JP2914989B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2914989B2
JP2914989B2 JP1029803A JP2980389A JP2914989B2 JP 2914989 B2 JP2914989 B2 JP 2914989B2 JP 1029803 A JP1029803 A JP 1029803A JP 2980389 A JP2980389 A JP 2980389A JP 2914989 B2 JP2914989 B2 JP 2914989B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION 【産業上の利用分野】[Industrial applications]

本発明は半導体装置、特に広範な電源電圧と電源の種
類に対応できる微細素子で構成された高集積の半導体装
置に関する。
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a highly integrated semiconductor device including fine elements that can support a wide range of power supply voltages and power supply types.

【従来の技術】[Prior art]

近年、ラップトップパソコンや電子手帳に代表される
携帯型電子情報機器、磁気媒体を用いずに音声録音を行
なう固体録音機やイメージを記憶する固体カメラ(電子
スチルカメラ)などに代表される携帯型電子メディア機
器が市場に現われはじめている。これらの携帯型電子機
器が広く普及するためには、電池動作、あるいは電池に
よる情報保持動作(バッテリ−バックアップ)が可能な
超高集積回路(以下ULSIと略す)の実現が鍵になる。ま
た、他方、より高性能の電子計算機を実現するための大
容量補助記憶装置として、磁気ディスクよりも高速のア
クセスが可能な半導体ディスクに対するニーズが高まっ
ている。半導体ディスクには、電池による情報保持動作
が可能な超大容量のメモリLSIが必要になる。 これら用途に用いるULSIには、以下が要求される。
(1)広範な電源電圧範囲(1〜5.5V)での動作。これ
により、他種類の電源、例えば現在のTTL互換デジタルL
SIの基準電源電圧である5V、あるいは従来のTTL互換デ
ジタルLSIの標準電源電圧の候補の一つである3.3V、リ
チウムなどを用いた一次電池の代表的な出力電圧である
3〜3.6V、カドミウムとニッケルによる二次電池の代表
的な出力電圧である1.2V、などに対して一つのチップで
対応することができる。 (2)電源電圧の時間変化(短期あるいは長期)への対
応。これにより、電池の電圧の経時変化や、標準動作と
バッテリバックアップ動作間の移動時の電源切り換えに
伴って生じる電圧変動を受けても誤動作を起こす心配が
なくなる。 (3)動作時あるいはバッテリバックアップ動作時にお
ける消費電力の低減。これらにより、小形のバッテリに
よっても長期間、動作させることができる。 (4)過渡電流の低減。これにより、電池の電圧の過渡
変動を小さくすることができ、誤動作を防止できる。 広い電源電圧範囲で動作するマイクロプロセッサの製
品の例は(株)日本電気 4ビットマイクロプロセッサ
ハンドブック、148ページに記載されている。製品型
名はμPD7507SCである。このマイクロプロセッサの動作
電源電圧範囲は2.2〜6.0Vである。また、最小2Vでデー
タメモリの情報を保持することができる。同様に、スタ
ティックメモリにおいても、推奨動作電源電圧は5V、情
報保持(リテンション)時は2Vというのが一般的であ
る。 電池バックアップ用のダイナミックメモリとしては、
情報保持(リフレッシュ)時の消費電流を低減した例
が、アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・ソリ
ッド・ステート・サーキッツ,第23巻,第1号、第12〜
第18頁(1988)(IEEE Jounal of Solid−State Circui
ts,Vol.23,No.1,pp12−18,February 1988)において論
じられている。この場合の標準動作電源電圧と情報保持
時の電源電圧は、ともに5Vである。
In recent years, portable electronic information devices represented by laptop personal computers and electronic organizers, solid-state recorders for recording audio without using a magnetic medium, and portable cameras represented by solid-state cameras (electronic still cameras) for storing images. Electronic media devices are beginning to appear on the market. For these portable electronic devices to become widespread, the key is to realize an ultra-high-integrated circuit (hereinafter abbreviated as ULSI) capable of battery operation or information retention operation (battery backup) using a battery. On the other hand, there is an increasing need for a semiconductor disk that can be accessed at a higher speed than a magnetic disk as a large-capacity auxiliary storage device for realizing a higher-performance computer. The semiconductor disk requires an ultra-large-capacity memory LSI capable of holding information by a battery. The following are required for ULSI used in these applications.
(1) Operation in a wide power supply voltage range (1 to 5.5 V). This allows other types of power supplies, such as current TTL compatible digital L
5V which is the reference power supply voltage of SI, 3.3V which is one of the standard power supply voltage candidates of the conventional TTL compatible digital LSI, 3 ~ 3.6V which is the typical output voltage of the primary battery using lithium, etc. A single chip can handle the typical output voltage of a cadmium and nickel secondary battery of 1.2V. (2) Response to time-dependent (short-term or long-term) changes in power supply voltage. This eliminates the risk of malfunctioning even if the battery voltage changes over time or a voltage change occurs due to power supply switching during movement between the standard operation and the battery backup operation. (3) Reduction in power consumption during operation or battery backup operation. Thus, the battery can be operated for a long time even with a small battery. (4) Transient current reduction. As a result, the transient fluctuation of the battery voltage can be reduced, and malfunction can be prevented. An example of a microprocessor product that operates over a wide power supply voltage range is described in page 148 of the NEC Corporation 4-bit Microprocessor Handbook. The product model name is μPD7507SC. The operating power supply voltage range of this microprocessor is 2.2 to 6.0V. Further, information of the data memory can be held at a minimum of 2V. Similarly, in the case of a static memory, the recommended operating power supply voltage is generally 5 V, and the information retention (retention) is generally 2 V. As dynamic memory for battery backup,
Examples of reducing the current consumption during information retention (refresh) are described in IEEJ Journal of Solid State Circuits, Vol. 23, No. 1, No. 12-
Page 18 (1988) (IEEE Jounal of Solid-State Circui)
ts, Vol. 23, No. 1, pp. 12-18, February 1988). In this case, both the standard operating power supply voltage and the power supply voltage for retaining information are 5V.

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be solved by the invention]

上述した、マイクロプロセッサやスタティックメモリ
においては、2〜5Vという広い動作電源電圧範囲を有す
るものの、電源電圧=5Vを中心に設計されているため、
許容された電源電圧変動範囲(通常は±10%)以外での
動作に対しては、動作速度(マイクロプロセッサの場合
は最高クロック周波数、スタティックメモリの場合はア
クセス時間に相当)は保証されておらず、とくに低い電
源電圧では、動作速度は著しく低下するのが通例であ
る。また、動作速度の電源電圧依存性も製品によりまち
まちであるため、システムを構成するLSIのうち最も遅
い動作速度に一致させねばならず、5V以外での動作で
は、必要な性能が得られなかったり、低い電源電圧にお
けるシステム設計を著しく困難にしたりしていた。ま
た、これらLSIは最低動作電源電圧が2.2Vであるため、
前述した多種の電源の全てに対応することができず、シ
ステム構成上の制約を受けていた。 また、前述したダイナミックメモリをシステムに組み
込む場合を考えると。その最小電源電圧は4.5Vとなり、
前述した多種の電源への対応がさらに困難になる。とり
わけ、標準動作電源電圧と情報保持時の電源電圧との間
に差がないため、電源切り換え回路の構成が非常に複雑
になり、情報保持を難しくしていた。 半導体素子の微細化は急速に進展しており、0.5ミク
ロン以下の加工技術を用いれば、ある程度のシステムを
1チップ上に集積した、いわゆるシステムLSIを構成す
ることも可能になってきている。こうしたシステムLSI
においては、それを構成する各LSIブロックの動作電源
電圧範囲、動作速度が整合していることが要求される。
しかし、前述したとうり、従来のLSIを組合せただけで
は、このようなシステムLSIを構成することはできなか
った。 本発明の目的は、多種の電源電圧に対応でき、消費電
力が小さく、微細加工に見合った素子性能を活かすこ
Although the microprocessor and the static memory described above have a wide operating power supply voltage range of 2 to 5 V, they are designed around a power supply voltage of 5 V.
For the operation outside the permissible power supply voltage fluctuation range (usually ± 10%), the operation speed (equivalent to the maximum clock frequency for a microprocessor and the access time for a static memory) is guaranteed. In particular, the operating speed is usually significantly reduced particularly at a low power supply voltage. In addition, since the operating speed depends on the power supply voltage depending on the product, the speed must match the slowest operating speed of the LSIs that compose the system. This makes the system design at a low power supply voltage extremely difficult. Since these LSIs have a minimum operating power supply voltage of 2.2V,
It was not possible to support all of the various types of power sources described above, and the system configuration was restricted. Also, consider the case where the above-described dynamic memory is incorporated into a system. Its minimum power supply voltage is 4.5V,
It becomes more difficult to deal with the various types of power sources described above. In particular, since there is no difference between the standard operating power supply voltage and the power supply voltage at the time of retaining information, the configuration of the power supply switching circuit becomes very complicated, and it becomes difficult to retain information. The miniaturization of semiconductor elements is rapidly progressing, and if a processing technology of 0.5 micron or less is used, it is possible to configure a so-called system LSI in which a certain degree of system is integrated on one chip. Such a system LSI
It is required that the operating power supply voltage ranges and operating speeds of the respective LSI blocks constituting the LSIs be matched.
However, as described above, such a system LSI cannot be configured only by combining conventional LSIs. An object of the present invention is to make it possible to cope with various power supply voltages, to reduce power consumption, and to make use of element performance suitable for fine processing.

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

上記目的は、電池バックアップに適した低消費電圧モ
ードを有し、かつ最小1V程度の低電源電圧でも動作する
LSI回路ブロックと、動作モードに最適な内部電源環境
をLSIに提供する電源電圧変換回路、信号振幅を変換す
る入出力回路とにより装置を構成することにより達成で
きる。
The above purpose has a low power consumption mode suitable for battery backup and operates even with a low power supply voltage of at least about 1V
This can be achieved by configuring the device with an LSI circuit block, a power supply voltage conversion circuit that provides an internal power supply environment optimal for the operation mode to the LSI, and an input / output circuit that converts a signal amplitude.

【作用】[Action]

情報の蓄積や処理を行なう、主たるLSIブロックを外
部電源電圧の値によらず、ほぼ一定の低い電圧で動作さ
せることにより、広い電源電圧範囲にわたってほぼ一定
の速度性能を得ることができる。また、必要に応じて、
外部電源電圧をLSIブロックの動作電圧で下げることが
できるため、情報保持時の消費電力を必要最低限の値に
まで低減すると同時に、電池バックアップ回路を簡単な
構成にすることができる。さらには、主たるLSIブロッ
クを構成する微細な素子の特性に見合った最適な動作電
圧を外部電源電圧の値とは独立して限定できるため、高
集積度、高速性および低消費電力を同時にみたすことが
できる。
By operating the main LSI block that stores and processes information at a substantially constant low voltage regardless of the value of the external power supply voltage, it is possible to obtain a substantially constant speed performance over a wide power supply voltage range. Also, if necessary,
Since the external power supply voltage can be reduced by the operating voltage of the LSI block, the power consumption during information retention can be reduced to the minimum necessary value, and the battery backup circuit can have a simple configuration. Furthermore, since the optimum operating voltage that matches the characteristics of the fine elements that make up the main LSI block can be limited independently of the value of the external power supply voltage, high integration, high speed, and low power consumption must be simultaneously achieved. Can be.

【実施例】【Example】

第1図は本発明によるLSIチップの基本概念を説明す
る実施例である。同図で1はLSIチップであり、一般
に、情報記憶機能あるいは情報処理機能を有するLSIチ
ップを指し、ダイナミック型、スタティック型などのラ
ンダムアクセスメモリ(RAM)あるいはシリアルアクセ
スメモリ(SAM)あるいはリードオンリメモリ(ROM)な
どのメモリLSI、さらには、マイクロプロセッサ(MP
U)、メモリマネジメントユニット(MMU)、浮動小数点
演算ユニット(FPU)のようなロジックLSI、さらには、
それらを複数集積したシステムLSIなどの、いずれの形
式のLSIチップでもよい。また、その構成素子はバイポ
ーラ型トランジスタ、MIS型トランジスタ、これらの素
子の組合せ、あるいはシリコン以外の材料、例えばガリ
ウム砒素の素子を用いても良い。2は外部電源電圧の降
下を検出して電池によるバックアップ状態に移行で電源
回路の例である。このような電源回路により、商用電源
の瞬断によりVEXTが低下しても、LSIチップに蓄えられ
た必要な情報の消失を防止できる。この中で、3は電源
電圧の降下検出回路、SWは情報保持時に電池から外部電
源端子に電流が流れるのを防止するためのスイッチ、4
はスイッチの制御信号、Bは電池、VBTはその電圧であ
り、情報保持モードにおいてはこの電流を電源としてチ
ップ全体は動作する。Dは通常動作時に電池に電流が流
入するのを防止するためのダイオードである。この電源
回路により、通常動作時においては、VEXTが、情報保持
時においては、VBTがチップの電源端子(PAD1)に印加
される。 さて、この例では、通常動作と情報保持動作の違いを
LSIチップ上の検出手段により検出する。ここで5a、5b
は主たる回路ブロック、5はそれらの集合、6はチップ
外部から入力した電源電圧VCCを各回路ブロック電源電
圧VCL1,VCLnに変換するための電源電圧変換回路であ
る。6のなかで、6a、6cは通常動作時用の変換回路、6
b、6dは情報保持時用の変換回路を示している。一般
に、情報保持時においては通常動作時に比べて、回路の
動作電圧や動作電流は小さくてすむため、電源電圧を供
給する電圧変換回路の消費電流を小さくして駆動能力を
落としても支障がない。これにより、主たる回路ブロッ
クの低消費電流化と相まって、LSIチップ全体の消費電
流を著しく低減することが可能になる。なお、この例で
は2つの電圧変換回路を切り換える方式を示したが、変
換回路の数は3つ以上であってもかまわない。また、1
つの電圧変換回路を用いて、その出力電圧や消費電流を
変化させてもかまわない。 SW6a、SW6cはVCCがVCL1やVCLnにほぼ等しい値にまで
低下した場合、電源電圧VCCを直接、回路ブロックに印
加するためのスイッチである。スイッチを用いることに
より、電圧変換回路をオフにして、さらに消費電流を低
減することができる。なお、以上の例では、スイッチと
複数の電圧変換回路とにより電源電圧変換回路を構成し
た例について述べたが、同様の効果がえられれば、1つ
の電圧変換回路を用いてもかまわない。また、同図中9
は基準電圧VLの発生回路である。この電圧を基に内部電
源電圧VCL1やVCLnを発生する。8は情報保持動作状態で
あることを示す信号PDの発生回路である。PDの発生方法
としてはいくつか考えられるが、ここでは電源電圧VCC
と参照電圧Vcxとを比較し、前者が後者よりも小さいと
きにPDを出力するという方法を用いている。10はリミッ
タ・エネーブル信号LMの発生回路である。電源電圧が内
部電源電圧よりも高く、電圧変換回路(電圧リミッタ)
を動作させるときには高電圧(“1")を、外部電源電圧
が内部電源電圧に等しいところまで低下したときには低
電圧(“1")をそれぞれ出力する。後者の場合には電源
電圧を直接回路ブロックに印加すると同時に、電圧変換
回路を動作させず、消費電流を小さく抑える。図に示し
た例では、電源電圧VCCと参照電圧VLXとを比較し、前者
が後者よりも大きいときにLMを出力している。2つの信
号PDとLMとにより電源電圧変換回路の出力電源電圧や消
費電流などを切り換えることができる。また、図中7は
入出力バッファ、11はチップ外部と制御信号やデータの
授受を行うための入出力バス、12はチップ内部にあって
回路ブロック間で制御信号やデータの授受を行うための
内部バスである。入出力バッファはレベル変換回路を兼
ねており、チップ内部の論理信号振幅と外部の論理信号
振幅が一致しなくても、制御信号やデータの受け渡しを
することができる。また、情報保持動作状態において
は、チップ外部と内部の閉で制御信号でデータの受け渡
しをする必要がないため、情報保持状態信号PLDにり入
出力バッファをオフする。 第2図(a)は電源電圧VCCと内部電源電圧VCLの関係
の一例を示す図である。同図で、横軸は電源電圧VCC
縦軸は内部電源電圧VCLに対応する。ここでは、標準電
源電圧を3〜3.6V、情報保持時の電源電圧を1〜2V、標
準動作時と情報保持時の切り換えを行うための参照電圧
VCXを2.5Vとしたが、標準電源電圧の最小値VCC(min)
情報保持時の電源電圧の最大値VBT(max)、参照電圧VCX
との間にBT(max) <VCX<VCC(min) なる関係が成り立てば、ここに示した値でなくともかま
わない。また、標準動作時における内部電源電圧VCL
1.5Vとしたが、電源電圧VCCを越えない範囲で、回路の
動作性能に応じた適当な電圧値に設定して差し支えな
い。また、この例においては、1.5V以下の電源電圧にお
いて電源電圧VCCを直接、内部回路に印加するため、VCL
の値を1.5Vにしている。 このLSIチップにおいて、電源電圧VCCが時間的に変化
した場合の、内部電源電圧VCL、2つの制御信号LM、PD
のそれぞれの時間変化の例を第2図(b)に示す。ここ
では、時間t0〜t3にかけて、電源電圧VCCが3.5〜1Vに低
下し、時間t4〜t7にかけて、電源電圧VCCが1〜3.5Vに
上昇する場合を考えている。電源電圧VCCがVCL=2.5Vよ
りも小さくなるt1〜t5の期間、信号PDが高電圧(“1")
になり、チップは情報保持状態となる。また、電源電圧
VCCがVLX=1.5Vよりも小さくなるt2〜t5の期間、信号LM
は低電圧(“0")になり、チップには電源電圧VCCが直
接、印加される。なお、ここに示した電圧値はひとつの
例であり、他の電圧の組合せでも同様に適用できる。 第2図(c)および(d)には、リミッタ・エネーブ
ル信号LMを発生する方法および回路の構成の一例を示
す。信号LMは、電源電圧VCCを低下させていったとき
に、内部電源電圧VCLにはじめて等しくなるところで高
電圧(“1")から低電圧(“0")に遷移させてやればよ
い。この例では、電源電圧VCCに比例する電圧β×V
CC(0≦β≦1)と参照電圧VLとを比較回路により比較
し、前者が大きいときに高電圧(“1")、前者が小さい
ときに低電圧(“0")を出力している。このように電源
電圧VCCに比例する電圧を用いて高電圧と低電圧の間の
電圧を入力とすることにより、比較回路の電圧増幅率を
大きくとることができるなど、回路動作上、都合が良
い。例えば、β=0.5、VL=0.75Vの場合、VLX=1.5Vと
なり、電源電圧VCCが1.5V以上のときにリミッタ・エネ
ーブル信号LMが高電圧(“1")となり、電圧変換回路が
動作する。ここで、電源電圧VCCに比例する電圧は抵抗
分割などにより発生することができる。 第2図(e)および(f)には、情報保持状態信号PD
を発生する方法および回路の構成の一例を示す。基本的
には、前述したLM発生回路と同様な回路で構成できる。
この場合、電源電圧VCCに比例する電圧α×VCC(0≦α
≦1)は比較回路の反転入力対しに入力する。例えば、
α=0.5、VL=0.75vの場合、VCX=2.5Vとなり、電源電
圧VCCが2.5V以下のときに情報保持状態信号PDが高電圧
(“1")となり、情報保持状態になる。ここで、電源電
圧VCCに比例する電圧は抵抗R1とR2の抵抗分割により発
生している。抵抗R1とR2は半導体基板中に形成された不
純物拡散層やポリシリコン、さらにはMIS−FETのチャネ
ル抵抗などいずれを用いて構成しても構わない。 第3図(a)は、スタテイックメモリをその一部に含
むLSIに本発明を適用した一実施例を示している。図
中、5cはスタテイックメモリのメモリセルアレー、5dは
論理回路等の情報保持を必要としない回路ブロックであ
り、それぞれの電源電圧はVCL2およびVCL1である。メモ
リセルは4つのNチャネルMOS−FET T6〜T9と2つの抵
抗素子R7,R8とからなっている。抵抗値をRとすると、
1つのメモリセルあたりに流れる電流値はVCL2/Rとな
る。したがって、情報保持時には雑音余裕(ノイズマー
ジン)が確保できる範囲内で電圧値をできるだけ下げる
ことが望ましい。第3図(b)に示すように、この例で
は、標準動作時のVCL2を1.5V、情報保持時のVCL2を1Vと
している。論理回路ブロック5dはインバータや論理ゲー
トなどにより構成されている。図中、矢印の付いている
T11、T13はPチャネルMOS−FET、その他のT10、T12はN
チャネルMOS−FETを示している。情報保持時には、これ
ら論理回路は動作させる必要がないため、電源電圧を供
給する必要がない。したがって、ここでは標準動作時の
VCL1を1.5V、情報保持時のVCL1を0Vとしてる。内部電源
電圧VCL2およびVCL1は電源電圧変換回路6eあるいはスイ
ッチとして動作するPチャネルMOS−FET T1とにより供
給される。電源電圧変換回路は、差動増幅回路A1、差動
増幅回路の動作電流を制御するためにもうけられた抵抗
R3と2つのNチャネルMOS−FET T3、T4、差動増幅回路
の反転入力端子への帰還量を制御するためにもうけた3
つの抵抗R4〜R6とPチャネルMOS−FET T5、およびスイ
ッチとして動作するPチャネルMOS−FET T2、とから構
成されている。電源電圧が高く、内部電源電圧をVCC
ら降下させる場合には、リミッタ・エネーブル信号LMが
高電圧(“1")になる。この時、T1がカットオフする、
と同時にT3が導通し、差動増幅回路A1にバイアス電流が
供給され、非反転入力の電圧VLに比例した電圧が出力さ
れる。これと反対に、信号LMが低電圧(“0")の時に
は、T3がカットオフし、差動増幅回路にバイアス電流が
供給されなくなる。そのため、電源電圧VCCが直接、内
部電源電圧として出力される。情報保持動作時には情報
保持信号PDが高電圧(“1")になる。この時には、トラ
ンジスタT2がカットオフし、回路ブロック5dへの電源供
給を停止する。一方、T4がカットオフし、差動増幅回路
のバイアス電流の値は抵抗R3によって決まるようにな
る。情報保持状態においてメモリアルアレーが消費する
電流は非常に小さく、かつ時間てきにほぼ一定の直流電
流とみなすことができる。したがって、差動増幅回路の
負荷駆動能力は標準動作時に比べて格段に小さくてもよ
く、バイアス電流を著しく低下させても、動作上、支障
がない。また同時にT5を導通させ、差動増幅回路の帰還
量を大きくすることにより、情報保持動作時の内部電源
電圧を下げている。これにより、情報保持時のチップ全
体の消費電流を著しく低減することができる。なお、こ
の例では、VL=0.75V、R4=R6=3R5としている。この
ときのVCL2の値は、標準動作時で1.5V、情報保持時で1.
0Vとなる。 第3図(b)は電源電圧VCCと内部電源電圧VCL2およ
びVCL1の関係の一例を示している。同図で、横軸は電源
電圧VCC、縦軸は内部電源電圧VCLである。ここでは第2
図(a)の例と同様、標準電源電圧を3〜3.5V、情報保
持時の電源電圧を1〜2V、標準動作時と情報保持時の切
り換えをおこなうための参照電圧VCXを2.5Vとした。標
準動作時における内部電源電圧VCL2およびVCL1は1.5V、
情報保持時における内部電源電圧VCL2は1Vとしたが、そ
れぞれ電源電圧Vを越えない範囲で、回路の動作性能に
応じた適当な電圧値を設定して差し支えない。 このLSIチップにおいて、電源電圧VCCが時間的に変化
した場合の、内部電源電圧VCL2およびVCL1、2つの制御
信号LM、PDのそれぞれの時間変化の例を第3図(c)に
示す。ここでは、時間t0〜t2にかけて、電源電圧VCC
3.3〜2Vに低下し、時間t3〜t5にかけて、電源電圧VCC
2〜3.3Vに上昇する場合を考えている。電源電圧VCC
2〜3.3Vに上昇する場合を考えている。電源電圧VCCがV
CX=2.5Vよりも小さくなるt1〜t4の期間、信号PDが高電
圧(“1")になり、チップは情報保持状態となる。ま
た、この時間範囲において電源電圧VCCは1.5Vよりもち
いさくならないため、信号LMは高電圧(“1")のままで
ある。 以上述べた実施例によれば、標準動作時においては高
速に動作し、情報保持時においては必要最低限の電力で
情報を保持することのできるスタテイックメモリあるい
は、スタテイックメモリをその一部に含むLSIを実現す
ることができる。なお、以上の実施例では、高抵抗負荷
によるスタテイックメモリセルを用いた例について述べ
たが、その他にも例えば、2つのCMOSインバータと2つ
の選択トランジスタとからなるCMOS型メモリセルや、2
つのNANDゲートあるいはNORゲートを用いたラッチ回路
などにより記憶回路を構成する場合に同様に本発明を適
用できる。 第4図(a)は、ダイナミックメモリに本発明を適用
した一実施例を示している。図中、5eは1.5V以下の電源
電圧で動作するダイナミックメモリであり、一つのメモ
リセルは、NチャネルMOS−FET T18および蓄積容量CS1
により構成されている。13はメモリセルアレー、14はロ
ウ・アドレス・バッファ、15はカラム・アドレス・バッ
ファ、16はロウ・アドレス・ストローブ(RAS)入力バ
ッファ・17はカラム・アドレス・ストローブ(CAS)入
力バッファ、18はライト・エネーブル(WE)入力バッフ
ァ、19はデータ入力バッファ、20はデータ出力バッフ
ァ、21はロウ・アドレス・ストローブ(RAS)信号もと
に制御クロックを発生するクロック発生回路、22はカラ
ム・アドレス・ストローブ(CAS)信号をもとに制御ク
ロックを発生するクロック発生回路、23は書き込みクロ
ック発生回路、24はリフレッシュ(RESH)信号発生回
路、25はリフレッシュアドレス発生回路、26はリフレッ
シュアドレスと外部入力アドレスの切り換えを行なうマ
ルチプレクサである。ダイナミックメモリでは蓄積容量
CS1に電荷を蓄えることにより情報を記憶しているた
め、情報保持時においても、周期的に信号電荷を読出し
て再書き込みをおこなう、いわゆるリフレッシュ動作が
必要となり、メモリセルアレー以外の一部周辺回路も動
作させる必要がある。また、十分な雑音余裕を確保する
ためには、情報保持時においても標準動作時と同等の信
号電荷量を確保する必要がある。そこで、この例では、
第4図(b)に示すように、情報保持時と標準動作時の
内部電源電圧を変化させず、1.5V(一定)としている。
情報保持時においてはチップ外部との入出力を行う必要
がないため、全ての入出力バッファ14〜20は信号PDによ
りカットオフしている。また、マルチプレクサを信号PD
により制御し、情報保持時にはリフレッシュアドレス発
生回路により出力されるアドレスに切り換えている。リ
フレッシュ動作時には、信号RFSHが高電圧(“1")にな
る。この信号はリフレッシュアドレス発生回路に入出力
され、リフレッシュアドレスを順次、増加または減少さ
せる。同時に、RFSHはクロック発生回路21を起動し、リ
フレッシュに必要なクロックを発生する。内部電源電圧
VCLは、電源電圧変換回路6fおよびスイッチとして動作
するPチャネルMOS−FET T14とにより供給される。電源
電圧変換回路は、差動増幅回路A2、差動増幅回路の動作
電流を制御するためにもうけられた抵抗R9と3つのNチ
ャネルMOS−FET T15、T16、T17差動増幅回路の反転入力
端子への帰還量を制御するためにもうけた2つの抵抗R
10、R11とから構成されている。電源電圧が高く、内部
電源電圧をVCCから降下させる場合には、リミッタ・エ
ネーブル信号LMが高電圧(“1")になる。この時、T14
になる。この時、T14がカットオフする、と同時にT15
導通し、差動増幅回路A2にバイアス電流が供給され、非
反転入力の電圧VLに比例した電圧が出力される。これと
反対に、信号LMが低電圧(“0")の時には、T15がカッ
トオフし、差動増幅回路にバイアス電流が供給されなく
なる。そのため、電源電圧VCCが直接、内部電源電圧と
して出力される。情報保持動作時には情報保持信号PDが
高電圧(“1")になる。この時には、T16をカットオフ
し、差動増幅回路のバイアス電流の値を抵抗R9によって
決めている。情報保持状態で、かつ周辺回路が動作して
いない期間は消費電流が小さい。したがって、差動増幅
回路の負荷駆動能力は標準動作時に比べて格段に小さく
てもよく、バイアス電流を著しく低下させても、動作上
支障がない。リフレッシュ動作時には、信号RFSHを電圧
変換回路6にフィードバックしてT17を導通させ、差動
増幅回路のバイアス電流を標準動作時と同程度の値とし
ている。こうすることにより、リフレッシュ動作期間
中、データ線の充放電や周辺回路の動作に必要な電源電
流を供給することができる。したがって、情報保持時に
おいても雑音余裕を低下させることなく、チップ全体の
消費電流を著しく低減することができる。なお、この例
では、VL=0.75V、R10=R11としてVCL=1.5Vを得ている
が、この他の電圧値や抵抗値の組合せでも構わない。 このLSIチップにおいて、電源電圧VCCが時間的に変化
した場合の、内部電源電圧VCL、2つの制御信号LM、P
D、リフレッシュ信号RSFH、および差動増幅回路のバイ
アス電流値のそれぞれの時間変化の例を第4図(b)に
示す。ここでは、時間t0〜t2にかけて、電源電圧VCC
3.3〜2Vに低下し、時間t3〜t5にかけて、電源電圧VCC
2〜3.3Vに上昇する場合を考えている。電源電圧VCCがV
CX=2.5Vよりも小さくなるt1〜t4の期間、信号PDが高電
圧(“1")になり、チップは情報保持状態となる。ま
た、この時間範囲において電源電圧VCCは1.5Vよりも小
さくならないため、信号LMは高電圧(“1")のままであ
る。情報保持期間中、リフレッシュ動作時には、標準動
作時と同程度のバイアス電流IB1を流し、それ以外は十
分小さな値IB2を流している。 以上述べた例では、同じアドレス・バスからロウ・ア
ドレスとカラム・アドレスを時間的に切り換えて取り込
む、いわゆるアドレス・マルチプレクサ方式を用いてい
るが、全てのアドレスを同時に取り込む一般的な方式を
用いても本発明を同様に適用できる。また、特願昭63−
148104や特願昭63−222317に述べられているような、プ
レートを駆動してデータ線の電圧振幅を低減するダイナ
ミックメモリを用いることにより、より低消費電力のメ
モリを実現することができる。 第5図(a)および(b)は情報保持時におけるリフ
レッシュ信号RFSHのタイミングの一例を示している。こ
こでは、4096サイクルで全てメモリアレーをリフレッシ
ュする場合の例を示している。電源電圧を、例えば1.5V
以下にまで低下させることにより、メモリ全体の消費電
流を大幅に下げることができるため、64Mb程度の大容量
のメモリであってもリフレッシュサイクルを4096から増
やす必要がなくなり、システムを構成しやすくなる。情
報保持状態に移行して最初の4096サイクルで集中リフレ
ッシュ、すなわち比較的短い周期TC1で信号RFSHを発生
させている。これは、標準動作時におけるリフレッシュ
制御がRFSHによる内部リフレッシュとは無関係であるた
めである。こうした初期化を行うことにより、状態が移
行する前後でリフレッシュ周期の仕様を満たさなくなる
危険性を回避することができる。第5図(a)では、集
中リフレッシュの後、一定の周期TC2で信号RFSHを発生
させている。これに対して同図(b)では、周期TC3
集中リフレッシュを繰り返している、集中リフレッシュ
中の信号RFSHの周期は、最初の集中リフレッシュと同じ
値TC1にしている。これは他の値でも差し支えないが、
信号発生回路の構成上、同じ値にしたようが都合が良
い。 第6図は第5図(a)の例にたいするリフレッシュ周
期TC2のチップ温度依存性の一例を示している。チップ
温度と情報保持時間の関係は、例えばアイ・イー・イー
・イー・トランザクションズ・オン・エレクトロン・デ
バイセズ、第35巻、第8号、第1257〜1263頁(1987)
(IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.35,No.
