制御信号/φPWを立ち上げて電源スイッチP1とP2を両方ともオフする。図3から容易にわかるようにダイナミックラッチDLへの書き込みを行うにはインバータINV2が動作しなくてはならず、その入力信号の電位を保っておくためにはNAND回路NAND1も動作していなくてはならない。図5の回路では、電源スイッチP2はオフしてしまうが、容量CI2があるため、この容量に蓄えられた電荷によって、これらの回路をしばらく動作させることができる。尚、容量CI2の容量値は、ダイナミックラッチの入力容量を含めたインバータINV2とNAND回路NAND1の負荷容量に較べて十分大きく設定し、動作中の電源電圧の低下が問題にならないようにすることは勿論である。   In this embodiment, the power supply can be shut off simultaneously with the rise of φ1 (start of writing to the dynamic latch). In this embodiment, the power switch is separated into two as shown in FIG. In the figure, a p-type field effect transistor P2 and an internal power supply VddI2 are for a NAND circuit NAND1 and an inverter INV2, and pMOS (P1) and VddI1 are for other circuits. A capacitor CI2 is connected to the terminal of VddI2. The remaining circuits are the same as in the embodiment of FIG. The operation of this embodiment is shown in FIG. FIG. 6 shows only the transition from the operating state (ACT) to the standby state (other parts are the same as in the embodiment of FIG. 4 and are omitted). As described above, in this embodiment, the signal φ1 is raised and at the same time the power switch control signal / φPW is raised to turn off both the power switches P1 and P2. As can be easily seen from FIG. 3, the inverter INV2 must operate to write to the dynamic latch DL, and the NAND circuit NAND1 must not operate to maintain the potential of the input signal. Must not. In the circuit of FIG. 5, the power switch P2 is turned off, but since there is a capacitor CI2, these circuits can be operated for a while by the electric charge stored in the capacitor. Note that the capacitance value of the capacitor CI2 should be set sufficiently large compared to the load capacitance of the inverter INV2 and NAND circuit NAND1 including the input capacitance of the dynamic latch, so that the power supply voltage drop during operation does not become a problem. Of course.

以上、図5、図6に示した実施例では、クロックを停止した後、すぐに電源を遮断することができるので、リーク電流を有効に削減することが可能である。尚、図5のような電源スイッチの分離と前記のリフレッシュ動作のための電源スイッチの分離の両方を兼ねるような電源スイッチの構成も可能である。そのような構成やそれに必要な電源スイッチ制御信号の発生方法は、集積回路の設計者であれば、これまで述べた説明から容易に設計できるので詳細は省略する。   As described above, in the embodiment shown in FIGS. 5 and 6, the power supply can be shut off immediately after the clock is stopped, so that the leakage current can be effectively reduced. It is also possible to configure the power switch so that both the power switch separation as shown in FIG. 5 and the power switch separation for the refresh operation are performed. Such a configuration and a method for generating a power switch control signal necessary for the configuration can be easily designed by the integrated circuit designer from the above description, and the details are omitted.

図7及び図8に示したのは、ダイナミックラッチDL内のトランジスタTR1の例を示す模式的な断面図である。図7に示し実施例では、トランジスタTR1を、半導体基板SUB内に形成された素子分離領域ISOの上に平面的に形成している。本例において、CHは厚さが5nm程度以下の薄膜で形成したチャネル部、OXは絶縁膜、G2はトランジスタTR1のゲート電極、S2はソース電極、Iは、ダイナミックラッチDLの入力端子である。この入力端子は、当然トランジスタTR1のドレインに相当する。本例では、トランジスタTR1が、通常のトランジスタと同じように基板上に平面的に形成されている。このため、トランジスタTR1が形成されているところといないところで大きな段差がない。従って、トランジスタTR1と通常のトランジスタを接続するための、配線、コンタクトなどの工程が容易になるというメリットがある。   7 and 8 are schematic cross-sectional views showing examples of the transistor TR1 in the dynamic latch DL. In the embodiment shown in FIG. 7, the transistor TR1 is planarly formed on the element isolation region ISO formed in the semiconductor substrate SUB. In this example, CH is a channel portion formed of a thin film having a thickness of about 5 nm or less, OX is an insulating film, G2 is a gate electrode of the transistor TR1, S2 is a source electrode, and I is an input terminal of the dynamic latch DL. This input terminal naturally corresponds to the drain of the transistor TR1. In this example, the transistor TR1 is planarly formed on the substrate in the same manner as a normal transistor. For this reason, there is no large level difference between where the transistor TR1 is formed and where it is not. Therefore, there is an advantage that steps such as wiring and contact for connecting the transistor TR1 and a normal transistor are facilitated.

図8に示したのは、ダイナミックラッチを高集積に実現するための構造例を示す模式的な断面図である。この例では、前記平面型の構造では面積の増加が問題となる場合に特に有効である。本例は、図3におけるダイナミックラッチDL内部のインバータINVDを構成するnチャネルトランジスタnT1のゲート電極上開けた孔の内部に、たて型の構造をもつトランジスタTR1を形成した例である。図において、G1、G2はそれぞれインバータINVDを構成するnチャネルトランジスタnT1およびトランジスタTR1のゲート電極、S1、D1は、それぞれトランジスタnT1のソース電極、ドレイン電極である。CHはトランジスタTR1のチャネル部であり、5nm程度以下の厚みをもつ薄膜により形成されている。ゲート電極は円筒状で、その周囲を酸化膜OXとチャネル部CHが取り囲んでいる。IはダイナミックラッチDLの入力端子である。   FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of a structure for realizing dynamic latches with high integration. In this example, the planar structure is particularly effective when an increase in area becomes a problem. In this example, a transistor TR1 having a vertical structure is formed in a hole opened on the gate electrode of the n-channel transistor nT1 constituting the inverter INVD in the dynamic latch DL in FIG. In the figure, G1 and G2 are the gate electrodes of the n-channel transistor nT1 and transistor TR1 constituting the inverter INVD, respectively, and S1 and D1 are the source electrode and the drain electrode of the transistor nT1, respectively. CH is a channel portion of the transistor TR1, and is formed of a thin film having a thickness of about 5 nm or less. The gate electrode has a cylindrical shape, and the oxide film OX and the channel portion CH surround the periphery of the gate electrode. I is an input terminal of the dynamic latch DL.

