JP2011096950A - Semiconductor device, sense amplifier circuit, method of controlling semiconductor device, and method of controlling sense amplifier circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ダブルゲートトランジスタを用いた機能回路を含む半導体装置と、ダブルゲートトランジスタを用いたセンスアンプ回路と、それらの半導体装置、センスアンプ回路の制御方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device including a functional circuit using a double gate transistor, a sense amplifier circuit using a double gate transistor, and a method for controlling the semiconductor device and the sense amplifier circuit.
従来から、チャネル領域を挟んで対向する2個のゲート電極(フロントゲート及びバックゲート)を設けたダブルゲートMOSFETを制御する際、バックゲート電圧を制御することによりフロントゲートの閾値電圧を変化させる手法が知られている。このような独立制御型ダブルゲート(IDG: Independent Double Gate)MOSFETの構造例について図17を参照して説明する。図17(A)は、ダブルゲートMOSFETの一般的な回路記号を表す図であり、2個のゲート電極であるフロントゲートFG及びバックゲートBGと、ソースS及びドレインDを有するダブルゲートMOSFETが示されている。図17(B)は、ダブルゲートMOSFETに適用されるSOI−MOSFET構造を示す図であり、図17(C)は、ダブルゲートMOSFETに適用されるFinFET構造を示す図である。図17(B)の構造においては、シリコン基板100上の絶縁膜101の上部領域にソースS及びドレインDを形成し、チャネル領域の上部にゲート誘電体膜102を挟んで一方のゲート電極(フロントゲートFG)が形成され、その下部のシリコン基板100の領域が他方のゲート電極(バックゲートBG)となる。また、図17(C)の構造においては、絶縁膜103上にソースS及びドレインDを有するFinが設けられ、その両側にゲート誘電体104を挟んで独立した2個のゲート電極が形成され、一方がフロントゲートFGとして機能し、他方がバックゲートBGとして機能する。ダブルゲートMOSFETを用いた構成及び制御方法を適用した具体例は種々の先行文献に開示されている(例えば、非特許文献1及び特許文献1、2、3、4参照)。
Conventionally, when controlling a double gate MOSFET provided with two gate electrodes (front gate and back gate) facing each other across a channel region, the threshold voltage of the front gate is changed by controlling the back gate voltage. It has been known. An example of the structure of such an independently controlled double gate (IDG) MOSFET will be described with reference to FIG. FIG. 17A is a diagram showing a general circuit symbol of a double-gate MOSFET, and shows a double-gate MOSFET having two gate electrodes, a front gate FG and a back gate BG, and a source S and a drain D. Has been. FIG. 17B is a diagram showing an SOI-MOSFET structure applied to a double gate MOSFET, and FIG. 17C is a diagram showing a FinFET structure applied to a double gate MOSFET. In the structure of FIG. 17B, the source S and drain D are formed in the upper region of the
非特許文献1には、N型FinFET構造のIDG−MOSFETに対するバックゲート電圧により閾値電圧を制御する技術が開示されている。非特許文献1に開示された技術によれば、バックゲート電圧が0Vのときは、閾値電圧が負電圧(デプレッション)となって、フロントゲート電圧に対して大きなドレイン電流が流れるのに対し、バックゲート電圧を負電圧(-1V)に低下させると、閾値電圧がほぼ0Vとなって、フロントゲート電圧に対して流れるドレイン電流が減少することが示されている。P型FinFET構造のIDG−MOSFETに対しても、逆の電圧極性により同様の制御が可能である。
Non-Patent
特許文献1には、バックゲート電圧に応じて、制御対象のMOSFETの閾値電圧を動作時及び待機時にそれぞれ最適な値に制御可能であると記載されている。特許文献2には、回路ブロックを構成するMOSFETのバックバイアス電圧の制御手法が開示されている。この制御手法によれば、作動状態と待機状態の間を遷移する回路ブロック群の個々の回路ブロックについて、マスター制御ブロックにより上述のバックバイアス電圧が独立かつ静的に制御される。特許文献3には、センスアンプを構成する1対のMOSFETの閾値電圧を常に一定に保つための技術が開示されている。この技術によれば、センスアンプのMOSFETとほぼ同じMOSFETを用いたモニタ回路を設け、このモニタ回路のMOSFETの閾値電圧の変動を打ち消すようにセンスアンプのMOSFETのバックバイアス電圧がフィードバック制御される。
また、特許文献4には、DRAMのセンスアンプ回路を構成するMOSFETの基板電圧を制御する技術が開示されている。特許文献4に開示された技術によれば、センス増幅時にMOSFETに設けた基板電圧制御端子を介して基板電圧を動的に制御することにより、MOSFETの閾値電圧を低下させ、低電圧、高速、低リーク電流の動作を実現するものである。特許文献4には、センスアンプ回路(図21)に対する具体的な制御(図22)が説明されている。このような制御により、一対のビット線BL及び/BLを所望の波形(図22下部)で変化させて上記の目的を達成するものである。
しかしながら、上記従来の技術を、MOSFETを用いた論理回路やセンスアンプ回路に対して実際に適用するには、以下に述べるような様々な問題がある。特許文献1には、MOSFETの閾値電圧の具体的な制御方法が開示されておらず、実際に論理回路等に応用することは困難である。特許文献2には、バックバイアス電圧を決定する具体的手法は開示されておらず、状態に応じて動作特性を最適化するようにバックバイアス電圧を決定できないことが問題である。特許文献3に開示された技術は、単にセンスアンプの閾値電圧の変動を打ち消すことにとどまり、一般的な論理回路等における多様な用途に適用することは困難である。
However, in order to actually apply the above conventional technique to a logic circuit or a sense amplifier circuit using MOSFET, there are various problems as described below.
また、特許文献4のセンスアンプ回路は、低い電源電圧で動作させる場合、信号を増幅して外部信号線に読み出す際に十分な信号電圧で読み出せなくなることが問題である。また、このときにセンスラッチが反転しやすくなって誤動作の要因となるとともに、外部信号線を経由するデータ書き込み時にビット線を電源電圧に駆動する時間が長くなって書き込み時間が増加することが問題となる。特許文献4には、これらの問題に対する対策は開示されていない。さらに、特許文献4に開示された技術によれば、閾値電圧を基板電圧により制御するため、閾値電圧を低下させる際にMOSFETのソースと基板の間のPN接合が順バイアスされないように制御する必要があり、閾値電圧を最適な値に設定することが困難である。
In addition, when the sense amplifier circuit of
そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、ダブルゲートトランジスタを用いて論理回路やセンスアンプ回路等の機能回路を構成する場合、バックゲート電圧を適切に制御することによりダブルゲートトランジスタの閾値電圧を変化させ、高速かつ低消費電力で動作する機能回路の良好な特性を実現可能な半導体装置等及びその制御方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve these problems. When a functional circuit such as a logic circuit or a sense amplifier circuit is configured using a double gate transistor, the back gate voltage is appropriately controlled. An object of the present invention is to provide a semiconductor device and the like and a control method thereof capable of realizing good characteristics of a functional circuit that operates at high speed and with low power consumption by changing the threshold voltage of a double gate transistor.
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、一又は複数のダブルゲートトランジスタを含む機能回路と、前記ダブルゲートトランジスタの特性の基準となるダブルゲート構造の基準トランジスタを含み、当該基準トランジスタの第1ゲート電極に所定の参照電圧を印加し、かつ当該基準トランジスタを流れるドレイン電流が所定の参照電流と一致するように前記基準トランジスタの第2ゲート電極の電位を制御し、当該電位を制御電圧として出力する電圧制御回路とを備えて構成され、前記機能回路の前記ダブルゲートトランジスタの第2ゲート電極に前記制御電圧が印加される。 In order to solve the above problems, a semiconductor device of the present invention includes a functional circuit including one or a plurality of double-gate transistors, and a reference transistor having a double-gate structure that serves as a reference for characteristics of the double-gate transistor, and the reference transistor A predetermined reference voltage is applied to the first gate electrode, and the potential of the second gate electrode of the reference transistor is controlled so that the drain current flowing through the reference transistor matches the predetermined reference current, thereby controlling the potential. A voltage control circuit that outputs a voltage, and the control voltage is applied to a second gate electrode of the double gate transistor of the functional circuit.
