JP3814385B2 - 半導体集積回路装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、MOSトランジスタ(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)を構成要素として含む半導体集積回路装置に関し、特に、複数の動作モードで動作可能であるMOS半導体集積回路装置の低消費電力および高速動作を実現するための構成に関する。
【0002】
【従来の技術】
図19は、従来の半導体集積回路装置の構成の一例を示す図であり、たとえば、特開平6−291267号公報に示されている。
【0003】
図19において、従来の半導体集積回路装置は、入力ノード101と出力ノード102の間に縦続接続される4段のCMOSインバータIVa、IVb、IVc、およびIVdを含む。CMOSインバータIVa〜IVdの各々は、電源ノード上に与えられる電源電圧VDDおよび接地ノード上に与えられる接地電圧GNDを両動作電源電圧として動作し、それぞれ、与えられた信号を反転して出力する。
【0004】
CMOSインバータIVa〜IVdは、それぞれ、Hレベルの信号を出力するためのpチャネルMOSトランジスタPa〜PdおよびLレベルの信号を出力するためのnチャネルMOSトランジスタNa〜Ndを含む。
【0005】
この半導体集積回路装置は、さらに、pチャネルMOSトランジスタPa〜Pdの基板領域(バックゲート)に共通に結合され、制御回路112aからの制御信号に従ってバックゲート電圧Vpsを出力する第1の電圧発生回路110aと、nチャネルMOSトランジスタNa〜Ndの基板領域(バックゲート)に共通に結合され、制御回路112bからの制御信号に従ってこれらのバックゲート電圧Vnsを出力する第2の電圧発生回路110bを含む。次に動作について簡単に説明する。
【0006】
今、制御回路112aからの制御信号に従って、第1の電圧発生回路110aの出力電圧Vpsが電源電圧VDDよりもやや低い電圧に設定され、また制御回路112bの出力する制御信号に従って、第2の電圧発生回路110bの出力電圧Vnsが接地電圧GNDよりも少し高い電圧レベルに設定されている場合を考える。
【0007】
この状態において、入力ノード101に与えられる入力信号がLレベルからHレベルに変化した場合、4段のCMOSインバータIVa〜IVdを介して出力ノード102に与えられる出力信号は、LレベルからHレベルに変化する。PチャネルMOSトランジスタPa〜Pdのバックゲート電圧Vpsが電源電圧VDDよりも低い場合には、これらのpチャネルMOSトランジスタPa〜Pdのチャネル形成領域における空乏層が広がる。また、同様、nチャネルMOSトランジスタNa〜Ndにおいても、バックゲート電圧Vnsが接地電圧GNDよりも高い場合には、この空乏層が接地電圧GNDがバックゲートに印加されるときよりも広くなる。したがって、これらのPチャネルMOSトランジスタPa〜PdおよびnチャネルMOSトランジスタNa〜Ndがスイッチング動作して導通するチャネル形成時においては、この広くされた空乏層により、チャネル断面積が広くなり、キャリアの移動量が増加し、応じてこれらのMOSトランジスタPa〜PdおよびNa〜Ndの高速スイッチング動作が行なわれ、また、駆動電流量が増加し、応じて応答速度が速くなる。また、入力ノード101へ与えられる入力信号がHレベルからLレベルめに変化する場合においても、同様、バックゲート電圧VpsおよびVnsにより、MOSトランジスタPa〜Pd〜Na〜Ndが高速で動作し、出力ノード102上の信号がHレベルからLレベルに変化する。
【0008】
次に、制御回路112aからの制御信号に従って、第1の電圧発生回路110aからのバックゲート電圧Vpsが電源電圧Vddよりも高い電圧レベルに設定され、第2の電圧発生回路110bからのバックゲート電圧Vnsが制御回路112bの制御信号に従って接地電圧GNDよりも低い電圧レベルに設定されている場合を考える。
【0009】
この状態において、MOSトランジスタPa〜PdおよびNa〜Ndの空乏層はバックゲート電圧が電源電圧Vddおよび接地電圧GNDの場合よりも狭くなり、チャネルが形成されにくくなる。この状態において、入力ノード101に与えられる信号がLレベルからHレベルに変化した場合、CMOSインバータIVa〜IVdにより、出力ノード102上の出力信号もLレベルからHレベルに変化する。しかしながら、空乏層が狭く、応じてチャネル断面積も狭くなるため、キャリアの移動量が減少し、電流量が減少しかつ応答速度が遅くなる。
【0010】
したがって、この電圧発生回路110aおよび110bから出力されるバックゲート電圧VpsおよびVnsの電圧レベルを調整することにより、この半導体回路の駆動電流量および応答速度を適用用途に応じて調整することができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