図7、図8のいずれの場合も、ゲート電極G2の電位が高電位となるとチャネル部CHが導通し、低電位になると非導通状態となる。チャネルCHの厚さは5nm程度以下と非常に薄いため、オフ時のリーク電流を通常のトランジスタに比べて極端に小さくすることができる。通常のトランジスタのオフ時のリーク電流が、10のマイナス10乗(10−10)から10のマイナス12乗(10−12)アンペア程度であるのに対して、本実施例のようにチャネルが5nm程度以下の薄膜トランジスタでは10のマイナス19乗(10−19)程度にすることも可能である。尚、このような構造の薄膜チャネルを持つ電界効果型トランジスタ自体については、例えば半導体素子及び半導体集積回路と題した発明、特開第2000-269457号公報(特許文献4)、特開第2002-94029号公報(特許文献5)に記載されている。本実施例によれば、トランジスタTR1のリーク電流が非常に小さいのでダイナミックラッチDL内部のインバータINVDのゲート容量に保持された情報を長時間保持することが可能となる。 7 and 8, the channel portion CH becomes conductive when the potential of the gate electrode G2 becomes high, and becomes non-conductive when the potential becomes low. Since the thickness of the channel CH is very thin, about 5 nm or less, the leakage current at the time of off can be extremely reduced as compared with a normal transistor. The leakage current at the time of turning off the normal transistor is about 10 −10 (10 −10 ) to about 10 −12 (10 −12 ) ampere, whereas the channel is 5 nm as in this embodiment. For a thin film transistor having a thickness of about 10 or less, it can be set to 10 to the power of minus 19 (10 −19 ). As for the field effect transistor itself having a thin film channel having such a structure, for example, the inventions entitled Semiconductor Device and Semiconductor Integrated Circuit, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-269457 (Patent Document 4), and Japanese Patent Laid-Open No. 2002-2002. No. 94029 (Patent Document 5). According to this embodiment, since the leakage current of the transistor TR1 is very small, the information held in the gate capacitance of the inverter INVD in the dynamic latch DL can be held for a long time.

インバータINVDのゲート電極に蓄積可能な電荷量は、およそ10のマイナス15乗(10−15)C(クーロン)のオーダーであるから、TR1のリーク電流を10のマイナス19乗(10−19)と仮定すると、10%の電荷がリークするまでの時間はおよそ1000秒となる。トランジスタTR1のリーク電流のばらつきや高温での動作を考慮すると設計上の保証値はもっと小さく、例えば10のマイナス16乗(10−16)程度にする必要がある場合も考えられる。しかし、通常の用途では、電源スイッチを遮断したのちに1秒程度ラッチ情報を保持できればリーク電流低減効果は十分得られることが多い。従って、本実施例のトランジスタの実力は十分な値であると言える。勿論、ダイナミックラッチの保持性能を超えた長時間の保持が必要な場合は、ダイナミックラッチの情報を再書き込み(リフレッシュ)すればよい。具体的な方法は前記した通りである。以上、図7及び図8に示した実施例によれば、ダイナミックラッチの保持性能を必要十分に長くすることが可能となる。又、薄膜チャネルをもつトランジスタであるため、強誘電体を用いた従来例のように書き込み回数の制限もない。尚、前記の実施例においてインバータINVDを構成するトランジスタの酸化膜厚は、ゲートリーク電流が無視できる程度の厚さに設定することはもちろんである。 Since the amount of charge that can be stored in the gate electrode of the inverter INVD is on the order of about 10 to the 15th power (10 −15 ) C (Coulomb), the leakage current of TR1 is 10 to the 19th power (10 −19 ). Assuming that 10% of the charge leaks is about 1000 seconds. Considering the variation in leakage current of the transistor TR1 and the operation at a high temperature, the guaranteed value in design is smaller, for example, it may be necessary to make it about 10 minus 16 (10 −16 ). However, in normal applications, if the latch information can be held for about 1 second after the power switch is cut off, the leakage current reducing effect is often sufficiently obtained. Therefore, it can be said that the capability of the transistor of this embodiment is a sufficient value. Of course, if it is necessary to hold for a long time exceeding the holding performance of the dynamic latch, the information of the dynamic latch may be rewritten (refreshed). The specific method is as described above. As described above, according to the embodiment shown in FIGS. 7 and 8, the holding performance of the dynamic latch can be made sufficiently long. Further, since the transistor has a thin film channel, there is no limit on the number of times of writing unlike the conventional example using a ferroelectric. Of course, the oxide film thickness of the transistors constituting the inverter INVD in the above embodiment is set to such a thickness that the gate leakage current can be ignored.

これまで、本発明の概要とダイナミックラッチの構成と動作などを説明してきた。次に本発明を大規模な集積回路に適用する場合の具体的な実施例を説明する。   So far, the outline of the present invention and the configuration and operation of the dynamic latch have been described. Next, specific examples when the present invention is applied to a large-scale integrated circuit will be described.

前記したように、半導体集積回路では、電界効果型トランジスタのリーク電流の問題が顕在化してきている。今後は、待機時だけではなく動作時においてもこの問題が深刻となる。即ち、動作時のAC電流に対してリークに伴うDC電流が無視できない量になる。図9の実施例は、本発明を利用して、待機時はもちろん、動作時についてもリーク電流を低減することが可能な実施例である。本実施例は、CPUコア、DSPコア、各種の論理コアやメモリコア等を1つのチップ上に集積した半導体集積回路に本発明を適用したものである。本実施例は、1チップの形態の半導体集積集積回路だけではなく、複数のチップを搭載したシステムやボードあるいは、1つのパッケージに複数のチップを集積した所謂マルチチップパッケージのような形態の半導体集積回路やそれらの組合せにも適用することができる。こうした複数チップ搭載の例を、以下では簡単のため、図9のような1チップの形態に基づいて説明する。   As described above, in the semiconductor integrated circuit, the problem of the leakage current of the field effect transistor has become obvious. In the future, this problem will become serious not only during standby but also during operation. That is, the DC current associated with the leakage is not negligible with respect to the AC current during operation. The embodiment of FIG. 9 is an embodiment that can reduce the leakage current not only during standby but also during operation using the present invention. In this embodiment, the present invention is applied to a semiconductor integrated circuit in which a CPU core, a DSP core, various logic cores, a memory core, and the like are integrated on one chip. In this embodiment, not only a semiconductor integrated circuit in a single chip form, but also a system or board on which a plurality of chips are mounted, or a semiconductor integrated form in a so-called multichip package in which a plurality of chips are integrated in one package. It can also be applied to circuits and combinations thereof. An example of mounting such a plurality of chips will be described below based on the form of one chip as shown in FIG. 9 for simplicity.