本発明の半導体装置によれば、電圧制御回路のダブルゲート構造の基準トランジスタに対し、第1ゲート電極に参照電圧を印加したときのドレイン電流が参照電流と一致するように第2ゲート電極の電位が制御され、その電位が制御電圧として出力され、機能回路の各ダブルゲートトランジスタの第2ゲート電極に印加される。これにより、制御回路の参照電圧及び参照電流をそれぞれ適切に設定することにより、機能回路を構成するダブルゲートトランジスタの閾値電圧を変化させて機能回路に所望の特性を付与することができる。 According to the semiconductor device of the present invention, the potential of the second gate electrode is such that the drain current when the reference voltage is applied to the first gate electrode matches the reference current with respect to the reference transistor having the double gate structure of the voltage control circuit. Is controlled, and the potential is output as a control voltage and applied to the second gate electrode of each double-gate transistor of the functional circuit. Thus, by appropriately setting the reference voltage and the reference current of the control circuit, it is possible to change the threshold voltage of the double gate transistor constituting the functional circuit and to impart desired characteristics to the functional circuit.
また、上記課題を解決するために、本発明のセンスアンプ回路は、メモリセルから読み出した信号が伝送されるビット線の電位を参照ビット線電位と比較して2値判定する判定ラッチ回路を含むセンスアンプ回路であって、共通に接続されるバックゲートに第1のバックゲート電圧が印加されるダブルゲート構造の2個のP型トランジスタと、共通に接続されるバックゲートに第2のバックゲート電圧が印加されるダブルゲート構造の2個のN型トランジスタとを備えている。本発明のセンスアンプ回路は、センス増幅時に、前記第1のバックゲート電圧が通常時より低い電圧値に制御され、かつ前記第2のバックゲート電圧が通常時より高い電圧値に制御される。 In order to solve the above problem, the sense amplifier circuit of the present invention includes a determination latch circuit that performs binary determination by comparing the potential of a bit line to which a signal read from a memory cell is transmitted with a reference bit line potential. Two P-type transistors having a double gate structure in which a first back gate voltage is applied to a commonly connected back gate, and a second back gate to a commonly connected back gate. And two N-type transistors having a double gate structure to which a voltage is applied. In the sense amplifier circuit of the present invention, at the time of sense amplification, the first back gate voltage is controlled to a voltage value lower than normal, and the second back gate voltage is controlled to a voltage value higher than normal.
本発明のセンスアンプ回路によれば、ダブルゲート構造のトランジスタを用いて判定ラッチ回路を構成し、そのうちの2個のP型トランジスタのバックゲートに第1のバックゲート電圧を印加し、2個のN型トランジスタのバックゲートに第2のバックゲート電圧を印加し、通常時に比べ、センス増幅時に第1のバックゲート電圧を低くし、かつ第2のバックゲート電圧を高くするような制御が行われる。これにより、判定ラッチ回路の各トランジスタの閾値電圧を低下させ、センス増幅の速度を向上させることが可能となる。 According to the sense amplifier circuit of the present invention, a determination latch circuit is configured using a double-gate transistor, and a first back gate voltage is applied to the back gates of two P-type transistors, Control is performed such that the second back gate voltage is applied to the back gate of the N-type transistor, and the first back gate voltage is lowered and the second back gate voltage is raised during sense amplification compared to the normal time. . As a result, the threshold voltage of each transistor of the determination latch circuit can be lowered, and the sense amplification speed can be improved.
本発明は、前記半導体装置の制御方法及び前記センスアンプ回路の制御方法のそれぞれに対しても有効に適用することができる。 The present invention can be effectively applied to both the control method of the semiconductor device and the control method of the sense amplifier circuit.
本発明によれば、一又は複数のダブルゲートトランジスタを用いた機能回路を含む半導体装置において、各々のダブルゲートトランジスタの第2ゲート電極の制御を通じて閾値電圧を変化させることで、機能回路に所望の特性を付与することができる。この場合、動作状態に関わらず、機能回路が常に一定の特性を保持するように制御することで、製造プロセスの変動や温度変動に起因する特性ばらつきを抑制することができる。あるいは、機能回路の動作状態に応じて、その特性を動的に変更することで、例えば、パワーダウン状態ではリーク電流を抑え、かつアクティブ状態では動作速度の向上と消費電流の低減を図るなど、機能回路の動作に対する多様な要求を実現可能となる。 According to the present invention, in a semiconductor device including a functional circuit using one or a plurality of double gate transistors, the threshold voltage is changed through the control of the second gate electrode of each double gate transistor, so that a desired function circuit can be obtained. Properties can be imparted. In this case, by controlling so that the functional circuit always maintains a constant characteristic regardless of the operation state, characteristic variations caused by manufacturing process variations and temperature variations can be suppressed. Alternatively, by dynamically changing the characteristics according to the operating state of the functional circuit, for example, in the power-down state, the leakage current is suppressed, and in the active state, the operating speed is increased and the consumption current is reduced. Various requirements for the operation of the functional circuit can be realized.
また、本発明によれば、2個のP型トランジスタと2個のN型トランジスタを用いた判定ラッチ回路を含むセンスアンプ回路において、それぞれのダブルゲート構造におけるバックゲート電圧を適切に制御することで、トランジスタの閾値電圧を最適化し、リーク電流を抑えつつセンス増幅の速度を向上させることができる。また、読み出し動作時には、外部信号線への十分な信号電圧を確保しつつ動作マージンを向上させ、書き込み動作時にはビット線を電源電圧まで駆動するのに要する時間を短縮して、書き込み速度を向上させることができる。 Further, according to the present invention, in a sense amplifier circuit including a determination latch circuit using two P-type transistors and two N-type transistors, the back gate voltage in each double gate structure is appropriately controlled. The threshold voltage of the transistor can be optimized, and the sense amplification speed can be improved while suppressing the leakage current. Also, during the read operation, the operation margin is improved while securing a sufficient signal voltage to the external signal line, and during the write operation, the time required to drive the bit line to the power supply voltage is shortened to improve the write speed. be able to.
本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下では、ダブルゲート構造を有するMOSFET(ダブルゲートMOSFET)を用いた機能回路を含む半導体装置に対して本発明を適用した形態(第1実施形態)と、ダブルゲートMOSFETを用いたセンスアンプ回路に対して本発明を適用した形態(第2実施形態)についてそれぞれ説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, a configuration (first embodiment) in which the present invention is applied to a semiconductor device including a functional circuit using a MOSFET having a double gate structure (double gate MOSFET) and a sense amplifier circuit using the double gate MOSFET are described. On the other hand, the form (2nd Embodiment) to which this invention is applied is each demonstrated.
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について説明する。まず、第1実施形態の半導体装置おいて、ダブルゲートMOSFETを用いた機能回路の構成とその特性の制御について、図1及び図2を参照して説明する。図1は、4段のインバータから構成されるドライバ回路の回路構成を示している。図1のドライバ回路は、P型のダブルゲートゲートMOSFET10、12、14、16と、N型のダブルゲートMOSFET11、13、15、17が含まれ、電源電圧VDDとグランド電位VSSが供給される。初段のインバータの一対のMOSFET10、11の各フロントゲート(本発明の第1ゲート電極)には入力信号Sinが入力され、4段目のインバータの一対のMOSFET16、17の各ドレインからは出力信号Soutが出力される。また、P型MOSFET10、12、14、16の各バックゲート(本発明の第2ゲート電極)にはバックゲート電圧VBGP(本発明の第1の制御電圧)が印加され、N型MOSFET11、13、15、17の各バックゲート(本発明の第2ゲート電極)にはバックゲート電圧VBGN(本発明の第2の制御電圧)が印加される。
[First Embodiment]
The first embodiment of the present invention will be described below. First, in the semiconductor device of the first embodiment, a configuration of a functional circuit using a double gate MOSFET and control of its characteristics will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a circuit configuration of a driver circuit composed of four stages of inverters. The driver circuit of FIG. 1 includes P-type double
なお、以下の説明では、特に区別の必要がない限り、ダブルゲートMOSFETを単に「MOSFET」と表記し(必要に応じて「P型」又は「N型」を付加する)、ダブルゲートMOSFETのフロントゲートを単に「ゲート」と表記する。 In the following description, unless otherwise distinguished, the double gate MOSFET is simply expressed as “MOSFET” (“P type” or “N type” is added as necessary), and the front of the double gate MOSFET is used. The gate is simply expressed as “gate”.