図20に示すように、この図19に示す半導体集積回路装置においては、応答時間を短くして、高速動作させるためには、pチャネルMOSトランジスタPa〜Pdのバックゲートへ与えられる電圧Vpsは、電源電圧Vddよりも少し低い電圧Vps1の電圧レベルに設定され、またnチャネルMOSトランジスタNa〜Ndのバックゲートへ与えられる電圧Vnsは、接地電圧GNDよりも少し高い電圧Vns1の電圧レベルに設定される。これにより、MOSトランジスタPa〜PdおよびNa〜Ndのバックゲートバイアスを少し浅くして、チャネル直下に形成される空乏層を少し広げている。一方、低速動作させる場合には、このバックゲート電圧Vpsを、電源電圧VDDよりも少し高い電圧Vps2の電圧レベルに設定し、またnチャネルMOSトランジスタNa〜Ndのバックゲート電圧Vnsを、接地電圧GNDよりも少し低い電圧レベルに設定し、これらのMOSトランジスタPa〜PdおよびNa〜Ndのバックゲートバイアスを深くして、空乏層を狭くして、駆動電流量を小さくしている。
【0012】
バックゲート電圧VpsおよびVnsは、MOSトランジスタのしきい値電圧を決定しており、バックゲート電圧VpsおよびVnsの値に応じて、MOSトランジスタのPa〜PdおよびNa〜Ndのしきい値電圧も変化する。一方、MOSトランジスタにおいては、サブスレッショルドリーク電流と呼ばれる電流が知られている。
【0013】
図21は、nチャネルMOSトランジスタのサブスレッショルド領域のゲート−ソース電圧Vgsとドレイン電流Idsの関係を示す図である。図21において、縦軸に、対数目盛でドレイン電流Idsを示し、横軸にゲート−ソース間電圧Vgsを示す。MOSトランジスタのしきい値電圧は、予め定められたゲート幅を有するMOSトランジスタにおいて一定のドレイン電流が流れるときのゲート−ソース間電圧として定義される。図21において、直線Iは、しきい値電圧Vth1のドレイン電流Idsのゲート−ソース間電圧Vgsを示し、曲線IIは、しきい値電圧Vth2を有するMOSトランジスタのドレイン電流Idsとゲート−ソース間電圧Vgsの関係を示す。この曲線IおよびIIの22において直線的に変化する領域は、ドレイン電流Idsが指数関数的に減少する領域であり、サブスレッショルド領域と呼ばれる。
【0014】
この図21に示すように、ゲート−ソース間電圧Vgsが0Vであっても、MOSトランジスタには、ある大きさの電流が流れる。この電流が、通常、サブスレッショルドリーク電流と呼ばれる。しきい値電圧を大きくすればサブスレッショルドリーク電流は低減される。しかしながら、しきい値電圧が高くなると、MOSトランジスタの動作速度は低下する。nチャネルMOSトランジスタにおいて、バックゲートバイアスを深くする(バックゲートバイアスを負の方向へ移行させる)と、そのしきい値電圧は高くなり、図21に示すように特性曲線は、曲線Iから曲線IIに変化する。pチャネルMOSトランジスタのドレイン電流とゲート−ソース間電圧の関係は、図21に示すグラフのゲート−ソース間電圧Vgsの符号を逆転させれば得られる。
【0015】
したがって、この図20および図21に示すように、図19に示す半導体集積回路装置において、バックゲートバイアスを深くし、バックゲート電圧Vns2およびVps2を印加した場合、バックゲートバイアスVns1およびVps1が与えられたときよりもしきい値電圧が高くなり、サブスレッショルドリーク電流は低下する。しかしながら、この場合、バックゲート電圧VnsおよびVpsは単に接地電圧GNDおよび電源電圧VDDから少しその電圧レベルが変化されているだけであり、十分にサブスレッショルドリーク電流を低減することができない。特に、携帯情報端末機器などのように、電源として電池を利用する場合、スタンバイサイクルまたは低速動作時におけるサブスレッショルドリーク電流は無視することのできない値となり、電池寿命を長くすることができなくなるという問題が生じる。
【0016】
この図19に示す半導体集積回路装置を開示する先行技術文献(特開平6−291267号)においては、応答速度および駆動電流量を動作環境に応じて調整することが示されているだけであり、すなわち半導体集積回路装置の動作サイクル時における動作速度が考慮されているだけであり、スタンバイサイクルまたは低速動作時におけるサブスレッショルドリーク電流の問題については何ら考慮されていない。
【0017】
上述のような、スタンバイ時におけるリーク電流を低減するための構成が、たとえば特開平6−21443号公報に示されている。この先行技術においては、nチャネルMOSトランジスタのバックゲートには、アクティブサイクル時(動作サイクル時)正の電圧Vbが印加され、スタンバイサイクル時接地電圧GNDが印加される。この先行技術のnチャネルMOSトランジスタのバックゲート電圧としきい値電圧の関係を図22に示す。
【0018】