8,pp.1257−1263,August 1987)において論じられてい
る。これによれば、チップ温度が0〜100℃まで変化し
たときの情報保持時間の変化は約3桁である。したがっ
て、リフレッシュ周期TC2を第6図のように変化させれ
ば、実際の情報保持特性に合わせることができる。情報
保持状態においては、チップの消費電力は極めて小さく
なるため、環境温度とチップ温度との差はほとんどな
い。したがって、低い環境温度で使用することにより、
リフレッシュ周期を伸ばし、さらに低電力化することが
できる。これにより、電池を電源とする携帯型電子機器
などに搭載するのに適したダイナミックメモリを供する
ことができる。なお、第6図のような温度依存性を有す
る発振回路は特開昭60−136088に述べられている。 第7図は 第5図(b)の例において、リフレッシュ
不良が発生したときの例を示している。図において、横
軸はリフレッシュ周期、縦軸は累積不良度数である。リ
フレッシュ周期TC3に対して、1ビットのみ不良となっ
ている。メモリのごく一部のみが不良の場合、不良メモ
リセルを、あらかじめチップ上に設けておいた予備のメ
モリセルで置換することにより修復する、いわゆる欠陥
救済技術がある。この技術は、例えば、アイ・イー・イ
ー・イー・ジャーナル・オブ・ソリッド・ステート・サ
ーキッツ、第16巻、第5号、第479〜487頁(1981)(IE
EE Journal of Solid−State Circuits,Vol.16,No.5,p
p.479−487,1981)において論じられている。この技術
は第7図のようなリフレッシュ不良に対しても同様に適
用できる。しかし、従来の欠陥救済技術では、予備のメ
モリセルを必要とするため、チップ面積の増大を招くと
いう欠点があた。第8図(a),(b),(c)に示し
たのは、予備のメモリセルを用いないリフレッシュ不良
救済技術の例である。これは、第7図においてリフレッ
シュ周期TC3で不良となるメモリセルのみを、それより
も短い周期、例えばTC4でリフレッシュするというもの
である。以下、第8図を用いて説明する。第8図(a)
はこの不良救済技術を用いたときの、情報保持時におけ
るリフレッシュ信号RFSHのタイミングの一例を示してい
る。ここでは、アドレス1がリフレッシュ不良である場
合を考えている。図に示すように、ひとつの集中リフレ
ッシュから次の集中リフレッシュの間、周期TC4でアド
レス1をリフレッシュしている。こうすば、全アドレス
を短い周期TC4でリフレッシュする場合に比べて消費電
流を著しく低減することができる。各リフレッシュ周期
の間には4096×TC1≦TC4≦TC3が成り立つ必要がある。
第8図(b)はリフレッシュアドレスおよびリフレッシ
ュ信号RFSHを発生する回路構成の一例、同図(c)はそ
の動作タイミングを示している。同図(b)において、
OSCはクロックφ0を発生する発振器、DV1,DV4,DV3
クロックφ0の整数倍の周期を有するクロックφ1
φ4,φ3を発生する分周器、30は13ビットのシンクロナ
ス・カウンタ、31はリフレッシュアドレス発生回路、32
はリフレッシュ信号(RFSH)発生回路、I1はインバー
タ、G1はANDゲート、G2はORゲートをそれぞれ示してい
る。カウンタはクロックφ1により動作し、Reset端子に
高電圧(“1")が印加され、カウンタ出力が全て低電圧
(“0")にリセットされた状態から計数を開始する。出
力が4097になると出力Q12が高電圧(“1")となり、計
数を停止する。図中eはカウンタ・エネーブル信号であ
る。カウンタの動作中、eは高電圧(“1")であるた
め、リフレッシュアドレス発生回路の出力ar0〜ar11
はカウンタの出力Q0〜Q11が出力される。カウンタが停
止した後、eは低電圧(“0")となり、as0〜as11には
不良アドレスas0〜as11が出力される。同様に、カウン
タの動作中はクロックφ1が、カウンタ停止後はクロッ
クφ4、がそれぞれリフレッシュ信号発生回路から出力
される。これにより、カウンタの動作中は周期TC1っで4
096回集中リフレッシュを行い、カウンタ停止後は周期T
C4で不良アドレスのみをリフレッシュすることができ
る。なお、ここでは一つの不良アドレスのみを救済する
例について述べたが、複数の不良アドレスを救済する場
合についても、同様に本発明が適用できる。 以上述べた実施例によれば、標準動作時においては高
速に動作し、情報保持時においては必要最低限の電力で
情報を保持することのできるダイナミックメモリあるい
は、ダイナミックメモリをその一部に含むLSIを実現す
ることができる。さらには、従来ダイナミックメモリで
問題となっていた電源電圧変動にたいしても、第4図に
示したように、内部回路を例えば1.5Vのような低電圧で
動作させることにより、外部電源電圧が大きく変化して
も、安定に動作させることができる。 いままで述べてきた実施例においては、標準動作状態
と情報保持動作状態の違いをLSIチップ上に設けた検出
手段により検出していたが、動作状態をチップ外部から
コントロールしても構わない。第9図は情報保持状態へ
の移行を外部からコントロールする、本発明の他の一実
施例を示している。この中で、4bはチップ外部から入力
される情報保持状態信号、1Bは第1図のLSIチップと同
様、情報記憶機能あるいは情報処理機能を有するLSIチ
ップ、FAD3は情報保持状態信号を受信するためのボンデ
ィングパッドをそれぞれ示している。第1図のLSIチッ
プと異なる点は、チップ上に検出手段と情報保持状態信
号の発生手段を設ける必要がないことである。このチッ
プを第1図のLSIチップとは別に設計しても良いし、一
つのチップを設計し、ボンディングの切り換えやアルミ
ニウム配線のマスタスライスで分けてもかまわない。 第10図(a)は第9図のLSIチップを電池Bを電源と
して動作させる場合を示している。電池の電圧値は、そ
の種類により1〜3.6Vなどの広範囲に分布する。したが
って、情報保持状態への移行を電圧変化で検出する方法
に比べて、システムが外部からコントロールできるほう
が都合が良い。第10図(b)は内部電源電圧VCLの電源
電圧VCCに対する依存性を示している。この例では、標
準電源電圧範囲を1〜3.6Vとし、1.5〜3.6VのときにはV
CL=1〜1.5VのときにはVCL=VCCとしている。こうする
ことにより、1〜3.6Vといった広い電源電圧範囲にわた
って内部電源電圧の変化を小さく抑えることができ、動
作速度や消費電流、動作余裕といった動作性能の電源電
圧依存性がほとんどないLSIを実現することができる。
また、電源電圧を変化させることなく、必要に応じて情
報保持状態へ移行させることができるため、システムの
状態に応じて不必要な電力消費を抑え、電池で動作する
電子機器の動作時間を長くすることができる。 第1図や第9図に示した電池バックアップ回路をチッ
プ上に取り込み、電源の切り換えをチップ上でおこなう
ようにしたLSIの構成例を第11図(a)に示す。この図
で、1Cは第1図のLSIチップと同様、情報記憶機能ある
いは情報処理機能を有するLSIチップ、40は電源切り換
え回路、41は電源降下検出回路、SL、SBは電源降下検出
回路が発生する切り換え信号、SW40a、SW40bは切換信号
SL、SBにより電源の切り換えを行うスイッチ、PAD4は電
池の電圧を印加するためのボンディングパッドをそれぞ
れ示している。このように、電源の切り換えをチップ上
で行うことにより、システム(ボード)に電池バックア
ップ回路を実装する必要がなくなり、部品点数が削減で
き、製造コストや実装密度を改善できる。また、LSIの
特性に応じた電源切り換え回路を搭載できるため、ユー
ザは電源切り換え時に問題となる電源電圧の過渡変動を
気にする必要がなくなり、使い易いチップを提供するこ
とができる。第11図(b)は電源切り換え回路40の具体
的な構成例を示している。図において、42、43は差動増
幅回路、44、45はその出力、T19、T20は電源の切り換え
を行うスイッチに相当するPチャネルMOS−FET、46は電
源切り換え回路の出力である。以下、この回路の動作を
説明する。差動増幅回路42の非反転入力と反転入力には
それぞれVCCとVBTに比例する電圧γVCCとγVBTを印加す
る。同様に、差動増幅回路4の非反転入力と反転入力に
はそれぞれVBTとVCCに比例する電圧γVBTとγVCCを印加
する。ここでγは0≦γ≦1を満たす比例定数である
が、差動増幅回路の電圧ゲインと出力振幅を十分とれる
ような値にすることが望ましい。比例する電圧は抵抗分
割により得ることができる。差動増幅回路42、43の出力
44、45はT19、T20のゲートに印加される。はじめにVCC
>VBTの場合を考える。このとき、出力44には高電圧(V
CC)が、出力45には低い電圧(〜γVCC−Vr)が出力さ
れ、T19は非導通、T20は導通状態になる。しがってVINT
としてVCCが出力される。同様にVCC<VBTの場合、出力4
4には低い電圧(〜γVBT−VT)が、出力45には高電圧
(VBT)がそれぞれ出力され、T19は導通、T20は非導通
状態になる。その結果、VINTとしてVBTが出力される。
この回路はVCCかVBTの一方がOVの場合でも同様に動作す
るため、どちらか一方の電源しか供給しない場合にも、
供給された電圧がそのまま内部回路の電源電圧として出
力される。第11図(c)はVINTのVCC依存性の一例をVBT
=1.5Vの場合に対して示している。VCC>1.5Vのときに
はVINT=VCC、VCC<1.5VのときにはVINT=1.5Vが得られ
ている。図に示されるように、VINTは連続的に変化して
おり、LSIの動作に悪影響を及ぼすようなキンクは発生
していない。以上の実施例に示されるように、比較的簡
単な回路で電源切り換え回路を構成できるため、これを
一つのLSI上に搭載しても、チップ面積の増加は僅かで
ある。ここでは、MOS−FETを用いて構成した例を示した
が、他の、たとえばバイポーラトランジスタを用いても
同様に実現することができる。 以上の実施例では、主たるLSI回路ブロックが1.5V以
下で動作するLSIチップの基本概念を説明してきた。以
下では、主にダイナミックメモリを取り上げ、より詳細
な実施例を説明する。一般に、他の論理LSIやスタテイ
ックメモリに比べて、ダイナミックメモリは低電圧動作
が難しいとされてきた。その第一の理由は、蓄積電圧と
蓄積容量の積できまる信号電荷量が低電圧化により減少
し、信号対雑音比が低下するためである。そのために、
パッケージや金属配線などに含まれる微量の放射性物質
から放出されるアルファ線の照射により発生する雑音電
荷や、メモリセルに流入する熱的や非熱的なリーク電流
による雑音電荷に対する雑音余裕(マージン)の確保が
難しいと考えられてきた。これらの問題点は次の二つの
方法の何れかにより解決することができる。 (1)低い電源電圧(例えば1.5V)においても、従来と
同程度のメモリセル蓄積信号電圧(例えば、低電圧=0
V、高電圧=3V)が得られるような回路を用いる。この
場合、メモリセルの蓄積容量は従来と同程度の値(例え
ば30〜40fF(フェムト・ファラッド))で良い。 (2)回路方式は従来のままとする代わり、メモリセル
の蓄積容量を電源電圧にほぼ反比例して増大させる。例
えば電源電圧=1.5Vのときの、メモリセルの蓄積容量は
60〜80fFとする。上記方法のうち、(1)については、
ワード線とデータ線の他に、メモリセルのプレートを駆
動することにより、データ線の振幅よりも大きな信号振
幅をメモリセルに蓄積する商法が特願昭63−148104や特
願昭63−222317に示されている。(2)については、蓄
積容量を従来に比べて飛躍的に増大させる技術が特願昭
60−267113やシンポジウム オン ブイエルエスアイ
テクノロジー、 ダイジェスト オブ テクニカル ペ
ーパーズ、第29〜30頁(1988)(1988 Symposium on VL
SI Technology,Digest of Technical Papers,pp,29−3
0,1988)に述べられている。これらの技術を適用するこ
とによって、安定な動作に必要な蓄積信号電荷を確保す
ることができる。低電圧動作のための第2の課題は高速
動作と低消費電流を同時に実現することである。第3の
課題は低電圧動作回路と高電圧動作回路の同一チップ上
への蓄積を可能にする素子あるいは回路の実現である。
第3の課題は、高電圧電源と低電圧電源の電圧値の比が
2倍以上になると特に問題となってくる。一つのチップ
上に高電圧用と低電圧用の二種類の素子を形成すること
により第3の課題を解決する例が特願昭56−57143に示
されている。この技術によれば、低電圧電源用と高電圧
電源用のそれぞれに対して最適な素子で回路を構成でき
るが、LSIの構造工程が複雑になるという欠点がある。
以下の実施例では、第2の課題を克服し、最小の電源電
圧が1Vでも動作する手段、および製造工程を複雑にする
ことなく第3の課題を解決する方法について説明する。
これらによりダイナミックメモリの動作電源電圧を1〜
1.5V程度にまで低電圧化でき、ダイナミックメモリある
いはダイナミックメモリをその一部に含むLSIチップの
高集積化、高速化、低消費電力化を同時に実現できる。
また、バッテリ動作あるいはバッテリバックアップ動作
において要求される仕様を満たすことができる。 はじめに、第2の課題を克服する手段について説明す
る。なお、以下には相補形のMOS−FET(Complementary
MOS=CMOS)を用いる例を示すが、同様の効果が得られ
れば、バイポーラトランジスタや接合型FET、あるいは
シリコン以外の素子を用いても構わない。第12図(a)
は、NチャネルMOS−FETのゲート・ソース間電圧VGS
ドレイン電流IDの関係を示している。この関係は、
(i)IDの平方根がVGSにほぼ比例する平方根領域と、
(ii)よりVGSの小さな領域でIDがVGSの指数関数に比例
するサブスレッショルド領域とに分けられる。図中VT1
は、(ii)の領域を無視し、電流電圧特性を平方根で近
似できるとしたときに、ドレイン電流が流れ始める、い
わゆるゲートしきい値電圧である。また、VT0は回路動
作上、ドレイン電流がほぼ零とみなせるゲートしきい値
電圧の他の定義である。ゲート幅を10ミクロンとしたと
き、VGS=VT1のときのドレイン電流は10nA程度、VGS=V
T1のときのドレインの電流は1μA程度である。VT1とV
T0の差はおおよそ0.2Vである(VT1>VT0)。実際のMOS
−FETの電流駆動能力にはVGS−VT1が関係し、待機状態
での静的な電流にはVT0が関係する。以下の例では、LSI
の主たる回路に用いる素子のしきい値電圧をVT1=0.3V
(したがってVT0は約0.1V)となるように設定した。こ
れにより、電源電圧の半分の電圧(例えば0.5V)でMOS
−FETを導通させる必要のあるセンスアンプや差動増幅
回路を動作させることができ、電源電圧=1Vまで全ての
回路を動作させることができる。また、これにより、チ
ップ全体の待機電流を10μA程度に抑えることができ
る。また、各種製造工程のばらつきにより、しきい値電
圧が±0.1V程度ばらついても、電源電圧=1Vでの回路動
作を実現するとともに、チップ全体の待機電流を100μ
A以下に抑えることができる。また電源電圧=1Vでも十
分な動作速度が得られるように、チャネル長=0.3ミク
ロンとした。第12図(b)は、2つのNチャネルMOS−F
ET(CaseI、CaseII)に対するゲートしきい値電圧VT1
チャネル長依存性を示している。ここに、CaseIは従来
のダイナミックメモリ(以下DRAMと略す)で一般的な、
基板バイアス電圧を印加する場合の条件、CaseIIは本発
明で用いた、基板バイアス電圧を印加しない条件に対応
した素子の特性を示している。CaseIではVBS=−1Vのと
きに、CaseIIではVBS=0Vのときにゲートしきい値電圧V
T1が0.3Vになるようにしている。CaseIIの素子には以下
の3つの問題がある。 (1)チャネル長の変動に対するゲートしきい値電圧の
変動が大きく、CaseIに比べて制御性が劣るため短チャ
ネル化が難しい。 (2)基板バイアス電圧はチップ上に設けられた基板バ
イアス電圧発生回路により作られるが、その電圧値は製
造ばらつきによりばらつき、かつ動作する回路の個数に
より、その値が時間的に大きく変動する。ゲートしきい
値電圧は基板バイアス電圧により大きく変調を受けるた
め、低電圧動作で要求されるようなゲートしきい値電圧
の仕様を精度良く満たすことができない。 (3)電源投入時には基板バイアス電圧が0Vであるた
め、基板効果によりゲートしきい値電圧が0.3Vより低い
値、例えば0Vになっている、と同時に、基板はほぼフロ
ーティング状態であるためVCCとの容量結合により基板
電圧が過渡的に上昇し、ゲートしきい値電圧はマイナス
となる。このため周辺回路のMOS−FETが導通状態になる
ため、大きな過渡電流が流れる。 本発明では、基板電圧をVSS=0Vに固定しているた
め、ゲートしきい値電圧の制御性に優れ、かつ電源投入
時の過渡電流の小さなLSIチップを提供することができ
る。さらには、回路動作中の基板電圧の変動をほとんど
零にすることができるため、基板電圧からの容量結合雑
音を大幅に減少させることができる。なお、しきい値電
圧を精度良く設定する他の手段を用いれば、従来と同様
に基板バイアス電圧を印加しても構わない。 第13図は、最小電源電圧1Vでも動作するダイナミック
メモリの、主たる回路に用いた素子のゲート酸化膜圧to
x、電気的なチャネル長(実効チャネル長)Leff、ゲー
トしきい値電圧VT1、VT0を示している。ここで、括弧内
に示した値は、製造ばらつきなどによる変動の範囲を示
している。 第14図は、本発明のダイナミックメモリチップの断面
構造の一部を示している。従来のダイナミックメモリで
基板にマイナスの電圧を印加していた理由は、以下の3
つである。 (1)入力あるいは出力に外部からリンギングなどによ
るマイナスの電圧が印加された場合、少数キャリアであ
る電子が基板に注入される。この電子は基板内を拡散し
て、その一部がメモリセルの電荷蓄積部に達し、リフレ
ッシュ特性を悪化させる。この少数キャリアの基板への
注入を防止する。 (2)基板にマイナスの電圧を印加することにより、n
−拡散層とp基板の間の接合容量を減少させ、負荷容量
を減らす。これにより、回路の高速動作と低消費電力化
を図る。 (3)基板にマイナスの電圧を印加することにより、チ
ャネル下の空乏層が広がり、チャネル部のポテンシャル
が基板電圧による変調を受けにくくなる。これにより、
ゲートしきい値電圧が基板電圧の変動の影響をうけにく
くなる。別の言い方をすると、ゲートしきい値電圧の基
板効果計数が小さくなり、ダイナミックメモリの一部の
回路の動作上、都合が良い。これらのうち、(3)につ
いては、CMOS−LSIの二重ウェル構造化の傾向ととも
に、基板電圧を印加することの効果が薄らいできてい
る。したがって、(1)と(2)を解決することが、重
要となる。CMOS−LSIにおいて、複数の基板電圧の印加
が可能となる基板構造が特開昭62−119958に示されてい
る。この構造と、本発明による低電圧LSIを組合せるこ
とにより、前述した目的を達成し、耐雑音性に優れ、高
速、低消費電力の低電圧LSIを構成することができる。
以下、本発明の基板構造の断面図を用いて、その実施例
を説明する。第14図において、P型のシリコン基板の不
純物濃度は約1×1015cm+3である。この基板中に2回の
異なる工程によって形成された2種類のNウェル(N1、
N2)、および1種類のPウェルを形成する。各ウェルの
不純物濃度は例えば、N2ウェルが1×1016cm+3、N1ウェ
ルとPウェルが5×1016cm+3程度であるが、素子の寸法
に応じてこれらの値は変化させても構わない。図中、50
は能動領域間の電気的分離を行うための厚い酸化膜(膜
厚は約500nm)、51は容積容量を形成するための第1の
ポリシリコン電極、52はMOS−FETのゲート電極となる第
2のポリシリコン電極、53、54はこれらの厚い酸化膜や
ポリシリコン電極をマスクとして自己整合的に形成した
N形の不純物拡散層(不純物濃度は約2×1020cm+3)、
55、56、57はこれと同様に形成されたP形の不純物拡散
層(不純物濃度は約2×1020cm+3)をそれぞれ示してい
る。P基板は拡散層56にり接地電位(VSS)に固定して
いる。メモリセルの蓄積容量や選択トランジスタTN3、T
N4はN2ウェルにより基板と電気的に分離されたPウェル
中に形成する。Pウェルには拡散層57により第2の基板
電位VBP2を印加する。またN2ウェルには、それに電気的
に接するN1ウェルと拡散層54により第2のNウェル電位
VBN2を印加する。またVBS=0Vで動作させる周辺回路の
NチャネルMOS−FET TN1はP基板中に、PチャネルMOS
−FET TP1はN1ウェル内に、それぞれ形成する。また、
周辺回路のNチャネルMOS−FET TN2はメモリセルアレー
とは別の、P基板と電気的に分離されたPウェル内に形
成している。こうすることにより、入出力回路などマイ
ナスの電圧や、Nウェルの電圧よりも高い電圧が外部か
ら入力される可能性のある場合、そのオーバーシュート
あるいはアンダーシュート量に応じた、独立した基板電
圧を印加することができる。このように、メモリセルア
レーが形成されるPウェルをP基板と電気的に分離する
ことには、他に以下の効果がある。 (1)メモリセルアレーのPウェルをマイナス電位にバ
イアスすることにより、データ線容量を低減し信号対雑
音比を改善できる。 (2)メモリセルアレーを覆ったN2ウェルが基板中の拡
散してくる少数キャリアのバリアーとなる。これによ
り、雑音電荷の蓄積容量部への収集を抑止でき、耐雑音
性が改善される。以上述べたように、第14図に示したよ
うな基板構造を用いることにより、メモリセルアレーの
安定動作と、周辺回路の高速化と低消費電力化を同時に
実現することができる。なお、以上の説明では、P基板
を用いる場合について述べたが、N基板を用いても同様
な効果を期待することができる。ただ、本発明が対象と
するバッテリ動作やバッテリバクアップ動作において
は、電源電圧が大きく変動する環境での使用を考慮しな
ければならない。N基板を用いた場合、N基板には系の
最高電圧VCCが印加される。したがって、電源電圧が大
きく変動した場合、N基板の電位も変動し、N基板との
容量結合により回路各部に雑音を誘起する。これらの理
由から、本発明の目的には第14図に示したP基板を用い
る構造が適している。 第15図には、本発明によりさらに低電圧化することが
可能な情報保持機能を有するLSI回路の例を示してい
る。第15図(a)は周辺回路の一例である。図中60は電
源電圧VCL1で動作する回路ブロック、61は電源電圧VCL2
で動作する回路ブロック、VBP2は回路ブロック61のNチ
ャネルMOS−FETの基板バイアス電圧、VBN1は回路ブロッ
ク61のPチャネルMOS−FETの基板バイアス電圧をそれぞ
れ示している。回路ブロック60は情報保持時に動作させ
る必要のない部分で情報保持時にはVCL1=0Vとなる。回
路ブロック61は情報保持時にも動作させる必要あある部
分でVCL2の値は動作状態によらず一定である。電源電圧
=0.5V程度まで回路を動作させるためには、しきい値電
圧VT1を0〜0.1V程度にする必要がある。この時には、
回路が動作せず、ゲート・ソース間電圧が0Vのときにも
MOS−FETには1μA程度の電流が流れ、チップ全体では
10mAという大きな電流値になる。情報保持時の消費電流
を低減するためには、この静的な電流を低減することが
必要である。一般に、情報保持時は標準動作時に比べて
動作速度は遅くても良い。そこで、この例では基板電圧
を制御することにより、情報保持時のMOS−FETのしきい
値電圧を標準動作時に比べて導通しにくい方向(Nチャ
ネルMOS−FETのしきい値電圧は高く、PチャネルMOS−F
ETのしきい値電圧は低く)に変化させている。第15図
(b)はNチャネルMOS−FETの基板電圧VBP1の発生回路
の構成例、第15図(c)はその動作タイミング図であ
る。なお、ここでは便宜上VCL2=1.5Vの場合について述
べるが、先に述べたように、0.5〜1V程度の低い電源電
圧のときに特に有効である。第15図(b)において、62
はインバータI2〜I3とNANDゲートG3とにより構成したリ
ング発振器、63はダイオード接続された2つのMOS−FET
T40、T41と容量CB1とにより構成したチャージパンプ回
路T42、T43はNチャネルMOS−FET T44はPチャネルMOS
−FETをそれぞれ示している。標準動作時、すなわちPD
が低電圧(“0")のときには、リング発振器とチャージ
パンプ回路は動作しない。同時にMOS−FET T44が導通
し、ノードN1が高電圧(“1")であるためMOS−FET T42
が導通してVBP1は接地電位になる。一方、情報保持時、