図1のMOSFET10〜17の各々には、基準となるMOSFETのゲート幅を1としたときの倍率(n倍を×nと表す)を付記している。初段のインバータのP型MOSFET10及びN型MOSFET11はともにゲート幅が1倍(×1)であり、2〜4段目のインバータは順次4倍(×4)、16倍(×16)、64倍(×64)とゲート幅が大きくなっていく。図1において、各々のインバータは、ゲート幅がn倍の場合、基準となるゲート幅を有する基準MOSFETをn個並列に接続して構成することを前提とする。そのため、MOSFETのチャネル長は、基準となるMOSFETと同じである。なお、P型及びN型のそれぞれの基準となるMOSFETはゲート幅/チャネル長は同一である必要はなく、例えば、P型MOSFETのゲート幅がN型MOSFETのゲート幅の2倍に設定されていてもよい。
Each of the
ここで、図1の回路構成をP型及びN型の各基準MOSFETを用いて構成する場合を説明する。図2(A)は、図1のドライバ回路において、初段のインバータから信号S1を入力して3段目のインバータに信号S2を出力する2段目のインバータの回路部分を示している。また、図2(B)は、図2(A)の回路構成をP型及びN型の各基準MOSFETを用いて表した回路構成を示している。図2(B)において、4個の基準P型MOSFET20が並列接続されるとともに、4個の基準N型MOSFET30が並列接続されており、全体としては4倍のゲート幅のMOSFETと同じ特性が得られる。なお、4個の基準P型MOSFET20は、共通に接続されたバックゲートに上記のバックゲート電圧VBGPが印加され、4個の基準N型MOSFET30は、共通に接続されたバックゲートに上記のバックゲート電圧VBGNが印加されている。
Here, a case where the circuit configuration of FIG. 1 is configured using P-type and N-type reference MOSFETs will be described. FIG. 2A shows a circuit portion of the second-stage inverter that receives the signal S1 from the first-stage inverter and outputs the signal S2 to the third-stage inverter in the driver circuit of FIG. FIG. 2B shows a circuit configuration in which the circuit configuration of FIG. 2A is expressed using P-type and N-type reference MOSFETs. In FIG. 2B, four reference P-
図3(A)は、P型MOSFET用のバックゲート電圧VBGPを発生するVBGP制御回路のブロック図を示している。図3(A)において、基準P型MOSFET20は、ソースが電源電圧VDDに接続され、ゲートに可変の参照電圧Vrpが印加されている。電流比較回路21は、可変の参照電流Irpと、基準P型MOSFET20のドレイン電流Ipとの大小を比較する。VBGP発生回路22は、電流比較回路21の比較結果を受け取り、バックゲート電圧VBGPを発生する。このバックゲート電圧VBGPは、基準P型MOSFET20のバックゲートにフィードバックされ、ドレイン電流Ipが参照電流Irpに一致するようにバックゲート電圧VBGPの値が制御される。これにより、参照電圧Vrpと参照電流Irpを任意に設定すれば、所要の特性が得られるようにバックゲート電圧VBGPの値が決定される。
FIG. 3A shows a block diagram of a VBGP control circuit that generates a back gate voltage VBGP for a P-type MOSFET. In FIG. 3A, the reference P-
図3(B)は、N型MOSFET用のバックゲート電圧VBGNを発生するVBGN制御回路のブロック図を示している。図3(B)において、基準N型MOSFET30は、ソースがグランドに接続され、ゲートに可変の参照電圧Vrnが印加されている。電流比較回路31は、可変の参照電流Irnと、基準N型MOSFET30のドレイン電流Inとの大小を比較する。VBGN発生回路32は、電流比較回路31の比較結果を受け取り、バックゲート電圧VBGNを発生する。このバックゲート電圧VBGNは、基準N型MOSFET30のバックゲートにフィードバックされ、ドレイン電流Inが参照電流Irnに一致するようにバックゲート電圧VBGNの値が制御される。これにより、参照電圧Vrnと参照電流Irnを任意に設定すれば、所要の特性が得られるようにバックゲート電圧VBGNの値が決定される。
FIG. 3B shows a block diagram of a VBGN control circuit that generates a back gate voltage VBGN for an N-type MOSFET. In FIG. 3B, the standard N-
次に、図4及び図5を参照して、図3(A)のVBGP制御回路と図3(B)のVBGN制御回路のそれぞれ具体的な構成例について説明する。図4は、VBGP制御回路の回路構成例を示す図であって、タップ選択回路50と、第1セレクタ51と、第2セレクタ52と、フィルタ53と、基準P型MOSFET20と、P型MOSFET54、55と、2個のオペアンプ56、57を含む構成が示されている。図4において、タップ選択回路50は、受け取った動作モード信号Smに応じて第1セレクタ51及び第2セレクタ52にそれぞれ制御信号を送出する。第1セレクタ51からは、タップ選択回路50の制御信号に基づき、電源電圧VDDとグランドの間の可変抵抗の値に応じて選択された参照電圧Vrpが出力される。この参照電圧Vrpは、フィルタ53により平滑化された後、基準P型MOSFET20のゲートに入力され、基準P型MOSFET20から抵抗R1にドレイン電流Ipが流れる。一方、第2セレクタ52は、タップ選択回路50の制御信号に基づき、電流源となるP型MOSFET54の電流値が可変抵抗の値に応じて選択され、それに応じてP型MOSFET55から抵抗R1に流れる参照電流Irpが決定される。なお、タップ選択回路50と、第1セレクタ51、第2セレクタ52は、一体的に本発明の選択回路として機能する。
Next, specific configuration examples of the VBGP control circuit in FIG. 3A and the VBGN control circuit in FIG. 3B will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit configuration example of the VBGP control circuit. The
オペアンプ56には、ドレイン電流Ipに比例する電圧R1・Ipがプラス側入力端子に入力され、参照電流Irpに比例する電圧R1・Irpがマイナス側入力端子に入力され、両方の電圧の大きさが比較される。オペアンプ56の出力信号は、ボルテージフォロアとして動作するオペアンプ57に入力され、オペアンプ57からバックゲート電圧VBGPが出力される。このバックゲート電圧VBGPは、図4の基準P型MOSFET20のバックゲートに印加されるともに、上述の機能回路に含まれる各基準P型MOSFET20に対して供給される。図4の構成により、参照電圧Vrpと参照電流Ipのそれぞれの設定値に従って、基準P型MOSFET20が所望の特性となるようにバックゲート電圧VBGPの値を適切に決定することができる。
In the
図5は、VBGN制御回路の回路構成例を示す図であって、タップ選択回路60と、第3セレクタ61と、第4セレクタ62と、フィルタ63と、基準N型MOSFET30と、N型MOSFET64、65と、2個のオペアンプ66、67を含む構成が示されている。図5において、タップ選択回路60は、動作モードを指定する動作モード信号Smを受け取り、この動作モード信号Smに応じて第3セレクタ61及び第4セレクタ62をそれぞれ制御する。第3セレクタ61からは、電源電圧VDDとグランドの間の可変抵抗の値に応じて選択された参照電圧Vrnが出力される。この参照電圧Vrnは、フィルタ63により平滑化された後、基準N型MOSFET30のゲートに入力され、抵抗R2を介して基準N型MOSFET30にドレイン電流Inが流れる。一方、第4セレクタ62は、電流源となるN型MOSFET64の電流値が可変抵抗の値に応じて選択され、それに応じて抵抗R2を介してN型MOSFET65を流れる参照電流Irnが決定される。なお、タップ選択回路60と、第3セレクタ61、第4セレクタ62は、一体的に本発明の選択回路として機能する。
FIG. 5 is a diagram showing a circuit configuration example of the VBGN control circuit. The
オペアンプ66には、ドレイン電流Inに比例する電圧R2・Inがプラス側入力端子に入力され、参照電流Irnに比例する電圧R2・Irnがマイナス側入力端子に入力され、両方の電圧の大きさが比較される。オペアンプ66の出力信号は、ボルテージフォロアとして動作するオペアンプ67に入力され、オペアンプ67からバックゲート電圧VBGNが出力される。このバックゲート電圧VBGNは、図5の基準N型MOSFET30のバックゲートに印加されるともに、上述の機能回路に含まれる各基準N型MOSFET30に対して供給される。図5の構成により、参照電圧Vrnと参照電流Inのそれぞれの設定値に従って、基準N型MOSFET30が所望の特性となるようにバックゲート電圧VBGNの値を適切に決定することができる。
In the operational amplifier 66, the voltage R2 · In proportional to the drain current In is input to the positive input terminal, and the voltage R2 · Irn proportional to the reference current Irn is input to the negative input terminal. To be compared. An output signal of the operational amplifier 66 is input to an
第1実施形態においては、図1のドライバ回路に限られず、機能回路としての多様な論理回路に対して本発明を適用することができる。図6及び図7を参照して、上記のMOSFETを用いた他の論理回路の構成例について説明する。図6は、2倍及び4倍のゲート幅のMOSFETを用いた2入力NANDゲートの構成例を示している。図6(A)に示す2入力NANDゲートは、P型MOSFET40、43と、N型MOSFET41、42とにより構成される。このうち、P型MOSFET40、43は2倍のゲート幅(×2)を有し、N型MOSFET41、42は4倍のゲート幅(×4)を有している。入力信号AがMOSFET40、41の各ゲートに入力され、入力信号BがMOSFET42、43の各ゲートに入力され、入力信号A、BのNAND演算の結果である出力信号CがMOSFET40、41、43の各ドレインから出力される。
