JP2018207486A - 比較回路、半導体装置、電子部品、および電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施の形態では、比較対象とする負電圧を直接入力できる比較回路、およびこれを備える半導体装置について説明する。
ここでは、差動増幅回路を用いた比較回路の構成例について説明する。
差動対14を流れる電流Imo1と電流Imo2の差分は、端子INPと端子INN間の電圧差に換算できる。よって、電圧差に基づき基準正電圧Vprefを設定することができる。具体的には、端子INPの電圧がVnrefであり、トランジスタMO11のゲート電圧がVddaであり、かつトランジスタMO12のバックゲート電圧がVssaである場合に、Imo1とImo2との差分が0アンペアになるときの端子INPと端子INNの電圧差を見積もる。見積もられた電圧差から基準正電圧Vprefの値を設定することができる。
次に、比較回路の幾つかの具体的な回路構成例を示す。
図5を参照して、ダイナミック比較回路の構成例を説明する。図5に示す比較回路25は、差動入力回路32、出力回路45、端子INN、INP、OCM、OCMBを有する。比較回路25には、電圧Vdda、Vssa、クロック信号CLK(以下、信号CLKと呼ぶ。)が入力される。
本実施の形態では、実施の形態1の比較回路を備える半導体装置について説明する。一例として、半導体装置に負電圧を供給するための装置について説明する。
図6は、負電圧供給装置の構成例を示すブロック図である。図6に示す負電圧供給装置100は、内部で負電圧を生成し、生成された負電圧を複数の電源端子から出力する。負電圧供給装置100は、制御回路111、チャージポンプ回路112、バイアス電圧生成回路114、出力電圧調整部120、複数の端子OBを有する。端子OBは負電圧用出力端子である。一例として端子OB数を4としたが、これに限定されない。
信号WAKEは、負電圧供給装置100のイネーブル信号として機能する。信号WAKEに従い、制御回路111は、チャージポンプ回路112および出力電圧調整部120を制御する。ここでは、制御回路111は、ゲーティッドクロックバッファ―の機能を持つ。制御回路111は、信号WAKEに従いクロック信号CK1からゲーティッドクロック信号GCK1(以下、クロック信号GCK1と呼ぶ)を生成する。クロック信号CK1の低レベル電圧はGNDであり、高レベル電圧はVddaである。
チャージポンプ回路112は、負電圧生成回路として機能する。図7にチャージポンプ回路112の回路構成例を示す。ここでは、4段降圧型チャージポンプ回路である。チャージポンプ回路112は、端子IN_cp、OUT_cp、2個のインバータ回路、4個のOSトランジスタ、4個の容量素子を有する。クロック信号GCK1がアクティブであるとき、チャージポンプ回路112は、端子IN_cpに入力された電圧GNDから、負電圧Vcpを生成し、端子OUT_cpから出力する。
バイアス電圧生成回路114は、電圧Vb1を生成する。電圧Vb1は、出力電圧調整部120に入力される。バイアス電圧生成回路114を設けずに、外部から電圧Vb1を入力してもよい。
出力電圧調整部120は、各端子OBから負電圧を安定的に出力するために設けられている。出力電圧調整部120は、4個の負電圧保持回路122を有する。負電圧保持回路122は、チャージポンプ回路123、駆動回路127、監視回路128を有する。負電圧保持回路122[j](jは1乃至4の整数)は、端子OB[j]の出力電圧を制御する。図9Aに、負電圧保持回路122の回路構成例を示す。
チャージポンプ回路123は、トランジスタMO21、MO22、容量素子C21、C22を有する。チャージポンプ回路123は、電圧Vcpを降圧して、電圧Vobを生成する。電圧Vobは容量素子C22で保持される。電圧Vobが端子OBの出力電圧になる。
図10を参照して、負電圧供給装置100の動作例を説明する。図10は負電圧供給装置100の動作例を示すタイミングチャートである。t0等は時刻を表す。ここでは、時刻t0において、チャージポンプ回路112の出力電圧Vcp、端子OB[1]―OB[4]の電圧Vob[1]―Vob[4]は、0V(GND)であるとしている。
図11、図12、図13Aおよび図13Bを参照して、負電圧供給装置の他の構成例を説明する。本構成例は、負電圧の監視回路に、ダイナミック比較回路を適用した例である。
