JP2008182004A - 半導体集積回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い製造歩留を可能とするアクティブモードでの基板バイアス技術を採用すると伴に、アクティブモードでの信号処理の動作消費電力と信号遅延量の変動を軽減すること。
【解決手段】付加容量回路CC1の付加PMOSQp4、付加NMOSQn4は、CMOS回路STC1、2、3のPMOS、NMOSと同一製造プロセスで製造される。電源配線Vdd_MとNウェルN_Wellとの間に付加PMOSQp4のゲート容量が接続され、接地配線Vss_MとPウェルP_Wellとの間に付加NMOSQn4のゲート容量が接続される。電源配線Vdd_Mのノイズはゲート容量Cqp04を介してNウェルN_Wellに伝達され、接地配線Vss_Mのノイズはゲート容量Cqn04を介してPウェルP_Wellに伝達される。CMOS回路STC1、2、3のPMOS、NMOSのソース・ウェル間の基板バイアス電圧のノイズ変動が低減される。
【選択図】図1
【解決手段】付加容量回路CC1の付加PMOSQp4、付加NMOSQn4は、CMOS回路STC1、2、3のPMOS、NMOSと同一製造プロセスで製造される。電源配線Vdd_MとNウェルN_Wellとの間に付加PMOSQp4のゲート容量が接続され、接地配線Vss_MとPウェルP_Wellとの間に付加NMOSQn4のゲート容量が接続される。電源配線Vdd_Mのノイズはゲート容量Cqp04を介してNウェルN_Wellに伝達され、接地配線Vss_Mのノイズはゲート容量Cqn04を介してPウェルP_Wellに伝達される。CMOS回路STC1、2、3のPMOS、NMOSのソース・ウェル間の基板バイアス電圧のノイズ変動が低減される。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体集積回路に関し、特に高い製造歩留を可能とするアクティブモードで基板バイアス技術を採用すると伴に、アクティブモードでの信号処理の動作消費電力と信号遅延量の変動を軽減するのに有益な技術に関するものである。
半導体デバイスの微細化によるショートチャンネル効果により、MOSトランジスタのしきい値電圧が低下すると伴に、サブスレッショルドリーク電流の増加が顕在化してきている。MOSトランジスタのしきい値電圧以下の特性がサブスレッショルド特性であり、MOSシリコン表面が弱反転状態のリーク電流がサブスレッショルドリーク電流と呼ばれる。このようなリーク電流を低減させる方法として、基板バイアス技術が良く知られている。MOSトランジスタが形成された半導体基板(CMOSの場合には、ウェルと呼ばれる)に所定の基板バイアス電圧を印加することにより、サブスレッショルドリーク電流を低減することができる。
下記の非特許文献1には、アクティブモードとスタンドバイモードとで、基板バイアス電圧を切り換えることが記載されている。アクティブモードでは、CMOSのNMOSのPウェルに印加されるNMOS基板バイアス電圧Vbnは、NMOSのN型ソースに印加される接地電圧Vss(0ボルト)に設定される。また、CMOSのPMOSのNウェルに印加されるPMOS基板バイアス電圧Vbpは、PMOSのP型ソースに印加される電源電圧Vdd(1.8ボルト)に設定される。サブスレッショルドリーク電流を低減するスタンドバイモードでは、CMOSのNMOSのN型ソースに印加される接地電圧Vss(0ボルト)に対して、Pウェルに印加されるNMOS基板バイアス電圧Vbnは逆バイアスの負電圧(−1.5ボルト)に設定される。また、CMOSのPMOSのP型ソースに印加される電源電圧Vdd(1.8ボルト)に対して、Nウェルに印加されるPMOS基板バイアス電圧Vbpは逆バイアスの正電圧(3.3ボルト)に設定される。
また、下記の特許文献1には、基板バイアス電圧を切り換える際のラッチアップを誘発するノイズを軽減するため、論理回路の内部の未使用セルに基板バイアス電圧を切り換えるスイッチ素子を分散配置することが記載されている。更に、下記の特許文献1には、未使用セルのPMOSのP型ソースとNMOSのN型ソースとを電源電圧Vddと接地電圧Vssとにそれぞれ接続して、ノイズ低減のための容量を付加することも記載されている。
Hiroyuki Mizuno et al,"A 18μA−Standby−Current 1.8V 200MHz Microprocessor with Self Substrate−Biased Data−Retention Mode", 1999 IEEE International Solid−State Circuits Conference DIGEST OF TECHNICAL PAPPERS,pp.280−281,468.
国際公開番号 WO00/65650 公報
本発明者等は、入力信号の処理を行うアクティブモードにおいて、MOSトランジスタに基板バイアス電圧を印加すると言うアクティブ基板バイアス技術の採用を本発明に先立って検討した。これは、アクティブモードで、MOSトランジスタのソースとMOSトランジスタの基板(ウェル)との間に印加される基板バイアス電圧のレベルを調整することにより、MOSトランジスタのしきい値電圧のバラツキを補償すると言うものである。
従来の基板バイアス技術は、半導体デバイスの微細化によるMOSトランジスタのしきい値電圧の低下によるスタンドバイモードのサブスレッショルドリーク電流を低減するものである。しかし、半導体デバイスの更なる微細化によって、MOSトランジスタのしきい値電圧のチップ間のバラツキが顕在化している。すなわち、MOSトランジスタのしきい値電圧が低すぎると、半導体集積回路がディジタル入力信号やアナログ入力信号の信号処理を行うアクティブモードでの動作消費電力が著しく増大してしまう。逆に、MOSトランジスタが高すぎると、半導体集積回路がディジタル入力信号やアナログ入力信号の信号処理を行うアクティブモードでの動作速度が著しく低下してしまう。その結果、MOSLSIの製造に際してのMOSトランジスタのしきい値電圧のプロセスウィンドウが極めて狭く、MOSLSIの製造歩留が著しく低くなってしまう。
このような問題を解消するために、アクティブ基板バイアス技術が本発明に先立って本発明者等により検討された。このアクティブ基板バイアス技術では、製造されたMOSトランジスタのしきい値電圧が測定される。もし、しきい値電圧のバラツキが大きければ、基板バイアス電圧のレベルを調整してバラツキを所定の誤差範囲に制御するものである。MOSトランジスタのソースに印加される動作電圧に対してMOSトランジスタの基板(ウェル)には、逆バイアスまたは極めて浅い順バイアスの基板バイアス電圧が印加される。
このようにして、アクティブ基板バイアス技術を採用することにより、MOSLSIの製造歩留を向上すると伴に、信号処理を行うアクティブモードでの動作消費電力の増大もしくは信号処理を行うアクティブモードでの動作速度の低下を回避することができる。
一方、このアクティブモードでの基板バイアス技術の採用によって、新たな問題が明らかとなった。それは、アクティブモードでのディジタル入力信号やアナログ入力信号の信号処理による充放電電流によりCMOSのNMOSのN型ソースの接地電圧VssやPMOSのP型ソースの電源電圧Vddにノイズが誘起されることである。一方、アクティブモードの間にNMOSのPウェルとPMOSのNウェルとにそれぞれ印加されるNMOS基板バイアス電圧VbnとPMOS基板バイアス電圧Vbpのレベルは、略安定に維持されている。従って、ソース・基板間のバイアス電圧がノイズで変動するため、MOSトランジスタのしきい値電圧が変動する。その結果、信号処理の動作消費電力と信号遅延量とが変動してしまうと言う問題が、本発明者等の検討により明らかとされた。
従って、本発明は本発明に先立った本発明者等による検討を基にしてなされたものである。従って、本発明の目的とするところは、高い製造歩留を可能とするアクティブモードでの基板バイアス技術を採用すると伴に、アクティブモードでの信号処理の動作消費電力と信号遅延量の変動を軽減することにある。
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴とは、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち代表的なものについて簡単に説明すれば下記のとおりである。
即ち、本発明の代表的な半導体集積回路は、入力信号を処理するCMOS回路と、前記CMOS回路と同一製造プロセスで製造された付加容量回路とを含む。前記CMOS回路と前記付加容量回路とは、Nウェルを有するPMOSと付加PMOSと、Pウェルを有するNMOSと付加NMOSとを含む。前記CMOS回路の前記PMOSのソースと前記付加容量回路の前記付加PMOSのソースとは第1動作電圧配線に電気的に接続され、前記CMOS回路の前記NMOSのソースと前記付加容量回路の前記付加NMOSのソースとは第2動作電圧配線に電気的に接続される。前記NウェルにはPMOS基板バイアス電圧が供給されることが可能であり、前記PウェルにはNMOS基板バイアス電圧が供給されることが可能である。前記Nウェルには前記付加容量回路の前記付加PMOSのゲートが電気的に接続され、前記Pウェルには前記付加容量回路の前記付加NMOSのゲートが電気的に接続される。
従って、本発明の代表的な半導体集積回路によれば、前記第1動作電圧配線と前記Nウェルとの間には前記付加容量回路の前記付加PMOSのゲートの寄生容量が接続され、前記第2動作電圧配線と前記Pウェルとの間には前記付加容量回路の前記付加NMOSのゲートの寄生容量が接続されている。その結果、前記付加PMOSのゲートの寄生容量を介して前記第1動作電圧配線の充放電ノイズがNウェルのPMOS基板バイアス電圧に伝達され、前記付加NMOSのゲートの寄生容量を介して前記第2動作電圧配線の充放電ノイズがPウェルのNMOS基板バイアス電圧に伝達される。従って、PMOSのソース・ウェル間の基板バイアス電圧のノイズ変動とNMOSのソース・ウェル間の基板バイアス電圧のノイズ変動とが、低減される。その結果、アクティブモードでの基板バイアス技術の採用によるアクティブモードでの信号処理による充放電電流による信号処理の動作消費電力と信号遅延量の変動を軽減することができる。また、ノイズ低減用の補償容量を、CMOS回路と同一製造プロセスで製造される付加容量回路の付加PMOSのゲート寄生容量と付加NMOSのゲート寄生容量とでローコストで形成することが可能となる。
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。
すなわち、本発明によれば、高い製造歩留を可能とするアクティブモードでの基板バイアス技術を採用すると伴に、アクティブモードでの信号処理の動作消費電力と信号遅延量の変動を軽減することができる。
《代表的な実施の形態》
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。
〔1〕本発明の代表的な実施の形態に係る半導体集積回路(Chip)は、入力信号(In1)を処理するCMOS回路(ST1、ST2、ST3)と、前記CMOS回路と同一製造プロセスで製造された付加容量回路(CC1)とを含む。前記CMOS回路と前記付加容量回路とは、Nウェル(N_Well)を有するPMOS(Qp01、Qp02、Qp03)と付加PMOS(Qp04)と、Pウェル(P_Well)を有するNMOS(Qn01、Qn02、Qn03)と付加NMOS(Qn04)とを含む。前記CMOS回路の前記PMOSのソースと前記付加容量回路の前記付加PMOSのソースとは第1動作電圧配線(Vdd_M)に電気的に接続され、前記CMOS回路の前記NMOSのソースと前記付加容量回路の前記付加NMOSのソースとは第2動作電圧配線(Vss_M)に電気的に接続される。前記NウェルにはPMOS基板バイアス電圧(Vbp)が供給されることが可能であり、前記PウェルにはNMOS基板バイアス電圧(Vbn)が供給されることが可能である。前記付加容量回路(CC1)の前記付加PMOS(Qp04)のゲート電極(G)は前記Nウェル(N_Well)に電気的に接続され、前記付加容量回路(CC1)の前記付加NMOS(Qn04)のゲート電極(G)は前記Pウェル(P_Well)に電気的に接続されている(図1、図2、図3参照)。
