JP3460713B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP3460713B2
JP3460713B2 JP2002004054A JP2002004054A JP3460713B2 JP 3460713 B2 JP3460713 B2 JP 3460713B2 JP 2002004054 A JP2002004054 A JP 2002004054A JP 2002004054 A JP2002004054 A JP 2002004054A JP 3460713 B2 JP3460713 B2 JP 3460713B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a highly integrated semiconductor device composed of fine elements capable of supporting a wide range of power supply voltages and power supply types.

【0002】[0002]

【従来の技術】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録する固体
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(バッテリーバックアッ
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。
2. Description of the Related Art In recent years, it has been used for portable electronic information devices typified by laptop personal computers and electronic notebooks, solid-state recorders for recording voices without using a magnetic medium, solid-state cameras (electronic still cameras) for recording images, and the like. Representative portable electronic media devices are beginning to appear on the market. In order for these portable electronic devices to spread widely, the key is to realize an ultra-high integrated circuit (hereinafter abbreviated as ULSI) capable of battery operation or battery information retention operation (battery backup). On the other hand, as a large-capacity auxiliary storage device for realizing a higher-performance electronic computer, there is an increasing need for a semiconductor disk that can be accessed at a higher speed than a magnetic disk. A semiconductor disk requires an ultra-large-capacity memory LSI capable of holding information by a battery.

【0003】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(1〜5.5
V)での動作。これにより、多種類の電源、例えば現在
のTTL互換デジタルLSIの標準電源電圧である5
V、あるいは将来の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行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
よっても長時間、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。
The following are required for ULSIs used for these purposes. (1) Wide power supply voltage range (1 to 5.5
V) operation. As a result, various types of power supplies, for example, the standard power supply voltage of the current TTL compatible digital LSI 5
V, or 3.3V, which is one of the standard power supply voltage candidates for future TTL compatible digital LSIs, and 3 to 3.6V, which is a typical output voltage of a primary battery using lithium or the like,
One chip can handle 1.2V, which is a typical output voltage of a secondary battery using cadmium and nickel. (2) Responding to changes in the power supply voltage over time (short-term or long-term). As a result, there is no fear of causing a malfunction even if the battery voltage is changed with time or the voltage is changed due to power supply switching at the time of transition between the standard operation and the battery backup operation. (3) Reduction of power consumption during operation or battery backup operation. As a result, even a small battery can be operated for a long time. (4) Reduction of transient current. As a result, transient fluctuations in the battery voltage can be reduced and malfunctions can be prevented.

【0004】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。
An example of a microprocessor product that operates in a wide power supply voltage range is described on page 148 of 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, the information in the data memory can be held at a minimum of 2V. Similarly, in static memory,
Generally, the recommended operating power supply voltage is 5V, and 2V when information is retained (retention).

【0005】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 Circuits, Vol.23, No.1, pp.12
−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。
As a dynamic memory for backing up a battery, an example in which the current consumption during information retention (refresh) is reduced is shown in I.E.E.Journal of Solid State Circuits, Vol. 23, Vol. 1
Issue, pp. 12-18 (1988) (IEEE Jounal
of Solid-State Circuits, Vol.23, No.1, pp.12
-18, February 1988). In this case, the standard operating power supply voltage and the power supply voltage for holding information are both 5V.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】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。
Although the microprocessor and the static memory described above have a wide operating power supply voltage range of 2 to 5 V, the power supply voltage =
Since it is designed around 5V, for operation outside the allowable power supply voltage fluctuation range (usually ± 10%),
The operating speed (maximum clock frequency in the case of a microprocessor, access time in the case of a static memory) is not guaranteed, and the operating speed is usually remarkably reduced especially at a low power supply voltage. Also, the power supply voltage dependency of the operating speed varies depending on the product,
It is necessary to match the slowest operation speed among the LSIs constituting the system, and operation at a voltage other than 5V does not provide the required performance or makes system design at a low power supply voltage extremely difficult. In addition, these LSI
Since the minimum operating power supply voltage is 2.2V, it is not possible to support all of the various power supplies described above, and the system configuration is restricted.

【0007】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。
Considering the case where the above-mentioned dynamic memory is incorporated into a system, the minimum power supply voltage becomes 4.5 V, which makes it more difficult to deal with the various power supplies 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 holding information, the configuration of the power supply switching circuit becomes very complicated, making it difficult to hold information.

【0008】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LS
I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。
The miniaturization of semiconductor devices is rapidly progressing, and if a processing technique of 0.5 micron or less is used, some systems are integrated on one chip. It has become possible to configure a so-called system LSI. In such a system LSI, each LS that constitutes it is
It is required that the operating power supply voltage range and operating speed of the I block are matched. However, as mentioned above, such a system LSI can be obtained by simply combining conventional LSIs.
Could not be configured.

【0009】本発明の目的の一つは、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
性能を活かすことである。
One of the objects of the present invention is to cope with various power supply voltages, consume a small amount of power, and utilize the device performance suitable for fine processing.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的は、電池バック
アップに適した低消費電力モードを有し、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 object has a low power consumption mode suitable for battery backup and has a minimum voltage of 1V.
LSI circuit block that operates even with a low power supply voltage,
This can be achieved by configuring the device with a power supply voltage conversion circuit that provides the LSI with an optimum internal power supply environment for the operation mode and an input / output circuit that converts the signal amplitude.

【0011】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
ま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
設定できるため、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。
Main LSI for storing and processing information
By operating the block at a substantially constant low voltage regardless of the value of the external power supply voltage, it is possible to obtain substantially constant speed performance over a wide power supply voltage range. In addition, since the external power supply voltage can be reduced to the operating voltage of the LSI block as needed, the power consumption at the time of holding information can be reduced to the minimum necessary value, and at the same time, the battery backup circuit can have a simple configuration. be able to. Moreover,
Since the optimum operating voltage corresponding to the characteristics of the fine elements that form the main LSI block can be set independently of the value of the external power supply voltage, high integration, high speed, and low power consumption can be simultaneously achieved.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】図1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(MPU)、メモリマネジメ
ントユニット(MMU)、浮動少数点演算ユニット(F
PU)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LS
I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させる電源
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池を電源と
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(PAD
1)に印加される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows an embodiment for explaining the basic concept of an LSI chip according to the present invention. In the figure, 1 is an LSI
Chip refers to an LSI chip that generally has an information storage function or an information processing function, and is a dynamic type or static type random access memory (RAM).
Alternatively, a memory LSI such as a serial access memory (SAM) or a read-only memory (ROM), a microprocessor (MPU), a memory management unit (MMU), a floating point arithmetic unit (F)
PU) such as a logic LSI, and further, a system LSI in which a plurality of such LSIs are integrated.
It may be an I-chip. The constituent elements may be bipolar transistors, MIS transistors, combinations of these elements, or elements other than silicon, such as gallium arsenide elements. Reference numeral 2 is an example of a power supply circuit that detects a drop in the external power supply voltage and shifts to a backup state using a battery. With such a power supply circuit, it is possible to prevent the necessary information stored in the LSI chip from being lost even if VEXT drops due to a momentary interruption of the commercial power supply. Among these, 3 is a power supply voltage drop detection circuit, SW is a switch for preventing a current from flowing from the battery to the external power supply terminal when holding information, 4 is a switch control signal, B is a battery, and VBT is its voltage. In the information holding mode, the entire chip operates with this battery as a power source. D is a diode for preventing current from flowing into the battery during normal operation. With this power supply circuit, VEXT is the power supply terminal (PAD) of the chip in the normal operation, and VBT is the data hold.
1) is applied.

【0013】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
路ブロックの電源電圧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、6b、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、L
SI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。SW
6a、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、同様の効果が得られれば、
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。P
D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、1
1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
と内部の間で制御信号や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PDにより入出力バッファ
をオフする。
In this example, the difference between the normal operation and the information holding operation is detected by the detecting means on the LSI chip.
Here, 5a and 5b are main circuit blocks, 5 is a set of them, and 6 is a power supply voltage conversion circuit for converting the power supply voltage Vcc input from the outside of the chip into the power supply voltages VCL1 and VCLn of each circuit block. In FIG. 6, 6a and 6c are conversion circuits for normal operation, and 6b and 6d are conversion circuits for holding information. Generally, since the operating voltage and the operating current of the circuit are smaller when the information is held than when the normal operation is performed, there is no problem even if the current consumption of the voltage conversion circuit that supplies the power supply voltage is reduced to lower the driving ability. . As a result, in combination with the low current consumption of the main circuit block,
It becomes possible to significantly reduce the current consumption of the entire SI chip. In this example, the method of switching between the two voltage conversion circuits is shown, but the number of conversion circuits may be three or more. Further, the output voltage and the consumption current may be changed by using one voltage conversion circuit. SW
6a and SW6c are switches for directly applying the power supply voltage Vcc to the circuit block when Vcc drops to a value substantially equal to Vcl1 or Vcln. By using the switch, the voltage conversion circuit can be turned off and the current consumption can be further reduced. In the above example, the power supply voltage conversion circuit is configured by the switch and the plurality of voltage conversion circuits. However, if a similar effect is obtained,
One voltage conversion circuit may be used. Further, reference numeral 9 in the figure is a circuit for generating the reference voltage VL. Based on this voltage, the internal power supply voltages VCL1 and VCLn are generated. Reference numeral 8 is a circuit for generating a signal PD indicating that the information holding operation is being performed. P
Although several methods of generating D can be considered, here, a method of comparing the power supply voltage VCC and the reference voltage VCX and outputting PD when the former is smaller than the latter is used. Reference numeral 10 is a generator circuit for the limiter enable signal LM. When the power supply voltage is higher than the internal power supply voltage and the voltage conversion circuit (voltage limiter) is operated, the high voltage (“1”) is set, and when the external power supply voltage is reduced to the same level as the internal power supply voltage, the low voltage (“1”) is set. ) Are output respectively. In the latter case, the power supply voltage is directly applied to the circuit block, and at the same time, the voltage conversion circuit is not operated, and the current consumption is suppressed to be small. In the example shown in the figure, the power supply voltage VCC
And the reference voltage VLX are compared, and LM is output when the former is larger than the latter. The output voltage and current consumption of the power supply voltage conversion circuit can be switched by the two signals PD and LM. In the figure, 7 is an input / output buffer, 1
Reference numeral 1 is an input / output bus for exchanging control signals and data with the outside of the chip, and 12 is an internal bus inside the chip for exchanging control signals and data between circuit blocks. The input / output buffer also serves as a level conversion circuit, and can transfer control signals and data even if the internal logic signal amplitude and the external logic signal amplitude do not match. Further, in the information holding operation state, it is not necessary to transfer control signals or data between the outside and the inside of the chip, so the input / output buffer is turned off by the information holding state signal PD.

【0014】図2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V
CC、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(ma
x)、参照電圧VCXとの間に VBT(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は
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、VLXの値を1.5Vにしている。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the relationship between the power supply voltage VCC and the internal power supply voltage VCL. In the figure, the horizontal axis is the power supply voltage V
CC, the vertical axis corresponds to the internal power supply voltage VCL. Here, the standard power supply voltage is 3 to 3.6 V, and the power supply voltage for holding information is 1
.About.2V, the reference voltage VCX for switching between the standard operation and the information holding is set to 2.5V.
x) and the reference voltage VCX, as long as the relationship of VBT (max) <VCX <VCC (min) is established, the value shown here is not necessary. Further, although the internal power supply voltage VCL in the standard operation is set to 1.5V, it may be set to an appropriate voltage value according to the operating performance of the circuit within a range not exceeding the power supply voltage VCC. Further, in this example, the value of VLX is set to 1.5V because the power supply voltage VCC is directly applied to the internal circuit at a power supply voltage of 1.5V or less.

【0015】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図3に
示す。ここでは時間t0〜t3にかけて、電源電圧VCCが
3.5V〜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VCX=2.5Vよりも小さくなるt1〜t
6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。
In this LSI chip, the power supply voltage VCC
3 shows an example of changes over time of the internal power supply voltage VCL, the two control signals LM, and PD in the case where changes with time. Here, it is assumed that the power supply voltage VCC drops to 3.5V to 1V from time t0 to t3 and the power supply voltage VCC rises to 1 to 3.5V from time t4 to t7.
Power supply voltage VCC becomes smaller than VCX = 2.5V t1 to t
During the period of 6, the signal PD is at a high voltage (“1”), and the chip is in the information holding state. Further, the power supply voltage VCC is VLX =
During the period from t2 to t5 which is smaller than 1.5V, the signal LM is at a low voltage ("0"), and the power supply voltage Vcc is directly applied to the chip. Note that the voltage values shown here are only examples, and other voltage combinations can be similarly applied.

【0016】図4および図5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×
VCC(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V
CC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。
FIGS. 4 and 5 show an example of a method and a circuit configuration for generating the limiter enable signal LM. The signal LM may be changed from the high voltage (“1”) to the low voltage (“0”) at the place where it becomes equal to the internal power supply voltage VCL for the first time when the power supply voltage VCC is lowered. In this example, the voltage β proportional to the power supply voltage Vcc
Vcc (0 ≦ β ≦ 1) and the reference voltage VL are compared by a comparison circuit, and a high voltage (“1”) is output when the former is large, and a low voltage (“0”) is output when the former is small. . By thus inputting a voltage between the high voltage and the low voltage using a voltage proportional to the power supply voltage Vcc, the voltage amplification factor of the comparison circuit can be increased, which is convenient for the circuit operation. . For example, when β = 0.5 and VL = 0.75V,
VLX = 1.5V, and the limiter enable signal LM is high voltage (“1”) when the power supply voltage Vcc is 1.5V or higher.
And the voltage conversion circuit operates. Here, the power supply voltage V
The voltage proportional to CC can be generated by resistance division.

【0017】図6および図7には、情報保持状態信号P
D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端子に入力する。
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。
The information holding state signal P is shown in FIGS. 6 and 7.
An example of a method of generating D and a circuit configuration is shown. Basically, a circuit similar to the LM generation circuit described above can be used. In this case, the voltage α × VCC that is proportional to the power supply voltage VCC
(0 ≦ α ≦ 1) is input to the inverting input terminal of the comparison circuit.
For example, when α = 0.5 and VL = 0.75V, VCX = 2.
When the power supply voltage Vcc is 2.5 V or less, the information holding state signal PD becomes a high voltage ("1") and the information holding state is set. Here, the voltage proportional to the power supply voltage Vcc is generated by the resistance division of the resistors R1 and R2. The resistors R1 and R2 may be formed using any of an impurity diffusion layer formed in a semiconductor substrate, polysilicon, and a channel resistance of MIS-FET.

【0018】図8は、スタティ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はスタティ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。図9に示すように、こ
の例では、標準動作時のVCL2を1.5V、情報保持例の
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V
CL1を0Vとしている。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-FETT2、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、T1がカットオフする、と
同時にT3が導通し、差導増幅回路A1にバイアス電流が
供給され、非反転入力電圧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セル
アレーが消費する電流は非常に小さく、かつ時間的にほ
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。
FIG. 8 shows an embodiment in which the present invention is applied to an LSI including a static memory as a part thereof.
In the figure, 5c is a memory cell array of static memory,
Reference numeral 5d is a circuit block such as a logic circuit that does not need to hold information, and the respective power supply voltages are VCL2 and VCL1. The memory cells are four N-channel MOS-FETs T6 to T9.
And two resistance elements R7 and R8. When the resistance value is R, the value of the current flowing through one memory cell is VCL2 / R. Therefore, it is desirable to reduce the voltage value as much as possible within the range where the noise margin can be secured when the information is held. As shown in FIG. 9, in this example, VCL2 in the standard operation is set to 1.5V, and VCL2 in the information holding example is set to 1V. The logic circuit block 5d is composed of an inverter and a logic gate. In the figure,
The arrows T11 and T13 indicate P-channel MOS-FETs, and the other T10 and T12 indicate N-channel MOS-FETs.
At the time of holding information, these logic circuits do not need to be operated, so that it is not necessary to supply a power supply voltage. Therefore,
Here, VCL1 in standard operation is 1.5V, and VCL in data retention
CL1 is set to 0V. Internal power supply voltage VCL2 and VCL1
Are supplied by the power supply voltage conversion circuit 6e or the P-channel MOS-FET T1 which operates as a switch. The power supply voltage conversion circuit includes a differential amplifier circuit A1, a resistor R3 provided to control an operating current of the differential amplifier circuit, two N-channel MOS-FETs T3 and T4, and an inverting input terminal of the differential amplifier circuit. It is composed of three resistors R4 to R6 provided to control the amount of feedback of P, a P channel MOS-FET T5, and a P channel MOS-FET T2 which operates as a switch. When the power supply voltage is high and the internal power supply voltage is lowered from Vcc, the limiter enable signal LM becomes a high voltage ("1"). At this time, T1 is cut off, and at the same time, T3 becomes conductive, a bias current is supplied to the differential amplification circuit A1, and a voltage proportional to the non-inverting input voltage VL is output. On the contrary, when the signal LM has a low voltage (“0”), T3 is cut off, and the bias current is not supplied to the differential amplifier circuit. Therefore, the power supply voltage Vcc is directly output as the internal power supply voltage. During the information holding operation, the information holding signal PD becomes a high voltage (“1”). At this time, the transistor T2 is cut off and the power supply to the circuit block 5d is stopped. On the other hand, T4 is cut off, and the value of the bias current of the differential amplifier circuit is determined by the resistor R3. The current consumed by the memory cell array in the information holding state is very small and can be regarded as a direct current which is substantially constant over time. Therefore,
The load drive capability of the differential amplifier circuit may be remarkably smaller than that in standard operation, and even if the bias current is significantly reduced, there is no problem in operation. At the same time, make T5 conductive,
By increasing the feedback amount of the differential amplifier circuit, the internal power supply voltage during the information holding operation is lowered. This makes it possible to significantly reduce the current consumption of the entire chip when holding information. In this example, VL = 0.75V, R4 =
R6 = 3R5. At this time, the value of VCL2 is 1.5 V in standard operation and 1.0 V in holding information.