監視回路155はダイナミック比較回路で構成されているため、差動対を構成する2個のOSトランジスタを流れる電流が同じになると、端子OCMの信号MONが不安定になる可能性がある。次に、図13A、図13Bを参照して、信号MONの安定化対策について説明する。
図13Aに示す監視回路161は、比較回路171、ラッチ回路173、選択回路175を有する。
図13Bに示す監視回路162は、比較回路172、選択回路177を有する。比較回路172は比較回路25で構成されている。監視回路161と同様、監視回路162にラッチ回路173を設けてもよい。
<<記憶装置>>
ここでは、OSトランジスタを用いた半導体装置として、データ保持部がOSトランジスタで構成されている記憶装置について説明する。
図14Bにメモリセル230の回路構成例を示す。ここでは、メモリセル230は2トランジスタ型(2T)ゲインセルである。メモリセル230は、トランジスタMW1、MR1、容量素子CS1を有する。トランジスタMW1は書き込みトランジスタであり、トランジスタMR1は読み出しトランジスタである。トランジスタMW1、MR1のバックゲートは配線BGLに電気的に接続されている。
図15Aに示すメモリセル231は、3T型ゲインセルであり、トランジスタMW2、MR2、MS2、容量素子CS2を有する。トランジスタMW2、MR2、MS2はそれぞれ、書き込みトランジスタ、読み出しトランジスタ、選択トランジスタである。トランジスタMW2、MR2、MS2のバックゲートは配線BGLに電気的に接続されている。メモリセル231は、ワード線RWL、WWL、ビット線RBL、WBL、容量線CDL、電源線PL2に電気的に接続されている。例えば、容量線CDL、電源線PL2には、電圧GND(低レベル側電源電圧)が入力される。
図15Fに1T1C(容量)型メモリセルの例を示す。図15Fに示すメモリセル236は、ワード線WL、ビット線BL、容量線CDL、配線BGLに電気的に接続されている。メモリセル236は、トランジスタMW3、容量素子CS3を有する。トランジスタMW3のバックゲートは配線BGLに電気的に接続されている。
図16Aに示すメモリセル237は、メモリセル240、バックアップ回路241を有する。メモリセル240は、標準的な6T型SRAMセルと同じ回路構成である。
時刻t1以前では、通常動作状態(書き込み状態または読み出し状態)である。メモリセル237は、シングルポートSRAMと同様に動作する。ここでは、時刻t1でノードQ/Qbは“H”/“L”であり、ノードSN1/SN2は“L”/“H”であるとしている。
t1で配線OGLが“H”入力される。これにより、バックアップ動作が開始し、トランジスタMW5、MW6はオンとなる。ノードSN1の電圧はGNDからVdddに上昇し、ノードSN2の電圧はVdddからGNDに低下する。t2で、配線OGLが“L”となることで、バックアップ動作が終了する。ノードSN1/SN2には、t1でのノードQ/Qbのデータが書き込まれる。
t2で、パワーゲーティングが開始する。電源線V_VDM線の電圧がVdddからGNDに低下する。電源線V_VDMと電源線V_VSMの電圧差が小さくなることで、メモリセル240は非アクティブになる。メモリセル240のデータは消失するが、バックアップ回路241はデータを保持し続ける。ここではパワーゲーティングの期間、ビット線BL、BLBをフローティング状態にしている。
リカバリ動作とは、バックアップ回路241が保持しているデータによって、メモリセル240のデータをリカバリする動作である。リカバリ動作では、メモリセル240は、ノードQ/Qbのデータを検知するためのセンスアンプとして機能する。
図17Aに示すメモリセル238は、メモリセル237の変形例であり、バックアップ回路241に代えてバックアップ回路242を有する。バックアップ回路242は、1個の1T1C型メモリセルで構成されており、ノードSN3、トランジスタMW7、容量素子CS7を有する。
図18に示すMCU250はクロックゲーティングおよびパワーゲーティングが可能な半導体装置である。
図20にFPGAの一例を示す。図20に示すFPGA400は、負電圧供給装置405、ロジックアレイ410、入出力部(I/O)411、および周辺回路を有する。FPGA400に上掲のOS‐記憶装置を1または複数組み込んでもよい。