従って、前記実施の形態によれば、前記第1動作電圧配線と前記Nウェルとの間には前記付加容量回路の前記付加PMOSのゲートの寄生容量(Cqp04)が接続され、前記第2動作電圧配線と前記Pウェルとの間には前記付加容量回路の前記付加NMOSのゲートの寄生容量(Cqn04)が接続されている。その結果、前記付加PMOSのゲートの寄生容量を介して前記第1動作電圧配線の充放電ノイズがPMOS基板バイアス電圧に伝達され、前記付加NMOSのゲートの寄生容量を介して前記第2動作電圧配線の充放電ノイズがNMOS基板バイアス電圧に伝達される。その結果、アクティブモードでの基板バイアス技術の採用によるアクティブモードでの信号処理による充放電電流による信号処理の信号遅延量の変動を軽減することができる(図4参照)。
好適な形態による半導体集積回路(Chip)では、前記第1動作電圧配線(Vdd_M)と前記Nウェル(N_Well)との間には、前記付加容量回路(CC1)の前記付加PMOS(Qp04)の前記ソース(S)と前記ゲート電極(G)との間のソース・ゲート・オーバーラップ容量と前記付加容量回路(CC1)の前記付加PMOS(Qp04)の前記ソース(S)と前記Nウェル(N_Well)との間のソース・ウェル接合容量とが少なくとも並列に接続されている。前記第2動作電圧配線(Vss_M)と前記Pウェル(P_Well)との間には、前記付加容量回路(CC1)の前記付加NMOS(Qn04)の前記ソース(S)と前記ゲート電極(G)との間のソース・ゲート・オーバーラップ容量と前記付加容量回路(CC1)の前記付加NMOS(Qn04)の前記ソース(S)と前記Pウェル(P_Well)との間のソース・ウェル接合容量とが少なくとも並列に接続されている。
より好適な形態による半導体集積回路(Chip)では、前記付加容量回路(CC1)の前記付加PMOS(Qp04)の前記ソース(S)はドレイン(D)と電気的に接続され、前記付加容量回路(CC1)の前記付加NMOS(Qn04)の前記ソース(S)はドレイン(D)と電気的に接続されている。前記第1動作電圧配線(Vdd_M)と前記Nウェル(N_Well)との間には、前記付加容量回路(CC1)の前記付加PMOS(Qp04)の前記ドレイン(D)と前記ゲート電極(G)との間のドレイン・ゲート・オーバーラップ容量と前記付加容量回路(CC1)の前記付加PMOS(Qp04)の前記ドレイン(D)と前記Nウェル(N_Well)との間のドレイン・ウェル接合容量とが更に並列に接続されている。前記第2動作電圧配線(Vss_M)と前記Pウェル(P_Well)との間には、前記付加容量回路(CC1)の前記付加NMOS(Qn04)の前記ドレイン(D)と前記ゲート電極(G)との間のドレイン・ゲート・オーバーラップ容量と前記付加容量回路(CC1)の前記付加NMOS(Qn04)の前記ドレイン(D)と前記Pウェル(P_Well)との間のドレイン・ウェル接合容量とが更に並列に接続されている。
更により好適な形態による半導体集積回路(Chip)は、前記第1動作電圧配線(Vdd_M)に供給される第1動作電圧(Vdd)から前記PMOS基板バイアス電圧(Vbp)を生成する第1電圧生成部(CP_P)と、前記第2動作電圧配線(Vss_M)に供給される第2動作電圧(Vss)から前記NMOS基板バイアス電圧(Vbn)を生成する第2電圧生成部(CP_N)とを含む(図5参照)。
具体的な一つの形態による半導体集積回路(Chip)では、前記CMOS回路の前記PMOSの前記ソースに供給される前記第1動作電圧(Vdd)に対して前記Nウェルに供給される前記PMOS基板バイアス電圧(Vbp)は逆バイアスに設定されている。前記CMOS回路の前記NMOSの前記ソースに供給される前記第2動作電圧(Vss)に対して前記Pウェルに供給される前記NMOS基板バイアス電圧(Vbn)は逆バイアスに設定されている。前記第1動作電圧(Vdd)よりも高いレベルに設定された前記PMOS基板バイアス電圧(Vbp)が前記Nウェルに供給されることにより、前記Nウェル(N_Well)を有する前記PMOS(Qp01、Qp02、Qp03)は高しきい値電圧で低リーク電流の状態に制御される。前記第2動作電圧(Vss)よりも低いレベルに設定された前記NMOS基板バイアス電圧(Vbn)が前記Pウェルに供給されることにより、前記Pウェル(P_Well)を有する前記NMOS(Qn01、Qn02、Qn03)は高しきい値電圧で低リーク電流の状態に制御される(図16(a)、(b)参照)。
他の具体的な一つの形態による半導体集積回路(Chip)は、前記第1動作電圧(Vdd)よりも高いレベルに設定された前記PMOS基板バイアス電圧(Vbp)を前記Nウェルに供給するか否かと前記第2動作電圧(Vss)よりも低いレベルに設定された前記NMOS基板バイアス電圧(Vbn)を前記Pウェルに供給するか否かとを決定する制御情報を格納する制御メモリ(Cnt_MM)を含む(図13参照)。
更に他の具体的な一つの形態による半導体集積回路(Chip)では、前記CMOS回路の前記PMOSの前記ソースに供給される前記第1動作電圧(Vdd)に対して前記Nウェルに供給される前記PMOS基板バイアス電圧(Vbp)は順バイアスに設定されている。前記CMOS回路の前記NMOSの前記ソースに供給される前記第2動作電圧(Vss)に対して前記Pウェルに供給される前記NMOS基板バイアス電圧(Vbn)は順バイアスに設定されている。前記第1動作電圧(Vdd)よりも低いレベルに設定された前記PMOS基板バイアス電圧(Vbp)が前記Nウェルに供給されることにより、前記Nウェル(N_Well)を有する前記PMOS(Qp01、Qp02、Qp03)は低しきい値電圧で高リーク電流の状態に制御される。前記第2動作電圧(Vss)よりも高いレベルに設定された前記NMOS基板バイアス電圧(Vbn)が前記Pウェルに供給されることにより、前記Pウェル(P_Well)を有する前記NMOS(Qn01、Qn02、Qn03)は低しきい値電圧で高リーク電流の状態に制御される(図20(a)、(b)参照)。
また他の具体的な一つの形態による半導体集積回路(Chip)は、前記第1動作電圧(Vdd)よりも低いレベルに設定された前記PMOS基板バイアス電圧(Vbp)を前記Nウェルに供給するか否かと前記第2動作電圧(Vss)よりも高いレベルに設定された前記NMOS基板バイアス電圧(Vbn)を前記Pウェルに供給するか否かとを決定する制御情報を格納する制御メモリ(Cnt_MM)を含む(図19参照)。
また更に他の具体的な一つの形態による半導体集積回路(Chip)では、前記CMOS回路は、前記Nウェル(N_Well)を有するP型高不純物濃度領域(DP1、DP2、DP3)と、前記Pウェル(P_Well)を有するN型高不純物濃度領域(DN1、DN2、DN3)を含む。前記CMOS回路の前記PMOSの前記ソースと前記Nウェルとの間には、前記P型高不純物濃度領域と前記Nウェル(N_Well)とで構成された第1ダイオード(DP1、DP2、DP3)が接続される。前記CMOS回路の前記NMOSの前記ソースと前記Pウェルとの間には、前記N型高不純物濃度領域と前記Pウェル(P_Well)とで構成された第2ダイオード(DN1、DN2、DN3)が接続される(図9、図10、図11、図12参照)。
更に他の具体的な一つの実施の形態による半導体集積回路では、前記CMOS回路の前記複数のPMOSは、SOI構造のPMOSである。前記CMOS回路の前記複数のNMOSは、SOI構造のNMOSである。前記複数のPMOSのソースとドレインと前記複数のNMOSのソースとドレインとは、前記SOI構造の絶縁膜の上のシリコンに形成される。前記複数のPMOSの前記Nウェル(N_Well)と前記複数のNMOSの前記Pウェル(P_Well)とは、前記SOI構造の前記絶縁膜の下のシリコン基板(P_Sub)中に形成されている(図22)。
従って、前記更に他の具体的な一つの実施の形態によれば、ドレインとウェルとの間の容量を低減でき、高速・低消費電力の半導体集積回路を提供することができる。
〔2〕別の観点による半導体集積回路(Chip)は、入力信号(In1)を処理するMOS回路(ST1、ST2、ST3)と、前記MOS回路と同一製造プロセスで製造された付加容量回路(CC1)とを含む。前記MOS回路と前記付加容量回路とは、基板(P_Well)を有するMOS(Qn01、Qn02、Qn03)と付加MOS(Qn04)とを含む。前記MOS回路の前記MOSのソースと前記付加容量回路の前記付加MOSのソースとは第1動作電圧配線(Vss_M)に電気的に接続される。前記基板(P_Well)にはMOS基板バイアス電圧(Vbn)が供給されることが可能である。前記付加容量回路(CC1)の前記付加MOS(Qn04)のゲート電極(G)は前記基板(P_Well)に電気的に接続されている(図1、図2、図3参照)。
従って、前記実施の形態によれば、前記第1動作電圧配線と前記基板との間には前記付加容量回路の前記付加MOSのゲートの寄生容量(Cqn04)が接続されている。その結果、前記付加MOSのゲートの寄生容量を介して前記第1動作電圧配線の充放電ノイズがMOS基板バイアス電圧に伝達される。その結果、アクティブモードでの基板バイアス技術の採用によるアクティブモードでの信号処理による充放電電流による信号処理の信号遅延量の変動を軽減することができる(図4参照)。
好適な形態による半導体集積回路(Chip)では、前記第1動作電圧配線(Vss_M)と前記基板(P_Well)との間には、前記付加容量回路(CC1)の前記付加MOS(Qn04)の前記ソース(S)と前記ゲート電極(G)との間のソース・ゲート・オーバーラップ容量と前記付加容量回路(CC1)の前記付加MOS(Qn04)の前記ソース(S)と前記基板(P_Well)との間のソース・基板接合容量とが少なくとも並列に接続されている。
より好適な形態による半導体集積回路(Chip)では、前記付加容量回路(CC1)の前記付加MOS(Qn04)の前記ソース(S)はドレイン(D)と電気的に接続されている。前記第1動作電圧配線(Vss_M)と前記基板(P_Well)との間には、前記付加容量回路(CC1)の前記付加MOS(Qn04)の前記ドレイン(D)と前記ゲート電極(G)との間のドレイン・ゲート・オーバーラップ容量と前記付加容量回路(CC1)の前記付加MOS(Qn04)の前記ドレイン(D)と前記基板(P_Well)との間のドレイン・基板接合容量とが更に並列に接続されている。
更により好適な形態による半導体集積回路(Chip)は、前記第1動作電圧配線(Vss_M)に供給される第1動作電圧(Vss)から前記MOS基板バイアス電圧(Vbn)を生成する電圧生成部(CP_N)を含む(図5参照)。
具体的な一つの形態による半導体集積回路(Chip)では、前記MOS回路の前記MOSの前記ソースに供給される前記第1動作電圧(Vss)に対して前記基板に供給される前記MOS基板バイアス電圧(Vbn)は逆バイアスに設定されている。前記第1動作電圧(Vss)よりも低いレベルに設定された前記MOS基板バイアス電圧(Vbn)が前記基板に供給されることにより、前記基板(P_Well)に形成された前記MOS(Qn01、Qn02、Qn03)は高しきい値電圧で低リーク電流の状態に制御される(図16(a)、(b)参照)。
他の具体的な一つの形態による半導体集積回路(Chip)は、前記第1動作電圧(Vss)よりも低いレベルに設定された前記MOS基板バイアス電圧(Vbn)を前記基板に供給するか否かを決定する制御情報を格納する制御メモリ(Cnt_MM)を含む(図13参照)。