図9示した半導体チップCHIPは、複数の回路ブロックから構成されている。主たる回路ブロックとして、CPUコアCPU、DSPコアDSP、命令キャッシュI-C、データキャッシュD-C、XYメモリXY-M、2次キャッシュ2ND-C、ダイレクトメモリアクセス制御回路DMAC、周辺IPコアPER-IP、バス制御回路BCを含む。又、タスクIDレジスタTID-Rは、CPUコア内部のレジスタであって、夫々タスクを管理するレジスタであり、リソ−ス管理レジスタRM-Rは、使用するリソース(コア)を管理するレジスタである。又、電力制御を行う単位となるリソース(回路ブロック)毎に電力制御ユニットPCUを設け、ステートデコーダST-DECは、各リソース(回路ブロック)を使用するか、しないかのステート信号φSTを電力制御ユニットPCUに送る。I-BUS、D-BUS、P-BUS1、P-BUS2はそれぞれ命令バス、データバス、第1周辺バス、第2周辺バスである。   The semiconductor chip CHIP shown in FIG. 9 is composed of a plurality of circuit blocks. The main circuit blocks are CPU core CPU, DSP core DSP, instruction cache IC, data cache DC, XY memory XY-M, secondary cache 2ND-C, direct memory access control circuit DMAC, peripheral IP core PER-IP, bus control Includes circuit BC. Further, the task ID register TID-R is a register inside the CPU core and is a register for managing each task, and the resource management register RM-R is a register for managing a resource (core) to be used. . In addition, a power control unit PCU is provided for each resource (circuit block) as a unit for performing power control, and the state decoder ST-DEC controls the state signal φST to use or not use each resource (circuit block). Send to unit PCU. I-BUS, D-BUS, P-BUS1, and P-BUS2 are an instruction bus, a data bus, a first peripheral bus, and a second peripheral bus, respectively.

図9に示したもののうち、CPUコアを始めとする各種のコアや、メモリ、バスなどはデジタル処理向けのチップを構成する基本的な回路ブロックであり、個々に基本的な機能を有したものである。以下、このようなコアやメモリなど機能単位の回路ブロックを部品と称することにする。これらの部品の動作は一般的なもので十分であるので、ここでは機能の説明は省略する。   Among the components shown in FIG. 9, various cores including CPU cores, memories, buses, etc. are basic circuit blocks constituting a chip for digital processing, and each has basic functions. It is. Hereinafter, a functional unit circuit block such as a core and a memory is referred to as a component. Since operations of these components are sufficient, a description of the functions is omitted here.

本実施例では、半導体集積回路の動作時に、未使用の部品について電源スイッチを遮断することによりリーク電流を低減する。まず、CPUコア内部のタスクIDレジスタTID-R、使用するリソース(部品)を管理するリソ−ス管理レジスタRM-Rの内容をもとに、ステートデコーダST-DECは各部品に対して、使用するか、しないかを示すステート信号φSTを伝える。個々の部品においては、電力制御ユニットPCUはステート信号φSTにより、その部品が使用されるかどうかを検知する。未使用状態になるときには、ラッチ情報のダイナミックラッチへの保存と電源スイッチの遮断を行う。そして、使用状態に復帰するときには、ダイナミックラッチの情報を書き戻して電源スイッチを導通する。それらの動作は、図1から図8において示した実施例を適用すれば容易にできる。これにより、待機時はもちろん、動作時にも使用されない部品のリーク電流を遮断しながらラッチの情報を保持することが可能となる。こうして、本例においても消費電流を大幅に削減できる。尚、ステートデコーダST-DECからのステート信号φSTの発生の遅れると待機時に移行したときの電力削減効果の減少や動作復帰の遅延が問題になる場合も考えられる。特に、動作状態への復帰においてはスイッチを導通する前にラッチ情報を復帰させるなどの準備が必要である。更に部品の回路規模が大きいとスイッチが導通してからも、安定するまでに多少の待ち時間(予熱時間)も必要となる場合もある。そのような場合には、必要に応じてタスクIDレジスタTID-R、リソ−ス管理レジスタRM-Rの内容を先読みして次の状態の遷移を予測して必要な動作を開始しておくことが有効である。その場合、予測がはずれると準備のための電力が無駄になってしまうが、割り込みなど予測不可能な場合を除いて動作の遅延の問題を避けることが可能となる。   In this embodiment, the leakage current is reduced by shutting off the power switch for unused parts during the operation of the semiconductor integrated circuit. First, based on the contents of the task ID register TID-R in the CPU core and the resource management register RM-R that manages the resources (parts) to be used, the state decoder ST-DEC is used for each part. A state signal φST indicating whether or not to perform is transmitted. In each component, the power control unit PCU detects whether or not the component is used by the state signal φST. When the unused state is entered, the latch information is stored in the dynamic latch and the power switch is shut off. When returning to the use state, the dynamic latch information is written back and the power switch is turned on. These operations can be easily performed by applying the embodiment shown in FIGS. As a result, it is possible to hold the latch information while shutting off leakage currents of parts not used during standby as well as during operation. Thus, also in this example, the current consumption can be greatly reduced. It should be noted that if the generation of the state signal φST from the state decoder ST-DEC is delayed, there may be a problem that a reduction in the power reduction effect and a delay in the operation return when shifting to the standby state become problems. In particular, when returning to the operating state, it is necessary to prepare for returning the latch information before the switch is turned on. Furthermore, if the circuit scale of the component is large, there may be a case where some waiting time (preheating time) is required until the switch becomes stable even after the switch is turned on. In such a case, as necessary, the contents of the task ID register TID-R and the resource management register RM-R are prefetched to predict the next state transition and start necessary operations. Is effective. In that case, power for preparation is wasted if the prediction is lost, but it becomes possible to avoid the problem of the delay of the operation except in the case where the prediction is impossible such as an interrupt.

尚、図8の構成では、電力制御ユニットCPUコアとその1次キャッシュであるデータキャッシュD-C、命令キャッシュI-Cについては電力制御ユニットPCUを付加していない。これは、動作時にはこれらの電源を遮断できる期間が余りないためである。その他の部品についても電源を遮断する期間が少ないものについては電力制御ユニットPCUを付加しないことは可能である。   In the configuration of FIG. 8, the power control unit PCU is not added to the power control unit CPU core and its primary cache, ie, the data cache DC and the instruction cache IC. This is because there is not much time during which these power supplies can be shut off during operation. It is possible not to add the power control unit PCU for other parts that have a short power-off period.

