JP2006032519A - Semiconductor integrated circuit - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor integrated circuit which can reduce power consumption due to leak current of a transistor in standby mode without providing a power switch for each of circuit block. <P>SOLUTION: A low power cell has such a circuit configuration that, when the level of the input/output signal of the cell is kept at a specified level during standby mode, the current of a power supply becomes smaller than when the input/output signal has another level. Therefore, in this case, the current of the power supply flowing to an earth line from a power line can be made the smallest in the standby mode, and the power consumption during standby mode can be suppressed without providing a power switch for interrupting leak current outside the circuit cell. Since no power switch is required, a burden required for layout design of the power switch is eliminated, and no simulation difference due to voltage drop of the power switch occurs. As a result, the entire characteristic of the semiconductor integrated circuit can be accurately verified. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は半導体集積回路に係り、特に、トランジスタのリーク電流に起因する消費電力の削減を図った半導体集積回路に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor integrated circuit, and more particularly to a semiconductor integrated circuit that reduces power consumption caused by a leakage current of a transistor.

低消費電力化や加工寸法の微細化に対応するため、半導体集積回路の電源電圧は年々低下している。電源電圧の低下により信号振幅が小さくなると、トランジスタのしきい電圧が信号振幅に対して相対的に高くなるため、トランジスタのオン電流が減少し、遅延が増大する。そのため、トランジスタのしきい電圧も電源電圧に応じて低下させる必要がある。しかしながら、トランジスタのしきい電圧を低下させると、オフ状態におけるリーク電流が増えるため、低消費電力化が阻害されるという不利益が生じる。   In order to cope with low power consumption and miniaturization of processing dimensions, the power supply voltage of a semiconductor integrated circuit is decreasing year by year. When the signal amplitude is reduced due to a decrease in the power supply voltage, the threshold voltage of the transistor is relatively increased with respect to the signal amplitude, so that the on-current of the transistor is reduced and the delay is increased. Therefore, it is necessary to reduce the threshold voltage of the transistor according to the power supply voltage. However, when the threshold voltage of the transistor is lowered, the leakage current in the off state increases, which causes a disadvantage that the reduction in power consumption is hindered.

このようなリーク電流の増大を防止する技術として、MTCMOS(multi-threshold complementary metal oxide semiconductor)と称される回路技術が知られている。MTCMOSでは、例えば特定の機能を果たす回路ブロックごとに、その電源ラインに高しきい電圧のトランジスタスイッチが挿入される。そして回路ブロックが未使用状態になったとき、トランジスタスイッチがオフに設定されて、回路ブロック中の各トランジスタに流れるリーク電流が遮断される。これにより、未使用の回路ブロックに流れる無駄なリーク電流を大幅に減らすことができる。   As a technique for preventing such an increase in leakage current, a circuit technique called MTCMOS (multi-threshold complementary metal oxide semiconductor) is known. In MTCMOS, for example, a high threshold voltage transistor switch is inserted into the power supply line of each circuit block that performs a specific function. When the circuit block becomes unused, the transistor switch is set to OFF, and the leakage current flowing through each transistor in the circuit block is cut off. As a result, useless leakage current flowing in unused circuit blocks can be greatly reduced.

しかしながら、従来、こうしたMTCMOS技術を取り入れた半導体集積回路を設計するにあたって、電源ラインに挿入するトランジスタスイッチのレイアウト設計は人手により行われている。例えば、特定の機能を果たす回路ブロックごとに、その内部の回路セルの配置や配線をCAD装置で自動設計し、その後、回路ブロックの外側の電源ラインにトランジスタスイッチを配置する作業が人手で行われている。そのため、レイアウト設計の負担が増えるという問題が生じている。   However, conventionally, when designing a semiconductor integrated circuit incorporating such MTCMOS technology, layout design of a transistor switch inserted into a power supply line has been manually performed. For example, for each circuit block that performs a specific function, the layout and wiring of circuit cells inside the circuit block are automatically designed by a CAD device, and then a transistor switch is manually placed on the power supply line outside the circuit block. ing. As a result, there is a problem that the burden of layout design increases.

また、電源電圧の低下に伴って、電源ラインの抵抗成分に生じる僅かな電圧降下が、信号の遅延に大きく影響を与えるようになっている。すなわち、電源電圧が低くなると、トランジスタのしきい電圧に対する信号振幅の余裕が小さくなるため、電源電圧が僅かに低下しても大きな信号遅延が生じる。   In addition, as the power supply voltage decreases, a slight voltage drop that occurs in the resistance component of the power supply line greatly affects the signal delay. That is, when the power supply voltage is lowered, the signal amplitude margin with respect to the threshold voltage of the transistor is reduced, so that a large signal delay occurs even if the power supply voltage is slightly lowered.

トランジスタスイッチが電源ラインに挿入されると、これによる電圧降下が更に加わるため、上記の問題はより深刻になる。特に、外部の電源ラインからの距離が長くなる回路ブロックの中心部での信号遅延が大きくなるため、回路ブロックの単体を設計した段階では正常に動作しても、後から電源ラインにトランジスタスイッチを挿入すると動作しなくなるといった問題が生じる。また、回路ブロックを更に上位階層のブロックに接続した場合に、要求されるタイミングを満たせなくなる問題が生じる。   When the transistor switch is inserted into the power supply line, a voltage drop due to this is further added, and the above problem becomes more serious. In particular, since the signal delay at the center of a circuit block that increases the distance from the external power supply line increases, even if the circuit block is designed normally, it will not operate properly afterwards. There is a problem that it does not work when inserted. In addition, when a circuit block is connected to a block in a higher layer, there arises a problem that the required timing cannot be satisfied.

