JP2007165618A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a semiconductor device having a body potential control function which can achieve high speed operation and suppression of standby power through relatively simple circuitry. <P>SOLUTION: In a circuit 1 for controlling the body potential of a PMOS transistor Q21 and an NMOS transistor Q22 in a control object logical circuit 6, a PMOS transistor Q1 has a source electrode connected with a power supply VDD, a drain electrode or a node N1 connected with the body terminal of the PMOS transistor Q21, and a gate electrode receiving an inversion standby signal bar STB; and an NMOS transistor Q2 has a grounded source electrode, a drain electrode or a node N2 connected with the body terminal of the NMOS transistor Q22, and a gate electrode receiving a standby signal STB. Between the nodes N1 and N2, a transfer gate TF1 is inserted receiving the inversion standby signal bar STB and the standby signal STB at the MOS gate and the PMOS gate. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、MOSトランジスタを用いた論理回路を制御対象として、MOSトランジスタのボディ電位制御機能を備えた半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having a body potential control function of a MOS transistor with a logic circuit using the MOS transistor as a control target.

「MOS」という用語は、古くは金属/酸化物/半導体の積層構造に用いられており、Metal-Oxide-Semiconductorの頭文字を採ったものとされている。しかしながら特にMOS構造を有する電界効果トランジスタ(以下、単に「MOSトランジスタ」と称す)においては、近年の集積化や製造プロセスの改善などの観点からゲート絶縁膜やゲート電極の材料が改善されている。   The term “MOS” has been used in the past for metal / oxide / semiconductor laminated structures, and is taken from the acronym Metal-Oxide-Semiconductor. However, in particular, in a field effect transistor having a MOS structure (hereinafter, simply referred to as “MOS transistor”), materials for a gate insulating film and a gate electrode have been improved from the viewpoint of recent integration and improvement of a manufacturing process.

例えばMOSトランジスタにおいては、主としてソース・ドレインを自己整合的に形成する観点から、ゲート電極の材料として金属の代わりに多結晶シリコンが採用されてきている。また電気的特性を改善する観点から、ゲート絶縁膜の材料として高誘電率の材料が採用されるが、当該材料は必ずしも酸化物には限定されない。   For example, in a MOS transistor, polycrystalline silicon has been adopted instead of metal as a material for a gate electrode mainly from the viewpoint of forming a source / drain in a self-aligned manner. From the viewpoint of improving electrical characteristics, a material having a high dielectric constant is adopted as a material for the gate insulating film, but the material is not necessarily limited to an oxide.

従って「MOS」という用語は必ずしも金属/酸化物/半導体の積層構造のみに限定されて採用されているわけではなく、本明細書でもそのような限定を前提としない。即ち、技術常識に鑑みて、ここでは「MOS」とはその語源に起因した略語としてのみならず、広く導電体/絶縁体/半導体の積層構造をも含む意義を有する。   Therefore, the term “MOS” is not necessarily limited to the metal / oxide / semiconductor stacked structure, and is not presumed in this specification. That is, in view of common technical knowledge, the term “MOS” as used herein is not only an abbreviation derived from the word source, but also broadly includes a laminated structure of a conductor / insulator / semiconductor.

図15は従来の動的ボディ電位制御方法であるDTMOS(Dynamic Threshold voltage MOS)回路の構成を示す回路図である。DTMOS回路は例えば非特許文献1で開示されている。   FIG. 15 is a circuit diagram showing a configuration of a DTMOS (Dynamic Threshold Voltage MOS) circuit which is a conventional dynamic body potential control method. A DTMOS circuit is disclosed in Non-Patent Document 1, for example.

同図に示すように、電源VDD,接地間に直列に設けられるPMOSトランジスタQ51,NMOSトランジスタQ52によりCMOSインバータを構成する。PMOSトランジスタQ51のゲート電極及びボディ端子並びにNMOSトランジスタQ52のゲート電極及びボディ端子は共に入力端子P1に電気的に接続され、PMOSトランジスタQ51のドレイン(NMOSトランジスタQ52のドレイン)が出力端子P0となる。   As shown in the figure, a CMOS inverter is constituted by a PMOS transistor Q51 and an NMOS transistor Q52 provided in series between a power supply VDD and the ground. The gate electrode and body terminal of the PMOS transistor Q51 and the gate electrode and body terminal of the NMOS transistor Q52 are both electrically connected to the input terminal P1, and the drain of the PMOS transistor Q51 (the drain of the NMOS transistor Q52) becomes the output terminal P0.

上記のように、DTMOS回路とはMOSトランジスタQ21,Q22のゲート電極,ボディ端子間を共通に接続することにより、ボディ電位をゲート信号で制御するようにしている。したがって、ゲート信号に同期してボディ電位を制御することがきるため、ON状態時のMOSトランジスタのボディ領域(ソース領域とドレイン領域に挟まれた領域)に対し順バイアスとなるボディ電位を印加し、閾値電圧Vthを下げることにより高速化を図っている。一方、オフ状態時のMOSトランジスタの閾値電圧Vthは順バイアスとなるボディ電位は印加されないため、閾値電圧Vthを低下させることはない。したがって、オフ状態時のMOSトランジスタはリーク電流を増加させることなく、オン状態時のMOSトランジスタの高速動作を可能にしている。   As described above, the body potential is controlled by the gate signal by connecting the gate electrodes and body terminals of the MOS transistors Q21 and Q22 in common with the DTMOS circuit. Therefore, since the body potential can be controlled in synchronization with the gate signal, a body potential that becomes a forward bias is applied to the body region (region sandwiched between the source region and the drain region) of the MOS transistor in the ON state. The speed is increased by lowering the threshold voltage Vth. On the other hand, the threshold voltage Vth of the MOS transistor in the off state is not applied with the body potential that becomes a forward bias, and therefore the threshold voltage Vth is not lowered. Therefore, the MOS transistor in the off state enables high-speed operation of the MOS transistor in the on state without increasing the leakage current.

図16はチャージポンプ回路等を用いて論理回路のボディ電位を制御するVTCMOS(Variable Threshold voltage CMOS) 回路の構成を示す回路図である。VTCMOS回路は例えば非特許文献2に開示されている。   FIG. 16 is a circuit diagram showing the configuration of a VTCMOS (Variable Threshold Voltage CMOS) circuit that controls the body potential of the logic circuit using a charge pump circuit or the like. A VTCMOS circuit is disclosed in Non-Patent Document 2, for example.

同図に示すように、電源VDD,接地間に直列に設けられるPMOSトランジスタQ51,NMOSトランジスタQ52によりCMOSインバータを構成する。PMOSトランジスタQ51のゲート電極及びNMOSトランジスタQ52のゲート電極が入力端子P1となり、PMOSトランジスタQ51のドレイン(NMOSトランジスタQ52のドレイン)が出力端子P0となる。   As shown in the figure, a CMOS inverter is constituted by a PMOS transistor Q51 and an NMOS transistor Q52 provided in series between a power supply VDD and the ground. The gate electrode of the PMOS transistor Q51 and the gate electrode of the NMOS transistor Q52 become the input terminal P1, and the drain of the PMOS transistor Q51 (the drain of the NMOS transistor Q52) becomes the output terminal P0.

そして、PMOSトランジスタQ51及びNMOSトランジスタQ52のボディ電位が制御回路51によって制御される。すなわち、制御回路51は待機状態時にはスタンバイ電圧VPSをPMOSトランジスタQ51のボディ端子に印加すると共に、スタンバイ電圧VNSをNMOSトランジスタQ52のボディ端子に印加する。そして、制御回路51は、動作状態時にはアクティブ電圧VPAをPMOSトランジスタQ51のボディ端子に印加し、アクティブ電圧VNAをNMOSトランジスタQ52のボディ端子に印加する。   The body potentials of the PMOS transistor Q51 and the NMOS transistor Q52 are controlled by the control circuit 51. That is, the control circuit 51 applies the standby voltage VPS to the body terminal of the PMOS transistor Q51 and also applies the standby voltage VNS to the body terminal of the NMOS transistor Q52 in the standby state. The control circuit 51 applies the active voltage VPA to the body terminal of the PMOS transistor Q51 and applies the active voltage VNA to the body terminal of the NMOS transistor Q52 when in the operating state.

スタンバイ電圧VPS及びVNSはPMOSトランジスタQ51及びNMOSトランジスタQ52のPN接合部が逆バイアス状態になる電圧に、アクティブ電圧VPA及びVNAはPMOSトランジスタQ51及びNMOSトランジスタQ52のPN接合部が順バイアス状態となる電圧にそれぞれ設定される。   The standby voltages VPS and VNS are voltages at which the PN junction of the PMOS transistor Q51 and the NMOS transistor Q52 is in a reverse bias state, and the active voltages VPA and VNA are voltages at which the PN junction of the PMOS transistor Q51 and the NMOS transistor Q52 are in a forward bias state. Respectively.

このように、VTCMOS回路の制御回路51は、制御対象となるMOSトランジスタをブロック単位で待機状態と動作状態とを切り替えている。すなわち、制御回路51は、待機状態時にはボディ端子に逆バイアスとなるスタンバイ電圧を印加することにより、MOSトランジスタの閾値電圧Vthを高めてリーク電流を削減し、動作状態時にボディ端子に順バイアスとなるアクティブ電圧を印加することこにより、閾値電圧Vthを減少させることにより高速化を実現している。   As described above, the control circuit 51 of the VTCMOS circuit switches the MOS transistor to be controlled between the standby state and the operation state in units of blocks. That is, the control circuit 51 applies a standby voltage that is reversely biased to the body terminal in the standby state, thereby increasing the threshold voltage Vth of the MOS transistor to reduce the leakage current, and the body terminal is forward biased in the operating state. By applying the active voltage, the threshold voltage Vth is reduced, thereby realizing high speed.

回路を高速に動作させるためには、MOSトランジスタの閾値電圧Vthを低下させることが有効であるが、閾値電圧Vthの低下によりリーク電流は指数的に増加する。リーク電流は回路の動作の有無に関わらず常に流れるため、低い閾値電圧Vthの回路では待機電力が増大する問題があった。   In order to operate the circuit at high speed, it is effective to reduce the threshold voltage Vth of the MOS transistor, but the leakage current increases exponentially as the threshold voltage Vth decreases. Since the leak current always flows regardless of the operation of the circuit, there is a problem that standby power increases in a circuit with a low threshold voltage Vth.

上述したDTMOS回路及びVTCMOS回路は、動作状態時にのみ閾値電圧Vthを下げることができるため、待機電力を増加させず回路の高速化が可能であった。   In the DTMOS circuit and the VTCMOS circuit described above, the threshold voltage Vth can be lowered only in the operating state, so that the speed of the circuit can be increased without increasing standby power.

F.Assaderaghi, el al.,"Dynamic threshold voltage MOSFET(DTMOS) for ultra-low volage opeation,"1994 IEDM,pp.809-812,1994.F. Assaderaghi, el al., "Dynamic threshold voltage MOSFET (DTMOS) for ultra-low volage opeation," 1994 IEDM, pp. 809-812, 1994. T.Kuroda, el al.,"A 0.9V 150MHz 10mW 4mm2 2-D Discrete Cosine Transform Core Processor with Variable Threshold-Voltage(VT) scheme,"IEEE Journal of Solid-State Circuit, vol. 31,no. 11,pp.170-1779,Nov.1996.)T. Kuroda, el al., "A 0.9V 150MHz 10mW 4mm2 2-D Discrete Cosine Transform Core Processor with Variable Threshold-Voltage (VT) scheme," IEEE Journal of Solid-State Circuit, vol. 31, no. 11, (pp.170-1779, Nov. 1996.)