図10は、図9の実施例におけるタスクと電源スイッチ制御信号/φPWiの変化の例を示した実施例である。本実施例では、リーク電流の制御対象となる部品の数をn個とし、それぞれの電源スイッチ制御信号を/φPW1から/φPWnで示している。横欄にあるA,B,…, Fは、電力制御ユニットCPUのタスクを示しており、タスクによって使用する部品が異なるので、それに応じて電源スイッチを制御する。この例では、当該部品が使用される場合は、電源スイッチ制御信号/φPWiが、「L」(低レベル)となり電源スイッチがオン、当該部品が使用されない場合は、電源スイッチ制御信号/φPWiが、「H」(高レベル)となって電源スイッチが遮断されることを示している。例えば、部品1は、タスクA〜C及びFで使用され、タスクD〜Eでは不使用である。従って、部品1は、タスクDとEにおいては、電源スイッチを遮断してリーク電流を低減する。以上、図9、図10に示した実施例によれば、CPUのタスクの管理を利用して部品の電源スイッチを遮断して動作時のリークを低減することができる。先に述べたように、電源スイッチとラッチ回路の制御には、図1から図8に示した実施例を適用するため、ラッチの情報を失うことなく電源スイッチを遮断することができる。従って、ひとつのタスクが終了したときの結果が保存されるため、その結果を別のタスクで利用することが可能となる。これにより、タスクの処理内容にかかわらずタスク終了時に電源スイッチを遮断することが可能となるので、動作時の電流を有効に削減することが可能となる。   FIG. 10 is an embodiment showing an example of a change in the task and the power switch control signal / φPWi in the embodiment of FIG. In this embodiment, the number of parts to be controlled by the leakage current is n, and the power switch control signals are indicated by / φPW1 to / φPWn. A, B,..., F in the horizontal column indicate the tasks of the power control unit CPU, and the components to be used differ depending on the task, and the power switch is controlled accordingly. In this example, when the component is used, the power switch control signal / φPWi is “L” (low level) and the power switch is turned on. When the component is not used, the power switch control signal / φPWi is “H” (high level) indicates that the power switch is shut off. For example, the part 1 is used in tasks A to C and F, and is not used in tasks D to E. Therefore, in the tasks D and E, the component 1 cuts off the power switch to reduce the leakage current. As described above, according to the embodiment shown in FIG. 9 and FIG. 10, it is possible to reduce the leakage during operation by shutting off the power switch of the component using the management of the task of the CPU. As described above, since the embodiment shown in FIGS. 1 to 8 is applied to the control of the power switch and the latch circuit, the power switch can be shut off without losing the latch information. Accordingly, since the result when one task is completed is stored, the result can be used by another task. As a result, the power switch can be shut off at the end of the task regardless of the processing contents of the task, so that the current during operation can be effectively reduced.

図11は、本発明を応用した半導体チップにおいて、容易にテストを行うためのラッチ回路の構成を示した実施例である。ラッチ回路L内にセレクタSELとこれに接続されたスタテックラッチ回路SLとダイナミックラッチ回路DLが配置される。スタテックラッチ回路SLとダイナミックラッチ回路DLとはこれまでに説明したように接続されている。図中、D1は入力データ、D2はテスト用のスキャンパスのデータ、φSは信号、Qはラッチ回路の出力信号であり、即ち、このラッチ回路に接続される回路の入力信号である。   FIG. 11 is an embodiment showing a configuration of a latch circuit for easily performing a test in a semiconductor chip to which the present invention is applied. In the latch circuit L, a selector SEL, a static latch circuit SL and a dynamic latch circuit DL connected thereto are arranged. The static latch circuit SL and the dynamic latch circuit DL are connected as described above. In the figure, D1 is input data, D2 is test scan path data, φS is a signal, Q is an output signal of the latch circuit, that is, an input signal of a circuit connected to the latch circuit.

本実施例では、信号φSを切り替えることにより、ラッチ回路Lの内部に設けたセレクタSELが、入力データD1とテスト用のスキャンパスのデータD2のどちらかを選択することができる。これによって、本発明を応用した半導体チップにおいても、通常の論理回路のテストで用いられるスキャンパスを容易に構成することが可能となる。従って、本発明の特長である、リーク電流の低減と情報の保持を両立したまま信頼性をあげることができる。   In this embodiment, by switching the signal φS, the selector SEL provided in the latch circuit L can select either the input data D1 or the test scan path data D2. As a result, even in a semiconductor chip to which the present invention is applied, it is possible to easily configure a scan path used in a normal logic circuit test. Therefore, it is possible to increase the reliability while reducing both the leakage current and the retention of information, which are the features of the present invention.

図7及び図8では、ダイナミックラッチDL内部のトランジスタTR1の実施例として、チャネル部をの薄膜で形成したものについて説明した。すでに説明したように、このようなトランジスタは、リーク電流が少ないのでダイナミックラッチDLの情報保持特性が良好になる。しかし、その構造が特殊であるため、場合によってはこのトランジスタの不良が原因で半導体チップの歩留まりを低下させることもあり得る。このような場合に有効な実施例を以下で説明する。   7 and 8, as an example of the transistor TR1 in the dynamic latch DL, the channel portion formed of a thin film has been described. As already described, since such a transistor has a small leakage current, the information retention characteristic of the dynamic latch DL is improved. However, since the structure is special, in some cases, the yield of the semiconductor chip may be reduced due to the failure of the transistor. An embodiment effective in such a case will be described below.

