JP3686581B2 - Semiconductor integrated circuit - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高集積密度で待機時の消費電流を低減した半導体集積回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
待機時の消費電力が極めて小さい半導体集積回路としては、CMOS回路が周知である。入力がハイレベルの時は、pチャネルMOSトランジスタがオフで、nチャネルMOSトランジスタがオンであり、出力の容量性負荷の放電が完了するとnチャネルMOSトランジスタがオフとなり、この状態では消費電力は無視できる。入力がローレベルの時は、pチャネルMOSトランジスタがオンで、nチャネルMOSトランジスタがオフであり、出力の容量性負荷の充電が完了するとpチャネルMOSトランジスタがオフとなり、この状態でも消費電力は同様に無視できる
一方、チップ内の内部回路に微細化されたMOSトランジスタを使用し、かつ微細化に伴うMOSトランジスタの降伏電圧低下に対処するため外部電源電圧より低い内部電源電圧をチップ内の電圧降下回路(オンチップ電圧リミッタ)で発生し、この内部電源電圧を内部回路に供給するようにした高集積密度で半導体集積回路は、従来より、特開昭57−172761に記載されている。
【0003】
一方、特開昭63−140486には、電源投入直後の内部回路の過渡電流の立上り速度を大きくする一方、過渡電流のピーク値を抑制するため、外部電源と内部回路との間にカレントミラー回路を接続して、内部回路に供給する電流を制限するとともに、帰還によって内部回路への供給電圧の上昇を所定値でクランプする方式が開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近の半導体集積回路に用いられる微細加工技術の進展は目覚ましく、加工寸法0.1μmへと近づきつつある。チャネル長が1μmのMOSトランジスタと比較すると、チャネル長が0.1μm前後のMOSトランジスタはしきい値電圧が低くなるとともにゲート・ソース間電圧がしきい値電圧以下となってもドレイン電流は0とならない。このゲート・ソース間電圧がしきい値電圧以下の領域でのリーク電流は、サブスレッショルド電流と呼ばれ、ゲート・ソース間電圧に指数関数的に比例する。反対に、しきい値電圧とは、ドレイン電流がゲート・ソース間電圧に指数関数的に比例する領域で定義したものであり、例えばゲート幅が10μmの時に10nAのドレイン電流が流れるゲート・ソース間電圧である。微細化にともなって生じるこのサブスレッショルド電流の増大は集積回路の低消費電力化という要請に反するという問題がある。特に、微細化されたMOSトランジスタを使用した半導体集積回路の非動作状態の消費電力は、このサブスレッショルド電流により決定され、このサブスレッショルド電流を抑えることが低消費電力を達成するために必要である。
【0005】
ところで、半導体メモリのワード線を駆動するワードドライバをCMOS回路で構成することにより、半導体メモリの低消費電力化が実現される。しかし、ワードドライバのCMOS回路のMOSトランジスタを微細化すると下記の如き問題が生じる。すなわち、ワード線の寄生容量が大きいので、ゲート幅の大きなMOSトランジスタをワードドライバの駆動トランジスタに用いる必要がある。このためワードドライバのゲート幅の総計は、DRAMチップ全体のゲート幅の総計のおよそ半分にも達する。しかし、サブスレッショルド電流はゲート幅に比例して増大するので、大きなゲート幅のMOSトランジスタをワードドライバの駆動トランジスタに用いるとワードドライバのCMOS回路の待機時の消費電力が大きくなると言う問題が生じる。
【0006】
すなわち、半導体メモリは一般に多数のワードドライバを用いているので、CMOS回路で構成されたワードドライバの駆動MOSトランジスタのサブスレッショルド電流を抑えることが必要となる。例えば、4MbDRAMを例にすると、リフレッシュ期間16msec中約15.9msecの期間(実に99%以上の期間)は全てのワード線が非選択状態の期間であり、この非選択状態ではワードドライバの駆動MOSトランジスタのサブスレッショルド電流が流れることとなるので、非選択状態での消費電力は、ワードドライバで微細化された駆動MOSトランジスタのサブスレッショルド電流によって決定される。このような問題は、特に、電池動作の半導体集積回路の場合に深刻な問題となる。
【0007】
一方、特開昭57−172761に開示された電圧降下回路の技術を上記のDRAMの如き半導体メモリに適用したとすると、サブスレッショルド電流の大きいMOSトランジスタを含む内部回路の内部電源電圧はオンチップ電圧リミッタの出力から供給される。しかし、この場合に、オンチップ電圧リミッタはその出力電流に関しては電流制限の機能を有していないので、上記で問題とされたサブスレッショルド電流を低減することはできない。
【0008】
一方、特開昭63−140486に開示されたカレントミラー回路の技術を上記のDRAMの如き半導体メモリに適用したとすると、サブスレッショルド電流の大きいMOSトランジスタを含む内部回路の内部電源電圧と内部電源電流とはカレントミラー回路の出力トランジスタから供給される。しかし、この場合に、カレントミラー回路は内部回路の過渡電流のピーク値を所定値以下に制限すると言う電流制限の機能を有するものの、この所定値に対応するサブスレッショルド電流は上述のサブスレッショルド電流よりはるかに大きな値であり、やはり、上記で問題とされたサブスレッショルド電流を低減することはできない。
【0009】
従って、本発明の目的は、微細化されたCMOS回路を使用しても、微細化に伴う大きなサブスレッショルド電流によって待機時の消費電力が決定されない半導体集積回路を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するには、スイッチングMOSトランジスタを、複数のCMOS回路に共通の第1の電源端子と外部電源端子或いはオンチップ電圧リミッタの出力である内部電源端子との間に具備し、スイッチングMOSトランジスタのゲート−ソース間にしきい値電圧の絶対値よりも小さい電圧振幅の制御信号が印加され、かつ複数のCMOS回路の第1の電源端子と第2の電源端子が短絡された場合に、外部電源端子或いはオンチップ電圧リミッタの出力である内部電源端子から上記スイッチングMOSトランジスタのソース−ドレイン経路を通って流れる第1のサブスレッショルド電流が、複数のCMOS回路に含まれるそのソースが電気的に第1の電源端子に接続されたスイッチングMOSトランジスタと同導電型チャネルの複数のMOSトランジスタのゲート−ソース間にそのしきい値電圧の絶対値よりも小さい電圧振幅の信号が印加され、かつスイッチングMOSトランジスタのソース−ドレイン間が短絡された場合に、外部電源端子或いはオンチップ電圧リミッタの出力である内部電源端子から複数のCMOS回路のMOSトランジスタのソース−ドレイン経路を通って流れる第2のサブスレッショルド電流よりも小さくなるようにスイッチングMOSトランジスタのデバイスパラメータを設定する。
【0011】
待機状態では、オフ状態の複数のCMOS回路の電流はオフ状態のスイッチングMOSトランジスタのサブスレッショルド電流に制限される。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明を実施例を用いて具体的に述べる。なお、特に断らない限り端子名を表す記号は同時に配線名,信号名も兼ね電源の場合はその電圧値も兼ねるものとする。
【0013】
図1は、本発明の第1の実施例を示す図である。Ci(i=1〜n)はCMOSトランジスタを用いて構成した論理回路又はドライバであるが、出力端子Oiの駆動に注目しここでは単純なCMOSインバータを例にしている。Iiはその入力端子である。VSとVCは外部電源もしくは内部降圧回路又は内部昇圧回路等の内部電圧変換回路で発生する内部電源からの電源線である。外部電源電圧は、例えば1.5〜3.6V程度である。VCは例えば1.5〜2.5Vに設定される。VSは通常0Vである。このCiとVCとの間にスイッチ回路S1を挿入する。T1はこのスイッチ回路の制御端子である。スイッチ回路S1には例えばMOSトランジスタやバイポーラトランジスタなどを用いる。N1はCMOSインバータ群の第1の電源端子である。N2はCMOSインバータ群の第2の電源端子である。
【0014】
この回路の動作を図2を用いて説明する。ここでは、動作時には1つの回路(ここではC1)のみが動作する場合を考える。すなわち、スイッチS1が動作時に供給する電流はCiのうちの1回路分(ここではC1での消費電流)のみで良い。また、図2では、T1が高レベルの時S1はオンし、T1が低レベルの時にS1はオフする場合としている。
【0015】
最初の待機時は、Ciの入力Iiはすべて高レベルVCで、出力Oiはすべて低レベルVSである。この時、pチャネルMOSトランジスタは通常はオフ状態であり、nチャネルMOSトランジスタは通常はオン状態である。しかし、微細化によってオフ状態のサブスレッショルド電流が問題となる。すなわち、ここでスイッチS1が無い場合に問題になるサブスレッショルド電流は、出力Oiが低レベルの時、オフのpチャネルMOSトランジスタとオンのnチャネルMOSトランジスタを通してVCからVSに向かって流れる電流である。本実施例では待機時にT1を低レベルに設定し、スイッチS1をオフさせる。しかし、スイッチS1をオフしても、スイッチS1のリーク電流を無視できない。しかし、スイッチS1のリーク電流が上述のサブスレッショルド電流より小さく設定されている。従って、この時、VCからCiへの最大電流はスイッチS1のリーク電流である。これによって、低電圧動作のためにCiに低いしきい値電圧を持つMOSトランジスタを用いたとしても、Ciに流れる電流はサブスレッショルド電流で決定されるのではなく小さなスイッチS1のリーク電流によって決定される。よって待機時の消費電流も小さい。
【0016】
次に、動作時となるとT1が高レベルとなりS1がオンし、S1がC1の出力O1を充電するのに必要な電流を供給する状態となる。ここで、入力I1が低レベルVSへと変化し、出力O1は電源VCからの電流によって電圧VCまで上昇する。その後入、力I1は高レベルVCとなり出力O1は低レベルVSとなる。以上の動作が完了すると再び待機状態でT1は低レベルとなり、S1はオフする。
【0017】
尚、このスイッチS1はpチャネルMOSトランジスタまたはpnpバイポーラトランジスタで形成できる。
【0018】
図3は本発明の第2の実施例を示す図である。図1と異なる点は、VCとCiとの間にスイッチS1を設ける代わりに、VSとCiとの間にスイッチS2を設けた点と、第1の電源端子N1と第2の電源端子N2が逆になった点である。その他は図1と同じである。この回路の動作を図4に示している。