【0019】図9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
では図2の例と同様、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。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。
FIG. 9 shows the power supply voltage VCC and the internal power supply voltage VCL2.
And VCL1 is shown as an example. In the figure, the horizontal axis represents the power supply voltage VCC and the vertical axis represents the internal power supply voltage VCL. Here, as in the example of FIG. 2, the standard power supply voltage is 3 to 3.6 V, the power supply voltage during information retention is 1 to 2 V, and the reference voltage VCX for switching between standard operation and information retention is 2.5 V. And Internal power supply voltage VCL2 and VCL1 during standard operation
Is 1.5V, and the internal power supply voltage VCL2 at the time of holding information is 1V. However, each may be set to an appropriate voltage value according to the operating performance of the circuit within a range not exceeding the power supply voltage VCC.

【0020】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
変化の例を図10に示す。ここでは、時間t0〜t2にか
けて、電源電圧VCCが3.3〜2Vに低下し、時間t3
〜t5にかけて、電源電圧VCCが2〜3.3Vに上昇する
場合を考えている。電源電圧VCCがVCX=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。
In this LSI chip, the power supply voltage VCC
FIG. 10 shows an example of the changes over time of the internal power supply voltages VCL2 and VCL1, and the two control signals LM and PD, respectively, in the case where changes with time. Here, the power supply voltage Vcc drops to 3.3 to 2 V from time t0 to t2, and time t3.
It is assumed that the power supply voltage Vcc rises to 2 to 3.3V from t5 to t5. During the period of t1 to t4 in which the power supply voltage Vcc becomes smaller than Vcx = 2.5V, the signal PD is at the high voltage ("1") and the chip is in the information holding state. In addition, since the power supply voltage Vcc does not become lower than 1.5 V in this time range, the signal LM remains at the high voltage ("1").

【0021】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ィックメ
モリあるいは、スタティックメモリをその一部に含むL
SI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ィ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CMO
Sインバータと2つの選択トランジスタとからなるCM
OS型メモリセルや、2つのNANDゲートあるいはN
ORゲートを用いたラッチ回路などにより記憶回路を構
成する場合にも同様に本発明を適用できる。
According to the above-described embodiment, a static memory that operates at high speed during standard operation and can hold information with a minimum required power when holding information, or a part of a static memory. L included in
SI can be realized. In the above embodiments, an example in which a static memory cell with a high resistance load is used has been described. However, in addition to this, for example, two CMOs are used.
CM consisting of S inverter and two selection transistors
OS type memory cell, two NAND gates or N
The present invention can be similarly applied to the case where the memory circuit is configured by a latch circuit using an OR gate.

【0022】図11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)信号をもとに制御クロッ
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(RFSH)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、
図12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、差同増幅回路
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、T1
6、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R10、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がカットオフす
る、と同時にT15が導通し、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。
FIG. 11 shows an embodiment in which the present invention is applied to a dynamic memory. In the figure, 5e is 1.5V
It is a dynamic memory that operates with the following power supply voltage,
One memory cell is composed of an N-channel MOS-FET T18 and a storage capacitor CS1. 13 is a memory cell array, 14 is a row address buffer, 15 is a column address buffer, 16 is a row address strobe (RAS) input buffer, 17 is a column address strobe (CAS) input buffer, and 18 is A write enable (WE) input buffer, 19 is a data input buffer, 20 is a data output buffer, 21 is a clock generation circuit that generates a control clock based on a row address strobe (RAS) signal, and 22 is a column address. A clock generation circuit for generating a control clock based on a strobe (CAS) signal, 23 a write clock generation circuit, 24 a refresh (RFSH) signal generation circuit, 25 a refresh address generation circuit, 26 a refresh address and external input The address switching It is a mux. Since information is stored in the dynamic memory by storing charges in the storage capacitor CS1, a so-called refresh operation of periodically reading the signal charges and rewriting is required even when the information is held, and other than the memory cell array. It is also necessary to operate some peripheral circuits. Further, in order to secure a sufficient noise margin, it is necessary to secure a signal charge amount equivalent to that in the standard operation even when the information is held. So in this example,
As shown in FIG. 12, the internal power supply voltage at the time of holding information and the standard operation is not changed and is set to 1.5 V (constant). Since it is not necessary to perform input / output with the outside of the chip at the time of holding information, all the input / output buffers 14 to 20 have the signal PD.
Is cut off by. Further, the multiplexer is controlled by the signal PD, and when the information is held, the address is switched to the address output by the refresh address generation circuit. During the refresh operation, the signal RFSH becomes a high voltage (“1”). This signal is input to the refresh address generation circuit to sequentially increase or decrease the refresh address. At the same time, RFSH activates the clock generation circuit 21 to generate the clock required for refresh. The internal power supply voltage VCL is supplied by the power supply voltage conversion circuit 6f and the P-channel MOS-FET T14 which operates as a switch. The power supply voltage conversion circuit includes a differential amplification circuit A2, a resistor R9 provided to control the operating current of the differential amplification circuit, and three N-channel MOS-FETs T15 and T1.
6, T17, and two resistors R10 and R11 provided to control the amount of feedback to the inverting input terminal of the differential amplifier circuit. When the power supply voltage is high and the internal power supply voltage is lowered from Vcc, the limiter enable signal LM becomes a high voltage ("1"). At this time, T14 is cut off, and at the same time, T15 becomes conductive, a bias current is supplied to the differential amplifier circuit A2, and a voltage proportional to the non-inverting input voltage VL is output. On the contrary, when the signal LM has a low voltage (“0”), T15 is cut off, and the bias current is not supplied to the differential amplifier circuit. Therefore, the power supply voltage Vcc is directly output as the internal power supply voltage. During the information holding operation, the information holding signal PD becomes a high voltage (“1”). At this time, T16 is cut off, and the value of the bias current of the differential amplifier circuit is determined by the resistor R9. The current consumption is small while the information is held and the peripheral circuits are not operating. Therefore, the load drive capability of the differential amplifier circuit may be remarkably smaller than that in the standard operation, and even if the bias current is remarkably reduced, there is no operational problem. During the refresh operation, the signal RFSH is fed back to the voltage conversion circuit 6 to make T17 conductive, and the bias current of the differential amplifier circuit is set to a value similar to that in the standard operation. By doing so, it is possible to supply the power supply current necessary for charging / discharging the data lines and operating the peripheral circuits during the refresh operation period. Therefore, even when the information is held, the current consumption of the entire chip can be significantly reduced without reducing the noise margin. In this example, VL = 0.
Although VCL = 1.5V is obtained with 75V and R10 = R11, other combinations of voltage values and resistance values may be used.

【0023】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、リフレッシュ信号RFSH、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
の例を図12に示す。ここでは、時間t0〜t2にかけ
て、電源電圧VCCが3.3〜2Vに低下し、時間t3〜t
5にかけて、電源電圧VCC が2〜3.3Vに上昇する場
合を考えている。電源電圧VCCがVCX=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。
In this LSI chip, the power supply voltage VCC
12 shows an example of changes over time of the internal power supply voltage VCL, the two control signals LM, PD, the refresh signal RFSH, and the bias current value of the differential amplifier circuit when changes occur over time. Here, the power supply voltage Vcc drops to 3.3 to 2 V from time t0 to t2, and time t3 to t.
It is considered that the power supply voltage Vcc rises to 2 to 3.3V over the period of 5. During the period of t1 to t4 in which the power supply voltage Vcc becomes smaller than Vcx = 2.5V, the signal PD is at the high voltage ("1") and the chip is in the information holding state. In addition, since the power supply voltage Vcc does not become lower than 1.5 V in this time range, the signal LM remains at the high voltage ("1"). During the information holding period, during the refresh operation, the bias current IB1 that is substantially the same as that during the standard operation is supplied, and otherwise, a sufficiently small value IB2 is supplied.

【0024】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
えて取り組む。いわゆるアドレス・マルチプレクス方式
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、より低消費電力メモリを実現することができ
る。
In the example described above, the row address and the column address are temporally switched from the same address bus. Although the so-called address multiplex method is used, the present invention can be similarly applied by using a general method of simultaneously capturing all addresses. Also,
Japanese Patent Application 63-148104 and Japanese Patent Application 63-223317
By using a dynamic memory that drives the plate to reduce the voltage amplitude of the data line, as described in (1), a memory with lower power consumption can be realized.

【0025】図13(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R
FSH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。図13(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で
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、同じ値にしたほうが都合が
良い。
FIGS. 13A and 13B show an example of the timing of the refresh signal RFSH when holding information. Here, an example in which all memory arrays are refreshed in 4096 cycles is shown. By reducing the power supply voltage to, for example, 1.5 V or less, the current consumption of the entire memory can be significantly reduced. Therefore, even if the memory has a large capacity of about 64 Mb, it is necessary to increase the refresh cycle from 4096. It becomes easy to configure the system. In the first 4096 cycles after the shift to the information holding state, intensive refresh, that is, the signal RFSH is generated in a relatively short cycle TC1. This is because the refresh control during standard operation is R
This is because it has nothing to do with internal refresh by FSH. By performing such initialization, it is possible to avoid the risk that the specifications of the refresh cycle will not be satisfied before and after the state transition. In FIG. 13A, after the concentrated refresh, the signal RFSH is generated at a constant cycle TC2. On the other hand, in FIG. 9B, the period of the signal RFSH during the concentrated refresh in which the concentrated refresh is repeated at the period TC3 is set to the same value TC1 as that of the first concentrated refresh. This value may be any other value, but it is convenient to use the same value in terms of the configuration of the signal generating circuit.

【0026】図14は図13(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.1257−1
263,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を図14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、図14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。
FIG. 14 shows an example of the chip temperature dependence of the refresh cycle TC2 for the example of FIG. 13 (a). The relationship between chip temperature and information retention time is
EE Transactions on Electron Devices, Vol. 35, No. 8, 1257-
1263 (1987) (IEEE Transactions on
Electron Devices, Vol.35, No.8, pp.1257-1
263, August 1987).
According to this, the change of the information holding time when the chip temperature changes from 0 to 100 ° C. is about three digits. Therefore, by changing the refresh cycle TC2 as shown in FIG. 14, it is possible to match the actual information holding characteristic. Since the power consumption of the chip is extremely small in the information holding state, there is almost no difference between the ambient temperature and the chip temperature. Therefore, by using at low ambient temperature,
The refresh cycle can be extended and the power consumption can be further reduced. This makes it possible to provide a dynamic memory suitable for mounting on a portable electronic device or the like that uses a battery as a power source. An oscillator circuit having temperature dependence as shown in FIG. 14 is described in Japanese Patent Laid-Open No. 136088/1985.

【0027】図15は図13(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479〜48
7頁(1981)(IEEE Journal of Solid-State
Circuits, Vol.16,No.5,pp.479−487,19
81)において論じられている。この技術は図15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
った。図16,図17,図18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、図15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、図
16〜18を用いて説明する。図16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。こうすれば、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。図
17はリフレッシュアドレスおよびリフレッシュ信号R
FSHを発生する回路構成の一例、図18はその動作タ
イミングを示している。図17において、OSCはクロ
ックφ0を発生する発振器、DV1,DV4,DV3 はク
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にはカウンタの出力
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、ar0〜ar11 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で4096回
集中リフレッシュを行い、カウンタ停止後は周期TC4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。
FIG. 15 shows an example when a refresh failure occurs in the example of FIG. 13 (b). In the figure, the horizontal axis represents the refresh cycle and the vertical axis represents the cumulative defect frequency. Only one bit is defective with respect to the refresh cycle TC3. If only a small part of the memory is defective,
There is a so-called defect relief technique in which a defective memory cell is repaired by replacing it with a spare memory cell provided on a chip in advance. This technology, for example,
EE Journal of Solid State Circuits, Vol. 16, No. 5, 479-48
Page 7 (1981) (IEEE Journal of Solid-State
Circuits, Vol.16, No.5, pp.479-487, 19
81). This technique can be similarly applied to the refresh failure as shown in FIG. However, the conventional defect relief technique has a drawback in that it requires a spare memory cell, which causes an increase in chip area. FIG. 16, FIG. 17, and FIG. 18 show examples of refresh failure relief techniques that do not use spare memory cells. This is to refresh only the memory cells that become defective in the refresh cycle TC3 in FIG. 15 in a cycle shorter than that, for example, TC4. Hereinafter, description will be made with reference to FIGS. FIG. 16 shows an example of the timing of the refresh signal RFSH at the time of holding information when this defect relief technique is used. Here, it is considered that the address 1 has a defective refresh. As shown in the figure, the address 1 is refreshed at the cycle TC4 from one centralized refresh to the next centralized refresh. This makes it possible to significantly reduce current consumption as compared with the case where all addresses are refreshed in a short cycle TC4. It is necessary to satisfy 4096 × TC1 ≦ TC4 ≦ TC3 during each refresh cycle. FIG. 17 shows the refresh address and the refresh signal R.
FIG. 18 shows an example of a circuit configuration for generating FSH, and its operation timing. In FIG. 17, OSC is an oscillator that generates a clock φ0, and DV1, DV4, and DV3 are clocks φ1, φ4, which have a cycle of an integral multiple of the clock φ0.
A frequency divider that generates φ3, 30 is a 13-bit synchronous counter, 31 is a refresh address generation circuit,
32 is a refresh signal (RFSH) generation circuit, I1 is an inverter, G1 is an AND gate, and G2 is an OR gate. The counter operates by the clock φ1, a high voltage (“1”) is applied to the Reset terminal, and counting starts from a state where all the counter outputs are reset to the low voltage (“0”). When output becomes 4097, output Q12
Becomes a high voltage (“1”), and counting is stopped. E in the figure
Is the counter enable signal. Since e is a high voltage ("1") during the operation of the counter, the outputs Q0 to Q11 of the counter are output to the outputs ar0 to ar11 of the refresh address generating circuit. After the counter is stopped, e becomes a low voltage (“0”), and defective addresses aS0 to aS11 are output to ar0 to ar11. Similarly, when the counter is operating, the clock φ1 is
Are output from the refresh signal generating circuit.
As a result, during the operation of the counter, concentrated refresh can be performed 4096 times in the cycle TC1, and only the defective address can be refreshed in the cycle TC4 after the counter is stopped. Although an example of relieving only one defective address has been described here, the present invention can be similarly applied to the case of relieving a plurality of defective addresses.

【0028】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L
SI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、図11、12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。
According to the embodiment described above, a dynamic memory that operates at high speed during standard operation and can hold information with a minimum required power during information holding, or a part of a dynamic memory. L included in
SI can be realized. Further, as for the fluctuation of the power supply voltage which has been a problem in the conventional dynamic memory, as shown in FIGS. 11 and 12, by operating the internal circuit at a low voltage such as 1.5 V, the external power supply voltage is changed. Even if it changes greatly, it can be operated stably.

【0029】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。図19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は図1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、PAD3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。図1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。このチップを図1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。
In the embodiments described so far, the difference between the standard operating state and the information holding operating state is detected by the detecting means provided on the LSI chip, but the operating state may be controlled from outside the chip. Absent. FIG. 19 shows another embodiment of the present invention for externally controlling the transition to the information holding state. Among these, 4b is an information holding state signal inputted from the outside of the chip, 1B is an LSI chip having an information storing function or an information processing function like the LSI chip of FIG. 1, and PAD 3 is for receiving the information holding state signal. The bonding pads are shown respectively. The difference from the LSI chip of FIG. 1 is that it is not necessary to provide a detecting means and an information holding state signal generating means on the chip. This chip may be designed separately from the LSI chip of FIG. 1, or one chip may be designed and divided by switching of bonding or master slice of aluminum wiring.

【0030】図20は図19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。図21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VCL=1.5V、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。
FIG. 20 shows a case where the LSI chip of FIG. 19 is operated by using the battery B as a power source. The voltage value of the battery is distributed in a wide range such as 1 to 3.6 V depending on its type. Therefore, it is more convenient that the system can be controlled externally as compared with the method of detecting the transition to the information holding state by the voltage change. FIG. 21 shows the dependency of the internal power supply voltage VCL on the power supply voltage VCC. In this example, the standard power supply voltage range is set to 1 to 3.6 V and 1.5 to 3.
When 6V, VCL = 1.5V, and when 1 to 1.5V, VCL = VCC. By doing this, 1-3.
A change in the internal power supply voltage can be suppressed over a wide power supply voltage range of 6 V, and an LSI having almost no power supply voltage dependency of operating performance such as operating speed, current consumption, and operating margin can be realized. In addition, since it is possible to shift to the information holding state as needed without changing the power supply voltage, unnecessary power consumption can be suppressed according to the system state, and the operating time of battery-operated electronic devices can be extended. can do.