RSA421は、複数のRS422を有する。図21AにRS422の構成例を示す。RS422はプログラマブルな配線スイッチであり、端子IN2にはLE425の出力端子が電気的に接続され、端子OUT2には、別のLE425の入力端子が電気的に接続される。RS422は、端子IN2と端子OUT2との間に2個のスイッチ回路423(以下、「SW423」と呼ぶ。)が並列に電気的に接続されている。なお、コンテキスト数を2よりも多くする場合は、コンテキスト数と同数のSW423を端子IN2と端子OUT間に並列に電気的に接続すればよい。
図21BにCFM426の構成例を示す。CFM426は2個のメモリセル428、2個のトランジスタMEを有する。
ここでは、半導体装置の一例として、撮像装置について説明する。図22Aに示す撮像装置440は、負電圧供給装置441、制御回路442、画素アレイ443、周辺回路444を有する。周辺回路444は、行ドライバ445、列ドライバ446を有する。画素アレイ443は、行列状に配置された複数の画素448を有する。画素448は撮像デバイスであり、光を電荷に変換する機能、電荷を蓄積する機能等を有する。
次に、図23A、図23Bを参照して、上掲の半導体装置が組み込まれた電子部品について説明する。
次に、図24A―図24Dを参照して、上掲の電子部品を備えた電子機器の幾つかの態様を説明する。
ここでは、図25を参照して、上掲の電子部品7000の回路部の積層構造について説明する。図25には、一例として、メモリセル237(図16A参照)の断面構造を示す。図25には、代表的に、トランジスタMW5、容量素子CS5、トランジスタMT5を示している。トランジスタMT5は、ビット線BLに電気的に接続されている転送トランジスタであり、単結晶シリコンウエハ5500に作製されている。なお、図25はICチップの積層構造例を説明するための断面図であり、ICチップを特定の切断線で切った断面図ではない。
次に、図26A、図26Bを参照して、OSトランジスタの構成例を説明する。図26A、図26Bの左側には、OSトランジスタのチャネル長方向の断面構造を示し、右側の図は、OSトランジスタのチャネル幅方向の断面構造を示す。
OSトランジスタのチャネル形成領域は、CAC‐OS(cloud‐aligned composite metal oxide semiconductor)であることが好ましい。
200、211、280:記憶装置、 210、261:負電圧供給装置、 215、281:制御回路、 220、283:メモリセルアレイ、 221、282:周辺回路、 223:行回路、 224:列回路、 225:入出力回路、 230、231、232、233、234、235、236、237、238、240:メモリセル、 、241、242、272:バックアップ回路、 250:マイクロコントローラユニット(MCU)、 260:電源管理装置(PMU)、 262:バス、 264、265:パワースイッチ、 265:パワースイッチ、 267:レベルシフタ(LS)およびバッファ回路、 270:プロセッサコア、 271:フリップフロップ、 272A、273:クロックバッファ回路、 273:スキャンフリップフロップ、 330:CPUコア、 340:バックアップ回路、
400:FPGA、 405:負電圧供給装置、 410:ロジックアレイ、 411:入出力部(I/O)、 412:クロック生成器、 413:コンフィギュレーション・コントローラ、 414:コンテキスト・コントローラ、 415:行ドライバ、 416:列ドライバ、 421:配線スイッチアレイ(RSA)、 422:配線スイッチ(RS)、 423:スイッチ回路(SW)、 425:ロジックエレメント(LE)、 426:コンフィギュレーションメモリ(CFM)、 428:メモリセル、 440:撮像装置、 441:負電圧供給装置、 442:制御回路、 443:画素アレイ、 444:周辺回路、 445:行ドライバ、 446:列ドライバ、 448:画素、
