JP2014072719A - Semiconductor device - Google Patents

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克哉 緒方
Tomoharu Awaya
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a low-power-consumption and highly-reliable semiconductor device.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a clock circuit part 30 which includes PMOS and NMOS transistors, and generates a clock signal; and a logic circuit part 20 which includes PMOS and NMOS transistors, and operates depending on a data signal, in which the clock circuit part and the logic circuit part are connected to a common low-potential side power source GND and a first power supply voltage Vdd(data) is supplied to the logic circuit part and a second power supply voltage Vdd(clock) lower than the first power supply voltage is supplied to the clock circuit part. The logic circuit part includes a gate to which the clock signal is input and clock logic gate parts TMG0-TMG4 which receives an input signal from another logic circuit part or outputs an output signal to another logic circuit part. A back gate voltage Vbg of the PMOS transistor included in the clock logic gate part is higher than a back gate voltage Vdd(data) of the PMOS transistor of the other logic circuit part.

Description

本発明は、クロック信号に応じて動作する半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device that operates in response to a clock signal.

一般に、大規模な半導体装置(LSI)は、クロック信号を発生および伝送するクロック回路部と、データ信号に応じて動作する論理回路部と、を有する。論理回路部は、フリップフロップ(FF)回路により複数段に分割され、各段は、クロック回路部から供給されるクロック信号に同期して動作する。クロック回路部は、発振回路を有し、半導体装置内でクロック信号を発生する場合と、半導体装置の外部から供給されるクロック信号から内部クロック信号を生成する場合などがある。   In general, a large-scale semiconductor device (LSI) includes a clock circuit unit that generates and transmits a clock signal, and a logic circuit unit that operates according to a data signal. The logic circuit section is divided into a plurality of stages by flip-flop (FF) circuits, and each stage operates in synchronization with a clock signal supplied from the clock circuit section. The clock circuit unit includes an oscillation circuit and generates a clock signal in the semiconductor device, or generates an internal clock signal from a clock signal supplied from the outside of the semiconductor device.

近年、半導体装置(LSI)では、低消費電力化が求められており、回路は高電位側電源と低電位側電源の間にPMOSトランジスタとNMOSトランジスタを直列に接続するCMOS回路を使用するのが一般的である。CMOS回路においては、消費電力は、主として、(1)負荷容量を充放電するための電流消費と、(2)トランジスタの微小なリーク電流による電流消費の2つの要素で決まる。   In recent years, semiconductor devices (LSIs) have been required to reduce power consumption, and the circuit uses a CMOS circuit in which a PMOS transistor and an NMOS transistor are connected in series between a high potential power source and a low potential power source. It is common. In a CMOS circuit, power consumption is mainly determined by two factors: (1) current consumption for charging / discharging a load capacity and (2) current consumption due to a minute leakage current of a transistor.

(1)の負荷を充放電する電流は、動作電圧の2乗および動作周波数に比例し、(2)のリーク電流は、動作周波数は関係なく、トランジスタサイズで決まる。そのため、一般的に周波数や動作率が低いか、待機状態が多いLSIでは、(2)のリーク電流を抑制するのが効果的であり、トランジスタの閾値電圧Vthを大きくし、リーク電流を減らして消費電力を抑える。一方、常に高周波数で動作するLSIでは、(1)の負荷容量を充放電するための電流消費を抑制するのが効果的であり、閾値電圧Vthを小さくし、電源電圧を下げて消費電力を抑える。   The current for charging / discharging the load of (1) is proportional to the square of the operating voltage and the operating frequency, and the leakage current of (2) is determined by the transistor size regardless of the operating frequency. For this reason, it is effective to suppress the leakage current of (2) in an LSI having a low frequency or operation rate or having many standby states in general. The threshold voltage Vth of the transistor is increased and the leakage current is reduced. Reduce power consumption. On the other hand, in an LSI that always operates at a high frequency, it is effective to suppress current consumption for charging / discharging the load capacity of (1), and the threshold voltage Vth is reduced and the power supply voltage is lowered to reduce power consumption. suppress.

上記のように、論理回路部の各要素は、クロック信号に同期して動作するため、データ信号が切り替わるのは、クロック信号が立ち上がる(または立ち下がる)時だけとなる。つまり、クロック信号の周波数がF[Hz]であれば、データ信号はF/2[Hz]以上では動作しない。また、あるサイクルでデータ信号が切り替わらなければ、論理回路は動作しないので、充放電電流は流れない。言い換えれば、論理回路部の動作周波数は、必ずクロック信号の周波数の1/2以下であり、しかも通常の動作では1/10程度になる場合も多い。   As described above, since each element of the logic circuit section operates in synchronization with the clock signal, the data signal is switched only when the clock signal rises (or falls). That is, if the frequency of the clock signal is F [Hz], the data signal does not operate at F / 2 [Hz] or higher. Further, if the data signal is not switched in a certain cycle, the logic circuit does not operate, and therefore no charge / discharge current flows. In other words, the operating frequency of the logic circuit section is always less than or equal to ½ of the frequency of the clock signal, and is often about 1/10 in normal operation.

以上のような理由で、LSIの低電力化においては、論理回路部ではCMOS回路の閾値電圧Vthを高くしてリーク電流を抑える手法が効果的であり、クロック回路部ではVthを下げて電源電圧を下げる手法が効果的である。電源電圧を変える場合に、高電位側電源を異なる電圧の第1および第2電源とし、低電位側電源は共通にする、言い換えれば共にグランド(GND)レベルとするのが回路構成上容易である。そのため、以下の説明では、電源電圧を変える場合に、高電位側電源を異なる電圧の第1および第2電源とし、低電位側電源は共通にするものとして説明する。   For the reasons described above, in order to reduce the power consumption of an LSI, it is effective to increase the threshold voltage Vth of the CMOS circuit and suppress the leakage current in the logic circuit part, and to reduce the power supply voltage by reducing Vth in the clock circuit part. A technique for lowering is effective. When changing the power supply voltage, it is easy in terms of the circuit configuration that the high-potential-side power supply is the first and second power supplies with different voltages and the low-potential-side power supply is common, in other words, both are at the ground (GND) level. . For this reason, in the following description, when the power supply voltage is changed, the high-potential side power supply is assumed to be the first and second power supplies having different voltages, and the low-potential side power supply is assumed to be common.

特開2001−068992号公報JP 2001-068992 A 特開平11−297969号公報JP 11-297969 A 特開平5−259834号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-259844

前述のように、論理回路部は、クロック信号に同期して動作するため、クロック信号を受ける回路を有している。ここでは、このような回路をクロック論理ゲート部と称する。クロック論理ゲート部は、論理回路部に含まれ、電源電圧は低くなっていないが、低い電源電圧のクロック回路部で生成されたクロック信号を受ける。具体的には、クロック論理ゲート部に含まれるPMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタのゲートには、低い電源電圧のクロック回路部で生成されたクロック信号が入力される。この場合、PMOSトランジスタは、データを止めるために遮断(オフ)状態になるクロック信号が入力されても、完全に遮断状態にならず、データを次段に伝送するので、誤動作を発生する場合が起こり得る。   As described above, the logic circuit section operates in synchronization with the clock signal, and thus has a circuit that receives the clock signal. Here, such a circuit is referred to as a clock logic gate unit. The clock logic gate unit is included in the logic circuit unit and receives the clock signal generated by the clock circuit unit having a low power supply voltage, although the power supply voltage is not low. Specifically, a clock signal generated by a clock circuit unit having a low power supply voltage is input to the gates of a PMOS transistor and an NMOS transistor included in the clock logic gate unit. In this case, the PMOS transistor is not completely cut off even when a clock signal that is turned off to stop data is input, and the data is transmitted to the next stage, which may cause a malfunction. Can happen.

