JP2011091102A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP2011091102A
JP2011091102A JP2009241642A JP2009241642A JP2011091102A JP 2011091102 A JP2011091102 A JP 2011091102A JP 2009241642 A JP2009241642 A JP 2009241642A JP 2009241642 A JP2009241642 A JP 2009241642A JP 2011091102 A JP2011091102 A JP 2011091102A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
circuit
type transistor
vstop
type
gate electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2009241642A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Juri Kato
樹理 加藤
Yoko Wakisaka
洋子 脇坂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2009241642A priority Critical patent/JP2011091102A/en
Publication of JP2011091102A publication Critical patent/JP2011091102A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device that is achieved in the reduction of the opening current. <P>SOLUTION: The semiconductor device includes a plurality of circuit blocks. Operation stop voltages Vstop in a plurality of circuit blocks are equal to each other. A P-type transistor is used in a critical path of operation timing for determining the operation stop voltages Vstop. P-type impurity densities in a semiconductor immediately below a gate electrode of the P-type transistor are equal to each other between the plurality of circuit blocks. N-type impurity densities in a semiconductor immediately below a gate electrode of an N-type transistor used in the critical path are also equal to each other between the plurality of circuit blocks. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、複数の回路ブロックを備える半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including a plurality of circuit blocks.

近年、腕時計や携帯機器に対する電池寿命の長期化、或いは、少量の自己発電による機能動作の要望が高まり、半導体装置の超低消費電力化が精力的に進められている。例えば、32KHzの水晶振動子を用いた低電力タイプの半導体装置では、150nW(1.0V、150nA;例えば、特許文献1参照。)、或いは、25nW(0.5V、50nA;例えば、特許文献2参照。)の超低消費電力が要求されている。これらの要求にこたえるため、半導体装置の駆動電圧(Vreg)を、半導体装置が正常に動作するために必要な最小の駆動電圧(即ち、動作停止電圧(Vstop))ぎりぎりの値まで小さく設定することにより、半導体装置の低電圧駆動を実現し、消費電力を低減することが計られていた。   In recent years, there has been a growing demand for functional operation with a long battery life or a small amount of self-power generation for wristwatches and portable devices, and ultra-low power consumption of semiconductor devices has been energetically promoted. For example, in a low power type semiconductor device using a 32 KHz crystal resonator, 150 nW (1.0 V, 150 nA; see, for example, Patent Document 1) or 25 nW (0.5 V, 50 nA; for example, Patent Document 2) )) Is required. In order to meet these requirements, the drive voltage (Vreg) of the semiconductor device is set to a minimum value that is necessary for the semiconductor device to operate normally (ie, the operation stop voltage (Vstop)). Therefore, it has been attempted to realize low voltage driving of the semiconductor device and reduce power consumption.

特開2003−134682号公報JP 2003-134682 A 特開2002−111007号公報JP 2002-111007 A

上記の方法では、Vregは、Vstopよりもマージンに相当する分だけ大きな値に設定する必要がある。この必要とされるマージンの中で最も大きいのは、環境温度に対するマージンである。従来、環境温度の変化に対するマージンとして、VregをVstopよりも0.1〜0.2V程度高く設定するのが常であった(例えば、特許文献1参照。)。   In the above method, Vreg needs to be set to a value larger than Vstop by an amount corresponding to the margin. The largest of the required margins is the margin for the environmental temperature. Conventionally, it has been usual to set Vreg to be about 0.1 to 0.2 V higher than Vstop as a margin for changes in environmental temperature (see, for example, Patent Document 1).

また、環境温度変化に対するマージンを少なくするために、電気的特性の温度依存が小さいSOI(Silicon On Insulator)構造を用いて、ロジック回路とアナログ回路とにボディタイ型とフローテイングボディ型とを使い分け、ボディタイ型とフローテイングボディ型の各トランジスターの閾値電圧を同じ値とするような提案もなされていた(例えば、特許文献2参照。)。   In addition, in order to reduce the margin for changes in environmental temperature, using the SOI (Silicon On Insulator) structure with low temperature dependence of electrical characteristics, the logic circuit and the analog circuit are separately used as the body tie type and the floating body type. In addition, a proposal has been made to make the threshold voltages of the body tie type and floating body type transistors have the same value (see, for example, Patent Document 2).

しかしながら、従来の技術では、半導体装置に含まれる種々の回路ブロックのVstopは回路ブロック毎に異なり、複数の回路ブロック間でVreg−Vstop(即ち、駆動電圧のマージン)は異なっていた。例えば、図9に示すように、第1の回路ブロックの動作停止電圧をVstop(1)とし、第2の回路ブロックの動作停止電圧をVstop(2)としたとき、Vstop(1)、Vstop(2)は、−70℃から20℃の温度範囲で互いに異なる値を取り、Vreg−Vstop(1)≠Vreg−Vstop(2)となっていた。このため、従来の技術では、駆動電圧のマージンが大きい回路ブロックほど電流を無駄に消費してしまう傾向があり、半導体装置全体の消費電流を十分に低減できていない可能性があった。
そこで、本発明のいくつかの態様は、このような事情に鑑みてなされたものであって、半導体装置全体の消費電流を低減できるようにした半導体装置の提供を目的とする。
However, in the prior art, Vstop of various circuit blocks included in the semiconductor device is different for each circuit block, and Vreg-Vstop (that is, a margin of drive voltage) is different among a plurality of circuit blocks. For example, as shown in FIG. 9, when the operation stop voltage of the first circuit block is Vstop (1) and the operation stop voltage of the second circuit block is Vstop (2), Vstop (1), Vstop ( 2) had different values in the temperature range of −70 ° C. to 20 ° C., and Vreg−Vstop (1) ≠ Vreg−Vstop (2). For this reason, in the conventional technique, there is a tendency that a circuit block having a large drive voltage margin consumes current wastefully, and the current consumption of the entire semiconductor device may not be sufficiently reduced.
Accordingly, some aspects of the present invention have been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a semiconductor device capable of reducing current consumption of the entire semiconductor device.

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体装置は、複数の回路ブロックを備える半導体装置であって、前記複数の回路ブロックの各々における動作停止電圧Vstopは互いに等しく、前記動作停止電圧Vstopを決定する動作タイミングのクリティカルパスに用いられるP型トランジスターのゲート電極直下の半導体におけるP型不純物濃度は前記複数の回路ブロック間で互いに等しく、且つ、前記クリティカルパスに用いられるN型トランジスターのゲート電極直下の半導体におけるN型不純物濃度も前記複数の回路ブロック間で互いに等しいことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a semiconductor device according to one embodiment of the present invention is a semiconductor device including a plurality of circuit blocks, and operation stop voltages Vstop in each of the plurality of circuit blocks are equal to each other, and the operation stop is performed. The P-type impurity concentration in the semiconductor immediately under the gate electrode of the P-type transistor used for the critical path of the operation timing for determining the voltage Vstop is equal among the plurality of circuit blocks, and the N-type transistor used for the critical path is the same. The N-type impurity concentration in the semiconductor directly under the gate electrode is also equal among the plurality of circuit blocks.