更に他の具体的な一つの形態による半導体集積回路(Chip)では、前記MOS回路の前記MOSの前記ソースに供給される前記第1動作電圧(Vss)に対して前記基板に供給される前記MOS基板バイアス電圧(Vbn)は順バイアスに設定されている。前記第1動作電圧(Vss)よりも高いレベルに設定された前記MOS基板バイアス電圧(Vbn)が前記基板に供給されることにより、前記基板(P_Well)に形成された前記MOS(Qn01、Qn02、Qn03)は低しきい値電圧で高リーク電流の状態に制御される(図20(a)、(b)参照)。
また他の具体的な一つの形態による半導体集積回路(Chip)は、前記第1動作電圧(Vss)よりも高いレベルに設定された前記MOS基板バイアス電圧(Vbn)を前記基板に供給するか否かを決定する制御情報を格納する制御メモリ(Cnt_MM)を含む(図19参照)。
また更に他の具体的な一つの形態による半導体集積回路(Chip)では、前記MOS回路は、前記基板(P_Well)に形成された高不純物濃度領域(DN1、DN2、DN3)を含む。前記CMOS回路の前記MOSの前記ソースと前記基板との間には、前記高不純物濃度領域と前記基板(P_Well)とで構成されたダイオード(DN1、DN2、DN3)が接続される(図9、図10、図11、図12参照)。
更に他の具体的な一つの実施の形態による半導体集積回路では、前記MOS回路の前記複数のMOSは、SOI構造のMOSである。前記複数のMOSのソースとドレインとは、前記SOI構造の絶縁膜の上のシリコンに形成される。前記複数のMOSの前記ウェル(P_Well)は、前記SOI構造の前記絶縁膜の下のシリコン基板(P_Sub)中に形成されている(図22)。
従って、前記更に他の具体的な一つの実施の形態によれば、ドレインとウェルとの間の容量を低減でき、高速・低消費電力の半導体集積回路を提供することができる。
《実施の形態の説明》
次に、実施の形態について更に詳述する。
次に、実施の形態について更に詳述する。
《半導体集積回路の構成》
図1は、本発明の1つの実施の形態による半導体集積回路を示す回路図である。図1の半導体集積回路のコアCoreは、インバータ回路であるスタンダードセルSTC1、2、3と、ゲート容量Cqp04、Cqn04を付加する付加容量セルCC1とを含んでいる。図2は、図1に示した半導体集積回路のデバイス平面構造を示すレイアウト図である。図3は、図2の要部の断面図である。
図1は、本発明の1つの実施の形態による半導体集積回路を示す回路図である。図1の半導体集積回路のコアCoreは、インバータ回路であるスタンダードセルSTC1、2、3と、ゲート容量Cqp04、Cqn04を付加する付加容量セルCC1とを含んでいる。図2は、図1に示した半導体集積回路のデバイス平面構造を示すレイアウト図である。図3は、図2の要部の断面図である。
《スタンダードセルの構成》
1段目のインバータのスタンダードセルSTC1は、Pチャネル型MOSトランジスタQp01およびNチャネル型MOSトランジスタQn01より構成される。Pチャネル型MOSトランジスタQp01のゲート電極とNチャネル型MOSトランジスタQn01のゲート電極とに、入力信号In1が供給される。Pチャネル型MOSトランジスタQp01のドレイン電極とNチャネル型MOSトランジスタQn01のドレイン電極とから、次段のスタンダードセルSTC2の入力信号In1となる出力信号が得られる。Pチャネル型MOSトランジスタQp01のソース電極は電源配線Vdd_Mに接続されることによりソース電極には電源電圧Vddが供給され、Nチャネル型MOSトランジスタQn01のソース電極は接地配線Vss_Mに接続されることによりソース電極には接地電圧Vssが供給される。Pチャネル型MOSトランジスタQp01のNウェルN_WellはPMOS基板バイアス配線Vbp_Mに接続されることにより、NウェルにはPMOS基板バイアス電圧Vbpが供給される。Nチャネル型MOSトランジスタQn01のPウェルP_WellはNMOS基板バイアス配線Vbn_Mに接続されることにより、PウェルにはNMOS基板バイアス電圧Vbpが供給される。
1段目のインバータのスタンダードセルSTC1は、Pチャネル型MOSトランジスタQp01およびNチャネル型MOSトランジスタQn01より構成される。Pチャネル型MOSトランジスタQp01のゲート電極とNチャネル型MOSトランジスタQn01のゲート電極とに、入力信号In1が供給される。Pチャネル型MOSトランジスタQp01のドレイン電極とNチャネル型MOSトランジスタQn01のドレイン電極とから、次段のスタンダードセルSTC2の入力信号In1となる出力信号が得られる。Pチャネル型MOSトランジスタQp01のソース電極は電源配線Vdd_Mに接続されることによりソース電極には電源電圧Vddが供給され、Nチャネル型MOSトランジスタQn01のソース電極は接地配線Vss_Mに接続されることによりソース電極には接地電圧Vssが供給される。Pチャネル型MOSトランジスタQp01のNウェルN_WellはPMOS基板バイアス配線Vbp_Mに接続されることにより、NウェルにはPMOS基板バイアス電圧Vbpが供給される。Nチャネル型MOSトランジスタQn01のPウェルP_WellはNMOS基板バイアス配線Vbn_Mに接続されることにより、PウェルにはNMOS基板バイアス電圧Vbpが供給される。
2段目のスタンダードセルSTC2と3段目のスタンダードセルSTC3も、1段目のスタンダードセルSTC1と同様に、Pチャネル型MOSトランジスタQp02およびNチャネル型MOSトランジスタQn02、Pチャネル型MOSトランジスタQp03およびNチャネル型MOSトランジスタQn03より構成されている。
《付加容量セルの構成》
付加容量セルCC1は、Pチャネル型MOSトランジスタQp04およびNチャネル型MOSトランジスタQn04より構成される。Pチャネル型MOSトランジスタQp04のゲート電極はPMOS基板バイアス配線Vbp_Mに接続されることによりゲート電極にはPMOS基板バイアス電圧Vbpが供給され、Nチャネル型MOSトランジスタQn04のゲート電極はNMOS基板バイアス配線Vbn_Mに接続されることによりゲート電極にはNMOS基板バイアス電圧Vbpが供給される。Pチャネル型MOSトランジスタQp04のソース電極とドレイン電極とは電源配線Vdd_Mに接続されることによりソース電極とドレイン電極とには電源電圧Vddが供給され、Nチャネル型MOSトランジスタQn04のソース電極とドレイン電極とは接地配線Vss_Mに接続されることによりソース電極とドレイン電極とには接地電圧Vssが供給される。
付加容量セルCC1は、Pチャネル型MOSトランジスタQp04およびNチャネル型MOSトランジスタQn04より構成される。Pチャネル型MOSトランジスタQp04のゲート電極はPMOS基板バイアス配線Vbp_Mに接続されることによりゲート電極にはPMOS基板バイアス電圧Vbpが供給され、Nチャネル型MOSトランジスタQn04のゲート電極はNMOS基板バイアス配線Vbn_Mに接続されることによりゲート電極にはNMOS基板バイアス電圧Vbpが供給される。Pチャネル型MOSトランジスタQp04のソース電極とドレイン電極とは電源配線Vdd_Mに接続されることによりソース電極とドレイン電極とには電源電圧Vddが供給され、Nチャネル型MOSトランジスタQn04のソース電極とドレイン電極とは接地配線Vss_Mに接続されることによりソース電極とドレイン電極とには接地電圧Vssが供給される。
その結果、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、2、3のソース電極が接続された電源配線Vdd_MとPMOSQp01、2、3のNウェルN_Wellが接続されたPMOS基板バイアス配線Vbp_Mとの間には、付加容量セルCC1のPMOSQp04の大きなゲート容量Cqp04が接続されている。また、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn01、2、3のソース電極が接続された接地配線Vss_MとNMOSQn01、2、3のPウェルP_Wellが接続されたNMOS基板バイアス配線Vbn_Mとの間には、付加容量セルCC1のNMOSQn04の大きなゲート容量Cqn04が接続されている。
《基板バイアス電圧》
スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、2、3のP型ソース電極に供給される電源配線Vdd_Mの電源電圧Vddに対して、PMOSQp01、2、3のNウェルN_Wellに供給されるPMOS基板バイアス電圧Vbpは逆バイアスに設定されている。すなわち、PMOSQp01、2、3のP型ソース電極に供給される電源電圧Vddよりも、PMOSQp01、2、3のNウェルN_Wellに供給されるPMOS基板バイアス電圧Vbpは高いレベルに設定される。その結果、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、2、3は、高しきい値電圧で低リーク電流の状態に制御される。PMOSQp01、2、3のP型ソース電極とNウェルN_Wellとに、例えば電源電圧Vddのような同一レベルの電圧が供給されると、PMOSQp01、2、3には逆バイアスの基板バイアス電圧は印加されていない状態となる。この状態では、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、2、3は、低しきい値電圧で高リーク電流の状態である。
スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、2、3のP型ソース電極に供給される電源配線Vdd_Mの電源電圧Vddに対して、PMOSQp01、2、3のNウェルN_Wellに供給されるPMOS基板バイアス電圧Vbpは逆バイアスに設定されている。すなわち、PMOSQp01、2、3のP型ソース電極に供給される電源電圧Vddよりも、PMOSQp01、2、3のNウェルN_Wellに供給されるPMOS基板バイアス電圧Vbpは高いレベルに設定される。その結果、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、2、3は、高しきい値電圧で低リーク電流の状態に制御される。PMOSQp01、2、3のP型ソース電極とNウェルN_Wellとに、例えば電源電圧Vddのような同一レベルの電圧が供給されると、PMOSQp01、2、3には逆バイアスの基板バイアス電圧は印加されていない状態となる。この状態では、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、2、3は、低しきい値電圧で高リーク電流の状態である。
スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn01、2、3のN型ソース電極に供給される接地配線Vss_Mの接地電圧Vssに対して、NMOSQn01、2、3のPウェルP_Wellに供給されるNMOS基板バイアス電圧Vbnは逆バイアスに設定されている。すなわち、NMOSQn01、2、3のN型ソース電極に供給される接地電圧Vssよりも、NMOSQn01、2、3のPウェルP_Wellに供給されるNMOS基板バイアス電圧Vbnは低いレベルに設定される。その結果、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn01、2、3は、高しきい値電圧で低リーク電流の状態に制御される。NMOSQn01、2、3のN型ソース電極とPウェルP_Wellとに、例えば接地電圧Vssのような同一レベルの電圧が供給されると、NMOSQn01、2、3には逆バイアスの基板バイアス電圧は印加されていない状態となる。この状態では、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn01、2、3は、低しきい値電圧で高リーク電流の状態である。
《平面レイアウトおよび断面構造》