実施形態によれば、クロック回路部の電源電圧を、論理回路部の電源電圧より低くして低消費電力化を図った場合にも、誤動作の発生を低減した半導体装置が実現される。   According to the embodiment, even when the power supply voltage of the clock circuit unit is made lower than the power supply voltage of the logic circuit unit to reduce power consumption, a semiconductor device in which the occurrence of malfunction is reduced is realized.

実施形態によれば、半導体装置は、クロック回路部と、論理回路部と、を有する。クロック回路部は、PMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタを含み、クロック信号を発生する。論理回路部は、PMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタを含み、データ信号に応じた動作を行う。クロック回路部および論理回路部は、共通の低電位側電源に接続される。論理回路部には、第1電源電圧が供給され、クロック回路部には、第1電源電圧より低い第2電源電圧が供給される。論理回路部は、ゲートにクロック信号が入力され、他の論理回路部から入力信号を受けるかまたは他の論理回路部に出力信号を出すクロック論理ゲート部を含む。クロック論理ゲート部に含まれるPMOSトランジスタのバックゲート電圧は、他の論理回路部のPMOSトランジスタのバックゲート電圧より高い。   According to the embodiment, the semiconductor device includes a clock circuit unit and a logic circuit unit. The clock circuit unit includes a PMOS transistor and an NMOS transistor, and generates a clock signal. The logic circuit section includes a PMOS transistor and an NMOS transistor, and performs an operation according to the data signal. The clock circuit portion and the logic circuit portion are connected to a common low potential side power source. A first power supply voltage is supplied to the logic circuit section, and a second power supply voltage lower than the first power supply voltage is supplied to the clock circuit section. The logic circuit unit includes a clock logic gate unit that receives a clock signal from a gate and receives an input signal from another logic circuit unit or outputs an output signal to another logic circuit unit. The back gate voltage of the PMOS transistor included in the clock logic gate part is higher than the back gate voltage of the PMOS transistor in the other logic circuit part.

実施形態によれば、低消費電力で、信頼性の高い半導体装置が実現される。   According to the embodiment, a highly reliable semiconductor device with low power consumption is realized.

図1は、CMOS回路の基本構成と、オン・オフ動作に伴う電流の変化を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a CMOS circuit and a change in current accompanying an on / off operation. 図2は、クロック信号に同期して動作する1段分の論理回路部の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a logic circuit portion for one stage that operates in synchronization with a clock signal. 図3は、図2の論理回路部の動作を示すタイムチャートである。FIG. 3 is a time chart showing the operation of the logic circuit section of FIG. 図4は、論理回路部で使用される代表的なフリップフロップ(FF)回路の回路例を示す図であり、(A)がFF回路を、(B)がクロック回路部を示す。FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit example of a typical flip-flop (FF) circuit used in the logic circuit section, where (A) shows an FF circuit and (B) shows a clock circuit section. 図5は、第1実施形態の半導体装置の概略構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a schematic configuration of the semiconductor device of the first embodiment. 図6は、第1実施形態の半導体装置の論理回路部で使用される代表的なフリップフロップ(FF)回路の回路例を示す図であり、(A)がFF回路を、(B)がクロック回路部を示す。FIG. 6 is a diagram illustrating a circuit example of a typical flip-flop (FF) circuit used in the logic circuit unit of the semiconductor device of the first embodiment, where (A) is an FF circuit and (B) is a clock. A circuit part is shown. 図7は、第1実施形態の半導体装置のクロック論理ゲート部のトランスミッションゲートの構造および配線を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the structure and wiring of the transmission gate of the clock logic gate portion of the semiconductor device of the first embodiment. 図8は、第2実施形態の半導体装置の論理回路部で使用される代表的なフリップフロップ(FF)回路の回路例を示す図であり、(A)がFF回路を、(B)がクロック回路部を示す。FIG. 8 is a diagram illustrating a circuit example of a typical flip-flop (FF) circuit used in the logic circuit portion of the semiconductor device of the second embodiment, where (A) is an FF circuit and (B) is a clock. A circuit part is shown. 図9は、第2実施形態の半導体装置の変形例を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a modification of the semiconductor device of the second embodiment. 図10は、第3実施形態の半導体装置の論理回路部で使用される代表的なJKフリップフロップ(JK−FF)回路の回路例を示す図であり、(A)がJK−FF回路を、(B)がクロックドNANDゲートの回路図を示す。FIG. 10 is a diagram illustrating a circuit example of a typical JK flip-flop (JK-FF) circuit used in the logic circuit unit of the semiconductor device of the third embodiment. FIG. 10A illustrates the JK-FF circuit. (B) shows a circuit diagram of a clocked NAND gate.

実施形態を説明する前に、半導体装置において、クロック回路部の電源電圧を、論理回路部の電源電圧より低くして低消費電力化を図る場合の誤動作の発生について説明する。   Before describing the embodiment, the occurrence of malfunction in a semiconductor device when the power supply voltage of the clock circuit portion is made lower than the power supply voltage of the logic circuit portion to reduce power consumption will be described.

図1は、CMOS回路の基本構成と、オン・オフ動作に伴う電流の変化を示す図であり、ここでは、広く使用されるインバータ回路を例として示している。
図1に示すように、CMOS回路によるインバータ回路は、高電位側電源Vddと低電位側電源GNDの間に直列に接続したPMOSトランジスタ1とNMOSトランジスタ2を有する。PMOSトランジスタ1およびNMOSトランジスタ2のゲートに入力信号INが入力し、PMOSトランジスタ1とNMOSトランジスタ2の接続ノード(ドレイン)から出力信号OUTが出力される。図1の回路はインバータ回路であるから、出力信号OUTは、入力信号INの反転信号である。図1のインバータ回路は、出力に接続される素子を駆動する。駆動動作では、素子は負荷容量3とみなされ、インバータ回路の出力信号が、負荷容量3を充電または放電する動作を行う。
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a CMOS circuit and a change in current accompanying an on / off operation. Here, an inverter circuit widely used is shown as an example.
As shown in FIG. 1, the inverter circuit using a CMOS circuit includes a PMOS transistor 1 and an NMOS transistor 2 connected in series between a high potential power source Vdd and a low potential power source GND. An input signal IN is input to the gates of the PMOS transistor 1 and the NMOS transistor 2, and an output signal OUT is output from a connection node (drain) between the PMOS transistor 1 and the NMOS transistor 2. Since the circuit in FIG. 1 is an inverter circuit, the output signal OUT is an inverted signal of the input signal IN. The inverter circuit of FIG. 1 drives an element connected to the output. In the driving operation, the element is regarded as the load capacitor 3, and the output signal of the inverter circuit performs an operation of charging or discharging the load capacitor 3.