【0019】
この図3の回路では、スイッチS2のリーク電流が入力Iiに低電位が印加された回路CiのnチャネルMOSトランジスタのサブスレッショルド電流より小さく設定されている。従って、この時、CiからVSへの最大電流はスイッチS2のリーク電流である。これによって、低電圧動作のためにCiに低いしきい値電圧を持つMOSトランジスタを用いたとしても、Ciに流れる電流はサブスレッショルド電流で決定されるのではなく小さなスイッチS2のリーク電流によって決定される。よって待機時の消費電流も小さい。
【0020】
尚、このスイッチS2はnチャネルMOSトランジスタまたはnpnバイポーラトランジスタで形成できる。
【0021】
図5は、本発明の第3の実施例を示す図である。本実施例では、図1の第1の実施例のスイッチS1を具体的にpチャネルMOSトランジスタで構成している。このpチャネルMOSトランジスタS1の電流駆動能力は、低電位の入力Iiに応答して出力Oiを充電する回路Ciの数を考慮して設定されている。一方、待機時の消費電流を低減するには、上述のようにスイッチS1のリーク電流を小さな値にすることが必要となる。このために、スイッチS1のpチャネルMOSトランジスタのデバイスパラメータを設定する必要がある。例えば、スイッチS1のpチャネルMOSトランジスタのゲート幅は、回路C1、C2…Cnの全pチャネルMOSトランジスタのゲート幅の総和よりも小さく、1つの回路CiのpチャネルMOSトランジスタのゲート幅よりも大きく設定されている。リーク電流を小さくするためには、スイッチS1のpチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧を大きくするか、ゲート長を大きくするか、またはゲート絶縁膜厚を大きくすることでも可能である。これによって、待機時の消費電流を小さく抑えることができる。
【0022】
この回路の動作を図6を用いて説明する。尚、動作時には1つの回路C1のみ高電位を出力するものである。
【0023】
まず、最初待機時において、先の実施例と同様に、Ciの入力Iiはすべて高レベルVCとし、出力Oiはすべて低電位VSである。また、C1,C2…Cnのサブスレッショルド電流の総和よりもスイッチ素子S1で流れるサブスレッショルド電流が小さいので、共通電源端子Nの電位は徐々に低下する。すると例えば回路C1のpチャネルMOSトランジスタを考えてみると、そのゲート電圧はVCであるが、ソース電圧はVCより低くなる。すなわちpチャネルMOSトランジスタはさらに強いオフ状態となるので、サブスレッショルド電流は大きく減少する。サブスレッショルド電流のゲート・ソース間電圧依存性はおよそDECADE/100mV程度である。従って、0.2Vも下がればサブスレッショルド電流は1/100となってしまうのである。従って、待機時の期間がある程度長くなると、端子Nの電位低下によって消費電流は無視できるほど小さくできる。
【0024】
動作時にpチャネルMOSトランジスタS1をオンとするため、T1が低レベルVSとなることが先の実施例との相違点であり、その他は先の実施例と同様である。なお、このスイッチS1をpnpバイポーラトランジスタで構成することも可能である。
【0025】
バイポーラトランジスタで構成する場合には、第1と第2の電源端子を持つ複数のCMOS回路の少なくとも一方の電源端子と、外部電源端子或いはオンチップ電圧リミッタの出力である内部電源端子との間にnpnまたはpnpのスイッチングバイポーラトランジスタを設ける。そして、この複数のCMOS回路の第1と第2の電源端子をショートした時のスイッチングバイポーラトランジスタがオフ状態でのリーク電流を、反対にスイッチングバイポーラトランジスタをショートした場合の(ショートしない)複数のCMOS回路がオフ状態でのサブスレッショルド電流よりも小さくなるように、スイッチングバイポーラトランジスタのデバイスパラメータを設定する。デバイスパラメータとは例えばエミッタ幅である。
【0026】
図7は、本発明の第4の実施例を示す図である。本実施例では図5で示した第3の実施例のスイッチS1と並列に電源VCとCiとの間に第1の電源端子N1のポテンシャルをVCとVSとの間の所定のポテンシャルに維持する電圧クランプ回路Lを有することを特徴とする。
【0027】
例えば、この記電圧クランプ回路Lは、ドレインがVCに設定され、そのゲートが所定の電位に設定され、そのソースが端子N1に接続されたソースフォロワ動作のnチャネルMOSトランジスタで構成される。本実施例では、ゲートとドレインとが短絡されたダイオード接続のnチャネルMOSトランジスタによってこの電圧クランプ回路が実現されている。
【0028】
この回路の特長と動作を図8を用いて説明する。最初の状態は図5及び図6で説明した場合と同じである。この時、Ciの共通電源端子N1の電位は図8に示すようにと電圧クランプ回路Lの有る場合(実線)と無い場合(破線)では待機時において異なる。極めて長い待機時が続くと、電圧クランプ回路Lが無い場合はCiで流れるサブスレッショルド電流とその他のリーク電流によって端子N1の電位は最悪の場合VSまで低下する。このため、待機時から動作時に移行するには、まず共通電源端子N1を充電しなければならないので、この充電完了まで動作状態への移行に遅延が生じる。これに対して、電圧クランプ回路Lを構成しているnチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧をVTとすると、電圧クランプ回路Lがある場合には、共通電源端子Nの電位はVC−VTまでしか低下しない。従って、動作状態への移行が短時間で終了する。尚、入力にVCが印加された待機時のCiのサブスレッショルド電流が先の実施例と同様に無視できる程度に小さくなるように、N1のクランプ電位VC−VTのレベルが設定されている。例えば、VTを0.2Vとし、サブスレッショルド電流のゲート・ソース間電圧依存性をDECADE/100mVとするとサブスレッショルド電流を1/100以下にできる。
【0029】
本発明は、多数の同種のCMOS回路を含む半導体集積回路が待機状態(電源電圧が実質的に供給されない状態で、出力から有効データが出力することを保証できない状態)となる動作モードを有する場合、この待機状態の消費電流を低減するのに好適である。
【0030】
半導体メモリ、例えば、ダイナミック形ランダムアクセスメモリ(DRAM)、スタティック形ランダムアクセスメモリ(SRAM)、或いはEEPROMのような不揮発性メモリはワードデコーダ、ワードドライバ、Y系デコーダ、Y系ドライバを有する。従って、出力から有効データが出力することを保証できない半導体メモリの待機状態で、このようなデコーダやドライバの消費電流を大きく削減すれば、長時間の電池動作を保証することができる。
【0031】
本発明のCMOS回路をこのようなデコーダやドライバに適用することにより、消費電流が大きく削減され、長時間の電池動作を保証することができる。
【0032】
図9は本発明をダイナミック形ランダムアクセスメモリのワードドライバ・デコーダに適用した例を示す図である。WD1〜WD8はワードドライバであり図1のCiに相当し、これに電源VCHから電流を供給するスイッチがS11である。またXD1はデコーダでありこれもまた図1のCiに相当し、これに電源VCLから電流を供給するスイッチがS12である。ワードドライバWD1〜WD8用の電源電圧VCHはメモリセル(図示せず)の蓄積電圧を充分に取るために必要な高い電圧に設定される。例えば、メモリセルの蓄積電圧を1.5Vとすると、VCHは2.5Vにする。デコーダXD1用の電源電圧VCLはメモリセルを直接駆動する必要がないため、消費電流を下げかつスピードがあまり劣化しないようなできるだけ低い電圧に設定される。例えば、1.5Vにする。このためVCHはVCLより高く設定される。VCHは例えば外部電源電圧を昇圧することによっても得られる。WD1〜WD8とXD1とで回路ブロックXB1を構成し、このような回路ブロックがXB1〜XBnとn個ある場合を示している。W11〜Wn8はワード線である。WD1においてpMOSのMW1とnMOSのMW2がワード線W11を駆動するCMOSインバータである。また、XDPHはプリチャージ信号である。このWD1の基本的な動作は特開昭62−178013に示すようにnMOS MS1がオフの状態でXDPHでPMOSMP1をオンさせて端子N3をVCHにプリチャージしCMOSインバータの出力であるW11を低レベルVSにしておき、この後nMOS MS1を選択的にオンさせてN3の電位を低下させてCMOSインバータを反転させるというものである。pMOS MF1は誤動作防止用にCMOSインバータの出力から入力へ弱い帰還をかけるものである。MS1の制御はXmと後述するデコーダの出力N2とで行なう。従来このようなワードドライバにおいてpMOS MW1は他のワードドライバと共に電源VCHに直接接続していた。このMW1は一般にワード線の負荷が大きいので、ゲート幅の大きいものを用いる。このため多数あるワードドライバ全体でのゲート幅の総計はチップ全体の論理回路のゲート幅の総計の大半を占めてしまう。従来はこのような大きなゲート幅分のMOSが電源VCHに接続されていた。このため加工技術の微細化に伴うMOSのソース・ドレイン間耐圧の低下にあわせて電源電圧を下げ、この電源電圧下で高速動作を維持するためにしきい値電圧を下げようとすると、サブスレッショルド電流が増加してしまうという問題を有していた。これは待機時電流の増加となり低電圧化により電池駆動ができても、消費電流の点から障害となる。本発明では、ワードドライバの電源VCHと多数のワードドライバとの間にスイッチS11を設ける。このスイッチS11の出力VCHLに多数のワードドライバを接続している。このスイッチS11はpMOSで構成しており、このpMOSのゲート幅は一度に動作するワードドライバに電流を供給できれば良いため小さくて済むのである。このpMOSをVCHに接続しているためサブスレッショルド電流も小さくて済むことになる。これによって、従来の課題は解決される。例えば、MW1のゲート幅を20μmとし、ワードドライバ512ヶ毎に1ヶのS11を設けるとすると、このS11内のT11で制御されるpMOSのゲート幅は200μmもあれば良い。また、このpMOSのしきい値電圧はMW1よりも絶対値で例えば0.1V高く設定する。これによりサブスレッショルド電流を3ケタ低減することができる。
【0033】