テストの結果、あるダイナミックラッチDLが不良なことがわかった場合のもっとも単純な対策は、冗長にダイナミックラッチDLを設けることである。つまり、テストの結果、不良が検出された場合には、スペアのダイナミックラッチDLに切り替えればよい。2つのダイナミックラッチが同時に故障する確立は少ないので、冗長にダイナミックラッチを設けることにより歩留まりが向上する。ダイナミックラッチDLのスペアを用意する場合、それによる面積の増加が問題になる場合がある。その場合には、トランジスタTR1のみを冗長に設けることも可能である。その場合、ダイナミックラッチ部分全体のスペアを設けるよりも面積の増加が少なくなる。尚、リークの大きい不良のトランジスタTR1によるリテンションの悪化を完全になくすためには、情報が蓄積されるインバータINVDと不良のトランジスタTR1の間にヒューズを設けるなどにより物理的に電流パスを遮断できるように手段を設ける必要がある。   As a result of the test, when the dynamic latch DL is found to be defective, the simplest countermeasure is to provide the dynamic latch DL redundantly. In other words, if a defect is detected as a result of the test, it may be switched to the spare dynamic latch DL. Since there is little probability that two dynamic latches will fail simultaneously, the yield is improved by providing redundant dynamic latches. When a spare for the dynamic latch DL is prepared, an increase in area due to this may be a problem. In that case, it is possible to redundantly provide only the transistor TR1. In that case, the increase in the area is smaller than the provision of a spare for the entire dynamic latch portion. In order to completely eliminate the deterioration of retention caused by the defective transistor TR1 having a large leak, a current path can be physically cut off by providing a fuse between the inverter INVD for storing information and the defective transistor TR1. It is necessary to provide means.

前記のようにスペアの回路も用いることは有効であるが、面積の増大やテスト時に不良部分を切り替えるためにテスト時間が長くなるといった弊害が生じる場合がある。そのような場合に有効な実施例を図12及び図13に示す。   Although it is effective to use a spare circuit as described above, there are cases in which an adverse effect such as an increase in area or a long test time for switching a defective portion during a test may occur. Examples effective in such a case are shown in FIGS.

図12及び図13に示した実施例は、図9の例のように、部品ごとに電源制御ユニットが設けられている場合に有効な実施例である。本実施例では、トランジスタTR1などに起因するダイナミックラッチの不良が検出された場合、その部品の電源スイッチの遮断を行わないようにする。   The embodiment shown in FIGS. 12 and 13 is an embodiment that is effective when a power supply control unit is provided for each component as in the example of FIG. In this embodiment, when a dynamic latch failure caused by the transistor TR1 or the like is detected, the power switch of the component is not shut off.

図12に示したように本実施例では、スイッチイネーブル信号φSWE-i と電源制御信号/φPW-iの論理積(AND)で電源スイッチPWUを制御する。尚、信号のそえ字iは部品iのための信号であることを示すものである。φSWE-iが高電位ならば、電源制御信号/φPW-iによって電源スイッチPWUが制御(/φPW-iが低電位でスイッチがオン、高電位でオフ)され、φSWE-iが低電位ならば、/φPW-iによらず電源スイッチPWUはオンとなる。従って、不良が検出された場合、その部品におけるスイッチイネーブル信号φSWE-iを低電位に固定すれば、部品iは常に電源が導通された状態になる。このような制御を行う場合、不良であるダイナミックラッチDLが、スタティックラッチSLの動作に悪影響を与えないように、両者を電気的に切り離しておいた方が安全な場合がある。   As shown in FIG. 12, in this embodiment, the power switch PWU is controlled by the logical product (AND) of the switch enable signal φSWE-i and the power control signal / φPW-i. The signal letter i indicates that the signal is for the component i. If φSWE-i is high potential, power switch PWU is controlled by power control signal / φPW-i (/ φPW-i is low potential and switch on, high potential off), and φSWE-i is low potential , / ΦPW-i, the power switch PWU is turned on. Therefore, when a failure is detected, the power supply of the component i is always in a conductive state if the switch enable signal φSWE-i in that component is fixed at a low potential. When such control is performed, it may be safer to electrically isolate the two so that the defective dynamic latch DL does not adversely affect the operation of the static latch SL.

そのような場合には、図13の実施例を用いることができる。この実施例では、トランスファゲートTGI、TGOにより、スイッチイネーブル信号φSWE-iが低電位の場合(つまり、ダイナミックラッチに不良がある場合)にはダイナミックラッチDLとスタティックラッチSLを電気的に切り離すことができる。尚、切り離すと、インバータINV3のゲート電圧が不定となり、場合によっては貫通電流が流れる恐れがある。それを回避するためには、図に示したようにp型電界効果型トランジスタP-INV3を電源VddIとインバータINV3の間に設け、そのゲート電極にスイッチイネーブル信号φSWE-iの逆相信号/φSWE-iを入力することによってINV3を電源VddIから切り離すことが有効である。尚、φダイナミックラッチに不良が発見され、電源スイッチを導通させたままにする場合には、信号φ2も低電位に固定し、スタティックラッチ内部のNAND回路NAND1が停止しないようにする必要のあることは勿論である。   In such a case, the embodiment of FIG. 13 can be used. In this embodiment, the dynamic latch DL and the static latch SL can be electrically separated by the transfer gates TGI and TGO when the switch enable signal φSWE-i is at a low potential (that is, when the dynamic latch is defective). it can. Note that, when disconnected, the gate voltage of the inverter INV3 becomes indefinite, and in some cases, a through current may flow. In order to avoid this, as shown in the figure, a p-type field effect transistor P-INV3 is provided between the power supply VddI and the inverter INV3, and a reverse phase signal / φSWE of the switch enable signal φSWE-i is provided at its gate electrode. It is effective to disconnect INV3 from the power supply VddI by inputting -i. If a defect is found in the φ dynamic latch and the power switch is kept conductive, the signal φ2 must also be fixed at a low potential so that the NAND circuit NAND1 in the static latch does not stop. Of course.

以上説明した図12及び図13の実施例によれば、ある部品内部のダイナミックラッチに不良が発見されても半導体チップ全体の動作が不良になることはない。勿論、不良の発見された部品においては、電源からのリーク電流は遮断できない。しかし、図9のように複数の部品から構成されるような場合には、部品の数に対する不良部品の数が少なければリーク電流の増大は少なく、問題にならない。むしろ歩留まりが改善されることによる生産性の向上の効果が大きい。   12 and 13 described above, even if a failure is found in a dynamic latch inside a certain component, the operation of the entire semiconductor chip does not become defective. Of course, the leak current from the power source cannot be cut off in the part where the defect is found. However, in the case of being composed of a plurality of parts as shown in FIG. 9, if the number of defective parts relative to the number of parts is small, the increase in leakage current is small, which is not a problem. Rather, the effect of improving productivity by improving the yield is great.