今、図22に示すように、バックゲート−ソース間電圧VBS(ソース電圧(接地電圧)を基準として測定する電圧)が電圧VbのときのnチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧Vthを0.1Vとし、バックゲート−ソース間電圧VBSが0Vのときのしきい値電圧Vthを0.4Vとすることを考える。この場合、図22に示すように、電圧Vbは、PN接合のビルトイン電圧(拡散ポテンシャル)Vpn(〜1V)を超えることができないため、この電圧Vbの値は、電圧Vpnよりも小さい。したがって、この電圧Vbを用いる場合に要求されるしきい値電圧条件を満たすためには、図22に示すようにかなり急峻な勾配を有する特性曲線を実現する必要がある。この場合、この特性曲線の勾配は基板効果定数Kに比例するため、この基板効果定数Kを大きくする必要がある。基板効果定数Kは、通常、基板不純物濃度の平方根と、ゲート絶縁膜の膜厚の積に比例する。したがって、この基板効果定数Kを大きくするためには、基板領域(バックゲート領域)の不純物濃度を高くする必要があり、この場合、空乏層が狭くなり、応じてゲート容量が大きくなり、高速動作をすることができなくなるという問題が生じる(電圧Vbは高速動作させるために印加される電圧であり、その目的を達成することができない)。
【0019】
また、空乏層の幅が狭くなると、PN接合における電界強度が空乏層幅に反比例するため、このPN接合の電界強度が高くなり、接合耐圧が低くなり、素子の信頼性が損なわれるという問題が生じる。また、基板領域の不純物濃度を高くした場合、基板領域の不純物濃度とnチャネルMOSトランジスタのソース/ドレイン不純物領域の不純物濃度の差に比例して拡散電流が生じ、応じて逆方向電流(PN接合に逆バイアス電圧を印加するとき流れる電流)が増大し、リーク電流が増加して、消費電流が増加するという問題が生じる。
【0020】
さらに、この図22に示す特性曲線の場合、バックゲート−ソース間電圧VBSが少し変化しただけでしきい値電圧Vthが大きく変化し、所望のしきい値電圧を正確に設定するのが困難になるという問題が生じる。
【0021】
それゆえ、この発明の目的は、処理性能および素子の信頼性を損なうことなく消費電流特にリーク電流を低減することのできる半導体集積回路装置を提供することである。
【0022】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る半導体集積回路装置は、所定電圧を受けるソースとバックゲートとを有するMOSトランジスタを構成要素として含みかつ複数の動作モードで動作可能な内部回路と、互いに電圧レベルが異なりかつMOSトランジスタのソース電圧を基準として互いに極性が異なる電圧およびソース電圧と同一電圧レベルの電圧を生成するバイアス電圧発生手段と、内部回路の動作モードを検出し、該検出した動作モードに応じた選択信号を発生する動作モード検出手段と、動作モード検出手段からの選択信号とバイアス電圧発生手段からの複数のバイアス電圧とを受け、該受けた選択信号に従って複数のバイアス電圧のうちの1つを選択してMOSトランジスタのバックゲートへ印加するバイアス電圧選択手段を備える。
【0023】
請求項1に係る半導体集積回路装置は、複数の動作モードがスタンバイモード、音声通信モードおよびデータ通信モードを含み、バイアス電圧選択手段が、音声通信モードのとき、複数のバイアス電圧のうちのMOSトランジスタを第1のバイアス状態におく第1のバイアス電圧を選択肢、データ通信モードのとき、MOSトランジスタをこの第1のバイアス状態よりも深い第2のバイアス状態におく第2のバイアス電圧を選択しかつスタンバイモードのときMOSトランジスタをこの第2のバイアス状態よりも深い第3のバイアス状態におく第3のバイアス電圧を選択する。第1のバイアス電圧と第3のバイアス電圧はMOSトランジスタのソース電圧を基準として極性が異なる。
【0024】
請求項2に係る半導体集積回路は、所定電圧を受けるソースとバックゲートとを有するMOSトランジスタを構成要素として含み、かつ与えられたデータに演算処理を施す演算処理モードと、ユーザがデータを入力する入力インタフェースモードと、演算結果を表示画面に表示する表示モードとを含む複数の動作モードで動作可能な内部回路と、互いに電圧レベルが異なりかつMOSトランジスタのソース電圧を基準として互いに極性の異なる電圧およびソース電圧と同一電圧レベルの電圧を含む複数のバイアス電圧を発生するバイアス電圧発生手段と、内部回路の動作モードを検出し、該検出した動作モードに応じた選択信号を発生する動作モード検出手段と、動作モード検出手段からの選択信号と前記バイアス電圧発生手段からの複数のバイアス電圧とを受け、該受けた選択信号に従って前記複数のバイアス電圧のうちの1つを選択して前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのバックゲートへ印加するバイアス電圧選択手段を備える。
バイアス電圧選択手段は、検出動作モードが演算処理モードを示すとき、複数のバイアス電圧のうちMOSトランジスタを第1のバイアス状態におく第1のバイアス電圧を選択し、検出動作モードが表示モードを示すとき、MOSトランジスタを第1のバイアス状態よりも深い第2のバイアス状態におく第2のバイアス電圧を選択し、かつさらに、検出動作モードがインタフェースモードを示すときMOSトランジスタを第2のバイアス状態よりも深い第3のバイアス状態におく第3のバイアス電圧を選択する。第1のバイアス電圧と第3のバイアス電圧はMOSトランジスタのソース電圧を基準として極性が異なる。