【0031】図1や図19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の構成例を図22に示す。こ
の図で、1Cは図1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、SW40
a、SW40bは切り換え信号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。図23
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43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(VCC)が、出力45には低い電圧(〜γV
CC−VT)が出力され、T19は非導通、T20は導通状態
になる。したがってVINTとしてVCCが出力される。同
様にVCC<VBTの場合、出力44には低い電圧(〜γV
BT−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0V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。
図24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。
FIG. 22 shows a configuration example of an LSI in which the battery backup circuit shown in FIGS. 1 and 19 is incorporated in a chip and the power supply is switched on the chip. In this figure, 1C is an LSI chip having an information storage function or an information processing function, like the LSI chip of FIG. 1, 40 is a power supply switching circuit, 41 is a power supply drop detection circuit, SL, SB
Is a switching signal generated by the power drop detection circuit, SW40
Reference characters a and SW40b denote switches for switching the power source by switching signals SL and SB, and PAD4 denotes a bonding pad for applying the voltage of the battery. Thus, by switching the power supply on the chip, it is not necessary to mount a battery backup circuit on the system (board), the number of components can be reduced, and the manufacturing cost and the mounting density can be improved. Further, since the power supply switching circuit according to the characteristics of the LSI can be mounted, the user does not have to worry about the transient fluctuation of the power supply voltage which is a problem when switching the power supply, and it is possible to provide an easy-to-use chip. FIG. 23
Shows a specific configuration example of the power supply switching circuit 40. In the figure, 42 and 43 are differential amplifier circuits, and 44 and 45.
The outputs T19 and T20 are P-channel MOS-FETs corresponding to the switches for switching the power supply, and 46 is the output of the power supply switching circuit. The operation of this circuit will be described below.
Voltages γVCC and γVBT proportional to VCC and VBT are applied to the non-inverting input and inverting input of the differential amplifier circuit 42, respectively.
Similarly, voltages γVBT and γVCC which are proportional to VBT and VCC are applied to the non-inverting input and the inverting input of the differential amplifier circuit 43, respectively. Here, γ is a proportional constant that satisfies 0 ≦ γ ≦ 1, but it is desirable to set the voltage gain and output amplitude of the differential amplifier circuit to values that are sufficient. The proportional voltage can be obtained by resistance division. The outputs 44 and 45 of the differential amplifier circuits 42 and 43 are applied to the gates of T19 and T20. First, consider the case of VCC> VBT. At this time, output 44
Has a high voltage (VCC), and output 45 has a low voltage (~ γV).
CC-VT) is output, T19 becomes non-conductive, and T20 becomes conductive. Therefore, VCC is output as VINT. Similarly, when Vcc <VBT, a low voltage (~ γV) is applied to the output 44.
BT-VT) and the high voltage (VBT) are output to the output 45, respectively, and T19 becomes conductive and T20 becomes non-conductive. As a result, VBT is output as VINT. This circuit is VCC
Since the same operation is performed even when one of VBT and VBT is 0 V, the supplied voltage is directly output as the power supply voltage of the internal circuit even when only one of the power supplies is supplied.
FIG. 24 shows an example of VINT dependency of VINT for the case of VBT = 1.5V. When VCC> 1.5V, VINT
= Vcc, Vcc <1.5V, VINT = 1.5V is obtained. As shown in the figure, VINT continuously changes, and no kink that adversely affects the operation of the LSI occurs. As shown in the above examples,
Since the power supply switching circuit can be configured with a relatively simple circuit, even if it is mounted on one LSI, the increase in chip area is slight. Although an example in which the MOS-FET is used is shown here, the present invention can be similarly realized by using another, for example, a bipolar transistor.

【0032】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やスタティ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
=0V、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方法が特願昭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 VLSI
Technology, Digest of Technical Papers, pp.29−
30,1988)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
一チップ上への集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の製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。
In the above embodiments, the basic concept of the LSI chip in which the main LSI circuit block operates at 1.5 V or less has been described. In the following, a dynamic memory will be mainly taken up and a more detailed embodiment will be described. Generally, it has been considered that the low voltage operation of the dynamic memory is difficult as compared with other logic LSIs and static memories. The first reason is that the amount of signal charges that can be accumulated by the accumulated voltage and the accumulated capacitance is reduced by lowering the voltage, and the signal-to-noise ratio is reduced. Therefore, noise margin is generated against noise charge generated by irradiation of alpha rays emitted from a small amount of radioactive material contained in the package or metal wiring, and noise charge due to thermal or non-thermal leak current flowing into the memory cell. It has been considered difficult to secure a (margin). These problems can be solved by either of the following two methods. (1) Use a circuit that can obtain a memory cell storage signal voltage (for example, low voltage = 0V, high voltage = 3V) that is comparable to the conventional one, even at a low power supply voltage (for example, 1.5V). In this case, the storage capacity of the memory cell has a value similar to the conventional one (for example, 30 to 40 fF (femto farad)).
Good. (2) Instead of keeping the circuit system as it is, the storage capacity of the memory cell is increased almost in inverse proportion to the power supply voltage. For example, when the power supply voltage is 1.5 V, the storage capacity of the memory cell is 60 to 80 fF. Regarding the method (1) among the above methods, a method of storing a signal amplitude larger than the amplitude of the data line in the memory cell by driving the plate of the memory cell in addition to the word line and the data line is disclosed in Japanese Patent Application No. 63
-148104 and Japanese Patent Application No. 63-222317. With regard to (2), the technologies for dramatically increasing the storage capacity compared to the conventional technology are Japanese Patent Application No. 60-267113, Symposium on Bryer S.I. Technology, Digest of Technical Papers, No. 29-.
Page 30 (1988) (1988 Symposium on VLSI
Technology, Digest of Technical Papers, pp.29-
30, 1988). By applying these techniques, it is possible to secure the accumulated signal charge necessary for stable operation. The second problem for low voltage operation is to simultaneously realize high speed operation and low current consumption. A third problem is to realize an element or a circuit that enables integration of a low voltage operating circuit and a high voltage operating circuit on the same chip. The third problem becomes particularly problematic when the ratio of the voltage values of the high-voltage power supply and the low-voltage power supply is double or more. An example of solving the third problem by forming two types of elements for high voltage and low voltage on one chip is Japanese Patent Application No. Sho 56-56.
-57143. According to this technique, the circuit can be configured with the optimum elements for the low-voltage power supply and the high-voltage power supply, but there is a drawback that the manufacturing process of the LSI becomes complicated. In the following embodiments, means for overcoming the second problem and operating even when the minimum power supply voltage is 1 V, and a method for solving the third problem without complicating the manufacturing process will be described. With these, the operating power supply voltage of the dynamic memory can be lowered to about 1 to 1.5 V, and high integration, high speed, and low power consumption of the dynamic memory or an LSI chip including the dynamic memory as a part thereof can be realized at the same time. it can. In addition, the specifications required in the battery operation or the battery backup operation can be satisfied.

【0033】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、以下に相補形のMOS-FET(Complem
entary 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。図25(a)は、NチャネルMOS-FETゲート・ソース間
電圧VGSとドレイン電流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1
0ミクロンとしたとき、VGS=VT0のときのドレイン電
流は10nA程度、VGS=VT1のときのドレイン電流は
1μA程度である。VT1とVT0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10
0μA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。図25(b)は、2つのNチャネル
MOS-FET(CaseI,CaseII)に対するゲートしきい値電
圧VT1のチャネル長依存性を示している。ここに、Case
I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、Ca
seII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V
BS=−1Vのときに、CaseIIではVBS=0Vのときにゲ
ートしきい値電圧VT1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つくられるが、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。
First, a means for overcoming the second problem will be described. The complementary MOS-FET (Complem
Although an example of using entary MOS = CMOS) is shown, a bipolar transistor, a junction FET, or an element other than silicon may be used as long as the same effect can be obtained. FIG. 25A shows the relationship between the N-channel MOS-FET gate-source voltage VGS and the drain current ID. This relationship is divided into (i) a square root region where the square root of ID is approximately proportional to VGS, and (ii) a subthreshold region where ID is proportional to the exponential function of VGS in a region where VGS is smaller than that. In the figure, VT1 is a so-called gate threshold voltage at which a drain current starts to flow when the region (ii) is ignored and the current-voltage characteristic can be approximated by a square root. Further, VT0 is another definition of the gate threshold voltage at which the drain current can be regarded as almost zero in terms of circuit operation. Gate width is 1
When 0 micron is set, the drain current when VGS = VT0 is about 10 nA, and the drain current when VGS = VT1 is about 1 μA. The difference between VT1 and VT0 is about 0.2V
(VT1> VT0). VGS-VT1 is related to the current drive capability of the actual MOS-FET, and VT0 is related to the static current in the standby state. In the following example, the threshold voltage of the element used in the main circuit of the LSI is set to VT1 = 0.3V (thus VT0 is about 0.1V). This allows the MOS-FET to operate at half the power supply voltage (eg 0.5V).
It is possible to operate a sense amplifier or a differential amplifier circuit that needs to be turned on, and it is possible to operate all circuits up to a power supply voltage = 1V. Further, this makes it possible to suppress the standby current of the entire chip to about 10 μA.
Also, even if the threshold voltage varies by about ± 0.1V due to variations in various manufacturing processes, circuit operation is realized at a power supply voltage of 1V, and the standby current of the entire chip is reduced to 10
It can be suppressed to 0 μA or less. Power supply voltage = 1V
However, the channel length =
It was set to 0.3 micron. Figure 25 (b) shows two N channels
It shows the channel length dependence of the gate threshold voltage VT1 for MOS-FETs (Case I, Case II). Where Case
I is a general condition of a conventional dynamic memory (hereinafter abbreviated as DRAM) when applying a substrate bias voltage, Ca
seII represents the characteristics of the element used in the present invention, which corresponds to the condition that the substrate bias voltage is not applied. Case I is V
When BS = −1V, in Case II, the gate threshold voltage VT1 is set to 0.3V when VBS = 0V. The Case II element has the following three problems. (1) The fluctuation of the gate threshold voltage with respect to the fluctuation of the channel length is large, and the controllability is inferior to Case I, so that it is difficult to shorten the channel. (2) The substrate bias voltage is generated by the substrate bias voltage generating circuit provided on the chip, and its voltage value varies due to manufacturing variations, and its value greatly fluctuates with time depending on the number of operating circuits. Since the gate threshold voltage is largely modulated by the substrate bias voltage, the specifications of the gate threshold voltage required for low voltage operation cannot be accurately met. (3) Since the substrate bias voltage is 0 V when the power is turned on, the gate threshold voltage is lower than 0.3 V, for example, 0 V due to the substrate effect. At the same time, since the substrate is in a substantially floating state, the substrate voltage transiently rises due to capacitive coupling with VCC, and the gate threshold voltage becomes negative. Therefore, the MOS-FET of the peripheral circuit becomes conductive, and a large transient current flows. According to the present invention, since the substrate voltage is fixed at VSS = 0V, it is possible to provide an LSI chip having excellent controllability of the gate threshold voltage and a small transient current when the power is turned on. Furthermore, since the fluctuation of the substrate voltage during the circuit operation can be made almost zero, the capacitive coupling noise from the substrate voltage can be significantly reduced. It should be noted that the substrate bias voltage may be applied as in the conventional case by using another means for setting the threshold voltage with high accuracy.

【0034】図26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
ト酸化膜厚tOX、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。
FIG. 26 shows the gate oxide film thickness tox, the electrical channel length (effective channel length) Leff, the gate threshold voltage VT1, of the element used in the main circuit of the dynamic memory which operates even at the minimum power supply voltage of 1V. VT0 is shown. Here, the values shown in parentheses indicate the range of fluctuation due to manufacturing variations and the like.

【0035】図27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受けにく
くなる。別の言い方をすると、ゲートしきい値電圧の基
板効果係数が小さくなり、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62−1199
58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。図27において、P
形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500n
m)、51は蓄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)、5
5、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により接地電位(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,TN4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MO
S-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ウェルが基板中を
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、図27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
やバッテリバッ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
の目的には図27に示したP基板を用いる構造が適して
いる。
FIG. 27 shows a part of the sectional structure of the dynamic memory chip of the present invention. There are three reasons for applying a negative voltage to the substrate in the conventional dynamic memory. (1) When a negative voltage due to ringing or the like is applied to the input or output from the outside, electrons which are minority carriers are injected into the substrate. The electrons diffuse in the substrate, and some of them reach the charge storage portion of the memory cell, which deteriorates the refresh characteristic. The injection of minority carriers into the substrate is prevented. (2) By applying a negative voltage to the substrate,
-Reduce the load capacitance by reducing the junction capacitance between the diffusion layer and the p-substrate. As a result, high-speed operation and low power consumption of the circuit are achieved. (3) By applying a negative voltage to the substrate, the depletion layer under the channel spreads, and the potential of the channel portion is less likely to be modulated by the substrate voltage. This allows
The gate threshold voltage is less likely to be affected by changes in the substrate voltage. In other words, the substrate effect coefficient of the gate threshold voltage becomes small, which is convenient for the operation of some circuits of the dynamic memory. Of these, regarding (3), the effect of applying the substrate voltage is fading along with the tendency of the CMOS-LSI to have a double well structure. Therefore, solving (1) and (2)
It becomes important. In a CMOS-LSI, a substrate structure capable of applying a plurality of substrate voltages is disclosed in JP-A-62-1199.
It is shown at 58. By combining this structure with the low-voltage LSI according to the present invention, the above-mentioned object is achieved,
It is possible to configure a low-voltage LSI having excellent noise resistance, high speed, and low power consumption. Examples will be described below with reference to sectional views of the substrate structure of the present invention. In FIG. 27, P
The shape of the silicon substrate has an impurity concentration of about 1 × 10 15 cm +3. In this substrate, two types of N wells (N1, N2) and one type of P well formed by two different steps are formed. The impurity concentration of each well is, for example, N2
Well 1 × 10 16 cm + 3, N 1 well and P well 5 ×
Although it is about 1016 cm + 3, these values may be changed according to the dimensions of the element. In the figure, 50 is a thick oxide film (about 500 n thick) for electrical isolation between active regions.
m), 51 is a first polysilicon electrode for forming a storage capacitor, 52 is a second polysilicon electrode that serves as a gate electrode of a MOS-FET, and 53 and 54 are masks for these thick oxide films and polysilicon electrodes. N-type impurity diffusion layer formed in a self-aligned manner (impurity concentration is about 2 × 10 20 cm + 3), 5
Reference numerals 5, 56 and 57 respectively denote P-type impurity diffusion layers (impurity concentration of about 2 × 10 20 cm + 3) formed in the same manner. The P substrate is grounded (VSS) by the diffusion layer 56.
It is fixed to. The storage capacity of the memory cell and the selection transistors TN3 and TN4 are formed in a P well electrically isolated from the substrate by the N2 well. Diffusion layer 57 in P well
Thus, the second substrate potential VBP2 is applied. In addition, the N2 well and the diffusion layer 54 which are in electrical contact with the N2 well.
Thus, the second N well potential VBN2 is applied. Also VBS
N-channel MOS-FET TN1 of peripheral circuit operated at = 0V
Is formed in the P substrate, and the P channel MOS-FET TP1 is formed in the N1 well. In addition, N-channel MO of peripheral circuits
The S-FET TN2 is formed in a P well that is electrically separated from the P substrate, separately from the memory cell array. By doing so, when there is a possibility that a negative voltage such as in an input / output circuit or a voltage higher than the voltage of the N well is input from the outside, an independent substrate voltage corresponding to the amount of overshoot or undershoot is applied. Can be applied. In this way, electrically separating the P well in which the memory cell array is formed from the P substrate has the following effects. (1) By biasing the P well of the memory cell array to a negative potential, the data line capacitance can be reduced and the signal-to-noise ratio can be improved. (2) The N2 well covering the memory cell array serves as a barrier for minority carriers that diffuse in the substrate. As a result, noise charge can be suppressed from being collected in the storage capacitor section, and the noise resistance is improved. As described above, by using the substrate structure as shown in FIG. 27, stable operation of the memory cell array and speedup and power consumption reduction of peripheral circuits can be realized at the same time. In the above description, the case where the P substrate is used has been described, but the same effect can be expected even when the N substrate is used. However, in the battery operation and the battery backup operation targeted by the present invention, it is necessary to consider the use in an environment where the power supply voltage fluctuates greatly.
When the N substrate is used, the maximum voltage VCC of the system is applied to the N substrate. Therefore, when the power supply voltage fluctuates greatly, the potential of the N substrate also fluctuates, and noise is induced in each part of the circuit due to capacitive coupling with the N substrate. For these reasons, the structure using the P substrate shown in FIG. 27 is suitable for the purpose of the present invention.