DTMOS回路ではゲート電極とボディ端子が接続されているため、負荷容量が増加するといった問題が存在する。また、電源(電圧)VDDが0.6V以上になるとボディ・ソース間のPN接合に順方向の電流が流れるため、電源Vddが0.6V以上の回路では、図17に示すように、ボディ端子にかかる電圧を制限するための補助トランジスタが余分に必要となる問題も生じる。   In the DTMOS circuit, since the gate electrode and the body terminal are connected, there is a problem that the load capacity increases. Further, when the power supply (voltage) VDD becomes 0.6V or more, a forward current flows through the PN junction between the body and the source. Therefore, in a circuit where the power supply Vdd is 0.6V or more, as shown in FIG. There arises a problem that an additional auxiliary transistor for limiting the voltage applied to the transistor is required.

図17に示すように、補助トランジスタとしてPMOSトランジスタQ35及びNMOSトランジスタQ36が設けられる。PMOSトランジスタQ35はPMOSトランジスタQ51のボディ端子と入力端子P1との間に介挿され、ゲート電極が接地される。一方、NMOSトランジスタQ36はNMOSトランジスタQ52のボディ端子と入力端子P1との間に介挿され、ゲート電極が電源Vddに接続される。   As shown in FIG. 17, a PMOS transistor Q35 and an NMOS transistor Q36 are provided as auxiliary transistors. The PMOS transistor Q35 is interposed between the body terminal of the PMOS transistor Q51 and the input terminal P1, and the gate electrode is grounded. On the other hand, the NMOS transistor Q36 is interposed between the body terminal of the NMOS transistor Q52 and the input terminal P1, and the gate electrode is connected to the power supply Vdd.

したがって、PMOSトランジスタQ35及びNMOSトランジスタQ36の閾値電圧を共にVthとすると、入力端子P1に“H”(VDD)が印加された場合にNMOSトランジスタQ52のボディ電位を(Vdd−Vth)にバイアスし、入力端子P1に“L”(GNDD)が印加された場合にPMOSトランジスタQ51のボディ電位をVthにバイアスすることにより、電源(電圧)VDDが0.6V以上になっても、0.6V+Vthを下回れば、ボディ・ソース間のPN接合に順方向の電流が流れないようにすることができる。   Accordingly, if the threshold voltages of the PMOS transistor Q35 and the NMOS transistor Q36 are both Vth, the body potential of the NMOS transistor Q52 is biased to (Vdd−Vth) when “H” (VDD) is applied to the input terminal P1. By biasing the body potential of the PMOS transistor Q51 to Vth when “L” (GNDD) is applied to the input terminal P1, even if the power supply (voltage) VDD becomes 0.6V or more, it can be lower than 0.6V + Vth. For example, a forward current can be prevented from flowing through the PN junction between the body and the source.

一方、VTCMOS回路では、PMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタ用のスタンバイ電圧及びアクティブ電圧として、互いに4種類の電圧を発生させる必要があった。複数種の電圧を発生させる手段として、チャージポンプ回路を設けることが考えられる。チャージポンプ回路は比較的複雑な回路構成と呈しており、また、ボディ電位設定用の電圧を発生させるまでにμsオーダーの時間が必要であり、回路の付加により面積も増大する問題点があった。   On the other hand, in the VTCMOS circuit, it is necessary to generate four kinds of voltages as the standby voltage and the active voltage for the PMOS transistor and the NMOS transistor. It is conceivable to provide a charge pump circuit as means for generating a plurality of types of voltages. The charge pump circuit has a relatively complicated circuit configuration, and it takes a time of μs order to generate a voltage for setting the body potential, and there is a problem that the area increases due to the addition of the circuit. .

複数種の電圧を発生させる別の手段として、4種の電源を用意する構成が考えられる。この場合、数クロック以内で電圧制御が可能となるが、電源供給部等の付加回路が必要とされる問題点があった。   As another means for generating a plurality of types of voltages, a configuration in which four types of power supplies are prepared can be considered. In this case, voltage control is possible within several clocks, but there is a problem that an additional circuit such as a power supply unit is required.

この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、チャージポンプ回路等の複雑な付加回路やボディ電位制御用の別電源を必要とすることがない比較的簡単な回路構成で、高速化及び待機電力の抑制が実現可能なボディ電位制御機能を有する半導体装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has a relatively simple circuit configuration that does not require a complicated additional circuit such as a charge pump circuit or a separate power source for body potential control, and is speeded up. An object of the present invention is to obtain a semiconductor device having a body potential control function capable of suppressing standby power.

この発明に係る請求項1記載の半導体記憶装置は、所定の基板上に形成され、ソース領域とドレイン領域に挟まれたボディ領域の電位の個別設定が可能な少なくとも1つのMOSトランジスタを有する論理ゲートを含む制御対象論理回路と、前記所定の基板上に形成され、前記少なくとも一つのMOSトランジスタのボディ領域の電位を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、一方端が第1の電源電圧が供給される第1の電源線に接続され、他方端が第1のノードに接続される第1のスイッチング手段と、一方端が前記第1の電源電圧より低い第2の電源電圧が供給される第2の電源線に接続され、他方端が第2のノードに接続される第2のスイッチング手段とを備え、前記少なくとも一つのMOSトランジスタのボディ領域は前記第1及び第2のノードのうちの一方に電気的に接続され、前記第1及び第2のノード間に介挿される第3のスイッチング手段をさらに備え、前記制御回路は、前記制御対象論理回路の待機状態時に前記第1及び第2のスイッチング手段をオン状態、前記第3のスイッチング手段をオフ状態に設定して、前記第1及び第2のノードを前記第1及び第2の電源に電気的に接続する第1の制御動作を実行し、前記制御対象論理回路の動作状態時に前記第1及び第2のスイッチング手段をオフ状態、前記第3のスイッチング手段をオン状態に設定する第2の制御動作を実行し、前記少なくとも一つのMOSトランジスタは、前記第2の制御動作時の状態は前記第1の制御動作時の状態に比べ、前記ソース領域と前記ボディ領域とのPN接合部における順バイアス度合が高い。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor memory device including a logic gate having at least one MOS transistor formed on a predetermined substrate and capable of individually setting a potential of a body region sandwiched between a source region and a drain region. And a control circuit that is formed on the predetermined substrate and that controls the potential of the body region of the at least one MOS transistor, the control circuit having a first power supply voltage at one end Is connected to the first power supply line, the other end is connected to the first node, and the other end is supplied with the second power supply voltage lower than the first power supply voltage. Second switching means connected to the second power supply line and having the other end connected to the second node, and the body region of the at least one MOS transistor is the second switching means. And a third switching means electrically connected to one of the first and second nodes and interposed between the first and second nodes, the control circuit waiting for the control target logic circuit The first and second switching means are set to an on state and the third switching means is set to an off state in a state, and the first and second nodes are electrically connected to the first and second power sources. A second control operation that executes a first control operation to be connected and sets the first and second switching means to an OFF state and the third switching means to an ON state when the control target logic circuit is in an operation state The at least one MOS transistor has a state in the PN junction portion between the source region and the body region in the state during the second control operation as compared with the state during the first control operation. Bias degree is high.

この発明における請求項1記載の本願発明は、制御対象論理回路内の少なくとも一つのMOSトランジスタに関し、待機状態時に行われる第1の制御動作時の状態は第2の制御動作時の状態に比べ、ソース領域とボディ領域とのPN接合部における順バイアス度合が低いため、待機状態における上記少なくとも一つのMOSトランジスタに流れるリーク電流を効果的に抑制することができる。   The present invention according to claim 1 of the present invention relates to at least one MOS transistor in the logic circuit to be controlled, and the state during the first control operation performed in the standby state is compared with the state during the second control operation, Since the forward bias degree at the PN junction between the source region and the body region is low, the leakage current flowing through the at least one MOS transistor in the standby state can be effectively suppressed.

一方、動作状態時に行われる第2の制御動作時の状態は第1の制御動作時の状態に比べ、上記PN接合部における順バイアス度合が高いため、動作状態における上記少なくとも一つのMOSトランジスタのスイッチング動作の高速化を図ることができる。   On the other hand, since the forward bias degree in the PN junction is higher in the second control operation state performed in the operation state than in the first control operation state, the switching of the at least one MOS transistor in the operation state is performed. The operation can be speeded up.

加えて、動作状態のボディ電位設定用の電源供給を必要とせず、一般的に用いられる第1及び第2の電源のみで構成している分、比較的簡単な回路構成で実現することができる。   In addition, it does not require power supply for setting the body potential in the operating state, and can be realized with a relatively simple circuit configuration because it is configured only by the first and second power sources that are generally used. .

<実施の形態1>
図1はこの発明の実施の形態1である電荷再利用型動的ボディ電位制御機能を有する、半導体装置の回路構成を回路図である。
<Embodiment 1>
1 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a semiconductor device having a charge recycle type dynamic body potential control function according to Embodiment 1 of the present invention.

同図に示すように、実施の形態1の半導体装置は、SOI基板あるいはバルク基板上(共に図1では図示せず)に形成される制御対象論理回路6と制御回路1とを備えている。   As shown in the figure, the semiconductor device of the first embodiment includes a control target logic circuit 6 and a control circuit 1 formed on an SOI substrate or a bulk substrate (both not shown in FIG. 1).

制御対象論理回路6はPMOSトランジスタQ21及びNMOSトランジスタQ22を有し、電源VDD,接地間に直列に設けられるPMOSトランジスタQ21,NMOSトランジスタQ22はCMOSインバータを構成する。PMOSトランジスタQ21のゲート電極及びNMOSトランジスタQ22のゲート電極が共通に接続されて入力端子P1となり、PMOSトランジスタQ21のドレイン(NMOSトランジスタQ22のドレイン)が出力端子P0となる。   The control target logic circuit 6 includes a PMOS transistor Q21 and an NMOS transistor Q22. The PMOS transistor Q21 and the NMOS transistor Q22 provided in series between the power supply VDD and the ground constitute a CMOS inverter. The gate electrode of the PMOS transistor Q21 and the gate electrode of the NMOS transistor Q22 are connected in common to serve as the input terminal P1, and the drain of the PMOS transistor Q21 (the drain of the NMOS transistor Q22) serves as the output terminal P0.

制御回路1は、PMOSトランジスタQ1(第1のスイッチング手段)、NMOSトランジスタQ2(第2のスイッチング手段)及びトランスファゲートTF1(第3のスイッチング手段)から構成される。PMOSトランジスタQ1はソース電極が電源VDD(正確には後述する電源電圧Vddが供給される第1の電源線)に接続され、ドレイン電極であるノードN1(第1のノード)がPMOSトランジスタQ21のボディ端子に接続され、ゲート電極に反転スタンバイ信号バーSTBを受ける。   The control circuit 1 includes a PMOS transistor Q1 (first switching means), an NMOS transistor Q2 (second switching means), and a transfer gate TF1 (third switching means). The PMOS transistor Q1 has a source electrode connected to a power supply VDD (more precisely, a first power supply line to which a power supply voltage Vdd described later) is supplied, and a drain electrode node N1 (first node) is the body of the PMOS transistor Q21. The inverted standby signal bar STB is received at the gate electrode.