デコーダXD1の構成も同様である。ワードドライバと異なる点はワードドライバのMS1の代わりに2段直列のnMOS MS21、MS22を配置している点のみである。MD1,MD2がデコーダの出力端子N2を駆動するCMOSインバータであり、MP2はプリチャージ用のPMOSであり、XDPはプリチャージ信号であり、MF2はCMOSインバータの出力から入力へ弱い帰還をかけているpMOSである。MS21とMS22の制御はXiとXjとXkで行なう。従来このようなデコーダにおいてもMD1は電源VCLに直接接続されていた。このためVCLに多数のデコーダのMOSが接続されることになり、加工技術の微細化が進み電源電圧の低下にあわせてしきい値電圧を小さくすると大きなサブスレッショルド電流が流れることになってしまう。本発明を用いて、電源と多数のデコーダとの間にスイッチS12を設けてやり、この出力VCLLとデコーダを接続する。こうすれば、このスイッチを構成するpMOSのゲート幅は動作する少数のデコーダに電流を供給できれば良いので小さくて済む。このpMOSをVCLに接続するため、サブスレッショルド電流も小さくできる。
【0034】
次に、図10を用いてこの回路の動作を説明する。/RASは図9には示していないがチップに印加され、このワードドライバ・デコーダ群を動作させるか否かを制御する信号である。この信号とやはりチップ外部から印加するどのワード線を選択するかを指定するいわゆるアドレス信号から、図9には示していないチップ内の回路によって図9の回路を動作させるのに必要な信号を発生する。最初、/RASは高レベルでありチップは待機状態となっている。この時、Xiは高レベルVCLであり、Xj及びXkは低レベルVSであるためMS21及びMS22はオフしデコーダは非選択状態となっている。更にXDPは低レベルVSであるためpMOS MP2はオンしデコーダのCMOSインバータの入力N1はVCLにプリチャージされ、このため、デコーダの出力N2は低レベルVSとなっている。一方ワードドライバにおいてXmは高レベルVCLであり、又N2は前述の通り低レベルVSであるのでnMOS MS1はオフしている。また、XDPHは低レベルVSであるためpMOS MP1はオンしN3は高レベルVCHにプリチャージされており、よってワード線W11は低レベルとなっている。他の、ワードドライバ・デコーダにおいても同様であり全ワード線が低レベルVSとなっている。次に、動作状態となると/RASが低レベルとなり、プリチャージ信号XDPは高レベルVCL、XDPHは高レベルVCHとなる。T11及びT12も低レベルVSとなりスイッチS11及びS12をオンさせる。さらに、Xi及びXmが低レベルVSとなりXj及びXkが高レベルVCLとなる。これによって、M21及びM22がオンするためにN1は低レベルVSまでXiに向けて放電される。このため、N2が高レベルVCLとなり、Xmが低レベルVSとなっているためMS1がオンし、N3は低レベルVSまでXiに向けて放電される。これによって、W11が高レベルとなり、これと接続されているメモリセルが選択されることになる。この後、/RASが再び高レベルへ変化すると、Xi,Xj,Xk,Xmは待機時の状態に戻り、またXDP及びXDPHも最初の状態に戻るためワードドライバ・デコーダは非選択状態となり次の動作のためにプリチャージされることになる。なお、図9はワードドライバ・デコーダの場合を示しているが、これはYドライバ・デコーダにも適用できる。この場合は、メモリセルを直接駆動する必要がないため、一般に図9におけるVCHはVCLと同じ電位とすれば良い。
【0035】
図11に、図9のスイッチS11及びS12の制御回路の例を示す。MAがこの制御回路の入力信号である。図11ではS11に対してT11をS12に対してT12を設けていたが、この制御回路では、1つの出力信号TによってS11及びS12を制御する。この回路の動作を図12を用いて説明する。/RASが高レベルである非選択状態では、MAは低レベルVSであるため、nMOS MG2はオフしている。また、CMOSインバータによってM1は高レベルVCLである。このため、フリップフロップを構成し電源がVCHに接続されたレベル変換回路において、M2は低レベルVSとなっており、pMOS MG1はオンしている。このためTは高レベルVCHとなっており、スイッチS11及びS12はオフしている。次に/RASが高レベルとなり、動作状態となるとMAは高レベルVCLとなり、M1は低レベルVSとなる。これによって、NORのフリップフロップは反転し、M2は高レベルVCHとなる。ここで、MAはnMOSMG2のゲートに入力しているため、MAが高レベルになった時点でnMOSMG2はオンする。上述の動作によってM2が高レベルとなるためpMOS MG1も遅れてオフするが、MG2のゲート幅をMG1よりも充分に大きく設定しておくことによって、MAの高レベルVCLへの変化によってTを低レベルVSとすることができる。動作時になったときなるだけ早くスイッチS11及びS12をオンの状態にすることが高速動作に必要なことであるためこのような回路構成を取ると良い。/RASが高レベルとなり非選択状態に戻る場合には、まずMAが低レベルとなり、MG2をオフする。ついでフリップフロップが動作してMG1がオンし、Tを高レベルとする。これによって、スイッチS11及びS12はオフする。
【0036】
図13は本発明の半導体メモリを記憶装置Mに用いたデータ処理システムの構成を示す図である。矢印は信号の流れを表わす。Mは本発明を用いたDRAMを、CPUはシステム全体を制御する処理装置を、RAGはリフレッシュアドレス発生装置を、TCは制御信号発生装置を、SLCTはCPUから送られてくるアドレス信号とRAGから送られてくるリフレッシュアドレス信号を切り換えるセレクト装置を、PFYはシステム内の他の装置(例えば外部記憶装置,表示装置,数値演算装置等)を示すものである。PFYは通信回線を通して他の情報処理装置と接続される場合もある。
【0037】
DATAはCPUとMとの間で通信されるデータで、AicはCPUで発生するアドレス信号で、AirはRAGで発生するリフレッシュアドレス信号で、AiはSLCTで選択されMに送られるアドレス信号で、STはCPUからRAGに送られるステイタス信号で、BSはTCからCPUへのビジイ信号で、SEはTCから送られるSLCTの起動をかける信号で、/RAS及び/CASは本発明を用いたDRAMの起動をかける信号である。SGはCPUとシステム内の他の装置との信号のやりとりをまとめて表わしたものである。MとしてはSRAMやEEPROM等も考えられる。この時はもちろんそれに応じた起動信号や制御信号が存在する。
【0038】
図13の実施例では、/RAS信号と/CAS信号とがハイレベルとされ、DRAMの記憶装置Mは先の実施例で説明したように超低消費電流の待機状態に移行する。また、この時、CPUもスリープ命令によって、低消費電力の待機状態に、その他の周辺装置も低消費電力の待機状態にすることもできる。
【0039】
本発明を用いた半導体集積回路では、電池駆動に適した低い電源電圧下で、しきい値電圧の小さいMOSトランジスタのサブスレッショルド電流よりも小さい消費電流にすることができる。このため、高速で低電圧でありかつ小さな待機時電流の半導体集積回路を実現することができる。
【0040】
【発明の効果】
待機時にオフとされる電源スイッチを構成するスイッチトランジスタのリーク電流が複数のCMOS回路のオフ状態のpチャネルまたはnチャネルのMOSのサブスレッショルド電流の総和より小さくなるように、スイッチトランジスタのデバイスパラメータが設定されている。従って、待機時に複数のCMOS回路に流れる電流はこの複数のCMOS回路のサブスレッショルド電流でなくスイッチトランジスタの小さなリーク電流で設定される。かくして、CMOS回路を微細化し、サブスレッショルド電流が大きくなっても、待機時の消費電流を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例を示す図である。
【図2】第1の実施例の動作を示す図である。
【図3】第2の実施例を示す図である。
【図4】第2の実施例の動作を示す図である。
【図5】第3の実施例を示す図である。
【図6】第3の実施例の動作を示す図である。
【図7】第4の実施例を示す図である。
【図8】第4の実施例の動作を示す図である。
【図9】本発明のワードドライバ・デコーダへの適用を示す図である。
【図10】図9の回路の動作を示す図である。
【図11】制御回路の例を示す図である。
【図12】図11の回路の動作を示す図である。
【図13】本発明を用いたシステム構成を示す図である。
【符号の説明】
S,S1,S2,S11,S12…スイッチ、T,T1,T2,T11,T12…スイッチ制御端子、Ci…1度に少数しか動作しない多数の回路、N1,N2…電源端子、VC…高電位側電源、VS…低電位側電源、I…入力、O…出力、VCH…ワードドライバの高電位側電源、VCL…デコーダの高電位側電源、WD1〜WD8…ワードドライバ、XD1…デコーダ、XB1〜XBn…ワードドライバ・デコーダ、W11〜Wn8…ワード線、Xi,Xj,Xk,Xl…ワードドライバ・デコーダ選択信号、MA…制御回路入力信号、M…メモリ,DRAM、CPU…システム制御処理装置、SLT…アドレスセレクト装置、RAG…リフレッシュアドレス発生装置、TC…制御信号発生装置、PFY…システム内の他の装置、DATA…データ信号、Aic,Air,Ai…アドレス信号、ST…ステイタス信号、BS…ビジイ信号、SE…起動信号、/RAS,/CAS…DRAMの起動信号。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit with high integration density and reduced current consumption during standby.
[0002]
[Prior art]
A CMOS circuit is well known as a semiconductor integrated circuit that consumes very little power during standby. When the input is high level, the p-channel MOS transistor is off and the n-channel MOS transistor is on. When the discharge of the capacitive load of the output is completed, the n-channel MOS transistor is turned off. In this state, power consumption is ignored. it can. When the input is at a low level, the p-channel MOS transistor is on and the n-channel MOS transistor is off. When the charging of the output capacitive load is completed, the p-channel MOS transistor is turned off. Can be ignored