In the first embodiment, the present invention is not limited to the driver circuit of FIG. 1 and can be applied to various logic circuits as functional circuits. A configuration example of another logic circuit using the above-described MOSFET will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows a configuration example of a two-input NAND gate using MOSFETs having double and quadruple gate widths. The 2-input NAND gate shown in FIG. 6A is composed of P-
図6(B)は、図6(A)の回路構成を基準P型MOSFET20及び基準N型MOSFET30を用いて表した回路構成である。図6(B)に示すように、1個の基準P型MOSFET20と2個の基準N型MOSFET30からなる直列回路が4個並列に接続されている。入力信号Aは、上段左側の2個の基準P型MOSFET20と中段の4個の基準N型MOSFET30の各ゲートに入力され、入力信号Bは、上段右側の2個の基準P型MOSFET20と、下段の4個の基準N型MOSFET30の各ゲートに入力され、出力信号Cは上段の4個の基準P型MOSFET20と中段の4個の基準N型MOSFET30の間のノードから出力される。4個の基準P型MOSFET20の各バックゲートにはバックゲート電圧VBGPが印加され、全部で8個の基準N型MOSFET30の各バックゲートにはバックゲート電圧VBGNが印加されている。
FIG. 6B is a circuit configuration in which the circuit configuration of FIG. 6A is expressed using the reference P-
図7は、2倍及び4倍のゲート幅のMOSFETを用いた2入力NORゲートの構成例を示している。図7(A)に示す2入力NORゲートは、P型MOSFET44、45と、N型MOSFET46、47とにより構成される。このうち、P型MOSFET44、45は4倍のゲート幅(×4)を有し、N型MOSFET46、47は2倍のゲート幅(×2)を有している。入力信号AがMOSFET44、47の各ゲートに入力され、入力信号BがMOSFET45、46の各ゲートに入力され、入力信号A、BのNOR演算の結果である出力信号CがMOSFET45、46、47の各ドレインから出力される。
FIG. 7 shows a configuration example of a two-input NOR gate using MOSFETs having double and quadruple gate widths. The 2-input NOR gate shown in FIG. 7A includes P-
図7(B)は、図7(A)の回路構成を基準P型MOSFET20及び基準N型MOSFET30を用いて表した回路構成である。図7(B)に示すように、2個の基準P型MOSFET20と1個の基準N型MOSFET30からなる直列回路が4個並列に接続されている。入力信号Aは、上段の4個の基準P型MOSFET20と下段右側の2個の基準N型MOSFET30の各ゲートに入力され、入力信号Bは、中段の4個の基準P型MOSFET20と、下段左側の2個の基準N型MOSFET30の各ゲートに入力され、出力信号Cは中段の4個の基準P型MOSFET20と下段の4個の基準N型MOSFET30の間のノードから出力される。全部で8個の基準P型MOSFET20の各バックゲートにはバックゲート電圧VBGPが印加され、4個の基準N型MOSFET30の各バックゲートにはバックゲート電圧VBGNが印加されている。
FIG. 7B is a circuit configuration in which the circuit configuration of FIG. 7A is expressed using the reference P-
次に、第1実施形態の半導体装置における動作モードについて説明する。第1実施形態では、図4及び図5の構成におけるパラメータの設定に対応付けられる動作モードを想定している。図8は、上述の参照電圧Vrp、Vrn及び参照電流Irp、Irnに関し、動作モード毎に設定される値の一例を示している。第1実施形態における動作モードとしては、プロセスモニタモード、パワーダウンモード、第1アクティブモード、第2アクティブモードの4種類が用意されている。このうち、後述の図9の制御方法(第1のモード)に関わるプロセスモニタモードは、動作状態に対応する動的制御を行うことなく、製造プロセスと温度を常時モニタしつつ、P型及びN型MOSFETの閾値電圧が常に所定の設定値を保つように制御するものである。 Next, operation modes in the semiconductor device of the first embodiment will be described. In the first embodiment, an operation mode associated with the parameter setting in the configurations of FIGS. 4 and 5 is assumed. FIG. 8 shows an example of values set for each operation mode with respect to the reference voltages Vrp and Vrn and the reference currents Irp and Irn. As operation modes in the first embodiment, four types of process monitor mode, power down mode, first active mode, and second active mode are prepared. Among these, the process monitor mode related to the control method (first mode) of FIG. 9 to be described later does not perform dynamic control corresponding to the operation state, and constantly monitors the manufacturing process and temperature, while maintaining the P type and N type. The threshold voltage of the MOSFET is controlled so as to always maintain a predetermined set value.
一方、後述の図10及び図11の制御方法(第2のモード)に関わるパワーダウンモードと、第1アクティブモード及び第2アクティブモードは、動作状態に応じてMOSFETの特性を動的に変更制御するものである。パワーダウンモードは、スタンバイ状態に設定されるモードであり、MOSFETのオフリーク電流を大幅に低減するような設定値に定められる。また、第1アクティブモード及び第2アクティブモードは、MOSFETの動作速度向上と動作電力低減のいずれを重視するかに応じて選択され、動作電力低減を重視する場合は第1アクティブモードが設定され、動作速度向上を重視する場合は第2アクティブモードが設定される。第1アクティブモードでは、低電力機能回路あるいは高速デバイス中でも動作速度がクリティカルではないノーマルパスの機能回路に適用したときに効果が得られるようにMOSFETのオン電流が比較的小さい値に設定される。これに対し、第2アクティブモードでは、高速機能回路あるいは高速デバイス中でも動作速度がクリティカルなパスの機能回路に適用したときに効果が得られるようにMOSFETのオン電流が比較的大きい値に設定される。 On the other hand, in the power-down mode, the first active mode, and the second active mode related to the control method (second mode) shown in FIGS. 10 and 11 described later, the MOSFET characteristics are dynamically changed and controlled according to the operating state. To do. The power-down mode is a mode that is set to a standby state, and is set to a setting value that greatly reduces the off-leakage current of the MOSFET. In addition, the first active mode and the second active mode are selected depending on which of the MOSFET operating speed improvement and operating power reduction is important, and when the operating power reduction is important, the first active mode is set, The second active mode is set when importance is placed on improving the operating speed. In the first active mode, the on-current of the MOSFET is set to a relatively small value so as to obtain an effect when applied to a normal path functional circuit whose operation speed is not critical even in a low power functional circuit or a high speed device. On the other hand, in the second active mode, the on-current of the MOSFET is set to a relatively large value so that the effect can be obtained when applied to a functional circuit of a path whose operation speed is critical even in a high-speed function circuit or a high-speed device. .