ここで、「動作停止電圧Vstop」は、例えば、回路ブロック等が正常に動作するために必要な最小の駆動電圧のことである。また、「動作停止電圧Vstopを決定する動作タイミングのクリティカルパス」とは、即ち、回路ブロックが正常に動作するために最も高い電圧を必要とする回路の少なくとも一部のことであり、或いは、動作電圧低減のネックとなる回路の少なくとも一部のことである。また、「ゲート電極直下の半導体」とは、トランジスターがSOI基板に形成されている場合はボディ領域のことであり、バルクのシリコン基板に形成されている場合はチャネル領域のことである。   Here, the “operation stop voltage Vstop” is, for example, the minimum drive voltage necessary for a circuit block or the like to operate normally. The “critical timing of operation timing for determining the operation stop voltage Vstop” means at least a part of a circuit that requires the highest voltage for the circuit block to operate normally, or It is at least part of a circuit that becomes a bottleneck for voltage reduction. The “semiconductor directly under the gate electrode” is a body region when the transistor is formed on an SOI substrate, and a channel region when the transistor is formed on a bulk silicon substrate.

このような構成であれば、複数の回路ブロックの各々における動作停止電圧Vstopの温度依存性を、複数の回路ブロック間で互いにほぼ一致させることができ、任意の温度範囲で、複数の回路ブロックの各々における動作停止電圧Vstopを、これら複数の回路ブロックを含む半導体装置全体の動作停止電圧(即ち、動作停止電圧の最大値:Vstopmax)にほぼ一致させることができる。これにより、複数の回路ブロックの各々において、Vreg−Vstop(即ち、駆動電圧のマージン)を小さくできるので、半導体装置全体の消費電流を低減することができる。   With such a configuration, the temperature dependence of the operation stop voltage Vstop in each of the plurality of circuit blocks can be made to substantially coincide with each other between the plurality of circuit blocks. The operation stop voltage Vstop in each can be made substantially equal to the operation stop voltage of the entire semiconductor device including the plurality of circuit blocks (that is, the maximum value of the operation stop voltage: Vstopmax). Thereby, in each of the plurality of circuit blocks, Vreg−Vstop (that is, the margin of the drive voltage) can be reduced, so that the current consumption of the entire semiconductor device can be reduced.

また、上記の半導体装置において、前記複数の回路ブロックとして、発振回路と分周回路とを備え、前記発振回路は、前記発振回路の前記動作停止電圧Vstopを決定する動作タイミングのクリティカルパスに用いられる、第1のP型トランジスターと第1のN型トランジスターとを有し、前記分周回路は、前記分周回路の前記動作停止電圧Vstopを決定する動作タイミングのクリティカルパスに用いられる、第2のP型トランジスターと第2のN型トランジスターとを有し、前記第1のP型トランジスターと前記第2のP型トランジスターの、各々のゲート電極直下の半導体におけるP型不純物濃度は互いに等しく、且つ、前記第1のN型トランジスターと前記第2のN型トランジスターの、各々のゲート電極直下の半導体におけるN型不純物濃度は互いに等しい、ことを特徴としてもよい。このような構成であれば、発振回路と分周回路の各々において、Vstopの温度依存性をほぼ一致させることができる。例えば、発振回路において、Vreg−Vstopを小さくしたり、発振インバーターの貫通電流を低減したりすることができる。   The semiconductor device includes an oscillation circuit and a frequency dividing circuit as the plurality of circuit blocks, and the oscillation circuit is used for a critical path of an operation timing for determining the operation stop voltage Vstop of the oscillation circuit. A first P-type transistor and a first N-type transistor, and the frequency divider circuit is used for a critical path of an operation timing for determining the operation stop voltage Vstop of the frequency divider circuit. A P-type transistor and a second N-type transistor, wherein the first P-type transistor and the second P-type transistor have the same P-type impurity concentration in the semiconductor immediately under the gate electrode, and In the semiconductor immediately below each gate electrode of the first N-type transistor and the second N-type transistor -Type impurity concentration are equal to each other, it may be characterized in that. With such a configuration, the temperature dependence of Vstop can be substantially matched in each of the oscillation circuit and the frequency dividing circuit. For example, in the oscillation circuit, Vreg−Vstop can be reduced, or the through current of the oscillation inverter can be reduced.

また、上記の半導体装置において、前記クリティカルパスに用いられるP型トランジスターとN型トランジスターの各々の閾値電圧は、ゲート電極の仕事関数で制御されていることを特徴としてもよい。このような構成であれば、動作停止電圧Vstopの温度依存性に影響を与えることなく、トランジスターの閾値電圧を調整することができる。
また、上記の半導体装置において、前記クリティカルパスに用いられるP型トランジスターとN型トランジスターの各々の閾値電圧は、ゲート絶縁膜の固定電荷又は仕事関数で制御されていることを特徴としてもよい。このような構成であれば、動作停止電圧Vstopの温度依存性に影響を与えることなく、トランジスターの閾値電圧を調整することができる。
In the semiconductor device, the threshold voltage of each of the P-type transistor and the N-type transistor used for the critical path may be controlled by a work function of the gate electrode. With such a configuration, the threshold voltage of the transistor can be adjusted without affecting the temperature dependence of the operation stop voltage Vstop.
In the semiconductor device, the threshold voltage of each of the P-type transistor and the N-type transistor used for the critical path may be controlled by a fixed charge or work function of the gate insulating film. With such a configuration, the threshold voltage of the transistor can be adjusted without affecting the temperature dependence of the operation stop voltage Vstop.

また、上記の半導体装置において、前記発振回路と前記分周回路とに駆動電圧Vregを供給する電源回路、をさらに備え、前記電源回路は、前記駆動電圧Vregを決定する第3のP型トランジスターと第3のN型トランジスターとを含み、前記3のP型トランジスターのゲート電極直下の半導体におけるP型不純物濃度は、前記第1のP型トランジスター又は前記第2のP型トランジスターのゲート電極直下の半導体におけるP型不純物濃度に等しく、前記3のN型トランジスターのゲート電極直下の半導体におけるN型不純物濃度は、前記第1のN型トランジスター又は前記第2のN型トランジスターのゲート電極直下の半導体におけるN型不純物濃度に等しい、ことを特徴としてもよい。このような構成であれば、駆動電圧Vregの温度依存性を動作停止電圧Vstopの温度依存性にほぼ一致させることができる。   The semiconductor device may further include a power supply circuit that supplies a drive voltage Vreg to the oscillation circuit and the frequency divider circuit, and the power supply circuit includes a third P-type transistor that determines the drive voltage Vreg; A third N-type transistor, and a P-type impurity concentration in a semiconductor immediately below the gate electrode of the third P-type transistor is equal to a semiconductor immediately below the gate electrode of the first P-type transistor or the second P-type transistor. The N-type impurity concentration in the semiconductor immediately below the gate electrode of the third N-type transistor is equal to the N-type impurity concentration in the semiconductor immediately below the gate electrode of the first N-type transistor or the second N-type transistor. It may be characterized by being equal to the type impurity concentration. With such a configuration, the temperature dependency of the drive voltage Vreg can be made substantially coincident with the temperature dependency of the operation stop voltage Vstop.

