JP2010283117A - 半導体装置及び半導体装置の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電源電圧を変更することなく、広い温度範囲でリーク電流を抑えて動作する半導体装置を提供する。
【解決手段】しきい値電圧が第１電圧である第１トランジスタを含む高ＶＴ部７と、しきい値電圧が第１電圧よりも低い第２電圧である第２トランジスタを含む低ＶＴ部８と、温度を測定し、温度が所定の温度より高い高温状態であるか、温度が所定の温度よりも低い低温状態であるかを判定し、高温状態を示す信号又は低温状態を示す信号を出力する温度検知部６と、高温状態を示す信号、又は低温状態を示す信号を受信し、高温状態を示す信号に基づいて高ＶＴ部７を動作させ、低温状態を示す信号に基づいて低ＶＴ部８を動作させる制御を行う制御部９とを具備する。
【選択図】図３

Description

本発明は半導体装置及び半導体装置の動作方法に関する。

半導体集積回路を備える半導体装置は、０℃〜７０℃を通常の動作温度範囲とし、この温度範囲で動作するための電源電圧が決められている。たとえば、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）で構成された半導体装置の電源電圧は、０．１５μｍプロセスで１．５Ｖ±０．１５Ｖであり、９０ｎｍプロセスで１．０Ｖ±０．１Ｖ、または１．２Ｖ±０．１２Ｖであることが通例である。近年、半導体装置はＡＶ機器や自動車などに搭載されることが増えており、屋外あるいは車内での使用など、半導体装置が使用される動作環境は様々である。そこで、半導体装置は、従来の０℃〜７０℃の動作温度範囲ではなく、−４０℃〜１１０℃という広範囲の動作保障が必要になってきている。

低温状態での半導体装置の動作を改善する技術が、特許文献１から特許文献３に開示されている。特許文献１には、広い温度範囲で安定動作させることを可能とした半導体装置が開示されている。図１は、特許文献１に記載された、ＣＭＯＳ構成の差動増幅器１０１を含む半導体集積回路を示す図である。図１を参照すると、差動増幅器１０１は、カレントミラー負荷を構成するＰＭＯＳトランジスタＱＰ１及びＱＰ２と、差動ＮＭＯＳトランジスタＱＮ１及びＱＮ２と、電流源ＮＭＯＳトランジスタＱＮ３とにより構成される。差動増幅器１０１の近傍には、抵抗Ｒ１からなるヒータ１０２と、抵抗Ｒ２からなるヒータ１０３とが配置される。抵抗Ｒ１及びＲ２に電流を流すことにより発生する熱は、差動増幅器１０１に伝えられる。このような半導体集積回路は、−５０℃の低温環境下においても、ヒータ１０２及びヒータ１０３とが差動増幅器１０１を温めることにより、安定動作が可能になるというものである。

特許文献２には、低温環境下での動作が保障できる半導体集積回路が開示されている。図２は、特許文献２に記載の半導体集積回路のブロック図である。図２を参照すると、半導体集積回路１１０は、機能を実現する機能回路１１１と、機能回路１１１の温度を検出する温度検知素子１１２と、機能回路１１１の動作および出力を制御する制御回路１１３とを含む。制御回路１１３は、温度検知素子１１２からの信号により、機能回路１１１の機能を保証する最低温度よりも低温か否かを判定する。制御回路１１３は、最低温度よりも低温である場合、機能回路１１１の温度が最低温度よりも高温になるまで、機能回路１１１の出力信号線１１４に現れる信号が、半導体集積回路１１０の出力として、出力信号線１１５から外部に出力されないように制御を行う。また、制御回路１１３は、機能回路１１１の一部又は全部の回路を動作させることで、機能回路１１１の温度を上昇させる。機能回路１１１の温度が最低温度よりも高温に達した後、機能回路１１１の出力信号線１１４に現れる信号は、制御回路１１３の制御によって外部に出力されるようになる。このような半導体集積回路は、機能回路１１１の動作が保証されていない低温環境下でも、その機能回路１１１を正常に動作させることが可能となるというものである。

特許文献３には、電源投入時などであっても、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の回路が正常動作する温度領域で、当該回路を動作させることができる温度適応回路が開示されている。この温度適応回路は、正常に動作できる温度領域の動作である通常動作と、温度を上昇させる動作である温度上昇動作との、何れかの動作指示を出力する動作制御部と、動作制御部の動作指示に基づいて選択的に動作を行う回路とを備える。このような温度適応回路は、ＬＳＩを所定の温度に上昇させてから通常動作を行うことができるというものである。