2010:情報端末、 2011、2031、3011、3031:筐体、 2012、2032、2105:表示部、 2013、2034、2101:照度センサ、 2015、2035、2123、2141:カメラ、 2016:操作ボタン、 2017:スタイラスペン、 2030、3030:PC、 2036:キーボード、 2100:ロボット、 2102:マイクロフォン、 2103:上部カメラ、 2104:スピーカ、 2106:下部カメラ、 2107:障害物センサ、 2108:移動機構、 2110、2121:処理装置、 2111、2122:記憶装置、 2120:飛行体、 2121:処理装置、 2124:プロペラ、 2140、2980:自動車、 2150:ガードレール、
5001、5003:OSトランジスタ、 5009、5010:酸化物層、 5011、5012、5013:金属酸化物層、 5011a、5011b、5012a、5012b:低抵抗領域、 5021、5022、5024、5027、5028、5029、5030、5033、5034:絶縁層、 5050、5051、5052、5053、5054:導電層、 5500:単結晶シリコンウエハ、
7400:電子部品、 7411:パッケージ基板、 7421:レンズカバー、 7435:レンズ、 7440:電子部品、 7441:ランド、 7451:イメージセンサチップ、 7461:電極パッド、 7471:ワイヤ、 7490:ICチップ、
BGL、BGL1、BGL2、BGL4、BGL5、CXL、OGL:配線、 BL、BLB:ビット線、 CK10、CK11、D1、FN40、Q、Qb、Q1、RT、SD、SD_IN、SE、SN1、SN2、SN3、SN11、X1、X2、X5、X6、X11、X12、X13:ノード、 CDL:容量線、 C11、C21、C22、C25、C40、CS1、CS3、CS5、CS6、CS7:容量素子、 IN2、INN、INP、IN_cp、OB、OB1、OB2、OCM、OCMB、OUT2、OUT_cp、OUT3:端子、 MI1、MI2、MI3、MI4、MN1、MN5、MN6、MN7、MO1、MO2、MO3、MO5、MO7、MO11、MO12、MO13、MO14、MO21、MO22、MO25、MP1、MP2、MP5、MP6、MP7、MR1、MT5、MW1、MW2、MW3、MW5、MW6、MW7:トランジスタ、 PL2、PL3、V_VDM、V_VSM:電源線、 RBL:読出しビット線、 RWL:読出しワード線、 Rd1、Rd2:負荷、 SL:ソース線、 WBL:書込みビット線、 WL:ワード線、 WWL:書込みワード線、
Claims (15)
- 第1入力端子、第2入力端子、第1出力端子および差動入力回路を有する比較回路であって、
前記比較回路は、負電圧を基準負電圧と比較し、前記第1出力端子から、比較結果に応じた第1出力電圧を出力し、
前記第1入力端子には前記負電圧が入力され、
前記第2入力端子には基準正電圧が入力され、
前記比較が実行されるように前記基準正電圧が設定され
前記差動入力回路は第1nチャネル型トランジスタおよび第2nチャネル型トランジスタでなる差動対を有し、
前記第1nチャネル型トランジスタおよび前記第2nチャネル型トランジスタはそれぞれゲートおよびバックゲートを有し、
前記第1nチャネル型トランジスタのゲートまたはバックゲートの一方には第1バイアス電圧が入力され、
前記第1nチャネル型トランジスタのゲートまたはバックゲートの他方には前記第1入力端子が電気的に接続され、
前記第2nチャネル型トランジスタのゲートまたはバックゲートの一方には前記第2入力端子が電気的に接続され、
前記第2nチャネル型トランジスタのゲートまたはバックゲートの他方には第2バイアス電圧が入力されることを特徴とする比較回路。 - 請求項1において、
前記第1nチャネル型トランジスタのバックゲートには前記第1バイアス電圧が入力され、
前記第1nチャネル型トランジスタのゲートには前記第1負電圧が入力されることを特徴とする比較回路。 - 請求項1又は2において、
前記第2nチャネル型トランジスタのバックゲートには前記基準正電圧が入力され、
前記第2nチャネル型トランジスタのゲートには前記第2バイアス電圧が入力されることを特徴とする比較回路。 - 請求項1乃至3の何れか1項において、
前記第1バイアス電圧は、前記比較回路の高レベル側電源電圧であることを特徴とする比較回路。 - 請求項1乃至4の何れか1項において、
前記第2バイアス電圧は、前記比較回路の低レベル側電源電圧であることを特徴とする比較回路。 - 請求項1乃至5の何れか1項において、
前記第1nチャネル型トランジスタおよび前記第2nチャネル型トランジスタのチャネル形成領域は、金属酸化物を有することを特徴とする比較回路。 - 請求項1乃至6の何れか1項に記載の比較回路は、ダイナミック比較回路であって、