本発明の実施形態に係る半導体装置100の構成例を示す図。1 is a diagram illustrating a configuration example of a semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention. 分周回路10の構成例を示す図。2 is a diagram illustrating a configuration example of a frequency divider circuit 10. FIG. FF回路10の構成例と、その動作例を示す図。The figure which shows the structural example of the FF circuit 10, and the operation example. 発振回路40の構成例を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of an oscillation circuit 40. SOI基板の構成例を示す図。FIG. 6 illustrates a configuration example of an SOI substrate. 各回路ブロックに用いられるMOSトランジスターの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the MOS transistor used for each circuit block. VregとVstopの温度依存性を示す図。The figure which shows the temperature dependence of Vreg and Vstop. 貫通電流の低減を示す図。The figure which shows reduction of a through current. 従来例を示す図。The figure which shows a prior art example.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その重複する説明は省略する。
〔半導体装置全体の構成例について〕
図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置100の構成例を示すブロック図である。図1に示す半導体装置100は、種々の回路ブロックからなる半導体装置の一例であり、例えばウォッチに内蔵される集積回路である。この半導体装置100は、例えば、分周回路10と、制御回路20と、検出回路30と、発振回路40及び電源回路50を備える。分周回路10と制御回路20はロジック回路であり、検出回路30と発振回路40と電源回路50はアナログ回路である。また、これらロジック回路とアナログ回路は、例えば、同一のSOI基板に形成されている。ここで、SOI基板とは、例えば図5に示すように、支持基板7上に絶縁層8が積層され、絶縁層8上に半導体層9が積層された構造の基板のことである。絶縁層8は例えばシリコン酸化膜であり、半導体層9は例えば単結晶のシリコン層である。始めに、分周回路10の構成例について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in each drawing described below, parts having the same configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted.
[Configuration example of the entire semiconductor device]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention. A semiconductor device 100 illustrated in FIG. 1 is an example of a semiconductor device including various circuit blocks, and is, for example, an integrated circuit incorporated in a watch. The semiconductor device 100 includes, for example, a frequency divider circuit 10, a control circuit 20, a detection circuit 30, an oscillation circuit 40, and a power supply circuit 50. The frequency dividing circuit 10 and the control circuit 20 are logic circuits, and the detection circuit 30, the oscillation circuit 40, and the power supply circuit 50 are analog circuits. The logic circuit and the analog circuit are formed on the same SOI substrate, for example. Here, the SOI substrate is a substrate having a structure in which an insulating layer 8 is stacked on a support substrate 7 and a semiconductor layer 9 is stacked on the insulating layer 8 as shown in FIG. The insulating layer 8 is, for example, a silicon oxide film, and the semiconductor layer 9 is, for example, a single crystal silicon layer. First, a configuration example of the frequency dividing circuit 10 will be described.

〔分周回路の構成例について〕
図2は、分周回路10の構成例を示す図である。図2に示すように、分周回路10は、n(n:2以上の整数)個のFF回路10がn段に亘って連なる構造(即ち、n個のFF回路10が直列にn段接続された構造)を有する。FF回路10は、例えば、準スタティック型Tフリップフロップ回路である。この分周回路10では、1段目のFF回路60の入力端子C1が例えば発振回路40に接続され、1段目のFF回路60の出力端子Q1が2段目のFF回路60の入力端子C2に接続されている。同様に、nが3以上の場合は、n−1段目のFF回路60の出力端子Qn−1がn番目のFF回路60の入力端子Cnに接続され、n−1段目のFF回路60の出力端子XQn−1が、n番目のFF回路60の出力端子XQnにそれぞれ接続されている。
[Configuration example of divider circuit]
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the frequency dividing circuit 10. As shown in FIG. 2, the frequency divider 10 has a structure in which n (n is an integer of 2 or more) FF circuits 10 are connected over n stages (that is, n FF circuits 10 are connected in series in n stages). Structure). The FF circuit 10 is, for example, a quasi-static T flip-flop circuit. In the frequency divider circuit 10, the input terminal C1 of the first stage FF circuit 60 is connected to, for example, the oscillation circuit 40, and the output terminal Q1 of the first stage FF circuit 60 is connected to the input terminal C2 of the second stage FF circuit 60. It is connected to the. Similarly, when n is 3 or more, the output terminal Qn−1 of the (n−1) th FF circuit 60 is connected to the input terminal Cn of the nth FF circuit 60 and the (n−1) th FF circuit 60 is connected. Are connected to the output terminal XQn of the nth FF circuit 60, respectively.

図3(a)及び(b)は、FF回路10の構成例を示す回路図と、その動作例を示すタイミングチャートである。図3(a)に示すように、このFF回路10は、クロックドインバーター1、3、4、5と、インバーター2、6とを有する。クロックドインバーター1、3、4、5には、それぞれC入力端子又はXC入力端子の一方、又は両方が設けられている。ここで、C入力端子に入力される信号(即ち、C入力信号ともいう。)は、クロック信号であり、一定の間隔でHとLとを繰り返す信号である。また、XC入力端子に入力される信号(即ち、XC入力信号)は、C入力信号のHとLとを反転させた信号である。また、インバーター2、6には、セット端子とリセット端子(図示せず)とがそれぞれ設けられている。   3A and 3B are a circuit diagram showing a configuration example of the FF circuit 10 and a timing chart showing an operation example thereof. As shown in FIG. 3A, the FF circuit 10 includes clocked inverters 1, 3, 4, and 5 and inverters 2 and 6. Each of the clocked inverters 1, 3, 4, 5 is provided with one or both of a C input terminal and an XC input terminal. Here, a signal input to the C input terminal (that is also referred to as a C input signal) is a clock signal, and is a signal that repeats H and L at regular intervals. A signal (that is, an XC input signal) input to the XC input terminal is a signal obtained by inverting H and L of the C input signal. The inverters 2 and 6 are each provided with a set terminal and a reset terminal (not shown).

クロックドインバーター1、3、4、5と、インバーター2、6との接続関係を説明すると、図3(a)に示すように、クロックドインバーター1の出力端子は、インバーター2の入力端子と、クロックドインバーター3の出力端子とに接続されている。また、インバーター2の出力端子と、クロックドインバーター3の入力端子は、クロックドインバーター4の入力端子に接続されている。さらに、クロックドインバーター4の出力端子は、クロックドインバーター5の出力端子と、インバーター6の入力端子と、クロックドインバーター1の入力端子と、Q出力端子とに接続されている。また、クロックドインバーター5の入力端子とインバーター6の出力端子は、XQ出力端子に接続されている。   The connection relationship between the clocked inverters 1, 3, 4, 5 and the inverters 2 and 6 will be described. As shown in FIG. 3A, the output terminal of the clocked inverter 1 is connected to the input terminal of the inverter 2, It is connected to the output terminal of the clocked inverter 3. The output terminal of the inverter 2 and the input terminal of the clocked inverter 3 are connected to the input terminal of the clocked inverter 4. Furthermore, the output terminal of the clocked inverter 4 is connected to the output terminal of the clocked inverter 5, the input terminal of the inverter 6, the input terminal of the clocked inverter 1, and the Q output terminal. The input terminal of the clocked inverter 5 and the output terminal of the inverter 6 are connected to the XQ output terminal.

これにより、C入力信号に同期して、Q出力端子からQ出力信号が出力されると共に、XQ出力端子からXQ出力信号が出力される。図3(b)に示すように、Q出力信号はC入力信号と比べて周期が2倍(即ち、周波数が1/2)の信号であり、XQ出力信号はQ出力信号のHとLとを反転させた信号である。
このような構造を有する分周回路10は、高い周波数のクロック信号を各段のFF回路10で順次分周して、低い周波数の信号に変換する。このため、発振回路からみて近い側(即ち、前段)のFF回路10に含まれるインバーターは高い周波数のクロック信号で動作し、発振回路からみて遠い側(即ち、後段)のFF回路10に含まれるインバーターは低い周波数のクロック信号で動作する。
Thus, in synchronization with the C input signal, the Q output signal is output from the Q output terminal, and the XQ output signal is output from the XQ output terminal. As shown in FIG. 3B, the Q output signal is a signal having a period twice that of the C input signal (that is, the frequency is ½), and the XQ output signal is H and L of the Q output signal. Is a signal obtained by inverting.
The frequency dividing circuit 10 having such a structure sequentially divides a high-frequency clock signal by the FF circuit 10 in each stage and converts it to a low-frequency signal. Therefore, the inverter included in the FF circuit 10 on the side closer to the oscillation circuit (that is, the front stage) operates with a clock signal having a higher frequency and is included in the FF circuit 10 on the side farther from the oscillation circuit (that is, the rear stage). The inverter operates with a low frequency clock signal.