特開２００１−３４５４２０号公報 特開２００４−６４７３号公報 特開２００５−３４０４８６号公報

本願発明者は、特許文献１から３に以下の問題点を見出した。特許文献１に記載の技術は、アナログ回路やメモリ回路という特定の回路ブロックの低温動作を補助するために、半導体チップ内に専用のヒータを設けることが必要である。従って、特許文献１に記載の技術は、半導体チップのレイアウトに制約事項が生じ、半導体チップのレイアウトの融通性が失われてしまう問題を有している。また、特許文献２に記載の技術は、半導体チップの温度が決められた温度に上昇するまで、半導体チップからデータが出力されることを禁止している。従って、特許文献２に記載の半導体チップは、低温時の動作においてリアルタイム性が失われてしまう問題を有している。また、特許文献３に記載の技術は、半導体チップの温度を上昇させることを目的として、専用に温度上昇を制御する機能部を設けることが必要である。従って、特許文献３の技術は、本来の半導体チップが必要とする機能とは全く関係のない回路を、半導体チップ内にインプリメントしなくてはならない問題を有している。

０℃〜７０℃の動作温度範囲のＣＭＯＳで構成された半導体装置は、−４０℃〜１１０℃で動作させた場合、高温状態（ここでは７０℃〜１１０℃とする）でリーク電流が増大してしまう。そこで、半導体装置は、高温状態の動作を考慮して、しきい値電圧が高くリーク電流の少ない高ＶＴトランジスタで構成されることが求められる。しかし、高ＶＴトランジスタを用いて構成された半導体装置は、低温状態（ここでは−４０℃〜０℃とする）で動作させた場合、高ＶＴトランジスタの電源電圧の１．５Ｖ±０．１５Ｖや１．０Ｖ±０．１Ｖのままでは動作できない。そこで、高ＶＴトランジスタを用いて構成された半導体装置は、低温状態で動作する電源電圧に変更しなくてはならない。例えば、高ＶＴトランジスタを用いて構成された半導体装置は、電源電圧が１．０Ｖ±０．１Ｖの９０ｎｍプロセスでは、電源電圧を１．２Ｖ±０．１２Ｖとした動作保障とすることが必要になる。

低温状態の動作を考慮して半導体装置の動作電圧を決めた場合、半導体装置は、低温状態の動作を満足させる高い電源電圧を印加する必要がある。しかし、高い電源電圧を印加し、高温状態で半導体装置を動作させると、半導体装置に流れるリーク電流は結果的に多くなってしまう。リーク電流が多いということは、半導体装置の消費電力の上昇に繋がる。近年の半導体装置は、搭載される機器の省エネ対応のため、待機時のリーク電力の削減が必須となっている。従って、高温状態でリーク電力が増大することは、これらのニーズへの対応が困難になるため好ましくない。つまり、広い温度範囲で動作する、リーク電流の少ない半導体装置が求められている。

以下に、発明を実施するための形態で使用される符号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を記載する。この符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態の記載との対応を明らかにするために付加されたものであり、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の半導体装置（１）は、しきい値電圧が第１電圧である第１トランジスタを含む高ＶＴ部（７）と、しきい値電圧が第１電圧よりも低い第２電圧である第２トランジスタを含む低ＶＴ部（８）と、温度を測定し、温度が所定の温度より高い高温状態であるか、温度が所定の温度よりも低い低温状態であるかを判定し、高温状態を示す信号又は低温状態を示す信号を出力する温度検知部（６）と、高温状態を示す信号、又は低温状態を示す信号を受信し、高温状態を示す信号に基づいて高ＶＴ部（７）を動作させ、低温状態を示す信号に基づいて低ＶＴ部（８）を動作させる制御を行う制御部（９）とを具備する。このような半導体装置（１）は、高温状態の場合にしきい値電圧の高い第１トランジスタを含む高ＶＴ部（７）を動作させ、低温状態の場合にしきい値電圧の低い第２トランジスタを含む低ＶＴ部（８）を動作させることができる。