【0036】図28〜30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。図28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、6
1は電源電圧VCL2で動作する回路ブロック、VBP1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チャンネル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がある部分で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。なお、しきい値電圧の
符号を含めて考えると、しきい値電圧VT1を0〜0.1
V程度にするのはNチャネルMOS-FETのゲートしきい値
電圧であり、PチャネルMOS-FETのゲートしきい値電圧
では−0.1〜0V程度となる。このときには、回路が
動作せず、CMOS回路のNチャネルMOS-FET又はPチ
ャネルMOS-FETのいずれか一方のゲート・ソース間電圧
が0Vのときにもゲート幅を10ミクロンとして1個の
MOS-FETには1μA程度の電流(1個のMOS-FETでゲート
幅1ミクロン当たりに換算すると0.1μA程度)が流
れ、チップ全体では10mAという大きな電流値にな
る。即ち、この状態では、CMOS回路であるにもかか
わらず、ゲート・ソース間電圧を0Vとしてもその回路
動作上ほぼ零とはみなせるドレイン電流(1個のMOS-FE
Tでゲート幅1ミクロン当たりに換算すると1nA程
度)よりも大きな静的電流が流れてしまう。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-FE
T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-FETのしきい値電圧は低く)に変化させてい
る。図29はNチャネルMOS-FETの基板電圧VBP1の発生
回路の構成例、図30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。図29において、62
はイーバータ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-FETT4
4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MO
S-FET T44が導通し、ノードN1が高電圧(“1”)
であるためMOS-FETT42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。
28 to 30 show examples of an LSI circuit having an information holding function capable of further lowering the voltage according to the present invention. FIG. 28 is an example of the peripheral circuit.
In the figure, 60 is a circuit block that operates at the power supply voltage VCL1, 6
Reference numeral 1 denotes a circuit block which operates at the power supply voltage VCL2, VBP1 denotes the substrate bias voltage of the N-channel MOS-FET of the circuit block 61, and VBN1 denotes the substrate bias voltage of the P-channel MOS-FET of the circuit block 61. The circuit block 60 is a portion that does not need to be operated when holding information, and VCL1 = 0V when holding information. The circuit block 61 is a portion that needs to be operated even when holding information, and the value of VCL2 is constant regardless of the operating state. In order to operate the circuit up to a power supply voltage of about 0.5 V, the threshold voltage VT1 is set to 0
It is necessary to set it to about 0.1V. The threshold voltage
Considering including the sign, the threshold voltage VT1 is 0 to 0.1.
About V is the gate threshold of N-channel MOS-FET
Voltage, gate threshold voltage of P-channel MOS-FET
Then, it becomes about -0.1 to 0V. At this time, the circuit does not operate and the N-channel MOS-FET or P-channel of the CMOS circuit is
When the gate-source voltage of either one of the channel MOS-FET is 0V, the gate width is set to 10 microns and one
The MOS-FET has a current of about 1 μA (one MOS-FET gates
When converted to a width of 1 micron, about 0.1 μA) flows, and the entire chip has a large current value of 10 mA. That is, in this state, it is a CMOS circuit.
Even if the gate-source voltage is set to 0V, the circuit
Drain current that can be regarded as almost zero in operation (1 MOS-FE
Approximately 1 nA when converted per 1 micron of gate width with T
Static current that is greater than the degree). It is necessary to reduce this static current in order to reduce current consumption when holding information. Generally, the operation speed may be slower at the time of holding information than at the time of standard operation. Therefore, in this example, by controlling the substrate voltage, the MOS-FE for holding information is
The threshold voltage of T is changed in the direction in which it is more difficult to conduct than in the standard operation (the threshold voltage of the N-channel MOS-FET is high and the threshold voltage of the P-channel MOS-FET is low). FIG. 29 is a configuration example of the generation circuit of the substrate voltage VBP1 of the N channel MOS-FET, and FIG. 30 is its operation timing chart.
Although a case of VCL2 = 1.5V is described here for convenience, it is particularly effective when the power source voltage is as low as about 0.5 to 1V as described above. In FIG. 29, 62
Is a ring oscillator composed of the inverters I2 to I3 and the NAND gate G3, 63 is a charge pump circuit composed of two diode-connected MOS-FETs T40 and T41 and a capacitor CB1, and T42 and T43 are N-channel MOS-FET T4.
Reference numerals 4 indicate P-channel MOS-FETs, respectively. During standard operation, that is, when PD is at a low voltage (“0”), the ring oscillator and the charge pump circuit do not operate. MO at the same time
S-FET T44 becomes conductive and node N1 is at high voltage (“1”)
Therefore, the MOS-FET T42 becomes conductive and VBP1 becomes the ground potential. On the other hand, when the information is held, that is, when PD is at a high voltage ("1"), the MOS-FET T43 becomes conductive and the node N1 has the same potential as VBP1, so the MOS-FET T42 is cut off. At the same time, the ring oscillator and the charge pump circuit operate, and a negative voltage is output to VBP1. The substrate bias voltage is always applied to the memory cell array. As described above, by controlling the substrate bias voltage when operating with a low-voltage power supply of 1 V or less, it is possible to realize high speed during standard operation and low power consumption during information retention. Although not described here, the present invention can be similarly applied to a circuit for generating VBN1.

【0037】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。図31はダイナミックメモリの回路構成を
示している。図中、MA1,MA2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〜T55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M
A2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は非
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、CS
NとCSPはセンスアンプのコモンソース駆動信号、C
Dはコモンソース駆動回路、YG0〜YGnはデータ線と
コモンI/O線の接続を行うYゲート、YDECはYア
ドレス選択回路、Y0〜Ynは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60〜80fF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。
In the following description, a specific circuit configuration of the low voltage operation dynamic memory using the above-mentioned substrate structure will be described. FIG. 31 shows the circuit configuration of the dynamic memory. In the figure, MA1 and MA2 are memory cell arrays, DA1 is a dummy cell array, W0 to Wm are word lines,
D0, D0-, Dn, Dn- are data lines, DW0, DW1 are dummy word lines, XD is a word line selection circuit, DWD is a dummy word line selection circuit, and T52 to T55 control the connection between the left mat MA1 and the sense amplifier. Left mat select transistor, SHRL is the select signal, T56 to T59 are right mat M
A right mat select transistor for controlling the connection between A2 and the sense amplifier, SHRR is its select signal, PR0 to PRn are precharge circuits that set the voltage of the data line to the potential P when not selected, φP- is a precharge signal, and SA0 to SAn is a sense amplifier that amplifies a minute signal voltage on the data line, CS
N and CSP are common source drive signals of the sense amplifier, C
D is a common source drive circuit, YG0 to YGn are Y gates for connecting data lines and common I / O lines, YDEC is a Y address selection circuit, Y0 to Yn are Y selection signals, and DiB is a common I according to input data. A data input buffer that drives the / O line, and DoB is a data output buffer that amplifies and outputs the signal current of the common I / O line. As described above, the storage capacitance CS2 of the memory cell is about 60 to 80 fF, and the data line capacitance is about 250 to 300 fF. As a result, the read signal voltage becomes about 150 mV when the amplitude of the data line is set to 1.5 V, and a signal voltage sufficient for the operation of the sense amplifier can be obtained.

【0038】図32は電源電圧1.5Vのときのデータ
読出し時の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0.75V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SHR
Lには、2.2Vを印加し、トランジスタT50およびT5
2が非飽和領域で動作するようにしている。YゲートのM
OS-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63−141703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DiB
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の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。
FIG. 32 shows the voltage waveform of each part at the time of data reading when the power supply voltage is 1.5V. In addition,
In the following explanation, in the case of the read operation from the memory cell,
Also, consider the case where the word line W0 is selected. The precharge voltage of the data line and the voltage of the counter electrode (plate) of the cell storage capacitance are set to 0.75V which is half the power supply voltage.
As a result, (1) capacitive coupling noise generated at the time of charging / discharging or precharging the data line is minimized,
(2) The storage capacitor is increased by minimizing the voltage applied to the insulating film forming the storage capacitor and making it thinner. In order to write a high voltage (1.5 V) to the memory cell, the word line W0 and the left mat select signal SHR
Applying 2.2V to L, transistors T50 and T5
2 is working in the unsaturated region. M of Y gate
The common I / O line is set to 1.2V so that the OS-FET operates in the saturation region. A current detection type amplifier as described in Japanese Patent Application No. 63-141703 is suitable as an amplifier for a signal of a common I / O line that operates even at such a low power supply voltage. By using this type of amplifier, (1) the voltage level of the common I / O line can be increased to near the power supply voltage, and (2) the signal amplitude of the common I / O line can be reduced (for example, 50 mV). , Y
It is possible to increase the operation margin when applying the selection signal Y0 and reading the signal. In addition, as for writing to the memory, the I / O line is connected to the data input buffer DiB as in the conventional case.
It can be done by driving with. Since it is not necessary to read the information to the outside when the information is held, the Y selection signal Y0 remains at the low voltage (“0”) as indicated by the broken line in the figure. Further, it is not necessary to operate the Y address selection circuit, the data input buffer, the data output buffer and the like.
Further, the drive capability of the common source drive circuit of the sense amplifier is reduced, and the time rate of change of the data line voltage is reduced. As a result, the value of the peak current accompanying the charging / discharging of the data line is reduced when the information is held. By performing such control, even when a power source having a high internal impedance such as a battery is used, it is possible to prevent the LSI from malfunctioning due to a transient drop in the power source voltage. Below,
The following circuit important for realizing such a low voltage dynamic memory will be described.

【0039】(1)1/2 VCL 発生回路。(1) 1/2 VCL generation circuit.

【0040】(2)ワード線駆動回路。(2) Word line drive circuit.

【0041】(3)コモンソース駆動回路。(3) Common source drive circuit.

【0042】図33(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は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。抵抗の値の比
は、ノードN4およびノードPの電圧が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≒CD
2、CD3≒CD4が成り立っている。各トランジスタの基
板とソースを接続し、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VT1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。図
27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。図33(b)はNチャネルMOS-FET T60,
T62の断面構造図を示している。65はN2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MOS-F
ET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、MOS-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より高い電圧で動作させ
る回路には、同様に本実施例が適用できる。
FIG. 33A shows the circuit configuration of the 1/2 VCL generation circuit. In the figure, T60 and T62 are N-channel MOS-
FETs, T61 and T63 are P-channel MOS-FETs, and R20 and R21 are resistors for setting a bias current. The ratio of the resistance values is chosen so that the voltage at node N4 and node P is approximately half of VCL2. The capacitors CD1 to CD4 are speed-up capacitors provided so as to follow the fluctuation of the power supply voltage. CD1 ≈ CD between these values
2, CD3≈CD4 is established. The substrate and the source of each transistor are connected to prevent the threshold voltage from increasing due to the substrate bias effect. The absolute value of the threshold voltage VT1 of each transistor at this time is about 0.3V. If the substrate is connected not to the source but to the highest voltage of the system, the absolute value of the threshold voltage VT1 becomes larger than 0.5V due to the substrate bias effect, so the power supply voltage VCL2 = 1V.
Will stop working. Thus, in a circuit that operates at a low voltage, the method of applying the substrate voltage defines the minimum power supply voltage. The substrate structure shown in FIG. 27 can be used to easily connect the substrate and the source. FIG. 33 (b) shows an N-channel MOS-FET T60,
The cross-section figure of T62 is shown. Reference numeral 65 is an n-diffusion layer for applying an N2 well potential, 66 is a p-diffusion layer for applying a P well potential, and 67 and 68 are N-channel MOS-Fs.
It is an n-diffusion layer that serves as the source and drain of ET. A p-diffusion layer 66 that gives the substrate voltage of the MOS-FET by external wiring
Is connected to the source. The maximum voltage of the system, here VCL2, is applied to the N2 well. As shown in this example, since the MOS-FET can be formed in the P-well electrically isolated from the substrate, it is suitable for low-voltage operation without being affected by the substrate effect of the threshold voltage. A circuit can be constructed. Note that the present embodiment is not limited to the example shown here, and the present embodiment can be similarly applied to a circuit for operating a source such as a differential amplifier circuit at a voltage higher than the ground potential.

【0043】図34(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、T82はメモリセルトランジスタ、CS3は蓄積容量、
T80,T81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。したがって、ノードN7
には選択時にはVCL−VT0(VT0はT81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
できるように、電源電圧よりも高いパルス電圧(例えば
2.2V)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の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図35(a)および(b)に示す。素
子の断面構造は図33(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、図35(b)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
ことと等価になる。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、図35(b)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-FET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、図34(b)に
おいて、ワード線を駆動するときのMOS-FET T80、T8
1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整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。
FIG. 34 (a) shows the circuit configuration of the word line drive circuit, and FIG. 34 (b) shows its operation timing. In the figure, T82 is a memory cell transistor, CS3 is a storage capacity,
T80 and T81 are N-channel MOS-FETs. This circuit is generally called a self boosting circuit. A selection signal of the word line selection circuit is input to S. This voltage level is a high voltage (for example, 1.5 V) when selected and a low voltage (0 V) when not selected. Therefore, node N7
Is applied with VCL-VT0 (VT0 is the threshold voltage of T81), and 0V is applied when it is not selected. After the selection signal is fixed, a pulse voltage (for example, 2.2 V) higher than the power supply voltage is applied to X so that the memory cell transistor can be sufficiently turned on. The MOS-FET T80 does not conduct when not selected, but due to the coupling of the gate capacitance of T80 when selected
The node N7 is boosted to a high voltage. In order to directly output the pulse voltage applied to X to the word line, the voltage of the node N7 is higher than the pulse voltage applied to X, for example, 2.2 + VT1 (VT1
Needs to be boosted to the threshold voltage of T80). When the substrate potential of the MOS-FET is set to the ground potential, the threshold voltage rises due to the substrate effect. Therefore, it is difficult to obtain a predetermined amplitude on the word line especially with a low voltage power supply whose VCL is 1.5 V or less. Here, in order to make the threshold voltage of the MOS-FET sufficiently low, the substrate potential is connected to the drain of the signal drive side (select signal S or pulse voltage X in this example) (here, for convenience, The drain is defined as the terminal to which the signal drive is applied). A cross-sectional structure diagram of this MOS-FET,
The equivalent circuits are shown in FIGS. 35 (a) and 35 (b), respectively. The cross-sectional structure of the element is exactly the same as that shown in FIG. 33 (b), but the connection is different. Since the potential of the P well matches the potential of the drain, it is equivalent to connecting a bipolar transistor having the drain as the collector and the base and the source as the emitter, as shown on the left side of FIG. 35 (b). . In reality, since the collector and the base are connected, the bipolar transistor operates as a diode and is represented by an equivalent circuit as shown on the right side of FIG. 35 (b). Therefore, when the drain is higher than the source voltage, the MOS-FET whose substrate voltage is positively biased with respect to the source and the diode DL are connected in parallel. Conversely, when the drain is lower than the source voltage, the diode DL is connected. Is reverse-biased and cut off, and only the MOS-FET connected to the drain on the low voltage side of the substrate operates. Therefore, the threshold voltage in the former case becomes lower than that in the latter case, and the MOS-FET becomes easy to conduct. At the same time, when the voltage difference between the drain and source is 0.7 V or more, the diode conducts, so in the former case,
Further, the current easily flows. Therefore, in FIG. 34 (b), the MOS-FETs T80 and T8 when driving the word line are
The threshold voltage of 1 can be set to a low value, and the drive signal X can be directly output to the word line even at a low power supply voltage. Such an asymmetrical characteristic is particularly effective when applied to a self-boosting circuit or the like, but is also applied to other rectifying circuits used for a charge pump circuit of a pass gate or a substrate bias voltage generating circuit, for example.
Similarly, operation with low voltage power supplies is improved.

【0044】図36(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と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
ク電流を低減することができる。図36(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、T9
1、T93、T94はNチャネルMOS-FET、T92はPチャネル
MOS-FET、G6はNANDゲート、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。φCSの入力に
同期して、ノードN8の電圧はVCLになりT90を駆動す
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に比例する値になる。ここでは比例係数は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、電池の内部インピ
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。
FIGS. 36 (a) and 36 (b) are diagrams showing an example of the configuration of the common source drive circuit. Same figure
In (a), T85 and T86 are N driving the common source.
The channel MOS-FET and G5 are AND gates. At the time of standard operation, the signal PD becomes high voltage (“1”), and both T85 and T86 become conductive in synchronization with the input of the common source drive signal φCS. On the other hand, at the time of holding information, PD_ becomes a low voltage (“0”), and only T85 becomes conductive with respect to the input of φCS. Therefore, by appropriately selecting the conductances of T85 and T86, it is possible to give priority to the operating speed during the standard operation and reduce the peak current at the time of holding the information, at the expense of the operating speed. In FIG. 36 (b),
T90 is an N-channel MOS-FET that drives a common source, T9
1, T93, T94 is N channel MOS-FET, T92 is P channel
MOS-FET, G6 is NAND gate, G7 is AND gate,
R25 represents a resistor for supplying a bias current to T94. In the standard operation, the signal PD becomes a low voltage (“0”) and T93 is cut off. In synchronization with the input of φCS, the voltage of the node N8 becomes VCL and drives T90. When the information is held, the signal PD becomes a high voltage ("1") and T92 is cut off. T93 is turned on in synchronization with the input of φCS, and the voltage of the node N8 matches the gate voltage of T94. At this time, since the current mirror circuit is composed of T90 and T94, the drive current of the common source is (VCL-VT1).
It becomes a value proportional to / R25. Here, the proportional coefficient is determined by the ratio of the channel conductances of T90 and T94. By using such a drive circuit, it is driven with a constant controlled current when holding information, so stable operation is realized without causing a transient drop in the power supply voltage due to the internal impedance of the battery. can do. In addition to the current mirror circuit shown here, other means may be used as long as the drive current can be controlled at the time of holding information.