例えば、発振回路から32kHzの入力信号が供給される場合、FF回路10は入力信号を2分周(つまり、周波数を1/2に変換)して出力するため、FF回路10を15段接続すると、32kHzの信号は最終的に1Hzとなる。このとき、1段目のFF回路10を構成するインバーターは例えば32KHzの信号で動作し、15段目のFF回路10を構成するインバーターは例えば1Hzの信号で動作する。次に、発振回路40の構成例について説明する。   For example, when an input signal of 32 kHz is supplied from the oscillation circuit, the FF circuit 10 divides the input signal by 2 (that is, converts the frequency to 1/2) and outputs it. The 32 kHz signal finally becomes 1 Hz. At this time, the inverter configuring the first stage FF circuit 10 operates with a signal of, for example, 32 KHz, and the inverter configuring the 15th stage FF circuit 10 operates with, for example, a signal of 1 Hz. Next, a configuration example of the oscillation circuit 40 will be described.

〔発振回路の構成例について〕
図4は、発振回路40の構成例を示す回路図である。図4に示すように、この発振回路40は、発振インバーター41と、水晶発振子42と、抵抗器43と、キャパシター44〜46と、を含む。この発振回路40では、水晶発振子42とキャパシター44、45とにより共振回路が構成されており、この共振回路に発振インバーター41が接続されることにより、特定の周波数(例えば、32kHz)を発振するようになっている。また、この発振回路40の出力端子には、波形整形用のNAND回路90が接続されている。
[Configuration example of oscillation circuit]
FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the oscillation circuit 40. As shown in FIG. 4, the oscillation circuit 40 includes an oscillation inverter 41, a crystal oscillator 42, a resistor 43, and capacitors 44 to 46. In the oscillation circuit 40, a resonance circuit is configured by the crystal oscillator 42 and the capacitors 44 and 45, and an oscillation inverter 41 is connected to the resonance circuit to oscillate a specific frequency (for example, 32 kHz). It is like that. A waveform shaping NAND circuit 90 is connected to the output terminal of the oscillation circuit 40.

〔動作停止電圧Vstopについて〕
ところで、この半導体装置100では、その低消費電力化を実現するために、各回路ブロック(即ち、分周回路10と、制御回路20と、検出回路30と、発振回路40と、電源回路50の各々)における動作停止電圧Vstopの値が、半導体装置100全体の動作停止電圧(即ち、動作停止電圧の最大値:Vstopmax)の値に設定されている。つまり、各回路ブロックのVstopが全て、Vstopmaxに設定されている。
[Operation stop voltage Vstop]
By the way, in the semiconductor device 100, in order to realize the low power consumption, each circuit block (that is, the frequency divider circuit 10, the control circuit 20, the detection circuit 30, the oscillation circuit 40, and the power supply circuit 50) is realized. In each case, the value of the operation stop voltage Vstop is set to the value of the operation stop voltage of the entire semiconductor device 100 (that is, the maximum value of the operation stop voltage: Vstopmax). That is, all Vstops of each circuit block are set to Vstopmax.

詳しく説明すると、発振回路40におけるVstopは、水晶振動子42が発振を継続するためのエネルギーロスを供給できなくなる電圧で決まる。また、分周回路10や制御回路20など、ロジック回路におけるVstopは、素子遅延時間の増大により情報処理ができなくなる電圧で決まる。ここで、図1に示す半導体装置100では、分周回路10は正常に動作するために、他の回路ブロック(即ち、制御回路20と、検出回路30と、発振回路40と、電源回路50の各々)よりも高い電圧を必要としている。   More specifically, Vstop in the oscillation circuit 40 is determined by a voltage at which the crystal oscillator 42 cannot supply energy loss for continuing oscillation. Further, Vstop in logic circuits such as the frequency divider circuit 10 and the control circuit 20 is determined by a voltage at which information processing cannot be performed due to an increase in element delay time. Here, in the semiconductor device 100 shown in FIG. 1, since the frequency divider circuit 10 operates normally, other circuit blocks (that is, the control circuit 20, the detection circuit 30, the oscillation circuit 40, and the power supply circuit 50). Higher voltage than each).

また、少なくともロジック回路の中では、分周回路10は最も高い周波数(例えば、32kHz)で動作し、半導体装置100全体の動作停止電圧Vstopmaxを決定する動作タイミングのクリティカルパスを有する。例えば、この分周回路10を構成するMOSトランジスターについて、そのオフリーク電流が1nA程度となるようにその閾値電圧を設定した場合、駆動電圧が0.3V弱になると32kHzの論理機能は停止してしまう。   Further, at least in the logic circuit, the frequency divider circuit 10 operates at the highest frequency (for example, 32 kHz) and has a critical path of operation timing for determining the operation stop voltage Vstopmax of the entire semiconductor device 100. For example, if the threshold voltage is set so that the off-leak current of the MOS transistor constituting the frequency divider circuit 10 is about 1 nA, the 32 kHz logic function stops when the drive voltage becomes less than 0.3 V. .

一方、制御回路20を構成するMOSトランジスターは、そのほとんどが低周波(例えば8Hz)で動作する。このため、制御回路20を構成するMOSトランジスターについて、そのオフリーク電流が1nA程度となるようにその閾値電圧を設定した場合、駆動電圧が0.3Vより低い電圧(例えば0.25V)になってもその論理機能は正しく動作する。このように、分周回路10は正常に動作するために他の回路ブロックよりも高い電圧を必要とする。半導体装置全体の低電圧化の観点からいえば、分周回路はボトルネックとなっている。   On the other hand, most of the MOS transistors constituting the control circuit 20 operate at a low frequency (for example, 8 Hz). For this reason, when the threshold voltage of the MOS transistor constituting the control circuit 20 is set so that the off-leakage current is about 1 nA, even if the driving voltage is lower than 0.3 V (for example, 0.25 V). Its logic function works correctly. Thus, the frequency divider circuit 10 requires a higher voltage than other circuit blocks in order to operate normally. From the viewpoint of lowering the voltage of the entire semiconductor device, the frequency dividing circuit is a bottleneck.

そこで、この半導体装置100では、分周回路10の動作停止電圧VstopをVstopmaxとし、他の回路ブロック(即ち、制御回路20、検出回路30、発振回路40、電源回路50)のVstopを全て、Vstopmaxに近づけている(理想的には一致させる)。つまり、他の回路ブロックのVstopを全て、Vstopmaxまで引き上げている。このような各回路ブロックにおけるVstopの調整は、各回路ブロックにおいて動作停止電圧Vstopを決定する動作タイミングのクリティカルパスに用いられるMOSトランジスターの閾値電圧を調整することにより行われている。   Therefore, in this semiconductor device 100, the operation stop voltage Vstop of the frequency dividing circuit 10 is set to Vstopmax, and all Vstops of other circuit blocks (that is, the control circuit 20, the detection circuit 30, the oscillation circuit 40, and the power supply circuit 50) are all Vstopmax. (Ideally match). That is, all Vstops of other circuit blocks are raised to Vstopmax. Such adjustment of Vstop in each circuit block is performed by adjusting the threshold voltage of the MOS transistor used in the critical path of the operation timing for determining the operation stop voltage Vstop in each circuit block.