すなわちPDが高電圧(“1")のときには、MOS−FET T43
が導通し、ノードN1がVBP1と同じ電位になるため、MOS
−FET T42がカットオフする。同時に、リング発振器と
チャージパンプ回路が動作し、VBP1にはマイナスの電圧
が出力される。なお、メモリセルアレーには常に基板バ
イアス電圧を印加している。以上、述べたように、1V以
下の低電圧電源で動作させる際、基板バイアス電圧を制
御することにより、標準動作時には高速性を、情報保持
時には低消費電力を実現することができる。なお、ここ
では説明を省略したが、この発明はVBN1を発生する回路
にも同様に適用できる。 以下の説明では、先に述べた基板構造を用いた低電圧
動作ダイナミックメモリの具体的な回路構成を説明す
る。第16図(a)はダイナミックメモリの回路構成を示
している。図中、NA1、NA2はメモリセルアレー、DA1は
ダミーセルアレー、W0〜Wmはワード線、D0、D0 ̄、Dn
Dn ̄はデータ線、DW0、DW1はダミーワード線、XDはワー
ド線選択回路、DWDはダミーワード線選択回路、T52〜T
55は左マットMA1とセンスアンプの接続を制御する左マ
ット選択トランジスタ、SHRLはその選択信号、T56〜T59
は右マットMA2とセンスアンプの接続を制御する右マッ
ト選択トランジスタ、SHRRはその選択信号、PR0〜PRn
非選択時にデータ線の電圧を電位Pに設定するプリチャ
ージ回路、φP~はプリチャージ信号、SA0〜SAnはデータ
線上の微小信号電圧を増幅するセンスアンプ、CSNとCSP
はセンスアンプのコモンソース駆動信号、CDはコモンソ
ース駆動回路、YG0〜YGnはデータ線とコモンI/Oの接続
を行うYゲート、YDECはYアドレス選択回路、Y0〜Yn
Y選択信号、DiBは入力データに応じてコモンI/O線を駆
動するデータ入力バッファ、DoBはコモンI/O線の信号電
流を増幅して出力するデータ出力バッファである。メモ
リセルの蓄積容量CS2の値は先にも述べたように60〜80f
F程度、データ線容量の値は250〜300fF程度である。こ
れにより、データ線の振幅を1.5Vとしたときの読出し信
号電圧は150mV程度になり、センスアンプの動作に十分
な信号電圧を得ることができる。第16図(b)は電源電
圧1.5Vのときのデータ読出し時における各部の電圧波形
を示している。なお、以下の説明ではメモリセルからの
読出し動作の場合で、かつワード線W0が選択された場合
を考える。データ線のプリチャージ電圧、セル蓄積容量
の対向電極(プレート)の電圧は電源電圧の半分の0.75
Vとしている。これにより、(1)データ線の充放電時
やプリチャージ時に発生する容量結合雑音を最小に抑え
るとともに、(2)蓄積容量を形成する絶縁膜に印加さ
れる電圧を最小に抑えて薄膜化することにより、蓄積容
量の増大を実現している。メモリセルに高電圧(1.5V)
を書き込むために、ワード線W0および左マット選択信号
SHRLには、2.2Vを印加し、トランジスタT50およびT52
非飽和領域で動作するようにしている。YゲートのMOS
−FETが飽和領域で動作するよう、コモンI/O線は1.2Vに
なるようにしている。このような低い電源電圧でも動作
するコモンI/O線の信号の増幅器としては特願昭63−141
703に述べられているような電流検出形のものが適して
いる。この型の増幅器を用いれば、(1)コモンI/O線
の電圧レベルを電源電圧近くまで大きくすることがで
き、かつ(2)コモンI/O線の信号振幅を小さく(例え
ば50mV)できるので、Y選択信号Y0を印加して信号を読
出す際の動作マージンを大きくすることができる。ま
た、メモリへの書き込みは、従来と同様にI/O線をデー
タ入力バッファD1Bで駆動することにより行なえる。情
報保持時においては、情報を外部に読出する必要がない
ため、図中破線で示したように、Y選択信号Y0は低電圧
(“0")のままである。また、Yアドレス選択回路、デ
ータ入力バッファ、データ出力バッファなども動作させ
る必要がない。さらに、センスアンプのコモンソース駆
動回路の駆動能力を低下させ、データ線電圧の時間変化
率を低下させている。これにより、情報保持時において
はデータ線の充放電に伴うピーク電流の値を低減する。
このような制御を行うことにより、電池などのような内
部インピーダンスが高い電源を使用しても、電源電圧の
過渡的な低下によりLSIが誤動作することを防止でき
る。以下には、このような低電圧ダイナミックメモリを
実現するために重要な次の回路について説明する。 (1)1/2 VCL発生回路。 (2)ワード線駆動回路。 (3)コモンソース駆動回路。 第17図(a)は1/2VCL発生回路の回路構成を示してい
る。図中、T60、T62はNチャネルMOS−FET、T61、T63
PチャネルMOS−FET、R20、R21はバイアス電流を設定す
るための抵抗である。抵抗の値の非は、ノードN4および
ノードPの電源電圧がVCL2のほぼ半分になるように選
ぶ。容量CD1〜CD4は電源電圧が変動しても、それに追従
するように設けられたスピードアップ・コンデンサであ
る。これらの値の間にはCD1≒CD2、CD3≒CD4が成り立っ
ている。各トランジスタの基板とソースを接続詞、基板
バイアス効果によりしきい値電圧が高くならないように
している。このときの各トランジスタのしきい値電圧V
T1の絶対値は約0.3Vである。もし、基板をソースでなく
系の最高電圧に接続すると、基板バイアス効果によりし
きい値電圧VT1の絶対値は0.5Vよりも大きくなるため、
電源電圧VCL2=1Vでは動作しなくなる。このように、低
電圧で動作する回路では基板電圧の与え方が最小電源電
圧を規定する。第14図に示した基板構造を用いると基板
とソースの接続が容易に行える。第17図(b)はNチャ
ネルMOS−FET T60、T62の断面構造を示している。65はN
2ウェルの電位を与えるためのn~拡散層、66はPウェル
の電位を与えるためのp~拡散層、67、68はNチャネルMO
S−FETのソースおよびドレインとなるn~拡散層である。
外部配線によりMOS−FETの基板電圧を与えるp~拡散層66
をソースに接続している。N2ウェルには系の最高電圧、
ここではVCL2を印加する。この例に示されるように、MO
S−FETを基板と電気的に分離されたPウェル内に形成す
ることができるため、しきい値電圧の基板効果の影響を
受けない。低電圧動作に適した回路を構成することがで
きる。なお、ここに示した例に限らず、差動増幅回路そ
の他のソースを接地電位により高い電圧で動作させる回
路には、回線に本実施例が適用できる。 第18図(a)はワード線駆動回路の回路構成、同図
(b)にはその動作タイミングを示している。図中、T
82はメモリセルトランジスタ、CS3は蓄積容量、T80、T
81はNチャネルMOS−FETである。この回路は一般に自己
昇圧(セルフブースト)回路と呼ばれる。Sにはワード
線選択回路の選択信号が入力される。この電圧レベルは
選択時には高電圧(例えば1.5V)、非選択時には低電圧
(0V)となる。しががって、ノードN7にには選択時には
VCL−VT0(VT0はT82のしきい値電圧)が、非選択時には
0Vが印加される。選択信号が確定した後、Xにはメモリ
セルトランジスタを十分にオンできるよう、電源電圧よ
りも高いパルス電圧(例えば2.2V)を印加する。非選択
時にはMOS−FET T80は導通しないが、選択時にはT80
ゲート容量の結合により、ノードN7は高い電圧に昇圧
(ブースト)される。ワード線に、Xに印加されるパル
ス電圧をそのまま出力するためには、ノードN7の電圧は
Xに印加されるパルス電圧よりも、さらに高い電圧、例
えば2.2+VT1(VT1はT80のしきい値電圧)に昇圧(ブー
スト)される必要がある。MOS−FETの基板電位を接地電
位にすると、基板効果によりしきい値電圧が上昇するた
め、特にVCLが1.5V以下の低電圧電源ではワード線に所
定の振幅が得ることが難しい。ここでは、MOS−FETのし
きい値電圧を十分低い値とするために、基板電位を信号
駆動側(この例では選択信号Sやパルス電圧X)のドレ
インに接続した(ここで、便宜上、ドレインは信号駆動
の印加される端子と定義した)。このMOS−FETの断面構
造図と、その等価回路をそれぞれ第18図(c)および
(d)に示す。素子の断面構造は第17図(b)に示した
ものと全く同じであるが、その結線が異なっている。P
ウェルの電位がドレインの電位と一致しているため、同
図(d)の左に示すように、ドレインをコレクタおよび
ベースとし、ソースをエミッタとするバイポーラトラン
ジスタが接続されたことを等価になる。実際には、コレ
クタとベースが接続されているためバイポーラトランジ
スタはダイオードとして動作し、同図(d)の右に示す
ような等価回路で表現される。したがって、ドレインが
ソースの電圧よりも高いときには、基板電圧がソースに
対して正にバイアスされたMOS−FETとダイオードDLとが
並列に接続され、逆にドレインがソースの電圧よりも低
いときにはダイオードDLは逆バイアスされてカットオフ
し、基板電圧が低電圧側のドレインに接続されたMOS−F
ETだけが動作する。したがって、後者の場合に比べて、
前者の場合のほうのしきい値電圧が低くなり、MOS−FET
は導通しやすくなる。と同時にドレインとソースの電圧
差が0.7V以上のときにはダイオードが導通するため、前
者の場合、さらに電流が流れ易くなる。したがって、第
18図(b)において、ワード線を駆動するときのMOS−F
ET T80、T81のしきい値電圧を低い値にすることがで
き、低い電源電圧においても、駆動信号Xをワード線に
そのまま出力することができる。このような非対称特性
は、特に自己昇圧回路などに適用したときに効果が大き
いが、その他の、例えばパスゲートや基板バイアス電圧
発生回路のチャージパンプ回路に用いる清流回路などに
適用しても、同様に低電圧電源での動作が改善される。 第19図(a)および(b)は、それぞれコモンソース
駆動回路の構成の一実施例を示す図である。同図(a)
において、T85、T86はコモンソースを駆動するNチャネ
ルMOS−FET、G5はANDゲートである。標準動作時には信
号PD~が高電圧(“1")となり、コモンソース駆動信号
φcsの入力に同期して、T85、T86が共に導通する。一
方、情報保持時にはPD~が低電圧(“0")となり、φcs
の入力に対してT85のみが導通する。したがって、T85
T86のコンダクタンスを適当に選択することにより、標
準動作時には動作速度を優先し、情報保持時には動作速
度を犠牲にする代わりにピーク電波を低減することがで
きる。第19図(b)において、T90はコモンソースを駆
動するNチャネルMOS−FET、T91、T93、T94はNチャネ
ルMOS−FET T92はPチャネルMOS−FET、G6はNANDゲー
ド、G7はANDゲート、R25はT94にバイアス電流を供給す
るための抵抗をそれぞれ示している。標準動作時には信
号PDが低電圧(“0")となりT93がカットオフする。φc
sの入力に同期して、ノードN8の電圧はVCLになりT90
駆動する。情報保持時には信号PDが高電圧(“1")とな
りT92がカットオフする。φcsの入力に同期してT93が導
通し、ノードN8の電圧はT94のゲート電圧に一致する。
このとき、T90とT94とにより電流ミラー回路を構成する
ため、コモンソースの駆動電流は(VCL−VT1)/R25
比例する値になる。ここで比例係数はT90とT94のチャネ
ルコンダクタンスの比で決まる。このような駆動回路を
用いることにより、情報保持時には、一定の制御された
電流で駆動されるため、電流の内部インピーダンスに起
因する電源電圧の過渡的な低下を招くことなく、安定な
動作を実現することができる。なお、ここに示した電流
ミラー回路以外にも情報保持時に駆動電流を制御できれ
ば、他の手段を用いても構わない。 以上の実施例に述べたような基板構造、素子の定数、
回路構成により、最小の電源電圧=1Vでの動作を保証す
るダイナミックメモリを実現することができる。また、
第16図(a)に示したI/O線およびYゲートの回路構成
の他に、読出し時と書き込み時に対して別々にコモンI/
O線を設けることにより、読出し時と書き込み時の動作
マージンをさらに向上させる方法が特開昭61−142594や
特開昭61−170992に記述さている。この方法を適用する
ことにより、1V程度の低い電源電圧でも、素子ばらつき
の影響を受けずに安定に動作するメモリ回路を実現する
ことができる。 以上、1.5V以下の低い内部電源電圧で動作する主たる
LSI回路ブロックの構成例をメモリを例にとって説明し
てきた。第1図に示すようなLSIチップを実現するため
には、これ以外に、高い外部電源電圧(例えば3〜5V)
で動作する回路の実現が必須である。このような回路に
は少なくとも以下のものがある。 (1)基準電圧発生回路 (2)電圧変換(降下)回路 (3)入力回路 (4)出力回路 第13図に示したように、1.5V以下の低い内部電源電圧
で動作する主たるLSI回路ブロックには、動作速度を確
保する目的で、最先端の加工技術(たとえばゲート長0.
3ミクロン以下に相当)による素子を使用する。こうし
た微細な素子では、ゲート耐圧やドレイン耐圧が低下
し、高い外部電源電圧(例えば3〜5V)での動作が困難
になる。これに関しては、たとえばアイ・イー・ディ・
エム・テクニカル・ダイジェスト、第386頁〜第389頁
(1988)、(IEDM Technical Digest,pp.386−389,198
8)に記述されている。長期間にわたる信頼性を考慮す
ると、10nmのゲート酸化膜に印加可能な電圧は約4Vであ
る。したがって、ゲート酸化膜に印加できる最大電界強
度Emaxは4MV/cm程度の値になる。近似的にはEmaxの値は
ゲート酸化膜厚に依存せず、ほぼ変化しないと考えて良
い(実際には、ゲート酸化膜を薄くすると、多少大きく
なる傾向にある)。この値を第13図に示した素子(ゲー
ト酸化膜厚tox=6.5nm)に適用すると、ゲートに印加可
能な最大電圧は2.7Vとなる。したがって、この素子を高
い外部電源電圧(例えば3〜5V)で動作させることはで
きない。これを解決する手段には、以下の2つが考えら
れる。 (1)先の説明で触れたように、内部電源電圧で使用す
る素子の値に、外部電源電圧での動作する、より厚いゲ
ート酸化膜を有する素子を同一チップ上に集積する。 (2)内部電源電圧で使用する素子のみにより構成す
る。このとき、外部電源電圧が直接、素子に(1)され
ないように回路的な工夫を施す。 (1)の方法は特願昭56−57143に記載されている。し
かし、この方法ではLSIの製造工程が複雑になるため、
製造コストが上昇する。また素子形成上、最も重要なゲ
ート酸化膜形成時に多くの工程が挿入されるため、不純
物や欠陥を導入する確率が高くなり、素子の信頼性を低
下させるという問題がある。以下には、(2)の方法に
より、高い外部電源電圧で動作する回路を実現する例を
述べる。なお、以下の例では相補形のMOS−FET(CMOS)
を用いた例について説明するが、その他の、例えばバイ
ポーラトランジスタや接合形トランジスタを用いても、
あるいはこれらとMOS−FETを複合して用いる場合、さら
には、シリコン以外のガリウム砒素などの半導体材料を
用いる場合についても同様に適用できる。 第20図(a)は本発明によるインバータ回路の構成例
を示している。図中、T100,T102はNチャネルMOS−FE
T、T101,T103はPチャネルMOS−FET、in1、in2はそれ
ぞれ第1、第2の同相入力端子、out1、out2はそれぞれ
第1、第2の同相出力端子、Outは第3の出力端子、
Vn、VpはそれぞれNチャネルおよびPチャネルMOS−FET
用のバイアス電源電圧を示している。VnおよびVpは、例
えば第20図(b)に示すような外部電源電圧依存性を有
する。この例では、VCC≧2VのときにVn=2V、Vp=VCC
2Vとなる。これにより出力端子out1の電圧は最大でもVn
−VTNとなるため、トランジスタT100のゲート酸化膜に
印加される最大電圧はVn−VTNに制限される。同様に、
トランジスタT101のゲート酸化膜に印加される最大電圧
はVCC−Vp−|VTP|に制限される。ここに、VTN
T102、VTPはT103のゲートしきい値電圧である。2つの
出力端子out1、out2の信号レベルはそれぞれ0〜Vn−V
TN、VCC−Vp−|VTP|〜VCCとなり、これらが次のイン
バータの入力in1、in2をそれぞれ振動する。また、第3
の出力Outには0〜VCC、すなわちフル振幅を出力するこ
とができる。このインバータによりインバータ列を構成
したときの、各ノードの電圧および各トランジスタのゲ
ート酸化膜に印加される最大電圧は第20図(d)に示し
たようになる。この回路構成により、例えばVn=Vp=1/
2VCCのときには、どのトランジスタにおいても、ゲート
酸化膜に印加される最大電圧は1/2VCCに、また同時にド
レイン/ソース間に印加される最大電圧は1/2VCC
VTN、あるいは1/2VCC+|VTP|に制限される。実際に
は、インバータの動作マージンを確保する観点から、電
源電圧の低いところではVnおよびVCC−Vpは一定にする
のが好ましい。また、スイッチング時の出力電圧の過渡
的な変化に対してもドレイン/ソース間に大きな電圧が
印加されぬよう、T102およびT103のチャネルコンダクタ
ンスはそれぞれT100およびT101のチャネルコンダクタン
スよりも大きくすることが望ましい。以上説明したよう
に、この構成により素子の最大電圧の2倍程度の電源電
圧まで、素子特性を劣化させずに動作する回路を実現す
ることができる。なお、第20図(a)に示した例では、
NチャネルMOS−FETの基板電位は系の最低電圧、すなわ
ちVSSに、PチャネルMOS−FETの基板電位は系の最高電
圧、すなわちVCCに接続しているが、先に述べた基板構
造を用いた各トランジスタの基板をソースに接続す場、
基板効果によるしきい値電圧の変動を抑制することがで
き、より低い電源電圧でも動作する回路を実現すること
ができる。したがって、本発明を適用すれば、6.5nm程
度の薄い酸化膜を用いたMOS−FETのみでも電源電圧=5V
でも安定に動作するLSIを提供することができる。 第21図(a)に示したのは、基板とソースを接続し低
電源電圧での動作特性を改善したインバータを複数段接
続したインバータ列(インバータ・チェイン)の構成例
である。従来のCMOSインバータ列と同様、インバータ間
にレベル変換回路を置くことなく、そのまま接続するこ
とが可能である。これにより、例えば出力バッファなど
のように大きな負荷駆動能力を必要とするドライバ回路
を構成することができる。段数nを偶数であるとする
と、その入力および出力波形は第21図(b)に示すよう
になる。この例ではVCC=4V、Vn=2V、Vp=2Vとしてい
る。この回路では、次段のインバータを駆動する出力信
号の振幅が、電源電圧によらずほぼ一定(1.7V)であ
る。このため、次段のインバータのゲート各量を充放電
するMOS−FETの駆動能力が電源電圧に依存しなくなり、
入力から出力までの遅延時間(t1−t0)が、電源電圧に
よらずほぼ一定となる。したがって、例えばメモリLSI
のアクセス時間は1.5〜5Vという広い電源電圧範囲でも
ほとんど変化しないため、システムを構成する上で、好
都合なLSIチップを提供することができる。 第22図(a),(b)は第20図(b)に示したバイア
ス電圧Vn、Vpの発生回路の構成例である。図中、チャネ
ル部を太線で示したT114〜T117高いしきい値電圧を有す
るNチャネルMOS−FET、T112,T113はバイアス電流を供
給するMOS−FET、72はT112,T113のゲート電圧を発生し
最適なバイアス電流を設定するためのバイアス発生回
路、CN1、CP1はデカップル容量である。バイアス電流の
値は抵抗R30およびT113とT112のチャネルコンダクタン
スの比とにより設定する。高いしきい値電圧を有するN
チャネルMOS−FETは、ゲート酸化膜を形成した後、レジ
ストをマスクとしてイオン注入によりP形不純物を導入
する等の手段により形成する。この例では、しきい値電
圧の値を1Vにしている。また、先に示した基板構造を用
い、かつ基板をソースに接続することにより、しきい値
電圧の基板効果による変動をなくし、設定精度を上げて
いる。また、MOS−FET T112、T113は電流減として動作
する。この構成により、電源電圧VCCが2V以上のときに
は、Vnの値は高いしきい値電圧のおよそ2倍の値(約2
V)となり、VCCが2V以下のときには電源電圧VCCにほぼ
等しくなる。同様に、電源電圧VCCが2V以上のときに
は、Vpの値はおおよそVCC−2Vとなり、VCCが2V以下のと
きにはほぼ0Vとなる。第22図(b)はバイアス電圧発生
回路の他の構成例である。ここには、Vn発生回路のみを
示しているが、Vp発生回路も同様に構成できる。図中、
T123は高いしきい値電圧を有するNチャネルMOS−FET、
T121はバイアス電流を供給するPチャネルMOS−FET、T
120とR31はT121のゲート電圧を発生し最適なバイアス電
流を設定するためのバイアス発生回路、CN1はデカップ
ル容量、R32、R33は抵抗である。T123のしきい値電圧の
値をVTEとすると、Vnの値はVTE×(R32+R33)/R33
なる。したがって、R32とR33の比を変えることでVnの値
をVTE以上の任意の値に設定することができる。これら
により、第20図(b)の特性を有するバイアス電圧を発
生することができる。なお、この例に示した抵抗にはMO
S−FETのチャネル、不純物拡散層、ポリシリコン等の配
線層などのいずれを用いても構わない。 さて、通常のLSIでは、最終製造工程の後に、通常動
作で用いられる電圧より高い電圧を故意に回路内の各ト
ランジスタに印加し、ゲート酸化膜不良などでもともと
故障の発生しやすいトランジスタを初期に見つけるエー
ジングテストを実施し、信頼性を保証している。第23図
(a)はこのエージングテストに適したバイアス電圧
Vn、Vpの与え方の一実施例を示す図である。この例で
は、VnとVpの大小関係の逆転するところよりも高い電源
電圧(この例では4V)では、Vn=Vp=1/2 VCCとしてい
る。こうすることにより、エージングテスト時には、電
源電圧に比例してVnやVpが増加するようにしている。ま
た、その値や電源電圧の半分にすることにより、例えば
第20図(c)に示す各トランジスタ間で最大電圧がほぼ
等しくなるようにして、ストレスが一部のトランジスタ
に集中するのを防止している。 第23図(b)はバイアス電圧Vn、Vpを発生する回路の
構成の一実施例を示している。図中、72は2つのノード
N9とN10の電圧を比較し、その最大値を出力する最大値
出力回路、T140、T141は高いしきい値電圧を有するNチ
ャネルMOS−FET、R36はMOS−FETにバイアス電流を供給
するための抵抗、R38とR39は電源電圧を分圧して1/2VCC
を得るためのものであり、R38≒R39である。また、最大
値出力回路は差動増幅回路A10とA11、PチャネルMOS−F
ET T142、T143、ノードN11の接地側へのインピーダンス
が無限大となるのを防ぐために設けられた抵抗R37とに
より構成している。最大値出力回路の動作は、例えば、
アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・ソリッド
・ステート・サーキッツ、第23巻、第5号、第1128〜11
32頁(1988)(IEEE Jounal of Solid−State Circuit
s,Vol.23,No.5,pp.1128−1132,October 1988)に述べら
れている。ノードN9には電源電圧によらずほぼ一定の電
圧(この例では2V)が入力される。一方、ノードN10
は電源電圧の半分の値が入力される。したがって、電源
電圧が4V以下のときには、これら2つの電圧の最大値で
ある2VがノードN11に出力され、電源電圧が4V以上のと
きには、1/2VCCが出力される。バイアス電圧Vpの発生回
路も同様に構成することができる。なお、この例ではノ
ードN9の電圧値として2Vの場合を考えたが、ゲート酸化
膜の最大印加可能電圧に合わせて、適当な値に設定して
も良い。 特願昭63−125742には、MOS−FETのしきい値電圧の差
を利用した定電圧発生回路が示されている。第24図はこ
れを改良し、ゲート酸化膜に印加可能な電圧より高い外
部電源電圧でも動作するようにした定電圧発生回路の構
成例を示している。図中75は、この目的のために新たに
挿入した部分であり、T151はNチャネルMOS−FET、T152
はPチャネルMOS−FETである。これにより、先に説明し
たインバータと同様、回路中のどのトランジスタにおい
ても、その最大印加電圧を外部電源電圧の半分程度に低