【0045】以上の実施例で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、図31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6
1−142594や特開昭61−170992に記述さ
れている。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。
With the substrate structure, element constants, and circuit configuration as described in the above embodiments, it is possible to realize a dynamic memory that guarantees operation at the minimum power supply voltage = 1V. Further, in addition to the circuit configuration of the I / O line and the Y gate shown in FIG. 31, a common I / O line is separately provided for reading and writing to further increase the operating margin for reading and writing. A method for improving is Japanese Patent Laid-Open No. Sho 6
1-142594 and JP-A-61-170992. By applying this method, it is possible to realize a memory circuit that operates stably without being affected by element variations even with a power supply voltage as low as about 1V.

【0046】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。図1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。
The configuration example of the main LSI circuit block operating at a low internal power supply voltage of 1.5 V or less has been described above by taking the memory as an example. In addition to this, in order to realize the LSI chip as shown in FIG. 1, it is essential to realize a circuit that operates with a high external power supply voltage (for example, 3 to 5 V). Such circuits include at least the following:
(1) Reference voltage generation circuit, (2) voltage conversion (drop) circuit, (3) input circuit, (4) output circuit.

【0047】図26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3〜5
V)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 Te
chnical Digest, pp.386−389,1988)に記
述されている。長期間にわたる信頼性を考慮すると、1
0nm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Em
ax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)。この値を図26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)
で動作させることができない。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
る素子の他に、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、素子に印加されな
いよう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。
As shown in FIG. 26, in the main LSI circuit block which operates at a low internal power supply voltage of 1.5 V or less, the most advanced processing technology (for example, gate length 0.3) is provided for the purpose of ensuring the operation speed. Element (corresponding to micron or less) is used. In such a fine element, the gate breakdown voltage and drain breakdown voltage are lowered, and a high external power supply voltage (for example, 3 to 5) is generated.
V) becomes difficult to operate. In this regard, for example, the IDM Technical Digest,
386 to 389 (1988), (IEDM Te
chnical Digest, pp.386-389, 1988). 1 considering long-term reliability
The voltage that can be applied to the 0 nm gate oxide film is about 4V. Therefore, it can be applied to the gate oxide film. The maximum electric field strength Emax is about 4 MV / cm. Approximately Em
It can be considered that the value of ax does not depend on the gate oxide film thickness and does not substantially change (actually, when the gate oxide film is thin, it tends to be slightly larger). When this value is applied to the device shown in FIG. 26 (gate oxide film thickness tox = 6.5 nm),
The maximum voltage that can be applied to the gate is 2.7V. Therefore, this device is connected to a high external power supply voltage (for example, 3 to 5V).
Can not be operated with. The following two can be considered as means for solving this. (1) As mentioned in the above description, in addition to the element used at the internal power supply voltage, the element having a thicker gate oxide film which operates at the external power supply voltage is integrated on the same chip. (2) Consists of only elements used at the internal power supply voltage. At this time, a circuit is devised so that the external power supply voltage is not directly applied to the element. The method of (1) is Japanese Patent Application Sho 56
-57143. However, this method increases the manufacturing cost because the LSI manufacturing process is complicated. In addition, since many steps are inserted during the formation of the gate oxide film, which is the most important factor for forming the device, there is a problem that the probability of introducing impurities and defects becomes high and the reliability of the device is lowered. An example of realizing a circuit that operates with a high external power supply voltage by the method (2) will be described below. In the following examples, complementary MOS-FETs (CMOS) are used. However, other bipolar transistors, junction transistors, or a combination of these and MOS-FETs may be used. In that case, the same applies to the case of using a semiconductor material such as gallium arsenide other than silicon.

【0048】図37(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-FET、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、out
2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、例えば図37(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o
ut1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は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−VTN、VCC−Vp−|
VTP|〜VCCとなり、これらが次のインバータの入力in
1,in2をそれぞれ駆動する。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。
FIG. 37 (a) shows a configuration example of the inverter circuit according to the present invention. In the figure, T100 and T102 are N-channel MOS-FETs, T101 and T103 are P-channel MOS-FETs, in1,
in2 is the first and second in-phase input terminals, out1 and out, respectively
Reference numeral 2 is the first and second in-phase output terminals, Out is the third output terminal, and Vn and Vp are the bias power supply voltages for the N-channel and P-channel MOS-FETs, respectively. Vn and Vp have an external power supply voltage dependency as shown in FIG. 37 (b), for example. In this example, Vn when Vcc ≧ 2V
= 2V and Vp = VCC-2V. This allows the output terminal o
Since the voltage of ut1 is Vn−VTN at the maximum, the maximum voltage applied to the gate oxide film of the transistor T100 is Vn−VTN.
Limited to VTN. Similarly, the maximum voltage applied to the gate oxide film of the transistor T101 is VCC-Vp- | VTP |
Limited to. Here, VTN is the gate threshold voltage of T102 and VTP is the gate threshold voltage of T103. Two output terminals out1, out2
Signal levels of 0 to Vn-VTN, VCC-Vp- |
VTP | to Vcc, and these become the input of the next inverter in
Drive 1 and in 2 respectively. Further, 0 to Vcc, that is, full amplitude can be output to the third output Out.

【0049】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図38(b)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。
The voltage of each node and the maximum voltage applied to the gate oxide film of each transistor when the inverter array is formed by this inverter are as shown in FIG. 38 (b). With this circuit configuration, for example, Vn = Vp = 1
In the case of / 2Vcc, the maximum voltage applied to the gate oxide film is 1 / 2Vcc and the maximum voltage applied between the drain and the source is 1 / V in any transistor.
Limited to 2Vcc + VTN or 1 / 2Vcc + | VTP |. Actually, from the viewpoint of ensuring the operating margin of the inverter, Vn and Vcc− at low power supply voltage
Vp is preferably constant. Further, it is desirable that the channel conductances of T102 and T103 be larger than the channel conductances of T100 and T101, respectively, so that a large voltage is not applied between the drain and the source even when the output voltage changes transiently during switching. .

【0050】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、
図37(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各トランジスタの
基板をソースに接続すれば、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。
As described above, with this configuration, it is possible to realize a circuit that operates up to a power supply voltage that is about twice the maximum voltage of the device without degrading the device characteristics. In addition,
In the example shown in FIG. 37 (a), the substrate potential of the N-channel MOS-FET is the lowest voltage of the system, that is, VSS, and P-channel MOS-FET.
The substrate potential of the FET is connected to the highest voltage of the system, that is, Vcc, but if the substrate of each transistor is connected to the source using the above-mentioned substrate structure, the fluctuation of the threshold voltage due to the substrate effect is suppressed. Therefore, a circuit which operates with a lower power supply voltage can be realized. Therefore, by applying the present invention, it is possible to provide an LSI that operates stably even with only a MOS-FET using a thin oxide film of about 6.5 nm or with a power supply voltage of 5V.

【0051】図39(a)に示したのは、基板とソース
を接続し低電源電圧で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図39(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
のゲート容量を充放電する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(t
1−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1.5〜5
V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。
FIG. 39 (a) shows an inverter array (inverter chain) in which a plurality of inverters are connected in which the substrate and the source are connected and the operating characteristics are improved at a low power supply voltage.
It is a configuration example of. Like a conventional CMOS inverter array,
It is possible to connect them as they are without placing a level conversion circuit between the inverters. As a result, it is possible to configure a driver circuit that requires a large load driving capability, such as an output buffer. If the number of stages n is an even number, the input and output waveforms are as shown in FIG. 39 (b). In this example, Vcc = 4V, Vn = 2V,
Vp = 2V. In this circuit, the amplitude of the output signal for driving the next-stage inverter is almost constant (1.7 V) regardless of the power supply voltage. For this reason, the drive capability of the MOS-FET that charges and discharges the gate capacitance of the next-stage inverter does not depend on the power supply voltage, and the delay time from the input to the output (t
1-t0) is almost constant regardless of the power supply voltage. Therefore, for example, the access time of the memory LSI is 1.5 to 5
Since there is almost no change even in a wide power supply voltage range of V, it is possible to provide an LSI chip that is convenient in configuring the system.

【0052】図40(a)、(b)は図37(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は高いしきい値電
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と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、T
113は電流源として動作する。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2V)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の値はおよそ
VCC−2Vとなり、VCCが2V以下のときにはほぼ0V
になる。
FIGS. 40 (a) and 40 (b) show a configuration example of the bias voltage Vn, Vp generation circuit shown in FIG. 37 (b). In the figure, T114 to T117 whose channel portions are indicated by thick lines are N-channel MOS-FETs having a high threshold voltage, T112 and T113 are MOS-FETs for supplying a bias current, and 72 is a gate voltage of T112 and T113. The bias generators CN1 and CP1 for setting the optimum bias current are decoupling capacitors.
The value of the bias current is set by resistors R30 and the ratio of the channel conductances of T113 and T112. The N-channel MOS-FET having a high threshold voltage is formed by forming a gate oxide film and then introducing P-type impurities by ion implantation using a resist as a mask. In this example, the threshold voltage value is 1V. Further, by using the substrate structure shown above and connecting the substrate to the source, the fluctuation of the threshold voltage due to the substrate effect is eliminated and the setting accuracy is improved. In addition, MOS-FET T112, T
113 operates as a current source. With this configuration, when the power supply voltage Vcc is 2 V or higher, the value of Vn is approximately twice the high threshold voltage (about 2 V), and when Vcc is 2 V or lower, it is almost equal to the power supply voltage Vcc. Similarly,
When the power supply voltage Vcc is 2V or higher, the value of Vp is approximately Vcc-2V, and when Vcc is 2V or lower, it is almost 0V.
become.

【0053】図40(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、T120とR
31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となる。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、図37(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MOS-FETのチャネル、不純物拡散層、ポリシリコ
ンなどの配線層などのいずれを用いても構わない。
FIG. 40B shows another example of the structure of the bias voltage generating circuit. Although only the Vn generating circuit is shown here, the Vp generating circuit can be similarly configured. In the figure, T123 is an N-channel MOS-FET having a high threshold voltage, T121 is a P-channel MOS-FET which supplies a bias current, and T120 and R.
Reference numeral 31 is a bias generation circuit for generating a gate voltage of T121 and setting an optimum bias current, CN1 is a decoupling capacitor, and R32 and R33 are resistors. When the threshold voltage value of T123 is VTE, the value of Vn is VTE × (R32 + R33) /
It becomes R33. Therefore, the value of Vn can be set to an arbitrary value equal to or higher than VTE by changing the ratio of R32 and R33. By these, a bias voltage having the characteristic of FIG. 37 (b) can be generated. Note that any of a channel of a MOS-FET, an impurity diffusion layer, a wiring layer of polysilicon, or the like may be used for the resistor shown in this example.

【0054】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。図41(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、その値を電源電圧の半分にす
ることにより、例えば図38(a)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。
In a normal LSI, after the final manufacturing process, a voltage higher than the voltage used in normal operation is intentionally applied to each transistor in the circuit, and a transistor which is liable to cause a failure due to a defective gate oxide film or the like. The aging test is conducted to find the initial value, and the reliability is guaranteed. FIG. 41 (a) is a diagram showing an embodiment of how to apply the bias voltages Vn and Vp suitable for this aging test.
In this example, Vn = Vp = 1 at a power supply voltage (4V in this example) higher than where the magnitude relationship between Vn and Vp is reversed.
/ 2 VCC. By doing so, Vn and Vp are increased in proportion to the power supply voltage during the aging test. Further, by making the value half the power supply voltage, for example, the maximum voltage is made substantially equal among the transistors shown in FIG. 38 (a), and stress is prevented from concentrating on some transistors. There is.

【0055】図41(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、R36≒
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-FET T142、T143、ノードN1
1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1128〜1132頁(19
88)(IEEE Jounal of Solid-State Circuits,
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に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良い。
FIG. 41 (b) shows an embodiment of the structure of the circuit for generating the bias voltages Vn and Vp. In the figure, 72 is a maximum value output circuit that compares the voltages of two nodes N9 and N10 and outputs the maximum value, T140 and T141 are N-channel MOS-FETs having a high threshold voltage, and R36 is a MOS-FET. R38 and R39 are resistors for supplying bias current to R3 and R39 to divide the power supply voltage to obtain 1/2 VCC, and R36≈
It is R39. The maximum value output circuit is a differential amplifier circuit A10.
And A11, P-channel MOS-FET T142, T143, node N1
The resistor R37 is provided to prevent the impedance of 1 to the ground side from becoming infinite. The operation of the maximum value output circuit is described in, for example, IEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 23, No. 5, pp. 1128-1132 (19).
88) (IEEE Jounal of Solid-State Circuits,
Vol.23, No.5, pp.1128-1132, October
1988). A substantially constant voltage (2V in this example) is input to the node N9 regardless of the power supply voltage. On the other hand, half the power supply voltage is input to the node N10. Therefore, when the power supply voltage is 4V or less, 2V which is the maximum value of these two voltages is output to the node N11, and when the power supply voltage is 4V or more, 1 / 2Vcc is output. The generation circuit of the bias voltage Vp can be similarly configured. In this example, the case where the voltage value of the node N9 is 2 V is considered, but it may be set to an appropriate value in accordance with the maximum applicable voltage of the gate oxide film.

【0056】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。図42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VT1(T149)−VT1
(T150)になる。T149は図40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)=0.3
Vとして、出力電圧Vref=0.75Vを得ている。
Japanese Patent Application No. 63-125742 has a MOS-FET.
A constant voltage generating circuit utilizing the difference in the threshold voltage of is shown. FIG. 42 shows an example of the constitution of a constant voltage generating circuit which is improved to operate at an external power supply voltage higher than the voltage that can be applied to the gate oxide film. In the figure, 75 is a part newly inserted for this purpose, and T151 is N
The channel MOS-FET, T152 is a P-channel MOS-FET.
This allows the maximum applied voltage of any of the transistors in the circuit to be reduced to about half the external power supply voltage, like the inverter described above. The value of the constant voltage generated in this circuit is two N-channel MOS-FETs as described in Japanese Patent Application No. 63-125742.
Difference in threshold voltage between T149 and T150 VT1 (T149) -VT1
(T150). T149 is a transistor having a high threshold voltage similarly to that shown in FIG. In this example, VT1 (T149) = 1.05V, VT1 (T150) = 0.3
As V, the output voltage Vref = 0.75V is obtained.

【0057】図43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MO
S-FET、B1はそのバイアス電流を設定するための信号、
T163とT164はカレントミラー型の負荷を構成する2つ
のPチャネルMOS-FETである。通常の差動増幅回路で
は、ノードN13とN15、ノードN14と出力out2を接
続するが、ここでは図中76、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。
FIG. 43 shows a configuration example of the differential amplifier circuit according to the present invention. In the figure, T161 and T162 are two N-channel MOS-FETs for inputting differential signals, and T160 is an N-channel MO for supplying a bias current to the differential amplifier circuit.
S-FET and B1 are signals for setting the bias current,
T163 and T164 are two P-channel MOS-FETs forming a current mirror type load. In a normal differential amplifier circuit, the nodes N13 and N15 are connected, and the node N14 and the output out2 are connected. Here, however, the circuit blocks indicated by 76 and 77 in the figure are added, and an external voltage higher than the voltage that can be applied to the gate oxide film is added. It is designed to work with power supply voltage.

【0058】図43(a)では、76を2つのNチャネルM
OS-FET T165とT166、およびPチャネルMOS-FET T1
67とにより構成している。これにより、トランジスタ
T161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(out2)に印加される電圧を最小でもVp
+|VTP1|に制限する。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、図37(b)や図41(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、図43(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、すなわち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、図43(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
簡単な図43(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の信号レベルは図37(a)に示し
たインバータの出力out2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
ルの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(図
37(a)に示したインバータの出力out1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、
先の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。
In FIG. 43 (a), reference numeral 76 denotes two N channels M
OS-FET T165 and T166, and P-channel MOS-FET T1
It consists of 67 and. This allows the transistor
The maximum voltage applied to the drains (N13, N14) of T161 and T162 is Vn-VTN1, and the minimum voltage applied to the drain (out2) of the transistor T164 is Vp.
Limit to + | VTP1 |. Here, VTN1 and VTP1 represent the threshold voltages of the N-channel and P-channel MOS-FETs, respectively. As Vn and Vp, the bias voltage having the power supply voltage dependency shown in FIGS. 37 (b) and 41 (a) can be used as it is, as in the previous embodiment. Now, when the differential amplifier circuit shown in FIG. 43 (a) operates as a small signal amplifier circuit, that is, when there is no large difference between the two input levels and the transistors T161 and T162 both operate in the saturation region, The voltage value of the node 14 becomes approximately Vn-VTN1. Therefore, even if the transistor T167 is omitted as shown in FIG.
There is no large voltage difference between the gate and drain of T164. When used only as a small signal amplifier circuit, the circuit system of FIG. 43 (b), which has a simple configuration, is suitable. The signal level of the output out2 of these differential amplifier circuits is equal to the signal level of the output out2 of the inverter shown in FIG. 37 (a), and the output of the differential amplifier circuit can directly drive the input in2 of the inverter. It is convenient to combine them to form a circuit. In the above configuration example of the differential amplifier circuit, the input In
There is a characteristic that a large voltage gain can be obtained when the voltage levels of (+) and In (-) are Vn-VTN1 or less. On the contrary, when operating at an input voltage level higher than Vp + | VTP1 |, the N-channel MOS-FET and the P-channel MOS-FET forming the differential amplifier circuit are set to P-channel and N-channel, respectively.
Replace each channel with a low voltage level (signal level of the output out1 of the inverter shown in FIG. 37 (a))
It may be configured to obtain the output of. Also at this time,
The same effect as in the case of the above configuration can be obtained. Next, an example in which this differential amplifier circuit is applied to an LSI chip circuit will be described.