一方、NMOSトランジスタQ2はソース電極が接地され(正確には後述するGNDレベル(<VDD)が供給される第2の電源線に接続され)、ドレイン電極であるノードN2(第2のノード)がNMOSトランジスタQ22のボディ端子に接続され、ゲート電極にスタンバイ信号STBを受ける。そして、ノードN1,N2間にトランスファゲートTF1が介挿され、トランスファゲートTF1のNMOSゲートに反転スタンバイ信号バーSTBを受け、PMOSゲートにスタンバイ信号STBを受ける。   On the other hand, the source electrode of the NMOS transistor Q2 is grounded (more precisely, it is connected to a second power supply line to which a later-described GND level (<VDD) is supplied), and a node N2 (second node) as a drain electrode is connected. The NMOS transistor Q22 is connected to the body terminal and receives a standby signal STB at its gate electrode. A transfer gate TF1 is inserted between the nodes N1 and N2. The NMOS gate of the transfer gate TF1 receives the inverted standby signal bar STB and the PMOS gate receives the standby signal STB.

図2はPMOSトランジスタQ21,NMOSトランジスタQ22の断面構造を示す断面図である。同図に示すように、半導体基板11上に埋込絶縁膜12が形成され、埋込絶縁膜12上にSOI層13が形成される。したがって、半導体基板11、埋込絶縁膜12及びSOI層13によってSOI基板が構成される。   FIG. 2 is a sectional view showing a sectional structure of the PMOS transistor Q21 and the NMOS transistor Q22. As shown in the figure, a buried insulating film 12 is formed on a semiconductor substrate 11, and an SOI layer 13 is formed on the buried insulating film 12. Therefore, the semiconductor substrate 11, the buried insulating film 12 and the SOI layer 13 constitute an SOI substrate.

SOI層13を貫通する分離絶縁膜20によって、SOI層13はPMOS形成領域25とNMOS形成領域26とに分離され、PMOS形成領域25にP型のPMOSソース領域14s、N型のPMOSボディ領域14b及びP型のPMOSドレイン領域14dがそれぞれ選択的に形成される。そして、PMOSボディ領域14b上においてゲート絶縁膜16を介してゲート電極17が形成され、PMOSソース領域14sに電源配線27が設けられ。電源配線27に電源VDDが接続される。   The isolation insulating film 20 that penetrates the SOI layer 13 separates the SOI layer 13 into a PMOS formation region 25 and an NMOS formation region 26. The PMOS formation region 25 includes a P-type PMOS source region 14s and an N-type PMOS body region 14b. And a P-type PMOS drain region 14d are selectively formed. A gate electrode 17 is formed on the PMOS body region 14b via the gate insulating film 16, and a power supply wiring 27 is provided in the PMOS source region 14s. A power supply VDD is connected to the power supply wiring 27.

一方、NMOS形成領域26にN型のNMOSソース領域15s、P型のNMOSボディ領域15b及びN型のNMOSドレイン領域15dがそれぞれ選択的に形成される。そして、NMOSボディ領域15b上にゲート絶縁膜18を介してゲート電極19が形成され、NMOSソース領域15sに接地配線28が設けられ、接地配線28は接地される。PMOSドレイン領域14d及びNMOSドレイン領域15dとが配線29を介して出力端子P0に接続され、ゲート電極17及びゲート電極19が配線30を介して入力端子P1に接続される。   On the other hand, an N-type NMOS source region 15s, a P-type NMOS body region 15b, and an N-type NMOS drain region 15d are selectively formed in the NMOS formation region 26, respectively. A gate electrode 19 is formed on the NMOS body region 15b via the gate insulating film 18, a ground wiring 28 is provided in the NMOS source region 15s, and the ground wiring 28 is grounded. The PMOS drain region 14d and the NMOS drain region 15d are connected to the output terminal P0 through the wiring 29, and the gate electrode 17 and the gate electrode 19 are connected to the input terminal P1 through the wiring 30.

図3は実施の形態1の半導体装置のボディ電位制御動作を示すタイミング図である。なお、同図において、VbpはPMOSトランジスタQ21のPMOSボディ電位Vbpを意味し、VbnはNMOSトランジスタQ22のNMOSボディ電位、GNDは接地レベルを意味する。   FIG. 3 is a timing chart showing the body potential control operation of the semiconductor device of the first embodiment. In the figure, Vbp means the PMOS body potential Vbp of the PMOS transistor Q21, Vbn means the NMOS body potential of the NMOS transistor Q22, and GND means the ground level.

以下、図3を参照して、実施の形態1の半導体装置のボディ電位制御動作を説明する。制御対象論理回路6が非活性状態に対応する待機状態時であるスタンバイ期間T1においてにスタンバイ信号STBを“1”(Vdd)(反転スタンバイ信号バーSTB=“0”(GND))に設定する。すると、待機状態用トランジスタであるPMOSトランジスタQ1及びNMOSトランジスタQ2は共にオン状態となり、トランスファゲートTF1(のNMOSゲート及びPMOSゲート)はオフ状態となり、ノードN1がPMOSトランジスタQ1を介して電源VDDに電気的に接続され、ノードN2がNMOSトランジスタQ2を介して接地される第1の制御動作を実行する。   Hereinafter, the body potential control operation of the semiconductor device of the first embodiment will be described with reference to FIG. The standby signal STB is set to “1” (Vdd) (inverted standby signal bar STB = “0” (GND)) in the standby period T1, which is the standby state corresponding to the inactive state of the control target logic circuit 6. Then, both the PMOS transistor Q1 and the NMOS transistor Q2, which are transistors for standby state, are turned on, the transfer gate TF1 (the NMOS gate and the PMOS gate thereof) is turned off, and the node N1 is electrically connected to the power supply VDD via the PMOS transistor Q1. The first control operation is performed in which the node N2 is grounded via the NMOS transistor Q2.

その結果、PMOSトランジスタQ21のPMOSボディ電位Vbpは電源電圧VDDに設定され、NMOSトランジスタQ22のNMOSボディ電位Vbnは接地レベルに設定されるため、PMOSトランジスタQ21及びNMOSトランジスタQ22それぞれのソース領域とボディ領域との間のPN接合部をゼロバイアスにする(順方向バイアス度合を低くする)ことにより、PMOSトランジスタQ21及びNMOSトランジスタQ22それぞれの閾値電圧Vthは高く設定されることから、制御対象論理回路6は待機状態時におけるリーク電流を効果的に抑えることができる。   As a result, the PMOS body potential Vbp of the PMOS transistor Q21 is set to the power supply voltage VDD, and the NMOS body potential Vbn of the NMOS transistor Q22 is set to the ground level. Therefore, the source region and body region of the PMOS transistor Q21 and NMOS transistor Q22, respectively. Since the threshold voltage Vth of each of the PMOS transistor Q21 and the NMOS transistor Q22 is set high by setting the PN junction between the first and second transistors to zero bias (lower forward bias degree), the control target logic circuit 6 is The leakage current in the standby state can be effectively suppressed.

一方、待機状態であるスタンバイ期間T1から動作状態であるアクティブ期間T2に移行する際、スタンバイ信号STBが“1”から“0”に変化する。すると、PMOSトランジスタQ1及びNMOSトランジスタQ2がオフ状態となり、トランスファゲートTF1はオン状態となり、ノードN1,ノードN2間がトランスファゲートTF1を介して電気的に接続(短絡)されるとともに、ノードN1,N2はフローティング状態となる第2の制御動作を実行する。   On the other hand, when the standby period T1 in the standby state shifts to the active period T2 in the operating state, the standby signal STB changes from “1” to “0”. Then, the PMOS transistor Q1 and the NMOS transistor Q2 are turned off, the transfer gate TF1 is turned on, the node N1 and the node N2 are electrically connected (short-circuited) via the transfer gate TF1, and the nodes N1, N2 Executes a second control operation that is in a floating state.

その結果、PMOSトランジスタQ21の配線及びボディ領域に充電されている電荷がNMOSトランジスタQ22側に移動することにより、それぞれのボディ電位が等しくなり、最終的にボディ電位Vbodyに収束する。このボディ電位VbodyはPMOSトランジスタQ21及びNMOSトランジスタQ22のボディ容量、配線容量によって決定される電圧値であり、次の式(1)で表される。   As a result, the charges charged in the wiring and body region of the PMOS transistor Q21 move to the NMOS transistor Q22 side, so that the body potentials become equal and finally converge to the body potential Vbody. The body potential Vbody is a voltage value determined by the body capacitance and wiring capacitance of the PMOS transistor Q21 and NMOS transistor Q22, and is represented by the following equation (1).

Figure 2007165618
Figure 2007165618

式(1)において、CpはPMOS寄生容量、CnはNMOS寄生容量を意味する。PMOS寄生容量Cpは、主として、PMOSボディ容量(PMOSトランジスタQ21のボディ領域とソース領域及びドレイン領域との間のPN接合容量)と、PMOS配線容量(PMOSトランジスタQ21のボディ端子,制御回路1のノードN1間に存在する配線容量)との和で決定し、同様に、NMOS寄生容量Cnは、主として、NMOSボディ容量(NMOSトランジスタQ21のボディ領域とソース領域との間のPN接合によるボディ・ソース間容量)と、NMOS配線容量(NMOSトランジスタQ22のボディ端子,制御回路1のノードN2間に存在する配線容量)との和で決定する。   In equation (1), Cp means a PMOS parasitic capacitance, and Cn means an NMOS parasitic capacitance. The PMOS parasitic capacitance Cp mainly includes a PMOS body capacitance (PN junction capacitance between the body region of the PMOS transistor Q21 and the source region and the drain region) and a PMOS wiring capacitance (body terminal of the PMOS transistor Q21, node of the control circuit 1). Similarly, the NMOS parasitic capacitance Cn is mainly the NMOS body capacitance (between the body and the source due to the PN junction between the body region and the source region of the NMOS transistor Q21). Capacitance) and NMOS wiring capacitance (wiring capacitance existing between the body terminal of the NMOS transistor Q22 and the node N2 of the control circuit 1).

したがって、制御対象論理回路6が活性化状態である動作状態時には、PMOSトランジスタQ21のボディ領域,ソース領域間は(Vbody−Vdd)の順バイアス設定(順バイアス度合が高い設定)がなされ、NMOSトランジスタQ22のボディ,ソース領域間は(Vbody−“0”(GND))の順バイアス設定がなされるため、PMOSトランジスタQ21及びNMOSトランジスタQ22のスイッチング動作が速くなり、制御対象論理回路6の高速化を実現することができる。   Therefore, when the control target logic circuit 6 is in the activated state, the forward bias setting (setting with a high forward bias degree) is made between the body region and the source region of the PMOS transistor Q21, and the NMOS transistor Since the forward bias setting of (Vbody− “0” (GND)) is made between the body and source regions of Q22, the switching operation of the PMOS transistor Q21 and the NMOS transistor Q22 becomes faster, and the control target logic circuit 6 is speeded up. Can be realized.