入力信号INが“低(L)”の時、PMOSトランジスタ1がオン状態となって導通し、NMOSトランジスタ2がオフ状態となって遮断し、Vddから負荷容量3に充電電流Jが流れる。一方、入力信号INが“高(H)”の時、PMOSトランジスタ1がオフ状態となって遮断し、NMOSトランジスタ2がオン状態となって導通し、負荷容量3からGNDに放電電流Dが流れる。   When the input signal IN is “low (L)”, the PMOS transistor 1 is turned on to conduct, the NMOS transistor 2 is turned off and cut off, and the charging current J flows from Vdd to the load capacitor 3. On the other hand, when the input signal IN is “high (H)”, the PMOS transistor 1 is turned off to be cut off, the NMOS transistor 2 is turned on to be conducted, and the discharge current D flows from the load capacitor 3 to GND. .

CMOS回路においては、消費電力は主に、(1)負荷容量を充放電するための電流消費、(2)トランジスタの微小なリーク電流、の2要素で決まる。   In a CMOS circuit, power consumption is mainly determined by two factors: (1) current consumption for charging / discharging a load capacity, and (2) minute leakage current of a transistor.

負荷容量の充放電では、1回の充放電に必要な電荷Q[C]は、Q=CVである。ここで、負荷容量3の容量値はC[F]であり、電源電圧はV[V]である。以下の説明では、GND=0Vとして、電源電圧V[V]はVddの電圧値であるとして説明する。   In the charge / discharge of the load capacity, the charge Q [C] required for one charge / discharge is Q = CV. Here, the capacitance value of the load capacitor 3 is C [F], and the power supply voltage is V [V]. In the following description, it is assumed that GND = 0V and the power supply voltage V [V] is a voltage value of Vdd.

充放電において、1秒間当たりに流れる電荷(=電流)I[A]と電力P[W]は、動作周波数をF[Hz]とすれば、
I[A]=Q[C]×F[Hz]=C[F]×V[V]×F[Hz]
P[W]=I[A]×V[V]=C[F]×(V[V])×F[Hz]
である。
In charging / discharging, if charge (= current) I [A] and power P [W] flowing per second is F [Hz],
I [A] = Q [C] × F [Hz] = C [F] × V [V] × F [Hz]
P [W] = I [A] × V [V] = C [F] × (V [V]) 2 × F [Hz]
It is.

リーク電流は、定常的に流れるため、動作周波数F[Hz]は関係せず、トランジスタサイズで決まるリーク電流Ileakが消費電力Pleakを決定し、Pleak=Ileak×V[V]となる。   Since the leakage current flows constantly, the operating frequency F [Hz] is not related, and the leakage current Ileak determined by the transistor size determines the power consumption Pleak, and Pleak = Ileak × V [V].

このため、一般に、CMOS回路においては、消費電力を減らすために電源電圧VDDを下げるのが効果的であるが、そのためにはトランジスタのしきい値電圧Vthを下げる必要がある。この時、Ileakが指数関数的に増加する(Ileak∝exp(−Vth))。このために電力消費においてリーク電流による成分が大となり、動作周波数F「Hz」の値が小さいならば、電源を下げても消費電力が増えてしまう場合があった。   For this reason, in general, in a CMOS circuit, it is effective to lower the power supply voltage VDD in order to reduce power consumption. For this purpose, it is necessary to lower the threshold voltage Vth of the transistor. At this time, Ileak increases exponentially (Ileak∝exp (−Vth)). For this reason, the component due to the leakage current becomes large in the power consumption, and if the value of the operating frequency F “Hz” is small, the power consumption may increase even if the power supply is lowered.

以上のような理由で、周波数や動作率が低い、言い換えれば待機状態が多いLSIでは、リーク電流による消費電力を抑制するのが有利で、Vthを大きくし、Ileakを減らして消費電力を抑える。逆に、常に高周波数で動作するLSIでは、電力消費において充放電による成分を抑制するために、Vthを小さくし、電源電圧を下げて消費電力を抑える。   For the above reasons, it is advantageous to suppress power consumption due to leakage current in an LSI having a low frequency and operating rate, in other words, a large number of standby states. The power consumption is suppressed by increasing Vth and reducing Ileak. Conversely, in an LSI that always operates at a high frequency, in order to suppress a component due to charge / discharge in power consumption, Vth is reduced and the power supply voltage is lowered to reduce power consumption.

一般に、大規模な半導体装置(LSI)は、クロック信号を発生および伝送するクロック回路部と、データ信号に応じて動作する論理回路部と、を有する。論理回路部は、フリップフロップ(FF)回路により複数段に分割され、各段は、ロック回路部から供給されるクロック信号に同期して動作する。これにより、論理回路部における各要素での遅延の影響を低減して大規模な回路を正常に動作させることができる。   In general, a large-scale semiconductor device (LSI) includes a clock circuit unit that generates and transmits a clock signal, and a logic circuit unit that operates according to a data signal. The logic circuit section is divided into a plurality of stages by a flip-flop (FF) circuit, and each stage operates in synchronization with a clock signal supplied from the lock circuit section. Thereby, the influence of delay in each element in the logic circuit unit can be reduced, and a large-scale circuit can be operated normally.

図2は、クロック信号に同期して動作する1段分の論理回路部の構成を示す図である。
図2に示すように、論理回路部は、前段からのデータ信号Dataを取り込むタイミングを制御するフリップフロップ(FF)11と、後段へのデータ信号の出力タイミングを制御するFF12と、FF11と12の間に設けられた論理回路15と、を有する。クロック回路部は、クロック生成部で生成され伝送されたクロック信号Clockを受けるバッファ12および14を有する。バッファ12の出力するクロック信号がFF11に印加され、バッファ12の出力するクロック信号がFF12に印加される。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a logic circuit portion for one stage that operates in synchronization with a clock signal.
As shown in FIG. 2, the logic circuit section includes a flip-flop (FF) 11 that controls the timing of fetching the data signal Data from the previous stage, an FF 12 that controls the output timing of the data signal to the subsequent stage, and FFs 11 and 12. And a logic circuit 15 provided therebetween. The clock circuit unit includes buffers 12 and 14 that receive the clock signal Clock generated and transmitted by the clock generation unit. The clock signal output from the buffer 12 is applied to the FF 11, and the clock signal output from the buffer 12 is applied to the FF 12.

図3は、図2の論理回路部の動作を示すタイムチャートである。
クロック信号Clockは、所定の周期で常時“H”と“L”の間で変化する。データ信号Dataは、クロック信号Clockが立ち上がった時に、前の状態から変化している場合に変化する。FF11の出力Xは、クロック信号Clockが立ち上がる時にデータ信号Dataが “H”から“L”に変化しているので、Pで示す時には、“H”から“L”に変化する。図3の例では、FF11の出力Xの“H”から“L”への変化に応じて、論理回路15内の各部の状態が変化し、論理回路15の出力Yは、ある遅延時間後に“H”から“L”に変化する。一方、次にクロック信号Clockが立ち上がる時には、データ信号Dataは“L”の状態を維持するので、Qで示す時には、FF11の出力Xは、 “L”を維持し、変化しない。これは、論理回路15の出力Yについても同様である。
FIG. 3 is a time chart showing the operation of the logic circuit section of FIG.
The clock signal Clock always changes between “H” and “L” in a predetermined cycle. The data signal Data changes when it changes from the previous state when the clock signal Clock rises. The output X of the FF 11 changes from “H” to “L” when indicated by P because the data signal Data changes from “H” to “L” when the clock signal Clock rises. In the example of FIG. 3, the state of each part in the logic circuit 15 changes according to the change of the output X of the FF 11 from “H” to “L”, and the output Y of the logic circuit 15 becomes “ It changes from “H” to “L”. On the other hand, when the clock signal Clock rises next time, the data signal Data maintains the “L” state. Therefore, when indicated by Q, the output X of the FF 11 maintains “L” and does not change. The same applies to the output Y of the logic circuit 15.