本発明の半導体装置は、電源電圧を変更することなく、広い温度範囲でリーク電流を抑えて動作することができる。

図１は、特許文献１に記載された、ＣMＯＳ構成の差動増幅器１０１を含む半導体集積回路を示す図である。 図２は、特許文献２に記載の半導体集積回路のブロック図である。 図３は、本発明の半導体装置１の構成例を示したブロック図である。 図４は、本発明の半導体装置１の動作を示したフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態による半導体装置及び半導体装置の動作方法を説明する。

図３は、本発明の半導体装置１の構成例を示したブロック図である。図３を参照すると、半導体装置１は、電源端子２と、内部電源配線３と、ＧＮＤ端子４と、内部ＧＮＤ配線５と、温度検知部６と、高ＶＴ部７と、低ＶＴ部８と、制御部９とを具備する。

電源端子２は、半導体装置１の外部電源から電力が供給される端子である。内部電源配線３は、電源端子２と接続し、半導体装置１内部の各部へ電力を供給する配線である。ＧＮＤ端子４は半導体装置１のグランド端子である。内部ＧＮＤ配線５は、半導体装置１の内部の各部と接続し、ＧＮＤ端子４へ接続する配線である。

温度検知部６は、半導体装置１の温度を測定し、半導体装置１の温度が高温状態であるか低温状態であるかを、温度のしきい値に基づいて判定する。温度検知部６は、サーミスタなどの温度センサに基づいて、温度を測定する方法が例示される。温度検知部６が高温状態と低温状態とを区別する温度のしきい値は０℃が例示され、その場合−４０℃〜１１０℃の温度範囲において、温度検知部６は高温状態として０℃以上１１０℃以下を検知し、低温状態として−４０℃以上０℃未満を検知することができる。温度検知部６は、判定した半導体装置１の温度に基づいて、高温状態を示す信号、又は低温状態を示す信号を制御部９へ出力する。

高ＶＴ部７は、制御部９から受信した信号に基づいて動作する。特に、高ＶＴ部７は、半導体装置１の温度が高温状態（例えば０℃以上１１０℃以下）において動作する。高ＶＴ部７は、高ＶＴロジック回路用電源スイッチ１１と、高ＶＴロジック回路１２とを備える。

高ＶＴロジック回路用電源スイッチ１１は、制御部９から信号を受信して、高ＶＴロジック回路１２への電力供給のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。高ＶＴロジック回路１２は、しきい値電圧ＶＴが高く、リーク電流の少ないトランジスタを含む回路である。高ＶＴロジック回路１２は、高ＶＴロジック回路用電源スイッチ１１が電力供給をＯＮにしているとき、電力が供給され動作する。

低ＶＴ部８は、高ＶＴ部７と同様に、制御部９から受信した信号に基づいて動作する。特に、低ＶＴ部８は、半導体装置１の温度が低温状態（例えば、−４０℃以上０℃未満）において動作する。低ＶＴ部８は、低ＶＴロジック回路用電源スイッチ１３と、低ＶＴロジック回路１４とを備える。

低ＶＴロジック回路用電源スイッチ１３は、制御部９からの信号を受信して、低ＶＴロジック回路１４への電力供給のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。低ＶＴロジック回路１４は、しきい値電圧ＶＴが高ＶＴロジック回路１２よりも低く、リーク電流の多いトランジスタを含む回路である。低ＶＴロジック回路１４は、低ＶＴロジック回路用電源スイッチ１３が電力供給をＯＮにしているとき、電力が供給され動作する。

制御部９は、半導体装置１の温度に基づいて、高ＶＴロジック回路１２と低ＶＴロジック回路１４とのどちらの回路を動作させるかを制御する。制御部９は、温度検知部６から半導体装置１が高温状態であるか低温状態であるかを示す信号を受信する。制御部９は、高温状態を示す信号を受信した場合、高ＶＴ部７を動作させる信号を出力する。詳細には、制御部９は、高ＶＴロジック回路１２を動作させるために、電力供給をＯＮにするための信号を、高ＶＴロジック回路用電源スイッチ１１へ出力する。高ＶＴロジック回路用電源スイッチ１１は、電力供給をＯＮにするための信号を受信すると、高ＶＴロジック回路１２へ電力を供給する。高ＶＴロジック回路１２は電力が供給され動作する。このとき、制御部９は、低ＶＴ部８の低ＶＴロジック回路１４を動作させないように、電力供給をＯＦＦにするための信号を、低ＶＴロジック回路用電源スイッチ１３へ出力する。一方、制御部９は、低温状態を示す信号を受信した場合、低ＶＴ部８を動作させる信号を出力する。詳細には、制御部９は、低ＶＴロジック回路１４を動作させるために、電力供給をＯＮにするための信号を、低ＶＴロジック回路用電源スイッチ１３へ出力する。低ＶＴロジック回路用電源スイッチ１３は、電力供給をＯＮにするための信号を受信すると、低ＶＴロジック回路１４へ電力を供給する。低ＶＴロジック回路１４は電力が供給され動作する。このとき、制御部９は、高ＶＴ部７の高ＶＴロジック回路１２を動作させないように、電力供給をＯＦＦにするための信号を、高ＶＴロジック回路用電源スイッチ１１へ出力する。