次に、図9〜図11を参照して、図8に示す各動作モードの具体的な動作について説明する。図9〜図11のそれぞれにおいては、上部に参照電流Irp、Irnの動作波形を示し、下部に参照電圧Vrp、Vrn及びバックゲート電圧VBGP、VBGNの動作波形を示している。なお、図9〜図11の上部の縦軸には電流値を対数表示で表し、図9〜図11の下部の縦軸には電圧値を、正電圧VPP、電源電圧VDD、グランド電位VSS、負電圧VBB(VPP>VDD>VSS>VBB)との対比で表すともに、P型及びN型の各閾値電圧Vtp、Vtnを矢印にて表記している。 Next, specific operations in each operation mode shown in FIG. 8 will be described with reference to FIGS. In each of FIGS. 9 to 11, the operation waveforms of the reference currents Irp and Irn are shown in the upper part, and the operation waveforms of the reference voltages Vrp and Vrn and the back gate voltages VBGP and VBGN are shown in the lower part. 9 to 11, the current value is expressed in logarithmic form on the vertical axis, and the voltage value is shown on the vertical axis in the lower part of FIGS. 9 to 11, and the positive voltage VPP, power supply voltage VDD, ground potential VSS, In addition to the negative voltage VBB (VPP> VDD> VSS> VBB), the P-type and N-type threshold voltages Vtp and Vtn are indicated by arrows.
図9は、プロセスモニタモードにおける制御回路各部の動作波形を示している。プロセスモニタモードでは、パワーダウン状態とアクティブ状態とで同様の制御が行われる、すなわち、参照電流Irp、Irnはともに100nA一定に保たれるとともに、参照電圧Vrp、Vrnはそれぞれ、Vrp=VDD−Vtp、Vrn=VSS+Vtnと一定の電圧値に保たれる。そのため、例えば、P型のバックゲート電圧VBGPは、正電圧VPPと電源電圧VDDのほぼ中間の電圧値に制御され、N型のバックゲート電圧VBGNは、負電圧VBBとグランド電位VSSのほぼ中間の電圧値に制御される。バックゲート電圧VBGP、VBGNが印加される各MOSFETの特性は、ゲートに参照電圧Vrp、Vrnを印加したときのドレイン電流が参照電流Irp、Irnに一致するように、プロセス変動、温度に応じて制御される。その結果、プロセスモニタモードにおいては、プロセス変動や温度に関わらず機能回路を常に同じ特性で動作させることができる。 FIG. 9 shows operation waveforms of each part of the control circuit in the process monitor mode. In the process monitor mode, the same control is performed in the power-down state and the active state, that is, the reference currents Irp and Irn are both kept constant at 100 nA, and the reference voltages Vrp and Vrn are Vrp = VDD−Vtp, respectively. , Vrn = VSS + Vtn, and a constant voltage value is maintained. Therefore, for example, the P-type back gate voltage VBGP is controlled to a voltage value approximately between the positive voltage VPP and the power supply voltage VDD, and the N-type back gate voltage VBGN is approximately halfway between the negative voltage VBB and the ground potential VSS. Controlled by voltage value. The characteristics of each MOSFET to which the back gate voltages VBGP and VBGN are applied are controlled according to the process variation and temperature so that the drain current when the reference voltages Vrp and Vrn are applied to the gate matches the reference currents Irp and Irn. Is done. As a result, in the process monitor mode, the functional circuit can always be operated with the same characteristics regardless of process variations and temperature.
図10は、パワーダウンモード及び第1アクティブモードを独立に制御した場合の制御回路各部の動作波形を示している。まず、パワーダウンモードでは、参照電流Irp、Irnはともに1nA一定に保たれるとともに、参照電圧Vrp、Vrnはそれぞれ、Vrp=VDD−Vtp、Vrn=VSS+Vtnと一定の電圧値に保たれる。そのため、例えば、P型のバックゲート電圧VBGPは、正電圧VPPより僅かに低い電圧値に制御され、N型のバックゲート電圧VBGNは、負電圧VBBより僅かに高い電圧値に制御される。これにより、バックゲート電圧VBGP、VBGNが印加される各MOSFETは、閾値電圧の絶対値が大きくなるため、オフリーク電流を大幅に低減することができる。 FIG. 10 shows operation waveforms of each part of the control circuit when the power-down mode and the first active mode are controlled independently. First, in the power down mode, the reference currents Irp and Irn are both kept constant at 1 nA, and the reference voltages Vrp and Vrn are kept at constant voltage values of Vrp = VDD−Vtp and Vrn = VSS + Vtn, respectively. Therefore, for example, the P-type back gate voltage VBGP is controlled to a voltage value slightly lower than the positive voltage VPP, and the N-type back gate voltage VBGN is controlled to a voltage value slightly higher than the negative voltage VBB. Thereby, each MOSFET to which the back gate voltages VBGP and VBGN are applied has a large absolute value of the threshold voltage, so that the off-leakage current can be greatly reduced.
続いて第1アクティブモードに移行すると、参照電流Irp、Irnはともに10μA一定に制御されるとともに、参照電圧Vrp、Vrnはそれぞれ、Vrp=VSS、Vrn=VDDと一定の電圧値に制御される。そのため、例えば、P型のバックゲート電圧VBGPは、電源電圧VDDより僅かに高い電圧値に制御され、N型のバックゲート電圧VBGNは、グランド電位VSSより僅かに低い電圧値に制御され、基準MOSFETのオン電流が10μAとなるように制御される。このようにオン電流を制御することにより、制御対象の機能回路には、アクティブ状態のときに高速動作よりも低消費電流を重視したときの特性が付与される。なお、図10の場合も、プロセスモニタモードと同様、プロセス変動や温度に関わらず機能回路を常に同じ特性で動作させることができる。 Subsequently, when shifting to the first active mode, the reference currents Irp and Irn are both controlled to be 10 μA constant, and the reference voltages Vrp and Vrn are controlled to constant voltage values of Vrp = VSS and Vrn = VDD, respectively. Therefore, for example, the P-type back gate voltage VBGP is controlled to a voltage value slightly higher than the power supply voltage VDD, and the N-type back gate voltage VBGN is controlled to a voltage value slightly lower than the ground potential VSS. The on-current is controlled to be 10 μA. By controlling the on-state current in this way, the functional circuit to be controlled is given the characteristics when the low current consumption is more important than the high-speed operation in the active state. In the case of FIG. 10 as well, as in the process monitor mode, the functional circuit can always be operated with the same characteristics regardless of process variation and temperature.
図11は、パワーダウンモード及び第2アクティブモードを独立に制御した場合の制御回路各部の動作波形を示している。まず、パワーダウンモードにおける参照電流Irp、Irn、参照電圧Vrp、Vrn、バックゲート電圧VBGP、VBGNについては、いずれも図10の場合と同様に制御されるので、その説明を省略する。 FIG. 11 shows operation waveforms of each part of the control circuit when the power-down mode and the second active mode are controlled independently. First, reference currents Irp and Irn, reference voltages Vrp and Vrn, and back gate voltages VBGP and VBGN in the power down mode are all controlled in the same manner as in FIG.
続いて第2アクティブモードに移行すると、参照電流Irp、Irnはともに20μA一定に制御されるとともに、参照電圧Vrp、Vrnはそれぞれ、Vrp=VSS、Vrn=VDDと一定の電圧値に制御される。そのため、例えば、P型のバックゲート電圧VBGPは、電源電圧VDDより低い電圧値に制御され、N型のバックゲート電圧VBGNは、グランド電位VSSより高い電圧値に制御され、基準MOSFETのオン電流が20μAとなるように制御される。このようにオン電流を制御することにより、制御対象の機能回路には、アクティブ状態のときに高速動作を重視したときの特性が付与される。なお、図11の場合も、プロセスモニタモードと同様、プロセス変動や温度に関わらず機能回路を常に同じ特性で動作させることができる。 Subsequently, when shifting to the second active mode, the reference currents Irp and Irn are both controlled to be constant at 20 μA, and the reference voltages Vrp and Vrn are controlled to constant voltage values of Vrp = VSS and Vrn = VDD, respectively. Therefore, for example, the P-type back gate voltage VBGP is controlled to a voltage value lower than the power supply voltage VDD, the N-type back gate voltage VBGN is controlled to a voltage value higher than the ground potential VSS, and the on-current of the reference MOSFET is It is controlled to be 20 μA. By controlling the on-state current in this manner, the functional circuit to be controlled is given characteristics when high-speed operation is emphasized in the active state. In the case of FIG. 11 as well, as in the process monitor mode, the functional circuit can always be operated with the same characteristics regardless of process variation and temperature.