図14は、歩留まりを向上させるための別の実施例である。本実施例は、ダイナミックラッチ回路DLのトランジスタTR1を直列の2つのトランジスタTRAとTRBで構成したものである。Iは入力、Oは出力である。他の構成は例えば、図3の例と同様である。本実施例によれば、どちらかのトランジスタのリーク電流がプロセスばらつきなどにより予想より大きくても直列に接続されているのでリテンションの悪化を防止することができる。これにより、トランジスタTR1の不良率が高くても、ダイナミックラッチの不良率を抑えることが可能となる。   FIG. 14 shows another embodiment for improving the yield. In this embodiment, the transistor TR1 of the dynamic latch circuit DL is composed of two transistors TRA and TRB in series. I is input and O is output. Other configurations are the same as in the example of FIG. According to this embodiment, even if the leakage current of one of the transistors is larger than expected due to process variations or the like, the transistors are connected in series, so that the deterioration of retention can be prevented. As a result, even if the failure rate of the transistor TR1 is high, the failure rate of the dynamic latch can be suppressed.

尚、図14の実施例と図12及び図13の実施例を組み合わせて使用することももちろん可能である。この場合、図14の実施例によりダイナミックラッチの不良率が低く抑えられているので、スイッチ制御を止める部品の数が少なくなり、更に歩留まりが高くなる。   Of course, the embodiment of FIG. 14 and the embodiments of FIGS. 12 and 13 can be used in combination. In this case, since the failure rate of the dynamic latch is kept low by the embodiment of FIG. 14, the number of parts for stopping the switch control is reduced, and the yield is further increased.

以上、本発明の諸実施の形態を説明したが、本発明の主な形態を列挙する。
(1)論理回路とラッチ回路とを有し、上記ラッチ回路は、チャネル部の厚さが5nm以下である第一の電界効果型トランジスタを含んで構成されることを特徴とする半導体集積回路。
(2)上記項目(1)に記載の半導体集積回路において、上記ラッチ回路は、第一の容量素子と上記第一の容量素子に電荷を書き込む書込みトランジスタを含んで構成され、上記書込みトランジスタは、上記第一の電界効果型トランジスタで構成されることを特徴とする半導体集積回路。
(3)上記項目(2)に記載の半導体集積回路において、上記第一の容量素子は第二の電界効果型トランジスタのゲート容量で構成されることを特徴とする半導体集積回路。
(4)上記項目(1)から(3)のいずれかに記載の半導体集積回路において、上記半導体集積回路は、電源から上記論理回路と上記ラッチ回路への電流の供給を制御する少なくとも一つのスイッチを備え、上記スイッチがオフ状態になった際には、上記論理回路の内部状態を上記第一の容量素子に蓄えた電荷として保持することを特徴とする半導体集積回路。
(5)上記項目(4)に記載の半導体集積回路において、上記スイッチは、その一方の端子に第2の容量素子を備えることを特徴とする半導体集積回路。
(6)上記項目(1)から(5)のいずれかに記載の半導体集積回路において、上記半導体集積回路は複数の回路ブロックから構成され、上記回路ブロックは論理回路とラッチ回路ならびに、電源から上記論理回路と上記ラッチ回路への電流の供給を制御する少なくとも一つのスイッチを備え、上記スイッチは、スイッチ制御信号によってオン、オフを制御され、上記回路ブロックが使用状態にあるときにはオン、未使用状態にあるときにはオフするように制御されることを特徴とする半導体集積回路。
(7)上記項目(6)に記載の半導体集積回路において、上記スイッチ制御信号にかかわらず上記スイッチを常にオン状態にすることを可能とする手段を含むことを特徴とする半導体集積回路。
(8)上記項目(6)に記載の半導体集積回路において、上記上記論理回路が使用状態から未使用状態に移行する際には、上記ラッチ回路に上記論理回路の内部状態を保持するとともに上記スイッチをオフ状態とし、上記論理回路が未使用状態から使用状態に移行するときには、上記論理回路を使用するのに先立ち、上記スイッチをオン状態とするとともに上記ダイナミックラッチ回路に保持した内部状態を上記論理回路に書き戻すことを特徴とする半導体集積回路。
(9)上記項目(6)に記載の半導体集積回路において、上記半導体集積回路はプロセッサを備え、上記スイッチ制御信号は、上記プロセッサのタスクの切り替えに同期して発生されることを特徴とする半導体集積回路。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, the main forms of this invention are enumerated.
(1) A semiconductor integrated circuit having a logic circuit and a latch circuit, wherein the latch circuit includes a first field effect transistor having a channel portion thickness of 5 nm or less.
(2) In the semiconductor integrated circuit according to the item (1), the latch circuit includes a first capacitor element and a write transistor that writes a charge to the first capacitor element, and the write transistor includes: A semiconductor integrated circuit comprising the first field effect transistor.
(3) The semiconductor integrated circuit according to the above item (2), wherein the first capacitor element includes a gate capacitor of a second field effect transistor.
(4) In the semiconductor integrated circuit according to any one of the items (1) to (3), the semiconductor integrated circuit includes at least one switch that controls supply of current from a power source to the logic circuit and the latch circuit. The semiconductor integrated circuit is characterized in that when the switch is turned off, the internal state of the logic circuit is held as a charge stored in the first capacitor element.
(5) The semiconductor integrated circuit according to item (4), wherein the switch includes a second capacitor element at one terminal thereof.
(6) In the semiconductor integrated circuit according to any one of items (1) to (5), the semiconductor integrated circuit includes a plurality of circuit blocks, and the circuit block includes a logic circuit, a latch circuit, and a power supply. At least one switch for controlling supply of current to the logic circuit and the latch circuit is provided. The switch is controlled to be turned on and off by a switch control signal. When the circuit block is in use, the switch is turned on and unused. A semiconductor integrated circuit which is controlled to be turned off when in the state.
(7) The semiconductor integrated circuit according to the item (6), further comprising means for allowing the switch to be always turned on regardless of the switch control signal.
(8) In the semiconductor integrated circuit according to item (6), when the logic circuit shifts from a use state to an unused state, the latch circuit holds the internal state of the logic circuit and the switch When the logic circuit shifts from the unused state to the used state, the switch is turned on and the internal state held in the dynamic latch circuit is changed to the logic state before the logic circuit is used. A semiconductor integrated circuit characterized by being written back to a circuit.
(9) The semiconductor integrated circuit according to item (6), wherein the semiconductor integrated circuit includes a processor, and the switch control signal is generated in synchronization with task switching of the processor. Integrated circuit.