ここで、分周回路10のVstopを決定する動作タイミングのクリィティカルパスはFF回路10であり、特に、高周波で動作する前段(少なくとも1段目を含む)のFF回路10である。また、上記のように、制御回路20はそのほとんどが低周波(例えば8Hz)で動作する。制御回路20の動作周波数はほぼ均一であるため、制御回路20のVstopを決定する動作タイミングのクリィティカルパスは制御回路20全体と見なすことができる。また、発振回路40のVstopを決定する動作タイミングのクリィティカルパスは、発振インバーター41とNAND回路90である。
なお、各回路ブロックにおけるMOSトランジスターの閾値電圧の調整は、後述するように、閾値電圧の温度依存性を排除するため、ゲート電極の仕事関数、又は、ゲート絶縁膜の固定電荷若しくは仕事関数を制御することにより行う。
Here, the critical path of the operation timing for determining Vstop of the frequency divider circuit 10 is the FF circuit 10, and particularly, the FF circuit 10 in the previous stage (including at least the first stage) operating at a high frequency. As described above, most of the control circuit 20 operates at a low frequency (for example, 8 Hz). Since the operation frequency of the control circuit 20 is substantially uniform, the critical path of the operation timing for determining the Vstop of the control circuit 20 can be regarded as the entire control circuit 20. The critical path of the operation timing for determining Vstop of the oscillation circuit 40 is the oscillation inverter 41 and the NAND circuit 90.
As will be described later, the threshold voltage of the MOS transistor in each circuit block is controlled by controlling the work function of the gate electrode or the fixed charge or work function of the gate insulating film in order to eliminate the temperature dependence of the threshold voltage. To do.

〔ボディ領域の不純物濃度について〕
また、この半導体装置100では、各回路ブロックにおいて動作停止電圧Vstopを決定する動作タイミングのクリティカルパスに用いられるMOSトランジスターのボディ領域(即ち、ゲート電極直下の半導体層)における不純物濃度が、Pチャネル型、Nチャネル型毎にそれぞれ、各回路ブロック間で同一となっている。
[Body region impurity concentration]
Further, in this semiconductor device 100, the impurity concentration in the body region (that is, the semiconductor layer directly under the gate electrode) of the MOS transistor used for the critical path of the operation timing for determining the operation stop voltage Vstop in each circuit block is P channel type. Each N-channel type is the same between each circuit block.

図6(a)〜(c)は、各回路ブロックに用いられるMOSトランジスターの構成例を示す断面図である。図6(a)は分周回路10のクリィティカルパスに用いられるP型MOSトランジスター51及びN型MOSトランジスター56を示し、図6(b)は発振回路40のクリィティカルパスに用いられるP型MOSトランジスター61及びN型MOSトランジスター66を示す。また、図6(c)は電源回路50の駆動電圧Vregを決定するP型MOSトランジスター71及びN型MOSトランジスター76を示す。   6A to 6C are cross-sectional views showing a configuration example of a MOS transistor used in each circuit block. FIG. 6A shows a P-type MOS transistor 51 and an N-type MOS transistor 56 used for the critical path of the frequency divider circuit 10, and FIG. 6B shows a P-type MOS used for the critical path of the oscillation circuit 40. A transistor 61 and an N-type MOS transistor 66 are shown. FIG. 6C shows a P-type MOS transistor 71 and an N-type MOS transistor 76 that determine the drive voltage Vreg of the power supply circuit 50.

図6(a)〜(c)に示すように、この半導体装置100では、P型MOSトランジスター51のボディ領域52におけるN型不純物濃度(即ち、ドナー濃度)をNd1とし、P型MOSトランジスター61のボディ領域62におけるドナー濃度をNd2とし、P型MOSトランジスター71のボディ領域72におけるドナー濃度をNd3としたとき、これら各濃度は、Nd1=Nd2=Nd3となっている。   As shown in FIGS. 6A to 6C, in this semiconductor device 100, the N-type impurity concentration (that is, the donor concentration) in the body region 52 of the P-type MOS transistor 51 is Nd1, and the P-type MOS transistor 61 When the donor concentration in the body region 62 is Nd2 and the donor concentration in the body region 72 of the P-type MOS transistor 71 is Nd3, these respective concentrations are Nd1 = Nd2 = Nd3.

また、N型MOSトランジスター56のボディ領域57におけるP型不純物濃度(即ち、アクセプター濃度)をNa1とし、N型MOSトランジスター66のボディ領域67におけるアクセプター濃度をNa2とし、N型MOSトランジスター76のボディ領域77におけるアクセプター濃度をNa3としたとき、これら各濃度は、Na1=Na2=Na3となっている。
これにより、P型MOSトランジスター51、61、71の閾値電圧の温度依存性は、これらP型MOSトランジスター51、61、71間で互いにほぼ同一となっている。また、N型MOSトランジスター56、66、76の閾値電圧の温度依存性も、これらN型MOSトランジスター56、66、76間で互いに同一となっている。
Further, the P-type impurity concentration (that is, the acceptor concentration) in the body region 57 of the N-type MOS transistor 56 is Na1, the acceptor concentration in the body region 67 of the N-type MOS transistor 66 is Na2, and the body region of the N-type MOS transistor 76. When the acceptor concentration in 77 is Na3, these concentrations are Na1 = Na2 = Na3.
Thereby, the temperature dependence of the threshold voltages of the P-type MOS transistors 51, 61, 71 is substantially the same between the P-type MOS transistors 51, 61, 71. The temperature dependence of the threshold voltage of the N-type MOS transistors 56, 66, and 76 is also the same between the N-type MOS transistors 56, 66, and 76.

〔閾値電圧の制御について〕
また、この半導体装置100では、図6(a)〜(c)に示したMOSトランジスター51、56、61、66、71、77の閾値電圧は、ゲート電極の仕事関数、又は、ゲート絶縁膜の固定電荷若しくはゲート絶縁膜の仕事関数でそれぞれ制御されている。
即ち、MOSトランジスター51、56、61、66、71、77の各閾値電圧は、各ゲート電極53、58、63、68、73、78にシリサイドや金属、合金を用いて仕事関数をそれぞれ変化させて、各回路ブロックのVstopを一致させるのに必要とされる、最適な閾値電圧に設定されている。或いは、MOSトランジスター51、56、61、66、71、77の各閾値電圧は、各ゲート絶縁膜54、59、64、69、74、79の固定電荷若しくはその仕事関数をそれぞれ変化させて、各回路ブロックのVstopを一致させるのに必要とされる、最適な閾値電圧に設定されている。
[Control of threshold voltage]
In the semiconductor device 100, the threshold voltages of the MOS transistors 51, 56, 61, 66, 71, and 77 shown in FIGS. 6A to 6C are the work function of the gate electrode or the gate insulating film. It is controlled by a fixed charge or a work function of the gate insulating film.
That is, the threshold voltages of the MOS transistors 51, 56, 61, 66, 71, and 77 change the work function by using silicide, metal, and alloy for the gate electrodes 53, 58, 63, 68, 73, and 78, respectively. Thus, the optimum threshold voltage required to make the Vstops of the circuit blocks coincide with each other is set. Alternatively, the threshold voltages of the MOS transistors 51, 56, 61, 66, 71, 77 change the fixed charges of the gate insulating films 54, 59, 64, 69, 74, 79 or their work functions, respectively. It is set to an optimum threshold voltage required to make the Vstops of the circuit blocks coincide.