【0025】
請求項3に係る半導体集積回路装置は、請求項1または2の装置における第2のバイアス電圧が、MOSトランジスタのソース電圧と同じ電圧レベルである。
【0026】
請求項4に係る半導体集積回路装置は、請求項1から3のいずれかの装置において、MOSトランジスタが、pチャネルMOSトランジスタとnチャネルMOSトランジスタとを有するCMOSトランジスタを備え、バイアス電圧発生手段およびバイアス電圧選択手段は、pチャネルMOSトランジスタおよびnチャネルMOSトランジスタそれぞれに対して設けられるバイアス電圧発生回路およびバイアス電圧選択回路の組を含む。
【0027】
請求項5に係る半導体集積回路装置は、請求項2の複数の動作モードが、さらに、スタンバイモードを含み、動作モードがスタンバイモードのとき、MOSトランジスタを、第3のバイアス状態よりも深い第4のバイアス状態に設定する第4のバイアス電圧を選択してMOSトランジスタのバックゲートへ印加する手段を含む。
【0028】
MOSトランジスタのソース電圧およびこのソース電圧を基準として極性の異なるバイアス電圧を生成し、動作モードに応じてこれら複数のバイアス電圧のうちの1つを選択してMOSトランジスタのバックゲートへ印加することにより、動作モードに応じて、最適速度でMOSトランジスタを動作させることができる。また、動作モードに応じて、最適なバックゲート電圧が選択されるため、サブスレッショルドリーク電流などの不必要な電流を低減することができ、消費電流を低減することができる。また、ソース電圧を基準として、極性の異なるバイアス電圧を生成し、これらの電圧を利用することにより、バックゲートとMOSトランジスタのゲート電極の間に必要以上の高電圧が印加されるのを防止することができ、ゲート絶縁膜の信頼性を保証することができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1に従う半導体集積回路装置の全体の構成を概略的に示す図である。図1において、半導体集積回路装置は、入力信号INに対し所定の処理を行なう内部回路1を含む。この内部回路1においては、2段の縦続接続されるCMOSインバータIVaおよびIVbを代表的に示す。CMOSインバータIVaは、電源電圧VDDを供給する電源ノードVDD(ノードとその上の電圧を同じ符号で示す)と接地電圧GNDを供給する接地ノードの間に接続されるpチャネルMOSトランジスタP1およびnチャネルMOSトランジスタN1を含む。CMOSインバータIVbは、電源ノードVDDと接地ノードGNDの間に接続され、インバータIVaの出力信号をゲートに受けるPチャネルMOSトランジスタP2およびNチャネルMOSトランジスタN2を含む。
【0030】
半導体集積回路装置は、さらに、活性化時、電源電圧VDDよりも高い電圧VP1を発生する電圧発生回路2aと、活性化時電源電圧VDDよりも低い電圧VP2を発生する電圧発生回路2bと、電圧発生回路2aからの電圧VP1、電源電圧VDDおよび電圧発生回路2bからの電圧VP2を入力ノード3a、3bおよび3cにそれぞれ受け、内部回路1の動作モードを検出するモード検出回路10からの選択信号SELpに従ってこの入力ノード3a〜3cに与えられた電圧のいずれかを選択して出力ノード3dに伝達する選択回路3を含む。この選択回路3の出力ノード3dからの出力電圧VGPは、内部回路1に含まれるpチャネルMOSトランジスタP1、P2…のバックゲートに印加される。
【0031】
半導体集積回路装置は、さらに、活性化時接地電圧GNDよりも低い負の電圧VN1を発生する電圧発生回路4aと、活性化時接地電圧GNDよりも高い正の電圧VN2を発生する電圧発生回路4bと、電圧発生回路4aからの電圧VN1、接地電圧GNDおよび電圧発生回路4bからの電圧VN2をそれぞれ入力ノード5a、5bおよび5cに受け、モード検出回路10からの選択信号SELnに従ってこれらの入力ノード5a〜5cのいずれかに与える電圧を出力ノード5dに伝達する選択回路5を含む。この選択回路5の出力電圧VGNは、内部回路1に含まれるnチャネルMOSトランジスタN1、N2、…のバックゲートに与えられる。
【0032】
内部回路1に含まれるpチャネルMOSトランジスタP1、P2、…は、そのソースが電源ノードに結合されており、また、nチャネルMOSトランジスタN1、N2、…は、そのソースが接地ノードに結合されている。電圧発生回路2aおよび2bは、したがって、このpチャネルMOSトランジスタP1、P2のソース電圧VDDを基準として互いに極性の異なる電圧VP1およびVP2を発生する。電圧VP2は、このpチャネルMOSトランジスタP1およびP2の基板とソースの間のPN接合が順方向にバイアスされないような電圧レベルに設定される。同様に、この電圧発生4aおよび4bが発生する電圧VN1およびVN2は、内部回路1に含まれるnチャネルMOSトランジスタN1およびN2…のソース電圧を基準として互いに極性が異なる。この電圧発生回路4bが発生する正の電圧VN2、nチャネルMOSトランジスタの基板領域(バックゲート)とソース/ドレインの間のPN接合が順方向にバイアスされないような電圧レベルに設定される。以下に、この電圧VP2およびVN2の電圧レベルについて説明する。