図1は、本発明の半導体集積回路の構成を示す実施例の回路構成図である。FIG. 1 is a circuit configuration diagram of an embodiment showing a configuration of a semiconductor integrated circuit according to the present invention. 図2は、電源制御ユニットPCUの実施例を示す回路構成図である。FIG. 2 is a circuit configuration diagram showing an embodiment of the power supply control unit PCU. 図3は、スタティックラッチSLとダイナミックラッチDLの回路の実施例を示す回路構成図である。FIG. 3 is a circuit configuration diagram showing an embodiment of the static latch SL and the dynamic latch DL. 図4は、図3の実施例のタイミングチャートの実施例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a timing chart of the embodiment of FIG. 図5は、図3の実施例において、ダイナミックラッチDLへの書込み開始と同時に電源スイッチをオフさせるための電源スイッチの実施例を示す回路構成図である。FIG. 5 is a circuit configuration diagram showing an embodiment of a power switch for turning off the power switch simultaneously with the start of writing to the dynamic latch DL in the embodiment of FIG. 図6は、図5の実施例のタイミングチャートの実施例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of a timing chart of the embodiment of FIG. 図7は、ダイナミックラッチDL内のトランジスタTR1の構造の実施例を示す装置主要部の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of the main part of the device showing an embodiment of the structure of the transistor TR1 in the dynamic latch DL. 図8は、ダイナミックラッチDL内のトランジスタTR1の構造の別な実施例を示す装置主要部の断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of the main part of the device showing another embodiment of the structure of the transistor TR1 in the dynamic latch DL. 図9は、複数の論理コア(部品)から構成される半導体集積回路に本発明を適用した場合の実施例を示すブロック図である。FIG. 9 is a block diagram showing an embodiment when the present invention is applied to a semiconductor integrated circuit composed of a plurality of logical cores (components). 図10は、スイッチ制御信号とタスクの関係例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a relationship between a switch control signal and a task. 図11は、テストのためのスキャンパスを設けた実施例を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing an embodiment in which a scan path for testing is provided. 図12は、ダイナミックラッチDLの保持特性が不良の部品においてスイッチ制御信号による電源の遮断を行わない実施例を示す回路構成図である。FIG. 12 is a circuit configuration diagram showing an embodiment in which the power supply is not shut down by the switch control signal in a component having a defective holding characteristic of the dynamic latch DL. 図13は、ダイナミックラッチDLが不良の部品において、スタティックラッチSLからダイナミックラッチDLを電気的に切り離すための実施例を示す回路構成図である。FIG. 13 is a circuit configuration diagram showing an embodiment for electrically separating the dynamic latch DL from the static latch SL in a component having a defective dynamic latch DL. ダイナミックラッチDLにおいてトランジスタTR1を2つ直列に接続した実施例を示す回路構成図である。FIG. 5 is a circuit configuration diagram showing an embodiment in which two transistors TR1 are connected in series in the dynamic latch DL.

符号の説明Explanation of symbols

Vdd、VddI・・・(高電位)電源、Vss・・・(低電位)電源、PCU・・・電源制御ユニット、SL・・・スタティックラッチ、DL・・・ダイナミックラッチ、RSC・・・リストア回路、LCKT・・・ラッチ回路、CCKT・・・CMOS回路、TG0、TG1、TG2、TG3、TG4・・・トランスファゲート、NAND1、NAND2・・・NAND回路、INV1、INV2、INVD・・・インバータ、TR1・・・ダイナミックラッチDL内のトランジスタI・・・ダイナミックラッチDLの入力端子、CH・・・チャネル部、OX・・・酸化膜、ISO・・・素子分離領域、G1・・・nチャネルトランジスタnT1のゲート電極、S1・・・nチャネルトランジスタnT1のソース電極、D1・・・nチャネルトランジスタnT1のドレイン電極、G2・・・トランジスタTR1のゲート電極、S2・・・トランジスタTR1のソース電極、P-INVD・・・p型電界効果型トランジスタ、φPW、/φPW、/φPW-1、φPW-2、/φPW-i、/φPW-n ・・・電源制御信号、φSWE-I、/φSWE-i・・・スイッチイネーブル信号、φL・・・ラッチ制御信号、CLK、/CLK ・・・クロック信号、/RST・・・リセット信号、CHIP・・・半導体チップ、CPU・・・CPUコア、DSP・・・DSPコア、I-C・・・命令キャッシュ、D-C・・・データキャッシュ、XY-M・・・XYメモリ、2ND-C・・・2次キャッシュ、DMAC・・・ダイレクトメモリアクセス制御回路、PER-IP・・・周辺IPコア、BC・・・バス制御回路、TID-R・・・タスクIDレジスタ、RM-R・・・リソ−ス管理レジスタ、ST-DEC・・・ステートデコーダ、PCU・・・電力制御ユニット、I-BUS・・・命令バス、D-BUS・・・データバス、P-BUS1・・・第1周辺バス、P-BUS2・・・第2周辺バス。尚、信号名についている/は、逆相信号を示す。 Vdd, VddI ... (high potential) power supply, Vss ... (low potential) power supply, PCU ... power supply control unit, SL ... static latch, DL ... dynamic latch, RSC ... restore circuit , LCKT ... Latch circuit, CCKT ... CMOS circuit, TG0, TG1, TG2, TG3, TG4 ... Transfer gate, NAND1, NAND2 ... NAND circuit, INV1, INV2, INVD ... Inverter, TR1 ... Transistor I in dynamic latch DL ... Input terminal of dynamic latch DL, CH ... Channel part, OX ... Oxide film, ISO ... Element isolation region, G1 ... n-channel transistor nT1 Gate electrode, S1 ... source electrode of n-channel transistor nT1, D1 ... drain electrode of n-channel transistor nT1, G2 ... gate electrode of transistor TR1, S2 ... source electrode of transistor TR1, P- INVD ・ ・ ・ p-type field effect transistor , ΦPW, / φPW, / φPW-1, φPW-2, / φPW-i, / φPW-n ... Power control signal, φSWE-I, / φSWE-i ... Switch enable signal, φL ... Latch control signal, CLK, / CLK ... clock signal, / RST ... reset signal, CHIP ... semiconductor chip, CPU ... CPU core, DSP ... DSP core, IC ... instruction cache, DC ... Data cache, XY-M ... XY memory, 2ND-C ... Secondary cache, DMAC ... Direct memory access control circuit, PER-IP ... Peripheral IP core, BC ... Bus control circuit, TID-R ... Task ID register, RM-R ... Resource management register, ST-DEC ... State decoder, PCU ... Power control unit, I-BUS ... Instruction Bus, D-BUS ... Data bus, P-BUS1 ... First peripheral bus, P-BUS2 ... Second peripheral bus. The signal name / indicates a reverse phase signal.