ここで、MOSトランジスターの閾値電圧Vthは下記(i)式で表される。また、Vthの温度依存性は下記(ii)式で表される。
Vth=Φms−Qi/Ci+2ψB+√(4εs・q・NA・ψB)/Ci…(i)
dVth/dT = dψB/dT・(2+1/Ci・√(εsqNA/ψB)…(ii)
上記の(i)式、(ii)式において、Φmsはゲート電極とシリコンとの仕事関数差、Qiはゲート絶縁膜の固定電荷、Ciはゲート絶縁膜の容量、ψBはボディと真性半導体のフェルミレベルの差、εsはSiの誘電率、qは電荷、NAはボディの不純物濃度、Tは温度、をそれぞれ示す。
Here, the threshold voltage Vth of the MOS transistor is expressed by the following equation (i). The temperature dependence of Vth is expressed by the following equation (ii).
Vth = Φms−Qi / Ci + 2ψB + √ (4εs · q · NA · ψB) / Ci (i)
dVth / dT = dψB / dT · (2 + 1 / Ci · √ (εsqNA / ψB) (ii)
In the above equations (i) and (ii), Φms is the work function difference between the gate electrode and silicon, Qi is the fixed charge of the gate insulating film, Ci is the capacitance of the gate insulating film, and ψB is the Fermi of the body and the intrinsic semiconductor. The level difference, εs is the dielectric constant of Si, q is the charge, NA is the impurity concentration of the body, and T is the temperature.

(i)式から分かるように、MOSトランジスターの閾値電圧Vthは、ゲート電極の仕事関数、又は、ゲート絶縁膜の固定電荷若しくはその仕事関数を制御することにより、任意の値に調整することができる。即ち、MOSトランジスターにおいて、ボディ領域の不純物濃度が同一であっても、ゲート電極の仕事関数、又は、ゲート絶縁膜の固定電荷若しくはその仕事関数を制御することにより、それぞれの閾値電圧Vthを異なる値に設定することができる。   As can be seen from the equation (i), the threshold voltage Vth of the MOS transistor can be adjusted to an arbitrary value by controlling the work function of the gate electrode, the fixed charge of the gate insulating film, or the work function thereof. . That is, in the MOS transistor, even if the impurity concentration in the body region is the same, the threshold voltage Vth is set to a different value by controlling the work function of the gate electrode or the fixed charge of the gate insulating film or the work function thereof. Can be set to

なお、シリサイドでは、TiSi2、CoSi2、PtSi、NiSiなど異なる材料を用いたり、同一シリサイドにAs,Sb,BF2等の不純物をドープすることにより仕事関数を制御することができる。合金では、RuMoなど、組成比を変化させて仕事関数を制御することができる。或いは、HfOなどのHigh−K材料をゲート絶縁膜に用い、Alなどのドープ量を制御して、仕事関数や酸化膜チャージを制御してもよい。   For silicide, the work function can be controlled by using different materials such as TiSi2, CoSi2, PtSi, and NiSi, or by doping impurities such as As, Sb, and BF2 into the same silicide. For alloys, the work function can be controlled by changing the composition ratio, such as RuMo. Alternatively, a high-K material such as HfO may be used for the gate insulating film, and the work function and the oxide film charge may be controlled by controlling the doping amount of Al or the like.

また、(ii)式から分かるように、MOSトランジスターの閾値電圧Vthの温度依存性は、φBとNA、即ち、ボディ領域の不純物濃度に依存する。閾値電圧Vthの温度依存性は、ゲート電極の仕事関数、又は、ゲート絶縁膜の固定電荷若しくはその仕事関数に影響されない。上記の半導体装置100では、MOSトランジスター51、56、61、66、71、77の閾値電圧Vthをそれぞれ異なる(つまり、最適化されている)値に設定しつつ、その温度依存性に関してはPチャネル型、Nチャネル型毎に、それぞれほぼ同一とすることができる。   As can be seen from the equation (ii), the temperature dependence of the threshold voltage Vth of the MOS transistor depends on φB and NA, that is, the impurity concentration of the body region. The temperature dependence of the threshold voltage Vth is not affected by the work function of the gate electrode, the fixed charge of the gate insulating film, or the work function thereof. In the semiconductor device 100 described above, the threshold voltages Vth of the MOS transistors 51, 56, 61, 66, 71, and 77 are set to different (that is, optimized) values, and the P channel is related to the temperature dependency thereof. Each type and N channel type can be substantially the same.

〔消費電流の低減について〕
図7は、半導体装置100におけるVregとVstopの温度依存性を示す図である。図7の横軸は温度(℃)であり、縦軸は電圧(V)である。
図7に示すように、この半導体装置100では、分周回路10の動作停止電圧VstopをVstopmaxとし、他の回路ブロック(即ち、制御回路20、検出回路30、発振回路40、電源回路50)のVstopが全て、Vstopmaxまで引き上げられている。つまり、各回路ブロックのVstopはVstopmaxとほぼ一致している。このような各回路ブロックにおけるVstopの制御は、上述したように、ゲート電極の仕事関数や、ゲート絶縁膜の固定電荷若しくはその仕事関数など、閾値電圧Vthの温度依存性に影響を与えないパラメータによって、閾値電圧Vthが調整されることにより達成されている。
[About reduction of current consumption]
FIG. 7 is a diagram illustrating the temperature dependence of Vreg and Vstop in the semiconductor device 100. The horizontal axis in FIG. 7 is temperature (° C.), and the vertical axis is voltage (V).
As shown in FIG. 7, in this semiconductor device 100, the operation stop voltage Vstop of the frequency divider circuit 10 is set to Vstopmax, and other circuit blocks (that is, the control circuit 20, the detection circuit 30, the oscillation circuit 40, and the power supply circuit 50). All Vstops are raised to Vstopmax. That is, Vstop of each circuit block is substantially equal to Vstopmax. As described above, the Vstop control in each circuit block is performed by parameters that do not affect the temperature dependence of the threshold voltage Vth, such as the work function of the gate electrode, the fixed charge of the gate insulating film, or the work function thereof. This is achieved by adjusting the threshold voltage Vth.

また、上述したように、分周回路10のクリィティカルパスを構成するMOSトランジスター51、58や、発振回路40のクリィティカルパスを構成するMOSトランジスター61、68、電源回路のVregを決定するMOSトランジスター71、76などの各ボディ領域の不純物濃度は、Pチャネル毎、Nチャネル毎にそれぞれほぼ同一となっている。これにより、各回路ブロックのVstop(=Vstopmax)の温度依存性と、Vregの温度依存性とがほぼ一致している。   Further, as described above, the MOS transistors 51 and 58 that constitute the critical path of the frequency dividing circuit 10, the MOS transistors 61 and 68 that constitute the critical path of the oscillation circuit 40, and the MOS transistor that determines the Vreg of the power supply circuit The impurity concentrations of the body regions 71 and 76 are substantially the same for each P channel and each N channel. As a result, the temperature dependence of Vstop (= Vstopmax) of each circuit block and the temperature dependence of Vreg are almost the same.