このように、回路ブロックごとに電源スイッチを設ける方法は、レイアウト設計の負担を増やし、信号遅延の検証が困難になるなどの不利益がある。   As described above, the method of providing the power switch for each circuit block has disadvantages such as increasing the layout design burden and making it difficult to verify the signal delay.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路ブロックごとに電源スイッチを設けることなく、リーク電流による消費電力を削減できる半導体集積回路を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a semiconductor integrated circuit capable of reducing power consumption due to a leakage current without providing a power switch for each circuit block.

本発明の半導体集積回路は、待機モードにおいて動作を停止させる回路セルを有しており、上記回路セルは、入出力信号のレベルが上記待機モード時の所定のレベルを有するとき、上記入出力信号が他のレベルを有するときと比べて、電源ラインから接地ラインへ流れる電源電流が小さくなるように構成される。   The semiconductor integrated circuit of the present invention has a circuit cell for stopping the operation in the standby mode, and the circuit cell has the input / output signal when the level of the input / output signal has a predetermined level in the standby mode. Compared with the case where has other levels, the power supply current flowing from the power supply line to the ground line is reduced.

上記本発明によれば、上記回路セルにおいて電源ラインから接地ラインに流れる電源電流は、上記待機モード時に最も小さくなる。そのため、上記回路セルの外部にリーク電流を遮断する電源スイッチを設けずに、上記待機モード時の消費電力を抑えることが可能になる。   According to the present invention, the power supply current flowing from the power supply line to the ground line in the circuit cell is the smallest in the standby mode. For this reason, it is possible to suppress power consumption in the standby mode without providing a power switch for cutting off leakage current outside the circuit cell.

好適に、上記本発明の半導体集積回路は、導電型が等しくリーク電流特性が異なる少なくとも2種類のトランジスタを有する。また、好適に、上記複数の回路セルの少なくとも一部は、上記2種類のトランジスタのうちリーク電流が小さい種類のトランジスタであって、上記電源ラインと上記接地ラインとの間の電流経路上に挿入されるとともに、入力から出力へ信号を伝播する信号経路上に挿入されており、上記待機モード時にオフ状態になるトランジスタを含む。   Preferably, the semiconductor integrated circuit of the present invention includes at least two types of transistors having the same conductivity type and different leakage current characteristics. Preferably, at least a part of the plurality of circuit cells is a transistor having a small leakage current among the two types of transistors, and is inserted in a current path between the power supply line and the ground line. And a transistor that is inserted on a signal path for propagating a signal from the input to the output and is turned off in the standby mode.

上記の構成によれば、上記待機モード時において、上記回路セルの上記電源ラインと上記接地ラインとの間の電流経路に流れる電流が、上記リーク電流の小さい種類のトランジスタのオフ状態のリーク電流特性によって制限される。また、このリーク電流の小さいトランジスタは、セルの入力から出力へ信号を伝播する信号経路上に挿入されたトランジスタであるため、出力の伝播に寄与しない電源スイッチ用トランジスタを別個に設ける場合に比べて、回路面積の増大が抑制される。   According to the above configuration, in the standby mode, the current that flows in the current path between the power supply line and the ground line of the circuit cell is an off-state leakage current characteristic of a transistor having a small leakage current. Limited by. In addition, since this transistor with a small leakage current is a transistor inserted on the signal path for propagating a signal from the input to the output of the cell, compared with the case where a power switch transistor that does not contribute to the propagation of the output is provided separately. The increase in circuit area is suppressed.

なお、上記リーク電流が小さい種類のトランジスタは、他の種類のトランジスタと比較して長いチャネル長を持つゲート絶縁型電界効果トランジスタであっても良い。   Note that the type of transistor having a small leakage current may be a gate insulating field effect transistor having a channel length longer than that of other types of transistors.

また、上記リーク電流が小さい種類のトランジスタは、他の種類のトランジスタと比較して高いしきい電圧を持っても良い。   In addition, the type of transistor having a small leakage current may have a higher threshold voltage than other types of transistors.

あるいは、上記リーク電流が小さい種類のトランジスタは、他の種類のトランジスタと比較してしきい電圧を大きくし得る基板バイアス電圧を入力するための基板バイアス電圧入力ノードを備えるゲート絶縁型電界効果トランジスタでも良い。   Alternatively, the type of transistor having a small leakage current may be a gate insulating field effect transistor having a substrate bias voltage input node for inputting a substrate bias voltage capable of increasing a threshold voltage as compared with other types of transistors. good.

本発明によれば、回路ブロックごとに電源スイッチを設けることなく、リーク電流による消費電力を効果的に削減することができる。   According to the present invention, power consumption due to leakage current can be effectively reduced without providing a power switch for each circuit block.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施形態に係る半導体集積回路1の構成例を示す図である。
図1の例において、半導体集積回路1は、待機モードがない(すなわち常に動作状態にある)回路ブロック2と、待機モードを有する回路ブロック3および4とを有している。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a semiconductor integrated circuit 1 according to an embodiment of the present invention.
In the example of FIG. 1, the semiconductor integrated circuit 1 includes a circuit block 2 that does not have a standby mode (that is, is always in an operating state), and circuit blocks 3 and 4 that have a standby mode.