このように、FF11の出力Xは、クロック信号Clockが立ち上がる時にのみ変化するので、最小の変化周期は、クロック信号Clockの2倍である。これは、論理回路15の出力Yについても同様である。言い換えれば、クロック信号Clockの動作周波数がF[Hz]であれば、論理回路部の各部におけるデータ信号Dataの動作周波数は、F/2[Hz]以下である。さらに、あるサイクルでデータ信号Dataが変化しなければ、論理回路は動作しないので、この場合も充放電電流は流れない。すなわち、データ信号Dataの動作周波数は、必ずクロック信号Clock1/2以下であり、1/10程度になることもしばしば起こる。   Thus, since the output X of the FF 11 changes only when the clock signal Clock rises, the minimum change period is twice that of the clock signal Clock. The same applies to the output Y of the logic circuit 15. In other words, if the operating frequency of the clock signal Clock is F [Hz], the operating frequency of the data signal Data in each part of the logic circuit unit is F / 2 [Hz] or less. Further, if the data signal Data does not change in a certain cycle, the logic circuit does not operate, so that no charge / discharge current flows in this case. That is, the operating frequency of the data signal Data is always less than or equal to the clock signal Clock1 / 2, and often becomes about 1/10.

以上説明したことを考慮して、LSIの低電力化を図るには、論理回路部は、トランジスタの閾値電圧Vthを高くしてリーク電流を抑制する手法が適しており、クロック回路部は、Vthを下げて電源電圧を下げ、充放電電流を抑制する手法が効果的である。しかしながら、単純にクロック回路部の電源電圧を下げただけでは、クロック信号とデータ信号の両方の信号が印加される論理回路部のFFで、誤動作が発生しやすくなるという問題がある。以下、この問題を説明する。   Considering what has been described above, in order to reduce the power consumption of the LSI, a method for suppressing the leakage current by increasing the threshold voltage Vth of the transistor is suitable for the logic circuit portion. It is effective to lower the power supply voltage by reducing the power supply voltage and suppress the charge / discharge current. However, simply lowering the power supply voltage of the clock circuit unit has a problem that malfunction is likely to occur in the FF of the logic circuit unit to which both the clock signal and the data signal are applied. Hereinafter, this problem will be described.

図4は、論理回路部で使用される代表的なフリップフロップ(FF)回路の回路例を示す図であり、(A)がFF回路を、(B)がクロック回路部を示す。   FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit example of a typical flip-flop (FF) circuit used in the logic circuit section, where (A) shows an FF circuit and (B) shows a clock circuit section.

図4の(A)において、インバータInv0は、前段の出力用回路で、図示のように、“H”がVddであり、“L”がGNDであるデータ信号Dataを出力する。2個のインバータInv1およびInv2と、2個のトランスミッションゲートTMG0およびTMG1は、FFの前半部を形成する。2個のインバータInv3およびInv4と、2個のトランスミッションゲートTMG12よびTMG3は、FFの後半部を形成する。図4の(B)のように、クロック回路部は、直列に接続されたインバータInv11およびInv12を有し、入力されるクロック信号Clockから180度位相がずれたクロック信号CLKおよび/CLKを出力する。   In FIG. 4A, an inverter Inv0 is a preceding output circuit and outputs a data signal Data in which “H” is Vdd and “L” is GND as shown in the figure. Two inverters Inv1 and Inv2 and two transmission gates TMG0 and TMG1 form the first half of the FF. Two inverters Inv3 and Inv4 and two transmission gates TMG12 and TMG3 form the second half of the FF. As shown in FIG. 4B, the clock circuit section includes inverters Inv11 and Inv12 connected in series, and outputs clock signals CLK and / CLK that are 180 degrees out of phase with the input clock signal Clock. .

TMG0からTMG3は、トランスミッションゲートであり、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタを並列に接続し、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタの一方のゲートにCLKが、他方のゲートに/CLKが印加される。図4では、TMG0およびTMG3において、PMOSトランジスタのゲートにCLKが印加され、NMOSトランジスタのゲートに/CLKが印加される。したがって、TMG0およびTMG3は、クロック信号に対して同相で(同じタイミングで)動作する。また、TMG1およびTMG2において、PMOSトランジスタのゲートに/CLKが印加され、NMOSトランジスタのゲートにCLKが印加される。したがって、TMG1およびTMG2は、クロック信号に対して同相で動作する。さらに、TMG0およびTMG3と、TMG1およびTMG2は、クロック信号に対して逆相で(180度ずれたタイミングで)動作する。TMG0からTMG3は、ゲートにクロック信号CLKまたは/CLKが印加され、入力または出力が他の論理回路部の要素に接続される。ここでは、このような要素をクロック論理ゲート部と称する。   TMG0 to TMG3 are transmission gates which connect a PMOS transistor and an NMOS transistor in parallel, and CLK is applied to one gate of the PMOS transistor and NMOS transistor, and / CLK is applied to the other gate. In FIG. 4, in TMG0 and TMG3, CLK is applied to the gate of the PMOS transistor and / CLK is applied to the gate of the NMOS transistor. Therefore, TMG0 and TMG3 operate in phase with the clock signal (at the same timing). In TMG1 and TMG2, / CLK is applied to the gate of the PMOS transistor and CLK is applied to the gate of the NMOS transistor. Therefore, TMG1 and TMG2 operate in phase with the clock signal. Further, TMG0 and TMG3, and TMG1 and TMG2 operate in reverse phase with respect to the clock signal (at a timing shifted by 180 degrees). In TMG0 to TMG3, a clock signal CLK or / CLK is applied to the gate, and an input or an output is connected to an element of another logic circuit section. Here, such an element is referred to as a clock logic gate unit.

図4のフリップフロップ回路では、クロック信号の第1の半周期で、TMG0が通過状態になり、FFの前半部に前段のデータ信号Dataを取り込む。この時、FFの前半部に前段のデータ信号Dataを取り込みやすくするために、TMG1は遮断状態である。さらに、TMG2も遮断状態であり、FFの前半部の出力は後半部には転送されず、TMG3は通過状態であり、FFの後半部に前に転送されたデータ信号が保持される。   In the flip-flop circuit of FIG. 4, TMG0 is in a passing state in the first half cycle of the clock signal, and the previous stage data signal Data is taken into the first half of the FF. At this time, the TMG 1 is in a cut-off state in order to make it easier to capture the previous stage data signal Data in the first half of the FF. Further, TMG2 is also in the cut-off state, the output of the first half of the FF is not transferred to the second half, and TMG3 is in the passing state, and the previously transferred data signal is held in the second half of the FF.