次に、第1実施形態の応用例として、DRAM等に搭載されるセンスアンプ回路及びDLL回路に対し本発明を適用する場合を説明する。図12は、本発明を適用したシングルエンド型階層センスアンプ回路の回路構成の例を示す図であり、メモリセル70と、ローカルセンスアンプ71と、グローバルセンスアンプ72と、P型MOSFET73が示されている。メモリセル70は、N型の選択トランジスタQ0と、キャパシタCsとから構成されている。選択トランジスタQ0は、ソースがローカルビット線LBLに接続され、ゲートがワード線WLに接続されている。キャパシタCsは、一端が選択トランジスタQ0に接続され、他端が電圧VDD/2に接続されている。
Next, as an application example of the first embodiment, a case where the present invention is applied to a sense amplifier circuit and a DLL circuit mounted in a DRAM or the like will be described. FIG. 12 is a diagram showing an example of a circuit configuration of a single-ended hierarchical sense amplifier circuit to which the present invention is applied. A
ローカルセンスアンプ71は、4個のN型MOSFET80、81、82、83を含んで構成されている。MOSFET80、81はグローバルビット線GBLとグランドの間に直列接続され、ローカルビット線LBLがMOSFET80のゲートに接続される。MOSFET80のドレイン電流は、メモリセル70からローカルビット線LBLに読み出された信号電圧に依存して定まり、これによりグローバルビット線GBLのレベルをハイからローに引き抜く速度が変化する。MOSFET81のゲートに印加される制御信号RTは、ローカルビット線LBLに信号が読み出されてから所定期間ハイに制御される。また、MOSFET82、83もグローバルビット線GBLとグランドの間に直列接続され、その中間ノードがローカルビット線LBLに接続される。書き込み制御用のMOSFET82は、ゲートに印加される制御信号WTに応じて導通制御され、ローカルビット線プリチャージ用のMOSFET83は、ゲートに印加されるプリチャージ信号PCに応じて導通制御される。
The
グローバルセンスアンプ72は、8個のN型MOSFET84、85、88、89、90、91、92、93と2個のP型MOSFET86、87を含んで構成されている。一対のMOSFET86、88からなるインバータと、一対のMOSFET87、89からなるインバータとにより、グローバルビット線GBLに伝送された信号を2値判定する判定ラッチ回路が構成される。この判定ラッチ回路は、上述の制御信号RTがハイに制御される所定期間において、グローバルビット線GBLの電位がMOSFET86、88からなるインバータの論理閾値と比べて低下した場合はハイ読み出しを判定し、低下していない場合はロー読み出しを判定するように動作する。
The
また、判定ラッチ回路の両側のノードN1、N2とグローバルビット線GBLとの間にMOSFET84、85が接続されている。MOSFET84は、ゲートに印加される制御信号LTCに応じて、グローバルビット線GBLと一方のノードN1との間の接続を制御し、MOSFET85は、ゲートに印加される制御信号RESに応じて、グローバルビット線GBLと他方のノードN2との間の接続を制御する。グローバルセンスアンプ72の外部のMOSFET73は、ゲートに印加される反転プリチャージ信号/PCGがローのときにグローバルビット線GBLを電源電圧VDDにプリチャージする。MOSFET90、91は読み出し回路を構成し、ノードN2の信号を読み出し信号線/RDLに伝送する。MOSFET92、93は書き込み回路を構成し、制御信号WEに応じて書き込み信号線/WDLからの信号をノードN1に伝送する。MOSFET90、91の各ゲートには選択信号YSが共通に印加されている。
Further,
図12のセンスアンプ回路において、センス動作におけるセンスマージンを向上させるためには、ローカルセンスアンプ71のMOSFET80とグローバルセンスアンプ72のMOSFET86,88のそれぞれの閾値電圧を常に設計値に保つ必要がある。そのため、プロセスモニタモードの制御方法を適用し、図12に示すように、バックゲート電圧VBGNをMOSFET80、88の各バックゲートに印加し、バックゲート電圧VBGPをMOSFET86のバックゲートに印加している。これにより、MOSFET80、86、88の閾値電圧を、プロセス変動や温度に関わらず常に設計値に保つことできるので、センスマージンの向上が可能となる。
In the sense amplifier circuit of FIG. 12, in order to improve the sense margin in the sensing operation, it is necessary to always keep the threshold voltages of the
一方、図13は、本発明を適用したDLL回路の構成の例を示す図であり、外部クロックを遅延させる可変遅延回路74と、可変遅延回路74からの出力クロックを伝送させるレプリカ回路75と、外部クロックとレプリカ回路75の出力信号を比較して比較結果を可変遅延回路74に供給する位相比較回路76とを含んで構成されている。DLL回路において、可変遅延回路74及び位相比較回路76は、低電力で高速に動作させる必要があるので、それぞれの内部の各MOSFETのバックゲートに、バックゲート電圧VBGP/VBGNが印加される。これにより、スタンバイ状態などのパワーダウンモードにおけるオフリーク電流の増加を抑えつつ、アクティブモードにおいて高速かつ低電力動作が可能となる。特に、外部クロックのクロック周波数が例えば2GHzを超えない範囲では第1アクティブモードで動作させ、2GHz以上の範囲では第2アクティブモードで動作させることにより、高速な動作が可能となる。また、それぞれの動作状態においてプロセスモニタモードが適用されるので、プロセス変動や温度変動があったとしても、一定の性能を保持することができる。
On the other hand, FIG. 13 is a diagram showing an example of the configuration of a DLL circuit to which the present invention is applied. A
なお、第1実施形態では、第1アクティブモードと第2アクティブモードの2種類を設定する場合を説明したが、アクティブモードは2種類には限定されない。すなわち、動作状態に応じてより細分化された複数のアクティブモードを設定してもよく、あるいは1種類のアクティブモードのみを設定してもよい。 In the first embodiment, the case where two types of the first active mode and the second active mode are set has been described, but the active mode is not limited to two types. That is, a plurality of active modes that are further subdivided according to the operation state may be set, or only one type of active mode may be set.
以上のように、第1実施形態によれば、論理回路やセンスアンプ回路等の機能回路をダブルゲート構造のMOSFETを用いて構成し、それらのバックゲート電圧VBGP、VBGNの各電圧値を制御するVBGP発生回路22及びVBGN発生回路32を設けたので、参照電圧Vrp、Vrn及び参照電流Irp、Irnの設定に基づき、機能回路に所望の特性を付与することができる。そして、機能回路に対して、製造プロセスの変動や温度変動に関わらず一定の特性を保つような制御や、動作状態に応じて、リーク電流の抑制、動作速度の向上、消費電流の低減などの多様な特性を実現する制御が可能となる。
As described above, according to the first embodiment, functional circuits such as a logic circuit and a sense amplifier circuit are configured using MOSFETs having a double gate structure, and the respective back gate voltages VBGP and VBGN are controlled. Since the
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態においては、MOSFETを用いたラッチ型センスアンプ回路の構成とその特性の制御について説明する。図14は、第2実施形態のセンスアンプ回路の回路構成を示す図である。図14に示すセンスアンプ回路は、4個のN型MOSFET100、103、104、105と、2個のP型MOSFET101、102とを含んで構成される。このうち、判定ラッチ回路を構成するMOSFET101〜104はいずれもダブルゲート構造を有し、2個のP型MOSFET101、102の各バックゲートにバックゲート制御電圧VBGPが印加され、2個のN型MOSFET103、104の各バックゲートはバックゲート制御電圧VBGNが印加されている。それぞれのバックゲート制御電圧VBGP、VBGNの制御については後述する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, a configuration of a latch-type sense amplifier circuit using a MOSFET and control of its characteristics will be described. FIG. 14 is a diagram illustrating a circuit configuration of the sense amplifier circuit according to the second embodiment. The sense amplifier circuit shown in FIG. 14 includes four N-
図14において、左側のビット線BLは判定ラッチ回路の一方の入力ノードに接続されるとともに、右側のビット線/BLは判定ラッチ回路の他方の入力ノードに接続される。これにより、メモリセル70(図14には不図示)から一方のビット線BLに読み出された微小信号は、他方のビット線/BLの電位である参照電圧と比較されてセンス増幅される。2個のP型MOSFET101、102の共通接続されたソースに共通駆動電圧PCSが供給されるとともに、2個のN型MOSFET103、104の共通接続されたソースに共通駆動電圧NCSが供給される。センス増幅時にビット線BLに微小信号が読み出された後、電源電圧VDD及びグランド電位VSSに基づいて、共通駆動電圧PCSをVDD/2からVDDに制御し、共通駆動電圧NCSをVDD/2からVSSに制御することで、ビット線BLの微小信号がセンス増幅される。
In FIG. 14, the left bit line BL is connected to one input node of the determination latch circuit, and the right bit line / BL is connected to the other input node of the determination latch circuit. As a result, the minute signal read from the memory cell 70 (not shown in FIG. 14) to one bit line BL is compared with the reference voltage which is the potential of the other bit line / BL and sense-amplified. The common drive voltage PCS is supplied to the commonly connected sources of the two P-