図2は、図1に示した半導体集積回路のデバイス平面構造を示すレイアウト図である。スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、Qp02、Qp03は、多結晶シリコン層により構成されたゲート電極G、NウェルN_Well、P型高不純物濃度ソース領域、P型高不純物濃度ドレイン領域を含んでいる。付加容量セルCC1のPMOSQp04も、多結晶シリコン層により構成されたゲート電極G、NウェルN_Well、P型高不純物濃度ソース領域、P型高不純物濃度ドレイン領域を含んでいる。PMOSQp01、Qp02、Qp03、Qp04のNウェルN_Wellは、コンタクトホールContを介して、第1層配線M1により構成されたPMOS基板バイアス配線Vbp_Mに接続されている。PMOSQp01、Qp02、Qp03、Qp04のP型高不純物濃度ソース領域Sは、コンタクトホールContを介して、第1層配線M1により構成された電源配線Vdd_Mに接続されている。スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn01、Qn02、Qn03は、多結晶シリコン層により構成されたゲート電極G、PウェルP_Well、N型高不純物濃度ソース領域、N型高不純物濃度ドレイン領域を含んでいる。付加容量セルCC1のNMOSQn04も、多結晶シリコン層により構成されたゲート電極G、PウェルP_Well、N型高不純物濃度ソース領域、N型高不純物濃度ドレイン領域を含んでいる。NMOSQn01、Qn02、Qn03、NMOSQn04のPウェルP_Wellは、コンタクトホールContを介して、第1層配線M1により構成されたNMOS基板バイアス配線Vbn_Mに接続されている。NMOSQn01、Qn02、Qn03、NMOSQn04のN型高不純物濃度ソース領域Sは、コンタクトホールContを介して、第1層配線M1により構成された接地配線Vss_Mに接続されている。付加容量セルCC1のPMOSQp04のゲート電極GとNウェルN_Wellとは第1層配線M1により構成されたPMOS基板バイアス配線Vbp_Mに接続され、付加容量セルCC1のPMOSQp04のP型高不純物濃度ソース領域SとP型高不純物濃度ドレイン領域Dとは第1層配線M1により構成された電源配線Vdd_Mに接続されている。付加容量セルCC1のPMOSQp04の破線A−A´に沿った断面構造が図3の(a)に示されている。図3(a)に示すように、付加容量セルCC1のPMOSQp04のゲート電極Gとドレイン領域Dとの間のオーバーラップ容量とゲート電極Gとソース領域Sとの間のオーバーラップ容量とにより、付加容量セルCC1のPMOSQp04の大きなゲート容量Cqp04の一部が構成されている。また、付加容量セルCC1のPMOSQp04のP型ドレイン領域DとNウェルN_Wellとの間のPN接合とPMOSQp04のP型ソース領域SとNウェルN_Wellとの間のPN接合とにより、付加容量セルCC1のPMOSQp04の大きなゲート容量Cqp04の他の一部が構成されている。付加容量セルCC1のNOSQn04のゲート電極GとPウェルP_Wellとは第1層配線M1により構成されたNMOS基板バイアス配線Vbn_Mに接続され、付加容量セルCC1のNMOSQn04のN型高不純物濃度ソース領域SとN型高不純物濃度ドレイン領域Dとは第1層配線M1により構成された接地配線Vss_Mに接続されている。付加容量セルCC1のNMOSQn04の破線B−B´に沿った断面構造が図3の(b)に示されている。図3(b)に示すように、付加容量セルCC1のNMOSQn04のゲート電極Gとドレイン領域Dとの間のオーバーラップ容量とゲート電極Gとソース領域Sとの間のオーバーラップ容量とにより、付加容量セルCC1のNMOSQn04の大きなゲート容量Cqn04の一部が構成されている。また、付加容量セルCC1のNMOSQn04のN型ドレイン領域DとPウェルP_Wellとの間のPN接合とPMOSQp04のN型ソース領域SとPウェルP_Wellとの間のPN接合とにより、付加容量セルCC1のNMOSQn04の大きなゲート容量Cqn04の他の一部が構成されている。
図2は、図1に示した半導体集積回路のデバイス平面構造を示すレイアウト図である。スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、Qp02、Qp03は、多結晶シリコン層により構成されたゲート電極G、NウェルN_Well、P型高不純物濃度ソース領域、P型高不純物濃度ドレイン領域を含んでいる。付加容量セルCC1のPMOSQp04も、多結晶シリコン層により構成されたゲート電極G、NウェルN_Well、P型高不純物濃度ソース領域、P型高不純物濃度ドレイン領域を含んでいる。PMOSQp01、Qp02、Qp03、Qp04のNウェルN_Wellは、コンタクトホールContを介して、第1層配線M1により構成されたPMOS基板バイアス配線Vbp_Mに接続されている。PMOSQp01、Qp02、Qp03、Qp04のP型高不純物濃度ソース領域Sは、コンタクトホールContを介して、第1層配線M1により構成された電源配線Vdd_Mに接続されている。スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn01、Qn02、Qn03は、多結晶シリコン層により構成されたゲート電極G、PウェルP_Well、N型高不純物濃度ソース領域、N型高不純物濃度ドレイン領域を含んでいる。付加容量セルCC1のNMOSQn04も、多結晶シリコン層により構成されたゲート電極G、PウェルP_Well、N型高不純物濃度ソース領域、N型高不純物濃度ドレイン領域を含んでいる。NMOSQn01、Qn02、Qn03、NMOSQn04のPウェルP_Wellは、コンタクトホールContを介して、第1層配線M1により構成されたNMOS基板バイアス配線Vbn_Mに接続されている。NMOSQn01、Qn02、Qn03、NMOSQn04のN型高不純物濃度ソース領域Sは、コンタクトホールContを介して、第1層配線M1により構成された接地配線Vss_Mに接続されている。付加容量セルCC1のPMOSQp04のゲート電極GとNウェルN_Wellとは第1層配線M1により構成されたPMOS基板バイアス配線Vbp_Mに接続され、付加容量セルCC1のPMOSQp04のP型高不純物濃度ソース領域SとP型高不純物濃度ドレイン領域Dとは第1層配線M1により構成された電源配線Vdd_Mに接続されている。付加容量セルCC1のPMOSQp04の破線A−A´に沿った断面構造が図3の(a)に示されている。図3(a)に示すように、付加容量セルCC1のPMOSQp04のゲート電極Gとドレイン領域Dとの間のオーバーラップ容量とゲート電極Gとソース領域Sとの間のオーバーラップ容量とにより、付加容量セルCC1のPMOSQp04の大きなゲート容量Cqp04の一部が構成されている。また、付加容量セルCC1のPMOSQp04のP型ドレイン領域DとNウェルN_Wellとの間のPN接合とPMOSQp04のP型ソース領域SとNウェルN_Wellとの間のPN接合とにより、付加容量セルCC1のPMOSQp04の大きなゲート容量Cqp04の他の一部が構成されている。付加容量セルCC1のNOSQn04のゲート電極GとPウェルP_Wellとは第1層配線M1により構成されたNMOS基板バイアス配線Vbn_Mに接続され、付加容量セルCC1のNMOSQn04のN型高不純物濃度ソース領域SとN型高不純物濃度ドレイン領域Dとは第1層配線M1により構成された接地配線Vss_Mに接続されている。付加容量セルCC1のNMOSQn04の破線B−B´に沿った断面構造が図3の(b)に示されている。図3(b)に示すように、付加容量セルCC1のNMOSQn04のゲート電極Gとドレイン領域Dとの間のオーバーラップ容量とゲート電極Gとソース領域Sとの間のオーバーラップ容量とにより、付加容量セルCC1のNMOSQn04の大きなゲート容量Cqn04の一部が構成されている。また、付加容量セルCC1のNMOSQn04のN型ドレイン領域DとPウェルP_Wellとの間のPN接合とPMOSQp04のN型ソース領域SとPウェルP_Wellとの間のPN接合とにより、付加容量セルCC1のNMOSQn04の大きなゲート容量Cqn04の他の一部が構成されている。
《アクティブモードの動作》
図4は、図1と図2と図3に示した半導体集積回路のアクティブモードの動作を説明するための波形図である。同図に示すように、スタンダードセルSTC1、2、3では、PMOSQp01、2、3には逆バイアスのPMOS基板バイアス電圧Vbpが印加され、NMOSQn01、2、3にも逆バイアスのNMOS基板バイアス電圧Vbnが印加される。また同図に示すように、1段目のインバータのスタンダードセルSTC1の入力信号In1と、2段目のインバータのスタンダードセルSTC2の入力信号In2と、3段目のインバータのスタンダードセルSTC3の入力信号In3と出力信号In4とが、“ローレベル”から“ハイレベル”または“ハイレベル”から“ローレベル”に変化すると想定する。これらの信号変化期間では、スタンダードセルSTC1、2、3の出力端子の負荷容量の充放電電流が電源配線Vdd_Mから流出したり接地配線Vss_Mへ流入するので、電源配線Vdd_Mの電源電圧Vddのレベルは低下して、接地配線Vss_Mの接地電圧Vssのレベルは上昇しようとする。
図4は、図1と図2と図3に示した半導体集積回路のアクティブモードの動作を説明するための波形図である。同図に示すように、スタンダードセルSTC1、2、3では、PMOSQp01、2、3には逆バイアスのPMOS基板バイアス電圧Vbpが印加され、NMOSQn01、2、3にも逆バイアスのNMOS基板バイアス電圧Vbnが印加される。また同図に示すように、1段目のインバータのスタンダードセルSTC1の入力信号In1と、2段目のインバータのスタンダードセルSTC2の入力信号In2と、3段目のインバータのスタンダードセルSTC3の入力信号In3と出力信号In4とが、“ローレベル”から“ハイレベル”または“ハイレベル”から“ローレベル”に変化すると想定する。これらの信号変化期間では、スタンダードセルSTC1、2、3の出力端子の負荷容量の充放電電流が電源配線Vdd_Mから流出したり接地配線Vss_Mへ流入するので、電源配線Vdd_Mの電源電圧Vddのレベルは低下して、接地配線Vss_Mの接地電圧Vssのレベルは上昇しようとする。
電源配線Vdd_MとPMOS基板バイアス配線Vbp_Mとの間に付加容量セルCC1のPMOSQp04の大きなゲート容量Cqp04が接続されていない場合には、電源配線Vdd_Mの電源電圧Vddのレベルが変動しても、PMOS基板バイアス配線Vbp_Mの電圧はPMOS基板バイアス発生器の出力電圧によって略一定に維持されている。その結果、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、Qp02、Qp03のしきい値電圧Vth(P)は低下していまい、スタンダードセルSTC1、2、3の種々の電気的特性も変動してしまう。接地配線Vss_MとNMOS基板バイアス配線Vbn_Mとの間には付加容量セルCC1のNMOSQn04の大きなゲート容量Cqn04が接続されていない場合には、接地配線Vss_Mの接地電圧Vssのレベルが変動しても、NMOS基板バイアス配線Vbn_Mの電圧はNMOS基板バイアス発生器の出力電圧によって略一定に維持されている。その結果、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn01、Qn02、Qn03のしきい値電圧Vth(N)は低下していまい、スタンダードセルSTC1、2、3の種々の電気的特性も変動してしまう。
《付加容量セルによる効果》
それに対して、図1、図2、図3に示した本発明の1つの実施の形態による半導体集積回路では、電源配線Vdd_MとPMOS基板バイアス配線Vbp_Mとの間には付加容量セルCC1のPMOSQp04の大きなゲート容量Cqp04が接続され、接地配線Vss_MとNMOS基板バイアス配線Vbn_Mとの間には付加容量セルCC1のNMOSQn04の大きなゲート容量Cqn04が接続されている。その結果、電源配線Vdd_Mの電源電圧Vddのレベルが低下すると、PMOS基板バイアス配線Vbp_Mの電圧レベルも低下する。また、接地配線Vss_Mの接地電圧Vssのレベルが上昇すると、NMOS基板バイアス配線Vbn_Mの電圧レベルも上昇する。従って、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、Qp02、Qp03のしきい値電圧Vth(P)とNMOSQn01、Qn02、Qn03のしきい値電圧Vth(N)の低下は軽減され、スタンダードセルSTC1、2、3の種々の電気的特性の変動も軽減される。