クロック信号の次の第2の半周期で、TMG0が遮断状態になり、TMG1が通過状態になり、FFの前半部に取り込んだデータ信号Dataが保持される。さらに、TMG2が通過状態になり、FFの前半部に保持されているデータ信号DataがFFの後半部に転送される。この時、FFの前半部のデータ信号Dataを後半部に転送しやすくするために、TMG3は遮断状態である。図4のフリップフロップ回路の動作は広く知られているので、これ以上の説明は省略する。   In the second half cycle of the clock signal, TMG0 is cut off, TMG1 is passed, and the data signal Data captured in the first half of the FF is held. Further, TMG2 enters a passing state, and the data signal Data held in the first half of the FF is transferred to the second half of the FF. At this time, the TMG 3 is in a cut-off state in order to facilitate the transfer of the data signal Data in the first half of the FF to the second half. Since the operation of the flip-flop circuit of FIG. 4 is widely known, further explanation is omitted.

ここで、低電力化を図るため、論理回路部には、Vdd(data)として1Vを供給し、クロック回路部にはVdd(clock)として0.7Vを供給する場合を考える。なお、GNDは、論理回路部およびクロック回路部に共通に供給される。言い換えれば、論理回路部の電源電圧はVdd(data)=1Vであり、クロック回路部の電源電圧はVdd(clock)=0.7Vである。この場合、論理回路部のPMOSトランジスタが形成されるウエルには、Vdd(data)=1Vが供給され、NMOSトランジスタが形成される基板には、GND=0Vが供給される。言い換えれば、論理回路部のPMOSトランジスタのバックゲート電圧は、Vdd(data)=1Vであり、論理回路部のNMOSトランジスタのバックゲート電圧は、GND=0Vである。また、クロック回路部のPMOSトランジスタが形成されるウエルには、Vdd(clock)=0.7Vが供給され、NMOSトランジスタが形成される基板には、GND=0Vが供給される。言い換えれば、クロック回路部のPMOSトランジスタのバックゲート電圧は、Vdd(clock)=0.7Vであり、クロック回路部のNMOSトランジスタのバックゲート電圧は、GND=0Vである。   Here, in order to reduce power consumption, consider a case where 1 V is supplied to the logic circuit portion as Vdd (data) and 0.7 V is supplied to the clock circuit portion as Vdd (clock). Note that GND is supplied in common to the logic circuit portion and the clock circuit portion. In other words, the power supply voltage of the logic circuit portion is Vdd (data) = 1V, and the power supply voltage of the clock circuit portion is Vdd (clock) = 0.7V. In this case, Vdd (data) = 1V is supplied to the well in which the PMOS transistor of the logic circuit portion is formed, and GND = 0V is supplied to the substrate on which the NMOS transistor is formed. In other words, the back gate voltage of the PMOS transistor in the logic circuit portion is Vdd (data) = 1V, and the back gate voltage of the NMOS transistor in the logic circuit portion is GND = 0V. Further, Vdd (clock) = 0.7 V is supplied to the well where the PMOS transistor of the clock circuit portion is formed, and GND = 0 V is supplied to the substrate where the NMOS transistor is formed. In other words, the back gate voltage of the PMOS transistor in the clock circuit portion is Vdd (clock) = 0.7V, and the back gate voltage of the NMOS transistor in the clock circuit portion is GND = 0V.

クロック回路部の電源電圧を低くした回路で、TMG0からTMG3のPMOSトランジスタのゲートには、CLKまたは/CLKが印加される。TMG0からTMG3に入力するData信号が“H”(1V)で、CLKまたは/CLKが“H”(0.7V)の場合、これらのPMOSトランジスタでは、Vgs=Vd(clock)−Vdd(data)=−0.3Vとなる。このため、これらのPMOSトランジスタは完全にオフせず、TMG0からTMG3は、データ信号を完全には遮断しない状態になり、FFとしての機能を十分に果たせず、誤動作を発生する場合が起こり得る。例えば、クロック回路部の電源電圧を低くせず、CLKまたは/CLKが“H”で1.0Vの場合、Vgs=0Vとなるので、TMG0からTMG3は、データ信号を遮断する。このように、クロック回路部の電源電圧を低くしたために、誤動作を発生する可能性が高くなる。   CLK or / CLK is applied to the gates of the PMOS transistors TMG0 to TMG3 in a circuit in which the power supply voltage of the clock circuit unit is lowered. When the Data signal input to TMG0 to TMG3 is “H” (1 V) and CLK or / CLK is “H” (0.7 V), Vgs = Vd (clock) −Vdd (data) in these PMOS transistors. = -0.3V. For this reason, these PMOS transistors are not completely turned off, and TMG0 to TMG3 are not completely cut off from the data signal, so that the function as the FF cannot be sufficiently performed and a malfunction may occur. For example, when the power supply voltage of the clock circuit unit is not lowered and CLK or / CLK is “H” and 1.0 V, Vgs = 0 V, so that TMG0 to TMG3 block the data signal. In this way, since the power supply voltage of the clock circuit portion is lowered, the possibility of malfunctioning increases.

以下に説明する実施形態の半導体装置は、クロック回路部の電源電圧を低くしても、誤動作の発生が低減される。   In the semiconductor device of the embodiment described below, even if the power supply voltage of the clock circuit unit is lowered, the occurrence of malfunction is reduced.

図5は、第1実施形態の半導体装置の概略構成を示す図である。
図5に示すように、第1実施形態の半導体装置は、クロック回路部30と、論理回路部20と、第1電源41と、第2電源42と、バックゲート電源43と、を有する。クロック回路部30は、PMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタを含み、クロック信号を発生および伝送する。クロック回路部30は、クロック信号を生成するクロック生成部31と、クロック信号を半導体装置内に分配するクロック伝送部32と、を有する。クロック生成部31は、内部に発振回路を有し、クロック信号を発生しても、半導体装置の外部から供給されるクロック信号から内部で使用するクロック信号を生成してもよい。
FIG. 5 is a diagram illustrating a schematic configuration of the semiconductor device of the first embodiment.
As shown in FIG. 5, the semiconductor device according to the first embodiment includes a clock circuit unit 30, a logic circuit unit 20, a first power supply 41, a second power supply 42, and a back gate power supply 43. The clock circuit unit 30 includes a PMOS transistor and an NMOS transistor, and generates and transmits a clock signal. The clock circuit unit 30 includes a clock generation unit 31 that generates a clock signal, and a clock transmission unit 32 that distributes the clock signal in the semiconductor device. The clock generation unit 31 includes an oscillation circuit inside and may generate a clock signal, or may generate a clock signal used internally from a clock signal supplied from the outside of the semiconductor device.