下させることができる。この回路で発生する定電圧の値
は特願昭63−125742において説明されている通り、2つ
のNチャネルMOS−FET T149とT150のしきい値電圧の差V
T1(T149)−VT1(T150)になる。T149は第22図に示し
たのと同様、高いしきい値電圧を有するトランジスタで
ある。この例では、VT1(T149)=1.05V、VT1(T150
=0.3Vとして、出力電圧Vref=0.75Vを得ている。 第25図は、本発明による差動増幅回路の構成例を示し
ている。同図において、T161とT162は差動信号を入力す
る2つのNチャネルMOS−FET、T160は差動増幅回路にバ
イアス電流を供給するためのNチャネルMOS−FET、B1
そのバイアス電流を設定するための信号、T163とT164
カレントミラー形の負荷を構成する2つのPチャネルMO
S−FETである。通常の差動増幅回路では、ノードN13とN
15、ノードN14と出力out2を接続するが、ここでは図中7
5、77で示した回路ブロックを付加し、ゲート酸化膜に
印加可能な電圧より高い外部電源電圧でも動作するよう
にしている。第25図(a)では、76を2つのNチャネル
MOS−FET T165とT166、およびPチャネルMOS−FET T167
とにより構成されている。これにより、トランジスタT
161とT162のドレイン(N13、N14)に印加される電圧を
最大でもVn−VTN1に、トランジスタT164のドレイン(ou
t2)に印加される電圧を最小でもVp+|VTP1|に制御す
る。ここに、VTN1およびVTP1はそれぞれ、Nチャネルお
よびPチャネルMOS−FETのしきい値電圧を表している。
なお、VnやVpとしては、先の実施例と同様、第20図
((b)や第23図(a)に示した電源電圧依存性を有す
るバイアス電圧をそのまま用いることができる。さて、
第25図(a)に示した差動増幅回路が小信号増幅回路と
して動作する場合、すなち2つの入力レベルに大きな差
がなく、トランジスタT161とT162が共に飽和領域で動作
する場合には、ノード14の電圧値はほぼVn−VTN1とな
る。したがって、第25図(b)に示すようにトランジス
タT167を省略してもトランジスタT164のゲートとドレイ
ン間に大きな電圧差が生じない。小信号増幅回路として
のみ用いる場合には、構成が簡単な第25図(b)の回路
方式が適している。これらの差動増幅回路の出力out2の
信号レベルは第20図(a)に示したインバータの出力ou
t2の信号レベルと等しく、差動増幅回路の出力でインバ
ータの入力in2を直接駆動できるため、これらを組合せ
て回路を構成するのに都合が良い。以上の差動増幅回路
の構成例では、入力In(+)、In(−)の電圧レベルが
Vn−VTN1以下のとき、大きな電圧ゲインが得られるとい
う特性がある。これとは逆に、Vp+|VTP1|より高い入
力電圧レベルで動作させるときには、差動増幅回路を構
成するNチャネルMOS−FETをPチャネルに、Pチャネル
のMOS−FETをNチャネルに、それぞれ置き換えて、低い
電圧レベル(第20図(a)に示したインバータの出力ou
t1の信号レベル)の出力を得るような構成にすれば良
い。このときにも、先に構成の場合と同様な効果が得ら
れる。次に、この差動増幅回路をLSIチップの回路に適
用した例を述べる。 第26図は、内部電源電圧VCLの基準となるVL(基準電
圧)発生回路に本発明を適用した例を示している。第26
図(a)において、80は第1図の9に相当するVL(基準
電圧)発生回路、A15は差動増幅回路、R50、R51は、そ
の増幅率を設定するための抵抗である。また、VL発生回
路は、第24図において説明した定電圧(Vref)発生回路
81、エージングテストのときに基準動作時の電圧よりも
高い電圧を発生するためのエージング用電圧(VA)発生
回路82、VrefとVAを比較し、大きい方の電圧を出力する
最大値出力回路83、スイッチ84、から構成される。情報
保持時においては、エージングテストの電圧特性は必要
ないため、最大値出力回路を非動作状態にするととも
に、スイッチを閉じてVrefを直接出力している。さて、
この例では、Vref=0.75V、VA=1/5VCCとし、電源電圧
が3.75V以上のときにエージングテストの状態になるよ
うにしている。すなわち、電源電圧が3.75V以下のとき
にはVL=0.75V、3.75V以上のときにはVL=1/5VCCが出力
される。また、R50=R51として増幅率を2に背停止、電
源電圧が3.75V以下の時にはVCL=1.5V、3.75V以上のと
きにはVL=2/5VCCが内部電源電圧として回路に印加され
るようにしている。各電圧の外部電源電圧VCC依存性を
第26図(b)に示す。これにより内部回路の電源電圧と
して、標準動作状態(例えば電源電圧が3〜3.6V)では
1.5V、エージングテスト状態(例えば電源電圧が5.3V)
では2.1Vが得られる。第26図(c)はVL(基準電圧)発
生回路の、より詳細な構成例を示している。同図におい
て90は最大値出力回路、T173はスイッチとして動作する
NチャネルMOS−FETである。最大値出力回路は2つの差
動増幅回路90aおよび90b、それぞれの差動増幅器の出力
により駆動されるPチャネルMOS−FET T177、T178、T
177とT178のゲート酸化膜に印加される電圧を緩和する
ためのPチャネルMOS−FET T177、出力端N22の対接地イ
ンピーダンスを低くするためのNチャネルMOS−FET T
175とから構成される。ここで、2つの差動増幅器90aお
よび90bは第25図(a)に示したものと同じである。ま
た最大値出力回路の構成も第23図(b)に示したものと
基本的には同じである。この構成により、ゲート酸化膜
の最大印加可能電圧よりも大きな電源電圧で動作する最
大値出力回路を得ることができる。なお、情報保持状態
ではトランジスタT179を導通させVrefをそのままVLとし
て出力している。また最大値出力回路を非動作とするこ
とにより、消費電流を低減している。 第27図(a)は、第1図において述べたリミッタ・エ
ネーブル信号(LM)発生回路の構成を示している。同図
において、A12とA13は第25図(a)に示したものと同じ
構成のシングルエンド形の差動増幅回路、95は差動増幅
回路の2つの出力を入力とし、電源電圧差に等しい大き
な信号を出力するダブルエンド型の差動増幅回路を示し
ている。ダブルエンド型の差動増幅回路は、2つの入力
でそれぞれ駆動されるPチャネルMOS−FET T180
T181、そのゲート酸化膜に印加される電圧を緩和するた
めのPチャネルMOS−FET T184とT185、交叉結合させた
2つのNチャネルMOS−FET T182とT183、そのゲート酸
化膜に印加される電圧を緩和するためのNチャネルMOS
−FET T186とT187、出力の反転する速度を加速するため
に設けたスピードアップ容量CC1とCC2とにより構成して
いる。この中で、スピードアップ容量は回路の応答速度
を決めるものであり、用途に応じて省略しても基本的な
動作が損なわれることはない。以下、第27図(b)に示
した動作タイミング図を用いて、その動作を説明する。
なお以下の説明では、標準動作状態での内部電源電圧V
CLが1.5Vの場合(VL=0.75V)を考える。図に示すよう
に外部電源電圧VCCが4Vから1Vに低下するとすると、VCC
の半分の電圧が0.75Vを交叉する時刻t0において差動増
幅回路A12およびA13の出力(ノードN25およびN26)の電
圧が反転する。これにより、トランジスタT180はカット
オフ状態、T181はオン状態に移行し、ノードN28の電圧
がVCCまで上昇する。これに同期してノードN30の電位が
Vn−VTN1(VTN1はT187のしきい値電圧)まで上昇し、ノ
ードN29さらにはノードN27の電位を接地電位に引き落と
す。これにより、ダブルエンド型の差動増幅回路の出力
N27およびN28の電圧は反転し、それぞれ0VおよびVCC=1
Vになる。第27図(b)は、動作を模式的に示したもの
であるが、実際には、これら一連の動作は、電源電圧の
変化に比べて十分短い時間に行なわれる。そのため、電
源電圧の変化が回路動作に悪影響を及ぼすことはない。
また、チップ内の電源配線に意識的に容量を設けること
により電源電圧の変化をコントロールし、回路動作への
影響をより低く抑えることができる。以上は外部電源電
圧を降下させる場合について述べたが、逆に、外部電源
電圧を上昇させる場合にも同様に動作する。 さて、本発明によるLSIチップの他のLSIや半導体素子
とともに用いてシステムを構成する場合、それらの間で
やりとりする信号の入出力レベルの整合をとる必要あ
る。単一電源(一般的には5V)で動作するLSIにおける
標準的な入出力レベルとしてものは、以下の2つがあ
る。 (a) TTLレベル (b) CMOSレベル このうちTTLレベルでは、高電圧(“1")出力(VOH
の値は2.4V以上でなければならない。したがって、電源
電圧が2.4V以下で使用する際には、CMOSレベルを用いる
か、新たに入出力レベルの規格を設ける必要がある。従
来のLSIやTTL論理回路などと共にシステムを構成する場
合、前述した入出力レベルとの互換性をとることが重要
な要素になる。互換性をとることによりレベル変換回路
が不要となり、部品点数が減少してシステムのコスト低
減につながる。また、耐雑音性や速度などの回路性能が
向上し、最大のパフォーマンスを発揮することができ
る。そこで、以下では、従来の入出力レベルとの互換性
を保った入出力回路構成を備えた本発明の実施例を説明
する。本発明によれば、1つのチップを用いて、設計変
更を行わずに以下の3つの製品仕様を実現できる。 (1)標準動作時(例えば電源電圧VCCが4.5〜5.5Vある
いは3〜3.6Vなど)ではTTLレベルで入出力を行う。必
要に応じてVCCの低下(例えば電源電圧VCCが1.0〜2.5
V)などをチップ内で検出して情報保持(バッテリバッ
クアップ)を行う。 (2)電源電圧VCCが、例えば1.0〜5.5Vで動作し、入出
力はCMOSレベルで行う。必要に応じてVCCの低下(例え
ば電源電圧VCCが1.0〜2.5V)などをチップ内で検出する
か、外部からの制御信号などにより情報保持(バッテリ
バックアップ)を行う。 (3)電源電圧VCCが、例えば1.〜5.5Vで動作し、電源
電圧の値によってチップが自動的に入出力レベルを切り
換える。例えば、電源電圧Vが2.5〜5.5VのときはTTLレ
ベル、電源電圧が1.0〜2.5VのときはCMOSレベルで入出
力を行う。 第28図(a)は、1つのチップを用いて、配線やボン
ディングによる切り換えを行ない、上記(1)と(2)
の2つの製品を実現する例を、第28図(b)は、電源電
圧の値の変化を自動的に検知し、入出力レベルを切り換
える製品の実現例をそれぞれ示している。第28図(a)
において、1はLSIチップ、5は内部電源電圧(例えば
1.5V)で動作するLSI回路ブロック、PADTはTTLレベル用
の入出力パッド、PADCはCMOSレベル用の入出力パッド、
IB1およびOB1はTTLレベル用の入力バッファと出力バッ
ファ、IB2およびOB2はCMOSレベル用の入力バッファと出
力バッファ、SWIは2つの入力バッファの出力のいずれ
を低電圧動作LSI回路ブロックに入力するかを選択する
ためのスイッチ、SWOは低電圧動作LSI回路ブロックの出
力を2つの出力バッファのいずれに入力するかを選択す
るためのスイッチをそれぞれ示している。この切り換え
を実際のLSIにおいて行なう方法としては、アルミニウ
ムなどの配線によるマスタスライスがある。これはアル
ミニウムなどの配線層を形成する際に、配線パターンの
転写を行なうためのマスクを上記スイッチに対応して2
通り用意し、製品に応じてマスクを使い分けるという方
法である。さらに、入出力レベルに対応した2種類のボ
ンディングパッドをLSI上に設けておいて、その内の一
方にボンディングすることにより、2つの製品を作り分
けることができる。また、一つのボンディングパッドを
設けておいて、アルミニウムなどの配線によるマスタス
ライスにより入出力バッファとの接続を切り換えても良
い。第28図(b)はそれぞれ1つの入/出力バッファを
設け、電源電圧の値に応じて入出力バッファの入出力レ
ベルを切り換える方法を示している。同図中、PADXは入
出力パッド、IB3およびOB3は入力バッファと出力バッフ
ァ、96は電源電圧に応じて各バッファの入出力レベルを
制御する入出力レベル設定回路をそれぞれ示している。
これについては、より具体的な構成例を後で説明する。
以上の構成により、先に述べた3つの製品仕様を1つの
チップにより実現することができ、製品のコストの面か
らも、またユーザの使い勝手の面からも都合が良い。な
お、以上の例では入出力を同一の端子から行なう、いわ
ゆるI/Oコモン方式の例を述べたが、この他にも、入力
のみの場合にも、また出力のみの場合にも、本発明が同
様に適用できる。以下、出力バッファ、入力バッファ、
入力保護回路のそれぞれの具体的な構成例を説明する。
なお、以下の実施例では、内部回路に用いる薄い(例え
ば6.5nm)ゲート酸化膜を有するMOS−FETにより回路を
構成する場合を説明するが、1つのLSIチップ中に動作
電圧に応じた2種類のゲート酸化膜を有するMOS−FETを
用いる場合についても、本発明は同様に適用できる。 出力バッファを構成する際には、内部の低い信号振幅
(例えば1.5V)から外部の高い信号振幅(例えばTTLレ
ベルの2.4V、電源電圧が5VのときのCMOSレベルである5
V)へと振幅を変換する必要がある。はじめに、CMOSレ
ベルの出力信号を得る回路構成の例を説明する。第29図
(a)は、内部回路の低い信号振幅in1を入力とし、高
い信号振幅Outを出力する振幅変換回路の構成例を示し
ている。図の中で、98は、第20図(a)に示したインバ
ータ回路、N31およびN32はそれぞれ第20図(a)のin2
とin1に対応する2つの入力、Outはインバータの出力、
T190はN32を駆動するNチャネルMOS−FET、T191はノー
ドN32の最大電圧を制限してT190のゲート酸化膜に印加
される電圧を緩和するNチャネルMOS−FET、T192は同様
にノードN31の最小電圧を制限するPチャネルMOS−FE
T、R65は抵抗をそれぞれ示している。この中で、トラン
ジスタT190と抵抗R65にて抵抗負荷のインバータ回路を
構成している。抵抗負荷とすることにより、低電圧側の
1つの入力から、低電圧側と高電圧側の2つの出力を得
ることが出来る。次に、第29図(b)を用いて、この回
路の動作を説明する。なお以下の例では、電源電圧が5
V、バイアス電圧VnおよびVpがともに2.5Vの場合を考え
ている。入力in1が0Vのとき、トランジスタT109はカッ
トオフし、ノードN31は抵抗R65により電源電圧5Vに引き
上げられている、また、ノードN32はVn(2.5V)からト
ランジスタT191のしきい値電圧(例えば0.5V)分だけ低
下した値(2V)になっている。したがって、インバータ
98の出力Outの電圧は0Vである。時間t0において入力in1
が0Vから1.5Vに立ち上がると、トランジスタT190は導通
し、ノードN31はVp(2.5V)にトランジスタT192のしき
い値電圧の絶対値(例えば0.5V)分だけ高い値(3V)
に、ノードN32は0Vに引き落とされ、出力Outは5Vまで上
昇する。時間t1において、入力in1が1.5Vから0Vに下が
ったときも、これと同様に出力Outは5Vから0Vに変化す
る。このように、この回路構成により、1.5Vの入力信号
振幅に対して、出力バッファで必要とされる5Vの出力信
号振幅が得られる。また、この回路では、どのトランジ
スタにも最大2.5V程度の電圧しか印加されないため、薄
いゲート酸化膜(例えば6.5nm)を用いたMOS−FETでも
電源電圧5Vで安定に動作する回路を構成することができ
る。 第30図(a)はコンプリメンタリの低振幅信号in1お
よびin1~を入力とし、高い信号振幅Outを出力する振幅
変換回路の他の構成例、同図(b)はの動作タイミング
を示している。図中、102は第27図(a)に示したもの
と同様の構成のダブルエンド入力、ダブルエンド出力の
作動増幅回路、100と101は第20図(a)に示したものと
同じインバータ回路を示している。ここでもちいたダブ
ルエンド出力の差動増幅回路は定常状態では電流がなが
れないため、先に示した例に比べて、より、低消費電力
の回路を実現できる。また、最終出力段のインバータを
構成する各トランジスタの基板(バックゲート)をNチ
ャネルではマイナス(−2V)に、Pチャネルでは電源電
圧(5V)に対してプラス(7V)にバイアスしている。こ
れにより、例えば、インピーダンスの不整合によるアン
ダーシュートやオーバーシュートが出力に現われても、
PN接合が順方向にバイアスされるのを防ぐことができ
る。したがって、少数キャリアの基板への注入(少数キ
ャリアがメモリセルの電荷蓄積ノードまで拡散するとリ
フレッシュ特性を悪くする)、寄生サイリスタがオンす
ることによるラッチアップなどを防止できる。以上、本
発明によれば、内部回路の低振幅信号(例えば1.5V)か
らCMOSレベルの高振幅信号(例えば5V)を出力する回路
が容易に構成することができる。 一般に、システムを構成する際には、一つのデータバ
スに複数のLSIの出力を接続し、選択されたLSIの出力だ
けがバスを駆動するようにしている。こうした制御を行
なうためには、選択されないLSIの出力インピーダンス
を無限大にすることが望ましい。従来のLSIでは、出力
のレベルとして、高電圧、低電圧、そしてどちらにも駆
動しない(出力インピーダンスは無限大)という3つの
出力(トライステート)特性を持たせていた。このよう
な特性を得るためには、出力を駆動するか(低インピー
ダンス)、しないか(無限大インピーダンス)という制
御を行なう必要がある。この制御のための信号は外部か
ら入力される出力エネーブル信号(Output Enabl=OE)
やチップセレクト信号(Chip Select=CS)などのいず
れかから発生される。従来の出力回路では、これら信号
と出力データとの論理をとり、その結果得られた信号に
より最終段のトランジスタを駆動する、というやり方
で、トライステート特性を実現していた。本発明におい
て同様の出力回路を構成する場合、低電源電圧で論理回
路を動作させ、外部電源電圧で動作する回路には論理回
路を用いないという構成もありうるが。しかし、その場
合には、論理回路から出力までの間に入る振幅変換回路
やインバータの段数が増え、例えば、OE信号から出力ま
での遅延時間が増大したり、高電圧側のトランジスタを
駆動するタイミングと低電圧側のトランジスタを駆動す
るタイミングに差が生じて、過渡的に大きな電流が流れ
るという欠点がある。これに対して、外部電源電圧で論
理回路を構成できれば、より設計の自由度が増し、回路
性能の面からも好ましい。以下には、外部電源電圧で論
理回路を構成した一実施例を説明する。なお、この論理
回路は出力バッファ以外にも、外部電源電圧で動作する
各種回路の制御信号を発生する手段としても有効であ
る。 第31図は本発明による2入力のNAND回路の構成例を示
している。第31図(a)のA入力は同図(b)のin1Aお
よびin2Aに、B入力はin1Bおよびin2Bにそれぞれ対応す
る。各入力信号のうち、in1Aとin2A、またin1Bとin2Bは
第20図(a)のin1およびin2と同様、同相で変化する。
第31図(b)において、トランジスタT200とT201は低電
圧側の入力信号in1Aおよびin1Bにより駆動され、トラン
ジスタT202とT203は高電圧側の入力信号in2Aおよびin2B
により駆動される。トランジスタT204とT205は第20図
(a)のT202とT203と同様、ゲート酸化膜に印加可能な
電圧よりも高い電圧で動作させるために設けたものであ
る。この構成により、2つの入力が共に高レベルのとき
にのみ、出力は低レベルとなるNANDゲートの機能が得ら
れる。このように通常のCMOSのNAND回路に加えて2つの
トランジスタを追加するのみで、微細なトランジスタを
高い電源電圧で用いることができる。なお、ここでは2
入力のNAND回路を例にとって説明したが、その他の、例
えばNOR回路や排他的論理和回路、3入力以上の上記論
理回路、また、複数の論理回路の出力を入力として、種
々の複合論理を出力する複合ゲート、さらには、ラッチ
回路やフリップフロップ回路などの順序回路にも同様に
本発明が適用できる。 第32図(a)は、この論理回路を用いたトライステー
ト出力バッファの構成の一例を示している。第32図
(b)は、それを論理記号により簡単化して示したもの
である。同図においてG12は2入力のNAND回路、G13は2
入力のNOR回路、T210およびT211は出力回路を構成する
NチャネルとPチャネルのMOS−FETである。アウトプッ
トエネーブル信号OEが高電圧のときには、出力DOには入
力dOと同じデータがバッファから出力され、OEが低電圧
のときには入力のデータ如何によらずT210のゲートは低
電圧に、T211のゲートは高電圧に固定されるため、出力
DOはフローティング(インピーダンスがほぼ無限大)に
なる。第32図(a)は、外部電源電圧の値よりも低い耐
圧の微細な素子を用いて構成した、同じ機能を有する回
路の具体的な構成例である。同図において、112はNAND
回路、113はNOR回路、114は出力回路、110と111は第30
図(a)の102と同じ振幅変換回路である。振幅変換回
路は内部回路からの低い電源電圧側の低振幅信号do1、o
e1、oe1~をもとに、112や113を動作させるために必要な
高い電源電圧側の信号do2、oe2、oe2~を発生する。ここ
に示したように、本発明によれば、微細な素子を用いて
も、その耐圧を越える外部電源電圧で動作する論理回路
を構成でき、トライステート出力回路などの遅延時間や
過渡電流を低減することができる。 次にCMOSレベルの入力回路の例を第33図により説明す
る。同図において、115は第20図(a)に示したものと
同じインバータ、T220およびT221は入力に大きな信号振
幅が印加されてもトランジスタT222およびT223のゲート
酸化膜に印加される電圧を酸化膜耐圧以下に制限するた
めのトランジスタ、Xは入力信号である。この図におい
て、入力に高い電圧(例えば5V)が印加されても、ノー
ドN40にかかる電圧はVn−VT1(T220)、すなわち2V程度
に制限される。また、同様に入力に低い電圧(例えば0
V)が印加されても、ノードN41にかかる電圧の最小値は
3V程度であり、各トランジスタに印加される電圧を電源
電圧の半分程度にまで低下させることができる。また、
この回路の出力の一つであるx1~の信号振幅は約2Vであ
るから、これをそのまま低電源電圧で動作する内部回路
の入力とすることができる。 以上の実施例では、CMOSレベルの出力回路および入力
回路の例を説明した。次に、電源電圧の値によって自動
的にTTLレベルとCMOSレベルを切り換える入力回路およ
び出力回路の例を第34図(a)に示す。同図においてPA
DIは入力パッド、PADOは出力パッド、IPDは静電気によ
る接合やゲートの破壊を防ぐための入力保護素子、IB5
は入力バッファ、OB5は出力バッファをそれぞれ示して
いる。なお、入力保護素子については後で詳しく説明す
る。入力バッファIB5は、CMOSインバータを構成する2
つのMOS−FET TIN1とTIP1、CMOSインバータの電源電圧
をバイアス電圧Vn1により決まる所定の値以下に制限す
るためのNチャネルMOS−FET TIN2、CMOSインバータの
入力電圧を同様に所定の値以下に制限するためのNチャ
ネルMOS−FET TIN0、から構成される。また、出力バッ
ファOB5は、第20図(a)に示したのと同様のインバー
タ116、内部回路からの低振幅信号doutをもとにインバ
ータの駆動信号d1およびd2を発生する振幅変換回路11
7、インバータの出力電圧をバイアス電圧Vn1により決ま
る所定の値以下に制限するためのNチャネルMOS−FET T
ON2、から構成されている。なお第32図に示したのと同
様に、出力エネーブル信号との論理を取ることにより、
トライステート出力特性を有するバッファを構成できる
ことは言うまでもない。さて、これら回路において、バ
イアス電圧Vn1の値を電源電圧に応じて適当に変化させ
ると、高い電源電圧ではTTLレベル、低い電源電圧ではC
MOSレベルで入出力を行なうことができる。第34図
(b)は、バイアス電源電圧Vn1の値の電源電圧VCCに対
する依存性の一例を示している。図において、VOLとVOH
はそれぞれ“0"と“1"に対応するTTLの出力レベル、VIL
とVIHはそれぞれ“0"と“1"に対応するTTLの入力レベル
を示している。通常のTTL論理ゲートにおけるこれらの
値は、VOL=0.4V、VOH2.4V、VIL=0.8V、そしてVIH=2.