回路ブロック2は、回路動作が停止状態にあるときの静的な消費電力が通常の値を持つ回路セル(以降、通常セルと表記する)で構成される。
一方、回路ブロック3および4は、通常セルに比べて静的な消費電力が小さい回路セル(以降、低電力セルと表記する)で構成される。
The circuit block 2 is composed of circuit cells (hereinafter referred to as normal cells) in which static power consumption is normal when the circuit operation is stopped.
On the other hand, the circuit blocks 3 and 4 are configured by circuit cells (hereinafter referred to as low power cells) that consume less static power than normal cells.

低電力セルは、回路が果たす機能に関して通常セルと同一である。例えば、NAND回路やNOR回路、NOT回路などのように、集積回路を構成する上で必要となる基本的機能を備えた回路要素である。
低電力セルが通常セルと異なる点は、電源ラインから接地ラインへ流れる電流(以降、電源電流と表記する)が待機モードにおいて最小となるように、内部の回路が構成されているところにある。
A low power cell is identical to a normal cell in terms of the function that the circuit performs. For example, it is a circuit element having basic functions necessary for configuring an integrated circuit, such as a NAND circuit, a NOR circuit, and a NOT circuit.
The low power cell differs from the normal cell in that the internal circuit is configured so that the current flowing from the power supply line to the ground line (hereinafter referred to as power supply current) is minimized in the standby mode.

すなわち、低電力セルは、その入出力信号のレベルが待機モード時の所定のレベルを有するとき、入出力信号が他のレベルを有するときと比べて電源電流が小さくなるように、回路が構成される。
例えば、待機モード時に入力信号がローレベルになるインバータ回路セルの場合、入力信号がハイレベルのときよりローレベルのときに電源電流が小さくなるよう回路が構成される。
また、例えば、待機モード時に入力信号がハイレベルになるインバータ回路セルの場合、入力信号がローレベルのときよりハイレベルのときに電源電流が小さくなるよう回路が構成される。
That is, the circuit of the low power cell is configured such that when the input / output signal level has a predetermined level in the standby mode, the power supply current becomes smaller than when the input / output signal has another level. The
For example, in the case of an inverter circuit cell in which the input signal is at a low level in the standby mode, the circuit is configured such that the power supply current is smaller when the input signal is at a low level than when the input signal is at a high level.
In addition, for example, in the case of an inverter circuit cell in which the input signal is at a high level in the standby mode, the circuit is configured such that the power supply current becomes smaller when the input signal is at a high level than when the input signal is at a low level.

このような低電力セルの回路構成は、例えば、リーク電流特性が異なる複数種類のトランジスタを用いることによって実現可能である。   Such a circuit configuration of the low power cell can be realized by using, for example, a plurality of types of transistors having different leakage current characteristics.

ここで、半導体集積回路1をCMOS型の集積回路とする。
この場合、半導体集積回路1は、例えば、n型MOSトランジスタとp型MOSトランジスタのそれぞれについて、リーク電流特性が異なる2種類のMOSトランジスタを有する。
Here, the semiconductor integrated circuit 1 is a CMOS type integrated circuit.
In this case, the semiconductor integrated circuit 1 has, for example, two types of MOS transistors having different leakage current characteristics for each of an n-type MOS transistor and a p-type MOS transistor.

通常セルは、これら2種類のMOSトランジスタのうち、リーク電流が大きいMOSトランジスタ(以降、通常トランジスタと表記する)のみを含んでおり、リーク電流が小さいMOSトランジスタ(以降、低リーク電流トランジスタと表記する)は含んでいない。   A normal cell includes only a MOS transistor having a large leakage current (hereinafter referred to as a normal transistor) of these two types of MOS transistors, and a MOS transistor having a small leakage current (hereinafter referred to as a low leakage current transistor). ) Is not included.

一方、低電力セルは、2種類のMOSトランジスタ、すなわち、通常トランジスタと低リーク電流トランジスタの両方を含む。
そして、低電力セルにおいては、電源ラインと接地ラインとの間の電流経路上に挿入され、かつ、セルの入力から出力へ信号を伝播する信号経路上に挿入されるトランジスタのうち、待機モード時においてオフ状態になるトランジスタの一部もしくは全部に、低リーク電流トランジスタが用いられる。
これにより、待機モード時の電源電流は、低リーク電流トランジスタの微小なリーク電流によって制限される。
また、セルの信号経路上に低リーク電流トランジスタを挿入することにより、低リーク電流トランジスタを信号の伝播に寄与させることができる。そのため、例えば電源スイッチ用の低リーク電流トランジスタをセル内に設ける構成と比較すると、信号の伝播に寄与しない無駄なトランジスタを追加せずに済み、回路面積の増大が抑えられる。また、電源スイッチ用トランジスタのオンオフを制御する回路が不要になるため、この点でも回路面積の増大が抑えられる。
On the other hand, the low power cell includes two types of MOS transistors, that is, both a normal transistor and a low leakage current transistor.
In a low power cell, a transistor inserted in a current path between a power supply line and a ground line, and inserted in a signal path that propagates a signal from the cell input to the output, is in a standby mode. A low leakage current transistor is used for some or all of the transistors that are turned off in FIG.
Thereby, the power supply current in the standby mode is limited by the minute leakage current of the low leakage current transistor.
Further, by inserting a low leakage current transistor on the cell signal path, the low leakage current transistor can contribute to signal propagation. Therefore, for example, compared with a configuration in which a low leakage current transistor for a power switch is provided in a cell, it is not necessary to add a useless transistor that does not contribute to signal propagation, and an increase in circuit area can be suppressed. In addition, since a circuit for controlling on / off of the power switch transistor is not necessary, an increase in circuit area can be suppressed in this respect.