On the other hand, a miniaturized MOS transistor is used for the internal circuit in the chip, and an internal power supply voltage lower than the external power supply voltage is applied to the internal voltage drop circuit (ON A highly integrated semiconductor integrated circuit which is generated by a chip voltage limiter and supplies this internal power supply voltage to the internal circuit is conventionally described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-172761.
[0003]
On the other hand, Japanese Patent Laid-Open No. Sho 63-140486 discloses a current mirror circuit between an external power source and an internal circuit in order to increase the rising speed of the transient current of the internal circuit immediately after the power is turned on, while suppressing the peak value of the transient current. Is connected to limit the current supplied to the internal circuit and clamp the rise of the supply voltage to the internal circuit by a predetermined value by feedback.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, recent progress in microfabrication technology used in semiconductor integrated circuits is remarkable, and the process size is approaching 0.1 μm. Compared with a MOS transistor with a channel length of 1 μm, a MOS transistor with a channel length of around 0.1 μm has a lower threshold voltage and a drain current of 0 even when the gate-source voltage is lower than the threshold voltage. Don't be. The leakage current in the region where the gate-source voltage is equal to or lower than the threshold voltage is called a subthreshold current and is exponentially proportional to the gate-source voltage. On the contrary, the threshold voltage is defined in a region where the drain current is exponentially proportional to the gate-source voltage. For example, when the gate width is 10 μm, the drain current of 10 nA flows through the gate-source. Voltage. This increase in subthreshold current caused by miniaturization has the problem that it goes against the demand for lower power consumption of integrated circuits. In particular, power consumption in a non-operating state of a semiconductor integrated circuit using a miniaturized MOS transistor is determined by this subthreshold current, and it is necessary to suppress this subthreshold current in order to achieve low power consumption. .
[0005]
By the way, the word driver for driving the word line of the semiconductor memory is constituted by a CMOS circuit, thereby realizing low power consumption of the semiconductor memory. However, if the MOS transistor of the word driver CMOS circuit is miniaturized, the following problems occur. That is, since the parasitic capacitance of the word line is large, it is necessary to use a MOS transistor having a large gate width as a driving transistor for the word driver. Therefore, the total gate width of the word driver reaches about half of the total gate width of the entire DRAM chip. However, since the subthreshold current increases in proportion to the gate width, if a MOS transistor having a large gate width is used as the driving transistor of the word driver, there arises a problem that power consumption during standby of the word driver CMOS circuit increases.
[0006]
That is, since a semiconductor memory generally uses a large number of word drivers, it is necessary to suppress the subthreshold current of the driving MOS transistor of the word driver constituted by a CMOS circuit. For example, in the case of a 4 Mb DRAM, a period of about 15.9 msec (actually 99% or more) in the refresh period of 16 msec is a period in which all word lines are in a non-selected state. Since the sub-threshold current of the transistor flows, the power consumption in the non-selected state is determined by the sub-threshold current of the driving MOS transistor miniaturized by the word driver. Such a problem becomes a serious problem particularly in the case of a battery-operated semiconductor integrated circuit.
[0007]
On the other hand, when the voltage drop circuit technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 57-172761 is applied to a semiconductor memory such as the above DRAM, the internal power supply voltage of the internal circuit including the MOS transistor having a large subthreshold current is an on-chip voltage. Supplied from the output of the limiter. However, in this case, since the on-chip voltage limiter does not have a current limiting function with respect to its output current, it is not possible to reduce the subthreshold current, which has been a problem described above.