【0033】
図2(A)は、図1に示すpチャネルMOSトランジスタP(P1,P2)の断面構造を概略的に示す図である。図2(A)において、pチャネルMOSトランジスタPMは、N型基板領域(ウェルまたは基板)Pg表面上に互いに間をおいて形成される高濃度P型不純物領域PsおよびPdと、これらの不純物領域PsおよびPdの間の基板領域Pg上に図示しないゲート絶縁膜を介して形成されるゲート電極層Pcを含む。不純物領域PsがソースノードSpに電気的に接続され電源電圧VDDを受ける。不純物領域Pdが、ドレインノードDpに電気的に接続される。ゲート電極層Pcが、ゲート電極ノードGpに電気的に接続される。
【0034】
pチャネルMOSトランジスタPMにおいて、この基板領域Pgがバックゲートとして作用し、図1に示す選択回路3からの電圧VGPが与えられる。今、このバックゲート電圧VGPとして、電源電圧VDDよりも低い電圧VP2が与えられた場合を考える。この状態においては、不純物領域Psは電源電圧VDDを受けており、また不純物領域Pdも、このゲート電極ノードGpに与えられる電圧がLレベルのときには、電源電圧VDDレベルとなる。したがって、不純物領域PsおよびPdと基板領域(バックゲート)Pgの間のPN接合が順方向バイアスされた場合、これらの不純物領域PsおよびPdから基板領域(バックゲート)Pgに電流が流れ、消費電流が増大し、また誤動作の原因となる。したがって、バック都電圧VP2は、基板領域Pgと不純物領域PsおよびPdとの間の、PN接合により形成されるビルトイン電圧Vpn以下の電圧レベルに設定する必要がある。したがって、次式が成立する。
【0035】
0<VDD−VP2<Vpn
VDD−Vpn<VP2<VDD
図2(B)は、図1に示すnチャネルMOSトランジスタNM(N1,N2)の断面構造を概略的に示す図である。図2(B)において、nチャネルMOSトランジスタNMは、P型基板領域(バックゲート)Ng表面上に、互いに間をおいて形成される高濃度N型不純物領域NsおよびNdと、これらの不純物領域NsおよびNdの間の基板領域Ng表面上に図示しないゲート絶縁膜を介して形成されるゲート電極層Ncを含む。不純物領域NsがソースノードSnに電気的に接続され、不純物領域NdがドレインノードDnに電気的に接続され、ゲート電極層Ncがゲート電極ノードGnに電気的に接続される。
【0036】
不純物領域Nsは、接地電圧GNDを受ける。不純物領域Ndは、接地電圧GNDと電源電圧VDDの間で変化する。基板領域(バックゲート)Ngには、図1に示す選択回路5からのバックゲート電圧VGNが与えられる。
【0037】
このバックゲート電圧VGNが、正の電圧VN2の場合を考える。この状態においても、基板領域Ngと不純物領域NsおよびNdの間のPN接合が、順方向にバイアスされると、基板領域(バックゲート)Ngから不純物領域NsおよびNdに電流が流れて消費電流が増加するとともに、誤動作が生じる。したがって、この場合においても、この基板領域(バックゲート)Ngと不純物領域NsおよびNdの間のPN接合は非導通状態に保持する必要がある。したがって、この正の電圧VN2は、次式を満足する。
【0038】
GND+Vpn>VN2
すなわち、この正の電圧VN2は、基板領域Ngと不純物領域NsおよびNdの間のPN接合において生じる拡散ポテンシャルすなわちビルトイン電圧Vpnよりも低い電圧レベルに設定される。次に、この図1に示す半導体集積回路装置の動作について説明する。
【0039】
この半導体集積回路装置が高速動作を行なう場合、モード検出回路10は、高速動作モードを指定する選択信号SELpおよびSELnを生成する。選択回路3は、この高速動作モードを指示する選択信号SELpに従って、入力ノード3cに与えられた電圧発生回路2bからの電圧VP2を選択して、内部回路1のpチャネルMOSトランジスタP1、P2、…のバックゲートへこの選択した電圧VP2をバックゲート電圧VGPとして与える。同様に、選択回路5も、モード検出回路10からの選択信号SELnに従って、入力ノード5cに与えられた電圧発生回路4bからの電圧VN2を選択して、内部回路1に含まれるnチャネルMOSトランジスタN1、N2…に対するバックゲート電圧VGNを発生する。
【0040】
この状態において、図3(A)に示すように、内部回路1におけるpチャネルMOSトランジスタPM(P1、P2、…)は、バックゲート電圧VGPが電源電圧VDDよりも低い電圧VP2であり、またnチャネルMOSトランジスタNM(N1,N2…)は、バックゲート電圧VGNが、接地電圧GNDよりも高い電圧VN2である。この状態において、pチャネルMOSトランジスタPMおよびnチャネルMOSトランジスタNMのしきい値電圧Vthの絶対値は小さくなり、高速でオン/オフ状態へ移行するとともに、チャネル直下に形成される空乏層が広がり、電荷が流れる経路が大きくなり、駆動電流量が大きくなる。これにより、内部回路1に含まれるpチャネルMOSトランジスタPM(P1,P2…)およびnチャネルMOSトランジスタNM(N1,N2…)が高速でスイッチング動作を行ない、高速動作を実現する。この高速スイッチング動作時においては、MOSトランジスタPMおよびNMのオフ状態の期間は短いため、この期間におけるサブスレッショルド電流は、スイッチング時に流れる動作電流に比べて極めて小さくほぼ無視することができる。