【0059】図44〜46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。図44において、80は図1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、図42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
に標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、Vr
ef=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に設定し、電源電圧が3.75V以下のときにはVC
L=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。
44 to 46 show an example in which the present invention is applied to a VL (reference voltage) generating circuit serving as a reference of the internal power supply voltage VCL. In FIG. 44, 80 is a VL (reference voltage) generation circuit corresponding to 9 of FIG. 1, A15 is a differential amplifier circuit,
R50 and R51 are resistors for setting the amplification factor. The VL generating circuit includes a constant voltage (Vref) generating circuit 81 described in FIG. 42, an aging voltage (VA) generating circuit 82 for generating a voltage higher than the voltage during the standard operation during an aging test, A maximum value output circuit 83 that compares Vref and VA and outputs the larger voltage,
The switch 84. Since the voltage characteristic of the aging test is not necessary when the information is held, the maximum value output circuit is set in the non-operating state, and the switch is closed to directly output Vref. Now, in this example, Vr
ef = 0.75V, VA = 1 / 5Vcc, power supply voltage is 3.
When the voltage is 75V or higher, the aging test is performed. That is, when the power supply voltage is 3.75V or lower, VL = 0.75V, and when it is 3.75V or higher, VL =
1 / 5Vcc is output. When R50 = R51, the amplification factor is set to 2, and when the power supply voltage is 3.75V or less, VC
When L = 1.5V, 3.75V or higher, VL = 2 / 5Vcc
Is applied to the circuit as an internal power supply voltage.

【0060】各電圧の外部電源電圧VCC依存性を図45
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。図46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9
0は最大値出力回路、T179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つの作
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とT1
78、T177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 T175とから構成される。ここで、2つの差動増幅
器90aおよび90bは図43(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図41(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。
FIG. 45 shows the dependency of each voltage on the external power supply voltage VCC.
Shown in. As a result, the power supply voltage of the internal circuit is 1.5 V in the standard operating state (for example, the power supply voltage is 3 to 3.6 V),
In the aging test state (for example, the power supply voltage is 5.3V), 2.1V is obtained. FIG. 46 shows a more detailed configuration example of the VL (reference voltage) generation circuit. 9 in the figure
0 is a maximum value output circuit, and T179 is an N-channel MOS-FET that operates as a switch. The maximum value output circuit is composed of two differential amplifier circuits 90a and 90b, P-channel MOS-FETs T177 and T1 driven by the outputs of the respective differential amplifiers.
P-channel MOS-FET T177 for relaxing the voltage applied to the gate oxide film of 78, T177 and T178, N-channel MOS-for lowering the grounding impedance of the output terminal N22-
Composed of FET T175. Here, the two differential amplifiers 90a and 90b are the same as those shown in FIG. 43 (a). The configuration of the maximum value output circuit is also basically the same as that shown in FIG. 41 (b). With this configuration, it is possible to obtain a maximum value output circuit that operates at a power supply voltage higher than the maximum applicable voltage of the gate oxide film. In the information holding state, the transistor T179 is turned on and Vref is output as it is as VL. In addition, the maximum value output circuit is made inoperative to reduce current consumption.

【0061】図47は、図1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は図43(a)に示したものと
同じ構成のシングルエンド型の差動増幅回路、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
と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。
FIG. 47 shows the limiter shown in FIG.
The structure of an enable signal (LM) generation circuit is shown.
In the figure, A12 and A13 are single-ended differential amplifier circuits having the same configuration as shown in FIG. It shows a double-ended differential amplifier circuit that outputs a signal. The double-ended type differential amplifier circuit is a P-channel MOS-FET T180 driven by two inputs.
And T181, P-channel MOS-FETs T184 and T185 for relaxing the voltage applied to the gate oxide film, two cross-coupled N-channel MOS-FETs T182 and T183, and the voltage applied to the gate oxide film. N-channel MOS-FETs T186 and T187 for alleviating the above, and speed-up capacitors CC1 and CC2 provided for accelerating the speed at which the output is inverted. Of these, the speed-up capacitor determines the response speed of the circuit, and even if omitted, the basic operation is not impaired even if omitted depending on the application.

【0062】以下、図48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VCL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N3
0 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=1Vになる。図48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。
The operation will be described below with reference to the operation timing chart shown in FIG. In the following explanation, when the internal power supply voltage VCL in the standard operating state is 1.5V (VL
= 0.75V). As shown in the figure, if the external power supply voltage Vcc drops from 4V to 1V, the voltage of the outputs (nodes N25 and N26) of the differential amplifier circuits A12 and A13 at time t0 when half the voltage of Vcc crosses 0.75V. Is reversed. As a result, the transistor T180 shifts to the cut-off state and T181 shifts to the on-state, and the node N28
Voltage rises to Vcc. Node N3 is synchronized with this
The potential of 0 is Vn-VTN1 (VTN1 is the threshold voltage of T187)
And the potentials of the node N29 and the node N27 are pulled down to the ground potential. As a result, the voltages at the outputs N27 and N28 of the double end type differential amplifier circuit are inverted and become 0V and VCC = 1V, respectively. Although FIG. 48 schematically shows the operation, actually, a series of these operations are performed in a time sufficiently shorter than the change of the power supply voltage. Therefore, the change in the power supply voltage does not adversely affect the circuit operation. Further, by intentionally providing a capacitor in the power supply wiring in the chip, it is possible to control the change in the power supply voltage and further suppress the influence on the circuit operation. Although the above description has been made on the case of lowering the external power supply voltage, conversely, the operation is similarly performed when increasing the external power supply voltage.

【0063】さて、本発明によるLSIチップを他のL
SI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
合をとる必要がある。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)C
MOSレベル。
Now, the LSI chip according to the present invention is
When a system is constructed using SI and semiconductor elements, it is necessary to match the input / output levels of signals exchanged between them. There are the following two standard input / output levels in an LSI that operates with a single power supply (generally 5 V). (A) TTL level, (b) C
MOS level.

【0064】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レベルをもちいるか、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T
TL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4.5〜5.5
V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1.0〜2.5V)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(バッテイバックアップ)を行う。 (3)電源電圧VCC が、例えば1.0〜5.5V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VCCが2.5〜5.5
V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。
Among these, at the TTL level, the value of the high voltage (“1”) output (VOH) must be 2.4 V or more. Therefore, when the power supply voltage is used at 2.4 V or less, it is necessary to use the CMOS level or to newly set the input / output level standard. Conventional LSI and T
When configuring a system with a TL logic circuit and the like, compatibility with the above-mentioned input / output level is an important factor. The compatibility eliminates the need for a level conversion circuit, reduces the number of parts, and leads to system cost reduction. Also, circuit performance such as noise resistance and speed is improved,
Maximum performance can be demonstrated. Therefore, an embodiment of the present invention having an input / output circuit configuration that maintains compatibility with conventional input / output levels will be described below. According to the present invention, the following three product specifications can be realized using one chip without changing the design. (1) During standard operation (for example, the power supply voltage Vcc is 4.5 to 5.5)
V or 3 to 3.6V), input / output is performed at the TTL level. If necessary, a decrease in Vcc (for example, the power supply voltage Vcc is 1.0 to 2.5 V) is detected in the chip and information is retained (battery backup). (2) The power supply voltage Vcc operates at, for example, 1.0 to 5.5 V, and the input / output is performed at the CMOS level. Vcc as required
(For example, the power supply voltage Vcc is 1.0 to 2.5 V) is detected in the chip, or information is retained (battery backup) by a control signal from the outside. (3) The power supply voltage Vcc operates at, for example, 1.0 to 5.5 V, and the chip automatically switches the input / output level according to the value of the power supply voltage. For example, the power supply voltage Vcc is 2.5 to 5.5.
Input and output are performed at the TTL level when the voltage is V and at the CMOS level when the power supply voltage is 1.0 to 2.5V.

【0065】図49(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、図49(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。図49
(a)において、1はLSIチップ、5は内部電源電圧
(例えば1.5V)動作するLSI回路ブロック、PA
DTはTTLレベル用の入出力パッド、PADCはCMO
S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、SW1は2つの入力バッファの出力のいずれかを低
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、SW0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。
In FIG. 49 (a), switching is performed by wiring or bonding using one chip, and the above (1)
An example of realizing two products of (2) and (2) is
It shows examples of products that automatically detect changes in the value of the power supply voltage and switch the input and output levels. FIG. 49
In (a), 1 is an LSI chip, 5 is an LSI circuit block that operates with an internal power supply voltage (for example, 1.5 V), and PA
DT is an input / output pad for TTL level, PADC is CMO
I / O pads for S level, IB1 and OB1 are TTL
Level input buffer and output buffer, IB2 and OB2 are CMOS level input buffer and output buffer, and SW1 is for selecting either of the outputs of the two input buffers to be input to the low voltage operation LSI circuit block. A switch SW0 is a switch for selecting which of the two output buffers the output of the low-voltage operation LSI circuit block is input to. As a method of performing this switching in an actual LSI, there is a master slice using wiring such as aluminum. This is a method in which when forming a wiring layer such as aluminum, two masks for transferring the wiring pattern are prepared corresponding to the above switches, and the mask is used properly according to the product. Further, two kinds of bonding pads corresponding to the input / output levels are provided on the LSI, and one of the bonding pads is bonded to the two products, so that two products can be produced separately. Alternatively, one bonding pad may be provided and the connection with the input / output buffer may be switched by a master slice formed of a wiring such as aluminum.

【0066】図49(b)はそれぞれ1つの入/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
の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。
FIG. 49 (b) shows a method of switching the input / output levels of one input / output buffer. In the figure, PADX is an input / output pad, IB3 and OB3 are input buffers and output buffers, and 96 is an input / output level setting circuit for controlling the input / output level of each buffer according to the power supply voltage. A more specific configuration example will be described later. With the above configuration, the three product specifications described above can be realized by one chip, which is convenient in terms of product cost and usability. In the above example, the so-called I / O common system in which the same input and output terminals are used has been described. However, in addition to this, the present invention can be applied to both input only and output only. Can be similarly applied. Hereinafter, specific configuration examples of the output buffer, the input buffer, and the input protection circuit will be described. In the following embodiments, a case will be described in which a circuit is configured by a MOS-FET having a thin (for example, 6.5 nm) gate oxide film used for an internal circuit. The present invention can be similarly applied to the case of using a MOS-FET having different kinds of gate oxide films.

【0067】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5V)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。図50(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
は図37(a)に示したインバータ回路、N31およびN32
はそれぞれ図37(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-FET、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でき
る。
When constructing the output buffer, an internal low signal amplitude (for example, 1.5 V) to an external high signal amplitude (for example, TTL level of 2.4 V, and CMOS level of 5 V when the power supply voltage is 5 V are used. ) Need to be converted to amplitude. First, an example of a circuit configuration for obtaining a CMOS level output signal will be described. FIG. 50 (a) shows a configuration example of an amplitude conversion circuit that inputs a low signal amplitude in1 of the internal circuit and outputs a high signal amplitude Out. In the figure, 98
Is the inverter circuit N31 and N32 shown in FIG.
Is two inputs corresponding to in2 and in1 of FIG. 37 (a), Out is the output of the inverter, T190 is an N-channel MOS-FET driving N32, T191 is the gate of T190 by limiting the maximum voltage of the node N32. An N-channel MOS-FET that relaxes the voltage applied to the oxide film, T192 similarly indicates a P-channel MOS-FET that limits the minimum voltage of the node N31, and R65 indicates a resistance. Among them, the transistor T190 and the resistor R65 form an inverter circuit of a resistive load.
By using a resistive load, it is possible to obtain two outputs on the low voltage side and the high voltage side from one input on the low voltage side.

【0068】次に、図50(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5V、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T190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0
V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で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。
Next, the operation of this circuit will be described with reference to FIG. In the following example, it is assumed that the power supply voltage is 5V and the bias voltages Vn and Vp are both 2.5V. When the input in1 is 0V, the transistor T190 is cut off, and the node N31 is pulled up to the power supply voltage 5V by the resistor R65. The node N32 is Vn (2.
It is a value (2V) lower than the threshold voltage of the transistor T191 (for example, 0.5V) from 5V. Therefore, the voltage of the output Out of the inverter 98 is 0V. When the input in1 rises from 0V to 1.5V at time t0, the transistor T190 becomes conductive and the node N31
Is a value (3V) higher than Vp (2.5V) by the absolute value (for example, 0.5V) of the threshold voltage of the transistor T192,
The node N32 is pulled down to 0V and the output Out rises to 5V. At time t1, input in1 goes from 1.5V to 0
When the voltage goes down to V, the output Out similarly changes from 5V to 0V. Thus, with this circuit configuration,
For an input signal amplitude of 1.5V, the output signal amplitude of 5V required by the output buffer is obtained. Also, in this circuit, since only a maximum voltage of about 2.5V is applied to any transistor, even a MOS-FET using a thin gate oxide film (for example, 6.5 nm) should operate stably with a power supply voltage of 5V. Can be configured.

【0069】図51(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)はその
動作タイミングを示している。図中、102は図47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
ンド出力の差動増幅回路、100と101は図37(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。
FIG. 51 (a) shows another example of the configuration of the amplitude conversion circuit which inputs the complementary low amplitude signals in1 and in1 and outputs the high signal amplitude Out, and FIG. 51 (b) shows its operation timing. ing. In the figure, 102 is a double-ended input / double-ended output differential amplifier circuit having the same configuration as that shown in FIG. 47, and 100 and 101 are shown in FIG. 37 (a).
It shows the same inverter circuit as shown in. Since the double-ended output differential amplifier circuit used here does not flow current in a steady state, a circuit with lower power consumption can be realized as compared with the above-described example. Further, the substrate (back gate) of each transistor constituting the inverter of the final output stage is biased to minus (-2V) in the N channel and plus (7V) with respect to the power supply voltage (5V) in the P channel. Thereby, for example, even if an undershoot or an overshoot due to impedance mismatch appears in the output, the PN junction can be prevented from being biased in the forward direction. Therefore, it is possible to prevent injection of minority carriers into the substrate (deterioration of refresh characteristics when minority carriers diffuse to the charge storage node of the memory cell) and latch-up caused by turning on the parasitic thyristor. As described above, according to the present invention, it is possible to easily configure a circuit that outputs a CMOS-level high-amplitude signal (for example, 5 V) from a low-amplitude signal (for example, 1.5 V) of an internal circuit.

【0070】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 Enable=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。
Generally, when configuring a system, the outputs of a plurality of LSIs are connected to one data bus, and only the outputs of the selected LSI drive the bus.
In order to perform such control, it is desirable to make the output impedance of the unselected LSI infinite. A conventional LSI has three output (tri-state) characteristics as an output level, that is, high voltage, low voltage, and neither drive (infinite output impedance). In order to obtain such characteristics, it is necessary to control whether the output is driven (low impedance) or not (infinite impedance). The signal for this control is generated from either an output enable signal (Out put Enable = OE) or a chip select signal (Chip Select = CS) input from the outside. In the conventional output circuit, the tri-state characteristic is realized by taking the logic of these signals and the output data and driving the final stage transistor by the signal obtained as a result. In the case of configuring the same output circuit in the present invention, there may be a configuration in which the logic circuit is operated with a low power supply voltage and the logic circuit is not used in the circuit which operates with the external power supply voltage. However, in that case, the number of stages of the amplitude conversion circuit and the inverter that are inserted between the logic circuit and the output increases, and for example, the delay time from the OE signal to the output increases or the timing of driving the high-voltage side transistor. There is a disadvantage that a large current transiently flows due to a difference in the timing of driving the transistor on the low voltage side. On the other hand, if the logic circuit can be configured with the external power supply voltage, the degree of freedom in design is further increased, which is preferable in terms of circuit performance. An embodiment in which a logic circuit is configured with an external power supply voltage will be described below. In addition to the output buffer, this logic circuit is also effective as a means for generating control signals for various circuits operating with an external power supply voltage.