[0008]
On the other hand, if the current mirror circuit technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-140486 is applied to a semiconductor memory such as a DRAM, the internal power supply voltage and the internal power supply current of the internal circuit including the MOS transistor having a large subthreshold current are described. Is supplied from the output transistor of the current mirror circuit. However, in this case, although the current mirror circuit has a current limiting function that limits the peak value of the transient current of the internal circuit to a predetermined value or less, the subthreshold current corresponding to the predetermined value is higher than the above-described subthreshold current. This is a much larger value, and again, the subthreshold current, which has been a problem in the above, cannot be reduced.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit in which power consumption during standby is not determined by a large subthreshold current accompanying miniaturization even when a miniaturized CMOS circuit is used.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, a switching MOS transistor is provided between a first power supply terminal common to a plurality of CMOS circuits and an external power supply terminal or an internal power supply terminal which is an output of an on-chip voltage limiter. When a control signal having a voltage amplitude smaller than the absolute value of the threshold voltage is applied between the gate and source of the transistor and the first power supply terminal and the second power supply terminal of the plurality of CMOS circuits are short-circuited, The first subthreshold current flowing from the power supply terminal or the internal power supply terminal which is the output of the on-chip voltage limiter through the source-drain path of the switching MOS transistor is electrically connected to the source included in the plurality of CMOS circuits. Multiple switching MOS transistors and the same conductivity type channel connected to one power supply terminal When a signal having a voltage amplitude smaller than the absolute value of the threshold voltage is applied between the gate and source of the MOS transistor and the source and drain of the switching MOS transistor are short-circuited, the external power supply terminal or on-chip voltage The device parameter of the switching MOS transistor is set so as to be smaller than the second subthreshold current flowing from the internal power supply terminal which is the output of the limiter through the source-drain paths of the MOS transistors of the plurality of CMOS circuits.
[0011]
In the standby state, the currents of the off-state CMOS circuits are limited to the subthreshold currents of the off-state switching MOS transistors.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be specifically described with reference to examples. Unless otherwise specified, the symbol representing the terminal name also serves as the wiring name and signal name, and in the case of a power supply, also serves as the voltage value.
[0013]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention. Ci (i = 1 to n) is a logic circuit or driver configured using CMOS transistors, but paying attention to driving of the output terminal Oi, here, a simple CMOS inverter is taken as an example. Ii is the input terminal. VS and VC are power lines from an internal power source generated by an external voltage source or an internal voltage conversion circuit such as an internal voltage down converter or an internal voltage booster circuit. The external power supply voltage is, for example, about 1.5 to 3.6V. VC is set to 1.5 to 2.5 V, for example. VS is usually 0V. A switch circuit S1 is inserted between Ci and VC. T1 is a control terminal of this switch circuit. For example, a MOS transistor or a bipolar transistor is used for the switch circuit S1. N1 is a first power supply terminal of the CMOS inverter group. N2 is a second power supply terminal of the CMOS inverter group.
[0014]
The operation of this circuit will be described with reference to FIG. Here, consider the case where only one circuit (here, C1) operates during operation. That is, the current supplied by the switch S1 during operation is only one circuit of Ci (current consumption at C1 here). In FIG. 2, S1 is turned on when T1 is at a high level, and S1 is turned off when T1 is at a low level.
[0015]
At the first standby, all the inputs Ii of Ci are at the high level VC, and all the outputs Oi are at the low level VS. At this time, the p-channel MOS transistor is normally off, and the n-channel MOS transistor is normally on. However, an off-state subthreshold current becomes a problem due to miniaturization. That is, the subthreshold current that becomes a problem when there is no switch S1 is a current that flows from VC to VS through an off p-channel MOS transistor and an on-n channel MOS transistor when the output Oi is at a low level. . In this embodiment, T1 is set to a low level during standby, and the switch S1 is turned off. However, even if the switch S1 is turned off, the leakage current of the switch S1 cannot be ignored. However, the leakage current of the switch S1 is set smaller than the above-described subthreshold current. Therefore, at this time, the maximum current from VC to Ci is the leakage current of the switch S1. As a result, even if a MOS transistor having a low threshold voltage is used for Ci for low voltage operation, the current flowing through Ci is determined not by the subthreshold current but by the leakage current of the small switch S1. The Therefore, current consumption during standby is small.
[0016]
Next, at the time of operation, T1 becomes high level, S1 is turned on, and S1 enters a state of supplying a current necessary for charging the output O1 of C1. Here, the input I1 changes to the low level VS, and the output O1 rises to the voltage VC due to the current from the power supply VC. Thereafter, the force I1 becomes a high level VC, and the output O1 becomes a low level VS. When the above operations are completed, T1 becomes low level again in the standby state, and S1 is turned off.
[0017]
The switch S1 can be formed of a p-channel MOS transistor or a pnp bipolar transistor.
[0018]
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the present invention. 1 differs from FIG. 1 in that a switch S2 is provided between VS and Ci instead of providing a switch S1 between VC and Ci, and that the first power supply terminal N1 and the second power supply terminal N2 are different from each other. This is the opposite point. Others are the same as FIG. The operation of this circuit is shown in FIG.
[0019]
In the circuit of FIG. 3, the leakage current of the switch S2 is set smaller than the subthreshold current of the n-channel MOS transistor of the circuit Ci in which the low potential is applied to the input Ii. Therefore, at this time, the maximum current from Ci to VS is the leakage current of the switch S2. As a result, even if a MOS transistor having a low threshold voltage is used for Ci for low voltage operation, the current flowing through Ci is determined not by the subthreshold current but by the leakage current of the small switch S2. The Therefore, current consumption during standby is small.
[0020]
The switch S2 can be formed of an n-channel MOS transistor or an npn bipolar transistor.
[0021]
FIG. 5 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. In this embodiment, the switch S1 of the first embodiment shown in FIG. 1 is specifically constituted by a p-channel MOS transistor. The current drive capability of the p-channel MOS transistor S1 is set in consideration of the number of circuits Ci that charge the output Oi in response to the low potential input Ii. On the other hand, in order to reduce the current consumption during standby, it is necessary to reduce the leakage current of the switch S1 as described above. For this purpose, it is necessary to set the device parameters of the p-channel MOS transistor of the switch S1. For example, the gate width of the p-channel MOS transistor of the switch S1 is smaller than the sum of the gate widths of all the p-channel MOS transistors of the circuits C1, C2,... Cn, and larger than the gate width of the p-channel MOS transistor of one circuit Ci. Is set. In order to reduce the leakage current, the threshold voltage of the p-channel MOS transistor of the switch S1 can be increased, the gate length can be increased, or the gate insulating film thickness can be increased. As a result, current consumption during standby can be reduced.
[0022]
The operation of this circuit will be described with reference to FIG. During operation, only one circuit C1 outputs a high potential.
[0023]
First, at the time of the first standby, as in the previous embodiment, all the input Ii of Ci are set to the high level VC, and all the outputs Oi are at the low potential VS. Further, since the subthreshold current flowing through the switch element S1 is smaller than the sum of the subthreshold currents of C1, C2,... Cn, the potential of the common power supply terminal N gradually decreases. Then, for example, when considering the p-channel MOS transistor of the circuit C1, the gate voltage is VC, but the source voltage is lower than VC. That is, since the p-channel MOS transistor is further turned off, the subthreshold current is greatly reduced. The gate-source voltage dependence of the subthreshold current is about DECADE / 100 mV. Therefore, if the voltage drops by 0.2 V, the subthreshold current becomes 1/100. Therefore, if the standby period is increased to some extent, the current consumption can be reduced to a negligible level due to the potential drop of the terminal N.
[0024]
Since the p-channel MOS transistor S1 is turned on during operation, the difference from the previous embodiment is that T1 becomes a low level VS, and the rest is the same as the previous embodiment. Note that the switch S1 can be formed of a pnp bipolar transistor.
[0025]
In the case of a bipolar transistor, between at least one power supply terminal of the plurality of CMOS circuits having the first and second power supply terminals and the internal power supply terminal that is the output of the external power supply terminal or the on-chip voltage limiter. An npn or pnp switching bipolar transistor is provided. The leakage current when the switching bipolar transistor is off when the first and second power supply terminals of the plurality of CMOS circuits are short-circuited, and conversely the plurality of CMOS when the switching bipolar transistor is short-circuited (not short-circuited). The device parameter of the switching bipolar transistor is set so as to be smaller than the subthreshold current in the circuit off state. The device parameter is, for example, the emitter width.
[0026]
FIG. 7 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, the potential of the first power supply terminal N1 is maintained at a predetermined potential between VC and VS between the power supplies VC and Ci in parallel with the switch S1 of the third embodiment shown in FIG. It has a voltage clamp circuit L.