次に、NAND演算を行う回路セルを例に挙げて、通常セルと低電力セルの具体的な構成を説明する。   Next, specific configurations of the normal cell and the low power cell will be described by taking a circuit cell that performs NAND operation as an example.

図2は、NAND演算を行う通常セルの構成例を示す図である。
図2に示す通常セルは、n型MOSトランジスタQn1およびQn2とp型MOSトランジスタQp1およびQp2とを有する。これらのトランジスタは、何れも通常トランジスタである。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a normal cell that performs a NAND operation.
The normal cell shown in FIG. 2 has n-type MOS transistors Qn1 and Qn2 and p-type MOS transistors Qp1 and Qp2. These transistors are all normal transistors.

n型MOSトランジスタQn1およびQn2は、出力ノードOと接地ラインGとの間に直列接続される。
p型MOSトランジスタQp1およびQp2は、出力ノードOと電源ラインVDDとの間に並列接続される。
n型MOSトランジスタQn1およびp型MOSトランジスタQp1のゲートは、入力ノードI1に接続される。
n型MOSトランジスタQn2およびp型MOSトランジスタQp2のゲートは、入力ノードI2に接続される。
N-type MOS transistors Qn1 and Qn2 are connected in series between output node O and ground line G.
P-type MOS transistors Qp1 and Qp2 are connected in parallel between output node O and power supply line VDD.
The gates of n-type MOS transistor Qn1 and p-type MOS transistor Qp1 are connected to input node I1.
The gates of n-type MOS transistor Qn2 and p-type MOS transistor Qp2 are connected to input node I2.

図2に示す通常セルによると、入力ノードI1およびI2の何れか一方もしくは両方にローレベルの信号が入力された場合、p型MOSトランジスタQp1およびQp2の一方もしくは両方がオンするとともに、n型MOSトランジスタQn1およびQn2の一方もしくは両方がオフするため、出力ノードOからハイレベルの信号が出力される。入力ノードI1およびI2の両方にハイレベルの信号が入力される場合、p型MOSトランジスタQp1およびQp2が両方オフするとともに、n型MOSトランジスタQn1およびQn2が両方オンするため、出力ノードOからローレベルの信号が出力される。したがって、図2に示す通常セルによれば、入力ノードI1,I2に入力される2つの信号のNAND演算結果が出力ノードOより出力される。   According to the normal cell shown in FIG. 2, when a low level signal is input to one or both of the input nodes I1 and I2, one or both of the p-type MOS transistors Qp1 and Qp2 are turned on, and the n-type MOS is turned on. Since one or both of the transistors Qn1 and Qn2 are turned off, a high level signal is output from the output node O. When high level signals are input to both input nodes I1 and I2, both p-type MOS transistors Qp1 and Qp2 are turned off, and both n-type MOS transistors Qn1 and Qn2 are turned on. Is output. Therefore, according to the normal cell shown in FIG. 2, the NAND operation result of the two signals inputted to the input nodes I1 and I2 is outputted from the output node O.

図3は、NAND演算を行う低電力セルの構成例を示す第1の図であり、低リーク電流トランジスタとしてチャネル長の長いトランジスタを用いる例を示したものである。   FIG. 3 is a first diagram illustrating a configuration example of a low power cell that performs NAND operation, and illustrates an example in which a transistor having a long channel length is used as a low leakage current transistor.

図3の例において、低電力セルには、待機モード時の入出力の信号の状態に応じた3つの種類がある。
すなわち、それぞれ待機モードにおいて、図3(A)に示す低電力セルは、入力ノードI1にハイレベル、入力ノードI2にローレベルの信号を入力し、図3(B)に示す低電力セルは、入力ノードI1にローレベル、入力ノードI2にハイレベルの信号を入力し、図3(C)に示す低電力セルは、入力ノードI1およびI2にハイレベルの信号を入力する。
In the example of FIG. 3, there are three types of low-power cells according to the state of input / output signals in the standby mode.
That is, in each standby mode, the low power cell shown in FIG. 3A inputs a high level signal to the input node I1 and a low level signal to the input node I2, and the low power cell shown in FIG. A low level signal is input to the input node I1 and a high level signal is input to the input node I2. The low power cell illustrated in FIG. 3C inputs a high level signal to the input nodes I1 and I2.

図3(A)に示す低電力セルは、図2に示す通常セルにおけるn型MOSトランジスタQn2を、これよりチャネル長が長いn型MOSトランジスタQn2Aに置き換えたものである。
この低電力セルは、待機モードにおいて、入力ノードI1にハイレベル、入力ノードI2にローレベルの信号を入力し、n型MOSトランジスタQn2Aがオフ状態になる。そのため、電源ラインVDDから接地ラインGに流れる電源電流は、オフ状態のn型MOSトランジスタQn2Aに流れる僅かなリーク電流に抑えられる。
The low power cell shown in FIG. 3A is obtained by replacing the n-type MOS transistor Qn2 in the normal cell shown in FIG. 2 with an n-type MOS transistor Qn2A having a longer channel length.
In the low power cell, in the standby mode, a high level signal is input to the input node I1 and a low level signal is input to the input node I2, and the n-type MOS transistor Qn2A is turned off. Therefore, the power supply current flowing from the power supply line VDD to the ground line G can be suppressed to a slight leak current flowing to the n-type MOS transistor Qn2A in the off state.