それに対して、図1、図2、図3に示した本発明の1つの実施の形態による半導体集積回路では、電源配線Vdd_MとPMOS基板バイアス配線Vbp_Mとの間には付加容量セルCC1のPMOSQp04の大きなゲート容量Cqp04が接続され、接地配線Vss_MとNMOS基板バイアス配線Vbn_Mとの間には付加容量セルCC1のNMOSQn04の大きなゲート容量Cqn04が接続されている。その結果、電源配線Vdd_Mの電源電圧Vddのレベルが低下すると、PMOS基板バイアス配線Vbp_Mの電圧レベルも低下する。また、接地配線Vss_Mの接地電圧Vssのレベルが上昇すると、NMOS基板バイアス配線Vbn_Mの電圧レベルも上昇する。従って、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、Qp02、Qp03のしきい値電圧Vth(P)とNMOSQn01、Qn02、Qn03のしきい値電圧Vth(N)の低下は軽減され、スタンダードセルSTC1、2、3の種々の電気的特性の変動も軽減される。
《コアを含むシステムLSI》
図5は、本発明の1つの実施の形態による半導体集積回路であるシステムLSIの回路図である。図5のロジックのコアCoreは、図1の半導体集積回路に示したスタンダードセルSTC1、2、3と、ゲート容量Cqp04、Cqn04を付加する付加容量セルCC1とを含むコアCoreである。システムLSIは、更に電源パッドVdd_Pad、接地パッドVss_Pad、PMOS制御部P_Cnt、NMOS制御部N_Cntを含んでいる。
図5は、本発明の1つの実施の形態による半導体集積回路であるシステムLSIの回路図である。図5のロジックのコアCoreは、図1の半導体集積回路に示したスタンダードセルSTC1、2、3と、ゲート容量Cqp04、Cqn04を付加する付加容量セルCC1とを含むコアCoreである。システムLSIは、更に電源パッドVdd_Pad、接地パッドVss_Pad、PMOS制御部P_Cnt、NMOS制御部N_Cntを含んでいる。
電源配線Vdd_Mは電源パッドVdd_Padに接続され電源配線Vdd_Mには電源電圧Vddが供給され、接地配線Vss_Mは接地パッドVss_Padに接続され接地配線Vss_Mには接地電圧Vssが供給される。PMOS基板バイアス配線Vbp_Mは、PMOS制御部P_Cntの正電圧生成部CP_PとPMOSQpc11、Qpc1nのドレイン電極とに接続されている。正電圧生成部CP_Pは、例えばチャージポンプ回路で構成され、電源電圧Vddから電源電圧Vddよりも高い電圧Vdd+Δを生成する。PMOSQpc11、Qpc1nのゲートには、制御スイッチ回路Cnt_SW_pが接続されている。NMOS基板バイアス配線Vbn_Mは、NMOS制御部N_Cntの負電圧生成部CP_NとNMOSQnc11、Qnc1nのドレイン電極とに接続されている。負電圧生成部CP_Nは、例えばチャージポンプ回路で構成され、接地電圧Vssから接地電圧Vssよりも低い電圧Vss−Δを生成する。MOSQnc11、Qnc1nのゲートには、制御スイッチ回路Cnt_SW_nが接続されている。
PMOS基板バイアス配線Vbp_Mに電源電位Vddを供給したい時には、正電圧生成部CP_Pをオフして、PMOSQpc11、Qpc1nをオンして、電源パッドVdd_Padから電源電圧Vddを供給する。また、PMOS基板バイアス配線Vbp_Mに電源電圧Vddよりも高い電圧レベルVdd+Δを供給する場合には、正電圧生成部CP_Pをオンして、PMOSQpc11、Qpc1nをオフにする。NMOS基板バイアス配線Vbn_Mに接地電圧Vssを供給したい時には、負電圧生成部CP_Nをオフして、NMOSQnc11、Qnc1nをオンして、接地パッドVss_Padから接地電圧Vssを供給する。また、NMOS基板バイアス配線Vbn_Mに接地電圧Vssよりも低い電圧レベルVss−Δを供給する場合には、負電圧生成部CP_Nをオンして、NMOSQnc11、Qnc1nをオフにする。
《他の実施の形態による半導体集積回路》
《スタンダードセルのウェルでの高不純物濃度領域の削除》
図6は、本発明の他の1つの実施の形態による半導体集積回路を示す回路図である。図7は、図6に示した半導体集積回路のデバイス平面構造を示すレイアウト図である。図8は、図7の要部の断面図である。
《スタンダードセルのウェルでの高不純物濃度領域の削除》
図6は、本発明の他の1つの実施の形態による半導体集積回路を示す回路図である。図7は、図6に示した半導体集積回路のデバイス平面構造を示すレイアウト図である。図8は、図7の要部の断面図である。
図6と図7とに示した半導体集積回路が、図1と図2に示した半導体集積回路と相違するのは、下記の点である。
図1と図2に示した半導体集積回路では、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、02、03のNウェルN_WellとPMOS基板バイアス配線Vbp_Mとを電気的に接続するために、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、02、03のNウェルN_WellにコンタクトホールContを有するN型高不純物濃度領域N+が形成されている。また、図1と図2に示した半導体集積回路では、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn01、02、03のPウェルP_WellとNMOS基板バイアス配線Vbn_Mとを電気的に接続するために、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn01、02、03のPウェルP_WellにコンタクトホールContを有するP型高不純物濃度領域P+が形成されている。
それに対して、図6と図7に示した半導体集積回路では、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp07、08、09のNウェルN_WellからはN型高不純物濃度領域N+が削除され、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn07、08、09のPウェルP_WellからはP型高不純物濃度領域P+が削除されている。すなわち、図6と図7では、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp07、08、09のNウェルN_WellとPMOS基板バイアス配線Vbp_Mとを電気的に接続するために、付加容量セルCC1のPMOSQp10のNウェルN_WellにコンタクトホールContを有するN型高不純物濃度領域N+が形成されている。
図7の付加容量セルCC1のPMOSQp10の破線A−A´に沿った断面構造が図8の(a)に示されている。図8(a)に示すように、付加容量セルCC1のPMOSQp10のNウェルN_WellにはN型高不純物濃度領域N+が形成され、このN型高不純物濃度領域N+はPMOS基板バイアス配線Vbp_Mと電気的に接続されている。また、付加容量セルCC1のPMOSQp10のNウェルN_Wellは、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp07、08、09のNウェルN_Wellと一体に構成されている。従って、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp07、08、09のNウェルN_Wellは、PMOS基板バイアス配線Vbp_Mと電気的に接続されることができる。更に、図7の付加容量セルCC1のNMOSQn10の破線B−B´に沿った断面構造が図8の(b)に示されている。図8(b)に示すように、付加容量セルCC1のNMOSQn10のPウェルP_WellにはP型高不純物濃度領域P+が形成され、このP型高不純物濃度領域P+はNMOS基板バイアス配線Vbn_Mと電気的に接続されている。また、付加容量セルCC1のNMOSQn10のPウェルP_Wellは、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn07、08、09のPウェルP_Wellと一体に構成されている。従って、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn07、08、09のPウェルP_Wellは、NMOS基板バイアス配線Vbn_Mと電気的に接続されることができる。
《スタンダードセルのウェルでの寄生ダイオードの追加》
図9は、本発明の更に他の1つの実施の形態による半導体集積回路を示す回路図である。図10は、図9に示した半導体集積回路のデバイス平面構造を示すレイアウト図である。図11は、図10の要部の断面図である。図12も、図10の要部の断面図である。
図9は、本発明の更に他の1つの実施の形態による半導体集積回路を示す回路図である。図10は、図9に示した半導体集積回路のデバイス平面構造を示すレイアウト図である。図11は、図10の要部の断面図である。図12も、図10の要部の断面図である。
図9と図10とに示した半導体集積回路が、図1と図2に示した半導体集積回路と相違するのは、下記の点である。
図1と図2に示した半導体集積回路では、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、02、03のNウェルN_WellとPMOS基板バイアス配線Vbp_Mとを電気的に接続するために、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp01、02、03のNウェルN_WellにコンタクトホールContを有するN型高不純物濃度領域N+が形成されている。また、図1と図2に示した半導体集積回路では、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn01、02、03のPウェルP_WellとNMOS基板バイアス配線Vbn_Mとを電気的に接続するために、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn01、02、03のPウェルP_WellにコンタクトホールContを有するP型高不純物濃度領域P+が形成されている。
それに対して、図9と図10に示した半導体集積回路では、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp11、12、13のNウェルN_WellにはP型高不純物濃度領域DP1、DP2、DP3が形成されている。スタンダードセルSTC1、2、3のP型高不純物濃度領域DP1、DP2、DP3とPMOSQp11、12、13のP型高不純物濃度ソース領域Sとは、コンタクトホールContを介して、第1層配線M1により構成された電源配線Vdd_Mに接続されている。図10のスタンダードセルSTC3のPMOSQp13の破線C−C´に沿った断面構造が図12の(a)に示されている。図12(a)に示すように、スタンダードセルSTC3のPMOSQp13のNウェルN_WellにはP型高不純物濃度領域DP3が形成され、このP型高不純物濃度領域DP3とPMOSQp13のP型高不純物濃度ソース領域Sとは、コンタクトホールContを介して、第1層配線M1により構成された電源配線Vdd_Mに接続されている。その結果、図9に示すように、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp11、12、13のP型高不純物濃度ソース領域とNウェルN_Wellとの間には、寄生ダイオードDP1、DP2、DP3が接続されることになる。