論理回路部20は、PMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタを含み、データ信号に応じた動作を行う。第1電源41は、電源Vdd(Data)を生成し、論理回路部20に高電位側電源として供給する。第2電源42は、電源Vdd(clock)を生成し、クロック回路部30に高電位側電源として供給する。なお、論理回路部20およびクロック回路部30の低電位側電源は、共にGNDである。バックゲート電源43は、バックゲート電源Vbgを生成し、後述する論理回路部20のクロック論理ゲート部のPMOSトランジスタが形成されるウエルに供給する。第1実施形態では、例えば、Vdd(Data)の電圧は1Vで、Vdd(clock)の電圧は0.7Vで、Vbgの電圧は2.0Vである。なお、電源Vdd(Data)の電圧をVdd(Data)で、電源Vdd(clock)の電圧をVdd(clock)で、バックゲート電源Vbgの電圧をVbgで表す場合がある。したがって、Vdd(Data)=1Vで、Vdd(clock)=0.7Vで、Vbg=2.0Vである。なお、バックゲート電源43は、バックゲート電源電圧をVbgを変化可能であることが望ましい。   The logic circuit unit 20 includes a PMOS transistor and an NMOS transistor, and performs an operation according to the data signal. The first power supply 41 generates a power supply Vdd (Data) and supplies it to the logic circuit unit 20 as a high potential side power supply. The second power source 42 generates a power source Vdd (clock) and supplies it to the clock circuit unit 30 as a high potential side power source. Note that the low-potential side power supplies of the logic circuit unit 20 and the clock circuit unit 30 are both GND. The back gate power supply 43 generates the back gate power supply Vbg and supplies it to the well in which the PMOS transistor of the clock logic gate part of the logic circuit part 20 described later is formed. In the first embodiment, for example, the voltage of Vdd (Data) is 1 V, the voltage of Vdd (clock) is 0.7 V, and the voltage of Vbg is 2.0 V. Note that the voltage of the power supply Vdd (Data) may be expressed as Vdd (Data), the voltage of the power supply Vdd (clock) may be expressed as Vdd (clock), and the voltage of the back gate power supply Vbg may be expressed as Vbg. Therefore, Vdd (Data) = 1V, Vdd (clock) = 0.7V, and Vbg = 2.0V. It is desirable that the back gate power supply 43 can change the back gate power supply voltage Vbg.

論理回路部20は、ゲートにクロック信号が印加され、他の論理回路部から入力信号を受けるかまたは他の論理回路部に出力信号を出すクロック論理ゲート部を含む。クロック論理ゲート部に含まれるPMOSトランジスタのバックゲート電圧は、バックゲート電源43から供給されるバックゲート電源Vbgである。他の論理回路部のPMOSトランジスタのバックゲート電圧は1Vである。したがって、クロック論理ゲート部に含まれるPMOSトランジスタには、他の論理回路部のPMOSトランジスタより高いバックゲート電圧Vbg=2.0Vが供給される。   The logic circuit unit 20 includes a clock logic gate unit to which a clock signal is applied to a gate and receives an input signal from another logic circuit unit or outputs an output signal to another logic circuit unit. The back gate voltage of the PMOS transistor included in the clock logic gate unit is the back gate power supply Vbg supplied from the back gate power supply 43. The back gate voltage of the PMOS transistor in the other logic circuit section is 1V. Therefore, the back gate voltage Vbg = 2.0 V higher than the PMOS transistors of the other logic circuit units is supplied to the PMOS transistors included in the clock logic gate unit.

以上のような電源電圧およびバックゲート電圧に設定することにより、動作率の高いクロック回路部30の回路素子は、低い電源電圧Vdd(clock)=0.7Vで動作するので、充放電に伴う電流消費を低減して、効果的に消費電力を低減できる。一方、動作率の低い論理回路部20の回路素子は、高い電源電圧Vdd(Data)=1Vが供給されるので、リーク電流を低減して、効果的に消費電力を低減できる。   By setting the power supply voltage and the back gate voltage as described above, the circuit element of the clock circuit unit 30 having a high operation rate operates at a low power supply voltage Vdd (clock) = 0.7 V. Power consumption can be effectively reduced by reducing consumption. On the other hand, since the high power supply voltage Vdd (Data) = 1 V is supplied to the circuit elements of the logic circuit unit 20 having a low operation rate, the leakage current can be reduced and the power consumption can be effectively reduced.

さらに、クロック論理ゲート部に含まれるPMOSトランジスタのバックゲート電圧は、論理回路部20の他の部分のPMOSトランジスタのバックゲート電圧より高い。そのため、クロック論理ゲート部に含まれるPMOSトランジスタの閾値電圧Vthは、高くなり、クロック回路部30から供給されるクロック信号が“H”=0.7Vの場合、すなわち、Vgs=−0.3V≠0Vでも遮断状態になる。これにより、FFは、データ信号を完全には遮断するので、FFとしての機能を果たし、誤動作の発生を防止する。   Further, the back gate voltage of the PMOS transistor included in the clock logic gate part is higher than the back gate voltage of the PMOS transistor in the other part of the logic circuit part 20. Therefore, the threshold voltage Vth of the PMOS transistor included in the clock logic gate portion becomes high, and when the clock signal supplied from the clock circuit portion 30 is “H” = 0.7 V, that is, Vgs = −0.3 V ≠ Even at 0V, it will be cut off. As a result, the FF completely shuts off the data signal, so that the FF functions as an FF and prevents malfunction.

図6は、第1実施形態の半導体装置の論理回路部で使用される代表的なフリップフロップ(FF)回路の回路例を示す図であり、(A)がFF回路を、(B)がクロック回路部を示す。言い換えれば、図6は、図4の回路において、クロック論理ゲート部に含まれるPMOSトランジスタのバックゲート電圧をVdd(data)からVbgに変更した構成を有する。   FIG. 6 is a diagram illustrating a circuit example of a typical flip-flop (FF) circuit used in the logic circuit unit of the semiconductor device of the first embodiment, where (A) is an FF circuit and (B) is a clock. A circuit part is shown. In other words, FIG. 6 has a configuration in which the back gate voltage of the PMOS transistor included in the clock logic gate unit is changed from Vdd (data) to Vbg in the circuit of FIG.

図6の回路では、低電力化を図るため、論理回路部には、Vdd(data)として1Vを供給し、クロック回路部にはVdd(clock)として0.7Vを供給し、GNDは、論理回路部およびクロック回路部に共通に供給される。言い換えれば、論理回路部の電源電圧はVdd(data)=1Vであり、クロック回路部の電源電圧はVdd(clock)=0.7Vである。論理回路部のNMOSトランジスタが形成される基板には、GND=0Vが供給され、クロック論理ゲート部以外のPMOSトランジスタが形成されるウエルには、Vdd(data)=1Vが供給される。言い換えれば、論理回路部のクロック論理ゲート部以外のPMOSトランジスタのバックゲート電圧は、Vdd(data)=1Vであり、論理回路部のNMOSトランジスタのバックゲート電圧は、GND=0Vである。また、クロック回路部のPMOSトランジスタが形成されるウエルには、Vdd(clock)=0.7Vが供給され、NMOSトランジスタが形成される基板には、GND=0Vが供給される。言い換えれば、クロック回路部のPMOSトランジスタのバックゲート電圧は、Vdd(clock)=0.7Vであり、クロック回路部のNMOSトランジスタのバックゲート電圧は、GND=0Vである。   In the circuit of FIG. 6, in order to reduce power consumption, 1 V is supplied to the logic circuit portion as Vdd (data) and 0.7 V is supplied to the clock circuit portion as Vdd (clock). Commonly supplied to the circuit unit and the clock circuit unit. In other words, the power supply voltage of the logic circuit portion is Vdd (data) = 1V, and the power supply voltage of the clock circuit portion is Vdd (clock) = 0.7V. GND = 0V is supplied to the substrate on which the NMOS transistor of the logic circuit portion is formed, and Vdd (data) = 1V is supplied to the well in which the PMOS transistor other than the clock logic gate portion is formed. In other words, the back gate voltage of the PMOS transistors other than the clock logic gate portion of the logic circuit portion is Vdd (data) = 1V, and the back gate voltage of the NMOS transistor of the logic circuit portion is GND = 0V. Further, Vdd (clock) = 0.7 V is supplied to the well where the PMOS transistor of the clock circuit portion is formed, and GND = 0 V is supplied to the substrate where the NMOS transistor is formed. In other words, the back gate voltage of the PMOS transistor in the clock circuit portion is Vdd (clock) = 0.7V, and the back gate voltage of the NMOS transistor in the clock circuit portion is GND = 0V.