図3(B)に示す低電力セルは、図2に示す通常セルにおけるn型MOSトランジスタQn1を、これよりチャネル長が長いn型MOSトランジスタQn1Aに置き換えたものである。
この低電力セルは、待機モードにおいて、入力ノードI1にローレベル、入力ノードI2にハイレベルの信号を入力し、n型MOSトランジスタQn1Aがオフ状態になる。そのため、電源ラインVDDから接地ラインGに流れる電源電流は、オフ状態のn型MOSトランジスタQn1Aに流れる僅かなリーク電流に抑えられる。
The low power cell shown in FIG. 3B is obtained by replacing the n-type MOS transistor Qn1 in the normal cell shown in FIG. 2 with an n-type MOS transistor Qn1A having a longer channel length.
In the standby mode, the low power cell inputs a low level signal to the input node I1 and a high level signal to the input node I2, and the n-type MOS transistor Qn1A is turned off. Therefore, the power supply current flowing from the power supply line VDD to the ground line G is suppressed to a slight leak current flowing to the n-type MOS transistor Qn1A in the off state.

図3(C)に示す低電力セルは、図2に示す通常セルにおけるp型MOSトランジスタQp1およびQp2を、これよりチャネル長が長いp型MOSトランジスタQp1AおよびQp2Aにそれぞれ置き換えたものである。
この低電力セルは、待機モードにおいて、入力ノードI1およびI2にハイレベルの信号を入力し、p型MOSトランジスタQp1AおよびQp2Aが共にオフ状態になる。そのため、電源ラインVDDから接地ラインGに流れる電源電流は、オフ状態のp型MOSトランジスタQp1AおよびQp2Aに流れる僅かなリーク電流に抑えられる。
The low power cell shown in FIG. 3C is obtained by replacing the p-type MOS transistors Qp1 and Qp2 in the normal cell shown in FIG. 2 with p-type MOS transistors Qp1A and Qp2A having longer channel lengths, respectively.
In the low power cell, a high level signal is input to input nodes I1 and I2 in the standby mode, and both p-type MOS transistors Qp1A and Qp2A are turned off. Therefore, the power supply current flowing from power supply line VDD to ground line G can be suppressed to a slight leak current flowing to p-type MOS transistors Qp1A and Qp2A in the off state.

このように、図3に示す低電力セルでは、図2に示す通常セルの各トランジスタのうち、待機モードにおいてオフ状態になるトランジスタにチャネル長の長い低リーク電流トランジスタを用いることによって、待機モード時の電源電流の低減が図られている。   As described above, in the low power cell shown in FIG. 3, among the transistors of the normal cell shown in FIG. 2, the low leakage current transistor having a long channel length is used as the transistor that is turned off in the standby mode. The power supply current is reduced.

なお、MOSトランジスタのリーク電流を小さくする方法は、上述のようにチャンネル長を長くする方法に限られるものではない。例えば、チャネル形成領域の不純物のドープ量を調節する等により、トランジスタのしきい電圧を高くし、リーク電流の低減を図ることも可能である。
図4に例示する低電力セルは、低リーク電流トランジスタにしきい電圧の高いトランジスタを用いたものである。
The method for reducing the leakage current of the MOS transistor is not limited to the method for increasing the channel length as described above. For example, the threshold voltage of the transistor can be increased and leakage current can be reduced by adjusting the doping amount of impurities in the channel formation region.
The low power cell illustrated in FIG. 4 uses a transistor having a high threshold voltage as a low leakage current transistor.

図4(A)に示す低電力セルは、図2に示す通常セルにおけるn型MOSトランジスタQn2を、これよりしきい電圧が高いn型MOSトランジスタQn2Bに置き換えたものである。
この低電力セルは、待機モードにおいて、入力ノードI1にハイレベル、入力ノードI2にローレベルの信号を入力し、n型MOSトランジスタQn2Bがオフ状態になる。そのため、電源ラインVDDから接地ラインGに流れる電源電流は、オフ状態のn型MOSトランジスタQn2Bに流れる僅かなリーク電流に抑えられる。
The low power cell shown in FIG. 4A is obtained by replacing the n-type MOS transistor Qn2 in the normal cell shown in FIG. 2 with an n-type MOS transistor Qn2B having a higher threshold voltage.
In the low power cell, in the standby mode, a high level signal is input to the input node I1 and a low level signal is input to the input node I2, and the n-type MOS transistor Qn2B is turned off. Therefore, the power supply current flowing from the power supply line VDD to the ground line G can be suppressed to a slight leak current flowing to the n-type MOS transistor Qn2B in the off state.

図4(B)に示す低電力セルは、図2に示す通常セルにおけるn型MOSトランジスタQn1を、これよりしきい電圧が高いn型MOSトランジスタQn1Bに置き換えたものである。
この低電力セルは、待機モードにおいて、入力ノードI1にローレベル、入力ノードI2にハイレベルの信号を入力し、n型MOSトランジスタQn1Bがオフ状態になる。そのため、電源ラインVDDから接地ラインGに流れる電源電流は、オフ状態のn型MOSトランジスタQn1Bに流れる僅かなリーク電流に抑えられる。
The low power cell shown in FIG. 4B is obtained by replacing the n-type MOS transistor Qn1 in the normal cell shown in FIG. 2 with an n-type MOS transistor Qn1B having a higher threshold voltage.
In the low power cell, in the standby mode, a low level signal is input to the input node I1 and a high level signal is input to the input node I2, and the n-type MOS transistor Qn1B is turned off. Therefore, the power supply current flowing from the power supply line VDD to the ground line G can be suppressed to a slight leak current flowing to the n-type MOS transistor Qn1B in the off state.