前述したように、温度検知部６が低温状態を検知した場合、半導体装置１は低ＶＴロジック回路１４を動作させる。低ＶＴロジック回路１４が動作すると、電力の消費に伴い半導体装置１の温度は上昇する。しかし、温度が高温状態になった後に、低ＶＴロジック回路１４を動作させ続けるとリーク電流は増加してしまう。そこで、制御部９は、温度検出回路４が半導体装置１の温度が高温状態になったことを判定した場合、低ＶＴロジック回路用電源スイッチ１３へ電力供給をＯＦＦにするための信号を出力して、低ＶＴロジック回路１４の動作を止め、高ＶＴロジック回路用電源スイッチ１１へ電力供給をＯＮするための信号を出力して、高ＶＴロジック回路１２を動作させる。この様にして、半導体装置１は、高ＶＴロジック回路１２と低ＶＴロジック回路１４とを温度によって切り替え、電源電圧を変更せずに広い温度範囲でリーク電流を抑えて動作することができる。

図４は、本発明の半導体装置１の動作を示したフローチャートである。図４を参照して、本発明の半導体装置の動作方法を説明する。

温度検知部６は、半導体装置１の温度を測定する（ステップＳ０１）。

温度検知部６は、半導体装置１の温度が低温状態であるか高温状態であるかを、温度のしきい値に基づいて判定する（ステップＳ０２）。

ステップＳ０２において、温度検知部６は、半導体装置１の温度が低温状態であると判定した場合、低温状態を示す信号を制御部９へ出力する。制御部９は、低温状態を示す信号を受信し、低ＶＴ部８を動作させる信号を出力する。詳細には、制御部９は、低ＶＴロジック回路１４を動作させるために、電力供給をＯＮにするための信号を、低ＶＴロジック回路用電源スイッチ１３へ出力する（ステップＳ０３）。

低ＶＴロジック回路用電源スイッチ１３は、電力供給をＯＮにするための信号を受信すると、低ＶＴロジック回路１４へ電力を供給する。低ＶＴロジック回路１４は電力が供給され動作する（ステップＳ０４）。このとき、制御部９は、高ＶＴ部７の高ＶＴロジック回路１２を動作させないように、電力供給をＯＦＦにするための信号を、高ＶＴロジック回路用電源スイッチ１１へ出力する。半導体装置１は低ＶＴロジック回路１４が動作すると温度上昇するため、温度検出回路４が温度を測定するステップＳ０１へ戻る。

ステップＳ０２において、温度検知部６は、半導体装置１の温度が高温状態であると判定した場合、高温状態を示す信号を制御部９へ出力する。制御部９は、高温状態を示す信号を受信し、高ＶＴ部７を動作させる信号を出力する。詳細には、制御部９は、高ＶＴロジック回路１２を動作させるために、電力供給をＯＮにするための信号を、高ＶＴロジック回路用電源スイッチ１１へ出力する（ステップＳ０５）。

高ＶＴロジック回路用電源スイッチ１１は、電力供給をＯＮにするための信号を受信すると、高ＶＴロジック回路１２へ電力を供給する。高ＶＴロジック回路１２は電力が供給され動作する（ステップＳ０６）。このとき、制御部９は、低ＶＴ部８の低ＶＴロジック回路１４を動作させないように、電力供給をＯＦＦにするための信号を、低ＶＴロジック回路用電源スイッチ１３へ出力する。尚、高ＶＴロジック回路１２が動作した後、更に、ステップＳ０４へ戻り、半導体装置１の温度を測定するように動作してもよい。