前記差動入力回路には、前記差動対に電気的に接続されているラッチ回路が設けられていることを特徴とする比較回路。 - チャージポンプ回路と、
駆動回路と、
請求項1乃至7の何れか1項に記載の比較回路を有し、
前記チャージポンプの出力端子は、前記比較回路の前記第1入力端子に電気的に接続され、
前記駆動回路は、前記比較回路から前記第1出力電圧が入力され、
前記駆動回路は、前記第1出力電圧に応じて、前記チャージポンプを駆動するクロック信号を生成することを特徴とする半導体装置。 - 請求項8において、
前記チャージポンプ回路の電荷転送パスには、直列に電気的に接続された複数のnチャネル型トランジスタが設けられ、
前記複数のトランジスタは、それぞれ、ゲートに電気的に接続されたバックゲートを有し、
前記複数のトランジスタのチャネル形成領域は、それぞれ、金属酸化物を有する
ことを特徴とする半導体装置。 - 第1乃至第N(Nは2以上の整数)電圧出力端子と、
負電圧生成回路と、
制御回路と、
第1乃至第Nチャージポンプ回路と、
第1乃至第N監視回路と、
第1乃至第N駆動回路と、
を有する半導体装置であって、
前記制御回路は、前記負電圧生成回路を駆動するための第1クロック信号を生成し、
前記負電圧生成回路の出力端子は、第1乃至第Nチャージポンプ回路の入力端子に電気的に接続され、
前記第j(jは1乃至Nの整数)チャージポンプ回路の出力端子は、第j電圧出力端子に電気的に接続され、
第j監視回路は、比較回路[j]を有し、
前記比較回路[j]は、請求項1乃至7の何れか1項に記載の比較回路であり、
前記比較回路[j]の前記第1入力端子は前記第j電圧出力端子に電気的に接続され、
前記比較回路[j]の前記第1出力端子は第j駆動回路の入力端子に電気的に接続され、
前記第j駆動回路は、前記第1クロック信号と前記比較回路[j]から出力される前記第1出力電圧とに応じて、第jチャージポンプ回路を駆動するための第2クロック信号を生成することを特徴とする半導体装置。 - 第1乃至第N(Nは2以上の整数)電圧出力端子と、
負電圧生成回路と、
制御回路と、
分周回路と、
第1乃至第Nチャージポンプ回路と、
第1乃至第N監視回路と、
第1乃至第N駆動回路と、
を有する半導体装置であって、
前記制御回路は、前記負電圧生成回路を駆動するための第1クロック信号を生成し、
前記分周回路は、第1クロック信号を分周して、第2クロック信号を生成し、
前記負電圧生成回路の出力端子は、第1乃至第Nチャージポンプ回路の入力端子に電気的に接続され、
前記第j(jは1乃至Nの整数)チャージポンプ回路の出力端子は、第j電圧出力端子に電気的に接続され、
第j監視回路は、比較回路[j]を有し、
前記比較回路[j]は、請求項7に記載の比較回路であり、
前記比較回路[j]の前記第1入力端子は、前記第j電圧出力端子に電気的に接続され、
前記比較回路[j]の前記第1出力端子は、第j駆動回路の入力端子に電気的に接続され、
前記第j駆動回路は、前記第2クロック信号と前記比較回路[j]から出力される前記第1出力電圧とに応じて、第jチャージポンプ回路を駆動するための第3クロック信号を生成することを特徴とする半導体装置。 - 請求項11において、
前記第j監視回路は、ラッチ回路[j]、および回路[j]を更に有し、
第jラッチ回路は、前記比較回路[j]の前記第1出力端子と前記第j電圧出力端子との間に設けられ、
前記回路[j]は、前記第jラッチ回路の出力に応じて、基準正電圧よりも低い電圧を前記比較回路[j]の第2入力端子に入力することを特徴とする半導体装置。 - 請求項11において、
前記第j監視回路は、選択回路[j]を更に有し、
前記選択回路[j]は、前記比較回路[j]の前記第1出力端子からの前記第1出力電圧に応じて、低レベル側電源電圧を前記比較回路[j]の前記差動入力回路に入力することを特徴とする半導体装置。 - チップが内蔵された電子部品であって、
前記チップには、請求項8乃至13の何れか1項に記載の半導体装置が設けられている電子部品。 - 請求項14に記載の電子部品と、
表示部、マイク、スピーカ、操作キー、及び筐体の少なくとも一と、
を有する電子機器。
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