図4(C)に示す低電力セルは、図2に示す通常セルにおけるp型MOSトランジスタQp1およびQp2を、これよりしきい電圧が高いp型MOSトランジスタQp1BおよびQp2Bにそれぞれ置き換えたものである。
この低電力セルは、待機モードにおいて、入力ノードI1およびI2にハイレベルの信号を入力し、p型MOSトランジスタQp1BおよびQp2Bが共にオフ状態になる。そのため、電源ラインVDDから接地ラインGに流れる電源電流は、オフ状態のp型MOSトランジスタQp1BおよびQp2Bに流れる僅かなリーク電流に抑えられる。
The low power cell shown in FIG. 4C is obtained by replacing the p-type MOS transistors Qp1 and Qp2 in the normal cell shown in FIG. 2 with p-type MOS transistors Qp1B and Qp2B having higher threshold voltages, respectively.
In the low power cell, a high level signal is input to input nodes I1 and I2 in standby mode, and both p-type MOS transistors Qp1B and Qp2B are turned off. Therefore, the power supply current flowing from power supply line VDD to ground line G can be suppressed to a slight leak current flowing to p-type MOS transistors Qp1B and Qp2B in the off state.

ところで、MOSトランジスタのしきい電圧を高くする方法は、上述のように不純物のドープ量を調節する方法に限らず、例えば、基板バイアス電圧を調節する方法もある。
図5に例示する低電力セルは、しきい電圧を調節するため、低リーク電流トランジスタに基板バイアス電圧の入力ノードを設けたものである。
By the way, the method of increasing the threshold voltage of the MOS transistor is not limited to the method of adjusting the impurity doping amount as described above, and there is, for example, a method of adjusting the substrate bias voltage.
The low power cell illustrated in FIG. 5 has a low leakage current transistor provided with an input node for a substrate bias voltage in order to adjust the threshold voltage.

図5(A)に示す低電力セルは、図2に示す通常セルにおけるn型MOSトランジスタQn2を、n型MOSトランジスタQn2Cに置き換えたものである。
n型MOSトランジスタQn2Cは、基板バイアス電圧を入力ノードBSnから入力する。この基板バイアス電圧は、n型MOSトランジスタQn2と比較して負方向(接地ラインGより電位を低くする方向)に調節されており、そのため、n型MOSトランジスタQn2Cはn型MOSトランジスタQn2より高いしきい電圧を有する。
この低電力セルは、待機モードにおいて、入力ノードI1にハイレベル、入力ノードI2にローレベルの信号を入力し、n型MOSトランジスタQn2Cがオフ状態になる。そのため、待機モード時の電源電流は、オフ状態のn型MOSトランジスタQn2Cに流れる僅かなリーク電流に抑えられる。
The low power cell shown in FIG. 5A is obtained by replacing the n-type MOS transistor Qn2 in the normal cell shown in FIG. 2 with an n-type MOS transistor Qn2C.
N-type MOS transistor Qn2C receives a substrate bias voltage from input node BSn. This substrate bias voltage is adjusted in the negative direction (the direction in which the potential is lower than that of the ground line G) compared to the n-type MOS transistor Qn2, so that the n-type MOS transistor Qn2C is higher than the n-type MOS transistor Qn2. Has a threshold voltage.
In the low power cell, in the standby mode, a high level signal is input to the input node I1 and a low level signal is input to the input node I2, and the n-type MOS transistor Qn2C is turned off. Therefore, the power supply current in the standby mode is suppressed to a slight leak current flowing through the n-type MOS transistor Qn2C in the off state.

図5(B)に示す低電力セルは、図2に示す通常セルにおけるn型MOSトランジスタQn1を、n型MOSトランジスタQn1Cに置き換えたものである。
n型MOSトランジスタQn1Cは、基板バイアス電圧を入力ノードBSnから入力する。この基板バイアス電圧は、n型MOSトランジスタQn1と比較して負方向(接地ラインGより電位を低くする方向)に調節されており、そのため、n型MOSトランジスタQn1Cはn型MOSトランジスタQn1より高いしきい電圧を有する。
この低電力セルは、待機モードにおいて、入力ノードI1にローレベル、入力ノードI2にハイレベルの信号を入力し、n型MOSトランジスタQn1Cがオフ状態になる。そのため、待機モード時の電源電流は、オフ状態のn型MOSトランジスタQn1Cに流れる僅かなリーク電流に抑えられる。
The low power cell shown in FIG. 5B is obtained by replacing the n-type MOS transistor Qn1 in the normal cell shown in FIG. 2 with an n-type MOS transistor Qn1C.
N-type MOS transistor Qn1C receives a substrate bias voltage from input node BSn. The substrate bias voltage is adjusted in the negative direction (the direction in which the potential is lower than that of the ground line G) compared to the n-type MOS transistor Qn1, and therefore the n-type MOS transistor Qn1C is higher than the n-type MOS transistor Qn1. Has a threshold voltage.
In the standby mode, the low power cell inputs a low level signal to the input node I1 and a high level signal to the input node I2, and the n-type MOS transistor Qn1C is turned off. Therefore, the power supply current in the standby mode can be suppressed to a slight leak current flowing through the n-type MOS transistor Qn1C in the off state.