続いて、アクティブ期間T2からスタンバイ期間T3に移行すると、スタンバイ信号STBが“0”から“1”に変化し、スタンバイ期間T1と同様な状態に設定される。   Subsequently, when the transition is made from the active period T2 to the standby period T3, the standby signal STB changes from “0” to “1”, and is set to a state similar to the standby period T1.

このように、実施の形態1の半導体装置は、上述したボディ電位制御機能により、待機状態時には、PMOSボディ電位Vbpは電源電圧VDDに設定し、NMOSボディ電位Vbnは接地レベルに設定してそれぞれの(ソース領域,ボディ領域間の)PN接合部をゼロバイアス状態にすることにより、制御対象論理回路6のリーク電流を効果的に抑えることができ、動作状態時には、PMOSトランジスタQ21及びNMOSトランジスタQ22それぞれの上記PN接合部を順バイアス設定するため、制御対象論理回路6の高速化を実現することができる。   As described above, in the semiconductor device of the first embodiment, the PMOS body potential Vbp is set to the power supply voltage VDD and the NMOS body potential Vbn is set to the ground level in the standby state by the body potential control function described above. By setting the PN junction (between the source region and the body region) to the zero bias state, the leakage current of the control target logic circuit 6 can be effectively suppressed, and each of the PMOS transistor Q21 and the NMOS transistor Q22 in the operating state. Since the forward bias is set for the PN junction, the control target logic circuit 6 can be speeded up.

さらに、実施の形態1のボディ電位制御は、待機状態時にPMOSトランジスタQ21のPMOS寄生容量Cpに蓄積されていた電荷を、動作状態時におけるPMOSトランジスタQ21及びNMOSトランジスタQ22のバイアス設定用に利用しているため、ボディ電位制御用の別電源は不要であり、一般的に利用される電源VDD及び接地レベルの2電源のみで実現できる分、回路構成の簡略化を図ることができる。   Furthermore, the body potential control of the first embodiment uses the charge stored in the PMOS parasitic capacitance Cp of the PMOS transistor Q21 in the standby state for bias setting of the PMOS transistor Q21 and the NMOS transistor Q22 in the operation state. Therefore, a separate power source for controlling the body potential is not required, and the circuit configuration can be simplified as much as it can be realized with only the commonly used power source VDD and two ground level power sources.

図4は動作状態時における制御対象論理回路6の内部状態を模式的に示した説明図である。動作状態時には、トランスファゲートTF1による電気的接続線L1によってPMOSトランジスタQ21のPMOSボディ領域14bと、NMOSトランジスタQ22のNMOSボディ領域15bとが短絡される(図2参照)ため、図4に示すように、電源VDD,接地間に直列に接続された寄生ダイオードD1,D2のDCパスが存在することになる。   FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing the internal state of the control target logic circuit 6 in the operating state. In the operating state, the PMOS body region 14b of the PMOS transistor Q21 and the NMOS body region 15b of the NMOS transistor Q22 are short-circuited by the electrical connection line L1 by the transfer gate TF1 (see FIG. 2). Thus, there is a DC path of the parasitic diodes D1 and D2 connected in series between the power source VDD and the ground.

なお、寄生ダイオードD1はPMOSソース領域14s,PMOSボディ領域14bとのPN接合領域21(図2参照)によるPMOSトランジスタQ21の寄生ダイオード、寄生ダイオードD2はNMOSボディ領域15bとNMOSソース領域15sとのPN接合領域22(図2参照)によるNMOSトランジスタQ22の寄生ダイオードを意味する。   The parasitic diode D1 is a parasitic diode of the PMOS transistor Q21 by the PN junction region 21 (see FIG. 2) with the PMOS source region 14s and the PMOS body region 14b, and the parasitic diode D2 is a PN between the NMOS body region 15b and the NMOS source region 15s. It means a parasitic diode of the NMOS transistor Q22 by the junction region 22 (see FIG. 2).

したがって、ダイオードの順方向電圧は0.6V程度であることから、実施の形態1の半導体装置は、電源VDDが1.2V以下の時には上記DCパスに電流が流れることはないため、有効な回路となる。   Therefore, since the forward voltage of the diode is about 0.6 V, the semiconductor device of the first embodiment does not flow through the DC path when the power supply VDD is 1.2 V or less. It becomes.

また、動作状態の時は、PMOSトランジスタQ21及びNMOSトランジスタQ22のボディ端子はフローティング状態であるため、ボディ電位Vbodyは制御対象論理回路6の状態や動作により若干変動する。しかし、寄生ダイオードD1,D2の存在により、その順方向電圧をVDonとすると、ボディ電位Vbodyは次の式(2)の範囲で収まり、大きく変動することはない。   In the operating state, the body terminals of the PMOS transistor Q21 and the NMOS transistor Q22 are in a floating state, so that the body potential Vbody varies slightly depending on the state and operation of the controlled logic circuit 6. However, if the forward voltage is VDon due to the presence of the parasitic diodes D1 and D2, the body potential Vbody falls within the range of the following equation (2) and does not vary greatly.

Figure 2007165618
Figure 2007165618

図5は実施の形態1の半導体装置のレイアウト構成を示す平面図であり、図6はそのA−A断面図である。以下、図5を中心に、適宜、図6を用いながら、実施の形態1の半導体装置のレイアウト構造を説明する。   FIG. 5 is a plan view showing a layout configuration of the semiconductor device according to the first embodiment, and FIG. Hereinafter, the layout structure of the semiconductor device of the first embodiment will be described with reference to FIG.

これらの図に示すように、半導体基板11上に埋込絶縁膜12が形成され、埋込絶縁膜12上にSOI層13が形成される。SOI層13内にPMOS活性領域31,32及びNMOS活性領域33,34が選択的に形成され、これら活性領域31〜34は分離絶縁膜により絶縁分離される。   As shown in these drawings, a buried insulating film 12 is formed on a semiconductor substrate 11, and an SOI layer 13 is formed on the buried insulating film 12. PMOS active regions 31 and 32 and NMOS active regions 33 and 34 are selectively formed in the SOI layer 13, and the active regions 31 to 34 are insulated and separated by an isolation insulating film.

図5に示すように、図中上方にPMOS用ボディ電位配線43,VDD配線41(第1の電源線)が図中横方向に並行に形成され、図中下方にGND配線42(第2の電源線),NMOS用ボディ電位配線44が図中横方向に並行に形成される。上述した活性領域31〜34はVDD配線41,GND配線42間に形成される。   As shown in FIG. 5, a PMOS body potential wiring 43 and a VDD wiring 41 (first power supply line) are formed in parallel in the horizontal direction in the figure, and a GND wiring 42 (second power line) in the lower part in the figure. Power source line) and NMOS body potential wiring 44 are formed in parallel in the horizontal direction in the figure. The active regions 31 to 34 described above are formed between the VDD wiring 41 and the GND wiring 42.

PMOS活性領域31及びNMOS活性領域33を図中縦断してゲート電極35が設けられ、ゲート電極35の図中左側のPMOS活性領域31であるソース領域上にVDD配線41から延設されるVDD部分配線41aが形成され、当該ソース領域とVDD部分配線41aとがコンタクトホール38を介して電気的に接続される。   A PMOS active region 31 and an NMOS active region 33 are longitudinally cut in the drawing to provide a gate electrode 35, and a VDD portion extending from the VDD wiring 41 on the source region which is the PMOS active region 31 on the left side of the gate electrode 35 in the drawing. A wiring 41 a is formed, and the source region and the VDD partial wiring 41 a are electrically connected through the contact hole 38.

一方、ゲート電極35の図中左側のNMOS活性領域33であるソース領域上にGND配線42から延設されるGND部分配線42aが形成され、当該ソース領域とGND部分配線42aとがコンタクトホール38を介して電気的に接続される。   On the other hand, a GND partial wiring 42 a extending from the GND wiring 42 is formed on the source region which is the NMOS active region 33 on the left side of the gate electrode 35 in the drawing, and the source region and the GND partial wiring 42 a define the contact hole 38. Electrically connected.

また、ゲート電極35は配線45とビアホール39を介して電気的に接続され、ゲート電極35の図中右側のPMOS活性領域31であるドレイン領域上から、ゲート電極35の図中右側のNMOS活性領域33であるドレイン領域上にかけて配線46が形成され、配線46はコンタクトホール38を介してPMOS活性領域31及びNMOS活性領域33それぞれのドレイン領域と電気的に接続される。   Further, the gate electrode 35 is electrically connected to the wiring 45 through the via hole 39, and the NMOS active region on the right side of the gate electrode 35 in the drawing from the drain region which is the PMOS active region 31 on the right side of the gate electrode 35 in the drawing. A wiring 46 is formed over the drain region 33, and the wiring 46 is electrically connected to the drain regions of the PMOS active region 31 and the NMOS active region 33 through contact holes 38.

PMOS活性領域32及びNMOS活性領域34を図中縦断して2本のゲート電極36及び37が形成され、ゲート電極36にはスタンバイ信号STBが印加され、ゲート電極37には反転スタンバイ信号バーSTBが印加される。   The PMOS active region 32 and the NMOS active region 34 are longitudinally cut in the figure to form two gate electrodes 36 and 37, a standby signal STB is applied to the gate electrode 36, and an inverted standby signal bar STB is applied to the gate electrode 37. Applied.

また、ゲート電極36の図中左側のPMOS活性領域32であるドレイン領域32a上に、NMOS用ボディ電位配線44から延設されるNMOS用部分ボディ電位配線44aが形成され、ドレイン領域32aとNMOS用部分ボディ電位配線44aとがコンタクトホール38を介して電気的に接続される。   Further, an NMOS partial body potential wiring 44a extending from the NMOS body potential wiring 44 is formed on the drain region 32a, which is the PMOS active region 32 on the left side of the gate electrode 36 in the drawing, and the drain region 32a and the NMOS Partial body potential wiring 44 a is electrically connected through contact hole 38.

ゲート電極37の図中右側のPMOS活性領域32であるソース領域32c上に、VDD配線41から延設されるVDD部分配線41bが形成され、ソース領域32cとVDD部分配線41bとがコンタクトホール38を介して電気的に接続される。   A VDD partial wiring 41b extending from the VDD wiring 41 is formed on the source region 32c which is the PMOS active region 32 on the right side of the gate electrode 37 in the drawing, and the source region 32c and the VDD partial wiring 41b define the contact hole 38. Electrically connected.

ゲート電極36の図中左側のNMOS活性領域34であるソース領域34c上に、GND配線42から延設されるGND部分配線42bが形成され、ソース領域34cとGND部分配線42bとがコンタクトホール38を介して電気的に接続される。   A GND partial wiring 42b extending from the GND wiring 42 is formed on the source region 34c which is the NMOS active region 34 on the left side of the gate electrode 36 in the drawing, and the source region 34c and the GND partial wiring 42b define the contact hole 38. Electrically connected.