一方のビット線BLは、ゲートに選択信号YSが印加されるMOSFET100を介して外部信号線LIOに接続されるとともに、他方のビット線/BLは、ゲートに上記選択信号YSが印加されるMOSFET105を介して外部信号線/LIOに接続される。図14のセンスアンプ回路においては、選択信号YSがハイとなる期間が読み出し期間又は書き込み期間に相当する。なお、センスアンプ回路は、図示されないプリチャージ回路を備えており、このプリチャージ回路によりビット線BL及びビット線/BLがイコライズされた電源電圧VDDの半分の電圧(VDD/2)にプリチャージされる。
One bit line BL is connected to the external signal line LIO via the
次に、図15及び図16を参照して、図14のセンスアンプ回路の動作について説明する。図15は、第2実施形態のセンスアンプ回路の動作波形を示している。図15の初期時点では、P型のバックゲート電圧VBGPが正電圧VPPに保たれ、N型のバックゲート電圧VBGNが負電圧VBBに保たれ、共通駆動電圧PCS、NCSが電圧VDD/2に保たれている。この状態でビット線/BLにハイレベルの微小電圧が読み出される。続いてセンス増幅期間T1において、バックゲート電圧VBGPが電源電圧VDDに低下し、バックゲート電圧VBGNがグランド電位VSSに上昇し、共通駆動電圧PCSが電源電圧VDDに駆動され、共通駆動電圧NCSがグランド電位VSSに駆動される。このとき、MOSFET101〜104の閾値電圧が下がるので、高速なセンス動作が行われ、ビット線/BLの電位が電源電圧VDDまで上昇し、ビット線BLの電位がグランド電位VSSまで低下する。
Next, the operation of the sense amplifier circuit of FIG. 14 will be described with reference to FIGS. FIG. 15 shows operation waveforms of the sense amplifier circuit of the second embodiment. 15, the P-type back gate voltage VBGP is kept at the positive voltage VPP, the N-type back gate voltage VBGN is kept at the negative voltage VBB, and the common drive voltages PCS and NCS are kept at the voltage VDD / 2. I'm leaning. In this state, a high level minute voltage is read to the bit line / BL. Subsequently, in the sense amplification period T1, the back gate voltage VBGP drops to the power supply voltage VDD, the back gate voltage VBGN rises to the ground potential VSS, the common drive voltage PCS is driven to the power supply voltage VDD, and the common drive voltage NCS is grounded. Drive to potential VSS. At this time, since the threshold voltages of the
センス増幅期間T1が終了すると、バックゲート電圧VBGPが正電圧VPPに戻り、バックゲート電圧VBGNが負電圧VBBに戻る。続いて、読み出し期間T2において、選択信号YSがハイレベルに制御され、図14の両側のMOSFET100、105がオンする。図14は、論理“0”のデータが読み出されるものとする。一方、バックゲート電圧VBGNが負電位VBBからグランド電位VSSに上昇するので、2個のN型MOSFET103、104は、その閾値電圧が下がって電流駆動能力が向上する。その結果、一方の外部信号線LIOの電圧は、電流駆動能力が高いN型MOSFET104を介して電源電圧VDDから大きく引き下げられる。これに対し、ビット線/BLが電源電圧VDDに駆動されているため、他方の外部信号線/LIOの電圧は電源電圧VDDに保たれる。従って、一対の外部信号線LIO、/LIOの電位差は大きな信号として外部に読み出される。このとき、ビット線BLの電位はグランド電位VSSから浮き上がるが、そのレベルが十分に低く抑えられるので、判定ラッチ回路を反転させることはない。
When the sense amplification period T1 ends, the back gate voltage VBGP returns to the positive voltage VPP, and the back gate voltage VBGN returns to the negative voltage VBB. Subsequently, in the read period T2, the selection signal YS is controlled to a high level, and the
読み出し期間T2が終了すると、バックゲート電圧VBGNが負電圧VBBに戻り、2個のN型MOSFET103、104の閾値電圧が上がるため、リーク電流が抑制される。また、選択信号YSがローレベルに戻り、外部信号線LIOとビット線BLも元の状態に戻る。続いて、書き込み期間T3において、選択信号YSがハイレベルに制御され、図14の両側のMOSFET100、105がオンする。図14は、論理“1”のデータを書き込むものとする。書き込み動作の際には、外部信号線/LIOが電源電圧VDDからグランド電位VSSに変化し、ビット線/BLの電位が電源電圧VDDからグランド電位VSSに引き下げられる。書き込み期間T3に移行した後の所定期間において、バックゲート電圧VBGPが正電位VPPから電源電圧VDDに低下するので、2個のP型MOSFET101、102は、その閾値電圧が下がって電流駆動能力が向上する。従って、ビット線BLの電位は、電流駆動能力が高いP型MOSFET102を介して電源電圧VDDまで高速に駆動することができる。書き込み期間T3が終了すると、バックゲート電圧VBGPが正電圧VPPに戻り、2個のP型MOSFET101、102の閾値電圧が上がるため、リーク電流が抑制される。
When the read period T2 ends, the back gate voltage VBGN returns to the negative voltage VBB, and the threshold voltages of the two N-
ここで、図16には、第2実施形態の動作波形(図15)と比較するために、4個のMOSFET100〜104の各バックゲート電圧VBGP、VBGNを動的に変更制御しない場合の動作波形を示している。図16の動作波形では、一方のバックゲート電圧VBGPが常に正電圧VPPに保たれ、他方のバックゲート電圧VBGNが常に負電圧VBBに保たれている。そのため、図15の動作波形と比べると、センス増幅期間T1における各ビット線BL、/BLの電位が緩やかに変化しているので、その分だけセンス増幅動作が遅くなる。また、読み出し期間T2におけるビット線BLの電位の浮き上がりが大きくなり、動作マージンが減少するとともに反転ラッチ回路が反転して誤動作する可能性が高くなる。さらに、書き込み期間T3においては、ビット線BLを電源電圧VDDまで駆動するまでの時間が長くなり、書き込み動作が遅くなる。
Here, FIG. 16 shows operation waveforms when the back gate voltages VBGP and VBGN of the four
以上のように、第2実施形態のセンスアンプ回路によれば、判定ラッチ回路を構成するダブルゲート構造の4個のMOSFET101〜104のバックゲート電圧VBGP、VBGNを動的に制御し、各MOSFET101〜104の閾値電圧を所望のタイミングで低下させることにより、リーク電流を抑制しつつ、センス増幅時にセンス増幅の速度の向上が可能となる。また、読み出し時には一対の外部信号線LIO、/LIOの信号レベルを十分に確保し、判定ラッチ回路の反転を抑えて動作マージンの向上が可能となり、書き込み動作時にはビット線BLを駆動する時間を短縮して書き込み動作の高速化が可能となる。
As described above, according to the sense amplifier circuit of the second embodiment, the back gate voltages VBGP and VBGN of the four
以上、上記各実施形態に基づいて本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができる。例えば、第1及び第2実施形態において、ダブルゲート構造を有するN型及びP型のMOSFETを用いる場合を説明したが、同様の作用効果を得ることができれば、構造が異なるダブルゲートトランジスタ(例えばMISFET等)を用いる場合であっても本発明の適用が可能である。また、本発明は、DRAM等の半導体記憶装置に限られることなく、CPU(Central Processing Unit)、MCU(Micro Control Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、ASSP(Application Specific Standard Circuit)等の半導体装置全般に対して適用可能である。 The contents of the present invention have been specifically described above based on the above embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. it can. For example, in the first and second embodiments, the case where N-type and P-type MOSFETs having a double gate structure are used has been described. However, if similar effects can be obtained, double-gate transistors (for example, MISFETs) having different structures can be obtained. Etc.), the present invention can be applied. The present invention is not limited to a semiconductor storage device such as a DRAM, but includes a CPU (Central Processing Unit), an MCU (Micro Control Unit), a DSP (Digital Signal Processor), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an ASSP (Application It can be applied to general semiconductor devices such as Specific Standard Circuit).