【0041】
この半導体集積回路装置が中速度で動作する場合、モード検出回路10がこの中速動作モードを検出し、この中速動作モードに応じた選択信号SELpおよびSELnを出力する。選択回路3が、入力ノード3bに与えられた電源電圧VDDを選択してpチャネルMOSトランジスタP1、P2に対するバックゲート電圧VGPとして出力し、また選択回路5が、その入力ノード5bに与えられた接地電圧GNDを、nチャネルMOSトランジスタN1、N2、…に対するバックゲート電圧VGNとして出力する。この状態において、図3(B)に示すように、pチャネルMOSトランジスタPMのバックゲートに電源電圧VDDが印加され、nチャネルMOSトランジスタNMのバックゲートに接地電圧GNDが印加される。したがって、これらのMOSトランジスタPMおよびNMのしきい値電圧Vthの絶対値は、高速モード時のそれよりも大きくなる。したがって、図1に示す内部回路の構成要素であるMOSトランジスタPMおよびNMの、オン/オフタイミングが高速動作時よりも少し遅くなり、また駆動電流量も少し小さくなる。これにより、内部回路1に含まれるインバータIVaおよびIVbが、中速程度で動作する。
【0042】
この中速動作モードにおいても、スイッチング動作完了後、MOSトランジスタPMおよびNMがオフ状態となると、サブスレッショルドリーク電流が生じる。しかしながら、この場合においても、MOSトランジスタPMおよびNMのスイッチング動作時に流れる動作電流が、サブスレッショルドリーク電流に比べて十分大きくまた高速モード時よりも小さく、このサブスレッショルドリーク電流の影響を無視することができる。
【0043】
次に、この半導体集積回路装置が低速モードで動作する場合、モード検出回路10は、低速モードが指定されると、この低速動作モードを示す(に応じた)選択信号SELpおよびSELnを出力する。選択回路3が、この選択信号SELpに従って、電圧発生回路2aから入力ノード3aに与えられた電圧VP1を選択してpチャネルMOSトランジスタのためのバックゲート電圧VGPとして出力し、また選択回路5が、その入力ノード5aに与えられた電圧発生回路4aからの電圧VN1を選択して、nチャネルMOSトランジスタのためのバックゲート電圧VGNとして出力する。
【0044】
この場合、図3(C)に示すように、MOSトランジスタPMおよびNMのバックゲートには、それぞれ電圧VP1およびVN1が印加され、これらのMOSトランジスタPおよびNのバックゲートバイアスが、図3(B)に示す電源電圧VDDおよび接地電圧GNDの印加時よりも深くなる。この状態においては、MOSトランジスタPMおよびNMのオン/オフタイミングが遅くなり、またその空乏層が狭くなり、その駆動電流量も小さくなり、MOSトランジスタPMおよびNMのスイッチング速度が遅くなる。したがって、この場合においては、MOSトランジスタPM(P1,P2…)およびMOSトランジスタNM(N1,N2…)のスイッチング速度が遅くなり、内部回路1が、低速で動作する。この状態において、しきい値電圧Vthの絶対値が大きくなっており、MOSトランジスタPMおよびNMのサブスレッショルド電流が制限されている。したがって、低速動作であるものの、リーク電流を低減することができる。ここで、この低速動作モードは、その内部回路1がスタンバイモード時にある状態であってもよい。このスタンバイ状態時においては、入力信号IN(図1参照)の電圧レベルはHレベルまたはLレベルに固定されている。この状態においては、MOSトランジスタPMおよびNMのいずれかがオフ状態であり、サブスレッショルドリーク電流が流れる。しかしながら、バックゲートバイアスを最も深くした状態であるため、そのリーク電流は十分に低減することができ、スタンバイサイクル時におけるリーク電流を低減して、低消費電流を実現することができる。
【0045】
図4(A)は、図1に示す内部回路の1段のインバータにおいて、Hレベルの信号が入力されたときの状態を示す図である。図4(A)においては、Hレベル(“H”)の信号が与えられたときの状態を示す。この状態において、出力信号はLレベル(“L”)である。このnチャネルMOSトランジスタNMは、出力ノードを接地電圧GNDレベルのLレベルに放電した後、そのソースおよびドレインの電圧が等しくなり、オフ状態となる。一方、pチャネルMOSトランジスタPMは、ソース電圧が電源電圧VDDレベルであり、ドレイン電圧がLレベルであり、ゲート電圧がHレベルである。この状態においては、サブスレッショルドリーク電流Islが流れる。このサブスレッショルドリーク電流Islの大きさは、pチャネルMOSトランジスタPMのバックゲートに与えられる電圧VGPの大きさにより決定される。
【0046】