0Vである。また、バイアス電源電圧Vn1の値は、電源電
圧が2.5V以上のときには3V、電源電圧が2.5V以下のとき
にはTIN0が非飽和領域で動作するように、例えばVCC
0.5Vとなるように制御している。始めに、出力バッファ
回路の動作から説明する。ノードN48の電圧は、低電圧
(“0")を出力するときには0V、高電圧(“1")を出力
するときにはVCCとなる。したがって、低電圧出力時に
は電源電圧の値によらず0VがDoutに出力される。一方、
高電圧出力時のDoutの電圧値は第34図(b)に示す様に
電源電圧VCCの値に依存し、VCC≧3VのときにはVn1−VT1
(TON2)、VCC<3VのときにはVCCになる。これにより、
電源電圧が3V以上では、TTLレベルの出力特性を満たす
出力電圧振幅を得ることができる。なお、このように出
力電圧が2.5V以下になるように制限することにより、大
きな負荷容量を充放電する際の電源電流を必要最小限に
低減することができる。次に、入力バッファ回路の動作
を説明する。TIN1とTIP1とにより構成されるCMOSインバ
ータの電源電圧はトランジスタTIN1のソース端子から供
給される。したがって、その値は、電源電圧が3V以上の
時には2.5V、3V以下のときには0Vとなる。一方、電源電
圧が3V以上のときにはインバータの入力電圧は2.5V以下
になるように制限され、3V以下のときにはDinに入力さ
れた電圧がそのまま印加される。この回路構成により、
電源電圧が例えば1Vから5.5Vまで大きく変化しても、上
記インバータの電源電圧と入力信号の最大振幅はほぼ等
しくなる。インバータを構成する2つのトランジスタの
チャネルコンダクタンスをほぼ等しく設定しておけば、
インバータの論理しきい値電圧は電源電圧の2分の1に
なる。したがって、電源電圧が3V以上のときの論理しき
い値電圧はやく1.25V、3V以下のときの論理しきい値電
圧はVCC/2となり、ある電圧(この例では3V)を境界に
して、それ以上の電源電圧ではTTLレベル、それ以下の
電源電圧ではCMOSレベルで動作する入力バッファを提供
することができる。以上述べたように、本発明によれ
ば、広い動作電源電圧範囲を有するLSIにおいて、その
電源電圧値における最適な入出力レベルでの動作が可能
とあんる。これにより、最大のノイズマージンを最小の
消費電力で実現できる。なお、出力バッファにおいて、
3つのトランジスタTON0、TON1、TON2の各基板(バック
ゲート)を共通にしている。こうすることにより、出力
端子に高電圧のサージが加えられたときに、その電荷を
大きな電流により高速に放電することができる。これ
は、後で説明する入力保護素子におけるクランプMOS−F
ETの動作と同じで、ブレークダウンにより基板電位が上
昇した際に、接地電位との間に存する寄生バイポーラト
ランジスタをオンしやすくするためである。これによ
り、微細な素子を用いても出力端子の静電破壊耐圧を向
上させることができる。なお、以上の実施例の中で、N
チャネルMOS−FETの基板電圧VBP1の値は、入力電圧がマ
イナスになった(アンダーシュート)ときにPN接合が順
方向にバイアスされないよう、マイナスの値(例えば−
3V)にするのが通例であるが、順方向電流が流れるのを
許容すれば、0Vでも構わない。また、NチャネルMOS−F
ETはP形基板の中に形成しても、あるいは、第14図に示
すようにP基板と電気的に絶縁されたPウェル中に形成
しても良い。後者の場合、Pウェルの抵抗が基板の抵抗
より低いため、寄生バイポーラトランジスタがオンしや
すくなり、静電破壊耐圧を高める効果がある。 上記実施例では、電源電圧よりも高いバイアス電圧V
n1を発生させる必要がある。このようなバイアス電圧を
用いずに入力バッファを構成する例を第35図(a)に示
す。同図において入力バッファIB6は2つの回路ブロッ
ク、IB6aおよびIB6bより構成される。IB6aは第34図
(a)の入力バッファIB5と同じ回路構成である。ま
た、IB6bはIB6aの出力を内部回路を駆動するのに都合の
良い電圧レベルに変換する回路である。IB6bにおいて、
T231とT232はCMOSインバータを構成する2つのMOS−FE
T、T233はdinが低電圧のときノードN52の電位を内部電
源電圧VCLまで引き上げるためのPチャネルMOS−FET、T
230はノードN52が高電圧になったときに、N52からN51
と電流が逆流するのを防ぐためのNチャネルMOS−FETで
ある。この回路構成におけるバイアス電圧Vn2の電源電
圧VCCに対する依存性を第35図(b)に示す。電源電圧
が3V以上のときには3V(一定)、電源電圧が3V以下の時
には電源電圧VCCに等しくなるようにしている。この回
路の動作を2つの場合に分けて説明する。第35図(c)
は電源電圧VCCが5V、内部電源電圧VCLが1.5Vの場合の各
部の動作波形を示している。入力の電圧が低電圧(例え
ば0.4V)のときには、ノードN51の電圧はVn2−VT1(T
IN5)(例えば2.5V)、ノードN52の電圧はVCL(1.5V)
になり、dinには低電圧(0V)が出力される。入力の電
圧が低電圧(例えば0.4V)から高電圧(例えば2.4V)に
変化すると、ノードN50の電圧はそれに追従して上昇
し、ノードN51の電圧を0Vに引き落とす。T230のチャネ
ルコンダクタンスはT233のそれよりも大きく設定されて
おり、ノードN52の電圧もほぼ0Vまで引き落とされ、din
の値はVCL(1.5V)まで上昇する。これと逆に、入力の
電圧が高電圧(例えば2.4V)から低電圧(例えば0。4
V)に変化すると、ノードN50の電圧はそれに追従して降
下し、ノードN51の電圧をVn2−VT1(TIN5)(例えば2.5
V)まで引き上げる。これにより、ノードN52の電圧はV
CL−VT1(T230)(例えば1.2V)まで引き上げられ、din
を0Vに引き落とす。これにより、T233がオンし、ノード
N52の電圧をVCL−VT1(T230)からVCL(1.5V)まで引き
上げる。このように、T233によりノードN52に帰還させ
ているため、N22の電圧振幅は電源電圧と同じにり、T
231とT232とで構成されるCMOSインバータに貫通電流が
流れなくすることができる。 次に、第35図(d)は電源電圧VCCと内部電源電圧VCL
が共に1.5Vの場合の各部の動作波形を示している。入力
の電圧が低電圧(例えば0V)のときには、ノードN51
電圧はVn2−VT1(TIN5)(例えば1.2V)、ノードN52
電圧はVCL(1.5V)になり、dinには低電圧(0V)が出力
される。入力の電圧が低電圧(例えば0V)から高電圧
(例えば1.5V)に変化すると、ノードN50の電圧はVn2
VT1(TIN5)(例えば1.2V)まで上昇し、ノードN51の電
圧を0Vに引き落とす。T230のチャネルコンダクタンスは
T233のそれよりも大きく設定されており、ノードN52
電圧もほぼ0Vまで引き落とされ、dinの値はVCL(1.5V)
まで上昇する。これと逆に、入力の電圧が高電圧(例え
ば1.5V)から低電圧(例えば0V)に変化すると、ノード
N50の電圧はそれに追従して0Vまで降下し、ノードN51
電圧をVn2−VT1(TIN5)(例えば1.2V)まで引き上げ
る。これにより、ノードN52の電圧はVCL−VT1(T230
(例えば1.2V)まで引き上げられ、dinを0Vに引き落と
す。これによりT233がオンし、ノードN52の電圧をVCL
VT1(T230)からVCL(1.5V)まで引き上げる。このよう
に、電源電圧が低く、IB6aの出力振幅が電源電圧以下の
場合であってもノードN52の電圧振幅は電源電圧と同じ
になるため、T231とT232とで構成されるCMOSインバータ
には貫通電流が流れない。以上述べたように、電源電圧
より高いバイアス電圧を用いなくても、その入出力レベ
ルを電源電圧の値に応じて切り換える入出力バッファを
実現することができる。 最後に、微細な素子により構成されたLSIにおいて、
入力のサージから内部回路の素子を保護する入力保護素
子の構成例を第36図(a)に示す。同図において、PADI
は信号を入力する入力パッド、120は半導体基板中に形
成された不純物拡散層間のパンチスルーを利用して、サ
ージによル高い電圧を接地電位に逃がしてやるための第
1の保護素子、121はノードN60の電圧を、ある所定の電
圧以下に制限するためのゲートクランプ素子、R70はパ
ッドに印加された高電圧とクランプ電圧との差を吸収す
るための抵抗である。ゲートクランプ素子は、直列接続
された2つのNチャネルMOS−FET TPD1およびTPD2、そ
して寄生素子を利用したバイポーラトランジスタQ1とか
ら構成されている。TPD1のゲートには前述した回路と同
様、バイアス電圧Vnを印加し、TPD2のドレインにゲート
酸化膜耐圧を越える電圧がかかるのを防いでいる。TPD2
のゲートは接地し、通常動作中は2つのMOS−FETを通し
て電流が流れないようにしている。ゲートクランプ素子
の平面構造を第36図(b)に、そのA,A′における断面
構造を第36図(c)に、それぞれ示す。第36図(b)に
おいて、122および123は互いに電気的に絶縁され半導体
基板中に形成された電気的に活性な領域、124および125
はポリシリコンなどを材料とするゲート電極、126から1
30までは電気的に活性な領域中に形成された不純物拡散
層、あるいはゲート電極に上部の金属配線から電気的な
接続を行なうために絶縁膜を貫通して設けられたコンタ
クト孔、131から134まではアルミニウムなどを材料とす
る金属配線をそれぞれ示している。また、第36図(c)
において、50は半導体基板中の電気的活性領域の間を電
気的に絶縁するために基板の酸化などより形成された厚
い絶縁膜、139と14はゲート電極を成すポリシリコン、1
35から138では上記絶縁膜あるいはゲート電極をマスク
として自己整合的に基板中に形成した不純物拡散層、14
1は不純物拡散層やゲート電極と上部に位置する金属配
線間の電気的な絶縁を行なうために形成した厚い絶縁
膜、をそれぞれ示している。図の構造において、配線13
2にはクランプされる端子(ノードN60)、配線133おび1
34には接地端子(VSS)、配線133にはバイアス電圧V
nを、それぞれ印加する。第36図(c)において、P基
板をベースとする3つのNPN形の寄生バイポーラトラン
ジスタQ1a、Q1b、そしてQ1cが存在する。第36図(a)
のQ1はこれらを代表して示したものである。次に、この
素子の動作を説明する。ノードN60に印加された電圧
が、不純物拡散層136と基板との間に形成されるPN接合
の逆方向耐圧を越えると、接合の降伏による電流がP基
板の電位を上昇させ、先の寄生バイポーラトランジスタ
をオンさせる。これにより、不純物拡散層136と135、あ
るいは138との間に大きなコレクタ電流が流れ、ノードN
60の電荷を引き抜き、その電位をクランプする。これら
のうちQ1bとQ1cは直列に接続されるため、Q1aに比べて
コレクタ電流は小さくなる。したがって、実効的には最
初に降伏を起こし、寄生バイポーラトランジスタをオン
させるのはMOS−FETが行ない、その後、大きなコレクタ
電流を流すのは寄生バイポーラトランジスタQ1aが行な
う。このように、ノードN60の近くにトランジスタの不
純物拡散層とは別の不純物拡散層を配し、それを接地す
ることにより、寄生バイポーラトランジスタのコレクタ
とエミッタの実効的な距離を短くし、寄生バイポーラト
ランジスタが動作したときのコレクタ電流を大きくとる
ことがでる。このように、クランプする端子の近くに接
地された不純物拡散層を配する構成は、入力保護素子の
みならず、出力の保護素子としても適用できる。また、
この例では、ゲートクランプ素子をP基板中に形成した
が、第14図に示すような構造で、基板と電気的に分離さ
れたPウェル中に形成してもよい。こうすることによ
り、ベースとPウェルの抵抗値が高くなり、寄生バイボ
ーラトランジスタがオンしやすくなり、クランプの効果
をさらに高めることができる。なお、P基板またはPウ
ェルのバイアス電圧VBP1の値は、マイナスの値(例えば
−3V)にするのが通例であるが、入力のアンダーシュー
トに対して順方向電流が流れるのを許容すれば、0Vでも
構わない。また、この実施例ではP基板を用いた例につ
いて説明したが、N基板を用いても、Pウェル中に同素
子を形成すば同様に本発明が適用できる。 以上、各実施例によって本発明の詳細を説明したが、
本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例
えば、ここでは主にメモリ回路を主体に記述したが、本
明細書冒頭にも述べたように、メモリLSI、論理LSI、あ
るいは、これらを組合せた複合LSI、あるいはその他のL
SI全てに適用可能である。また、使用する素子の種類に
ついても、p型、n型の両MOSトランジスタを使用したL
SI、バイポーラトランジスタを用いたLSI、接合型FETを
を用いたLSI、CMOSトランジスタとバイポーラトランジ
スタを組合せたBiCMOS型のLSI、さらにはシリコン以外
の材料、例えばガリウム砒素などの基板に素子を形成し
たLSIなどでも、そのまま適用できる。
 FIG. 1 illustrates the basic concept of an LSI chip according to the present invention.
This is an example. In the figure, reference numeral 1 denotes an LSI chip, which is generally used.
LSI chip with information storage function or information processing function
Points, such as dynamic and static types.
Random access memory (RAM) or serial access
Memory (SAM) or read-only memory (ROM)
Which memory LSI and even microprocessor (MP
U), memory management unit (MMU), floating point
Logic LSI such as arithmetic unit (FPU),
Any form, such as a system LSI that integrates multiple
A type LSI chip may be used. In addition, its components are
Transistor, MIS transistor, these elements
Combination of elements or materials other than silicon, such as gully
An element of arsenic may be used. 2 is the fall of the external power supply voltage
Detects the bottom and shifts to battery backup state, power supply
It is an example of a circuit. With such a power supply circuit, commercial power supply
V due to momentary interruption ofEXTIs reduced, the LSI chip
Required information can be prevented from being lost. Among them, 3 is power supply
Voltage drop detection circuit, SW
Switch for preventing current from flowing to the source terminal;
Is the switch control signal, B is the battery, VBTIs the voltage
In the information retention mode, this current is used as a power supply
The whole top works. D indicates that current flows through the battery during normal operation.
This is a diode for preventing the light from entering. This power supply
Depending on the circuit, VEXTBut information retention
At times, VBTIs applied to the power supply terminal (PAD1) of the chip
Is done. Now, in this example, the difference between the normal operation and the
Detected by detection means on the LSI chip. Where 5a, 5b
Is a main circuit block, 5 is a set of them, 6 is a chip
Power supply voltage V input from outsideCCThe power supply of each circuit block
Pressure VCL1, VCLnPower supply voltage conversion circuit
You. Among 6, 6 a and 6 c are conversion circuits for normal operation, 6
Reference numerals b and 6d denote conversion circuits for holding information. General
In addition, when information is retained, the circuit
Since the operating voltage and operating current can be small, supply the power supply voltage.
Supply current of the supplied voltage conversion circuit
No problem if dropped. This allows the main circuit block
Power consumption of the entire LSI chip
The flow can be significantly reduced. In this example,
Shows a method of switching between two voltage conversion circuits.
The number of conversion circuits may be three or more. Also, 1
Output voltage and current consumption using two voltage conversion circuits.
You can change it. SW6a and SW6c are VCCIs VCL1And VCLnUp to a value approximately equal to
If it drops, the power supply voltage VCCDirectly on the circuit block
Switch to add. Using switches
The voltage conversion circuit is turned off and the current consumption is further reduced.
Can be reduced. In the above example, the switch and
A power supply voltage conversion circuit is constituted by a plurality of voltage conversion circuits.
Was described, but if a similar effect is obtained, one
May be used. Also, in FIG.
Is the reference voltage VLIs a generation circuit. Based on this voltage, the internal
Source voltage VCL1And VCLnOccurs. 8 is an information holding operation state
This is a circuit for generating a signal PD indicating that there is. How PD occurs
As the power supply voltage VCC
And the reference voltage Vcx, and if the former is smaller than the latter,
The method of outputting PD at the time is used. 10 is Remi
This is a circuit for generating the enable signal LM. Power supply voltage is
Voltage conversion circuit (voltage limiter) higher than the unit power supply voltage
High voltage (“1”) when operating
Low when the voltage drops to a value equal to the internal power supply voltage.
Outputs voltage (“1”) respectively. Power in the latter case
Apply voltage directly to the circuit block and simultaneously convert the voltage
Keep the current consumption low without operating the circuit. Shown in the figure
In the example, the power supply voltage VCCAnd reference voltage VLXAnd compare the former
LM is output when is larger than the latter. Two letters
The power supply voltage of the power supply voltage conversion circuit and the power
Current consumption can be switched. 7 in the figure
The I / O buffer 11 is used to control signals and data with the outside of the chip.
I / O bus for sending and receiving, 12 is inside the chip
For exchanging control signals and data between circuit blocks
It is an internal bus. The input / output buffer also functions as a level conversion circuit.
The logic signal amplitude inside the chip and the external logic signal
Transfer control signals and data even if the amplitudes do not match.
can do. In the information holding operation state,
Transfers data with control signals when the chip is closed outside and inside
Since there is no need to perform the
Turn off the output buffer. FIG. 2 (a) shows the power supply voltage VCCAnd internal power supply voltage VCLconnection of
It is a figure showing an example of. In the figure, the horizontal axis is the power supply voltage VCC,
The vertical axis is the internal power supply voltage VCLCorresponding to Here, the standard
The source voltage is 3 to 3.6 V, the power supply voltage for holding information is 1 to 2 V,
Reference voltage for switching between quasi-operation and information retention
VCX2.5V, but the minimum value V of the standard power supply voltageCC (min),
Maximum power supply voltage V when information is retainedBT (max), Reference voltage VCX
BetweenBT (max) <VCX<VCC (min) If the following relationship holds, the values may not be the values shown here.
I don't know. In addition, the internal power supply voltage V during standard operationCLIs
1.5V, but the power supply voltage VCCOf the circuit within the range not exceeding
It is OK to set an appropriate voltage value according to the operating performance.
No. In this example, the power supply voltage is 1.5 V or less.
And power supply voltage VCCIs directly applied to the internal circuit,CL
Is set to 1.5V. In this LSI chip, the power supply voltage VCCChanges over time
The internal power supply voltage VCL, Two control signals LM, PD
FIG. 2 (b) shows an example of each time change. here
Then time t0~ TThreeOver the power supply voltage VCCLow to 3.5-1V
Lower, time tFour~ T7Over the power supply voltage VCCTo 1-3.5V
I'm thinking of going up. Power supply voltage VCCIs VCL= 2.5V
T1~ TFiveSignal PD is high voltage (“1”) during
And the chip enters the information holding state. Also, the power supply voltage
VCCIs VLXT = less than 1.5VTwo~ TFiveSignal LM
Is low voltage (“0”), and the chip has the power supply voltage VCCIs straightforward
Contact and applied. Note that the voltage values shown here are
This is an example, and other combinations of voltages can be similarly applied. FIGS. 2 (c) and (d) show the limiter enable
An example of a method and a circuit configuration for generating the
You. The signal LM is the power supply voltage VCCWhen we lowered
And the internal power supply voltage VCLHigh for the first time equal
Just change from voltage (“1”) to low voltage (“0”)
No. In this example, the power supply voltage VCCVoltage β × V proportional to
CC(0 ≦ β ≦ 1) and the reference voltage VLAnd comparison by comparison circuit
High voltage (“1”) when the former is large, small when the former
Sometimes a low voltage ("0") is output. Power supply like this
Voltage VCCBetween high voltage and low voltage using a voltage proportional to
By inputting the voltage, the voltage gain of the comparator
Good for circuit operation, such as large size
No. For example, β = 0.5, VLV = 0.75VLX= 1.5V
And the power supply voltage VCCIs higher than 1.5V
Cable signal LM becomes high voltage ("1"), and the voltage conversion circuit
Operate. Where power supply voltage VCCThe voltage proportional to
It can be caused by division or the like. FIGS. 2E and 2F show the information holding state signal PD.
An example of a method and a circuit configuration for generating the above will be described. Basic
Can be configured by a circuit similar to the LM generation circuit described above.
In this case, the power supply voltage VCCVoltage α × V proportional toCC(0 ≦ α
.Ltoreq.1) is input to the inverting input of the comparison circuit. For example,
α = 0.5, VLWhen = 0.75v, VCX= 2.5V, power supply
Pressure VCCIs 2.5V or less, the information holding state signal PD is high voltage.
(“1”), and the information is held. Here, the power supply
Pressure VCCThe voltage proportional to1And RTwoGenerated by resistance division
Alive. Resistance R1And RTwoIndicates that the
Pure diffusion layer, polysilicon, and MIS-FET channel
Any configuration may be used, such as a resistor. FIG. 3 (a) includes a static memory as a part thereof.
1 shows an embodiment in which the present invention is applied to an LSI. Figure
Inside, 5c is a memory cell array of static memory, 5d is
Circuit blocks that do not need to hold information such as logic circuits.
And each power supply voltage is VCL2And VCL1It is. Note
The recell is four N-channel MOS-FET T6~ T9And two
Anti-element R7, R8It consists of Assuming that the resistance value is R,
The current value flowing per memory cell is VCL2/ R and
You. Therefore, the noise margin (noise marker)
(Gin) as low as possible within the range that can be secured
It is desirable. In this example, as shown in FIG.
Is V in standard operationCL21.5V, V when information is heldCL2With 1V
doing. The logic circuit block 5d includes an inverter and a logic gate.
And the like. In the figure, there is an arrow
T11, T13Is P-channel MOS-FET, other TTen, T12Is N
2 shows a channel MOS-FET. When holding information,
Since the logic circuit does not need to operate, supply the power supply voltage.
There is no need to pay. Therefore, here, the standard operation
VCL11.5V, V when information is heldCL1Is set to 0V. Internal power supply
Voltage VCL2And VCL1Is the power supply voltage conversion circuit 6e or switch.
P-channel MOS-FET T operating as switch1With
Be paid. The power supply voltage conversion circuit is a differential amplifier circuit A1, Differential
A resistor created to control the operating current of the amplifier circuit
RThreeAnd two N-channel MOS-FETs TThree, TFour, Differential amplifier circuit
3 to control the amount of feedback to the inverting input terminal of
Two resistors RFour~ R6And P-channel MOS-FET TFive, And sui
P-channel MOS-FET T operating as switchTwo, And
Has been established. High power supply voltage, internal power supply voltage VCCOr
The limiter enable signal LM
High voltage (“1”). At this time, T1Cut off,
At the same time TThreeBecomes conductive and the differential amplifier circuit A1Bias current
Supplied, non-inverting input voltage VLVoltage proportional to
It is. Conversely, when the signal LM is at a low voltage (“0”)
Is TThreeIs cut off, and the bias current is
Will not be supplied. Therefore, the power supply voltage VCCIs directly inside
It is output as the unit power supply voltage. Information during the information holding operation
The hold signal PD becomes high voltage (“1”). At this time,
Transistor TTwoCuts off and supplies power to the circuit block 5d.
Stop paying. On the other hand, TFourCut off the differential amplifier circuit
The value of the bias current of the resistor RThreeDepends on
You. The memorial array consumes in the information holding state
The current is very small and almost constant over time.
It can be regarded as a flow. Therefore, the differential amplifier circuit
The load drive capacity may be much smaller than during standard operation.
Operation even if the bias current is significantly reduced.
There is no. Also at the same time TFiveAnd the feedback of the differential amplifier circuit
By increasing the amount, the internal power
Voltage is decreasing. This allows the chip
The current consumption of the body can be significantly reduced. In addition, this
In the example, VL= 0.75V, RFour= R6= 3RFiveAnd this
When VCL2The value of is 1.5 V during standard operation and 1.
It becomes 0V. FIG. 3 (b) shows the power supply voltage VCCAnd internal power supply voltage VCL2And
And VCL1Is shown as an example. In the figure, the horizontal axis is the power supply
Voltage VCC, The vertical axis is the internal power supply voltage VCLIt is. Here the second
As in the example of FIG.
Power supply voltage is 1-2V when switching between standard operation and information retention.
Reference voltage V for performing replacementCXWas set to 2.5V. Mark
Internal power supply voltage V during quasi-operationCL2And VCL1Is 1.5V,
Internal power supply voltage V when information is retainedCL2Was 1V, but
The operating performance of the circuit must not exceed the power supply voltage V.
An appropriate voltage value can be set accordingly. In this LSI chip, the power supply voltage VCCChanges over time
The internal power supply voltage VCL2And VCL1Two controls
FIG. 3 (c) shows an example of the time change of each of the signals LM and PD.
Show. Here, time t0~ TTwoOver the power supply voltage VCCBut
3.3 to 2V, time tThree~ TFiveOver the power supply voltage VCCBut
A case where the voltage rises to 2 to 3.3V is considered. Power supply voltage VCCBut
A case where the voltage rises to 2 to 3.3V is considered. Power supply voltage VCCIs V
CXT becomes less than 2.5V1~ TFourSignal PD is high during
Pressure ("1"), and the chip enters an information holding state. Ma
In this time range, the power supply voltage VCCIs more than 1.5V
The signal LM remains at high voltage (“1”)
is there. According to the above-described embodiment, during normal operation,
It operates quickly and requires minimal power when retaining information.
Static memory or information that can hold information
Implements an LSI that includes static memory as a part of it.
Can be In the above embodiment, a high resistance load is used.
Describes an example using static memory cells
However, in addition, for example, two CMOS inverters and two
CMOS type memory cell composed of selection transistors
Latch circuit using two NAND gates or NOR gates
The present invention is similarly applied to the case where a memory
Can be used. FIG. 4A shows the application of the present invention to a dynamic memory.
An example is shown. In the figure, 5e is a power supply of 1.5V or less
Dynamic memory that operates with voltage
The recell is an N-channel MOS-FET T18And storage capacity CS1
It consists of. 13 is a memory cell array, 14 is a row
C Address buffer, 15 is the column address buffer
16 is the row address strobe (RAS) input bus.
Buffer 17 with column address strobe (CAS)
Power buffer, 18 is a write enable (WE) input buffer
19, data input buffer, 20 is data output buffer
, 21 is the source of the row address strobe (RAS) signal
A clock generation circuit that generates a control clock at
Control strobe (CAS) signal based on the
Clock generation circuit that generates lock, 23 is write clock
24 is the refresh (RESH) signal generation circuit
Path, 25 is the refresh address generation circuit, 26 is the refresh address
Switch that switches between the flash address and the external input address.
It is a Luchiplexa. Storage capacity for dynamic memory
CS1Information is stored by storing electric charges in
Therefore, even when information is held, the signal charge is read periodically.
So-called refresh operation,
And some peripheral circuits other than the memory cell array also operate.
It needs to be made. Also ensure sufficient noise margin
Therefore, when information is retained, the same signal as in standard operation is used.
It is necessary to secure the signal charge amount. So, in this example,
As shown in FIG. 4 (b), when information is held and during standard operation,
It does not change the internal power supply voltage and keeps it at 1.5V (constant).
When holding information, input / output with the outside of the chip is required
Therefore, all I / O buffers 14 to 20 are controlled by the signal PD.
Cut off. In addition, the signal PD
Control, and a refresh address is issued when information is held.
Switching to the address output by the raw circuit. Re
During the fresh operation, the signal RFSH goes high (“1”).
You. This signal is input / output to the refresh address generator.
The refresh address is sequentially incremented or decremented.
Let At the same time, RFSH starts the clock generation circuit 21 and resets it.
Generates the clock required for freshness. Internal power supply voltage
VCLOperates as power supply voltage conversion circuit 6f and switch
P-channel MOS-FET T14And supplied by Power supply
The voltage conversion circuit is a differential amplifier circuit ATwoOperation of the differential amplifier circuit
Resistor R created to control current9And three N
Channel MOS-FET TFifteen, T16, T17Inverting input of differential amplifier circuit
Two resistors R to control the amount of feedback to the terminal
Ten, R11It is composed of High power supply voltage, internal
Supply voltage to VCCWhen descending from
The enable signal LM becomes high voltage ("1"). At this time, T14
become. At this time, T14Cuts off at the same time as TFifteenBut
Conducted, differential amplifier circuit ATwoBias current is supplied to
Inverting input voltage VLIs output. This and
Conversely, when the signal LM is at a low voltage (“0”), TFifteenBut
And the bias current is not supplied to the differential amplifier circuit.
Become. Therefore, the power supply voltage VCCDirectly with the internal power supply voltage
And output. During the information holding operation, the information holding signal PD
High voltage (“1”). At this time, T16Cut off
And the value of the bias current of the differential amplifier9By
I have decided. In the information holding state and when peripheral circuits operate
The current consumption is small during the period when there is no current. Therefore, differential amplification
The load drive capability of the circuit is much smaller than in standard operation
Even if the bias current is significantly reduced,
There is no problem. During refresh operation, the signal RFSH is
Feedback to the conversion circuit 6 and T17And the differential
Set the bias current of the amplifier circuit to the same value as during standard operation.
ing. By doing so, the refresh operation period
Power supply necessary for charging and discharging data lines and operating peripheral circuits.
A stream can be supplied. Therefore, when holding information
The overall chip without reducing the noise margin
The current consumption can be significantly reduced. Note that this example
Then VL= 0.75V, RTen= R11As VCL= 1.5V
However, other combinations of voltage values and resistance values may be used. In this LSI chip, the power supply voltage VCCChanges over time
The internal power supply voltage VCL, Two control signals LM, P
D, refresh signal RSFH and differential amplifier circuit
FIG. 4 (b) shows an example of each time change of the ass current value.
Show. Here, time t0~ TTwoOver the power supply voltage VCCBut
3.3 to 2V, time tThree~ TFiveOver the power supply voltage VCCBut
A case where the voltage rises to 2 to 3.3V is considered. Power supply voltage VCCIs V
CXT becomes less than 2.5V1~ TFourSignal PD is high during
Pressure ("1"), and the chip enters an information holding state. Ma
In this time range, the power supply voltage VCCIs less than 1.5V
Signal LM remains at high voltage ("1").
You. During the information retention period, during refresh operation, the standard operation
Bias current I about the same as when makingB1The rest, otherwise
Minute value IB2Is flowing. In the example described above, row access is performed from the same address bus.
Capture by switching the address and column address temporally
Use the so-called address multiplexer method.
However, there is a general method to capture all addresses at the same time.
Even if it is used, the present invention can be similarly applied. Also, Japanese Patent Application No. 63-
148104 and Japanese Patent Application No. 63-222317.
Dyna to reduce data line voltage amplitude by driving rate
The use of memory allows for lower power consumption memory.
Moly can be realized. FIGS. 5 (a) and 5 (b) show riffs when information is held.
An example of the timing of the refresh signal RFSH is shown. This
Here, all memory arrays are refreshed in 4096 cycles.
FIG. Power supply voltage, for example, 1.5V
Power consumption of the entire memory
Large capacity of about 64Mb
Refresh cycle increased from 4096
This makes it easier to configure the system. Emotion
Transition to the information hold state and concentrated refresh in the first 4096 cycles.
, A relatively short period TC1Generates signal RFSH
Let me. This is a refresh during normal operation
Control is independent of RFSH internal refresh
It is. By performing such initialization, the state changes.
The refresh cycle specification is not satisfied before and after the execution
Danger can be avoided. In FIG. 5 (a), the collection
After a medium refresh, a certain period TC2Generates signal RFSH
Let me. On the other hand, in FIG.C3so
Intensive refresh that repeats intensive refresh
The period of the middle signal RFSH is the same as the first burst refresh
Value TC1I have to. This can be any other value,
Although the same value is used for the configuration of the signal generation circuit, it is convenient.
No. FIG. 6 shows a refresh cycle for the example of FIG. 5 (a).
Period TC21 shows an example of the chip temperature dependence of the above. Chips
The relationship between temperature and information retention time is, for example, IEE
・ E-Transactions on Electron De
Vices, Vol. 35, No. 8, pp. 1257-1263 (1987)
(IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 35, No.
8, pp. 1257-1263, August 1987)
You. According to this, the chip temperature changes from 0 to 100 ° C
The change in the information retention time is about three digits. Accordingly
And the refresh cycle TC2Is changed as shown in FIG.
If this is the case, it can be adjusted to the actual information retention characteristics. information
In the holding state, the power consumption of the chip is extremely small
The difference between the ambient temperature and the chip temperature
No. Therefore, by using at low ambient temperature,
The refresh cycle can be extended to further reduce power consumption.
it can. As a result, portable electronic devices powered by batteries
Provide dynamic memory suitable for mounting in etc.
be able to. It has a temperature dependence as shown in FIG.
Such an oscillator circuit is described in JP-A-60-136088. FIG. 7 shows a refresh operation in the example of FIG. 5 (b).
An example when a defect occurs is shown. In the figure, horizontal
The axis is the refresh cycle, and the vertical axis is the cumulative failure frequency. Re
Fresh cycle TC3Only one bit is defective
ing. If only a small part of the memory is bad,
Set a re-cell on a spare memory previously provided on the chip.