Claims (12)

論理回路とラッチ回路とを有し、
前記ラッチ回路は、チャネル部の平均の厚さが5nm以下である第1の電界効果型トランジスタを含んで構成されることを特徴とする半導体集積回路。
A logic circuit and a latch circuit;
The latch circuit includes a first field effect transistor having an average thickness of a channel portion of 5 nm or less.
複数の論理ゲートと、前記論理ゲートに接続される複数のラッチ回路と、を有する論理回路と、
前記論理ゲートに接続される複数のラッチ回路、前記第1のラッチ回路、及び複数の論理ゲートの各電源供給を制御する電源スイッチと、を有し、且つ
前記複数のラッチ回路は、第1のラッチ回路と前記第1のラッチ回路の状態を保持可能な第2のラッチ回路とを有し、
前記第1のラッチ回路の状態信号を保持可能な第2のラッチ回路は、チャネル領域の平均の厚さが5nm以下である電界効果型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 logic circuit having a plurality of logic gates and a plurality of latch circuits connected to the logic gates;
A plurality of latch circuits connected to the logic gate; the first latch circuit; and a power switch for controlling power supply to each of the plurality of logic gates; and A latch circuit and a second latch circuit capable of holding the state of the first latch circuit;
The second latch circuit capable of holding the state signal of the first latch circuit has a field effect transistor having an average thickness of a channel region of 5 nm or less.
前記第2のラッチ回路の有する電界効果型トランジスタのチャネルが、高さの平均が5nm以下の複数の半導体の結晶粒からなることを特徴とする請求項2に記載の半導体集積回路。 3. The semiconductor integrated circuit according to claim 2, wherein the channel of the field effect transistor included in the second latch circuit is made of a plurality of semiconductor crystal grains having an average height of 5 nm or less. 前記第2のラッチ回路の有する電界効果型トランジスタのチャネルが、短径の平均が5nm以下の複数の半導体の結晶粒からなることを特徴とする請求項2に記載の半導体集積回路。 3. The semiconductor integrated circuit according to claim 2, wherein the channel of the field effect transistor included in the second latch circuit is made of a plurality of semiconductor crystal grains having an average minor axis of 5 nm or less. 前記ラッチ回路は、第1の容量素子と前記第1の容量素子に電荷を書き込む書込みトランジスタを含み、且つ、前記書込みトランジスタはチャネル領域の平均の厚さが5nm以下の前記電界効果型トランジスタで構成されることを特徴とする請求項2に記載の半導体集積回路。 The latch circuit includes a first capacitor element and a write transistor that writes electric charge to the first capacitor element, and the write transistor includes the field effect transistor having an average channel region thickness of 5 nm or less. The semiconductor integrated circuit according to claim 2, wherein: 前記第1の容量素子が、当該半導体集積回路が入力端子に接続される第2の電界効果型トランジスタのゲート容量で構成されることを特徴とする請求項3に記載の半導体集積回路。 4. The semiconductor integrated circuit according to claim 3, wherein the first capacitor element includes a gate capacitor of a second field effect transistor to which the semiconductor integrated circuit is connected to an input terminal. 前記半導体集積回路は、電源から前記論理回路と前記ラッチ回路への電流の供給を制御する少なくとも1つのスイッチを備え、前記スイッチがオフ状態になった際には、前記論理回路の内部状態を前記第1の容量素子に蓄えた電荷として保持することを特徴とする請求項2に記載の半導体集積回路。 The semiconductor integrated circuit includes at least one switch that controls supply of current from a power source to the logic circuit and the latch circuit. When the switch is turned off, the internal state of the logic circuit is The semiconductor integrated circuit according to claim 2, wherein the semiconductor integrated circuit is held as a charge stored in the first capacitor element. 前記スイッチは、その一方の端子に第2の容量素子を有することを特徴とする請求項7に記載の半導体集積回路。 8. The semiconductor integrated circuit according to claim 7, wherein the switch has a second capacitor element at one terminal thereof. 複数の論理ゲートと、前記論理ゲートに接続される複数のラッチ回路とを有する前記論理回路を有する回路ブロックを複数有し、
前記電源スイッチは、スイッチ制御信号によってオン、オフを制御され、前記回路ブロックが使用状態にあるときにはオン、未使用状態にあるときにはオフするように制御されることを特徴とする請求項2に記載の半導体集積回路。
A plurality of circuit blocks each having the logic circuit having a plurality of logic gates and a plurality of latch circuits connected to the logic gates;
3. The power switch is controlled to be turned on and off by a switch control signal, and is controlled to be turned on when the circuit block is in a use state and turned off when the circuit block is in an unused state. Semiconductor integrated circuit.
前記スイッチ制御信号にかかわらず、前記電源スイッチを常にオン状態にすることを可能とする手段を含むことを特徴とする請求項9に記載の半導体集積回路。 10. The semiconductor integrated circuit according to claim 9, further comprising means for allowing the power switch to be always turned on regardless of the switch control signal. 前記前記論理回路が使用状態から未使用状態に移行する際には、前記ラッチ回路に前記論理回路の内部状態を保持するとともに前記電源スイッチをオフ状態とし、前記論理回路が未使用状態から使用状態に移行するときには、前記論理回路を使用するのに先立ち、前記電源スイッチをオン状態とするとともに前記ダイナミックラッチ回路に保持した内部状態を前記論理回路に書き戻すことを特徴とする請求項10に記載の半導体集積回路。 When the logic circuit shifts from the use state to the unused state, the logic circuit holds the internal state of the logic circuit and turns off the power switch, and the logic circuit is changed from the unused state to the use state. 11. When shifting to (1), prior to using the logic circuit, the power switch is turned on and the internal state held in the dynamic latch circuit is written back to the logic circuit. Semiconductor integrated circuit. 前記半導体集積回路はプロセッサを備え、前記電源スイッチ制御信号は、前記プロセッサのタスクの切り替えに同期して発生されることを特徴とする請求項9に記載の半導体集積回路。 The semiconductor integrated circuit according to claim 9, wherein the semiconductor integrated circuit includes a processor, and the power switch control signal is generated in synchronization with a task switching of the processor.
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