この図4(A)に示す状態は、CMOSインバータがスイッチング動作を行なった後の定常状態を示している。図4(B)に示すように、入力信号がLレベルがHレベルに変化するときおよびHレベルからLレベルに変化するとき、大きな充放電電流Ioが流れる。MOSトランジスタPMおよびNMの状態が安定すると、サブスレッショルドリーク電流Isが流れる状態となる。高速動作時においては、この入力信号の変化周期(パルス幅)は十分小さく、サブスレッショルドリーク電流Islの生じる期間は、MOSトランジスタPMおよびNMのスイッチング時に流れる電流Ioよりも小さくほぼ無視することができる。中速動作モード時、MOSトランジスタがオフ状態となる期間が、高速動作モード時よりも長くなり、応じてサブスレッショルドリーク電流が流れる時間が長くなる。しかしながら、中速動作モードにおいても、比較的高速で入力信号が変化するため、そのMOSトランジスタPMおよびNMのスイッチング動作時に流れる動作電流Ioの平均値(DC電流)は、サブスレッショルドリーク電流よりも十分大きく、そのサブスレッショルドリーク電流も、動作電流に比べて無視することができる。
【0047】
低速動作モード時(スタンバイモードを含む)においては、入力信号の変化周期は長く、サブスレッショルドリーク電流が流れる期間が長くなる。しかしながら、この場合において、MOSトランジスタPMおよびNMのバックゲート電圧VGPおよびVGNの電圧レベルが、バイアスが最も深くなる状態に設定されており、これらのMOSトランジスタPMおよびNMのしきい値電圧の絶対値が大きくなり、サブスレッショルドリーク電流は十分に抑制される。したがって、低速動作時において、サブスレッショルドリーク電流は十分に抑制され、また動作時のピーク電流(電流Ioの最大値)も低減することができる。
【0048】
図5は、nチャネルMOSトランジスタのバックゲート電圧VGNとしきい値電圧Vthの関係を示す図である。図5に示すように、nチャネルMOSトランジスタのバックゲート電圧VGNとしては、動作モードに応じて、そのソース電圧である接地電圧GNDおよびこのソース電圧GNDを基準として互いに極性の異なる電圧VN1およびVN2が用いられる。しきい値電圧Vthは、バックゲート電圧VGNの絶対値の平方根に比例して増加する。したがって、バックゲート電圧VGNがこの接地電圧GNDに近い領域においては、しきい値電圧Vthは、バックゲート電圧VGNに従って他の領域に比べて大きく変化する。したがって、この電圧VN1がバックゲート電圧VGNとして与えられるときのしきい値電圧Vth1と、接地電圧GNDがバックゲート電圧VGNとして与えられるときのしきい値電圧Vth2と、電圧VN2がバックゲート電圧VGNとして与えられるときのしきい値電圧Vth3の値を、比較的小さなバックゲートの電圧範囲内において十分に変化させることができ、動作モードに応じて、nチャネルMOSトランジスタのスイッチング速度を調整することができる。
【0049】
このとき、また、基板領域(バックゲート)の不純物濃度を大きくすることなく、しきい値電圧Vthを、バックゲート電圧VGNに従って十分に変化させることができるため、低速動作モード時またはスタンバイモード時において用いられるバックゲート電圧VN1の絶対値を比較的小さくすることができる。これにより、従来、一般にメモリ装置などにおいて用いられている基板バイアス電圧よりも浅いバックゲートバイアス電圧により、必要とされるしきい値電圧Vth1を実現することができ、nチャネルMOSトランジスタのゲート電極と基板の間に、大きな電圧が印加されるのを防止することができ、nチャネルMOSトランジスタのゲート絶縁膜の信頼性を確保することができる。
【0050】
また、このしきい値電圧Vth1が、たとえば0.4Vであり、しきい値電圧Vth3がたとえば0.1Vのとき、しきい値電圧Vth2として、0.25V程度のnチャネルMOSトランジスタを容易に実現することができる。これにより、nチャネルMOSトランジスタのゲート絶縁膜の信頼性を損なうことなく動作速度およびサブスレッショルドリーク電流を十分に制御することのできる半導体集積回路装置を実現することができる。
【0051】
この図5においては、nチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧Vthとバックゲート電圧VGNの関係が示されている。しかしながら、pチャネルMOSトランジスタに対しても、図5の接地電圧GNDを電源電圧VDDとして、バックゲート電圧VGNの符号を反転すれば、バックゲート電圧VGPに対するしきい値電圧Vthの関係を得ることができる。
なお、図1においては、半導体集積回路装置の内部回路1として、2段の縦続接続されるCMOSインバータを示している。しかしながら、内部回路1は、所望の信号処理を行なう回路であればよく、MOSトランジスタを構成要素とする限り、この内部回路1は、他のバックゲートで構成されてもよい。
【0052】
[各部の構成]