図10の付加容量セルCC1のPMOSQp14の破線A−A´に沿った断面構造が図11の(a)に示されている。図11(a)に示すように、付加容量セルCC1のPMOSQp14のNウェルN_WellにはN型高不純物濃度領域N+が形成され、このN型高不純物濃度領域N+はPMOS基板バイアス配線Vbp_Mと電気的に接続されている。また、付加容量セルCC1のPMOSQp14のNウェルN_Wellは、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp11、12、13のNウェルN_Wellと一体に構成されている。従って、寄生ダイオードDP1、DP2、DP3の存在にもかかわらず、スタンダードセルSTC1、2、3のPMOSQp11、12、13のNウェルN_Wellは、PMOS基板バイアス配線Vbp_Mと電気的に接続されることができる。
また、図9と図10に示した半導体集積回路では、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn11、12、13のPウェルP_WellにはN型高不純物濃度領域DN1、DN2、DN3が形成されている。スタンダードセルSTC1、2、3のN型高不純物濃度領域DN1、DN2、DN3とNMOSQn11、12、13のN型高不純物濃度ソース領域Sとは、コンタクトホールContを介して、第1層配線M1により構成された接地配線Vss_Mに接続されている。図10のスタンダードセルSTC3のNMOSQn13の破線D−D´に沿った断面構造が図12の(b)に示されている。図12(b)に示すように、スタンダードセルSTC3のNMOSQn13のPウェルP_WellにはN型高不純物濃度領域DN3が形成され、このN型高不純物濃度領域DN3とNMOSQn13のN型高不純物濃度ソース領域Sとは、コンタクトホールContを介して、第1層配線M1により構成された接地配線Vss_Mに接続されている。その結果、図9に示すように、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn11、12、13のN型高不純物濃度ソース領域とPウェルP_Wellとの間には、寄生ダイオードDN1、DN2、DN3が接続されることになる。
図10の付加容量セルCC1のNMOSQn14の破線B−B´に沿った断面構造が図11の(b)に示されている。図11(b)に示すように、付加容量セルCC1のNMOSQn14のPウェルP_WellにはP型高不純物濃度領域P+が形成され、このN型高不純物濃度領域P+はNMOS基板バイアス配線Vbn_Mと電気的に接続されている。また、付加容量セルCC1のNMOSQn14のPウェルP_Wellは、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn11、12、13のPウェルP_Wellと一体に構成されている。従って、寄生ダイオードDN1、DN2、DN3の存在にもかかわらず、スタンダードセルSTC1、2、3のNMOSQn11、12、13のPウェルP_Wellは、NMOS基板バイアス配線Vbn_Mと電気的に接続されることができる。
《基板バイアス電圧によるMOSしきい値電圧の調整》
図13は、図1のコアCoreのスタンダードセルSTC1、2、3のMOSトランジスタのしきい値電圧のバラツキを補償する半導体集積回路を示す回路図である。
図13は、図1のコアCoreのスタンダードセルSTC1、2、3のMOSトランジスタのしきい値電圧のバラツキを補償する半導体集積回路を示す回路図である。
同図において、半導体集積回路としてのLSIのチップChipは、コア回路CoreのCMOS論理回路を含み、このコアCMOS論理回路Coreの特性バラツキを補償するための制御メモリCnt_MMと制御スイッチCnt_SWとを含んでいる。コアCMOS論理回路Coreは、ソースが電源電圧Vddに接続されたPMOSQp1とソースが接地電圧Vssに接続されたMOSQn1とを含んでいる。PMOSQp1のゲートとMOSQn1のゲートとには入力信号Inが印加され、PMOSQp1のドレインとMOSQn1のドレインとから出力信号Outが得られる。制御スイッチCnt_SWは、PMOS制御部P_CntとNMOS制御部N_Cntとを含んでいる。
まず、PMOS制御部P_Cntは、PMOSのQpc_1、PMOSのQpc_2、インバータInv_pにより構成されている。PMOS制御部P_Cntでは、PMOSのQpc_1のソースには電源電圧Vddが印加され、PMOSのQpc_2のソースには電源電圧Vddよりも高いNウェルバイアス電圧Vp_1が印加されている。PMOSのQpc_1のドレインとPMOSのQpc_2のドレインとは、コアCMOS論理回路CoreのPMOSQp1のNウェルN_Wellに接続されている。
また、NMOS制御部N_Cntは、NMOSのQnc_1、NMOSのQnc_2、インバータInv_nにより構成されている。NMOS制御部N_Cntでは、NMOSのQnc_1のソースには接地電圧Vssが印加され、NMOSのQnc_2のソースには接地電圧Vssよりも低いPウェルバイアス電圧Vn_1が印加される。NMOSのQnc_1のドレインとNMOSのQnc_2のドレインとは、コアCMOS論理回路CoreのNMOSQn1のPウェルP_Wellに接続されている。
制御メモリCnt_MMの出力信号Cnt_Sgがハイレベルとなると、PMOS制御部P_CntのPMOSのQpc_1がオンとなりNMOS制御部N_CntのNMOSのQnc_1がオンとなる。すると、電源電圧VddがコアCMOS論理回路CoreのPMOSQp1のNウェルN_WellにPMOS基板バイアス電圧Vbpとして印加され、接地電圧VssがコアCMOS論理回路CoreのNMOSQn1のPウェルP_WellにNMOS基板バイアス電圧Vbnとして印加される。一方、コアCMOS論理回路CoreのPMOSQp1のソースとNMOSQn1のソースとには、電源電圧Vddと接地電圧Vssとがそれぞれ供給されている。従って、コアCMOS論理回路CoreのPMOSQp1のソースとNウェルN_Wellとには電源電圧Vddが共通に印加され、コアCMOS論理回路CoreのNMOSQn1のソースとPウェルP_Wellとには接地電圧Vssが共通に印加されている。
制御メモリCnt_MMの出力信号Cnt_Sgがローレベルとなると、PMOS制御部P_CntのPMOSのQpc_2がオンとなりNMOS制御部N_CntのNMOSのQnc_2がオンとなる。すると、電源電圧Vddよりも高いNウェルバイアス電圧Vp_1が、コアCMOS論理回路CoreのPMOSQp1のNウェルN_WellにPMOS基板バイアス電圧Vbpとして印加される。また、接地電圧Vssよりも低いPウェルバイアス電圧Vn_1が、コアCMOS論理回路CoreのNMOSQn1のPウェルP_WellにNMOS基板バイアス電圧Vbnとして印加される。一方、コアCMOS論理回路CoreのPMOSQp1のソースとNMOSQn1のソースとには、電源電圧Vddと接地電圧Vssとがそれぞれ供給されている。従って、コアCMOS論理回路CoreのPMOSQp1のソースに印加された電源電圧Vddに対して、NウェルN_Wellに印加されている高いNウェルバイアス電圧Vp_1は逆バイアスとなる。また、コアCMOS論理回路CoreのNMOSQn1のソースに印加された接地電圧Vssに対して、PウェルP_Wellに印加されている低いPウェルバイアス電圧Vn_1も逆バイアスとなる。その結果、コアCMOS論理回路CoreのPMOSQp1とNMOSQn1とは、ともに高いしきい値電圧Vthに制御され、リーク電流が低減されることができる。
《リーク電流測定のためのウエーハーテストとウエーハープロセス》
図17は、図13に示すLSIのチップChipを多数個含むウエーハーテストを説明する図である。また、図18は、ウエーハーテストとウエーハープロセスとのフローを含む半導体集積回路の製造方法を説明する図である。
図17は、図13に示すLSIのチップChipを多数個含むウエーハーテストを説明する図である。また、図18は、ウエーハーテストとウエーハープロセスとのフローを含む半導体集積回路の製造方法を説明する図である。
まず、図18のステップ91でウエーハーテストが開始されると、電流測定のステップ92でLSIのチップChipの電源電圧Vddと接地電圧Vssとに予め接続された図17に示す外部テスタATEによって1個のLSIのチップChipのリーク電流が測定される。次の判定のステップ93にて、ステップ92で測定されたリーク電流が設計目標値より大きいか否かが、外部テスタATEによって判定される。判定のステップ93で測定されたリーク電流が設計目標値より大きいと外部テスタATEによって判定されると、チップChipのコアCMOS論理回路CoreのMOSトランジスタのしきい値電圧Vthが設計目標値よりも大幅に低いと言うことになる。この場合には、コアCMOS論理回路CoreのMOSトランジスタのしきい値電圧Vthを低Vthから高Vthに変更するために、次のステップ94で制御メモリCnt_MMの不揮発性メモリ素子としてのヒューズFSをカットして基板バイアスを印加するようにする。逆に、判定のステップ93で測定されたリーク電流が設計目標値より小さいと外部テスタATEによって判定されると、チップChipのコアCMOS論理回路CoreのMOSトランジスタのしきい値電圧Vthが設計目標値より高いと言うことになる。この場合には、コアCMOS論理回路CoreのMOSトランジスタ高Vthに変更する必要が無いために、ステップ95で処理を終了して、次のLSIのチップChipのリーク電流の測定ステップ92と判別ステップ93との処理に移行する。
図18に示した多数個のチップを含むLSIウェーハテストが完了すると、1枚のウェーハの多数のチップのそれぞれの制御メモリCnt_MMのヒューズFSはカットの状態とされているか、非カットの状態とされている。図13に示したLSIのチップChipで、制御メモリCnt_MMのヒューズFSはカットの状態と非カットの状態との場合の動作を説明する。
《制御メモリ》
図14は、図13に示したLSIのチップChipの制御メモリCnt_MMの構成の例を示す回路図である。図14(a)は、最も単純な制御メモリCnt_MMであり、制御メモリCnt_MMは電源電圧Vddと接地電圧GNDとの間に直列に接続されたヒューズFSと抵抗Rとにより構成されている。図14(b)は、若干複雑な制御メモリCnt_MMである。この制御メモリCnt_MMは、電源電圧Vddと接地電圧GNDとの間に直列に接続されたPMOSのQmp_1、ヒューズFS、抵抗R、NMOSのQmn_1と、4個のインバータInv_m1…m4と、CMOSアナログスイッチSW_m1とで構成されている。図14(a)の制御メモリCnt_MMのヒューズFSを図18のステップ94でカットする場合には、カットのための高い電源電圧Vddを印加することにより、ヒューズFSが溶断される。図14(b)の制御メモリCnt_MMのヒューズFSを図18のステップ94でカットする場合には、高レベルの制御信号Stを印加すると伴にカットのための高い電源電圧Vddを印加することにより、ヒューズFSが溶断される。図14(a)の制御メモリCnt_MMは、ヒューズFSが図18のステップ94でカットされると、その後のLSIのチップChipの動作開始の初期時の制御メモリCnt_MMの出力信号Cnt_Sgはローレベルの接地電圧GNDとなる。逆に、図14(a)の制御メモリCnt_MMは、ヒューズFSが図18のフローでカットされなければ、その後のLSIのチップChipの動作開始初期時の出力信号Cnt_Sgはハイレベルの電源電圧Vddとなる。図14(b)の制御メモリCnt_MMも、ヒューズFSが図18のフローでカットされると、ハイレベルの起動信号Stに応答して動作開始初期時の制御メモリCnt_MMのラッチ出力信号Cnt_Sgはローレベルの接地電圧GNDとなる。逆に、図14(b)の制御メモリCnt_MMは、ヒューズFSが図18のフローでカットされなければ、ハイレベルの起動信号Stに応答して動作開始初期時のラッチ出力信号Cnt_Sgはハイレベルの電源電圧Vddとなる。