このように、任意の温度範囲(例えば、−20〜70℃の温度範囲)で、各回路ブロックのVstopはVstopmaxとほぼ一致し、且つ、Vstop(=Vstopmax)の温度依存性とVregの温度依存性とがほぼ一致しているため、Vreg−Vstopについて回路ブロック間でのバラツキや環境温度に対するマージンを考慮せずに済み、Vreg−Vstopを小さくする(理想的には、最小にする)ことができる。これにより、各回路ブロックで消費電流の無駄を低減することができる。
また、制御回路20、検出回路30、発振回路40、電源回路50などでは、VstopのVstopmaxへの合わせ込みに伴って、MOSトランジスターの閾値電圧の絶対値が高めに設定される。従って、例えば、これらの回路ブロックにおいて常時オフのMOSトランジスター等では、オフリーク電流の低減を期待することができる。
Thus, in an arbitrary temperature range (for example, a temperature range of −20 to 70 ° C.), Vstop of each circuit block substantially matches Vstopmax, and the temperature dependence of Vstop (= Vstopmax) and the temperature dependence of Vreg. Therefore, Vreg-Vstop need not take into account variations between circuit blocks and margins for environmental temperature, and Vreg-Vstop can be reduced (ideally minimized). it can. Thereby, it is possible to reduce waste of current consumption in each circuit block.
In addition, in the control circuit 20, the detection circuit 30, the oscillation circuit 40, the power supply circuit 50, and the like, the absolute value of the threshold voltage of the MOS transistor is set higher with the adjustment of Vstop to Vstopmax. Therefore, for example, a reduction in off-leakage current can be expected for MOS transistors that are normally off in these circuit blocks.

さらに、例えば発振回路40に含まれる発振インバーター41など、比較的高い周波数で動作するインバーターにおいても、P型MOSトランジスターの閾値電圧の絶対値と、N型MOSトランジスターの閾値電圧が共に高めに設定される。これにより、例えば図8に示すように、P型MOSトランジスターと、N型トランジスターの各々の伝達特性(即ち、Vg−Ig特性)はそれぞれ破線から実線へ、高電圧側にシフトするため、貫通電流の低減を期待することができる。ここで、貫通電流とは、P型MOSトランジスターと、N型MOSトランジスターが一瞬の間同時にオンすることにより、電源電位から、P型MOSトランジスターとN型MOSトランジスターとを通って、接地電位に流れてしまう電流のことである。   Further, even in an inverter operating at a relatively high frequency such as the oscillation inverter 41 included in the oscillation circuit 40, both the absolute value of the threshold voltage of the P-type MOS transistor and the threshold voltage of the N-type MOS transistor are set higher. The As a result, for example, as shown in FIG. 8, the transfer characteristics (that is, the Vg-Ig characteristics) of the P-type MOS transistor and the N-type transistor are shifted from the broken line to the solid line to the high voltage side. Can be expected to be reduced. Here, the through current flows from the power supply potential to the ground potential through the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor when the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor are simultaneously turned on for an instant. It is the current that ends up.

このように、本発明の実施形態に係る半導体装置100によれば、複数の回路ブロックの各々におけるVstopの温度依存性は、複数の回路ブロック間で互いにほぼ一致しており、任意の温度範囲(例えば、−20〜70℃の温度範囲)で、複数の回路ブロックの各々におけるVstopはVstopmaxにほぼ一致している。また、Vstopの温度依存性とVregの温度依存性もほぼ一致している。これにより、任意の温度範囲で、Vreg−Vstop(即ち、駆動電圧のマージン)を小さくすることができるので、半導体装置全体の消費電流を低減することができる。   As described above, according to the semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention, the temperature dependence of Vstop in each of the plurality of circuit blocks is substantially the same between the plurality of circuit blocks, and is in an arbitrary temperature range ( For example, in the temperature range of −20 to 70 ° C., Vstop in each of the plurality of circuit blocks substantially matches Vstopmax. Also, the temperature dependence of Vstop and the temperature dependence of Vreg are almost the same. Accordingly, Vreg−Vstop (that is, the margin of the driving voltage) can be reduced in an arbitrary temperature range, so that the current consumption of the entire semiconductor device can be reduced.

即ち、上記の半導体装置100では、各回路ブロックのクリティカルパスに用いられるMOSトランジスター、及び、定電圧源である電源回路を構成するMOSトランジスターのボディ領域の不純物濃度が同じであるから、各回路ブロックにおけるVthの温度依存性は同じになる。このため、例えば室温で、各回路ブロックのVstopが同じに設定してあれば、温度が上下しても、各回路ブロック間のVstopに大きな差は生じない。さらに、室温でVstopに近い値を持ったVregも、その温度依存性はVstopとほぼ同じになり、温度が上下しても、各温度で、Vregは、Vstopに近い値を取る。このため、例えば、VregをVstopより0.03V程度大きく取るだけで、使用する温度範囲(例えば、室温±40℃)において、少ない消費電流で動作を継続させることができる。
このように、回路ブロック毎のVstopをそろえることにより、消費電流削減を全体最適化し、且つ、環境温度の変化に対する動作電圧マージンも最小限に抑制することができる。これにより、低電圧駆動で、低消費電流の半導体装置を提供することができる。
That is, in the semiconductor device 100 described above, the impurity concentration in the body region of the MOS transistor used in the critical path of each circuit block and the MOS transistor constituting the power supply circuit that is a constant voltage source is the same. The temperature dependence of Vth is the same. For this reason, for example, if the Vstop of each circuit block is set to be the same at room temperature, a large difference in Vstop between the circuit blocks does not occur even if the temperature rises and falls. Further, Vreg having a value close to Vstop at room temperature has almost the same temperature dependency as Vstop, and Vreg takes a value close to Vstop at each temperature even if the temperature rises and falls. Therefore, for example, the operation can be continued with a small current consumption in the temperature range to be used (for example, room temperature ± 40 ° C.) only by taking Vreg about 0.03 V larger than Vstop.
Thus, by arranging the Vstops for each circuit block, it is possible to optimize the current consumption reduction as a whole and to minimize the operating voltage margin with respect to changes in the environmental temperature. Thus, a semiconductor device with low voltage drive and low current consumption can be provided.

なお、上記の実施形態では、分周回路10、制御回路20、検出回路30、発振回路40、電源回路50の各回路ブロックを、同一のSOI基板に形成する場合について説明したが、本発明はこれに限られることはない。例えば、上記の各回路ブロックを、同一のバルクシリコン基板に形成しても良い。このような構成であっても、クリィティカルパスに用いられるMOSトランジスターのゲート電極直下のシリコン基板(即ち、チャネル領域)における不純物濃度を、Pチャネル毎、Nチャネル毎に、各回路ブロック間で一致させることにより、上記の実施形態と同様の効果を奏することができる。   In the above-described embodiment, the case where the circuit blocks of the frequency divider circuit 10, the control circuit 20, the detection circuit 30, the oscillation circuit 40, and the power supply circuit 50 are formed on the same SOI substrate has been described. It is not limited to this. For example, the above circuit blocks may be formed on the same bulk silicon substrate. Even in such a configuration, the impurity concentration in the silicon substrate (that is, the channel region) immediately below the gate electrode of the MOS transistor used for the critical path is the same between the circuit blocks for each P channel and each N channel. By doing so, it is possible to achieve the same effects as in the above embodiment.