本発明の半導体装置１は、高温状態でしきい値電圧の高い高ＶＴロジック回路１２を動作させ、低温状態でしきい値電圧の低い低ＶＴロジック回路１４を動作させるように切り替えられるため、高温状態のリーク電流（消費電力）を抑えつつ、電源電圧を変更せずに広い温度範囲で動作することができる。近年の半導体装置は、プロセス技術の向上により９０ｎｍ、５５ｎｍ、及び４０ｎｍなどの微細化が進んだことで半導体集積回路内に取り込める回路規模が増大している。しかし、半導体装置の機能を実現させるためのＩ／Ｏ数は、従来と同じか、または増大している。つまり、半導体装置のチップサイズの主要因は、内部の回路規模よりはＩ／Ｏ領域（Ｉ／Ｏ数）に依存する傾向が強い。即ち、本発明の半導体装置１は、過剰に余る内部領域を２重化した内部回路を用いて有効に活用し、広い温度範囲で動作する効果を奏している。

１ 半導体装置
２ 電源端子
３ 内部電源配線
４ ＧＮＤ端子
５ 内部ＧＮＤ配線
６ 温度検知部
７ 高ＶＴ部
８ 低ＶＴ部
９ 制御部
１１ 高ＶＴロジック用電源スイッチ
１２ 高ＶＴロジック回路
１３ 低ＶＴロジック用電源スイッチ
１４ 低ＶＴロジック回路

Claims (5)

1. しきい値電圧が第１電圧である第１トランジスタを含む高ＶＴ部と、
   しきい値電圧が前記第１電圧よりも低い第２電圧である第２トランジスタを含む低ＶＴ部と、
   温度を測定し、前記温度が所定の温度より高い高温状態であるか、前記温度が前記所定の温度よりも低い低温状態であるかを判定し、前記高温状態を示す信号又は前記低温状態を示す信号を出力する温度検知部と、
   前記高温状態を示す信号、又は前記低温状態を示す信号を受信し、前記高温状態を示す信号に基づいて前記高ＶＴ部を動作させ、前記低温状態を示す信号に基づいて前記低ＶＴ部を動作させる制御を行う制御部と
   を具備する
   半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記高ＶＴ部は、
   前記第１トランジスタを含む高ＶＴロジック回路と、
   前記高ＶＴロジック回路への電力供給を切り替える第１スイッチ部と
   を備え、
   前記低ＶＴ部は、
   前記第２トランジスタを含む低ＶＴロジック回路と、
   前記低ＶＴロジック回路への電力供給を切り替える第２スイッチ部と
   を備え、
   前記制御部は、前記高温状態を示す信号に基づいて第１信号を前記第１スイッチ部へ出力し、前記低温状態を示す信号に基づいて第２信号を前記第２スイッチ部へ出力し、
   前記第１スイッチ部は、前記第１信号に基づいて前記高ＶＴロジック回路へ電力を供給し、
   前記第２スイッチ部は、前記第２信号に基づいて前記低ＶＴロジック回路へ電力を供給する
   半導体装置。
3. 温度を測定するステップと、
   前記温度が所定の温度より高い高温状態であるか、前記温度が前記所定の温度よりも低い低温状態であるかを判定するステップと、
   前記判定に基づいて、前記高温状態を示す信号、又は前記低温状態を示す信号を出力するステップと、
   前記高温状態を示す信号、又は前記低温状態を示す信号を受信するステップと、
   前記高温状態を示す信号に基づいて、しきい値電圧が第１電圧である第１トランジスタを含む高ＶＴ部を動作させ、前記低温状態を示す信号に基づいて、しきい値電圧が前記第１電圧よりも低い第２電圧である第２トランジスタを含む低ＶＴ部を動作させるステップと
   を具備する
   半導体装置の動作方法。
4. 請求項３に記載の半導体装置の動作方法であって、
   前記動作させるステップは、
   前記高温状態を示す信号に基づいて、第１信号を出力するステップと、
   前記第１信号に基づいて、前記第１トランジスタを含む高ＶＴロジック回路へ電力を供給するステップと
   を備える
   半導体装置の動作方法。
5. 請求項３又は４に記載の半導体装置の動作方法であって、
   前記動作させるステップは、
   前記低温状態を示す信号に基づいて、第２信号を出力するステップと、
   前記第２信号に基づいて、前記第２トランジスタを含む低ＶＴロジック回路へ電力を供給するステップと
   を備える
   半導体装置の動作方法。

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