[0027]
For example, the voltage clamp circuit L is composed of an n-channel MOS transistor of source follower operation in which the drain is set to VC, the gate is set to a predetermined potential, and the source is connected to the terminal N1. In this embodiment, this voltage clamp circuit is realized by a diode-connected n-channel MOS transistor whose gate and drain are short-circuited.
[0028]
The features and operation of this circuit will be described with reference to FIG. The initial state is the same as that described with reference to FIGS. At this time, as shown in FIG. 8, the potential of the common power supply terminal N1 of Ci differs in the standby state when the voltage clamp circuit L is present (solid line) and when it is not present (broken line). If an extremely long standby time continues, the potential at the terminal N1 drops to VS in the worst case due to the subthreshold current flowing through Ci and other leakage currents when there is no voltage clamp circuit L. For this reason, in order to shift from standby to operation, the common power supply terminal N1 must first be charged, so that there is a delay in shifting to the operating state until this charging is completed. On the other hand, when the threshold voltage of the n-channel MOS transistor constituting the voltage clamp circuit L is VT, when the voltage clamp circuit L is present, the potential of the common power supply terminal N is only up to VC−VT. It does not decline. Therefore, the transition to the operation state is completed in a short time. Note that the level of the clamp potential VC-VT of N1 is set so that the sub-threshold current of Ci at the time when VC is applied to the input becomes so small that it can be ignored as in the previous embodiment. For example, when VT is 0.2 V and the gate-source voltage dependency of the subthreshold current is DECADE / 100 mV, the subthreshold current can be reduced to 1/100 or less.
[0029]
The present invention has a case where a semiconductor integrated circuit including a large number of similar CMOS circuits has an operation mode in which the semiconductor integrated circuit is in a standby state (a state in which valid data cannot be guaranteed to be output from an output in a state where a power supply voltage is not substantially supplied). This is suitable for reducing the current consumption in the standby state.
[0030]
A semiconductor memory, for example, a dynamic random access memory (DRAM), a static random access memory (SRAM), or a nonvolatile memory such as an EEPROM has a word decoder, a word driver, a Y-system decoder, and a Y-system driver. Therefore, long-term battery operation can be ensured if the current consumption of such a decoder or driver is greatly reduced in a standby state of the semiconductor memory where it cannot be guaranteed that valid data is output from the output.
[0031]
By applying the CMOS circuit of the present invention to such a decoder or driver, current consumption can be greatly reduced and long-term battery operation can be guaranteed.
[0032]
FIG. 9 is a diagram showing an example in which the present invention is applied to a word driver / decoder of a dynamic random access memory. WD1 to WD8 are word drivers corresponding to Ci in FIG. 1, and a switch for supplying current from the power supply VCH to this is S11. XD1 is a decoder, which also corresponds to Ci in FIG. 1, and a switch for supplying current from the power supply VCL to SD1 is S12. The power supply voltage VCH for the word drivers WD1 to WD8 is set to a high voltage necessary for sufficiently taking a storage voltage of a memory cell (not shown). For example, if the storage voltage of the memory cell is 1.5V, VCH is set to 2.5V. Since the power supply voltage VCL for the decoder XD1 does not need to drive the memory cell directly, it is set to a voltage as low as possible so as to reduce the current consumption and the speed does not deteriorate so much. For example, it is set to 1.5V. For this reason, VCH is set higher than VCL. VCH can also be obtained, for example, by boosting the external power supply voltage. The circuit block XB1 is composed of WD1 to WD8 and XD1, and there are n such circuit blocks as XB1 to XBn. W11 to Wn8 are word lines. In WD1, the pMOS MW1 and the nMOS MW2 are CMOS inverters for driving the word line W11. XDPH is a precharge signal. As shown in Japanese Patent Laid-Open No. 62-178013, the basic operation of this WD1 is to turn on PMOSMP1 with XDPH while the nMOS MS1 is off, precharge the terminal N3 to VCH, and lower the W11 output from the CMOS inverter. It is set to VS, and then the nMOS MS1 is selectively turned on to lower the potential of N3 and invert the CMOS inverter. The pMOS MF1 applies weak feedback from the output of the CMOS inverter to the input for preventing malfunction. MS1 is controlled by Xm and an output N2 of a decoder described later. Conventionally, in such a word driver, the pMOS MW1 is directly connected to the power supply VCH together with other word drivers. This MW1 generally has a large gate width since the load on the word line is large. For this reason, the total gate width of all the word drivers occupies most of the total gate width of the logic circuits of the entire chip. Conventionally, such a large gate width MOS is connected to the power supply VCH. For this reason, if the power supply voltage is lowered in accordance with the decrease in the breakdown voltage between the source and drain of the MOS due to the miniaturization of processing technology, and the threshold voltage is lowered to maintain high-speed operation under this power supply voltage, the subthreshold current Had the problem of increasing. This increases the standby current, and even if the battery can be driven by lowering the voltage, it becomes an obstacle in terms of current consumption. In the present invention, the switch S11 is provided between the power source VCH of the word driver and a large number of word drivers. A number of word drivers are connected to the output VCHL of the switch S11. The switch S11 is composed of a pMOS, and the gate width of the pMOS only needs to be small if it can supply current to the word driver operating at a time. Since this pMOS is connected to VCH, the subthreshold current can be reduced. This solves the conventional problem. For example, if the gate width of MW1 is 20 μm and one S11 is provided for every 512 word drivers, the gate width of the pMOS controlled by T11 in this S11 may be 200 μm. The threshold voltage of the pMOS is set to an absolute value higher than MW1, for example, 0.1V. As a result, the subthreshold current can be reduced by three digits.
[0033]
The configuration of the decoder XD1 is the same. The only difference from the word driver is that a two-stage nMOS MS21 and MS22 are arranged in place of the word driver MS1. MD1 and MD2 are CMOS inverters for driving the decoder output terminal N2, MP2 is a precharge PMOS, XDP is a precharge signal, and MF2 gives a weak feedback from the output of the CMOS inverter to the input. pMOS. MS21 and MS22 are controlled by Xi, Xj and Xk. Conventionally, even in such a decoder, MD1 is directly connected to the power supply VCL. For this reason, a large number of decoder MOSs are connected to VCL, and when the threshold voltage is reduced in accordance with the progress of miniaturization of the processing technique and the decrease of the power supply voltage, a large subthreshold current flows. Using the present invention, a switch S12 is provided between the power supply and a number of decoders, and this output VCLL is connected to the decoder. In this way, the gate width of the pMOS that constitutes this switch only needs to be able to supply current to a small number of operating decoders, and can be made small. Since this pMOS is connected to VCL, the subthreshold current can be reduced.
[0034]
Next, the operation of this circuit will be described with reference to FIG. Although not shown in FIG. 9, / RAS is a signal which is applied to the chip and controls whether or not to operate this word driver / decoder group. From this signal and a so-called address signal that designates which word line to be applied from the outside of the chip is selected, a signal necessary for operating the circuit of FIG. 9 by a circuit in the chip not shown in FIG. 9 is generated. To do. Initially, / RAS is high and the chip is in a standby state. At this time, since Xi is the high level VCL and Xj and Xk are the low level VS, MS21 and MS22 are turned off and the decoder is in a non-selected state. Furthermore, since XDP is at a low level VS, pMOS MP2 is turned on, and the input N1 of the CMOS inverter of the decoder is precharged to VCL. Therefore, the output N2 of the decoder is at the low level VS. On the other hand, in the word driver, since Xm is the high level VCL and N2 is the low level VS as described above, the nMOS MS1 is off. Since XDPH is at the low level VS, the pMOS MP1 is turned on and N3 is precharged to the high level VCH. Therefore, the word line W11 is at the low level. The same applies to other word drivers / decoders, and all word lines are at a low level VS. Next, when the operating state is entered, / RAS is at a low level, the precharge signal XDP is at a high level VCL, and XDPH is at a high level VCH. T11 and T12 also become low level VS, and switches S11 and S12 are turned on. Further, Xi and Xm become low level VS, and Xj and Xk become high level VCL. As a result, since M21 and M22 are turned on, N1 is discharged toward Xi to the low level VS. For this reason, since N2 becomes the high level VCL and Xm becomes the low level VS, MS1 is turned on, and N3 is discharged toward Xi up to the low level VS. As a result, W11 becomes a high level, and the memory cell connected thereto is selected. After this, when / RAS changes to high level again, Xi, Xj, Xk, and Xm return to the standby state, and XDP and XDPH also return to the initial state. It will be precharged for operation. Although FIG. 9 shows the case of a word driver / decoder, this can also be applied to a Y driver / decoder. In this case, since it is not necessary to directly drive the memory cell, in general, VCH in FIG. 9 may be set to the same potential as VCL.