ゲート電極36,37間のNMOS活性領域34である中間領域34b上に、NMOS用ボディ電位配線44から延設してNMOS用部分ボディ電位配線44bが形成され、中間領域34bとNMOS用部分ボディ電位配線44bとがコンタクトホール38を介して電気的に接続される。   An NMOS partial body potential wiring 44b is formed extending from the NMOS body potential wiring 44 on the intermediate region 34b which is the NMOS active region 34 between the gate electrodes 36 and 37, and the intermediate region 34b and the NMOS partial body potential are formed. The wiring 44b is electrically connected through the contact hole 38.

そして、PMOS用ボディ電位配線43から、ゲート電極36,ゲート電極37間のPMOS活性領域32である中間領域32b上、及びゲート電極37の図中右側のNMOS活性領域34であるドレイン領域34a上に延設して、PMOS用部分ボディ電位配線43aが形成され、中間領域32b及びドレイン領域34aそれぞれとPMOS用部分ボディ電位配線43aとがコンタクトホール38を介して電気的に接続される。   Then, from the PMOS body potential wiring 43, on the intermediate region 32b which is the PMOS active region 32 between the gate electrode 36 and the gate electrode 37, and on the drain region 34a which is the NMOS active region 34 on the right side of the gate electrode 37 in the drawing. A PMOS partial body potential wiring 43 a is formed to extend, and the intermediate region 32 b and the drain region 34 a are electrically connected to the PMOS partial body potential wiring 43 a through the contact hole 38.

このような構成において、ゲート電極35及びPMOS活性領域31によりPMOSトランジスタQ21が構成され、ゲート電極35及びNMOS活性領域33によりNMOSトランジスタQ22が構成され、ゲート電極37及びPMOS活性領域32(中間領域32b,ソース領域32c)によりPMOSトランジスタQ1が構成され、ゲート電極36及びNMOS活性領域34(中間領域34b,ソース領域34c)によりNMOSトランジスタQ2が構成され、ゲート電極36及びPMOS活性領域32(ドレイン領域32a,中間領域32b)によりトランスファゲートTF1のPMOSゲートが構成され、ゲート電極37及びNMOS活性領域34(ドレイン領域34a,中間領域34b)によりトランスファゲートTF1のNMOSゲートが構成される。   In such a configuration, the gate electrode 35 and the PMOS active region 31 constitute a PMOS transistor Q21, the gate electrode 35 and the NMOS active region 33 constitute an NMOS transistor Q22, and the gate electrode 37 and the PMOS active region 32 (intermediate region 32b). , Source region 32c) constitutes PMOS transistor Q1, and gate electrode 36 and NMOS active region 34 (intermediate region 34b, source region 34c) constitute NMOS transistor Q2, and gate electrode 36 and PMOS active region 32 (drain region 32a). , Intermediate region 32b) constitutes a PMOS gate of transfer gate TF1, and gate electrode 37 and NMOS active region 34 (drain region 34a, intermediate region 34b) constitute NM of transfer gate TF1. S gate is constructed.

図6を参照して、PMOSトランジスタQ21はPMOS用ボディ電位配線43の下方にボディコンタクト領域24を有し、PMOS用ボディ電位配線43とボディコンタクト領域24とがコンタクトホール38を介して電気的に接続される。ボディコンタクト領域24は部分分離絶縁膜23下方の半導体領域13aを介してPMOSボディ領域14bと電気的に接続される。したがって、PMOSトランジスタQ21はPMOS用ボディ電位配線43によってPMOSボディ領域14bの電位設定が可能である。   Referring to FIG. 6, PMOS transistor Q 21 has body contact region 24 below PMOS body potential wiring 43, and PMOS body potential wiring 43 and body contact region 24 are electrically connected via contact hole 38. Connected. The body contact region 24 is electrically connected to the PMOS body region 14b through the semiconductor region 13a below the partial isolation insulating film 23. Therefore, the PMOS transistor Q21 can set the potential of the PMOS body region 14b by the PMOS body potential wiring 43.

なお、NMOSトランジスタQ22のボディ領域もPMOSトランジスタQ21と同様に、NMOS用ボディ電位配線44の下方に形成されるボディコンタクト領域(図示せず)を介して、NMOS用ボディ電位配線44と電気的に接続される。   Note that the body region of the NMOS transistor Q22 is electrically connected to the NMOS body potential wiring 44 via a body contact region (not shown) formed below the NMOS body potential wiring 44, similarly to the PMOS transistor Q21. Connected.

このように、実施の形態1の半導体装置は、半導体基板11、埋込絶縁膜12及びSOI層13からなるSOI基板上に形成されるMOSトランジスタのボディ電位制御を行うことができる。また、本実施の形態では、動作状態時にノードN1,N2は重い負荷のついたフローティング状態となるため、SOI基板固有のヒストリ効果の軽減も図ることができる。   As described above, the semiconductor device of the first embodiment can control the body potential of the MOS transistor formed on the SOI substrate including the semiconductor substrate 11, the buried insulating film 12, and the SOI layer 13. In the present embodiment, since the nodes N1 and N2 are in a floating state with a heavy load during the operation state, the history effect unique to the SOI substrate can be reduced.

図7は、PMOSトランジスタQ21相当のPMOSトランジスタQ41をバルク基板上に形成した場合を示す説明図である。なお、上記説明図は、図5のA−A断面に相当する。同図に示すように、P基板61の上層部にボディ領域64を設け、図6の部分分離絶縁膜23、ボディコンタクト領域24と同様に、分離領域62、ボディコンタクト領域65を設けている。   FIG. 7 is an explanatory diagram showing a case where a PMOS transistor Q41 corresponding to the PMOS transistor Q21 is formed on a bulk substrate. In addition, the said explanatory drawing is equivalent to the AA cross section of FIG. As shown in the figure, a body region 64 is provided in an upper layer portion of a P substrate 61, and an isolation region 62 and a body contact region 65 are provided in the same manner as the partial isolation insulating film 23 and the body contact region 24 in FIG.

したがって、PMOS用ボディ電位配線43とボディコンタクト領域65とがコンタクトホール38を介して電気的に接続され、ボディコンタクト領域65は分離領域62下方の半導体領域60を介してボディ領域64と電気的に接続される。その結果、PMOSトランジスタQ41はPMOS用ボディ電位配線43によってボディ領域64の電位設定が可能となる。   Therefore, PMOS body potential wiring 43 and body contact region 65 are electrically connected via contact hole 38, and body contact region 65 is electrically connected to body region 64 via semiconductor region 60 below isolation region 62. Connected. As a result, the PMOS transistor Q41 can set the potential of the body region 64 by the PMOS body potential wiring 43.

図8はP基板61上に形成する場合のNMOSトランジスタQ22相当のNMOSトランジスタQ42の構造を示した説明図である。   FIG. 8 is an explanatory view showing the structure of an NMOS transistor Q42 corresponding to the NMOS transistor Q22 when formed on the P substrate 61. FIG.

同図に示すように、P基板61の上層部にNウェル領域66を形成し、Nウェル領域66の上層部にPウェル領域67を形成し、Pウェル領域67の上層部に選択的にNソース・ドレイン領域68,68を形成し、Nソース・ドレイン領域68,68間のPウェル領域67上にゲート絶縁膜69及びゲート電極70を形成することにより、NMOSトランジスタQ42を構成している。このように、NMOSトランジスタQ42を3重ウェル構造で形成することにより、他の素子から独立したボディ電位の設定が可能となる。   As shown in the figure, an N well region 66 is formed in the upper layer portion of the P substrate 61, a P well region 67 is formed in the upper layer portion of the N well region 66, and an N layer is selectively formed in the upper layer portion of the P well region 67. The source / drain regions 68 and 68 are formed, and the gate insulating film 69 and the gate electrode 70 are formed on the P well region 67 between the N source / drain regions 68 and 68, thereby forming the NMOS transistor Q42. Thus, by forming the NMOS transistor Q42 with a triple well structure, it is possible to set the body potential independent of other elements.

このように、実施の形態1の半導体装置は、バルク基板であるP基板61上に形成されるMOSトランジスタに対してもPウェル領域67の電位制御つまりボディ電位制御を行うことができる。なお、N基板の場合は、それぞれ逆の導電型になる。   As described above, the semiconductor device of the first embodiment can perform the potential control of the P well region 67, that is, the body potential control for the MOS transistor formed on the P substrate 61 which is a bulk substrate. In the case of an N substrate, the conductivity types are reversed.

<実施の形態2>
図9はこの発明の実施の形態2である電荷再利用型動的ボディ電位制御機能を有する、半導体装置の回路構成を回路図である。
<Embodiment 2>
FIG. 9 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a semiconductor device having a charge reusing type dynamic body potential control function according to the second embodiment of the present invention.

同図に示すように、実施の形態2の半導体装置は、制御対象論理回路6と制御回路2とを備えている。制御対象論理回路6の内部構成は実施の形態1と同様であるため説明を省略する。   As shown in the figure, the semiconductor device of the second embodiment includes a control target logic circuit 6 and a control circuit 2. Since the internal configuration of the control target logic circuit 6 is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.

制御回路2は、PMOSトランジスタQ1、NMOSトランジスタQ2、PMOSトランジスタQ11、NMOSトランジスタQ12及びQ13から構成される。PMOSトランジスタQ1はソース電極が電源VDDに接続され、ドレイン電極であるノードN1がPMOSトランジスタQ21のボディ端子に接続され、ゲート電極に反転スタンバイ信号バーSTBを受ける。   The control circuit 2 includes a PMOS transistor Q1, an NMOS transistor Q2, a PMOS transistor Q11, and NMOS transistors Q12 and Q13. In the PMOS transistor Q1, the source electrode is connected to the power supply VDD, the node N1 as the drain electrode is connected to the body terminal of the PMOS transistor Q21, and the inverted standby signal bar STB is received at the gate electrode.

一方、NMOSトランジスタQ2はソース電極が接地され、ドレイン電極であるノードN2がNMOSトランジスタQ22のボディ端子に接続され、ゲート電極にスタンバイ信号STBを受ける。   On the other hand, the source electrode of the NMOS transistor Q2 is grounded, the node N2 as the drain electrode is connected to the body terminal of the NMOS transistor Q22, and the gate electrode receives the standby signal STB.

そして、ノードN1,N2間に、第3のスイッチング手段を構成するPMOSトランジスタQ11,NMOSトランジスタQ13,及びNMOSトランジスタQ12が直列に介挿される。すなわち、PMOSトランジスタQ11のソース電極はノードN1に接続され、ゲート,ドレイン共通(ダイオード接続)のNMOSトランジスタQ13のドレイン電極はPMOSトランジスタQ11のドレイン電極に接続され、NMOSトランジスタQ12のドレイン電極はNMOSトランジスタQ13のソース電極に接続され、ソース電極はノードN2に接続される。PMOSトランジスタQ11はゲート電極にスタンバイ信号STBを受け、NMOSトランジスタQ12はゲート電極に反転スタンバイ信号バーSTBを受ける。   Between the nodes N1 and N2, a PMOS transistor Q11, an NMOS transistor Q13, and an NMOS transistor Q12 constituting a third switching means are inserted in series. That is, the source electrode of the PMOS transistor Q11 is connected to the node N1, the drain electrode of the NMOS transistor Q13 having a common gate and drain (diode connection) is connected to the drain electrode of the PMOS transistor Q11, and the drain electrode of the NMOS transistor Q12 is the NMOS transistor. Connected to the source electrode of Q13, the source electrode is connected to the node N2. The PMOS transistor Q11 receives a standby signal STB at its gate electrode, and the NMOS transistor Q12 receives an inverted standby signal bar STB at its gate electrode.