【0071】図52は本発明による2入力のNAND回
路の構成例を示している。図52(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in2
A、またin1Bとin2Bは図37(a)のin1およびin2
と同様、同相で変化する。図52(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は図37(a)のT202とT
203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。
FIG. 52 shows a configuration example of a 2-input NAND circuit according to the present invention. The input A of FIG. 52 (a) is the same as that of FIG. 52 (b).
In1A and in2A, B input is in1B and in2B
Respectively correspond to. Of each input signal, in1A and in2
A, in1B and in2B are in1 and in2 in FIG. 37 (a).
Like, changes in phase. In FIG. 52 (b), transistors T200 and T201 are the input signals in1A and
Driven by in1B, transistors T202 and T203 are driven by input signals in2A and in2B on the high voltage side. Transistors T204 and T205 are T202 and T in FIG. 37 (a).
Similar to 203, it is provided to operate at a voltage higher than the voltage that can be applied to the gate oxide film. With this configuration, the function of the NAND gate is obtained in which the output becomes the low level only when the two inputs are both at the high level. As described above, a fine transistor can be used with a high power supply voltage only by adding two transistors in addition to the normal CMOS NAND circuit. It should be noted that although a 2-input NAND circuit has been described as an example here, other
For example, a NOR circuit, an exclusive OR circuit, the above-mentioned logic circuit having three or more inputs, a composite gate which outputs various composite logics by using outputs of a plurality of logic circuits as inputs, and further,
The present invention can be similarly applied to a sequential circuit such as a latch circuit or a flip-flop circuit.

【0072】図53(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。図
53(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。図53(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N
OR回路、114は出力回路、110と111は図51
(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、oe
1、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。
FIG. 53 (a) shows an example of the structure of a tri-state output buffer using this logic circuit. FIG. 53 (b) shows it in a simplified manner with logical symbols. In the figure, G12 is a 2-input NAND circuit,
G13 is a 2-input NOR circuit, and T210 and T211 are N-channel and P-channel MOS-FETs that constitute an output circuit. When the output enable signal OE is high voltage, the same data as the input do is output from the buffer to the output Do, and when the OE is low voltage, the gate of T210 is low voltage and the gate of T211 is irrespective of the input data. Is fixed to a high voltage, the output Do becomes floating (impedance is almost infinite). FIG. 53 (a) is a specific configuration example of a circuit having the same function, which is configured by using fine elements having a breakdown voltage lower than the value of the external power supply voltage. In the figure, 112 is a NAND circuit, 113 is N
An OR circuit, 114 is an output circuit, and 110 and 111 are shown in FIG.
This is the same amplitude conversion circuit as 102 in (a). The amplitude conversion circuit is a low-amplitude signal do1, oe on the low power supply voltage side from the internal circuit.
Based on 1 and oe1 —, signals do2, oe2, and oe2 — on the high power supply voltage side necessary for operating 112 and 113 are generated. As shown here, according to the present invention, it is possible to configure a logic circuit that operates with an external power supply voltage exceeding its withstand voltage even if a fine element is used, and reduce delay time and transient current of a tri-state output circuit or the like. can do.

【0073】次にCMOSレベルの入力回路の例を図5
4により説明する。同図において、115は図37(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T22
2 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5
V)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0V)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。
Next, an example of a CMOS level input circuit is shown in FIG.
4 will be described. In the figure, reference numeral 115 indicates FIG. 37 (a).
The same inverters as shown in T220 and T221 are used for the transistor T22 even if a large signal amplitude is applied to the input.
2 and a transistor X for limiting the voltage applied to the gate oxide film of T223 to the oxide film breakdown voltage or less, and X is an input signal. In this figure, a high voltage (eg 5
V) is applied, the voltage applied to the node N40 is Vn−
It is limited to VT1 (T220), that is, about 2V. Similarly, even if a low voltage (for example, 0V) is applied to the input, the minimum voltage applied to the node N41 is about 3V, and the voltage applied to each transistor should be reduced to about half the power supply voltage. You can Further, since the signal amplitude of x1 — which is one of the outputs of this circuit is about 2 V, this can be directly used as the input of the internal circuit operating at the low power supply voltage.

【0074】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図55に示す。
同図においてPADIは入力パッド、PAD0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-FE
T TIN0、から構成される。また、出力バッファOB5
は、図37(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Vnt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
TON2、から構成されている。なお図53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CMOSレベルで入出力を行なうことができ
る。
In the above embodiments, examples of CMOS level output circuits and input circuits have been described. Next, FIG. 55 shows an example of an input circuit and an output circuit that automatically switch between the TTL level and the CMOS level according to the value of the power supply voltage.
In the figure, PADI is an input pad, PAD0 is an output pad, IPD is an input protection element for preventing junction and gate destruction due to static electricity, IB5 is an input buffer, and OB5 is an output buffer. The input protection element will be described later in detail. The input buffer IB5 is
Two MOS-FETs TIN1 and TIP1 forming a CMOS inverter, an N-channel MOS-FET TIN2 for limiting the power supply voltage of the CMOS inverter to a predetermined value or less determined by the bias voltage Vn1, and an input voltage of the CMOS inverter are also predetermined. N-channel MOS-FE for limiting below the value of
It consists of T TIN0. Also, the output buffer OB5
Is an inverter 116 similar to that shown in FIG.
Amplitude conversion circuit 11 for generating drive signals d1 and d2 for the inverter based on the low amplitude signal dout from the internal circuit
7. N-channel MOS-FET for limiting the output voltage of the inverter to a predetermined value or less determined by the bias voltage Vnt
It consists of TON2. It goes without saying that a buffer having a tri-state output characteristic can be configured by taking the logic of the output enable signal as in the case shown in FIG. In these circuits, if the value of the bias voltage Vn1 is appropriately changed according to the power supply voltage, input / output can be performed at the TTL level at a high power supply voltage and at the CMOS level at a low power supply voltage.

【0075】図56は、バイアス電圧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T
TL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、TOL=
0.4V、VOH=2.4V、VIL=0.8V、そしてVIH
=2.0Vである。また、バイアス電圧Vn1 の値は、電
源電圧が2.5V以上のときには3V、電源電圧が2.5
V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0
V、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0
VがDoutに出力される。一方、高電圧出力時のDoutの
電圧値は図56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<3
V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。
FIG. 56 shows an example of the dependence of the value of the bias voltage Vn1 on the power supply voltage VCC. In the figure, VOL and VOH are T corresponding to "0" and "1", respectively.
The output level of TL, VIL and VIH indicate the input level of TTL corresponding to "0" and "1", respectively. These values in a normal TTL logic gate are
0.4V, VOH = 2.4V, VIL = 0.8V, and VIH
= 2.0V. The value of the bias voltage Vn1 is 3 V when the power supply voltage is 2.5 V or more, and the power supply voltage is 2.5 V.
When it is lower than V, TIN0 is controlled to operate in a non-saturation region, for example, Vcc + 0.5V.
First, the operation of the output buffer circuit will be described. The voltage of the node N48 is 0 when a low voltage (“0”) is output.
When outputting V and high voltage ("1"), it becomes Vcc.
Therefore, at low voltage output, it is 0 regardless of the value of the power supply voltage.
V is output to Dout. On the other hand, the voltage value of Dout at the time of high voltage output depends on the value of the power supply voltage VCC as shown in FIG.
When Vcc ≧ 3V, Vn1−VT1 (TON2), Vcc <3
When it is V, it becomes Vcc. As a result, the power supply voltage is 3V
With the above, an output voltage amplitude satisfying the TTL level output characteristic can be obtained. By limiting the output voltage to 2.5 V or less, the power supply current when charging and discharging a large load capacity can be reduced to the necessary minimum.

【0076】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TIN2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
のときには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5.5
V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約1.25
V、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な
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、そして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-
FET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-FETはP形基板の中に形成しても、あるいは、図
27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。
Next, the operation of the input buffer circuit will be described. The power supply voltage of the CMOS inverter constituted by TIN1 and TIP1 is supplied from the source terminal of the transistor TIN2. Therefore, the value is 2.5 V when the power supply voltage is 3 V or higher and 0 V when the power supply voltage is 3 V or lower.
On the other hand, when the power supply voltage is 3 V or higher, the input voltage of the inverter is limited to 2.5 V or lower, and when it is 3 V or lower, the voltage input to Din is applied as it is.
With this circuit configuration, the power supply voltage is from 1 V to 5.5, for example.
Even if it greatly changes to V, the power supply voltage of the inverter and the maximum amplitude of the input signal become substantially equal. If the channel conductances of the two transistors forming the inverter are set to be substantially equal to each other, the logical threshold voltage of the inverter becomes one half of the power supply voltage. Therefore, when the power supply voltage is 3 V or higher, the logical threshold voltage is about 1.25.
The logic threshold voltage when V is 3 V or less is Vcc / 2, and a certain voltage (3 V in this example) is used as a boundary, and a TTL level is used when the power supply voltage is higher than that and a CMOS level is used when the power supply voltage is lower than that. An input buffer can be provided that As described above, according to the present invention, an LSI having a wide operating power supply voltage range can operate at an optimum input / output level at the power supply voltage value. As a result, the maximum noise margin can be realized with the minimum power consumption. In the output buffer, the substrates (back gates) of the three transistors TON0, TON1 and TON2 are common. By doing this,
When a high voltage surge is applied to the output terminal, the electric charge can be discharged at high speed by a large current. This is a clamp MOS-
This is because it is the same as the operation of the FET, and when the substrate potential rises due to the breakdown, it is easy to turn on the parasitic bipolar transistor existing between it and the ground potential. As a result, the electrostatic breakdown voltage of the output terminal can be improved even if a fine element is used. In the above embodiment, N
The value of the substrate voltage VBP1 of the channel MOS-FET is usually set to a negative value (for example, -3V) so that the PN junction is not biased in the forward direction when the input voltage becomes negative (undershoot). However, 0 V may be used as long as the forward current is allowed to flow. Further, the N-channel MOS-FET may be formed in the P-type substrate or in the P-well electrically insulated from the P-substrate as shown in FIG. In the latter case, the resistance of the P well is lower than the resistance of the substrate, so that the parasitic bipolar transistor is easily turned on, and the electrostatic breakdown voltage is increased.

【0077】上記実施例では、電源電圧よりも高いバイ
アス電圧Vn1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図57
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。I
B6a は図55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。I
B6bにおいて、T231 とT232 はCMOSインバータを
構成する2つのMOS-FET、T232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、T230はノードN52が高電圧に
なったときに、N52 からN51 への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
性を図58に示す。電源電圧3V以上のときには3V
(一定)、電源電圧が3V以下のときには電源電圧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。図59は電源電圧VCC が5
V、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0.4
V)のときには、ノードN51の電圧はVn2−VT1(TIN
5)(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
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0
Vまで引き落され、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0.4V)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2.5V)まで引
き上げる。これにより、ノードN52 の電圧はVCL−VT
1(T230)(例えば1.2V)まで引き上げられ、din
を0Vに引き落す。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、T232 によりノードN52
に帰還させているため、N52 の電圧振幅は電源電圧と
同じになり、T231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。
In the above embodiment, it is necessary to generate the bias voltage Vn1 higher than the power supply voltage. FIG. 57 shows an example of configuring an input buffer without using such a bias voltage.
Shown in. In the figure, the input buffer IB6 is composed of two circuit blocks, IB6a and IB6b. I
B6a has the same circuit configuration as the input buffer IB5 of FIG. The IB6b is a circuit for converting the output of the IB6a into a voltage level convenient for driving the internal circuit. I
In B6b, T231 and T232 are two MOS-FETs forming a CMOS inverter, T232 is a P-channel MOS-FET for raising the potential of the node N52 to the internal power supply voltage VCL when din is a low voltage, and T230 is a node N52. It is an N-channel MOS-FET for preventing current from flowing back from N52 to N51 when the voltage becomes high. FIG. 58 shows the dependence of the bias voltage Vn2 on the power supply voltage Vcc in this circuit configuration. 3V when the power supply voltage is 3V or higher
(Constant), power supply voltage VCC when power supply voltage is 3V or less
Is equal to. The operation of this circuit will be described in two cases. In FIG. 59, the power supply voltage Vcc is 5
The operation waveforms of each part when V and the internal power supply voltage VCL are 1.5V are shown. Input voltage is low voltage (eg 0.4
V), the voltage of the node N51 is Vn2-VT1 (TIN
5) (for example, 2.5 V), the voltage of the node N52 is VCL (1.
5V), and a low voltage (0V) is output to din.
When the input voltage changes from a low voltage (for example, 0.4V) to a high voltage (for example, 2.4V), the voltage of the node N50 rises following it, and the voltage of the node N51 drops to 0V. The channel conductance of T230 is set larger than that of T233, and the voltage of node N52 is almost zero.
It is pulled down to V and the value of din rises to VCL (1.5V). Conversely, if the input voltage is high (for example, 2.
When the voltage changes from 4V) to a low voltage (for example, 0.4V), the voltage of the node N50 drops accordingly, and the voltage of the node N51 decreases.
Voltage of Vn2-VT1 (TIN5) (for example, 2.5V). As a result, the voltage of the node N52 becomes VCL-VT.
It is pulled up to 1 (T230) (eg 1.2V) and din
To 0V. This turns on T233 and changes the voltage of the node N52 from VCL-VT1 (T230) to VCL (1.5V).
Up to. Thus, the node N52 by T232
The voltage amplitude of N52 becomes the same as the power supply voltage because it is fed back to, and the through current can be prevented from flowing in the CMOS inverter composed of T231 and T232.

【0078】次に、図60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 の電圧はVn2−VT1(TIN5)(例えば1.
2V)、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0
Vに引き落す。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まで引き落され、dinの値はVCL(1.5
V)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の電圧を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。
Next, FIG. 60 shows the operation waveform of each part when both the power supply voltage VCC and the internal power supply voltage VCL are 1.5V. When the input voltage is low (for example, 0V),
The voltage of the node N51 is Vn2-VT1 (TIN5) (for example, 1.
2V), the voltage of the node N52 becomes VCL (1.5V),
A low voltage (0V) is output to din. When the input voltage changes from a low voltage (for example, 0V) to a high voltage (for example, 1.5V), the voltage of the node N50 is Vn2-VT1 (TIN5).
(For example, 1.2V), the voltage of the node N51 becomes 0
Withdraw to V. Channel conductance of T230 is T233
The voltage at node N52 is also reduced to almost 0V, and the value of din is VCL (1.5
V). On the contrary, when the input voltage changes from a high voltage (for example, 1.5V) to a low voltage (for example, 0V), the voltage of the node N50 drops to 0V following the voltage, and the voltage of the node N51 becomes Vn2-VT1. Pull up to (TIN5) (eg 1.2V). As a result, the node N52
Is raised to VCL-VT1 (T230) (for example, 1.2V), and din is dropped to 0V. This makes T233
Turns on and raises the voltage of the node N52 from VCL-VT1 (T230) to VCL (1.5V). As described above, even when the power supply voltage is low and the output amplitude of IB6a is equal to or lower than the power supply voltage, the voltage amplitude of the node N52 is the same as the power supply voltage. Therefore, the CMOS inverter composed of T231 and T232 penetrates. No current flows. As described above, it is possible to realize an input / output buffer that switches its input / output level according to the value of the power supply voltage without using a bias voltage higher than the power supply voltage.

【0079】最後に、微細な素子により構成されたLS
I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図61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、サージによる高い電圧を接地電位に逃して
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 T
PD1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。
Finally, the LS composed of fine elements
FIG. 61 shows a configuration example of an input protection element that protects the elements of the internal circuit from the surge of the input in I. In the figure, PADI is an input pad for inputting a signal, and 120 is a first protection element for releasing a high voltage due to a surge to a ground potential by utilizing punch-through between impurity diffusion layers formed in a semiconductor substrate. , 121 are gate clamp elements for limiting the voltage of the node N60 to a certain predetermined voltage or less, and R70 is a resistor for absorbing the difference between the high voltage applied to the pad and the clamp voltage. The gate clamp element is composed of two N-channel MOS-FETs T connected in series.
It is composed of PD1 and TPD2, and a bipolar transistor Q1 using a parasitic element. A bias voltage Vn is applied to the gate of TPD1 in the same manner as in the circuit described above to prevent a voltage exceeding the gate oxide film breakdown voltage from being applied to the drain of TPD2. The gate of TPD2 is grounded so that current does not flow through the two MOS-FETs during normal operation.