図6では、トランスミッションゲートTMG0からTMG3が、クロック論理ゲート部に含まれる。論理回路部のほかの部分と同様に、クロック論理ゲート部の電源電圧も、Vdd(data)=1Vであり、クロック論理ゲート部のNMOSトランジスタが形成される基板には、GND=0Vが供給される。しかし、クロック論理ゲート部のPMOSトランジスタが形成されるウエルには、Vbg=2Vが供給される。言い換えれば、クロック論理ゲート部は、PMOSトランジスタのバックゲート電圧がVbg=2Vであることが、論理回路部のほかの部分と異なる。   In FIG. 6, transmission gates TMG0 to TMG3 are included in the clock logic gate unit. Similar to the other parts of the logic circuit part, the power supply voltage of the clock logic gate part is also Vdd (data) = 1V, and GND = 0V is supplied to the substrate on which the NMOS transistor of the clock logic gate part is formed. The However, Vbg = 2V is supplied to the well in which the PMOS transistor of the clock logic gate portion is formed. In other words, the clock logic gate portion is different from the other portions of the logic circuit portion in that the back gate voltage of the PMOS transistor is Vbg = 2V.

クロック回路部の電源電圧はVdd(clock)=0.7Vであるから、CLKおよび/CLKは、“H”=0.7V、“L”=0Vの信号である。TMG0からTMG3に入力するData信号が“H”(1V)で、CLKまたは/CLKが“H”(0.7V)の場合、クロック論理ゲート部のこれらのPMOSトランジスタでは、Vgs=Vd(clock)−Vdd(data)=−0.3Vとなる。しかし、第1実施形態では、クロック論理ゲート部のPMOSトランジスタのバックゲート電圧がVbg=2Vであるため、この場合でもPMOSトランジスタを完全に遮断状態にすることができる。これにより、TMG0からTMG3は、データ信号を完全には遮断し、FFとしての機能を十分に果たすので、誤動作は発生しない。なお、バックゲート電源から供給する電流は、クロック論理ゲート部のPMOSトランジスタのソース・ドレインのPNジャンクションリークのみであり、その分のパワーは微少である。また、クロック信号CLKおよび/CLKの負荷は変わらないので、負荷の充放電電流は変わらない。   Since the power supply voltage of the clock circuit section is Vdd (clock) = 0.7V, CLK and / CLK are signals of “H” = 0.7V and “L” = 0V. When the Data signal input to TMG0 to TMG3 is “H” (1 V) and CLK or / CLK is “H” (0.7 V), Vgs = Vd (clock) in these PMOS transistors in the clock logic gate section. −Vdd (data) = − 0.3V. However, in the first embodiment, since the back gate voltage of the PMOS transistor in the clock logic gate portion is Vbg = 2V, the PMOS transistor can be completely cut off even in this case. Thereby, TMG0 to TMG3 completely block the data signal and sufficiently function as the FF, so that no malfunction occurs. Note that the current supplied from the back gate power supply is only the PN junction leakage of the source / drain of the PMOS transistor in the clock logic gate section, and the power for that is very small. Further, since the loads of the clock signals CLK and / CLK do not change, the charge / discharge current of the load does not change.

図7は、第1実施形態の半導体装置のクロック論理ゲート部のトランスミッションゲートの構造および配線を示す図である。
PMOSトランジスタはN−wellに形成され、NMOSトランジスタはP−subに形成される。PMOSトランジスタのゲートには“H”時に電圧Vdd(clock)になるクロック信号/CLKが、NMOSトランジスタのゲートには“H”時に電圧Vdd(clock)になるクロック信号CLKが、それぞれ印加される。PMOSトランジスタとNMOSトランジスタのソースおよびドレインはそれぞれ接続され、論理回路部のほかの要素に接続される。PMOSトランジスタが形成されるN−wellには、1Vより大きな(ここでは2V)のバックゲート電圧が印加され、NMOSトランジスタが形成されるP−subには、GND=0Vが印加される。
FIG. 7 is a diagram showing the structure and wiring of the transmission gate of the clock logic gate portion of the semiconductor device of the first embodiment.
The PMOS transistor is formed in an N-well, and the NMOS transistor is formed in a P-sub. A clock signal / CLK that becomes a voltage Vdd (clock) when "H" is applied to the gate of the PMOS transistor, and a clock signal CLK that becomes a voltage Vdd (clock) when "H" is applied to the gate of the NMOS transistor. The sources and drains of the PMOS transistor and NMOS transistor are connected to each other and connected to other elements of the logic circuit section. A back gate voltage higher than 1V (here, 2V) is applied to the N-well in which the PMOS transistor is formed, and GND = 0V is applied to the P-sub in which the NMOS transistor is formed.

図8は、第2実施形態の半導体装置の論理回路部で使用される代表的なフリップフロップ(FF)回路の回路例を示す図であり、(A)がFF回路を、(B)がクロック回路部を示す。言い換えれば、第2実施形態は、第1実施形態において、クロック論理ゲート部に含まれるトランスミッションゲートを、クロックドインバータに置き換えた構成を有する。実際には、トランスミッションゲートとインバータを合わせてクロックドインバータに置き換えている。   FIG. 8 is a diagram illustrating a circuit example of a typical flip-flop (FF) circuit used in the logic circuit portion of the semiconductor device of the second embodiment, where (A) is an FF circuit and (B) is a clock. A circuit part is shown. In other words, the second embodiment has a configuration in which the transmission gate included in the clock logic gate unit is replaced with a clocked inverter in the first embodiment. Actually, the transmission gate and the inverter are replaced with a clocked inverter.

図8に示すように、第2実施形態では、クロックドインバータのクロック信号CLKまたは/CLKがゲートに印加されるPMOSトランジスタのバックゲート電圧をVbg=2Vに設定している。これにより、これらのPMOSトランジスタに入力するData信号が“H”(1V)で、CLKまたは/CLKが“H”(0.7V)の場合でも、PMOSトランジスタを完全に遮断状態にすることができる。これにより、クロックドインバータは、データ信号を完全には遮断し、FFとしての機能を十分に果たすので、誤動作は発生しない。   As shown in FIG. 8, in the second embodiment, the back gate voltage of the PMOS transistor to which the clock signal CLK or / CLK of the clocked inverter is applied to the gate is set to Vbg = 2V. Thus, even when the Data signal input to these PMOS transistors is “H” (1 V) and CLK or / CLK is “H” (0.7 V), the PMOS transistors can be completely cut off. . As a result, the clocked inverter completely cuts off the data signal and sufficiently functions as the FF, so that no malfunction occurs.

図9は、第2実施形態の半導体装置の変形例を示す図であり、クロックドインバータにおけるトランジスタの配置順を変更した例を示す。この場合も、クロックドインバータのクロック信号CLKまたは/CLKがゲートに印加されるPMOSトランジスタのバックゲート電圧をVbg=2Vに設定している。   FIG. 9 is a diagram showing a modification of the semiconductor device of the second embodiment, and shows an example in which the arrangement order of transistors in the clocked inverter is changed. Also in this case, the back gate voltage of the PMOS transistor to which the clock signal CLK or / CLK of the clocked inverter is applied to the gate is set to Vbg = 2V.