図14は、図13に示したLSIのチップChipの制御メモリCnt_MMの構成の例を示す回路図である。図14(a)は、最も単純な制御メモリCnt_MMであり、制御メモリCnt_MMは電源電圧Vddと接地電圧GNDとの間に直列に接続されたヒューズFSと抵抗Rとにより構成されている。図14(b)は、若干複雑な制御メモリCnt_MMである。この制御メモリCnt_MMは、電源電圧Vddと接地電圧GNDとの間に直列に接続されたPMOSのQmp_1、ヒューズFS、抵抗R、NMOSのQmn_1と、4個のインバータInv_m1…m4と、CMOSアナログスイッチSW_m1とで構成されている。図14(a)の制御メモリCnt_MMのヒューズFSを図18のステップ94でカットする場合には、カットのための高い電源電圧Vddを印加することにより、ヒューズFSが溶断される。図14(b)の制御メモリCnt_MMのヒューズFSを図18のステップ94でカットする場合には、高レベルの制御信号Stを印加すると伴にカットのための高い電源電圧Vddを印加することにより、ヒューズFSが溶断される。図14(a)の制御メモリCnt_MMは、ヒューズFSが図18のステップ94でカットされると、その後のLSIのチップChipの動作開始の初期時の制御メモリCnt_MMの出力信号Cnt_Sgはローレベルの接地電圧GNDとなる。逆に、図14(a)の制御メモリCnt_MMは、ヒューズFSが図18のフローでカットされなければ、その後のLSIのチップChipの動作開始初期時の出力信号Cnt_Sgはハイレベルの電源電圧Vddとなる。図14(b)の制御メモリCnt_MMも、ヒューズFSが図18のフローでカットされると、ハイレベルの起動信号Stに応答して動作開始初期時の制御メモリCnt_MMのラッチ出力信号Cnt_Sgはローレベルの接地電圧GNDとなる。逆に、図14(b)の制御メモリCnt_MMは、ヒューズFSが図18のフローでカットされなければ、ハイレベルの起動信号Stに応答して動作開始初期時のラッチ出力信号Cnt_Sgはハイレベルの電源電圧Vddとなる。
図13に示したLSIのチップChipの制御メモリCnt_MMのヒューズFSが非カットの状態と想定する。すると、LSIのチップChipの動作開始初期時の制御メモリCnt_MMのラッチ出力信号Cnt_Sgはハイレベルの電源電圧Vddとなる。まず、制御スイッチCnt_SWのPMOS制御部P_Cntでは、PMOSのQpc_2はオフとなり、インバータInv_pの出力はローレベルとなり、PMOSのQpc_1はオンとなる。すると、PMOSのQpc_1のオンによってコアCMOS論理回路CoreのPMOSQp1のNウェルN_Wellには、PMOSのQpc_1のソースに印加されている電源電圧Vddが印加される。また、制御スイッチCnt_SWのNMOS制御部N_Cntでは、NMOSのQnc_1はオンとなり、インバータInv_nの出力はローレベルとなり、NMOSのQnc_2はオフとなる。すると、NMOSのQnc_1のオンによってコアCMOS論理回路CoreのNMOSQn1のPウェルP_Wellには、PMOSのNMOSQn1ソースに印加されている接地電圧Vssが印加される。この時の図13に示した半導体集積回路の各部の電圧の関係が、図15の左の非カットの状態NCに示されている。図15は、図13に示した半導体集積回路の各部の電圧の関係を示す図である。
図13に示したLSIのチップChipの制御メモリCnt_MMのヒューズFSがカットの状態と想定する。すると、LSIのチップChipの動作開始初期時の制御メモリCnt_MMのラッチ出力信号Cnt_Sgはローレベルの接地電圧Vssとなる。まず、制御スイッチCnt_SWのPMOS制御部P_Cntでは、PMOSのQpc_2はオンとなり、インバータInv_pの出力はハイレベルとなり、PMOSのQpc_1はオフとなる。すると、PMOSのQpc_2のオンによってコアCMOS論理回路CoreのPMOSQp1のNウェルN_Wellには、PMOSのQpc_2のソースに印加されている高いNウェルバイアス電圧Vp_1が印加される。また、制御スイッチCnt_SWのNMOS制御部N_Cntでは、NMOSのQnc_1はオフとなり、インバータInv_nの出力はハイレベルとなり、NMOSのQnc_2はオンとなる。すると、NMOSのQnc_2のオンによってコアCMOS論理回路CoreのNMOSQn1のPウェルP_Wellには、NMOSのQn2のソースに印加されている低いPウェルバイアス電圧Vn_1が印加される。この時の図13に示した半導体集積回路の各部の電圧の関係が、図15の右のカットの状態Cに示されている。このように、コアCMOS論理回路CoreのPMOSQp1のNウェルN_Wellに高いNウェルバイアス電圧Vp_1が印加され、コアCMOS論理回路CoreのNMOSQn1のPウェルP_Wellに低いPウェルバイアス電圧Vn_1が印加される。図15に示すように、PMOSQp1のNウェルバイアス電圧Vp_1はソースの電源電圧Vddよりも高く設定され、NMOSQn1のPウェルバイアス電圧Vn_1はソースの接地電圧Vssよりも低く設定されている。その結果、コアCMOS論理回路CoreのPMOSQp1とNMOSQn1とのしきい値電圧は、低Vthから高Vthに変化される。
《MOSLSIのしきい値電圧Vthの制御》
図16は、製造されたMOSLSIのしきい値電圧Vthの分布を説明する図である。図の横軸はMOSLSIのしきい値電圧Vthを示し、図の縦軸はMOSLSIのチップの個数を示し、曲線Lfrcは分布を示している。MOSLSIのしきい値電圧Vthが下限しきい値L_lim以下に低下すると、リーク電流が著しく増大して、消費電流が著しく過大となる。逆に、MOSLSIのしきい値電圧Vthが上限しきい値H_lim以上に上昇すると、スイッチング速度が著しく低下して、データ処理速度も著しく低下する。
図16は、製造されたMOSLSIのしきい値電圧Vthの分布を説明する図である。図の横軸はMOSLSIのしきい値電圧Vthを示し、図の縦軸はMOSLSIのチップの個数を示し、曲線Lfrcは分布を示している。MOSLSIのしきい値電圧Vthが下限しきい値L_lim以下に低下すると、リーク電流が著しく増大して、消費電流が著しく過大となる。逆に、MOSLSIのしきい値電圧Vthが上限しきい値H_lim以上に上昇すると、スイッチング速度が著しく低下して、データ処理速度も著しく低下する。
従って、図16(a)の下限しきい値L_lim以下に存在するMOSLSIのチップ群Aは、本発明の以前では不良品として破棄されていた。しかし、このようなMOSLSIのチップ群Aは本発明の1つの実施の形態によれば図18のステップ94でヒューズをカットされる。それにより、LSIのチップChipの動作開始初期時にコアCMOS論理回路CoreのPMOSQp1とNMOSQn1とのしきい値電圧は低Vthから高Vthに変化され、図16(b)のように以前のチップ群Aは再生チップ群A_bvに変化する。その結果、MOSLSIのチップのコアCMOS論理回路内部の全てのPMOSと全てのNMOSの平均的なしきい値電圧Vthが下限しきい値L_lim以上に増加して、チップ全体のリーク電流が低減されることができる。従って、LSIチップ内部で大きな占有面積を占める大規模論理のコアCMOS論理回路に小さな占有面積の制御メモリCnt_MMと制御スイッチCnt_SWとを追加することにより、高い製造歩留まりで低リーク電流のMOSLSIを製造することができる。
《ウエーハーテストとウエーハープロセス》
図19は、本発明の更に他の1つの実施の形態による半導体集積回路を示す回路図である。図19に示すMOSLSIのチップChipが、図13に示したMOSLSIのチップChipと基本的に相違するのは、次の通りである。
図19は、本発明の更に他の1つの実施の形態による半導体集積回路を示す回路図である。図19に示すMOSLSIのチップChipが、図13に示したMOSLSIのチップChipと基本的に相違するのは、次の通りである。
それは、図19では、図13と同様に図20(a)に示すようにMOSLSIのしきい値電圧Vthが下限しきい値L_Lim以下に低下したチップ群Aのヒューズがカットされるだけではなく、図20(b)に示すように上限しきい値H_Lim以上に上昇したチップ群Bのヒューズもカットされる。しかし、MOSLSIのしきい値電圧Vthが上限しきい値H_Lim以上に上昇したチップ群Bに関しては、下記のように制御される。まず、PMOS制御部Cnt_Pの電圧生成部CP_PからPMOSのQpc_2を介してコアCMOS論理回路CoreのPMOSQp01のNウェルに印加されるNウェルバイアス電圧Vp_1は電源電圧Vddより若干低いレベルに変更される。また、NMOS制御部Cnt_Nの電圧生成部CP_NからNMOSのQnc_2を介してコアCMOS論理回路CoreのNMOSQn01のPウェルに印加されるPウェルバイアス電圧Vn_1は接地電圧Vssより若干高いレベルに変更される。この時の図19に示した半導体集積回路の各部の電圧の関係が、図21の左のカットの状態C(B)に示されている。図21は、図19に示した半導体集積回路の各部の電圧の関係を示す図である。図21の左のカットの状態C(B)に示すように、PMOSQp01のNウェルバイアス電圧Vp_1はソースの電源電圧Vddよりも若干低く設定され、NMOSQn01のPウェルバイアス電圧Vn_1はソースの接地電圧Vssよりも若干高く設定されている。その結果、コアCMOS論理回路CoreのPMOSQp01とNMOSQn01とのしきい値電圧は、超高Vthから低下されて、コアCMOS論理回路Coreの遅延時間は過大な状態から適正な状態に変化する。図20は、図19に示した半導体集積回路のしきい値電圧Vthの分布を説明する図である。従って、図20の上限しきい値H_Lim以上に存在するチップ群Bは、上記の制御によって、再生チップ群B_bvに変化する。その結果、MOSLSIのチップのコアCMOS論理回路Coreの全てのPMOSと全てのNMOSの平均的しきい値電圧Vthが上限しきい値H_Lim以下に低下して、チップ全体の遅延時間が低減されることができる。
《SOIデバイス》
図22は、本発明の更に他の1つの実施の形態による半導体集積回路の断面構造を示す図である。図22に示すMOSLSIは、SOI構造を採用している。尚、SOIは、Silicon-On-Insulatorの略である。
図22は、本発明の更に他の1つの実施の形態による半導体集積回路の断面構造を示す図である。図22に示すMOSLSIは、SOI構造を採用している。尚、SOIは、Silicon-On-Insulatorの略である。
図22に示すように、SOI構造は、例えばP型のシリコン基板P_Subを下層に有する。下層のシリコン基板P_Subの表面にはNウェルN_WellとPウェルP_Wellとが形成される。尚、NウェルN_WellとPウェルP_Wellとの間には、絶縁物素子分離領域としてのSTI層が形成されている。尚、STIは、Shallow Trench Isolationの略である。
NウェルN_WellとPウェルP_Wellとが形成されたシリコン基板P_Subの表面には、薄い絶縁膜(Insulator)が形成されている。
この薄い絶縁膜(Insulator)の上には、シリコン(Silicon)層が形成される。シリコン層の左には、PMOSQp01の高不純物濃度のP型ソース領域とP型ドレイン領域と超低ドーズ量に制御されたN型チャンネル領域とが形成される。シリコン層の右には、NMOSQn01の高不純物濃度のN型ソース領域とN型ドレイン領域と超低ドーズ量に制御されたP型チャンネル領域とが形成される。