A so-called defect that is repaired by replacing it with a molycell
There are relief techniques. This technology is, for example,
ー E Journal of Solid State Services
-Kits, Vol. 16, No. 5, pp. 479-487 (1981) (IE
EE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 16, No. 5, p
479-487, 1981). This technology
Is also suitable for refresh failures as shown in FIG.
Can be used. However, conventional defect relief technology requires
Since it requires a memory cell, it causes an increase in chip area.
There was a drawback. 8 (a), (b) and (c) show
The reason is that refresh failures without using spare memory cells
This is an example of a rescue technique. This is shown in FIG.
Cycle TC3Only those memory cells that fail
Also a short period, for example TC4Refreshing with
It is. This will be described below with reference to FIG. Fig. 8 (a)
When using this defect relief technology,
Shows an example of the timing of the refresh signal RFSH.
You. Here, if address 1 has a refresh failure,
I'm thinking As shown in the figure, one concentrated reflation
Cycle T during the next burst refresh fromC4Ad in
Refreshing Les 1 This way, all addresses
The short period TC4Power consumption compared to refreshing with
The flow can be significantly reduced. Each refresh cycle
Between 4096 × TC1≤TC4≤TC3Must be satisfied.
FIG. 8 (b) shows a refresh address and a refresh address.
An example of a circuit configuration for generating the reset signal RFSH is shown in FIG.
The operation timing of FIG. In FIG.
OSC is clock φ0Oscillator, DV1, DVFour, DVThreeIs
Clock φ0Clock φ having a period that is an integral multiple of1,
φFour, ΦThreeFrequency divider, 30 is a 13-bit synchronous
Counter, 31 is a refresh address generator, 32
Is a refresh signal (RFSH) generation circuit, I1Is Invar
G1Is AND gate, GTwoIndicates an OR gate, respectively.
You. The counter is clock φ1Operates by the reset terminal.
High voltage (“1”) is applied and all counter outputs are low voltage
Counting starts from the state reset to “0”. Out
Output Q when force reaches 409712Becomes high voltage (“1”),
Stop the number. In the figure, e is a counter enable signal.
You. During the operation of the counter, e is at high voltage ("1").
Output of the refresh address generation circuitr0~ Ar11To
Is the output Q of the counter0~ Q11Is output. Counter stops
After stopping, e becomes low voltage (“0”) and as0~ As11To
Bad address as0~ As11Is output. Similarly, count
Clock φ during operation1However, after the counter stops, the clock
ΦFour, Are output from the refresh signal generation circuit
Is done. As a result, during the operation of the counter, the period TC1Tsu 4
Intensive refresh is performed 096 times, and after the counter stops, cycle T
C4Can refresh only defective addresses
You. Here, only one defective address is repaired.
An example has been described, but when repairing multiple defective addresses
The present invention can be similarly applied to the case. According to the above-described embodiment, during normal operation,
It operates quickly and requires minimal power when retaining information.
A dynamic memory that can hold information
Implements LSIs that include dynamic memory as part of
Can be Furthermore, with conventional dynamic memory
Fig. 4 shows the problem of power supply voltage fluctuation.
As shown, the internal circuit is operated at a low voltage such as 1.5V.
The external power supply voltage changes greatly
Can also be operated stably. In the embodiment described so far, the standard operating state
Detection on the LSI chip to detect the difference between the information retention operation state
Operation status from outside the chip.
You can control it. FIG. 9 shows the information holding state
Another aspect of the present invention that controls the migration of
An example is shown. Among them, 4b is input from outside the chip
The information holding state signal 1B is the same as the LSI chip shown in FIG.
LSI chip with information storage function or information processing function
FAD3 is a bond for receiving the information holding state signal.
2 shows a padding. The LSI chip shown in Fig. 1
The difference from the chip is that the detection means and the information
There is no need to provide a means for generating a signal. This chip
The chip may be designed separately from the LSI chip of FIG.
Design of two chips, switching of bonding and aluminum
It may be divided by the master slice of the nickel wiring. FIG. 10 (a) shows the LSI chip of FIG.
FIG. The voltage value of the battery
Is distributed over a wide range, such as 1 to 3.6 V, depending on the type. But
To detect the transition to the information holding state by voltage change
The system can be controlled from outside compared to
Is convenient. FIG. 10 (b) shows the internal power supply voltage VCLPower supply
Voltage VCCShows the dependency on In this example,
The quasi power supply voltage range is 1 to 3.6V, and V is 1.5 to 3.6V.
CLV when = 1 to 1.5VCL= VCCAnd do this
This allows for a wide power supply voltage range of 1 to 3.6V
Change in the internal power supply voltage can be kept small,
Power supply with operating performance such as operating speed, current consumption, and operating margin
An LSI having almost no pressure dependency can be realized.
In addition, without changing the power supply voltage,
System can be shifted to the
Operates on batteries, reducing unnecessary power consumption depending on conditions
The operation time of the electronic device can be extended. The battery backup circuit shown in FIGS.
And switch the power supply on the chip
FIG. 11A shows a configuration example of the LSI thus configured. This figure
1C has an information storage function like the LSI chip of FIG.
Or LSI chip with information processing function, 40 is power switch
Circuit, power supply drop detection circuit 41, SL, SBIs power drop detection
Switching signal generated by the circuit, SW40a, SW40bIs the switching signal
SL, SBSwitch to switch the power supply, and PAD4
Each bonding pad for applying the pond voltage
Is shown. In this way, the power supply can be switched on the chip
Battery backup to the system (board)
There is no need to mount a top-down circuit, reducing the number of parts.
And the manufacturing cost and packaging density can be improved. In addition, LSI
Since a power supply switching circuit according to the characteristics can be mounted,
The power supply voltage transient
Providing an easy-to-use chip without having to worry
Can be. FIG. 11 (b) shows a specific example of the power supply switching circuit 40.
2 shows a typical configuration example. In the figure, 42 and 43 are differential
Width circuit, 44, 45 is its output, T19, T20Is the power switch
A P-channel MOS-FET 46 corresponding to a switch for performing
This is the output of the source switching circuit. The operation of this circuit is described below.
explain. The non-inverting input and inverting input of the differential amplifier circuit 42
Each VCCAnd VBTVoltage γV proportional toCCAnd γVBTApply
You. Similarly, the non-inverting input and the inverting input of the differential amplifier circuit 4 are
Is VBTAnd VCCVoltage γV proportional toBTAnd γVCCApply
I do. Here, γ is a proportionality constant satisfying 0 ≦ γ ≦ 1.
Has sufficient voltage gain and output amplitude of the differential amplifier circuit
It is desirable to set such a value. The proportional voltage is the resistance
It can be obtained by dividing. Output of differential amplifier circuits 42 and 43
44 and 45 are T19, T20Is applied to the gates. Introduction VCC
> VBTConsider the case At this time, a high voltage (V
CC), But a low voltage (~ γVCC−Vr) Is output
And T19Is non-conducting, T20Becomes conductive. Consequently VINT
As VCCIs output. Similarly VCC<VBTIf, output 4
4 has a low voltage (~ γVBT−VT) But high voltage at output 45
(VBT) Is output respectively, and T19Is continuity, T20Is non-conducting
State. As a result, VINTAs VBTIs output.
This circuit is VCCOr VBTOperates in the same way when one of the
Therefore, even when only one power supply is supplied,
The supplied voltage is output as it is as the power supply voltage for the internal circuit.
Is forced. FIG. 11 (c) shows VINTVCCV is an example of dependencyBT
= 1.5V. VCC> 1.5V
Is VINT= VCC, VCC<1.5V for VINT= 1.5V
ing. As shown in the figure, VINTChanges continuously
And kinks that adversely affect LSI operation occur.
I haven't. As shown in the above embodiment, it is relatively simple.
Since the power supply switching circuit can be configured with a simple circuit,
Even if mounted on one LSI, the increase in chip area is small
is there. Here, an example configured using a MOS-FET is shown.
However, even if other, for example, bipolar transistors are used,
It can be realized similarly. In the above embodiment, the main LSI circuit block is 1.5 V or less.
The basic concept of an LSI chip operating below has been described. Less than
Below, we mainly focus on dynamic memory, and more
Examples will be described. Generally, other logic LSIs and status
Dynamic memory operates at a lower voltage than memory
Has been difficult. The first reason is that storage voltage and
The amount of signal charge that can accumulate storage capacitance is reduced by lowering the voltage
However, this is because the signal-to-noise ratio decreases. for that reason,
Trace amounts of radioactive materials contained in packages, metal wiring, etc.
Noise generated by irradiation of alpha rays emitted from
Thermal and non-thermal leakage currents flowing into the load and memory cells
Noise margin for noise charge due to
It has been considered difficult. These problems are the following two
This can be solved by any of the methods. (1) Even at low power supply voltage (for example, 1.5V),
Memory cell storage signal voltage of the same level (for example, low voltage = 0
V, high voltage = 3V). this
In this case, the storage capacity of the memory cell is the same value as before (for example,
For example, 30-40 fF (femto farad) is good. (2) Instead of using the conventional circuit method, the memory cell
Is increased almost in inverse proportion to the power supply voltage. An example
For example, when the power supply voltage = 1.5V, the storage capacity of the memory cell is
60 to 80 fF. Of the above methods, for (1),
In addition to the word and data lines, drive the plate of the memory cell.
The signal amplitude larger than the amplitude of the data line
Japanese Patent Application No. 63-148104 and Japanese Patent Application No. 63-148104
No. 63-222317. Regarding (2),
Japanese Patent Application Shows Technology to Improve Dramatically Increased Capacity
60-267113 and Symposium on VSI
Technology, digest of technical pages
Topaz, pages 29-30 (1988) (1988 Symposium on VL)
SI Technology, Digest of Technical Papers, pp, 29-3
0,1988). Applying these technologies
And secure the accumulated signal charge necessary for stable operation.
Can be The second challenge for low voltage operation is high speed
It is to realize operation and low current consumption at the same time. Third
The challenge is that the low-voltage operation circuit and the high-voltage operation circuit are on the same chip
The realization of the element or the circuit which enables the accumulation in the memory.
The third problem is that the ratio of the voltage values of the high-voltage power supply and the low-voltage power supply
If it is more than twice, it becomes a particular problem. One chip
Forming two types of elements for high voltage and low voltage on top
Japanese Patent Application No. 56-57143 shows an example of solving the third problem
Have been. According to this technology, low voltage power supply and high voltage
The circuit can be configured with the optimal elements for each of the power supplies
However, there is a disadvantage in that the structure of the LSI is complicated.
The following embodiment overcomes the second problem and minimizes the power supply.
Means of operating at 1V pressure, and complicates the manufacturing process
A method for solving the third problem without any problem will be described.
Thus, the operating power supply voltage of the dynamic memory is
Voltage can be reduced to about 1.5V, with dynamic memory
LSI chips that include dynamic memory as part of
High integration, high speed, and low power consumption can be realized at the same time.
Also, battery operation or battery backup operation
Can meet the required specifications. First, means for overcoming the second problem will be described.
You. The following is a complementary MOS-FET (Complementary
MOS = CMOS), but the same effect can be obtained.
If so, bipolar transistors, junction FETs, or
Elements other than silicon may be used. Fig. 12 (a)
Is the gate-source voltage V of the N-channel MOS-FETGSWhen
Drain current IDShows the relationship. This relationship is
(I) IDIs the square root of VGSAnd the square root region that is approximately proportional to
(Ii) from VGSI in a small area ofDIs VGSProportional to the exponential of
Sub-threshold area. V in the figureT1
Neglects the area of (ii) and approximates the current-voltage characteristics by the square root.
When it is possible to resemble, the drain current starts to flow.
This is the so-called gate threshold voltage. Also, VT0Is a circuit
Gate threshold that allows drain current to be considered almost zero
Another definition of voltage. If the gate width is 10 microns
Come, VGS= VT1The drain current is about 10nA, VGS= V
T1In this case, the drain current is about 1 μA. VT1And V
T0Is approximately 0.2V (VT1> VT0). Actual MOS
-The current drive capability of the FET is VGS−VT1Related, waiting state
V for static current atT0Is concerned. In the following example, LSI
The threshold voltage of the element used in the main circuit ofT1= 0.3V
(Hence VT0Is set to about 0.1 V). This
As a result, at a voltage half the power supply voltage (for example, 0.5 V),
-Sense amplifiers and differential amplifiers that need to conduct FETs
The circuit can be operated, and all
The circuit can be operated. This also allows
The standby current of the entire chip can be suppressed to about 10μA.
You. Also, the threshold voltage may vary due to variations in various manufacturing processes.
Circuit operation at power supply voltage = 1 V even if the voltage fluctuates about ± 0.1 V
Operation, and the standby current of the entire chip is reduced to 100μ.
A or less. In addition, even if the power supply voltage = 1 V
Channel length = 0.3 micro
Ron. FIG. 12 (b) shows two N-channel MOS-Fs.
Gate threshold voltage V for ET (CaseI, CaseII)T1of
This shows channel length dependence. Here, CaseI
Dynamic memory (hereinafter abbreviated as DRAM)
Conditions for applying substrate bias voltage, Case II
Corresponds to the conditions used in the light, with no substrate bias voltage applied
This shows the characteristics of the device. V in CaseIBS= -1V and
In case II, VBSGate threshold voltage V when = 0V
T1Is set to 0.3V. The following are the elements for Case II
There are three problems. (1) Change in gate threshold voltage with respect to channel length variation
Short fluctuation due to large fluctuation and poor controllability compared to Case I
It is difficult to make a tunnel. (2) The substrate bias voltage is applied to the substrate bias provided on the chip.
It is created by the bias voltage generation circuit.
Variation due to fabrication variations and the number of operating circuits
Therefore, the value greatly fluctuates with time. Gate threshold
Value voltage is greatly modulated by the substrate bias voltage.
Gate threshold voltage required for low-voltage operation
Cannot be satisfied with high accuracy. (3) When the power is turned on, the substrate bias voltage is 0V.
Gate threshold voltage is lower than 0.3V due to substrate effect
Value, for example, 0V, and at the same time,
VCCSubstrate by capacitive coupling with
Voltage rises transiently, gate threshold voltage is negative
Becomes As a result, the MOS-FET of the peripheral circuit becomes conductive
Therefore, a large transient current flows. In the present invention, the substrate voltage is set to VSS= 0V fixed
Excellent controllability of gate threshold voltage and power on
LSI chips with small transient current can be provided
You. Furthermore, fluctuations in substrate voltage during circuit operation
Since it can be set to zero, capacitive coupling noise from the substrate voltage
Sound can be greatly reduced. Note that the threshold voltage
If other means to set the pressure accurately are used,
May be applied to the substrate bias voltage. Fig. 13 shows a dynamic operating even with a minimum supply voltage of 1V.
Gate oxide film pressure of the device used for the main circuit of the memory to
x, electrical channel length (effective channel length) Leff, Game
Threshold voltage VT1, VT0Is shown. Where in parentheses
Indicates the range of variation due to manufacturing variations.
doing. FIG. 14 is a sectional view of the dynamic memory chip of the present invention.
Shows part of the structure. With conventional dynamic memory
The reason for applying the negative voltage to the substrate is as follows.
One. (1) External ringing to input or output
When a negative voltage is applied,
Electrons are injected into the substrate. These electrons diffuse through the substrate
Part of the charge reaches the charge storage area of the memory cell,
Worsen the brush characteristics. This minority carrier to the substrate
Prevent infusion. (2) By applying a negative voltage to the substrate, n
Reduce the junction capacitance between the diffusion layer and the p-substrate and reduce the load capacitance
Reduce. This allows high-speed operation and low power consumption of the circuit
Plan. (3) By applying a negative voltage to the substrate,
The depletion layer under the channel expands, and the potential of the channel
Are less susceptible to modulation by the substrate voltage. This allows
Gate threshold voltage is not affected by substrate voltage fluctuation
It becomes. In other words, the gate threshold voltage base
The plate effect count becomes smaller and some of the dynamic memory
It is convenient for the operation of the circuit. Of these, (3)
With the tendency of CMOS-LSI to have a double well structure,
The effect of applying the substrate voltage to the
You. Therefore, solving (1) and (2) is important.
It becomes important. Application of multiple substrate voltages in CMOS-LSI
A substrate structure that enables the above is disclosed in JP-A-62-119958.
You. Combining this structure with the low-voltage LSI according to the present invention
As a result, the above-mentioned object is achieved,
A low-voltage LSI with high speed and low power consumption can be configured.
Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the cross-sectional views of the substrate structure of the present invention.
Will be described. In FIG. 14, the P-type silicon substrate
Pure substance concentration is about 1 × 10Fifteencm+3It is. Two times in this substrate
Two types of N wells (N1, N1,
N2), and one type of P well is formed. Of each well
The impurity concentration is, for example, 1 × 1016cm+3, N1
5 × 1016cm+3To the extent, the dimensions of the element
These values may be changed according to. In the figure, 50
Is a thick oxide film to provide electrical isolation between active regions
Thickness is about 500 nm), 51 is the first for forming volumetric capacity
Polysilicon electrode, 52 is the gate electrode of the MOS-FET
The second polysilicon electrodes 53 and 54 have these thick oxide films and
Self-aligned using polysilicon electrode as mask
N-type impurity diffusion layer (impurity concentration is about 2 × 1020cm+3),
55, 56 and 57 are P-type impurity diffusions formed in the same manner.
Layer (impurity concentration is about 2 × 1020cm+3)
You. The P substrate is connected to the diffusion layer 56 and ground potential (VSS)
I have. Storage capacity of memory cell and selection transistor TN3, T
N4Is a P-well electrically separated from the substrate by an N2 well
Form inside. The second substrate is formed in the P well by the diffusion layer 57.
Potential VBP2Is applied. The N2 well also has electrical
N1 well and the diffusion layer 54 make contact with the second N well potential
VBN2Is applied. Also VBS= 0V peripheral circuits
N-channel MOS-FET TN1Is a P channel MOS in a P substrate
−FET TP1Are formed respectively in the N1 well. Also,
N-channel MOS-FET T of peripheral circuitN2Is a memory cell array
In a P-well that is electrically separated from the P-substrate.
Has formed. By doing this, the input / output circuit
Whether the eggplant voltage or the voltage higher than the N-well voltage is external
Overshoot, if possible
Alternatively, an independent board power supply according to the amount of undershoot
Pressure can be applied. Thus, the memory cell address
The P well where the laser is formed is electrically separated from the P substrate
This has the following other effects. (1) Set the P well of the memory cell array to a negative potential.
This reduces data line capacity and reduces signal interference.
Sound ratio can be improved. (2) The N2 well covering the memory cell array
It becomes a barrier for the scattered minority carriers. This
Noise can be suppressed from being collected in the storage capacitor,
Is improved. As described above, FIG.
By using such a substrate structure, the memory cell array
Simultaneous stable operation and high speed and low power consumption of peripheral circuits
Can be realized. In the above description, the P substrate
Has been described, but the same applies when an N substrate is used.
Effect can be expected. However, the present invention is targeted
Battery operation or battery backup operation
Should not be used in environments where the power supply voltage fluctuates greatly.
I have to. When an N substrate is used, the N substrate
Maximum voltage VCCIs applied. Therefore, the power supply voltage
If it fluctuates sharply, the potential of the N substrate also fluctuates,
Noise is induced in each part of the circuit by capacitive coupling. These logics
For this reason, the purpose of the present invention is to use the P substrate shown in FIG.
Suitable structure. FIG. 15 shows that the voltage can be further reduced by the present invention.
Shows an example of an LSI circuit with a possible information holding function.
You. FIG. 15A shows an example of a peripheral circuit. 60 in the figure
Source voltage VCL1Circuit block that operates on 61, power supply voltage VCL2
Circuit block operating on VBP2Is the N chip of the circuit block 61
Channel bias voltage of channel MOS-FET, VBN1Is a circuit block
The substrate bias voltage of the P-channel MOS-FET
Is shown. The circuit block 60 operates when information is held.
V when the information is heldCL1= 0V. Times
Road block 61 must be operated even when information is held
V in minutesCL2Is constant regardless of the operating state. Power-supply voltage
= 0.5V to operate the circuit, the threshold voltage
Pressure VT1Needs to be set to about 0 to 0.1V. At this time,
Even when the circuit does not operate and the gate-source voltage is 0V
A current of about 1μA flows through the MOS-FET, and the entire chip
It becomes a large current value of 10 mA. Current consumption when retaining information
To reduce this static current
is necessary. Generally, when information is retained, compared to standard operation
The operation speed may be slow. Therefore, in this example, the substrate voltage
Control the MOS-FET threshold when information is held.
Value voltage is less likely to conduct compared to standard operation (N channel
The threshold voltage of the channel MOS-FET is high, and the P-channel MOS-F
(The threshold voltage of the ET is low). Fig. 15
(B) is the substrate voltage V of the N-channel MOS-FETBP1Generation circuit
FIG. 15 (c) is an operation timing diagram thereof.
You. Here, for convenience, VCL2= 1.5V
As mentioned earlier, as mentioned earlier, a low power supply
It is particularly effective when pressure is applied. In FIG. 15 (b), 62
Is inverter ITwo~ IThreeAnd NAND gate GThreeReconfigured by
Oscillator 63, two MOS-FETs diode-connected
 T40, T41And capacity CB1Charge pump times composed by
Road T42, T43Is an N-channel MOS-FET T44Is a P-channel MOS
-FET is shown respectively. During standard operation, that is, PD
Is low voltage (“0”), the ring oscillator and charge
The pump circuit does not operate. At the same time, MOS-FET T44Is conductive
And node N1Is high voltage (“1”), so MOS-FET T42
Becomes conductive and VBP1Is at ground potential. On the other hand, when information is retained,
That is, when PD is at a high voltage (“1”), the MOS-FET T43
Conducts and the node N1Is VBP1Because it has the same potential as
−FET T42Cuts off. At the same time, with the ring oscillator
The charge pump circuit operates and VBP1Has a negative voltage
Is output. Note that the memory cell array is always
The bias voltage is applied. As mentioned above, as mentioned above,
When operating with the lower low-voltage power supply, the substrate bias voltage is controlled.
Control to maintain high-speed information during standard operation.
Sometimes low power consumption can be achieved. In addition, here
Although the description is omitted, the present inventionBN1Circuit that generates
The same can be applied to In the following description, the low voltage using the substrate structure described earlier
A specific circuit configuration of the dynamic memory will be described.
You. FIG. 16 (a) shows a circuit configuration of a dynamic memory.
doing. In the figure, NA1 and NA2 are memory cell arrays, and DA1 is
Dummy cell array, W0~ WmIs the word line, D0, D0 ̄, Dn,
Dn ̄ is the data line, DW0, DW1Is dummy word line, XD is word
Line selection circuit, DWD is a dummy word line selection circuit, T52~ T
55Is the left mat that controls the connection between the left mat MA1 and the sense amplifier.
The reset selection transistor, SHRL, has its selection signal, T56~ T59
Is the right mat that controls the connection between the right mat MA2 and the sense amplifier.
Select transistor, SHRR is its select signal, PR0~ PRnIs
A precharger that sets the data line voltage to potential P when not selected
Circuit, φP ~Is the precharge signal, SA0~ SAnIs data
Sense amplifier, CSN and CSP to amplify small signal voltage on line
Is the common source drive signal of the sense amplifier, and CD is the common source
Source drive circuit, YG0~ YGnIs the connection between the data line and the common I / O
Gate, YDEC, Y address selection circuit, YDEC0~ YnIs
Y select signal and DiB drive common I / O line according to input data.
Data input buffer, DoB is the signal power of the common I / O line.
It is a data output buffer that amplifies and outputs a stream. Note
Recell storage capacity CS2Is between 60 and 80f
The value of the data line capacitance is about 250 to 300 fF. This
As a result, the read signal when the data line amplitude is 1.5 V
Signal voltage is about 150mV, which is sufficient for the operation of the sense amplifier.
Signal voltage can be obtained. FIG. 16 (b) shows the power supply.
Voltage waveform of each part when reading data at 1.5V
Is shown. Note that in the following description, the
In the case of a read operation and the word line W0If is selected
think of. Data line precharge voltage, cell storage capacity
Voltage of the opposite electrode (plate) is 0.75 which is half of the power supply voltage
V Thereby, (1) at the time of charging / discharging the data line
And capacitive coupling noise generated during precharge
And (2) the voltage applied to the insulating film forming the storage capacitor
Storage voltage by minimizing the voltage
The amount has been increased. High voltage (1.5V) for memory cells
To write the word line W0And left mat select signal
2.2V is applied to SHRL and transistor T50And T52But
It operates in the unsaturated region. MOS of Y gate
− The common I / O line is set to 1.2 V to operate the FET in the saturation region.
I am trying to become. Operates at such low power supply voltage
Japanese Patent Application No. 63-141 as an amplifier for common I / O line signals
Suitable for current detection type as described in 703
I have. If this type of amplifier is used, (1) common I / O line
Voltage level near the power supply voltage.
And (2) reduce the signal amplitude of the common I / O line (for example,
50mV), the Y selection signal Y0To read the signal.
It is possible to increase the operation margin at the time of delivery. Ma
In addition, when writing to the memory, the I / O lines are
Input buffer D1This can be done by driving with B. Emotion
There is no need to read information externally when information is held
Therefore, the Y selection signal Y0Is low voltage
(“0”). In addition, a Y address selection circuit,
Data input buffer, data output buffer, etc.
Need not be. In addition, the common source drive of the sense amplifier
The drive capability of the power circuit is reduced and the data line voltage changes over time.
The rate is decreasing. As a result, when information is retained
Reduces the value of the peak current accompanying the charging and discharging of the data line.
By performing such control, the internal
Even if a power supply with high impedance is used,
LSI can be prevented from malfunctioning due to transient drop.
You. The following describes such a low-voltage dynamic memory.
The following circuits important for realization are described. (1) 1/2 VCLGenerator circuit. (2) Word line drive circuit. (3) Common source drive circuit. Fig. 17 (a) is 1 / 2VCLThe circuit configuration of the generator is shown.
You. In the figure, T60, T62Is an N-channel MOS-FET, T61, T63Is
P-channel MOS-FET, R20, Rtwenty oneSets the bias current
Resistance for The resistance value of the resistorFourand
The power supply voltage of node P is VCL2To be almost half of
Huh. Capacity CD1~ CD4Follows power supply voltage fluctuations
Speed-up capacitor
You. Between these values CD1≒ CD2, CD3≒ CD4Holds
ing. Connect the substrate and source of each transistor, substrate
Prevent the threshold voltage from increasing due to the bias effect
doing. At this time, the threshold voltage V of each transistor
T1Is about 0.3V. If the board is not the source
When connected to the maximum voltage of the system,
Threshold voltage VT1Since the absolute value of
Power supply voltage VCL2It does not operate at 1V. Thus, low
In a circuit that operates with voltage, the method of applying the substrate voltage is the minimum power supply.
Specify the pressure. Using the substrate structure shown in FIG.
And the source can be easily connected. FIG. 17 (b) shows N channel
Flannel MOS-FET T60, T622 shows the cross-sectional structure of the device. 65 is N
N ~ diffusion layer to give 2 well potentials, 66 is P well
P-diffusion layer for applying a potential of
These are nn diffusion layers serving as the source and drain of the S-FET.
P-diffusion layer 66 for applying MOS-FET substrate voltage by external wiring
Is connected to the source. N2 well has the highest voltage of the system,
Where VCL2Is applied. As shown in this example, MO
Form S-FET in P-well electrically isolated from substrate
The effect of the substrate effect on the threshold voltage.
I do not receive. A circuit suitable for low-voltage operation can be configured.
Wear. It should be noted that the present invention is not limited to the example shown here,
To operate the other source at a higher voltage than the ground potential
The present embodiment can be applied to a line as a road. FIG. 18 (a) is a circuit configuration of a word line driving circuit, and FIG.