図10は実施の形態2の半導体装置のボディ電位制御動作を示すタイミング図である。なお、同図において、ゲート・ドレイン共通のNMOSトランジスタQ13にリーク電流が生じていることを仮定している。   FIG. 10 is a timing chart showing the body potential control operation of the semiconductor device of the second embodiment. In the figure, it is assumed that a leak current is generated in the NMOS transistor Q13 having a common gate and drain.

以下、図10を参照して、実施の形態2の半導体装置のボディ電位制御動作を説明する。待機状態時であるスタンバイ期間T1においてにスタンバイ信号STBを“1”に設定する。すると、PMOSトランジスタQ1及びNMOSトランジスタQ2は共にオン状態となり、第1及び第2の動作状態用トランジスタであるPMOSトランジスタQ11及びNMOSトランジスタQ12はオフ状態となり、ノードN1がPMOSトランジスタQ1を介して電源VDDに電気的に接続され、ノードN2がNMOSトランジスタQ2を介して接地される。   Hereinafter, the body potential control operation of the semiconductor device of the second embodiment will be described with reference to FIG. The standby signal STB is set to “1” in the standby period T1, which is a standby state. Then, both the PMOS transistor Q1 and the NMOS transistor Q2 are turned on, the PMOS transistor Q11 and the NMOS transistor Q12, which are the first and second operation state transistors, are turned off, and the node N1 is connected to the power supply VDD via the PMOS transistor Q1. And the node N2 is grounded via the NMOS transistor Q2.

その結果、PMOSトランジスタQ21のPMOSボディ電位Vbpは電源電圧VDDに設定され、NMOSトランジスタQ22のNMOSボディ電位Vbnは接地レベルに設定されるため、PMOSトランジスタQ21及びNMOSトランジスタQ22それぞれの(ソース領域,ボディ領域間の)PN接合部がゼロバイアス設定され閾値電圧Vthは高く設定されることから、制御対象論理回路6は待機状態時におけるリーク電流を効果的に抑えることができる。   As a result, the PMOS body potential Vbp of the PMOS transistor Q21 is set to the power supply voltage VDD, and the NMOS body potential Vbn of the NMOS transistor Q22 is set to the ground level, so that each of the PMOS transistor Q21 and the NMOS transistor Q22 (source region, body) Since the PN junction between the regions is set to zero bias and the threshold voltage Vth is set high, the control target logic circuit 6 can effectively suppress the leakage current in the standby state.

一方、待機状態であるスタンバイ期間T1から動作状態であるアクティブ期間T2に移行する際、スタンバイ信号STBが“1”から“0”に変化する。すると、PMOSトランジスタQ1及びNMOSトランジスタQ2がオフ状態となり、PMOSトランジスタQ11及びNMOSトランジスタQ12がオン状態となり、ノードN1,ノードN2間がPMOSトランジスタQ11,NMOSトランジスタQ13及びNMOSトランジスタQ12を介して電気的に接続されるとともに、ノードN1,N2はフローティング状態となる。   On the other hand, when the standby period T1 in the standby state shifts to the active period T2 in the operating state, the standby signal STB changes from “1” to “0”. Then, the PMOS transistor Q1 and the NMOS transistor Q2 are turned off, the PMOS transistor Q11 and the NMOS transistor Q12 are turned on, and the node N1 and the node N2 are electrically connected via the PMOS transistor Q11, the NMOS transistor Q13, and the NMOS transistor Q12. At the same time, the nodes N1 and N2 are in a floating state.

その結果、PMOSトランジスタQ21の配線及びボディ領域に充電されている電荷がNMOSトランジスタQ22側に移動する。この際、電位差設定手段であるゲート・ドレイン共通のNMOSトランジスタQ13が存在するため、PMOSボディ電位VbpとNMOSボディ電位Vbnとの間にNMOSトランジスタQ13の閾値電圧Vtn分の電位差が生じ、以下の式(3)の関係となり、また、動作状態時のボディ電位Vbody1は以下の式(4)によって求められる。   As a result, the charge charged in the wiring and body region of the PMOS transistor Q21 moves to the NMOS transistor Q22 side. At this time, since the common gate / drain NMOS transistor Q13 as potential difference setting means exists, a potential difference corresponding to the threshold voltage Vtn of the NMOS transistor Q13 is generated between the PMOS body potential Vbp and the NMOS body potential Vbn. The body potential Vbody1 in the operating state is obtained by the following equation (4).

Figure 2007165618
Figure 2007165618

Figure 2007165618
Figure 2007165618

したがって、動作状態時には、電位差設定手段であるダイオード接続のNMOSトランジスタQ13の閾値電圧Vtnによって、PMOSトランジスタQ21のボディ領域,ソース領域間は(Vbody1+Vtn−Vdd)の順バイアス設定がなされ、NMOSトランジスタQ22のボディ,ソース領域間はVbody1の順バイアス設定がなされるため、PMOSトランジスタQ21及びNMOSトランジスタQ22のスイッチング動作が速くなり、制御対象論理回路6の高速化を実現することができる。   Therefore, in the operating state, the forward bias of the body region and the source region of the PMOS transistor Q21 is set to (Vbody1 + Vtn−Vdd) by the threshold voltage Vtn of the diode-connected NMOS transistor Q13 which is a potential difference setting means. Since the forward bias of Vbody1 is set between the body and the source region, the switching operation of the PMOS transistor Q21 and the NMOS transistor Q22 becomes faster, and the control target logic circuit 6 can be speeded up.

続いて、アクティブ期間T2からスタンバイ期間T3に移行すると、スタンバイ信号STBが“0”から“1”に変化し、スタンバイ期間T1と同様な状態に設定される。   Subsequently, when the transition is made from the active period T2 to the standby period T3, the standby signal STB changes from “0” to “1”, and is set to a state similar to the standby period T1.

このように、実施の形態2の半導体装置は、上述したボディ電位制御機能により、実施の形態1と同様、待機状態時には、PMOSボディ電位Vbpは電源電圧VDDに設定し、NMOSボディ電位Vbnは接地レベルに設定するため、PMOSトランジスタQ21及びNMOSトランジスタQ22それぞれの(ソース領域,ボディ領域間の)PN接合部をゼロバイアス状態にして制御対象論理回路6のリーク電流を効果的に抑えることができ、動作状態時には、PMOSトランジスタQ21及びNMOSトランジスタQ22それぞれの上記PN接合部を順バイアス設定するため、制御対象論理回路6の高速化を実現することができる。   As described above, in the semiconductor device of the second embodiment, the PMOS body potential Vbp is set to the power supply voltage VDD and the NMOS body potential Vbn is grounded in the standby state by the above-described body potential control function as in the first embodiment. In order to set the level, the PN junction (between the source region and the body region) of each of the PMOS transistor Q21 and the NMOS transistor Q22 can be in a zero bias state, and the leakage current of the controlled logic circuit 6 can be effectively suppressed. In the operating state, the PN junctions of the PMOS transistor Q21 and the NMOS transistor Q22 are set to forward bias, so that the control target logic circuit 6 can be speeded up.

さらに、実施の形態2のボディ電位制御は、実施の形態1と同様、待機状態時にPMOSトランジスタQ21のPMOS寄生容量Cpに蓄積されていた電荷を、動作状態時におけるPMOSトランジスタQ21及びNMOSトランジスタQ22のバイアス設定用に利用しているため、ボディ電位制御用の別電源は不要である分、回路構成の簡略化を図ることができる。   Further, in the body potential control of the second embodiment, as in the first embodiment, the charges accumulated in the PMOS parasitic capacitance Cp of the PMOS transistor Q21 in the standby state are changed to the PMOS transistor Q21 and the NMOS transistor Q22 in the operation state. Since it is used for bias setting, the circuit configuration can be simplified because a separate power source for body potential control is unnecessary.

図11は動作状態時における制御対象論理回路6の内部状態を模式的に示した説明図である。動作状態時には、第1及び第2の動作状態用トランジスタであるPMOSトランジスタQ11及びNMOSトランジスタQ12がオン状態になることにより、PMOSトランジスタQ21のPMOSボディ領域と、NMOSトランジスタQ22のNMOSボディ領域とがNMOSトランジスタQ13を介して電気的に接続されるため、図11に示すように、電源VDD,接地間に寄生ダイオードD1,NMOSトランジスタQ13及び寄生ダイオードD2のDCパスが存在することになる。   FIG. 11 is an explanatory diagram schematically showing the internal state of the control target logic circuit 6 in the operating state. In the operation state, the PMOS transistor Q11 and the NMOS transistor Q12, which are the first and second operation state transistors, are turned on, so that the PMOS body region of the PMOS transistor Q21 and the NMOS body region of the NMOS transistor Q22 are NMOS. Since it is electrically connected via the transistor Q13, as shown in FIG. 11, there is a DC path of the parasitic diode D1, the NMOS transistor Q13, and the parasitic diode D2 between the power supply VDD and the ground.

したがって、ダイオードの順方向電圧は0.6V程度であることから、実施の形態2の半導体装置は、電源VDDが1.2V+Vtn以下の時には上記DCパスに電流が流れることはないため、有効な回路となる。すなわち、有効な電源電位VDDの範囲を実施の形態1以上に拡げることができる。   Therefore, since the forward voltage of the diode is about 0.6 V, the semiconductor device of the second embodiment has an effective circuit because no current flows through the DC path when the power supply VDD is 1.2 V + Vtn or less. It becomes. That is, the range of the effective power supply potential VDD can be expanded beyond that of the first embodiment.

ここで、アクティブ期間T2においてNMOSトランジスタQ13にリーク電流が生じると、図10に示すように、NMOSボディ電位VbnとPMOSボディ電位Vbpとの電位差が閾値電圧Vtnより小さくなり、NMOSボディ電位Vbnはボディ電位Vbody1より上昇し、PMOSボディ電位Vbpはボディ電位Vbody2(=Vbody1+Vtn)より下降する。   Here, when a leak current is generated in the NMOS transistor Q13 during the active period T2, the potential difference between the NMOS body potential Vbn and the PMOS body potential Vbp becomes smaller than the threshold voltage Vtn as shown in FIG. The potential rises from the potential Vbody1, and the PMOS body potential Vbp falls from the body potential Vbody2 (= Vbody1 + Vtn).

しかしながら、PMOSボディ電位Vbpが(Vdd−VDon)に達すると寄生ダイオードD1がオンするため、PMOSボディ電位Vbpが(Vdd−VDon)より低下することはない。一方、NMOSボディ電位VbnがVDonに達すると寄生ダイオードD2がオンするため、NMOSボディ電位VDonより上昇することはない。   However, since the parasitic diode D1 is turned on when the PMOS body potential Vbp reaches (Vdd−VDon), the PMOS body potential Vbp does not drop below (Vdd−VDon). On the other hand, when the NMOS body potential Vbn reaches VDon, the parasitic diode D2 is turned on, so that it does not rise above the NMOS body potential VDon.