【0080】ゲートクランプ素子の平面構造を図62
に、そのA,A′における断面構造を図63に、それぞ
れ示す。図62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130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、図63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により形成された厚い絶縁膜、1
39と140はゲート電極を成すポリシリコン、135
から138ま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、
141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
132にはクランプされる端子(ノードN60)、配線1
33および134には接地端子(VSS)、配線133に
はバイアス電圧Vn を、それぞれ印加する。図63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。図61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N60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きる。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、図27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
形成しても良い。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、寄生バイポ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れ
ば同様に本発明が適用できる。
The planar structure of the gate clamp element is shown in FIG.
63 shows the cross-sectional structures at A and A ', respectively. In FIG. 62, 122 and 123 are electrically isolated regions electrically insulated from each other and formed in the semiconductor substrate, 124 and 125 are gate electrodes made of polysilicon or the like, and 126 to 130 are electrically The impurity diffusion layer formed in the active region, or the contact hole formed through the insulating film for electrically connecting the upper metal wiring to the gate electrode, and aluminum for 131 to 134 The metal wirings are shown respectively. Further, in FIG. 63, 50 is a thick insulating film formed by oxidation of the substrate to electrically insulate electrically active regions in the semiconductor substrate, and 1
39 and 140 are polysilicon forming the gate electrode, 135
To 138 are impurity diffusion layers formed in the substrate in a self-aligned manner using the insulating film or the gate electrode as a mask,
Reference numeral 141 denotes an impurity diffusion layer or a thick insulating film formed for electrical insulation between the gate electrode and the metal wiring located above. In the structure shown in the figure, the terminal (node N60) clamped to the wiring 132, the wiring 1
A ground terminal (VSS) is applied to 33 and 134, and a bias voltage Vn is applied to the wiring 133, respectively. In FIG. 63, there are three NPN-type parasitic bipolar transistors Q1a, Q1b, and Q1c based on the P substrate. The symbol Q1 in FIG. 61 is representative of these. Next, the operation of this element will be described. When the voltage applied to the node N60 exceeds the reverse breakdown voltage of the PN junction formed between the impurity diffusion layer 136 and the substrate, the current due to the breakdown of the junction raises the potential of the P substrate, and the parasitic bipolar Turn on the transistor. As a result, a large collector current flows between the impurity diffusion layers 136 and 135, or 138, the charge of the node N60 is extracted, and the potential thereof is clamped. Of these, Q1b and Q1c are connected in series, so that the collector current becomes smaller than that of Q1a. Therefore, effectively, the MOS-FET turns on the parasitic bipolar transistor first, and the parasitic bipolar transistor Q1a turns on the large collector current. Thus, by disposing the impurity diffusion layer different from the impurity diffusion layer of the transistor near the node N60 and grounding it, the effective distance between the collector and the emitter of the parasitic bipolar transistor is shortened, and the parasitic bipolar transistor is shortened. A large collector current can be obtained when the transistor operates. As described above, the structure in which the grounded impurity diffusion layer is arranged near the terminal to be clamped can be applied not only as the input protection element but also as the output protection element. Further, in this example, the gate clamp element is formed in the P substrate, but it may be formed in the P well electrically isolated from the substrate in the structure shown in FIG. By doing so, the resistance values of the base and P well are increased, the parasitic bipolar transistor is easily turned on, and the effect of clamping can be further enhanced. The value of the bias voltage VBP1 of the P substrate or the P well is usually a negative value (for example, -3V). It may be 0V. In addition, although the example using the P substrate is described in this embodiment, the present invention can be similarly applied to the case where the N substrate is used as long as the same element is formed in the P well.

【0081】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らに限定されるもの
ではない。例えば、ここでは主にメモリ回路を主体に記
述してが、本明細書冒頭にも述べたように、メモリLS
I、論理LSI、あるいは、これらを組合せた複合LS
I、あるいはその他のLSI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M
OSトランジスタを使用したLSI、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LS
I、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。
Although the details of the present invention have been described with reference to the respective embodiments, the scope of application of the present invention is not limited to these. For example, although the memory circuit is mainly described here, as described at the beginning of this specification, the memory LS
I, logic LSI, or composite LS combining these
It is applicable to I or all other LSIs. Also, regarding the types of elements used, both p-type and n-type M
LSI using OS transistor, LSI using bipolar transistor, LS using junction type FET
I, BiCMOS type LSI in which a CMOS transistor and a bipolar transistor are combined, and further, a material other than silicon, for example, an LSI in which elements are formed on a substrate such as gallium arsenide, can be applied as it is.

【0082】[0082]

【発明の効果】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, the characteristics of the element by the latest microfabrication technology are utilized to operate at low power consumption and high speed, and the operation state is switched and the information is retained by switching the operating state. A highly integrated LSI that can also operate can be provided.

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

【図1】本発明の基本概念を説明する実施例の図。FIG. 1 is a diagram of an embodiment for explaining the basic concept of the present invention.

【図2】本発明の基本概念を説明する実施例の図。FIG. 2 is a diagram of an embodiment for explaining the basic concept of the present invention.

【図3】本発明の基本概念を説明する実施例の図。FIG. 3 is a diagram of an embodiment for explaining the basic concept of the present invention.

【図4】本発明の基本概念を説明する実施例の図。FIG. 4 is a diagram of an embodiment for explaining the basic concept of the present invention.

【図5】本発明の基本概念を説明する実施例の図。FIG. 5 is a diagram of an example for explaining the basic concept of the present invention.

【図6】本発明の基本概念を説明する実施例の図。FIG. 6 is a diagram of an embodiment for explaining the basic concept of the present invention.

【図7】本発明の基本概念を説明する実施例の図。FIG. 7 is a diagram of an example for explaining the basic concept of the present invention.

【図8】本発明をスタティックメモリに適用した実施例
の図。
FIG. 8 is a diagram of an embodiment in which the present invention is applied to a static memory.

【図9】本発明をスタティックメモリに適用した実施例
の図。
FIG. 9 is a diagram of an embodiment in which the present invention is applied to a static memory.

【図10】本発明をスタティックメモリに適用した実施
例の図。
FIG. 10 is a diagram of an embodiment in which the present invention is applied to a static memory.

【図11】本発明をダイナミックメモリに適用した実施
例の図。
FIG. 11 is a diagram of an embodiment in which the present invention is applied to a dynamic memory.

【図12】本発明をダイナミックメモリに適用した実施
例の図。
FIG. 12 is a diagram of an embodiment in which the present invention is applied to a dynamic memory.

【図13】本発明をダイナミックメモリに適用した実施
例の図。
FIG. 13 is a diagram of an embodiment in which the present invention is applied to a dynamic memory.

【図14】本発明をダイナミックメモリに適用した実施
例の図。
FIG. 14 is a diagram of an embodiment in which the present invention is applied to a dynamic memory.

【図15】本発明をダイナミックメモリに適用した実施
例の図。
FIG. 15 is a diagram of an embodiment in which the present invention is applied to a dynamic memory.

【図16】本発明をダイナミックメモリに適用した実施
例の図。
FIG. 16 is a diagram of an embodiment in which the present invention is applied to a dynamic memory.

【図17】本発明をダイナミックメモリに適用した実施
例の図。
FIG. 17 is a diagram of an embodiment in which the present invention is applied to a dynamic memory.

【図18】本発明をダイナミックメモリに適用した実施
例の図。
FIG. 18 is a diagram of an embodiment in which the present invention is applied to a dynamic memory.

【図19】本発明の基本概念を説明する他の実施例の
図。
FIG. 19 is a diagram of another embodiment for explaining the basic concept of the present invention.

【図20】本発明の基本概念を説明する他の実施例の
図。
FIG. 20 is a diagram of another embodiment for explaining the basic concept of the present invention.

【図21】本発明の基本概念を説明する他の実施例の
図。
FIG. 21 is a diagram of another embodiment for explaining the basic concept of the present invention.

【図22】本発明の基本概念を説明する他の実施例の
図。
FIG. 22 is a diagram of another embodiment for explaining the basic concept of the present invention.

【図23】本発明の基本概念を説明する他の実施例の
図。
FIG. 23 is a diagram of another embodiment for explaining the basic concept of the present invention.

【図24】本発明の基本概念を説明する他の実施例の
図。
FIG. 24 is a diagram of another embodiment for explaining the basic concept of the present invention.

【図25】本発明を構成する素子の具体的実施例の図。FIG. 25 is a diagram of a specific example of an element constituting the present invention.

【図26】本発明を構成する素子の具体的実施例の図。FIG. 26 is a diagram of a specific example of an element constituting the present invention.

【図27】本発明を構成する半導体基板の具体的実施例
の図。
FIG. 27 is a diagram of a specific example of a semiconductor substrate that constitutes the present invention.

【図28】情報保持時の消費電力を低減するための具体
的実施例の図。
FIG. 28 is a diagram of a specific example for reducing power consumption when holding information.

【図29】情報保持時の消費電力を低減するための具体
的実施例の図。
FIG. 29 is a diagram of a specific example for reducing power consumption when holding information.

【図30】情報保持時の消費電力を低減するための具体
的実施例の図。
FIG. 30 is a diagram of a specific example for reducing the power consumption when holding information.

【図31】低電圧で動作するダイナミックメモリの具体
的実施例の図。
FIG. 31 is a diagram of a specific example of a dynamic memory operating at a low voltage.

【図32】低電圧で動作するダイナミックメモリの具体
的実施例の図。
FIG. 32 is a diagram of a specific example of a dynamic memory operating at a low voltage.

【図33】低電圧で動作するダイナミックメモリの具体
的実施例の図。
FIG. 33 is a diagram of a specific example of a dynamic memory operating at a low voltage.

【図34】低電圧で動作するダイナミックメモリの具体
的実施例の図。
FIG. 34 is a diagram of a specific example of a dynamic memory operating at a low voltage.

【図35】低電圧で動作するダイナミックメモリの具体
的実施例の図。
FIG. 35 is a diagram of a specific example of a dynamic memory operating at a low voltage.

【図36】低電圧で動作するダイナミックメモリの具体
的実施例の図。
FIG. 36 is a diagram of a specific example of a dynamic memory operating at a low voltage.

【図37】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の図。
FIG. 37 is a diagram of a specific example of various circuits that are operated at a voltage higher than the gate breakdown voltage of a fine element.

【図38】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の図。
FIG. 38 is a diagram of a specific example of various circuits operated with a voltage higher than the gate breakdown voltage of a fine element.

【図39】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の図。
FIG. 39 is a diagram of a specific example of various circuits operated with a voltage higher than the gate breakdown voltage of a fine element.

【図40】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の図。
FIG. 40 is a diagram of a specific example of various circuits that are operated with a voltage higher than the gate breakdown voltage of a fine element.

【図41】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の図。
FIG. 41 is a diagram of a specific example of various circuits operated with a voltage higher than the gate breakdown voltage of a fine element.

【図42】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の図。
FIG. 42 is a diagram of a specific example of various circuits that are operated at a voltage higher than the gate breakdown voltage of a fine element.

【図43】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の図。
FIG. 43 is a diagram of a specific example of various circuits operated with a voltage higher than the gate breakdown voltage of a fine element.

【図44】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の図。
FIG. 44 is a diagram of a specific example of various circuits operated with a voltage equal to or higher than the gate breakdown voltage of a fine element.

【図45】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の図。
FIG. 45 is a diagram of a specific example of various circuits operated with a voltage higher than the gate breakdown voltage of a fine element.

【図46】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の図。
FIG. 46 is a diagram of a specific example of various circuits operated by a voltage higher than the gate breakdown voltage of a fine element.

【図47】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の図。
FIG. 47 is a diagram of a specific example of various circuits operated with a voltage higher than the gate breakdown voltage of a fine element.

【図48】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の図。
FIG. 48 is a diagram of a specific example of various circuits operated with a voltage higher than the gate breakdown voltage of a fine element.

【図49】入出力回路の構成の基本概念を示す実施例の
図。
FIG. 49 is a diagram of an embodiment showing the basic concept of the configuration of the input / output circuit.

【図50】出力回路の具体的実施例の図。FIG. 50 is a diagram of a specific example of an output circuit.

【図51】出力回路の具体的実施例の図。FIG. 51 is a diagram of a specific example of an output circuit.

【図52】出力回路の具体的実施例の図。FIG. 52 is a diagram of a specific example of an output circuit.

【図53】出力回路の具体的実施例の図。FIG. 53 is a diagram of a specific example of an output circuit.

【図54】入力回路の具体的実施例の図。FIG. 54 is a diagram of a specific example of an input circuit.

【図55】入力回路の具体的実施例の図。FIG. 55 is a diagram of a specific example of an input circuit.

【図56】入力回路の具体的実施例の図。FIG. 56 is a diagram of a specific example of an input circuit.

【図57】入力回路の具体的実施例の図。FIG. 57 is a diagram of a specific example of an input circuit.

【図58】入力回路の具体的実施例の図。FIG. 58 is a diagram of a specific example of an input circuit.

【図59】入力回路の具体的実施例の図。FIG. 59 is a diagram of a specific example of an input circuit.

【図60】入力回路の具体的実施例の図。FIG. 60 is a diagram of a specific example of an input circuit.

【図61】入力保護素子の具体的実施例の図。FIG. 61 is a diagram of a specific example of the input protection element.

【図62】入力保護素子の具体的実施例の図。FIG. 62 is a diagram of a specific example of the input protection element.

【図63】入力保護素子の具体的実施例の図。FIG. 63 is a diagram of a specific example of the input protection element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 ... LSI chip, 5 ... Internal circuit part, 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 input / output bus, 12 ... Internal input / output bus.

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 27/092 G11C 11/34 354Z 27/10 461 (56)参考文献 特開 平2−122726(JP,A) 特開 昭62−125713(JP,A) 特開 昭56−138335(JP,A) 特開 昭58−20034(JP,A) 特開 平3−34722(JP,A) 特開 平3−60218(JP,A) 特開 昭61−24090(JP,A) 特開 昭60−167523(JP,A) 特開 昭60−48525(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03K 19/0948 G11C 11/407 G11C 11/412 G11C 11/417 H01L 21/8238 H01L 27/092 H01L 27/10 461 Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI H01L 27/092 G11C 11/34 354Z 27/10 461 (56) Reference JP-A-2-122726 (JP, A) JP-A-62-125713 (JP, A) JP 56-138335 (JP, A) JP 58-20034 (JP, A) JP 3-34722 (JP, A) JP 3-60218 (JP, A) Kai 61-24090 (JP, A) JP 60-167523 (JP, A) JP 60-48525 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H03K 19 / 0948 G11C 11/407 G11C 11/412 G11C 11/417 H01L 21/8238 H01L 27/092 H01L 27/10 461

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】複数の第1相補形MOSFETを含む第1
回路ブロックと、複数の第2相補形MOSFETを含む
第2回路ブロックとを有する半導体装置であって、 前記第1回路ブロックの前記複数の第1相補形MOSF
ETのに含まれるPチャネルMOSFET及びNチャネ
ルMOSFETのしきい値電圧は、前記第2回路ブロッ
クの前記複数の第2相補形MOSFETのPチャネルM
OSFET及びNチャネルMOSFETのしきい値電圧
よりも小さく、 前記第1相補形MOSFETは、前記第1相補形MOS
FETに含まれるPチャネルMOSFET又はNチャネ
ルMOSFETのいずれかのゲート・ソース間電圧を0
Vとした場合に、ソース・ドレイン経路に回路動作上ほ
ぼ零とみなせる電流よりも大きな電流が流れるMOSF
ETにより形成されることを特徴とする半導体装置。
1. A first including a plurality of first complementary MOSFETs.
A semiconductor device having a circuit block and a second circuit block including a plurality of second complementary MOSFETs, wherein the plurality of first complementary MOSFs of the first circuit block are provided.
The threshold voltages of the P-channel MOSFET and the N-channel MOSFET included in ET are the P-channel M of the plurality of second complementary MOSFETs of the second circuit block.
Lower than the threshold voltage of the OSFET and the N-channel MOSFET, and the first complementary MOSFET is the first complementary MOS
Set the gate-source voltage of either the P-channel MOSFET or N-channel MOSFET included in the FET to 0
When V is set, MOSF flows through the source / drain path a current larger than the current that can be regarded as almost zero in circuit operation.
A semiconductor device formed by ET.
【請求項2】請求項1において、前記第2相補形MOS
FETに含まれるPチャネルMOSFET又はNチャネ
ルMOSFETのいずれかのゲート・ソース間電圧を0
Vとした場合に、ソース・ドレイン経路に回路動作上ほ
ぼ零とみなせる電流よりも小さな電流が流れるMOSF
ETにより形成されることを特徴とする半導体装置。
2. The second complementary MOS according to claim 1.
Set the gate-source voltage of either the P-channel MOSFET or N-channel MOSFET included in the FET to 0
When V is set, MOSF flows through the source / drain path a current smaller than the current that can be regarded as almost zero in circuit operation.
A semiconductor device formed by ET.
【請求項3】請求項1または2において、前記回路動作
上ほぼ零とみなせる電流は、前記PチャネルMOSFE
T及び前記NチャネルMOSFETのそれぞれに対し
て、そのゲート幅1ミクロン当たりに換算すると1nA
程度であることを特徴とする半導体装置。
3. The current which can be regarded as substantially zero in the circuit operation according to claim 1 or 2,
For each of the T and N-channel MOSFETs, the gate width is converted to 1 nA per micron.
A semiconductor device, which is characterized by a degree.
【請求項4】請求項1から3のいずれかにおいて、前記
動作電圧は0.5〜1V程度の電圧であることを特徴と
する半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the operating voltage is a voltage of about 0.5 to 1V.
【請求項5】請求項1から4のいずれかにおいて、前記
半導体装置はマイクロプロセッサLSIチップであるこ
とを特徴とする半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a microprocessor LSI chip.
【請求項6】請求項1から4のいずれかにおいて、前記
半導体装置はダイナミック形メモリを含むLSIチップ
であることを特徴とする半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is an LSI chip including a dynamic memory.
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