(B) shows the operation timing. In the figure, T
82Is the memory cell transistor, CS3Is the storage capacity, T80, T
81Is an N-channel MOS-FET. This circuit is generally self
It is called a boost (self-boost) circuit. S for word
A selection signal of the line selection circuit is input. This voltage level is
High voltage (eg 1.5V) when selected, low voltage when not selected
(0V). Therefore, node N7At the time of selection
VCL−VT0(VT0Is T82Threshold voltage) when not selected
0V is applied. After the selection signal is determined, X
Make sure that the power supply voltage is
A higher pulse voltage (for example, 2.2 V) is applied. Unselected
Sometimes MOS-FET T80Does not conduct, but when selected, T80of
Node N7Boosts to high voltage
(Boost). A pulse applied to X is applied to the word line.
To output the source voltage as it is, the node N7The voltage of
A higher voltage than the pulse voltage applied to X, eg
For example, 2.2 + VT1(VT1Is T80(Boost threshold voltage)
Strike). Ground potential of MOS-FET substrate
The threshold voltage increases due to the substrate effect.
Especially VCLIs less than 1.5V,
It is difficult to obtain a constant amplitude. Here, the MOS-FET
To reduce the threshold voltage to a sufficiently low value, signal the substrate potential
Drain of the drive side (in this example, selection signal S and pulse voltage X)
(Where the drain is signal driven for convenience)
Is defined as a terminal to which is applied). Sectional structure of this MOS-FET
The drawing and its equivalent circuit are shown in Fig. 18 (c) and
(D). The cross-sectional structure of the device is shown in FIG.
It is exactly the same as the one, but the connection is different. P
Since the well potential matches the drain potential,
As shown on the left of FIG.
Bipolar transformer with base as source and emitter as source
This is equivalent to the connection of the resistor. In fact, this
The bipolar transistor is connected to the
The star operates as a diode and is shown on the right side of FIG.
It is represented by such an equivalent circuit. Therefore, the drain
When the source voltage is higher than the source voltage, the substrate voltage
MOS-FET and diode D positively biasedLAnd
Connected in parallel, conversely the drain is lower than the source voltage
Diode DLIs reverse biased and cut off
The MOS-F with the substrate voltage connected to the drain on the low voltage side
Only ET works. Therefore, compared to the latter case,
In the former case, the threshold voltage is lower and the MOS-FET
Is easily conducted. At the same time, the drain and source voltages
When the difference is 0.7V or more, the diode conducts.
In the case of a person, the current flows more easily. Therefore,
In FIG. 18 (b), the MOS-F
ET T80, T81Can lower the threshold voltage of
The drive signal X to the word line even at a low power supply voltage.
It can be output as it is. Such asymmetric characteristics
Is particularly effective when applied to self-boosting circuits, etc.
But other, such as pass gate or substrate bias voltage
For rectifying circuits used in charge pump circuits of generator circuits, etc.
If applied, operation with a low-voltage power supply is likewise improved. FIGS. 19 (a) and (b) show common source
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a configuration of a drive circuit. FIG.
In, T85, T86Is the N channel that drives the common source
MOS-FET, GFiveIs an AND gate. During normal operation,
Signal PD ~ becomes high voltage (“1”) and the common source drive signal
In synchronization with the input of φcs, T85, T86Are conducted together. one
On the other hand, when information is held, PD ~ becomes low voltage ("0"), and φcs
T for input85Only conducts. Therefore, T85When
T86By selecting the conductance of
During quasi-operation, the operation speed is prioritized.
Instead of sacrificing power,
Wear. In FIG. 19 (b), T90Drives common source
Operating N-channel MOS-FET, T91, T93, T94Is N channel
MOS-FET T92Is a P-channel MOS-FET, G6Is a NAND game
C, G7Is AND gate, Rtwenty fiveIs T94Supply bias current to
Resistances are shown. During normal operation,
Signal PD becomes low voltage ("0") and T93Cuts off. φc
Synchronize with the input of s, the node N8Voltage is VCLBecome T90To
Drive. When information is held, the signal PD becomes high voltage (“1”).
R92Cuts off. T in synchronization with φcs input93Is led
Through, node N8Voltage is T94Gate voltage.
At this time, T90And T94Form a current mirror circuit with
Therefore, the drive current of the common source is (VCL−VT1) / Rtwenty fiveTo
It becomes a proportional value. Where the proportionality factor is T90And T94Channel
It is determined by the ratio of conductance. Such a drive circuit
By using, when information is held, a certain controlled
Because it is driven by current, it will
Without causing a transient drop in power supply voltage.
Operation can be realized. The current shown here
Drive current can be controlled in addition to the mirror circuit when information is retained
For example, other means may be used. The substrate structure, element constants, and the like as described in the above embodiments,
Operation with the minimum power supply voltage = 1 V is guaranteed by the circuit configuration
Dynamic memory can be realized. Also,
Circuit configuration of I / O line and Y gate shown in FIG. 16 (a)
In addition, the common I / O
Provision of the O line enables read and write operations
Japanese Patent Laid-Open No. 61-142594 and
It is described in JP-A-61-170992. Apply this method
Therefore, even at a low power supply voltage of about 1 V,
Memory circuit that operates stably without being affected by
be able to. Above, the main operating at low internal power supply voltage of 1.5V or less
An example of the configuration of an LSI circuit block is explained using a memory as an example.
Have been. To realize an LSI chip as shown in Fig. 1
Other than this, high external power supply voltage (for example, 3-5V)
It is indispensable to realize a circuit that operates on the. In such a circuit
Has at least the following: (1) Reference voltage generation circuit (2) Voltage conversion (drop) circuit (3) Input circuit (4) Output circuit As shown in Fig. 13, low internal power supply voltage of 1.5V or less
The main LSI circuit block that operates on
For the purpose of maintaining, the latest processing technology (for example, gate length 0.
(Equivalent to 3 microns or less). Like this
For small devices, gate breakdown voltage and drain breakdown voltage are reduced.
And difficult to operate at high external power supply voltage (for example, 3-5V)
become. In this regard, for example, IEE
M Technical Digest, pp. 386-389
(1988), (IEDM Technical Digest, pp.386-389,198
It is described in 8). Consider long-term reliability
Then, the voltage that can be applied to the 10 nm gate oxide film is about 4V.
You. Therefore, the maximum electric field strength that can be applied to the gate oxide film
Degree EmaxIs about 4 MV / cm. Approximately EmaxThe value of
It does not depend on the gate oxide film thickness, and is considered to be almost unchanged.
(Actually, if the gate oxide film is thinned,
Tend to be). This value is used for the device shown in FIG.
Can be applied to the gate when it is applied to
The maximum operable voltage is 2.7V. Therefore, this device is
It is not possible to operate with external power supply voltage (for example, 3-5V)
I can't. There are two ways to solve this.
It is. (1) As mentioned in the previous explanation, use at the internal power supply voltage.
Thicker gate operating at external supply voltage
Elements having a gate oxide film are integrated on the same chip. (2) Consist of only elements used at internal power supply voltage
You. At this time, the external power supply voltage is directly applied to the element (1).
Make circuit ingenuity so that it does not occur. The method (1) is described in Japanese Patent Application No. 56-57143. I
However, this method complicates the LSI manufacturing process,
Manufacturing costs rise. In addition, the most important gate
Since many steps are inserted when forming the gate oxide film,
The probability of introducing an object or defect is high, and the reliability of the device is low.
There is a problem of lowering. The following is the method (2)
Example of realizing a circuit that operates with a higher external power supply voltage
State. In the following example, complementary MOS-FET (CMOS)
The following describes an example using
Even if a polar transistor or a junction transistor is used,
Alternatively, when these are used in combination with a MOS-FET,
Semiconductor materials such as gallium arsenide other than silicon
The same applies to the case of using. FIG. 20 (a) is a configuration example of an inverter circuit according to the present invention.
Is shown. In the figure, T100, T102Is an N-channel MOS-FE
T, T101, T103Is P-channel MOS-FET, in1, in2 are
The first and second in-phase input terminals, out1 and out2, respectively
First and second in-phase output terminals, Out is a third output terminal,
Vn, VpAre N-channel and P-channel MOS-FETs respectively
Is shown. VnAnd VpIs an example
For example, there is an external power supply voltage dependency as shown in FIG.
I do. In this example, VCCV when ≥2Vn= 2V, Vp= VCC
It becomes 2V. As a result, the voltage of the output terminal out1 is at most Vn
−VTNThe transistor T100Of gate oxide film
Maximum applied voltage is Vn−VTNIs limited to Similarly,
Transistor T101Voltage applied to the gate oxide film
Is VCC−Vp− | VTP| Where VTNIs
T102, VTPIs T103Is the gate threshold voltage. Two
The signal levels of the output terminals out1 and out2 are each 0 to Vn−V
TN, VCC−Vp− | VTP| ~ VCCThese are the next in
The inputs of the barter, in1 and in2, vibrate respectively. Also, the third
0 to V for output OutCCThat is, output full amplitude.
Can be. This inverter forms an inverter train
Voltage of each node and gain of each transistor
The maximum voltage applied to the gate oxide film is shown in FIG.
It becomes like. With this circuit configuration, for example, Vn= Vp= 1 /
2VCCThe gate of any transistor
The maximum voltage applied to the oxide film is 1 / 2VCCAt the same time
Maximum voltage applied between rain and source is 1 / 2VCC+
VTNOr 1 / 2VCC+ | VTP| actually
From the viewpoint of securing the operating margin of the inverter.
V where the source voltage is lownAnd VCC−VpIs constant
Is preferred. Output voltage transients during switching
Large voltage between drain and source
So that it is not applied, T102And T103Channel conductor
Are T100And T101Channel Conductor
It is desirable to make it larger than As explained above
In addition, with this configuration, the power supply voltage is about twice the maximum voltage of the element.
Circuit that operates without deteriorating device characteristics up to
Can be In the example shown in FIG. 20 (a),
The substrate potential of the N-channel MOS-FET is the minimum voltage of the system, that is,
Chi VSSIn addition, the substrate potential of the P-channel MOS-FET is
Pressure, ie VCCConnected to the
To connect the substrate of each transistor using the structure to the source,
The fluctuation of the threshold voltage due to the substrate effect can be suppressed.
Realizing a circuit that operates with lower power supply voltage
Can be. Therefore, if the present invention is applied, about 6.5 nm
Power supply voltage = 5V only with MOS-FET using thin oxide film
However, it is possible to provide an LSI that operates stably. FIG. 21 (a) shows that the connection between the substrate and the source is low.
Connect multiple inverters with improved operating characteristics at power supply voltage
Configuration example of connected inverter train (inverter chain)
It is. As with conventional CMOS inverter arrays,
Without any level conversion circuit.
And it is possible. This allows, for example, output buffers
Driver circuits that require a large load drive capability, such as
Can be configured. Let n be an even number
And its input and output waveforms are as shown in FIG.
become. In this example, VCC= 4V, Vn= 2V, Vp= 2V
You. In this circuit, the output signal that drives the next-stage inverter is
The signal amplitude is almost constant (1.7V) regardless of the power supply voltage.
You. For this reason, each gate of the next stage inverter is charged and discharged.
MOS-FET drive capability no longer depends on the power supply voltage,
Delay time from input to output (t1−t0) But the power supply voltage
It is almost constant regardless. Therefore, for example, a memory LSI
Access time is as wide as 1.5 to 5V
Since it hardly changes, it is a good
A convenient LSI chip can be provided. FIGS. 22 (a) and (b) show vias shown in FIG. 20 (b).
Voltage Vn, Vp5 is a configuration example of the generation circuit of FIG. In the figure, channel
T with bold line114~ T117Has high threshold voltage
N-channel MOS-FET, T112, T113Supplies the bias current.
MOS-FET to supply, 72 is T112, T113Generates the gate voltage of
Bias generation times to set optimal bias current
Road, CN1, CP1Is the decouple capacity. Bias current
Value is resistance R30And T113And T112Channel Conductor
Set according to the ratio of N with high threshold voltage
After forming the gate oxide film, the channel MOS-FET
P-type impurity is introduced by ion implantation using the mask as a mask
It is formed by such means as performing. In this example, the threshold
The value of the pressure is 1V. Also, use the substrate structure shown above.
And by connecting the board to the source,
Eliminate voltage fluctuations due to substrate effects and increase setting accuracy
I have. Also, MOS-FET T112, T113Operates as current reduction
I do. With this configuration, the power supply voltage VCCIs more than 2V
Is VnIs approximately twice the value of the high threshold voltage (approximately 2
V) and VCCIs less than 2V, the power supply voltage VCCAlmost
Become equal. Similarly, the power supply voltage VCCIs more than 2V
Is VpIs approximately VCC−2V, VCCIs less than 2V
It becomes almost 0V at the time. FIG. 22 (b) shows the generation of bias voltage
13 is another configuration example of the circuit. Here, VnOnly the generation circuit
Shows that VpThe generation circuit can be similarly configured. In the figure,
Tone two ThreeIs an N-channel MOS-FET having a high threshold voltage,
T121Is a P-channel MOS-FET that supplies bias current, T
120And R31Is T121Gate voltage to generate the optimal bias voltage.
Bias generator for setting current, CN1Is decup
Capacity, R32, R33Is resistance. Tone two ThreeOf the threshold voltage
Value VTEThen VnIs VTE× (R32+ R33) / R33When
Become. Therefore, R32And R33By changing the ratio ofnThe value of the
VTEAny of the above values can be set. these
Generates a bias voltage having the characteristics shown in FIG. 20 (b).
Can live. The resistance shown in this example is MO
Distribution of S-FET channel, impurity diffusion layer, polysilicon, etc.
Any of a wire layer and the like may be used. By the way, in a normal LSI, after the final manufacturing process, the normal operation
Deliberately increase the voltage in each circuit in the circuit
Apply to the transistor and remove the gate oxide film
Early detection of transistors that are prone to failure
Jing tests are performed to ensure reliability. Fig. 23
(A) is a bias voltage suitable for this aging test.
Vn, VpFIG. 7 is a diagram showing an example of how to give the symbols. In this example
Is VnAnd VpHigher power than where the magnitude relationship reverses
At the voltage (4V in this example), Vn= Vp= 1/2 VCCToshii
You. In this way, during the aging test,
V in proportion to source voltagenAnd VpIs trying to increase. Ma
Also, by halving the value or the power supply voltage, for example,
The maximum voltage between the transistors shown in FIG.
Equalize the stress on some transistors
To prevent them from concentrating on FIG. 23 (b) shows the bias voltage Vn, VpThe circuit that generates
1 shows an embodiment of the configuration. In the figure, 72 is two nodes
N9And NTenThe maximum value that compares the voltage of
Output circuit, T140, T141Is the N threshold having a high threshold voltage.
Channel MOS-FET, R36Supplies bias current to MOS-FET
Resistance, R38And R39Divides the power supply voltage by 1 / 2VCC
To get R38≒ R39It is. Also maximum
The value output circuit is a differential amplifier circuit ATenAnd A11, P-channel MOS-F
ET T142, T143, Node N11Impedance to ground side
Resistance R is provided to prevent37And to
It consists of. The operation of the maximum value output circuit is, for example,
IEE Journal of Solids
・ State Circuits, Vol. 23, No. 5, 1128-11
32 (1988) (IEEE Jounal of Solid-State Circuit)
s, Vol.23, No.5, pp.1128-1132, October 1988).
Have been. Node N9Is almost constant regardless of the power supply voltage.
Pressure (2V in this example) is input. On the other hand, node NTenTo
Is a value that is half the power supply voltage. Therefore, the power
When the voltage is 4V or less, the maximum value of these two voltages is
Some 2V is node N11Output when the power supply voltage is 4V or more.
1 / 2VCCIs output. Bias voltage VpTimes of occurrence
Roads can be similarly configured. In this example,
Code N92V was considered as the voltage value of
Set an appropriate value according to the maximum applicable voltage of the film.
Is also good. Japanese Patent Application No. 63-125742 describes the difference in threshold voltage of MOS-FET.
Is shown in FIG. Figure 24
That is higher than the voltage that can be applied to the gate oxide film.
The configuration of the constant voltage generation circuit that operates even at the unit power supply voltage
An example is shown. 75 in the figure is newly added for this purpose.
Inserted part, T151Is an N-channel MOS-FET, T152
Is a P-channel MOS-FET. As a result,
As with inverters, which transistor in the circuit
However, the maximum applied voltage is reduced to about half of the external power supply voltage.
Can be lowered. The value of the constant voltage generated by this circuit
Are two as described in Japanese Patent Application No. 63-125742.
N-channel MOS-FET T149And T150Threshold voltage difference V
T1(T149) -VT1(T150)become. T149Is shown in Figure 22
As in the case of transistors with a high threshold voltage,
is there. In this example, VT1(T149) = 1.05V, VT1(T150)
= 0.3V and output voltage Vref= 0.75V is obtained. FIG. 25 shows a configuration example of a differential amplifier circuit according to the present invention.
ing. In the figure, T161And T162Input differential signal
Two N-channel MOS-FETs, T160Is a differential amplifier circuit.
N-channel MOS-FET, B for supplying bias current1Is
A signal for setting the bias current, T163And T164Is
Two P-channel MOs constituting a current mirror type load
S-FET. In a normal differential amplifier circuit, the node N13And N
Fifteen, Node N14And output out2 are connected.
Add the circuit blocks indicated by 5 and 77 to the gate oxide film.
Operates with an external power supply voltage higher than the applicable voltage
I have to. In FIG. 25 (a), 76 is divided into two N channels.
MOS-FET T165And T166, And P-channel MOS-FET T167
It is composed of Thereby, the transistor T
161And T162Drain (N13, N14)
V at mostn−VTN1The transistor T164The drain (ou
The voltage applied to t2) must be at least Vp+ | VTP1|
You. Where VTN1And VTP1Are N channel and
And the threshold voltage of the P-channel MOS-FET.
Note that VnAnd VpAs in the previous embodiment, FIG.
(It has the power supply voltage dependency shown in (b) and FIG. 23 (a).
Bias voltage can be used as it is. Now,
The differential amplifier circuit shown in FIG.
Operating at a large difference between the two input levels
Without transistor T161And T162Operate in the saturation region
The voltage at node 14 is approximately Vn−VTN1Tona
You. Therefore, as shown in FIG.
T167Omit transistor T164Gate and Dray
There is no large voltage difference between the terminals. As a small signal amplifier circuit
When only the circuit is used, the circuit of FIG.
The method is suitable. The output out2 of these differential amplifier circuits
The signal level is the output ou of the inverter shown in FIG.
It is equal to the signal level of t2.
Data input in2 can be directly driven.
It is convenient to construct a circuit. The above differential amplifier circuit
In the configuration example, the voltage levels of the inputs In (+) and In (-) are
Vn−VTN1A large voltage gain can be obtained when
There are characteristics. Conversely, Vp+ | VTP1| Higher entry
When operating at the input voltage level, configure the differential amplifier circuit.
N-channel MOS-FET to be formed into P-channel, P-channel
MOS-FETs are replaced with N-channels, respectively,
Voltage level (output ou of the inverter shown in FIG. 20 (a))
A configuration that obtains the output of (t1 signal level)
No. At this time, the same effect as in the case of the configuration is obtained.
It is. Next, this differential amplifier circuit is applied to the LSI chip circuit.
The following is an example. Fig. 26 shows the internal power supply voltage VCLV that is the reference forL(Reference
1 shows an example in which the present invention is applied to a pressure) generating circuit. 26th
In FIG. 8A, 80 is V corresponding to 9 in FIG.L(Standard
Voltage) generation circuit, AFifteenIs the differential amplifier circuit, R50, R51Is
This is a resistor for setting the amplification factor. Also, VLOccurrence times
The path is the constant voltage (Vref) Generating circuit
81, during aging test
Aging voltage (VA) Generated
Circuit 82, VrefAnd VAAnd output the higher voltage
It comprises a maximum value output circuit 83 and a switch 84. information
When holding, voltage characteristics of aging test are required
The maximum value output circuit is disabled.
Then, close the switch and VrefIs output directly. Now,
In this example, Vref= 0.75V, VA= 1 / 5VCCAnd the power supply voltage
Will be in the aging test state when is more than 3.75V
I'm trying. That is, when the power supply voltage is 3.75 V or less
Has VL= 0.75V, V when 3.75V or moreL= 1 / 5VCCIs output
Is done. Also, R50= R51Stop the amplification factor at 2
V when the source voltage is 3.75V or lessCL= 1.5V, 3.75V or more
VL= 2 / 5VCCIs applied to the circuit as the internal power supply voltage.
I am trying to. External power supply voltage V for each voltageCCDependencies
This is shown in FIG. 26 (b). This allows the power supply voltage of the internal circuit to be
Then, in the standard operation state (for example, the power supply voltage is 3-3.6V)
1.5V, aging test state (for example, power supply voltage is 5.3V)
Will get 2.1V. FIG. 26 (c) shows VL(Reference voltage)
3 shows a more detailed configuration example of a raw circuit. Smell
90 is the maximum value output circuit, T173Works as a switch
This is an N-channel MOS-FET. The maximum value output circuit is the difference between the two
Dynamic amplification circuits 90a and 90b, output of each differential amplifier
P-channel MOS-FET T driven by177, T178, T
177And T178The voltage applied to the gate oxide film
P-channel MOS-FET T for177, Output end Ntwenty twoTo ground
N-channel MOS-FET T to lower impedance
175It is composed of Here, two differential amplifiers 90a and 90a
And 90b are the same as those shown in FIG. 25 (a). Ma
The configuration of the maximum value output circuit is the same as that shown in FIG.
Basically the same. With this configuration, the gate oxide film
Operating at a power supply voltage higher than the maximum
A large value output circuit can be obtained. In addition, information holding state
Then transistor T179And VrefAs is VLage
Output. Also, make the maximum value output circuit inoperative.
Thus, the current consumption is reduced. FIG. 27 (a) shows the limiter / decoder described in FIG.
3 shows a configuration of a enable signal (LM) generating circuit. Same figure
In, A12And A13Is the same as that shown in FIG.
Single-ended differential amplification circuit of configuration, 95 is differential amplification
Two outputs of the circuit as inputs, a magnitude equal to the power supply voltage difference
Shows a double-ended differential amplifier circuit that outputs
ing. Double-ended differential amplifier has two inputs
P-channel MOS-FET T driven respectively by180When
T181To reduce the voltage applied to the gate oxide film.
P-channel MOS-FET T for184And T185Cross-coupled
Two N-channel MOS-FET T182And T183, Its gate acid
N-channel MOS to relax the voltage applied to the oxide film
−FET T186And T187To accelerate the output reversing speed
Speed-up capacity CC1And CC2Composed by
I have. Among these, the speed-up capacity is the response speed of the circuit
The basics can be omitted depending on the application.
Operation is not impaired. Hereinafter, as shown in FIG.
The operation will be described with reference to the operation timing chart described above.
In the following description, the internal power supply voltage V
CLIs 1.5V (VL= 0.75V). As shown in the figure
External power supply voltage VCCIf V drops from 4V to 1V, VCC
Time t at which half of the voltage crosses 0.75V0Differential increase in
Width circuit A12And A13Output (node Ntwenty fiveAnd N26)
The pressure reverses. Thereby, the transistor T180Is cut
Off state, T181Transitions to the ON state, and node N28Voltage
Is VCCTo rise. Node N synchronized with this30Potential of
Vn−VTN1(VTN1Is T187Threshold voltage), and
Code N29And node N27Potential to ground potential
You. This allows the output of the double-ended differential amplifier circuit
N27And N28Voltage is inverted, 0V and VCC= 1
Become V FIG. 27 (b) schematically shows the operation.
However, in practice, these series of operations are based on the power supply voltage.
It takes place in a time sufficiently short compared to the change. Therefore,
Changes in the source voltage do not adversely affect circuit operation.
Also, consciously provide capacitance in the power supply wiring in the chip.
Controls the change in power supply voltage,
The effect can be kept lower. The above is the external power supply
The case where the pressure is reduced was described.
The same operation is performed when increasing the voltage. Now, other LSIs and semiconductor devices of the LSI chip according to the present invention
When configuring a system with
It is necessary to match the input and output levels of the signals exchanged.
You. For LSIs operating on a single power supply (generally 5V)
There are the following two standard input / output levels.
You. (A) TTL level (b) CMOS level At the TTL level, high voltage (“1”) output (VOH)
Must be greater than or equal to 2.4V. Therefore, the power
Use CMOS level when using voltage below 2.4V
Alternatively, it is necessary to set a new input / output level standard. Obedience
When configuring a system with conventional LSI and TTL logic circuits, etc.
In this case, it is important to maintain compatibility with the input / output levels described above.
Element. Level conversion circuit by taking compatibility
Is unnecessary, the number of parts is reduced, and the cost of the system is reduced.
It leads to reduction. Also, circuit performance such as noise resistance and speed
Can improve and maximize performance
You. Therefore, in the following, compatibility with the conventional input / output level
Example of the present invention having an input / output circuit configuration that maintains
I do. According to the present invention, a design change can be made using one chip.
The following three product specifications can be realized without modification. (1) During standard operation (for example, power supply voltage VCCIs 4.5-5.5V
Or 3 to 3.6V) input / output at TTL level. Must
V if necessaryCC(For example, the power supply voltage VCCIs 1.0 to 2.5
V) etc. in the chip to retain information (battery battery
Do). (2) Power supply voltage VCCOperates at 1.0-5.5V,
Power is at the CMOS level. V as requiredCCDecline (for example,
Power supply voltage VCC1.0-2.5V) in the chip
Or hold information by external control signal (battery
Backup). (3) Power supply voltage VCCBut operates at 1. ~ 5.5V, for example,
The chip automatically switches the input / output level according to the voltage value.
Change. For example, when the power supply voltage V is 2.5 to 5.5 V, the TTL level
Level, CMOS level when power supply voltage is 1.0 ~ 2.5V
Do the force. FIG. 28 (a) shows wiring and bonding using one chip.
(1) and (2)
FIG. 28 (b) shows an example of realizing the two products
Automatically detects changes in pressure value and switches input / output levels
The example of the realization of the product which can be obtained is shown. Fig. 28 (a)
, 1 is an LSI chip, 5 is an internal power supply voltage (for example,
1.5V) operating LSI circuit block, PADTIs for TTL level
I / O pad, PADCIs the input / output pad for CMOS level,
IB1And OB1Are the input and output buffers for the TTL level.
Fa, IBTwoAnd OBTwoIs the input buffer and output for CMOS level.
Power buffer, SWIIs the output of the two input buffers
Input to the low-voltage operation LSI circuit block
Switch for SWOIs the output of the low-voltage operation LSI circuit block.
Choose which of the two output buffers the force is applied to
Are shown. This switching
The method of performing this in an actual LSI is to use aluminum
There is a master slice by wiring such as a system. This is al
When forming a wiring layer such as minium,
The mask for performing the transfer is set to 2 corresponding to the above switch.
Those who prepare according to the situation and use different masks according to the product
Is the law. Furthermore, two types of buttons corresponding to the input / output levels
The bonding pad is provided on the LSI, and one of
To make two products
Can be opened. Also, one bonding pad
In the case where the master
The connection to the input / output buffer can be switched by rice.
No. FIG. 28 (b) shows one input / output buffer each.
And the input / output level of the input / output buffer according to the value of the power supply voltage.
The method of switching the bell is shown. In the figure, PADXIs in
Output pad, IBThreeAnd OBThreeIs the input buffer and output buffer
96 indicates the input / output level of each buffer according to the power supply voltage.
The input / output level setting circuits to be controlled are shown.
Regarding this, a more specific configuration example will be described later.
With the above configuration, the above three product specifications can be
Can be realized by chip, product cost aspect
It is also convenient from the viewpoint of user convenience. What
In the above example, input and output are performed from the same terminal.
The example of the loose I / O common method has been described.
The present invention is the same for
Can be applied in any way. Below, output buffer, input buffer,
A specific configuration example of each of the input protection circuits will be described.