このように、寄生ダイオードD1,D2の存在により、動作状態時のNMOSボディ電位Vbn及びPMOSボディ電位Vbpは次の式(5)及び式(6)の範囲で収まり、大きく変動することはない。   Thus, due to the presence of the parasitic diodes D1 and D2, the NMOS body potential Vbn and the PMOS body potential Vbp in the operating state are within the ranges of the following formulas (5) and (6) and do not vary greatly.

Figure 2007165618
Figure 2007165618

Figure 2007165618
Figure 2007165618

(他の態様)
なお、実施の形態2では、ノードN1,N2間にゲート・ドレイン共通のNMOSトランジスタQ13を1個挿入した例を示したが、2以上の任意の数nを直列に設けても良い。
(Other aspects)
In the second embodiment, an example in which one NMOS transistor Q13 having a common gate / drain is inserted between the nodes N1 and N2, but an arbitrary number n of 2 or more may be provided in series.

この場合、NMOSボディ電位VbnとPMOSボディ電位Vbpとの関係は次の式(7)に示す関係となり、NMOSトランジスタQ22のボディ電位Vbody1は理想的には次の式(8)で決定する。なお、式(8)において、電位差設定手段を構成するNMOSトランジスタQ13−1〜Q13−nの閾値電圧が全て同一の閾値電圧Vtnであることを前提としている。   In this case, the relationship between the NMOS body potential Vbn and the PMOS body potential Vbp is expressed by the following equation (7), and the body potential Vbody1 of the NMOS transistor Q22 is ideally determined by the following equation (8). In equation (8), it is assumed that the threshold voltages of the NMOS transistors Q13-1 to Q13-n constituting the potential difference setting means are all the same threshold voltage Vtn.

Figure 2007165618
Figure 2007165618

Figure 2007165618
Figure 2007165618

図12は、ゲート・ドレイン共通のMOSトランジスタがn個直列に設けた場合の動作状態時における制御対象論理回路6の内部状態を模式的に示した説明図である。同図に示すように、寄生ダイオードD1、NMOSトランジスタQ13−1〜Q13−n及び寄生ダイオードD2のDCパスが形成される。したがって、電源VDDが(1.2V+n・Vtn)以下のときに有効となるため、有効となる電源VDDの上限を図9で示した構成以上に大きく設定することができる。   FIG. 12 is an explanatory diagram schematically showing the internal state of the control target logic circuit 6 in the operating state in the case where n gate / drain common MOS transistors are provided in series. As shown in the figure, a DC path of the parasitic diode D1, the NMOS transistors Q13-1 to Q13-n, and the parasitic diode D2 is formed. Therefore, the power supply VDD becomes effective when it is equal to or lower than (1.2 V + n · Vtn), and therefore the upper limit of the effective power supply VDD can be set larger than the configuration shown in FIG.

また、NMOSトランジスタQ13−1〜Q13−nにリーク電流が生じた場合でも、寄生ダイオードD1,D2の存在により、動作状態時のNMOSボディ電位Vbn及びPMOSボディ電位Vbpは次の式(9)及び式(10)の範囲で収めることができる。   Even when a leak current is generated in the NMOS transistors Q13-1 to Q13-n, the NMOS body potential Vbn and the PMOS body potential Vbp in the operating state are expressed by the following equation (9) due to the presence of the parasitic diodes D1 and D2. It can be contained within the range of equation (10).

Figure 2007165618
Figure 2007165618

Figure 2007165618
Figure 2007165618

なお、実施の形態2では、動作状態時におけるノードN1,N2間の遮断用にPMOSトランジスタQ11及びNMOSトランジスタQ12を用いて、待機状態時における第1及び第2のノード間を確実に遮断している。   In the second embodiment, the PMOS transistor Q11 and the NMOS transistor Q12 are used to cut off between the nodes N1 and N2 in the operation state, and the first and second nodes in the standby state are reliably cut off. Yes.

しかし、PMOSトランジスタQ11及びNMOSトランジスタQ12のうち、どちらか一方のみを用いた構成も考えられる。一方を削除する場合、図9の構成では、PMOSトランジスタQ11を削除した方が、NMOSトランジスタQ13のドレイン・ゲート電極をノードN1に直接接続することにより待機状態時にNMOSトランジスタQ13のゲート電極を電源Vddに安定に設定できる分、望ましい。   However, a configuration using only one of the PMOS transistor Q11 and the NMOS transistor Q12 is also conceivable. In the case of deleting one, in the configuration of FIG. 9, when the PMOS transistor Q11 is deleted, the drain / gate electrode of the NMOS transistor Q13 is directly connected to the node N1, thereby connecting the gate electrode of the NMOS transistor Q13 to the power supply Vdd in the standby state. It is desirable because it can be set stably.

また、NMOSトランジスタQ13に換えて、ダイオード接続のPMOSトランジスタを用いても良い。   Further, a diode-connected PMOS transistor may be used in place of the NMOS transistor Q13.

<その他>
図13は半導体装置のその他の態様を示す説明図である。実施の形態1及び実施の形態2では、制御対象論理回路6として1単位の論理ゲートであるインバータのみで構成される論理回路を示したが、図7に示すように、複数の論理ゲートからなる制御対象論理回路ブロック7を制御対象としても良い。図7の例では、制御対象論理回路ブロック7内にNANDゲートG1、インバータG2及びNORゲートG3を含んでいる。
<Others>
FIG. 13 is an explanatory view showing another aspect of the semiconductor device. In the first embodiment and the second embodiment, the control target logic circuit 6 is a logic circuit including only an inverter that is a logic gate of one unit. However, as illustrated in FIG. 7, the logic circuit includes a plurality of logic gates. The control target logic circuit block 7 may be a control target. In the example of FIG. 7, the control target logic circuit block 7 includes a NAND gate G1, an inverter G2, and a NOR gate G3.

なお、制御回路1(2)内の各MOSトランジスタのゲート幅は、制御対象論理回路ブロック7を構成する全てのMOSトランジスタのゲート幅の和の数%(5%)程度で良い。例えば、制御回路1の場合、PMOSトランジスタQ1及びNMOSトランジスタQ2それぞれのゲート幅は、制御対象論理回路ブロック7内のNANDゲートG1、インバータG2及びNORゲート3等を構成する全MOSトランジスタのゲート幅の和より十分小さく設定され、前者のゲート幅は後者のゲート幅の和の数%(5%)程度となる。   The gate width of each MOS transistor in the control circuit 1 (2) may be about several percent (5%) of the sum of the gate widths of all the MOS transistors constituting the control target logic circuit block 7. For example, in the case of the control circuit 1, the gate width of each of the PMOS transistor Q1 and the NMOS transistor Q2 is the gate width of all the MOS transistors constituting the NAND gate G1, the inverter G2, the NOR gate 3 and the like in the control target logic circuit block 7. It is set sufficiently smaller than the sum, and the former gate width is about several percent (5%) of the sum of the latter gate widths.

図14は図13の装置の内部構成の詳細を示す回路図である。同図に示すように、実施の形態1で示した制御回路1によって、NANDゲートG1、インバータG2及びNORゲートG3それぞれのボディ電位制御を行っている。   FIG. 14 is a circuit diagram showing details of the internal configuration of the apparatus of FIG. As shown in the figure, the body potential of each of the NAND gate G1, the inverter G2, and the NOR gate G3 is controlled by the control circuit 1 shown in the first embodiment.

NANDゲートG1は、PMOSトランジスタQ23,Q24並びにNMOSトランジスタQ25及びQ26より構成され、PMOSトランジスタQ23及びQ24のソースは電源VDDに接続され、ドレインがノードN11(出力部)で共通に接続される。ノードN11,接地レベル間にNMOSトランジスタQ25及びQ26が直列に接続され、PMOSトランジスタQ23及びNMOSトランジスタQ26のゲート電極に入力信号SAを受け、PMOSトランジスタQ24及びNMOSトランジスタQ25のゲート電極に入力信号SBを受ける。   The NAND gate G1 includes PMOS transistors Q23 and Q24 and NMOS transistors Q25 and Q26. The sources of the PMOS transistors Q23 and Q24 are connected to the power supply VDD, and the drains are connected in common at the node N11 (output unit). The NMOS transistors Q25 and Q26 are connected in series between the node N11 and the ground level, the input signal SA is received by the gate electrodes of the PMOS transistor Q23 and the NMOS transistor Q26, and the input signal SB is applied to the gate electrodes of the PMOS transistor Q24 and the NMOS transistor Q25. receive.

インバータG2は、PMOSトランジスタQ27及びNMOSトランジスタQ28により構成され、PMOSトランジスタQ27のソースは電源VDDに接続され、PMOSトランジスタQ27のドレインであるノードN12(出力部)はNMOSトランジスタQ28のドレインに接続され、NMOSトランジスタQ28のソースは接地される。そして、PMOSトランジスタQ27及びNMOSトランジスタQ28のゲート電極が共通にノードN11に接続される。   The inverter G2 includes a PMOS transistor Q27 and an NMOS transistor Q28. The source of the PMOS transistor Q27 is connected to the power supply VDD, and the node N12 (output unit) which is the drain of the PMOS transistor Q27 is connected to the drain of the NMOS transistor Q28. The source of the NMOS transistor Q28 is grounded. The gate electrodes of the PMOS transistor Q27 and the NMOS transistor Q28 are commonly connected to the node N11.

NORゲートG3は、PMOSトランジスタQ29,Q30及びNMOSトランジスタQ31,Q32から構成され、電源VDD,ノードN13(出力部)間にPMOSトランジスタQ29,Q30が直列に接続され、PMOSトランジスタQ29のゲート電極がノードN12に接続され、PMOSトランジスタQ30のゲート電極に入力信号SCを受ける。ノードN13,接地レベル間にNMOSトランジスタQ31及びQ32が並列に介挿され、NMOSトランジスタQ31のゲート電極に入力信号SCを受け、NMOSトランジスタQ32のゲート電極がノードN12に接続される。   The NOR gate G3 is composed of PMOS transistors Q29 and Q30 and NMOS transistors Q31 and Q32. The PMOS transistors Q29 and Q30 are connected in series between the power supply VDD and the node N13 (output unit), and the gate electrode of the PMOS transistor Q29 is the node. The input signal SC is received at the gate electrode of the PMOS transistor Q30. NMOS transistors Q31 and Q32 are inserted in parallel between the node N13 and the ground level, the input signal SC is received by the gate electrode of the NMOS transistor Q31, and the gate electrode of the NMOS transistor Q32 is connected to the node N12.

このような、NANDゲートG1、インバータG2及びNORゲートG3に対し、制御回路1のノードN1は、PMOSトランジスタQ23,Q24,Q27,Q29及びQ30のボディ端子に電気的に接続され、ノードN2はNMOSトランジスタQ25,Q26,Q28,Q31及びQ32のボディ端子に電気的に接続される。   For such NAND gate G1, inverter G2 and NOR gate G3, node N1 of control circuit 1 is electrically connected to the body terminals of PMOS transistors Q23, Q24, Q27, Q29 and Q30, and node N2 is NMOS Electrically connected to the body terminals of transistors Q25, Q26, Q28, Q31 and Q32.