図10は、第3実施形態の半導体装置の論理回路部で使用される代表的なJKフリップフロップ(JK−FF)回路の回路例を示す図であり、(A)がJK−FF回路を、(B)がクロックドNANDゲートの回路図を示す。   FIG. 10 is a diagram illustrating a circuit example of a typical JK flip-flop (JK-FF) circuit used in the logic circuit unit of the semiconductor device of the third embodiment. FIG. 10A illustrates the JK-FF circuit. (B) shows a circuit diagram of a clocked NAND gate.

JK−FFは、広く知られているので説明は省略するが、入力段のNANDゲートにクロック信号CLKを入力することにより、クロック信号CLKに応じて前段の出力を取り込んで保持するFFが実現できる。   The JK-FF is well known and will not be described. However, by inputting the clock signal CLK to the NAND gate of the input stage, an FF that captures and holds the output of the previous stage according to the clock signal CLK can be realized. .

第3実施形態において、入力段のNANDゲートは、図10の(B)の回路構成を有するクロックドNANDゲートである。クロックドNANDゲートについては広く知られているので詳しい説明は省略するが、クロック信号CLKがゲートに印加されるPMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタを有する。第3実施形態では、JK−FFに電源電圧としてVdd(data)が供給される。JK−FFを形成するNMOSトランジスタのバックゲート電圧はGNDであり、クロック信号CLKがゲートに印加されるPMOSトランジスタ以外のPMOSトランジスタのバックゲート電圧はVdd(data)=1Vである。これに対して、クロック信号CLKがゲートに印加されるPMOSトランジスタのバックゲート電圧はVbg=2Vである。これにより、これらのPMOSトランジスタに入力するData信号が“H”(1V)で、CLKまたは/CLKが“H”(0.7V)の場合でも、PMOSトランジスタを完全に遮断状態にすることができる。これにより、入力段のクロックドNANDゲートは、データ信号を完全には遮断し、JK−FFは機能を十分に果たすので、誤動作は発生しない。   In the third embodiment, the NAND gate in the input stage is a clocked NAND gate having the circuit configuration of FIG. The clocked NAND gate is widely known and will not be described in detail, but has a PMOS transistor and an NMOS transistor to which the clock signal CLK is applied to the gate. In the third embodiment, Vdd (data) is supplied as a power supply voltage to JK-FF. The back gate voltage of the NMOS transistor forming JK-FF is GND, and the back gate voltage of the PMOS transistors other than the PMOS transistor to which the clock signal CLK is applied to the gate is Vdd (data) = 1V. In contrast, the back gate voltage of the PMOS transistor to which the clock signal CLK is applied to the gate is Vbg = 2V. Thus, even when the Data signal input to these PMOS transistors is “H” (1 V) and CLK or / CLK is “H” (0.7 V), the PMOS transistors can be completely cut off. . As a result, the clocked NAND gate in the input stage completely cuts off the data signal, and the JK-FF functions sufficiently so that no malfunction occurs.

以上説明したように、実施形態によれば、LSI論理回路のデータ系(論理回路部)とクロック系(クロック回路部)の電源電圧を変えて低電力化を図った場合にも、誤動作の発生を低減したLSIが実現される。   As described above, according to the embodiment, even when the power supply voltage of the data system (logic circuit unit) and the clock system (clock circuit unit) of the LSI logic circuit is changed to reduce the power, a malfunction occurs. An LSI with reduced can be realized.

なお、各種の変形例が可能であるのはいうまでもなく、電源電圧およびバックゲート電圧は対象とする半導体装置のプロセスに合わせて適宜設定されるべきものである。   Needless to say, various modifications are possible, and the power supply voltage and the back gate voltage should be appropriately set according to the process of the target semiconductor device.

以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものである。特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。   The embodiment has been described above, but all examples and conditions described herein are described for the purpose of helping understanding of the concept of the invention applied to the invention and technology. In particular, the examples and conditions described are not intended to limit the scope of the invention, and the construction of such examples in the specification does not indicate the advantages and disadvantages of the invention. Although embodiments of the invention have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.

1 PMOSトランジスタ
2 NMOSトランジスタ
3 負荷容量
20 論理回路部
30 クロック回路部
41 第1電源
42 第2電源
43 バックゲート電源
Inv0−Inv4 インバータ
TMG0−TMG4 トランスミッションゲート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 PMOS transistor 2 NMOS transistor 3 Load capacity 20 Logic circuit part 30 Clock circuit part 41 1st power supply 42 2nd power supply 43 Back gate power supply Inv0-Inv4 Inverter TMG0-TMG4 Transmission gate

Claims (7)

PMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタを含み、クロック信号を発生するクロック回路部と、
PMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタを含み、データ信号に応じた動作を行う論理回路部と、を備え、
前記クロック回路部および前記論理回路部は、共通の低電位側電源に接続され、
前記論理回路部には、第1電源電圧が供給され、
前記クロック回路部には、前記第1電源電圧より低い第2電源電圧が供給され、
前記論理回路部は、ゲートに前記クロック信号が入力され、他の論理回路部から入力信号を受けるかまたは他の論理回路部に出力信号を出すクロック論理ゲート部を含み、
前記クロック論理ゲート部に含まれるPMOSトランジスタのバックゲート電圧は、前記他の論理回路部のPMOSトランジスタのバックゲート電圧より高いことを特徴とする半導体装置。
A clock circuit unit that includes a PMOS transistor and an NMOS transistor and generates a clock signal;
A logic circuit unit including a PMOS transistor and an NMOS transistor, and performing an operation according to a data signal,
The clock circuit unit and the logic circuit unit are connected to a common low-potential side power supply,
A first power supply voltage is supplied to the logic circuit unit,
A second power supply voltage lower than the first power supply voltage is supplied to the clock circuit unit,
The logic circuit unit includes a clock logic gate unit that receives the input signal from another logic circuit unit or outputs an output signal to another logic circuit unit, with the clock signal being input to a gate.
A semiconductor device, wherein a back gate voltage of a PMOS transistor included in the clock logic gate portion is higher than a back gate voltage of a PMOS transistor of the other logic circuit portion.
前記クロック論理ゲート部は、フリップフロップ回路に含まれる請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the clock logic gate unit is included in a flip-flop circuit. 前記クロック論理ゲート部は、JKフリップフロップ回路に含まれる請求項2記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 2, wherein the clock logic gate unit is included in a JK flip-flop circuit. 前記クロック論理ゲート部は、トランスミッションゲートを含む請求項1から3のいずれか1項記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the clock logic gate unit includes a transmission gate. 前記クロック論理ゲート部は、クロックドインバータを含む請求項1から3のいずれか1項記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the clock logic gate unit includes a clocked inverter. 前記クロック論理ゲート部に含まれるPMOSトランジスタの前記バックゲート電圧を生成するバックゲート電源を備える請求項1から5のいずれか1項記載の半導体装置。   6. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a back gate power supply that generates the back gate voltage of the PMOS transistor included in the clock logic gate unit. 前記バックゲート電圧の電圧値は可変である請求項6記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 6, wherein a voltage value of the back gate voltage is variable.
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