薄い絶縁膜としての酸化膜は、シリコン層に埋め込まれているので、薄い絶縁膜は埋め込み酸化膜(Buried Oxide、BOX)と呼ばれる。PMOSQp01の超低ドーズ量に制御されたN型チャンネル領域は完全に空乏化され、NMOSQn01の超低ドーズ量に制御されたP型チャンネル領域も完全に空乏化される。従って、PMOSQp01とNMOSQn01とは、完全空乏化(fully-depleted、FD)のSOIトランジスタである。この完全空乏化SOIトランジスタのPMOSQp01とNMOSQn01のしきい値電圧は、バックゲートと呼ばれる薄い絶縁膜の直下のNウェルN_WellとPウェルP_Wellの基板バイアス電圧により制御されることができる。このような、BOX FD-SOIトランジスタはドレインとウェルとの間の接合容量を大幅に削減することができるので、高速・低消費電力のMOSLSIに最適である。
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、スタンドバイモードでのPMOSQp01、2、3のPMOS基板バイアス電圧VbpとNMOSQn01、2、3のNMOS基板バイアス電圧Vbnとをアクティブモードよりも更に大きな逆バイアス電圧とすることにより、スタンドバイモードでのリーク電流を低減することも可能である。
また、本発明はシステムLSI以外にも、マイクロプロセッサやベースバンド信号処理LSIの種々の用途の半導体集積回路を高い製造歩留で製造すると伴にアクティブモードでの信号処理の動作消費電力と信号遅延量の変動を軽減する際に広く適用することができる。
Chip チップ
Core コア
STC1 スタンダードセル
CC1 付加容量セル
Vdd_M 電源配線
Vss_M 接地配線
Vbp_M PMOS基板バイアス配線
Vbn_M NMOS基板バイアス配線
N_Well Nウェル
P_Well Pウェル
Qp01、Qp02、Qp03 PMOS
Qn01、Qn02、Qn03 NMOS
Qp04 付加PMOS
Qn04 付加NMOS
Cqp04 ゲート容量
Cqn04 ゲート容量
Vdd 電源電圧
Vss 接地電圧
Vbp PMOS基板バイアス電圧
Vbn NMOS基板バイアス電圧
Core コア
STC1 スタンダードセル
CC1 付加容量セル
Vdd_M 電源配線
Vss_M 接地配線
Vbp_M PMOS基板バイアス配線
Vbn_M NMOS基板バイアス配線
N_Well Nウェル
P_Well Pウェル
Qp01、Qp02、Qp03 PMOS
Qn01、Qn02、Qn03 NMOS
Qp04 付加PMOS
Qn04 付加NMOS
Cqp04 ゲート容量
Cqn04 ゲート容量
Vdd 電源電圧
Vss 接地電圧
Vbp PMOS基板バイアス電圧
Vbn NMOS基板バイアス電圧
Claims (20)
- 入力信号を処理するCMOS回路と、前記CMOS回路と同一製造プロセスで製造された付加容量回路とを含み、
前記CMOS回路と前記付加容量回路とは、Nウェルを有するPMOSと付加PMOSと、Pウェルを有するNMOSと付加NMOSとを含み、
前記CMOS回路の前記PMOSのソースと前記付加容量回路の前記付加PMOSのソースとは第1動作電圧配線に電気的に接続され、前記CMOS回路の前記NMOSのソースと前記付加容量回路の前記付加NMOSのソースとは第2動作電圧配線に電気的に接続され、
前記NウェルにはPMOS基板バイアス電圧が供給されることが可能であり、前記PウェルにはNMOS基板バイアス電圧が供給されることが可能であり、
前記付加容量回路の前記付加PMOSのゲート電極は前記Nウェルに電気的に接続され、前記付加容量回路の前記付加NMOSのゲート電極は前記Pウェルに電気的に接続されている半導体集積回路。 - 前記第1動作電圧配線と前記Nウェルとの間には、前記付加容量回路の前記付加PMOSの前記ソースと前記ゲート電極との間のソース・ゲート・オーバーラップ容量と前記付加容量回路の前記付加PMOSの前記ソースと前記Nウェルとの間のソース・ウェル接合容量とが少なくとも並列に接続され、
前記第2動作電圧配線と前記Pウェルとの間には、前記付加容量回路の前記付加NMOSの前記ソースと前記ゲート電極との間のソース・ゲート・オーバーラップ容量と前記付加容量回路の前記付加NMOSの前記ソースと前記Pウェルとの間のソース・ウェル接合容量とが少なくとも並列に接続されている請求項1に記載の半導体集積回路。 - 前記付加容量回路の前記付加PMOSの前記ソースはドレインと電気的に接続され、前記付加容量回路の前記付加NMOSの前記ソースはドレインと電気的に接続され、
前記第1動作電圧配線と前記Nウェルとの間には、前記付加容量回路の前記付加PMOSの前記ドレインと前記ゲート電極との間のドレイン・ゲート・オーバーラップ容量と前記付加容量回路の前記付加PMOSの前記ドレインと前記Nウェルとの間のドレイン・ウェル接合容量とが更に並列に接続され、
前記第2動作電圧配線と前記Pウェルとの間には、前記付加容量回路の前記付加NMOSの前記ドレインと前記ゲート電極との間のドレイン・ゲート・オーバーラップ容量と前記付加容量回路の前記付加NMOSの前記ドレインと前記Pウェルとの間のドレイン・ウェル接合容量とが更に並列に接続されている請求項2に記載の半導体集積回路。 - 前記第1動作電圧配線に供給される第1動作電圧から前記PMOS基板バイアス電圧を生成する第1電圧生成部と、前記第2動作電圧配線に供給される第2動作電圧から前記NMOS基板バイアス電圧を生成する第2電圧生成部とを含む請求項1に記載の半導体集積回路。
- 前記CMOS回路の前記PMOSの前記ソースに供給される前記第1動作電圧に対して前記Nウェルに供給される前記PMOS基板バイアス電圧は逆バイアスに設定され、前記CMOS回路の前記NMOSの前記ソースに供給される前記第2動作電圧に対して前記Pウェルに供給される前記NMOS基板バイアス電圧は逆バイアスに設定され、
前記第1動作電圧よりも高いレベルに設定された前記PMOS基板バイアス電圧が前記Nウェルに供給されることにより、前記Nウェルを有する前記PMOSは高しきい値電圧で低リーク電流の状態に制御され、前記第2動作電圧よりも低いレベルに設定された前記NMOS基板バイアス電圧が前記Pウェルに供給されることにより、前記Pウェルを有する前記NMOSは高しきい値電圧で低リーク電流の状態に制御される請求項4に記載の半導体集積回路。 - 前記第1動作電圧よりも高いレベルに設定された前記PMOS基板バイアス電圧を前記Nウェルに供給するか否かと前記第2動作電圧よりも低いレベルに設定された前記NMOS基板バイアス電圧を前記Pウェルに供給するか否かとを決定する制御情報を格納する制御メモリを含む請求項5に記載の半導体集積回路。
- 前記CMOS回路の前記PMOSの前記ソースに供給される前記第1動作電圧に対して前記Nウェルに供給される前記PMOS基板バイアス電圧は順バイアスに設定され、前記CMOS回路の前記NMOSの前記ソースに供給される前記第2動作電圧に対して前記Pウェルに供給される前記NMOS基板バイアス電圧は順バイアスに設定され、
前記第1動作電圧よりも低いレベルに設定された前記PMOS基板バイアス電圧が前記Nウェルに供給されることにより、前記Nウェルを有する前記PMOSは低しきい値電圧で高リーク電流の状態に制御され、前記第2動作電圧よりも高いレベルに設定された前記NMOS基板バイアス電圧が前記Pウェルに供給されることにより、前記Pウェルを有する前記NMOSは低しきい値電圧で高リーク電流の状態に制御される請求項4に記載の半導体集積回路。 - 前記第1動作電圧よりも低いレベルに設定された前記PMOS基板バイアス電圧を前記Nウェルに供給するか否かと前記第2動作電圧よりも高いレベルに設定された前記NMOS基板バイアス電圧を前記Pウェルに供給するか否かとを決定する制御情報を格納する制御メモリを含む請求項7に記載の半導体集積回路。
- 前記CMOS回路は、前記Nウェルに形成されたP型高不純物濃度領域と、前記Pウェルに形成されたN型高不純物濃度領域を含み、
前記CMOS回路の前記PMOSの前記ソースと前記Nウェルとの間には、前記P型高不純物濃度領域と前記Nウェルとで構成された第1ダイオードが接続され、前記CMOS回路の前記NMOSの前記ソースと前記Pウェルとの間には、前記N型高不純物濃度領域と前記Pウェルとで構成された第2ダイオードが接続される請求項1に記載の半導体集積回路。 - 前記CMOS回路の前記複数のPMOSは、SOI構造のPMOSであり、
前記CMOS回路の前記複数のNMOSは、SOI構造のNMOSであり、
前記複数のPMOSのソースとドレインと前記複数のNMOSのソースとドレインとは、前記SOI構造の絶縁膜の上のシリコンに形成され、
前記複数のPMOSの前記Nウェルと前記複数のNMOSの前記Pウェルとは、前記SOI構造の前記絶縁膜の下のシリコン基板中に形成されている請求項1に記載の半導体集積回路。 - 入力信号を処理するMOS回路と、前記MOS回路と同一製造プロセスで製造された付加容量回路とを含み、
前記MOS回路と前記付加容量回路とは、基板に形成されたMOSと付加MOSとを含み、
前記MOS回路の前記MOSのソースと前記付加容量回路の前記付加MOSのソースとは第1動作電圧配線に電気的に接続され、
前記基板にはMOS基板バイアス電圧が供給されることが可能であり、
前記付加容量回路の前記付加MOSのゲート電極は前記基板に電気的に接続されている半導体集積回路。 - 前記第1動作電圧配線と前記基板との間には、前記付加容量回路の前記付加MOSの前記ソースと前記ゲート電極との間のソース・ゲート・オーバーラップ容量と前記付加容量回路の前記付加MOSの前記ソースと前記基板との間のソース・基板接合容量とが少なくとも並列に接続されている請求項11に記載の半導体集積回路。
- 前記付加容量回路の前記付加MOSの前記ソースはドレインと電気的に接続され、前記第1動作電圧配線と前記基板との間には、前記付加容量回路の前記付加MOSの前記ドレインと前記ゲート電極との間のドレイン・ゲート・オーバーラップ容量と前記付加容量回路の前記付加MOSの前記ドレインと前記基板との間のドレイン・基板接合容量とが更に並列に接続されている請求項12に記載の半導体集積回路。
- 前記第1動作電圧配線に供給される第1動作電圧から前記MOS基板バイアス電圧を生成する電圧生成部を含む請求項11に記載の半導体集積回路。
- 前記MOS回路の前記MOSの前記ソースに供給される前記第1動作電圧に対して前記基板に供給される前記MOS基板バイアス電圧は逆バイアスに設定され、
前記第1動作電圧よりも低いレベルに設定された前記MOS基板バイアス電圧が前記基板に供給されることにより、前記基板に形成された前記MOSは高しきい値電圧で低リーク電流の状態に制御される請求項11に記載の半導体集積回路。 - 前記第1動作電圧よりも低いレベルに設定された前記MOS基板バイアス電圧を前記基板に供給するか否かを決定する制御情報を格納する制御メモリを含む請求項15に記載の半導体集積回路。
- 前記MOS回路の前記MOSの前記ソースに供給される前記第1動作電圧に対して前記基板に供給される前記MOS基板バイアス電圧は順バイアスに設定され、
前記第1動作電圧よりも高いレベルに設定された前記MOS基板バイアス電圧が前記基板に供給されることにより、前記基板に形成された前記MOSは低しきい値電圧で高リーク電流の状態に制御される請求項11に記載の半導体集積回路。 - 前記第1動作電圧よりも高いレベルに設定された前記MOS基板バイアス電圧を前記基板に供給するか否かを決定する制御情報を格納する制御メモリを含む請求項17に記載の半導体集積回路。
- 前記MOS回路は、前記基板に形成された高不純物濃度領域を含み、前記CMOS回路の前記MOSの前記ソースと前記基板との間には、前記高不純物濃度領域と前記基板とで構成されたダイオードが接続される請求項11に記載の半導体集積回路。
- 前記MOS回路の前記複数のMOSは、SOI構造のMOSであり、
前記複数のMOSのソースとドレインとは、前記SOI構造の絶縁膜の上のシリコンに形成され、
前記複数のMOSの前記ウェルは、前記SOI構造の前記絶縁膜の下のシリコン基板中に形成されている請求項11に記載の半導体集積回路。
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