その結果、実施の形態1と同様にして、NANDゲートG1、インバータG2及びNORゲートG3を構成するPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタのボディ電位が制御されるため、制御対象論理回路6と同様、制御対象論理回路ブロック7の高速動作及び低消費電力動作が実現する。   As a result, the body potentials of the PMOS transistor and NMOS transistor constituting the NAND gate G1, the inverter G2, and the NOR gate G3 are controlled in the same manner as in the first embodiment. High-speed operation and low power consumption operation of the circuit block 7 are realized.

この発明の実施の形態1である電荷再利用型動的ボディ電位制御機能を有する、半導体装置の回路構成を回路図である。1 is a circuit diagram of a circuit configuration of a semiconductor device having a charge reuse type dynamic body potential control function according to a first embodiment of the present invention; 図1で示した制御対象論理回路内のPMOSトランジスタ1,NMOSトランジスタ2の断面構造を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure of a PMOS transistor 1 and an NMOS transistor 2 in the control target logic circuit illustrated in FIG. 1. 実施の形態1の半導体装置のボディ電位制御動作を示すタイミング図である。FIG. 6 is a timing diagram illustrating a body potential control operation of the semiconductor device of the first embodiment. 動作状態時における制御対象論理回路の内部状態を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically the internal state of the control object logic circuit at the time of an operation state. 実施の形態1の半導体装置のレイアウト構成を示す平面図である。2 is a plan view showing a layout configuration of the semiconductor device of First Embodiment; FIG. 図5のA−A断面構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the AA cross-section of FIG. 図6で示したPMOSトランジスタ相当のトランジスタをバルク基板上に形成した場合を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the case where the transistor equivalent to the PMOS transistor shown in FIG. 6 is formed on a bulk substrate. バルク基板上に形成する場合のNMOSトランジスタの構造を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structure of the NMOS transistor in the case of forming on a bulk substrate. この発明の実施の形態2である電荷再利用型動的ボディ電位制御機能を有する、半導体装置の回路構成を回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a circuit configuration of a semiconductor device having a charge recycle type dynamic body potential control function according to a second embodiment of the present invention. 実施の形態2の半導体装置のボディ電位制御動作を示すタイミング図である。FIG. 10 is a timing diagram illustrating a body potential control operation of the semiconductor device of the second embodiment. 動作状態時における制御対象論理回路6の内部状態を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically the internal state of the control object logic circuit 6 at the time of an operation state. ゲート・ドレイン共通のMOSトランジスタがn個直列に設けた場合の動作状態時における制御対象論理回路6の内部状態を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically the internal state of the to-be-controlled logic circuit 6 at the time of the operation state when n MOS transistors common to gate and drain are provided in series. 半導体装置のその他の態様を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other aspect of a semiconductor device. 図13の装置の内部構成の詳細を示す回路図である。FIG. 14 is a circuit diagram illustrating details of an internal configuration of the apparatus of FIG. 13. 従来の動的ボディ電位制御方法であるDTMOS回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the DTMOS circuit which is the conventional dynamic body potential control method. チャージポンプ回路により論理回路のボディ電位を制御するVTCMOS回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the VTCMOS circuit which controls the body potential of a logic circuit with a charge pump circuit. DTMOS回路の変形例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the modification of a DTMOS circuit.

符号の説明Explanation of symbols

1,2 制御回路、6 制御対象論理回路、7 制御対象論理回路ブロック、11 半導体基板、12 埋込絶縁膜、13 SOI層、61 P基板、D1,D2 寄生ダイオード、Q1,Q21,Q11 PMOSトランジスタ、Q2,Q12,Q13,Q13−1〜Q13−n,Q22 NMOSトランジスタ、TF1 トランスファゲート。
1, 2 control circuit, 6 control target logic circuit, 7 control target logic circuit block, 11 semiconductor substrate, 12 buried insulating film, 13 SOI layer, 61 P substrate, D1, D2 parasitic diode, Q1, Q21, Q11 PMOS transistor Q2, Q12, Q13, Q13-1 to Q13-n, Q22 NMOS transistor, TF1 transfer gate.

Claims (10)

所定の基板上に形成され、ソース領域とドレイン領域に挟まれたボディ領域の電位の個別設定が可能な少なくとも1つのMOSトランジスタを有する論理ゲートを含む制御対象論理回路と、
前記所定の基板上に形成され、前記少なくとも一つのMOSトランジスタのボディ領域の電位を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
一方端が第1の電源電圧が供給される第1の電源線に接続され、他方端が第1のノードに接続される第1のスイッチング手段と、
一方端が前記第1の電源電圧より低い第2の電源電圧が供給される第2の電源線に接続され、他方端が第2のノードに接続される第2のスイッチング手段とを備え、前記少なくとも一つのMOSトランジスタのボディ領域は前記第1及び第2のノードのうちの一方に電気的に接続され、
前記第1及び第2のノード間に介挿される第3のスイッチング手段をさらに備え、
前記制御回路は、
前記制御対象論理回路の待機状態時に前記第1及び第2のスイッチング手段をオン状態、前記第3のスイッチング手段をオフ状態に設定して、前記第1及び第2のノードを前記第1及び第2の電源に電気的に接続する第1の制御動作を実行し、
前記制御対象論理回路の動作状態時に前記第1及び第2のスイッチング手段をオフ状態、前記第3のスイッチング手段をオン状態に設定する第2の制御動作を実行し、
前記少なくとも一つのMOSトランジスタは、前記第2の制御動作時の状態は前記第1の制御動作時の状態に比べ、前記ソース領域と前記ボディ領域とのPN接合部における順バイアス度合が高いことを特徴する、
半導体装置。
A control target logic circuit including a logic gate formed on a predetermined substrate and having at least one MOS transistor capable of individually setting a potential of a body region sandwiched between a source region and a drain region;
A control circuit formed on the predetermined substrate and controlling a potential of a body region of the at least one MOS transistor;
The control circuit includes:
A first switching means having one end connected to a first power supply line to which a first power supply voltage is supplied and the other end connected to a first node;
A second switching means having one end connected to a second power supply line to which a second power supply voltage lower than the first power supply voltage is supplied and the other end connected to a second node; A body region of at least one MOS transistor is electrically connected to one of the first and second nodes;
Further comprising third switching means interposed between the first and second nodes;
The control circuit includes:
When the control target logic circuit is in a standby state, the first and second switching units are set to an on state, the third switching unit is set to an off state, and the first and second nodes are set to the first and second nodes. Performing a first control operation electrically connected to the power source of
Performing a second control operation for setting the first and second switching means to an OFF state and the third switching means to an ON state when the control target logic circuit is in an operation state;
The at least one MOS transistor has a higher degree of forward bias at the PN junction between the source region and the body region in the state during the second control operation than in the state during the first control operation. Characteristic,
Semiconductor device.
請求項1記載の半導体装置であって、
前記少なくとも一つのMOSトランジスタは、第1の導電型の第1のMOSトランジスタ及び第2の導電型の第2のMOSトランジスタを含み、前記第1のMOSトランジスタのボディ領域は前記第1のノードに接続され、前記第2のMOSトランジスタのボディ領域は前記第2のノードに接続され、
前記第1のスイッチング手段は前記待機状態時にオン状態となり、前記動作状態時にオフ状態となる第1の導電型の第1の待機状態用トランジスタを含み、前記第2のスイッチング手段は前記待機状態時にオン状態となり、前記動作状態時にオフ状態となる第2の導電型の第2の待機状態用トランジスタを含む、
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The at least one MOS transistor includes a first MOS transistor of a first conductivity type and a second MOS transistor of a second conductivity type, and a body region of the first MOS transistor is connected to the first node. A body region of the second MOS transistor is connected to the second node;
The first switching means includes a first standby state transistor of a first conductivity type that is turned on in the standby state and turned off in the operation state, and the second switching means is in the standby state. A second standby state transistor of a second conductivity type that is in an on state and is in an off state during the operation state;
Semiconductor device.
請求項2記載の半導体装置であって、
前記第3のスイッチング手段はオン状態時に前記第1及び第2のノードを短絡するトランスファゲートを含む、
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The third switching means includes a transfer gate that short-circuits the first and second nodes in an on state.
Semiconductor device.
請求項2記載の半導体装置であって、
前記第3のスイッチング手段は、
前記待機状態時にオフし前記動作状態時にオンする、少なくとも一つの動作状態用トランジスタと、
前記動作状態用トランジスタに対し直列に接続され、一方端が前記第1のノード側に設けられ、他方端が前記第2のノード側に設けられ、電流供給時に一方端と他方端との間に所定の電位差を生じさせる電位差設定手段とを備える、
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The third switching means includes
At least one operation state transistor that is turned off in the standby state and turned on in the operation state;
Connected in series to the transistor for operation state, one end is provided on the first node side, the other end is provided on the second node side, and between the one end and the other end when supplying current. A potential difference setting means for generating a predetermined potential difference;
Semiconductor device.
請求項4記載の半導体装置であって、
前記電位差設定手段は、ダイオード接続のMOSトランジスタを含む、
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 4,
The potential difference setting means includes a diode-connected MOS transistor,
Semiconductor device.
請求項4記載の半導体装置であって、
前記電位差設定手段は、各々がダイオード接続され、かつ互いに直列に接続される複数のダイオード接続のMOSトランジスタを含む、
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 4,
The potential difference setting means includes a plurality of diode-connected MOS transistors, each of which is diode-connected and connected in series to each other.
Semiconductor device.
請求項4ないし請求項6のうち、いずれか1項に記載の半導体装置であって、
前記少なくとも一つの動作状態用トランジスタは、
一方電極が前記第1のノードに接続され、他方電極が前記電位差設定手段の一方端に接続される第1の動作状態用トランジスタと、
一方電極が前記第2のノードに接続され、他方電極が前記電位差設定手段の他方端に接続される第2の動作状態用トランジスタとを含む、
半導体装置。
A semiconductor device according to any one of claims 4 to 6,
The at least one operation state transistor includes:
A first operating state transistor having one electrode connected to the first node and the other electrode connected to one end of the potential difference setting means;
A second operating state transistor having one electrode connected to the second node and the other electrode connected to the other end of the potential difference setting means;
Semiconductor device.
請求項1ないし請求項7のうち、いずれか1項に記載の半導体装置であって、
前記制御対象論理回路の前記論理ゲートは複数の論理ゲートを含み、
前記複数の論理ゲートはそれぞれ前記少なくとも一つのMOSトランジスタを含む、
半導体装置。
A semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
The logic gate of the controlled logic circuit includes a plurality of logic gates;
Each of the plurality of logic gates includes the at least one MOS transistor;
Semiconductor device.
請求項1ないし請求項8のうち、いずれか1項に記載の半導体装置であって、
前記所定の基板は、半導体基板、前記半導体基板上に形成された埋込絶縁膜及び前記埋込絶縁膜上に形成されたSOI層を有するSOI基板を含む、
半導体装置。
A semiconductor device according to any one of claims 1 to 8,
The predetermined substrate includes a semiconductor substrate, an SOI substrate having a buried insulating film formed on the semiconductor substrate and an SOI layer formed on the buried insulating film,
Semiconductor device.
請求項1ないし請求項8のうち、いずれか1項に記載の半導体装置であって、
前記所定の基板は、バルク基板を含む、
半導体装置。
A semiconductor device according to any one of claims 1 to 8,
The predetermined substrate includes a bulk substrate,
Semiconductor device.
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