10〜17、40〜47、54〜55、64〜65、73、80〜93、100〜105…MOSFET
20…基準P型MOSFET
21、31…電流比較回路
22…VBGP発生回路
30…基準N型MOSFET
32…VBGN発生回路
50、60…タップ選択回路
51…第1セレクタ
52…第2セレクタ
53、63…フィルタ
56、57、66、67…オペアンプ
61…第3セレクタ
62…第4セレクタ
70…メモリセル
71…ローカルセンスアンプ
72…グローバルセンスアンプ
74…可変遅延回路
75…レプリカ回路
76…位相比較回路
WL…ワード線
GBL…グローバルビット線
LBL…ローカルビット線
Q0…選択トランジスタ
Cs…キャパシタ
/RDL…読み出し信号線
/WDL…書き込み信号線
VDD…電源電圧
VSS…グランド電位
VPP…正電圧
VBB…負電圧
VBGP、VBGN…バックゲート電圧
Vrp、Vrn…参照電圧
Irp、Irn…参照電流
Sm…動作モード信号
RT、WT、LTC、RES、WE…制御信号
PC…プリチャージ信号
/PCG…反転プリチャージ信号
YS…選択信号
N1、N2…ノード
10-17, 40-47, 54-55, 64-65, 73, 80-93, 100-105 ... MOSFET
20 ... Reference P-type MOSFET
21, 31 ...
32 ...
Claims (18)
前記ダブルゲートトランジスタの特性の基準となるダブルゲート構造の基準トランジスタを含み、当該基準トランジスタの第1ゲート電極に所定の参照電圧を印加し、かつ当該基準トランジスタを流れるドレイン電流が所定の参照電流と一致するように前記基準トランジスタの第2ゲート電極の電位を制御し、当該電位を制御電圧として出力する電圧制御回路と、
を備え、前記機能回路の前記ダブルゲートトランジスタの第2ゲート電極に前記制御電圧が印加されることを特徴とする半導体装置。 A functional circuit including one or more double-gate transistors;
A reference transistor having a double-gate structure which serves as a reference for the characteristics of the double-gate transistor, a predetermined reference voltage is applied to the first gate electrode of the reference transistor, and a drain current flowing through the reference transistor is a predetermined reference current A voltage control circuit that controls the potential of the second gate electrode of the reference transistor so as to match, and outputs the potential as a control voltage;
And the control voltage is applied to a second gate electrode of the double gate transistor of the functional circuit.
前記電圧制御回路は、前記基準トランジスタとしての基準P型トランジスタの前記第1ゲート電極に第1の参照電圧を印加し、かつ前記ドレイン電流が第1の参照電流と一致するように制御される前記第2ゲート電極の電位を第1の制御電圧として出力し、
前記機能回路の前記P型トランジスタのバックゲートに前記第1の制御電圧が印加されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The functional circuit includes a P-type transistor as the double gate transistor,
The voltage control circuit is controlled so that a first reference voltage is applied to the first gate electrode of a standard P-type transistor as the reference transistor, and the drain current matches the first reference current. Outputting the potential of the second gate electrode as the first control voltage;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first control voltage is applied to a back gate of the P-type transistor of the functional circuit.
前記電圧制御回路は、前記基準トランジスタとしての基準N型トランジスタの前記第1ゲート電極に第2の参照電圧を印加し、かつ前記ドレイン電流が第2の参照電流と一致するように制御される前記第2ゲート電極の電位を第2の制御電圧として出力し、
前記機能回路の前記N型トランジスタのバックゲートに前記第2の制御電圧が印加されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 The functional circuit includes an N-type transistor as the double gate transistor,
The voltage control circuit is controlled such that a second reference voltage is applied to the first gate electrode of a standard N-type transistor serving as the reference transistor, and the drain current coincides with a second reference current. Outputting the potential of the second gate electrode as a second control voltage;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second control voltage is applied to a back gate of the N-type transistor of the functional circuit.
共通に接続されるバックゲートに第1のバックゲート電圧が印加されるダブルゲート構造の2個のP型トランジスタと、
共通に接続されるバックゲートに第2のバックゲート電圧が印加されるダブルゲート構造の2個のN型トランジスタと、
を備え、
センス増幅時に、前記第1のバックゲート電圧が通常時より低い電圧値に制御され、かつ前記第2のバックゲート電圧が通常時より高い電圧値に制御されることを特徴とするセンスアンプ回路。 A sense amplifier circuit including a determination latch circuit that performs binary determination by comparing a potential of a bit line to which a signal read from a memory cell is transmitted with a reference bit line potential;
Two P-type transistors having a double gate structure in which a first back gate voltage is applied to a commonly connected back gate;
Two N-type transistors having a double gate structure in which a second back gate voltage is applied to a commonly connected back gate;
With
In the sense amplification, the first back gate voltage is controlled to a voltage value lower than normal, and the second back gate voltage is controlled to a voltage value higher than normal.
前記機能回路の動作状態に応じて、前記基準トランジスタの第1ゲート電極に印加すべき参照電圧の値と、前記基準トランジスタのドレイン電流に対応する参照電流の値とを設定し、
前記基準トランジスタの第1ゲート電極に前記参照電圧を印加した状態で、前記基準トランジスタの前記ドレイン電流が前記参照電流と一致するように制御したときの前記基準トランジスタの第2ゲート電極の電位を制御電圧として出力し、
各々の前記ダブルゲートトランジスタの第2ゲート電極に前記制御電圧を印加する、
ことを特徴とする半導体装置の制御方法。 A method for controlling a semiconductor device, comprising: a functional circuit including one or a plurality of double-gate transistors; and a voltage control circuit including a reference transistor having a double-gate structure serving as a reference for characteristics of the double-gate transistor,
In accordance with the operating state of the functional circuit, a reference voltage value to be applied to the first gate electrode of the reference transistor and a reference current value corresponding to the drain current of the reference transistor are set.
Controlling the potential of the second gate electrode of the reference transistor when the drain current of the reference transistor is controlled to match the reference current with the reference voltage applied to the first gate electrode of the reference transistor Output as voltage,
Applying the control voltage to a second gate electrode of each of the double gate transistors;
A method for controlling a semiconductor device.
前記動作モードとして第1のモードが設定されているとき、前記機能回路のパワーダウン状態及びアクティブ状態とで、前記参照電圧及び前記参照電流のそれぞれの設定値を一定に保つように制御することを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の制御方法。 A plurality of operation modes corresponding to the operation state of the functional circuit can be selectively set;
When the first mode is set as the operation mode, control is performed so that the set values of the reference voltage and the reference current are kept constant in the power-down state and the active state of the functional circuit. The method for controlling a semiconductor device according to claim 13, wherein:
前記動作モードとして第2のモードが設定されているとき、前記機能回路のパワーダウン状態及びアクティブ状態とで、前記参照電圧及び前記参照電流のそれぞれの設定値を動的に変更するように制御することを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の制御方法。 A plurality of operation modes corresponding to the operation state of the functional circuit can be selectively set;
When the second mode is set as the operation mode, control is performed so that the set values of the reference voltage and the reference current are dynamically changed between the power-down state and the active state of the functional circuit. The method of controlling a semiconductor device according to claim 13.
前記判定ラッチ回路によるセンス増幅期間には、前記第1のバックゲート電圧を通常時より低い電圧値に制御し、かつ前記第2のバックゲート電圧を通常時より高い電圧値に制御する、
ことを特徴とするセンスアンプ回路の制御方法。 A determination latch circuit that performs binary determination by comparing a potential of a bit line to which a signal read from a memory cell is transmitted with a reference bit line potential, and a first back gate voltage is applied to the commonly connected back gates; Control method of a sense amplifier circuit having two P-type transistors having a double gate structure and two N-type transistors having a double gate structure in which a second back gate voltage is applied to a commonly connected back gate Because
In the sense amplification period by the determination latch circuit, the first back gate voltage is controlled to a voltage value lower than normal, and the second back gate voltage is controlled to a voltage value higher than normal.
And a control method of the sense amplifier circuit.
The first back gate voltage is controlled to a voltage value lower than normal during a predetermined period after shifting to a write operation period for writing data from the external signal line, and the second back gate voltage is set to a voltage during normal operation. 18. The sense amplifier circuit control method according to claim 16, wherein control is performed so as to maintain the value.
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