図5(C)に示す低電力セルは、図2に示す通常セルにおけるp型MOSトランジスタQp1およびQp2を、p型MOSトランジスタQp1CおよびQp2Cにそれぞれ置き換えたものである。
p型MOSトランジスタQp1CおよびQp2Cは、基板バイアス電圧を入力ノードBSpから入力する。この基板バイアス電圧は、p型MOSトランジスタQp1およびQp2と比較して正方向(電源ラインVDDより電位を高くする方向)に調節されており、そのため、p型MOSトランジスタQp1CおよびQp2Cはp型MOSトランジスタQp1およびQp2より高いしきい電圧を有する。
この低電力セルは、待機モードにおいて、入力ノードI1およびI2にハイレベルの信号を入力し、p型MOSトランジスタQp1CおよびQp2Cが共にオフ状態になる。そのため、待機モード時の電源電流は、オフ状態のp型MOSトランジスタQp1CおよびQp2Cに流れる僅かなリーク電流に抑えられる。
The low power cell shown in FIG. 5C is obtained by replacing the p-type MOS transistors Qp1 and Qp2 in the normal cell shown in FIG. 2 with p-type MOS transistors Qp1C and Qp2C, respectively.
P-type MOS transistors Qp1C and Qp2C receive a substrate bias voltage from input node BSp. The substrate bias voltage is adjusted in the positive direction (the direction in which the potential is made higher than the power supply line VDD) as compared with p-type MOS transistors Qp1 and Qp2. Therefore, p-type MOS transistors Qp1C and Qp2C are p-type MOS transistors. Has a threshold voltage higher than Qp1 and Qp2.
In the low power cell, a high-level signal is input to input nodes I1 and I2 in the standby mode, and both p-type MOS transistors Qp1C and Qp2C are turned off. Therefore, the power supply current in the standby mode is suppressed to a slight leak current flowing through the p-type MOS transistors Qp1C and Qp2C in the off state.

以上述べたように、本実施形態によれば、入出力信号のレベルが待機モード時の所定のレベルを有するとき、入出力信号が他のレベルを有するときと比べて電源電流が小さくなるように、低電力セルの回路が構成されている。
そのため、低電力セルの電源電流を待機モード時に最も小さくすることが可能になり、その結果、回路セルの外部にリーク電流を遮断する電源スイッチを設けることなく、待機モード時の消費電力を抑えることが可能になる。
回路セルの外部にリーク電流遮断用の電源スイッチを設けなくて良いことから、電源スイッチのレイアウト設計が不要になり、設計作業の負担を軽減できる。
また、電源スイッチの電圧降下に起因するシミュレーション誤差がなくなるため、半導体集積回路の全体の特性をシミュレーションによって精度良く検証することが可能になる。
As described above, according to the present embodiment, when the level of the input / output signal has a predetermined level in the standby mode, the power supply current is made smaller than when the input / output signal has another level. A low power cell circuit is configured.
As a result, the power supply current of the low-power cell can be minimized in the standby mode. As a result, the power consumption in the standby mode can be suppressed without providing a power switch that cuts off the leakage current outside the circuit cell. Is possible.
Since there is no need to provide a power switch for interrupting leakage current outside the circuit cell, the layout design of the power switch becomes unnecessary, and the burden of design work can be reduced.
In addition, since the simulation error due to the voltage drop of the power switch is eliminated, the entire characteristics of the semiconductor integrated circuit can be accurately verified by simulation.

また、本実施形態の低電力セルでは、電源ラインと接地ラインとの間の電流経路上に挿入され、かつ、セルの入力から出力へ信号を伝播する信号経路上に挿入されるトランジスタのうち、待機モード時にオフ状態になるトランジスタの一部もしくは全部を、低リーク電流トランジスタに置き換えても良い。
これにより、待機モード時の電源電流を、低リーク電流トランジスタの微小なリーク電流に抑えることができる。
また、電源スイッチ用の低リーク電流トランジスタをセルの内部に設ける構成と比較して、信号の伝播に寄与しない無駄なトランジスタを追加せずに済むため、回路面積を抑えることができる。
更に、電源スイッチ用トランジスタのオンオフを制御する回路が不要になるため、この点でも回路面積を抑えることができる。
Further, in the low power cell of this embodiment, among the transistors inserted on the current path between the power supply line and the ground line and inserted on the signal path that propagates the signal from the input to the output of the cell, Some or all of the transistors that are turned off in the standby mode may be replaced with low-leakage current transistors.
Thereby, the power supply current in the standby mode can be suppressed to a minute leak current of the low leak current transistor.
In addition, as compared with a configuration in which a low-leakage current transistor for a power switch is provided inside the cell, it is not necessary to add a useless transistor that does not contribute to signal propagation, so that the circuit area can be suppressed.
Further, since a circuit for controlling on / off of the power switch transistor is not necessary, the circuit area can be reduced in this respect.

なお、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、種々のバリエーションを含む。   In addition, this invention is not limited only to the above-mentioned embodiment, Various variations are included.

例えば、上述の実施形態では通常セルと低電力セルとを含む半導体集積回路を示したが、これに限らず、低電力セルのみで全ての回路ブロックを構成しても良い。   For example, in the above-described embodiment, the semiconductor integrated circuit including the normal cell and the low power cell is shown. However, the present invention is not limited to this, and all circuit blocks may be configured only by the low power cell.

上述の実施形態では同一導電型のトランジスタに異なる2種類のトランジスタ(通常トランジスタ、低リーク電流トランジスタ)を持つ例について示したが、これに限らず、3以上の種類のトランジスタを持つことも可能である。
例えば、高速性を要求される回路セルに、通常トランジスタと低リーク電流トランジスタの中間のリーク電流特性を持つトランジスタを用いることにより、要求される動作速度を満たしつつ、待機モード時の消費電力を削減することが可能になる。
In the above-described embodiment, an example in which two different types of transistors (normal transistor, low leakage current transistor) are provided in the same conductivity type transistor is shown. However, the present invention is not limited to this, and it is possible to have three or more types of transistors. is there.
For example, by using a transistor with a leakage current characteristic between a normal transistor and a low leakage current transistor in a circuit cell that requires high speed, power consumption in standby mode is reduced while satisfying the required operating speed. It becomes possible to do.