Note that, in the following embodiments, a thin (for example,
6.5nm) MOS-FET with gate oxide film
The case of configuration is explained, but it operates in one LSI chip
MOS-FET with two types of gate oxide films according to voltage
The present invention can be similarly applied to the case where it is used. When configuring the output buffer, the internal low signal amplitude
(Eg 1.5V) to external high signal amplitude (eg TTL level)
CMOS level when the bell is 2.4V and the power supply voltage is 5V5
It is necessary to convert the amplitude to V). First, the CMOS level
An example of a circuit configuration for obtaining a bell output signal will be described. Fig. 29
(A) receives the low signal amplitude in1 of the internal circuit as input and
Shows an example of the configuration of an amplitude conversion circuit that outputs a new signal amplitude Out.
ing. In the figure, reference numeral 98 denotes the invar shown in FIG.
Data circuit, N31And N32Are in2 in Fig. 20 (a), respectively.
And two inputs corresponding to in1, Out is the output of the inverter,
T190Is N32N-channel MOS-FET, T191Is no
De N32Limit the maximum voltage of T190Applied to gate oxide film
N-channel MOS-FET, T to reduce the applied voltage192Is the same
To node N31P-channel MOS-FE that limits the minimum voltage of
T, R65Indicates resistance. In this, Tran
Jista T190And resistance R65With the resistive load inverter circuit
Make up. By using a resistive load, the low-voltage side
Two outputs, low voltage side and high voltage side, are obtained from one input
Rukoto can. Next, referring to FIG.
The operation of the road will be described. In the following example, the power supply voltage is 5
V, bias voltage VnAnd VpAre both 2.5V
ing. When input in1 is 0V, transistor T109Is
Off and node N31Is the resistance R65Power supply voltage to 5V
Up, also node N32Is Vn(2.5V)
Lanista T191Threshold voltage (for example, 0.5V)
It is the lower value (2V). Therefore, the inverter
The output voltage of 98 is 0V. Time t0Input in1
Rises from 0V to 1.5V, the transistor T190Is continuity
And node N31Is Vp(2.5V) transistor T192Noshiki
Value (3V) higher by the absolute value of the lower voltage (eg 0.5V)
And node N32Is pulled down to 0V and the output Out rises to 5V
Ascend. Time t1In, the input in1 falls from 1.5V to 0V
The output Out changes from 5V to 0V
You. Thus, with this circuit configuration, the 1.5V input signal
5V output signal required by output buffer for amplitude
Signal amplitude is obtained. Also, this circuit
Since only a maximum voltage of about 2.5 V is applied to the
MOS-FET using a large gate oxide film (for example, 6.5 nm)
A circuit that operates stably with a power supply voltage of 5 V can be configured.
You. FIG. 30 (a) shows the complementary low-amplitude signal in1 and
And in1 ~ as input and output with high signal amplitude Out
Another configuration example of the conversion circuit, FIG.
Is shown. In the figure, 102 is the one shown in FIG. 27 (a).
Double-ended input and double-ended output
The operational amplifier circuits, 100 and 101, are the same as those shown in FIG.
The same inverter circuit is shown. Dub used here
In a steady-state, the differential amplifier circuit with
Power consumption compared to the previous example
Circuit can be realized. Also, the inverter at the final output stage
The substrate (back gate) of each transistor that constitutes
In the channel, it is minus (-2V).
It is biased positive (7V) with respect to pressure (5V). This
As a result, for example,
Even if dark or overshoot appears in the output,
Prevents the PN junction from being forward biased
You. Therefore, minority carrier injection into the substrate (minority key)
When the carrier diffuses to the charge storage node of the memory cell,
Worsens the fresh characteristics), the parasitic thyristor turns on
Latch-up and the like can be prevented. The book
According to the invention, a low-amplitude signal (for example, 1.5 V) of the internal circuit
Circuit that outputs a CMOS-level high-amplitude signal (for example, 5V)
Can be easily configured. Generally, when configuring a system, one data
Connect the outputs of multiple LSIs to the output of the selected LSI.
I try to drive an injured bus. Such control is performed.
The output impedance of the unselected LSI
Is desirably set to infinity. In conventional LSI, the output
High and low voltages, and both
(The output impedance is infinite)
Output (tri-state) characteristics. like this
Drive the output (low impedance)
Dance) or not (infinite impedance)
It is necessary to take control. Is the signal for this control external?
Output enable signal (Output Enabl = OE)
And chip select signal (Chip Select = CS)
Generated from this. In conventional output circuits, these signals
And the output data, and the resulting signal
Driving the last transistor
Thus, a tri-state characteristic was realized. In the present invention
When configuring a similar output circuit with
Circuit that operates with the external power supply voltage
There may be a configuration that does not use roads. But on the spot
In the case, the amplitude conversion circuit between the logic circuit and the output
And the number of inverter stages increase, for example, from the OE signal to the output.
Delay time in the
Driving timing and driving low-voltage transistors
Timing, a large current flows transiently.
Disadvantage. On the other hand, the external power supply voltage
If a logic circuit can be configured, the degree of freedom in design will increase,
It is also preferable from the viewpoint of performance. The following discussion is based on the external power supply voltage.
An embodiment in which a logical circuit is configured will be described. Note that this logic
The circuit operates with an external power supply voltage in addition to the output buffer
It is also effective as a means for generating control signals for various circuits.
You. FIG. 31 shows a configuration example of a two-input NAND circuit according to the present invention.
doing. The A input in FIG. 31 (a) corresponds to in1A and
And in2A and B input correspond to in1B and in2B respectively.
You. Of each input signal, in1A and in2A, and in1B and in2B
Similar to in1 and in2 in FIG. 20 (a), they change in phase.
In FIG. 31 (b), the transistor T200And T201Is low
Driven by the input signals in1A and in1B on the
Jista T202And T203Are the input signals in2A and in2B on the high voltage side.
Driven by Transistor T204And T205Figure 20
(A) T202And T203As well as applicable to gate oxide
It is provided to operate at a voltage higher than the voltage.
You. With this configuration, when both inputs are high level
Only when the output is low,
It is. Thus, in addition to a normal CMOS NAND circuit, two
Just add a transistor, you can
Can be used at high power supply voltages. Here, 2
The input NAND circuit was explained as an example, but other examples
For example, NOR circuit, exclusive OR circuit, 3 or more inputs
Input of the output of multiple logic circuits
Composite gates that output various composite logics, and latches
Similarly for sequential circuits such as circuits and flip-flop circuits
The present invention is applicable. FIG. 32 (a) shows a tri-state using this logic circuit.
3 shows an example of the configuration of the output buffer. Fig. 32
(B) is a simplified version of this using logical symbols.
It is. In the figure, G12Is a 2-input NAND circuit, G13Is 2
Input NOR circuit, T210And T211Constitutes an output circuit
N-channel and P-channel MOS-FETs. Output
When enable signal OE is high, output DOEnter
Force dOData is output from the buffer and OE is low
In the case of, T regardless of the input data210The gate is low
Voltage, T211Is fixed to high voltage,
DOIs floating (impedance is almost infinite)
Become. FIG. 32 (a) shows the withstand voltage lower than the value of the external power supply voltage.
Circuits that have the same function and are configured using elements with small pressure
It is a specific configuration example of a road. In the figure, 112 is NAND
Circuit, 113 is NOR circuit, 114 is output circuit, 110 and 111 are 30th
This is the same amplitude conversion circuit as 102 in FIG. Amplitude conversion
The path is a low-amplitude signal do1, o on the low supply voltage side from the internal circuit.
necessary to operate 112 and 113 based on e1, oe1 ~
Generates signals do2, oe2, oe2 ~ on the high power supply voltage side. here
As shown in the above, according to the present invention, using a fine element
Also operate with an external power supply voltage exceeding its withstand voltage
And delay time of tri-state output circuit etc.
Transient current can be reduced. Next, an example of a CMOS level input circuit will be described with reference to FIG.
You. In this figure, 115 is the same as that shown in FIG.
Same inverter, T220And T221Is a large signal swing at the input.
Transistor T even when width is applied222And T223Gate of
The voltage applied to the oxide film must be limited to the oxide film breakdown voltage or less.
X is an input signal. Smell this figure
Therefore, even if a high voltage (for example, 5 V) is applied to the input,
De N40Voltage is Vn−VT1(T220), That is, about 2V
Is limited to Similarly, a low voltage (for example, 0
V) is applied, the node N41The minimum value of the voltage applied to
It is about 3V, and the voltage applied to each transistor is
The voltage can be reduced to about half of the voltage. Also,
The signal amplitude of x1 ~, one of the outputs of this circuit, is about 2V.
Therefore, this is an internal circuit that operates at low power supply voltage
Can be input. In the above embodiment, the CMOS-level output circuit and the input
An example of a circuit has been described. Next, the value of the power supply voltage
Input circuit that switches between TTL level and CMOS level
FIG. 34 (a) shows an example of the output circuit. In the figure, PA
DIIs the input pad, PADOIs an output pad, IPD is due to static electricity.
IB, input protection element to prevent junction and gate breakdownFive
Is the input buffer, OBFiveIndicates the output buffer respectively
I have. The input protection element will be described later in detail.
You. Input buffer IBFiveIs a CMOS inverter 2
MOS-FET TIN1And TIP1, CMOS inverter power supply voltage
The bias voltage Vn1Limited to a certain value determined by
N-channel MOS-FET T forIN2, CMOS inverter
An N channel for similarly limiting the input voltage to a predetermined value or less.
Flannel MOS-FET TIN0, Consisting of In addition, output battery
Fa OBFiveIs an invar similar to that shown in FIG.
116, a low-amplitude signal d from the internal circuitoutBased on
Amplitude conversion circuit 11 for generating data drive signals d1 and d2
7.Inverter output voltage is bias voltage Vn1Determined by
N-channel MOS-FET T for limiting to below a predetermined value
ON2, Is composed of. The same as shown in FIG. 32
By taking the logic with the output enable signal,
Buffers with tri-state output characteristics can be configured
Needless to say. Now, in these circuits,
Ias voltage Vn1Value appropriately according to the power supply voltage.
TTL level at high power supply voltage, C at low power supply voltage
Input / output can be performed at the MOS level. Fig. 34
(B) is the bias power supply voltage Vn1Power supply voltage VCCTo
An example of the dependency is shown. In the figure, VOLAnd VOH
Is the TTL output level corresponding to “0” and “1” respectively, VIL
And VIHIs the TTL input level corresponding to “0” and “1” respectively
Is shown. These TTL logic gates
The value is VOL= 0.4V, VOH2.4V, VIL= 0.8V and VIH= 2.
0V. Also, the bias power supply voltage Vn1The value of
3V when the voltage is 2.5V or more, and when the power supply voltage is 2.5V or less
TIN0Operate in the unsaturated region, for example, VCC+
It is controlled to be 0.5V. First, the output buffer
The operation of the circuit will be described. Node N48The voltage is low voltage
0V and high voltage (“1”) when outputting (“0”)
When you do VCCBecomes Therefore, at low voltage output
Is 0V is D regardless of the value of power supply voltageoutIs output to on the other hand,
D at high voltage outputoutIs as shown in FIG. 34 (b).
Power supply voltage VCCDepends on the value ofCCV when ≥3Vn1−VT1
(TON2), VCC<3V for VCCbecome. This allows
Meets TTL level output characteristics when the power supply voltage is 3V or more
The output voltage amplitude can be obtained. It should be noted that
By limiting the input voltage to 2.5V or less,
Power supply current when charging and discharging
Can be reduced. Next, the operation of the input buffer circuit
Will be described. TIN1And TIP1CMOS inverter composed of
Power supply voltage is transistor TIN1From the source terminal of
Be paid. Therefore, its value depends on the power supply voltage
Sometimes it becomes 2.5V, and when it is 3V or less, it becomes 0V. On the other hand,
When the voltage is 3V or more, the input voltage of the inverter is 2.5V or less
And D when the voltage is 3V or lessinEntered
The applied voltage is applied as it is. With this circuit configuration,
Even if the power supply voltage changes greatly from 1V to 5.5V, for example,
The power supply voltage of the inverter and the maximum amplitude of the input signal are almost equal
It becomes difficult. Of the two transistors that make up the inverter
If the channel conductance is set almost equal,
The logic threshold voltage of the inverter is half of the power supply voltage
Become. Therefore, the logic threshold when the power supply voltage is 3 V or more
The low threshold voltage is the logical threshold voltage when the voltage is
Pressure is VCC/ 2, at a certain voltage (3V in this example)
TTL level at higher power supply voltage,
Provides input buffer that operates at CMOS level at power supply voltage
can do. As described above, according to the present invention,
For example, in an LSI having a wide operating power supply voltage range,
Operation at the optimal input / output level at the power supply voltage value is possible
And that. This reduces the maximum noise margin to the minimum.
It can be realized with power consumption. In the output buffer,
Three transistors TON0, TON1, TON2Each board (back
Gate). By doing this, the output
When a high voltage surge is applied to the terminals, the charge is
It can be discharged at a high speed by a large current. this
Is a clamp MOS-F in the input protection element described later.
Same as ET operation, breakdown increases substrate potential
When rising, the parasitic bipolar that exists between the ground potential
This is to make it easy to turn on the transistor. This
Even if a fine element is used, the output
Can be up. In the above embodiment, N
Substrate voltage V of channel MOS-FETBP1The value of
PN junction in order when negative (undershoot)
Negative values (eg-
3V), but the flow of forward current is
If allowed, 0V is acceptable. Also, N-channel MOS-F
The ET may be formed in a P-type substrate or as shown in FIG.
Formed in a P well electrically insulated from the P substrate
You may. In the latter case, the resistance of the P-well is the resistance of the substrate
Lower, the parasitic bipolar transistor may turn on.
This has the effect of increasing the electrostatic breakdown voltage. In the above embodiment, the bias voltage V higher than the power supply voltage
n1Need to occur. Such a bias voltage
An example of configuring an input buffer without using it is shown in FIG.
You. In the figure, the input buffer IB6Is two circuit blocks
IB6aAnd IB6bIt is composed of IB6aFigure 34
(A) Input buffer IBFiveThe circuit configuration is the same as that of Ma
IB6bIs IB6aOutput is convenient for driving internal circuits.
It is a circuit that converts to a good voltage level. IB6bAt
T231And T232Is the two MOS-FEs that make up the CMOS inverter
T, T233Is dinN is low when52To the internal
Source voltage VCLP-channel MOS-FET for pulling up to T
230Is the node N52Becomes high voltage, N52To N51What
N-channel MOS-FET to prevent current from flowing back
is there. Bias voltage V in this circuit configurationn2Power supply
Pressure VCCFIG. 35 (b) shows the dependence on. Power-supply voltage
3V (constant) when the power supply voltage is 3V or more, when the power supply voltage is 3V or less
Is the power supply voltage VCCTo be equal to This time
The operation of the road will be described in two cases. Fig. 35 (c)
Is the power supply voltage VCCIs 5V, internal power supply voltage VCLIs 1.5V
5 shows operation waveforms of the unit. If the input voltage is low (for example,
0.4V), the node N51Voltage is Vn2−VT1(T
IN5) (Eg 2.5V), node N52Voltage is VCL(1.5V)
Becomes dinOutputs a low voltage (0 V). Input power
Voltage from low voltage (eg 0.4V) to high voltage (eg 2.4V)
Changes, node N50Voltage rises accordingly
And node N51Voltage to 0V. T230Channel
Le conductance is T233Set larger than that of
And node N52Is also reduced to almost 0V, din
Is VCL(1.5V). Conversely, the input
The voltage is changed from a high voltage (for example, 2.4 V) to a low voltage (for example, 0.4).
V) changes to node N50Voltage follows it
Down, node N51The voltage of Vn2−VT1(TIN5) (Eg 2.5
V). Thus, node N52Voltage is V
CL−VT1(T230) (For example, 1.2V) and din
To 0V. This gives T233Turns on and the node
N52The voltage of VCL−VT1(T230) To VCL(1.5V)
increase. Thus, T233By node N52Return to
Because Ntwenty twoIs the same as the power supply voltage, and T
231And T232Through current in the CMOS inverter composed of
It can be prevented from flowing. Next, FIG. 35 (d) shows the power supply voltage VCCAnd internal power supply voltage VCL
Shows the operation waveforms of the respective units when both are 1.5V. input
Is low (for example, 0V), the node N51of
Voltage is Vn2−VT1(TIN5) (Eg 1.2V), node N52of
Voltage is VCL(1.5V) and dinOutput low voltage (0V)
Is done. Input voltage is low (eg 0V) to high
(For example, 1.5V), the node N50Voltage is Vn2
VT1(TIN5) (Eg, 1.2V)51No electricity
Reduce pressure to 0V. T230The channel conductance of
T233Node N52of
The voltage is also reduced to almost 0V, dinIs VCL(1.5V)
To rise. Conversely, if the input voltage is high (for example,
From 1.5V to a low voltage (eg 0V)
N50Voltage follows and drops to 0V, causing node N51of
Voltage to Vn2−VT1(TIN5) (For example, 1.2V)
You. Thus, node N52Voltage is VCL−VT1(T230)
(For example, 1.2V), dinTo 0V
You. This gives T233Turns on and node N52The voltage of VCL
VT1(T230) To VCL(1.5V). like this
Power supply voltage is low and IB6aOutput amplitude below the power supply voltage
Node N even if52Voltage amplitude is the same as the power supply voltage
T231And T232CMOS inverter composed of
Does not flow through. As mentioned above, the power supply voltage
Even without using a higher bias voltage,
Input / output buffer that switches the signal according to the value of the power supply voltage.
Can be realized. Finally, in an LSI composed of fine elements,
Input protection element that protects internal circuit elements from input surge
FIG. 36 (a) shows a configuration example of the child. In the figure, PADI
Is an input pad for inputting signals, and 120 is formed in the semiconductor substrate.
Using punch-through between the formed impurity diffusion layers,
To release high voltage to ground potential
1 protection element, 121 is node N60To a certain predetermined voltage.
Gate clamp element to limit the pressure below R70Is pa
Absorbs the difference between the high voltage applied to the
Resistance for Gate clamp elements are connected in series
Two N-channel MOS-FET TPD1And TPD2, That
Bipolar transistor Q using parasitic elements1And
It is composed of TPD1The gate of the same
Like, bias voltage VnAnd TPD2Gate to drain
This prevents a voltage exceeding the oxide film breakdown voltage from being applied. TPD2
Gate is grounded and, during normal operation, passes through two MOS-FETs.
To prevent current from flowing. Gate clamp element
FIG. 36 (b) shows the cross-sectional structure at A, A '
The structure is shown in FIG. 36 (c). In FIG. 36 (b)
Where 122 and 123 are electrically isolated from each other
Electrically active regions formed in the substrate, 124 and 125
Is a gate electrode made of polysilicon or the like, 126 to 1
Impurity diffusion formed in electrically active regions up to 30
Layer or gate electrode from the top metallization
Contour provided through insulating film to make connection
The holes 131 to 134 are made of aluminum, etc.
Metal wirings are shown. FIG. 36 (c)
In the figure, reference numeral 50 denotes a voltage between electrically active regions in a semiconductor substrate.
Thickness formed by oxidation of the substrate for gas insulation
Insulating films, 139 and 14 are polysilicon forming the gate electrode, 1
For 35 to 138, mask the above insulating film or gate electrode
Impurity diffusion layer formed in the substrate in a self-aligned
1 is a metal wiring located above the impurity diffusion layer or gate electrode.
Thick insulation formed to provide electrical insulation between lines
, Respectively. In the structure shown in FIG.
2 is a clamped terminal (node N60), Wiring 133 and 1
34 has a ground terminal (VSS), The bias voltage V
nAre respectively applied. In FIG. 36 (c), the P group
Plate-based three NPN-type parasitic bipolar transformers
Jista Q1a, Q1bAnd Q1cExists. Fig. 36 (a)
Q1Are representative of these. Then this
The operation of the device will be described. Node N60Voltage applied to
PN junction formed between the impurity diffusion layer 136 and the substrate
Above the reverse breakdown voltage of
The potential of the plate is raised, and the parasitic bipolar transistor
Turn on. As a result, the impurity diffusion layers 136 and 135,
Or 138, a large collector current flows and the node N
60Is extracted and its potential is clamped. these
Q out of1bAnd Q1cAre connected in series, so Q1aCompared to
The collector current decreases. Therefore, in effect,
Breakdown occurs first, turns on parasitic bipolar transistor
This is done by the MOS-FET, then the large collector
The current flows through the parasitic bipolar transistor Q1aDo
U. Thus, node N60Near the transistor
Provide an impurity diffusion layer separate from the pure diffusion layer and ground it.
The collector of the parasitic bipolar transistor
To reduce the effective distance between the
Increase the collector current when the transistor operates
I can do it. In this way, the connection near the terminal to be clamped
The arrangement of the grounded impurity diffusion layer is
Not only that, it can also be applied as an output protection element. Also,
In this example, the gate clamp element was formed in the P substrate
However, it has a structure as shown in FIG. 14 and is electrically separated from the substrate.
May be formed in the formed P well. By doing this
The resistance of the base and P-well increases,
Roller transistor is easily turned on, and the effect of clamping
Can be further enhanced. In addition, P board or P
Well bias voltage VBP1Is a negative value (for example,
-3V), but undershoot of input
If the forward current is allowed to flow through the
I do not care. In this embodiment, an example using a P substrate is described.
As described above, even if an N substrate is used,
The present invention can be similarly applied if a child is formed. As described above, the details of the present invention have been described with reference to the embodiments.
The scope of the present invention is not limited to this. An example
For example, here we mainly describe memory circuits,
As mentioned at the beginning of the specification, memory LSI, logic LSI,
Or a composite LSI combining these, or other L
Applicable to all SIs. Also, depending on the type of element used
Also, L using both p-type and n-type MOS transistors
SI, LSI using bipolar transistor, junction type FET
LSI, CMOS transistor and bipolar transistor
BiCMOS-type LSI with a combination of capacitors, and other than silicon
Device on a substrate such as gallium arsenide
The same can be applied to LSIs and the like.

【発明の効果】【The invention's effect】

以上述べた本発明によれば、最先端の微細加工技術に
よる素子の特性を活かし、低消費電力かつ高速で動作
し、また、動作状態の切り換えにより電池での動作や情
報保持動作も行える高集積のLSIを提供できる。
According to the present invention described above, a high integration that can operate at a low power consumption and at a high speed, and can also perform a battery operation and an information holding operation by switching operation states, utilizing the characteristics of the element by the latest microfabrication technology. LSI can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図および第2図は本発明の基本概念を説明する実施
例、第3図は本発明をスタティックメモリに適用した実
施例、第4図〜第8図は本発明をダイナミックメモリに
適用した実施例、第9図〜第11図は本発明の基本概念を
説明する他の実施例、第12図と第13図は本発明を構成す
る素子の具体的実施例、第14図は本発明を構成する半導
体基板の具体的実施例、第15図は情報保持時の消費電力
を低減するための具体的実施例、第16図〜第19図は低電
圧で動作するダイナミックメモリの具体的実施例、第20
図〜第27図は微細な素子のゲート耐圧以上の電圧で動作
させる各種回路の具体的実施例、第28図は入出力回路の
構成の基本概念を示す実施例、第29図〜第32図は出力回
路の具体的実施例、第33図〜第35図は入力回路の具体的
実施例、第36図は入力保持素子の具体的実施例の各図面
である。 符号の説明 1…LSIチップ、5…内部回路部、6…電圧変換回路、
7…入出力回路、8…情報保持状態検出回路、9…基準
電圧発生回路、10…リミッタエネーブル信号発生回路、
11…外部入出力バス、12…内部入出力バス。
1 and 2 show an embodiment for explaining the basic concept of the present invention, FIG. 3 shows an embodiment in which the present invention is applied to a static memory, and FIGS. 4 to 8 show an embodiment in which the present invention is applied to a dynamic memory. Embodiments, FIGS. 9 to 11 show other embodiments for explaining the basic concept of the present invention, FIGS. 12 and 13 show specific embodiments of the elements constituting the present invention, and FIG. 14 shows the present invention. FIG. 15 is a specific embodiment for reducing power consumption when information is retained, and FIGS. 16 to 19 are specific embodiments of a dynamic memory operating at a low voltage. Example, 20th
FIGS. To 27 are specific examples of various circuits operated at a voltage higher than the gate breakdown voltage of a fine element, FIG. 28 is an example showing the basic concept of the configuration of an input / output circuit, and FIGS. 29 to 32 33 is a specific embodiment of an output circuit, FIGS. 33 to 35 are drawings of a specific embodiment of an input circuit, and FIG. 36 is a drawing of a specific embodiment of an input holding element. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... LSI chip, 5 ... Internal circuit section, 6 ... Voltage conversion circuit,
7 input / output circuit, 8 information holding state detection circuit, 9 reference voltage generation circuit, 10 limiter enable signal generation circuit,
11: External I / O bus, 12: Internal I / O bus.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 27/04 27/108 (56)参考文献 特開 昭60−45997(JP,A) 特開 昭62−189695(JP,A) 特開 平2−71491(JP,A) 特開 昭62−163563(JP,A) 特開 平1−129769(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G11C 11/407 ────────────────────────────────────────────────── (5) Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification symbol FI H01L 27/04 27/108 (56) References A) JP-A-2-71491 (JP, A) JP-A-62-163563 (JP, A) JP-A-1-129769 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) ) G11C 11/407

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1電圧が供給される第1ノードと 基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、 前記第1ノードに供給される前記第1電圧を受けて内部
電圧を第2ノードから出力する電圧変換回路と、 前記内部電圧を受けて動作する回路ブロックとを有する
半導体装置であって、 前記半導体装置は、前記第1電圧の電圧に応じて、第1
電源電圧範囲と前記第1電源電圧範囲よりも小さな第2
電源電圧範囲とを有し、 前記電圧変換回路は、前記第1電源電圧範囲において前
記基準電圧に基づいて前記内部電圧を形成するための第
1電圧変換回路と、前記第2電源電圧範囲において前記
基準電圧に基づいて前記内部電圧を形成するための第2
電圧変換回路と、前記第2電源電圧範囲内で前記第1電
圧が所定電圧以下となったときに前記第1ノードと前記
第2ノードを短絡するためのスイッチ手段を有すること
を特徴とする半導体装置。
A first node supplied with a first voltage; a reference voltage generating circuit for generating a reference voltage; and an internal voltage output from a second node in response to the first voltage supplied to the first node. And a circuit block that operates by receiving the internal voltage, wherein the semiconductor device performs a first operation in accordance with a voltage of the first voltage.
A power supply voltage range and a second power supply voltage range smaller than the first power supply voltage range.
A power supply voltage range, wherein the voltage conversion circuit comprises: a first voltage conversion circuit for forming the internal voltage based on the reference voltage in the first power supply voltage range; A second for forming the internal voltage based on a reference voltage;
A semiconductor device comprising: a voltage conversion circuit; and switch means for short-circuiting the first node and the second node when the first voltage falls below a predetermined voltage within the second power supply voltage range. apparatus.
【請求項2】請求項1において、前記基準電圧は前記第
1電圧の変化に関わらず、略一定であることを特徴とす
る半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said reference voltage is substantially constant regardless of a change in said first voltage.
【請求項3】請求項1または2において、前記回路ブロ
ックは複数のメモリセルを有する情報記憶回路であり、 前記第1電源電圧範囲は前記情報記憶回路が通常動作す
る電源電圧であり、前記第2電源電圧範囲は前記情報記
憶回路がその記憶情報を保持する情報保持動作をする電
源電圧であることを特徴とする半導体装置。
3. The information storage circuit according to claim 1, wherein the circuit block is an information storage circuit having a plurality of memory cells, and the first power supply voltage range is a power supply voltage at which the information storage circuit operates normally. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the power supply voltage range is a power supply voltage at which the information storage circuit performs an information holding operation for holding the stored information.
【請求項4】請求項1から3のいずれかにおいて、前記
回路ブロックは、前記第2電源電圧範囲のほうが前記第
1電源電圧範囲より消費電流が小さいことを特徴とする
半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein said circuit block consumes less current in said second power supply voltage range than in said first power supply voltage range.
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