[0035]
FIG. 11 shows an example of the control circuit of the switches S11 and S12 in FIG. MA is an input signal of this control circuit. In FIG. 11, T11 is provided for S11 and T12 is provided for S12. In this control circuit, S11 and S12 are controlled by one output signal T. The operation of this circuit will be described with reference to FIG. In a non-selected state where / RAS is at a high level, since MA is at a low level VS, nMOS MG2 is off. Also, M1 is at the high level VCL due to the CMOS inverter. For this reason, in the level conversion circuit that constitutes the flip-flop and the power supply is connected to VCH, M2 is at the low level VS and pMOS MG1 is on. Therefore, T is a high level VCH, and the switches S11 and S12 are off. Next, when / RAS is at a high level and enters an operating state, MA becomes a high level VCL and M1 becomes a low level VS. As a result, the NOR flip-flop is inverted and M2 becomes the high level VCH. Here, since MA is input to the gate of nMOSMG2, nMOSMG2 is turned on when MA becomes high level. Since M2 becomes high level by the above-described operation, pMOS MG1 is also turned off with a delay. However, by setting the gate width of MG2 sufficiently larger than MG1, T is lowered by changing MA to high level VCL. Level VS can be set. Since it is necessary for the high-speed operation to turn on the switches S11 and S12 as soon as possible when operating, such a circuit configuration is preferable. When / RAS goes high and returns to the non-selected state, MA goes low first and MG2 is turned off. Then, the flip-flop operates to turn on MG1, and set T to a high level. As a result, the switches S11 and S12 are turned off.
[0036]
FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a data processing system using the semiconductor memory of the present invention for the storage device M. Arrows indicate signal flow. M is a DRAM using the present invention, CPU is a processor for controlling the entire system, RAG is a refresh address generator, TC is a control signal generator, and SLCT is an address signal and RAG sent from the CPU. A select device for switching a refresh address signal to be sent, and PFY indicates another device in the system (for example, an external storage device, a display device, a numerical operation device, etc.). The PFY may be connected to another information processing apparatus through a communication line.
[0037]
DATA is data communicated between the CPU and M, Aic is an address signal generated by the CPU, Air is a refresh address signal generated by RAG, Ai is an address signal selected by SLCT and sent to M, ST is a status signal sent from the CPU to the RAG, BS is a busy signal from the TC to the CPU, SE is a signal for starting the SLCT sent from the TC, and / RAS and / CAS are DRAMs using the present invention. It is a signal to start. SG collectively represents the exchange of signals between the CPU and other devices in the system. As M, SRAM, EEPROM, etc. can be considered. At this time, of course, there are start signals and control signals corresponding to the signals.
[0038]
In the embodiment of FIG. 13, the / RAS signal and the / CAS signal are set to the high level, and the DRAM storage device M shifts to the standby state with an ultra-low current consumption as described in the previous embodiment. At this time, the CPU can also enter a low power consumption standby state and the other peripheral devices can also enter a low power consumption standby state by a sleep command.
[0039]
In the semiconductor integrated circuit using the present invention, the current consumption can be made smaller than the subthreshold current of the MOS transistor having a small threshold voltage under a low power supply voltage suitable for battery driving. Therefore, it is possible to realize a semiconductor integrated circuit that is high speed, low voltage, and has a small standby current.
[0040]
【The invention's effect】
The device parameter of the switch transistor is set so that the leakage current of the switch transistor constituting the power switch that is turned off during standby is smaller than the sum of the sub-threshold currents of the p-channel or n-channel MOS of the plurality of CMOS circuits. Is set. Therefore, the current flowing through the plurality of CMOS circuits during standby is set not by the subthreshold current of the plurality of CMOS circuits but by a small leakage current of the switch transistor. Thus, even when the CMOS circuit is miniaturized and the subthreshold current increases, the current consumption during standby can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating the operation of the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating the operation of the second embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a third embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating the operation of the third embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a fourth embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating the operation of the fourth embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing application of the present invention to a word driver / decoder.
10 is a diagram illustrating the operation of the circuit of FIG. 9;
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a control circuit.
12 is a diagram illustrating an operation of the circuit of FIG.
FIG. 13 is a diagram showing a system configuration using the present invention.
[Explanation of symbols]
S, S1, S2, S11, S12 ... switch, T, T1, T2, T11, T12 ... switch control terminal, Ci ... many circuits that operate only a few at a time, N1, N2 ... power supply terminals, VC ... high potential Side power supply, VS ... low potential side power supply, I ... input, O ... output, VCH ... high potential side power supply of word driver, VCL ... high potential side power supply of decoder, WD1 to WD8 ... word driver, XD1 ... decoder, XB1 XBn: Word driver / decoder, W11 to Wn8: Word line, Xi, Xj, Xk, Xl: Word driver / decoder selection signal, MA: Control circuit input signal, M: Memory, DRAM, CPU: System control processor, SLT ... Address select device, RAG ... Refresh address generator, TC ... Control signal generator, PFY ... Other devices in the system, DAT ... data signal, Aic, Air, Ai ... address signal, ST ... status signal, BS ... busy signal, SE ... start-up signal, / RAS, / CAS ... DRAM of the start-up signal.

Claims (11)

メモリセルが接続される複数のワード線と、
上記複数のワード線の各々と接続されて該ワード線を駆動する複数のワードドライバと、
第1動作電位点と、
第2動作電位点と、
上記複数のワードドライバに共通の第1電位点と、
上記第2動作電位点と電気的に接続され、上記複数のワードドライバに共通の第2電位点と、
上記第1動作電位点と上記第1電位点との間にソース・ドレイン経路を有し、ソースを上記第1動作電位点に接続された第1導電型の第1MOSトランジスタとを有し、
上記複数のワードドライバの各々は、上記第1電位点と上記第2電位点との間にソース・ドレイン経路を有し、ソースを上記第1電位点に接続された第1導電型の第2MOSトランジスタと、上記第2MOSトランジスタと直列接続され、上記第1電位点と上記第2電位点との間にソース・ドレイン経路を有する第2導電型の第3MOSトランジスタとを含み、上記第2MOSトランジスタのゲートと上記第3MOSトランジスタのゲートとは共通に接続され、上記第2MOSトランジスタと上記第3MOSトランジスタとの接続点において上記複数のワード線のいずれかと接続され、
上記第1MOSトランジスタ、上記第2MOSトランジスタ及び上記第3MOSトランジスタは、オフ状態においてサブスレッショルド電流の流れるMOSトランジスタであって、
上記第1MOSトランジスタのゲートに制御信号を印加し、
上記制御信号を第1状態とすることにより上記第1MOSトランジスタをオン状態として、上記第1電位点と上記第2電位点との間にオン状態の上記第2MOSトランジスタのソース・ドレイン経路を介して電流が流れることを許容し、
上記制御信号を第2状態とすることにより上記第1MOSトランジスタをオフ状態として、上記第1電位点と上記第2電位点との間にオフ状態の上記第2MOSトランジスタのソース・ドレイン経路を介して流れるサブスレッショルド電流を制限し、
上記制御信号が第2状態である場合の上記第2MOSトランジスタのゲート・ソース間の電圧は、上記第2MOSトランジスタがオン状態である場合における上記第2MOSトランジスタのゲート・ソース間の電圧とは逆極性となる半導体記憶装置。
A plurality of word lines to which the memory cells are connected;
A plurality of word drivers connected to each of the plurality of word lines to drive the word lines;
A first operating potential point;
A second operating potential point;
A first potential point common to the plurality of word drivers;
A second potential point electrically connected to the second operating potential point and common to the plurality of word drivers;
A first conductivity type first MOS transistor having a source / drain path between the first operating potential point and the first potential point, and having a source connected to the first operating potential point;
Each of the plurality of word drivers has a source / drain path between the first potential point and the second potential point, and a first conductivity type second MOS having a source connected to the first potential point. A second conductive type third MOS transistor connected in series with the second MOS transistor and having a source / drain path between the first potential point and the second potential point; The gate and the gate of the third MOS transistor are connected in common, and are connected to one of the plurality of word lines at a connection point between the second MOS transistor and the third MOS transistor,
The first MOS transistor, the second MOS transistor, and the third MOS transistor are MOS transistors through which a subthreshold current flows in an off state,
Applying a control signal to the gate of the first MOS transistor;
It is turned on to the first 1MOS transistors by the control signal to the first state, through the source-drain path of the ON state of the first 2MOS transistor capacitor between the first potential point and said second potential point Allow current to flow,
By setting the control signal to the second state, the first MOS transistor is turned off, and the source and drain paths of the second MOS transistor in the off state are interposed between the first potential point and the second potential point. Limit the sub-threshold current flowing,
The voltage between the gate and source of the second MOS transistor when the control signal is in the second state is opposite in polarity to the voltage between the gate and source of the second MOS transistor when the second MOS transistor is in the on state. A semiconductor memory device.