上述の実施形態ではCMOS型の半導体集積回路を例として示したが、本発明はこれに限定されず、他の種々のタイプの半導体集積回路にも適用可能である。   In the above-described embodiment, a CMOS type semiconductor integrated circuit has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to other various types of semiconductor integrated circuits.

また、通常セルおよび低リーク電流セルの設計情報は、ゲートレベルの論理合成やレイアウト設計を自動的に実行するCAD装置において利用できるように、それぞれをライブラリ化することが可能である。すなわち、通常セルのライブラリと低リーク電流セルのライブラリをそれぞれ独立に設けて、これをCAD装置に読み込ませても良い。これにより、従来の設計環境を用いながら、論理合成やレイアウト設計を容易に自動化することができる。   Further, the design information of the normal cell and the low leakage current cell can be made into a library so that it can be used in a CAD device that automatically executes gate-level logic synthesis and layout design. That is, a library of normal cells and a library of low leakage current cells may be provided independently and read by the CAD device. Thereby, logic synthesis and layout design can be easily automated while using a conventional design environment.

本発明の実施形態に係る半導体集積回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the semiconductor integrated circuit which concerns on embodiment of this invention. NAND演算を行う通常セルの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the normal cell which performs NAND operation. NAND演算を行う低電力セルの構成例を示す第1の図である。It is a 1st figure which shows the structural example of the low power cell which performs NAND operation. NAND演算を行う低電力セルの構成例を示す第2の図である。It is a 2nd figure which shows the structural example of the low power cell which performs NAND operation. NAND演算を行う低電力セルの構成例を示す第3の図である。It is a 3rd figure which shows the structural example of the low power cell which performs NAND operation.

符号の説明Explanation of symbols

1…半導体集積回路、2〜4…回路ブロック、Qn1,Qn1A,Qn1B,Qn1C,Qn2,Qn2A,Qn2B,Qn2C…n型MOSトランジスタ、Qp1,Qp1A,Qp1B,Qp1C,Qp2,Qp2A,Qp2B,Qp2C…p型MOSトランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor integrated circuit, 2-4 ... Circuit block, Qn1, Qn1A, Qn1B, Qn1C, Qn2, Qn2A, Qn2B, Qn2C ... N-type MOS transistor, Qp1, Qp1A, Qp1B, Qp1C, Qp2, Qp2A, Qp2B, Qp2C ... p-type MOS transistor

Claims (5)

待機モードにおいて動作を停止させる回路セルを有する半導体集積回路であって、
上記回路セルは、入出力信号のレベルが上記待機モード時の所定のレベルを有するとき、上記入出力信号が他のレベルを有するときと比べて、電源ラインから接地ラインへ流れる電源電流が小さくなるように構成される、
半導体集積回路。
A semiconductor integrated circuit having a circuit cell that stops operation in a standby mode,
In the circuit cell, when the level of the input / output signal has a predetermined level in the standby mode, the power supply current flowing from the power supply line to the ground line becomes smaller than when the input / output signal has another level. Configured as
Semiconductor integrated circuit.
導電型が等しくリーク電流特性が異なる少なくとも2種類のトランジスタを有し、
上記回路セルは、上記2種類のうちリーク電流が小さい種類のトランジスタであって、上記電源ラインと上記接地ラインとの間の電流経路上に挿入されるとともに、入力から出力へ信号を伝播する信号経路上に挿入されており、上記待機モード時にオフ状態になるトランジスタを含む、
請求項1に記載の半導体集積回路。
Having at least two types of transistors having the same conductivity type and different leakage current characteristics;
The circuit cell is a transistor of a type having a small leakage current among the two types, and is a signal that is inserted on a current path between the power supply line and the ground line and that propagates a signal from the input to the output Including a transistor that is inserted on the path and is turned off in the standby mode,
The semiconductor integrated circuit according to claim 1.
上記リーク電流が小さい種類のトランジスタは、他の種類のトランジスタと比較して長いチャネル長を持つ、ゲート絶縁型電界効果トランジスタである、
請求項2に記載の半導体集積回路。
The type of transistor having a small leakage current is a gate-insulated field effect transistor having a longer channel length than other types of transistors.
The semiconductor integrated circuit according to claim 2.
上記リーク電流が小さい種類のトランジスタは、他の種類のトランジスタと比較して高いしきい電圧を持つ、
請求項2に記載の半導体集積回路。
The type of transistor with a small leakage current has a higher threshold voltage than other types of transistors.
The semiconductor integrated circuit according to claim 2.
上記リーク電流が小さい種類のトランジスタは、他の種類のトランジスタと比較してしきい電圧を大きくし得る基板バイアス電圧を入力するための基板バイアス電圧入力ノードを備える、ゲート絶縁型電界効果トランジスタである、
請求項2に記載の半導体集積回路。

The type of transistor having a small leakage current is a gate-insulated field effect transistor having a substrate bias voltage input node for inputting a substrate bias voltage that can increase the threshold voltage as compared with other types of transistors. ,
The semiconductor integrated circuit according to claim 2.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113767466A (en) * 2019-04-25 2021-12-07 株式会社索思未来 Semiconductor device with a plurality of semiconductor chips

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