1、3、4、5 クロックドインバーター、2、6 インバーター、7 支持基板、8 絶縁層、9 半導体層、10 発振回路、20 制御回路、30 検出回路、40 発振回路、41 発振インバーター、42 水晶発振子、43 抵抗器、44〜46 キャパシター、50 電源回路、51、58、61、68、71、78 MOSトランジスター、52、57、62、67、72、77 ボディ領域、53、58、63、68、73、78 ゲート電極、54、59、64、69、74、79 ゲート絶縁膜、60 FF回路、90 NAND回路、100 半導体装置   1, 3, 4, 5 clocked inverter, 2, 6 inverter, 7 support substrate, 8 insulating layer, 9 semiconductor layer, 10 oscillation circuit, 20 control circuit, 30 detection circuit, 40 oscillation circuit, 41 oscillation inverter, 42 crystal Oscillator, 43 Resistor, 44-46 Capacitor, 50 Power supply circuit, 51, 58, 61, 68, 71, 78 MOS transistor, 52, 57, 62, 67, 72, 77 Body region, 53, 58, 63, 68, 73, 78 Gate electrode, 54, 59, 64, 69, 74, 79 Gate insulating film, 60 FF circuit, 90 NAND circuit, 100 Semiconductor device

Claims (5)

複数の回路ブロックを備える半導体装置であって、
前記複数の回路ブロックの各々における動作停止電圧Vstopは互いに等しく、
前記動作停止電圧Vstopを決定する動作タイミングのクリティカルパスに用いられるP型トランジスターのゲート電極直下の半導体におけるP型不純物濃度は前記複数の回路ブロック間で互いに等しく、且つ、
前記クリティカルパスに用いられるN型トランジスターのゲート電極直下の半導体におけるN型不純物濃度も前記複数の回路ブロック間で互いに等しいことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device comprising a plurality of circuit blocks,
The operation stop voltages Vstop in each of the plurality of circuit blocks are equal to each other,
The P-type impurity concentrations in the semiconductor immediately below the gate electrode of the P-type transistor used for the critical path of the operation timing for determining the operation stop voltage Vstop are equal to each other among the plurality of circuit blocks, and
A semiconductor device characterized in that N-type impurity concentrations in a semiconductor immediately below a gate electrode of an N-type transistor used for the critical path are also equal among the plurality of circuit blocks.
前記複数の回路ブロックとして、発振回路と分周回路とを備え、
前記発振回路は、前記発振回路の前記動作停止電圧Vstopを決定する動作タイミングのクリティカルパスに用いられる、第1のP型トランジスターと第1のN型トランジスターとを有し、
前記分周回路は、前記分周回路の前記動作停止電圧Vstopを決定する動作タイミングのクリティカルパスに用いられる、第2のP型トランジスターと第2のN型トランジスターとを有し、
前記第1のP型トランジスターと前記第2のP型トランジスターの、各々のゲート電極直下の半導体におけるP型不純物濃度は互いに等しく、且つ、
前記第1のN型トランジスターと前記第2のN型トランジスターの、各々のゲート電極直下の半導体におけるN型不純物濃度は互いに等しい、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
As the plurality of circuit blocks, an oscillation circuit and a frequency divider circuit are provided,
The oscillation circuit includes a first P-type transistor and a first N-type transistor that are used in a critical path of operation timing for determining the operation stop voltage Vstop of the oscillation circuit.
The frequency divider circuit includes a second P-type transistor and a second N-type transistor that are used in a critical path of operation timing for determining the operation stop voltage Vstop of the frequency divider circuit.
The P-type impurity concentrations of the first P-type transistor and the second P-type transistor in the semiconductor immediately below each gate electrode are equal to each other, and
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first N-type transistor and the second N-type transistor have the same N-type impurity concentration in the semiconductor immediately under the gate electrode.
前記クリティカルパスに用いられるP型トランジスターとN型トランジスターの各々の閾値電圧は、ゲート電極の仕事関数で制御されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a threshold voltage of each of the P-type transistor and the N-type transistor used in the critical path is controlled by a work function of a gate electrode. 前記クリティカルパスに用いられるP型トランジスターとN型トランジスターの各々の閾値電圧は、ゲート絶縁膜の固定電荷又は仕事関数で制御されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor according to claim 1, wherein a threshold voltage of each of the P-type transistor and the N-type transistor used in the critical path is controlled by a fixed charge or a work function of the gate insulating film. apparatus. 前記発振回路と前記分周回路とに駆動電圧Vregを供給する電源回路、をさらに備え、
前記電源回路は、前記駆動電圧Vregを決定する第3のP型トランジスターと第3のN型トランジスターとを含み、
前記3のP型トランジスターのゲート電極直下の半導体におけるP型不純物濃度は、前記第1のP型トランジスター又は前記第2のP型トランジスターのゲート電極直下の半導体におけるP型不純物濃度に等しく、
前記3のN型トランジスターのゲート電極直下の半導体におけるN型不純物濃度は、前記第1のN型トランジスター又は前記第2のN型トランジスターのゲート電極直下の半導体におけるN型不純物濃度に等しい、ことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
A power supply circuit for supplying a drive voltage Vreg to the oscillation circuit and the frequency divider circuit;
The power supply circuit includes a third P-type transistor and a third N-type transistor that determine the driving voltage Vreg.
The P-type impurity concentration in the semiconductor immediately under the gate electrode of the third P-type transistor is equal to the P-type impurity concentration in the semiconductor immediately under the gate electrode of the first P-type transistor or the second P-type transistor,
The N-type impurity concentration in the semiconductor immediately below the gate electrode of the third N-type transistor is equal to the N-type impurity concentration in the semiconductor immediately below the gate electrode of the first N-type transistor or the second N-type transistor. The semiconductor device according to claim 2.
JP2009241642A 2009-10-20 2009-10-20 Semiconductor device Pending JP2011091102A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009241642A JP2011091102A (en) 2009-10-20 2009-10-20 Semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009241642A JP2011091102A (en) 2009-10-20 2009-10-20 Semiconductor device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011091102A true JP2011091102A (en) 2011-05-06

Family

ID=44109117

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009241642A Pending JP2011091102A (en) 2009-10-20 2009-10-20 Semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2011091102A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1378995B1 (en) Oscillation circuit, constant voltage generation circuit, semiconductor device, electronic equipment and timepiece
US8174309B2 (en) Reference voltage circuit
TWI493318B (en) Internal supply voltage generation circuit
CN105719686B (en) Semiconductor integrated circuit device and wearable device
TWI732904B (en) Compensation device for compensating pvt variations of an analog and/or digital circuit
US20180005685A1 (en) Semiconductor device comprising charge pump circuit for generating substrate bias voltage
US6686792B2 (en) Electronic circuit, semiconductor device, electronic equipment, and timepiece
JP2008236629A (en) Oscillation apparatus, semiconductor device, electronic appliance and clock
US20120194281A1 (en) Oscillation-Stop Detection Circuit, Semiconductor Device, Timepiece, And Electronic Device
JP2011091102A (en) Semiconductor device
US6229405B1 (en) Low-voltage oscillation amplifying circuit
JP3886716B2 (en) Semiconductor integrated circuit, timepiece and electronic device equipped with the same
JPH0378007B2 (en)
US20050035807A1 (en) Level down converter
US20100188120A1 (en) Semiconductor integrated circuit device
JP5321715B2 (en) Oscillator, semiconductor device, electronic device, and watch
US10115452B2 (en) Semiconductor device
JP4719077B2 (en) Semiconductor device
JPH10200335A (en) Oscillation circuit
JP4750599B2 (en) Electronic circuit
JP2010192625A (en) Semiconductor device
JP5332502B2 (en) Oscillation circuit and semiconductor device
KR830000875B1 (en) Voltage generator
JP2010273044A (en) Frequency-divider circuit, and semiconductor device
Meek et al. Flexfet Independently-Double-Gated CMOS for Dynamic Circuit Control

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20110630