請求項1において、
上記サブスレッショルド電流は、上記第2MOSトランジスタの加工寸法が0.1μm領域であることに起因して流れる半導体記憶装置。
In claim 1,
The semiconductor memory device in which the subthreshold current flows due to a processing dimension of the second MOS transistor being in a 0.1 μm region.
請求項1または2において、
上記第1MOSトランジスタのゲート幅は、上記第1電位点に接続された上記第2MOSトランジスタのゲート幅の総和よりも小さい半導体記憶装置。
In claim 1 or 2,
A semiconductor memory device in which a gate width of the first MOS transistor is smaller than a total gate width of the second MOS transistors connected to the first potential point.
請求項1乃至3のいずれかにおいて、
上記第1MOSトランジスタ及び上記第2MOSトランジスタはともにpチャネルMOSトランジスタであり、
上記制御信号が第2状態である場合に、上記第1電位点の電位は上記複数のワードドライバの上記第2MOSトランジスタのサブスレッショルド電流の総和よりも上記第1MOSトランジスタのサブスレッショルド電流が小さいことにより低下する半導体記憶装置。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
Both the first MOS transistor and the second MOS transistor are p-channel MOS transistors,
When the control signal is in the second state, the potential at the first potential point is such that the subthreshold current of the first MOS transistor is smaller than the sum of the subthreshold currents of the second MOS transistors of the plurality of word drivers. Decreasing semiconductor memory device.
請求項1乃至4のいずれかにおいて、
上記第1MOSトランジスタと並列に電圧クランプ回路を有する半導体記憶装置。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
A semiconductor memory device having a voltage clamp circuit in parallel with the first MOS transistor.
メモリセルが接続される複数のワード線と、
上記複数のワード線の各々と接続されて該ワード線を駆動する複数のワードドライバと、
第1動作電位点と、
第2動作電位点と、
上記複数のワードドライバに共通の第1電位点と、
上記第2動作電位点と電気的に接続され、上記複数のワードドライバに共通の第2電位点と、
上記第1動作電位点と上記第1電位点との間にソース・ドレイン経路を有し、ソースが上記第1動作電位点に接続された第1導電型の第1MOSトランジスタと、
第1導電型の第4MOSトランジスタを有し、
上記複数のワードドライバの各々は、上記第1電位点と上記第2電位点との間にソース・ドレイン経路を有し、ソースを上記第1電位点に接続された第1導電型の第2MOSトランジスタと、上記第2MOSトランジスタと直列接続され、上記第1電位点と上記第2電位点との間にソース・ドレイン経路を有する第2導電型の第3MOSトランジスタとを含み、上記第2MOSトランジスタのゲートと上記第3MOSトランジスタのゲートとは共通に接続され、上記第2MOSトランジスタと上記第3MOSトランジスタとの接続点において上記複数のワード線のいずれかと接続し、
上記第4MOSトランジスタは、上記第1動作電位点と上記第2MOSトランジスタのゲート及び上記第3MOSトランジスタのゲートとの間にソース・ドレイン経路を有し、ソースが上記第1動作電位点に接続され、
上記第1MOSトランジスタ、上記第2MOSトランジスタ及び上記第3MOSトランジスタは、オフ状態においてサブスレッショルド電流の流れるMOSトランジスタであって、
上記第1MOSトランジスタのゲートに制御信号を印加し、
上記制御信号を第1状態とすることにより上記第1MOSトランジスタをオン状態として、上記第1電位点と上記第2電位点との間にオン状態の上記第2MOSトランジスタのソース・ドレイン経路を介して電流が流れることを許容し、
上記制御信号を第2状態とすることにより上記第1MOSトランジスタをオフ状態として、上記第1電位点と上記第2電位点との間にオフ状態の上記第2MOSトランジスタのソース・ドレイン経路を介して流れるサブスレッショルド電流を制限する半導体記憶装置。
A plurality of word lines to which the memory cells are connected;
A plurality of word drivers connected to each of the plurality of word lines to drive the word lines;
A first operating potential point;
A second operating potential point;
A first potential point common to the plurality of word drivers;
A second potential point electrically connected to the second operating potential point and common to the plurality of word drivers;
A first conductivity type first MOS transistor having a source / drain path between the first operating potential point and the first potential point, the source of which is connected to the first operating potential point;
A fourth MOS transistor of the first conductivity type;
Each of the plurality of word drivers has a source / drain path between the first potential point and the second potential point, and a first conductivity type second MOS having a source connected to the first potential point. A second conductive type third MOS transistor connected in series with the second MOS transistor and having a source / drain path between the first potential point and the second potential point; The gate and the gate of the third MOS transistor are connected in common, and connected to one of the plurality of word lines at a connection point between the second MOS transistor and the third MOS transistor,
The fourth MOS transistor has a source / drain path between the first operating potential point and a gate of the second MOS transistor and a gate of the third MOS transistor, and a source is connected to the first operating potential point.
The first MOS transistor, the second MOS transistor, and the third MOS transistor are MOS transistors through which a subthreshold current flows in an off state,
Applying a control signal to the gate of the first MOS transistor;
It is turned on to the first 1MOS transistors by the control signal to the first state, through the source-drain path of the ON state of the first 2MOS transistor capacitor between the first potential point and said second potential point Allow current to flow,
By setting the control signal to the second state, the first MOS transistor is turned off, and the source and drain paths of the second MOS transistor in the off state are interposed between the first potential point and the second potential point. A semiconductor memory device that limits a flowing subthreshold current.
請求項6において、
上記制御信号が第2状態である場合において、上記第4MOSトランジスタはオン状態とされ、上記第2MOSトランジスタのゲート・ソース間の電圧は、上記第2MOSトランジスタがオン状態である場合における上記第2MOSトランジスタのゲート・ソース間の電圧とは逆極性となる半導体記憶装置。
In claim 6,
When the control signal is in the second state, the fourth MOS transistor is turned on, and the voltage between the gate and the source of the second MOS transistor is the second MOS transistor when the second MOS transistor is in the on state. A semiconductor memory device having a polarity opposite to the gate-source voltage.
請求項6または7において、
上記サブスレッショルド電流は、上記第2MOSトランジスタの加工寸法が0.1μm領域であることに起因して流れる半導体記憶装置。
In claim 6 or 7,
The semiconductor memory device in which the subthreshold current flows due to a processing dimension of the second MOS transistor being in a 0.1 μm region.
請求項6乃至8のいずれかにおいて、
上記第1MOSトランジスタのゲート幅は、上記第1電位点に接続された上記第2MOSトランジスタのゲート幅の総和よりも小さい半導体記憶装置。
In any of claims 6 to 8,
A semiconductor memory device in which a gate width of the first MOS transistor is smaller than a total gate width of the second MOS transistors connected to the first potential point.
請求項6乃至9のいずれかにおいて、
上記第1MOSトランジスタ、上記第2MOSトランジスタ及び上記第4MOSトランジスタはともにpチャネルMOSトランジスタであり、
上記制御信号が第2状態である場合に、上記第1電位点の電位は上記複数のワードドライバの上記第2MOSトランジスタのサブスレッショルド電流の総和よりも上記第1MOSトランジスタのサブスレッショルド電流が小さいことにより低下する半導体記憶装置。
In any one of Claims 6 thru | or 9.
The first MOS transistor, the second MOS transistor, and the fourth MOS transistor are all p-channel MOS transistors,
When the control signal is in the second state, the potential at the first potential point is such that the subthreshold current of the first MOS transistor is smaller than the sum of the subthreshold currents of the second MOS transistors of the plurality of word drivers. Decreasing semiconductor memory device.
請求項6乃至10のいずれかにおいて、
上記第1MOSトランジスタと並列に電圧クランプ回路を有する半導体記憶装置。
In any of claims 6 to 10,
A semiconductor memory device having a voltage clamp circuit in parallel with the first MOS transistor.
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