図6は、図1に示す電圧VP2を発生する電圧発生回路2bの構成の一例を示す図である。図6において、電圧発生回路2bは、電源ノードVDDと内部ノード2bbの間に接続されかつそのゲートが内部ノード2bbに接続されるpチャネルMOSトランジスタ2baと、内部ノード2bbと接地ノードGNDの間に接続される高抵抗の抵抗素子2bcと、内部ノード2bb上の電圧Vrpとノード2bd上の電圧VP2を比較する差動増幅器2beと、この差動増幅器2beの出力信号に従って電源ノードVDDからノード2bdへ電流を供給するpチャネルMOSトランジスタ2bfと、電圧Vrpと電圧VP2を比較する差動増幅器2bgと、ノード2bdと接地ノードGNDの間に接続され、かつそのゲートに差動増幅器2bgの出力信号を受けるnチャネルMOSトランジスタ2bhを含む。差動増幅器2beは負入力に電圧Vrpを受け、正入力に電圧VP2を受ける。差動増幅器2bgは、正入力に電圧VP2を受け、負入力に電圧Vrpを受ける。
【0053】
pチャネルMOSトランジスタ2baのチャネル抵抗(オン抵抗)は、高抵抗抵抗素子2bcの抵抗値よりも十分小さな値に設定されており、pチャネルMOSトランジスタ2baは、ダイオードモードで動作し、そのしきい値電圧Vthpの絶対値の電圧降下を生じさせる。したがって、ノード2bbからの電圧Vrpは、VDD−|Vthp|の電圧レベルとなる。
【0054】
電圧VP2が電圧Vrpよりも高いときには、差動増幅器2beの出力信号がHレベルとなり、pチャネルMOSトランジスタ2bfがオフ状態となる。一方、差動増幅器2bgの出力信号も同様Hレベルとなり、nチャネルMOSトランジスタ2bhがオン状態となり、このノード2bdから接地ノードGNDへ電流を放電し、電圧VP2の電圧レベルを低下させる。一方、電圧VP2が、電圧Vrpよりも低い場合には、差動増幅器2beの出力信号がLレベルとなり、pチャネルMOSトランジスタ2bfか導通状態となり、電源ノードVDDからノード2bdへ電流を供給し、電圧VP2の電圧レベルを上昇させる。このときには、差動増幅器2bgの出力信号がLレベルであり、nチャネルMOSトランジスタ2bhはオフ状態にある。したがって、電圧VP2は、ほぼ電圧Vrpの電圧レベルに保持される。
【0055】
pチャネルMOSトランジスタ2baのしきい値電圧Vthpを、チャネル領域へのイオン注入などにより、適当な値に設定することにより、所望の電圧レベルのバックゲート電圧VP2を生成することができる。また、MOSトランジスタ2bfおよび2bhを用いることにより、バックゲート電圧切換時において、高速で内部回路1(図1参照)に含まれるpチャネルMOSトランジスタのバックゲート電圧を切換えることができる。
【0056】
電圧VN2を発生する電圧発生回路4bも、図6に示す構成と同様の構成を用いて実現することができるが、図7においては、別の構成を示す。
【0057】
図7は、図1に示す電圧発生回路4bの構成の一例を示す図である。図7において、電圧発生回路4bは、電源ノードVDDと内部ノード4bbの間に接続される高抵抗の抵抗素子4baと、内部ノード4bbと接地ノードGNDの間に互いに直接に接続されるダイオード接続されたnチャネルMOSトランジスタ4bcおよび4bdと、電源ノードVddとノード4bfの間に接続されかつそのゲートに内部ノード4bbからの電圧Vrnを受けるnチャネルMOSトランジスタ4beを含む。
【0058】
nチャネルMOSトランジスタ4bcおよび4bdのそれぞれのチャネル抵抗は、高抵抗抵抗素子4baの抵抗値よりも十分小さくされており、これらのMOSトランジスタ4bcおよび4bdはダイオードモードで動作し、しきい値電圧Vthnの電圧降下を生じさせる。したがって、内部ノード4bbからの電圧Vrnは、2・Vthnの電圧レベルとなる。nチャネルMOSトランジスタ4beは、そのゲート電圧がドレインに与えられる電源電圧VDDよりも低いため、ソースフォロアモードで動作し、出力ノード4bfには、そのゲート電圧Vrnからしきい値電圧Vth低い電圧を伝達する。したがって、電圧VN2は、Vthnとなる。ここで、MOSトランジスタ4bc、4bdおよび4beのしきい値電圧はすべて等しいと仮定している。したがって、これらのMOSトランジスタ4bc、4bdおよび4beのしきい値電圧を、チャネル領域へのイオン注入などにより適当な値に設定することにより、必要な電圧レベルのバックゲート電圧VN2を発生することができる。特に、MOSトランジスタ4beの電流供給力を十分大きくする(ゲート幅Wを大きくする)ことにより、高速で、バックゲート電圧切換時においても、内部回路1に含まれるnチャネルMOSトランジスタのバックゲート電圧を高速で切換えることができる。
【0059】
また、この図7に示すソースフォロアモードトランジスタを用いて所定の電圧レベルを発生する回路構成は、電圧VP2を発生する電圧発生回路2bに対しても適用することができる。図7の接地ノードと電源ノードとを入換えかつnチャネルMOSトランジスタをすべてpチャネルMOSトランジスタにすれば、電圧VP2を生成することができる。
【0060】
図8は、図1に示す電圧VN1を発生する電圧発生回路4aの構成の一例を示す図である。図8において、電圧発生回路4aは、クロック信号φを受けるキャパシタ4aaと、ノード4abと接地ノードGNDの間で接続されかつそのゲートがノード4abに接続されるnチャネルMOSトランジスタ4acと、ノード4abと出力ノード4afの間に接続されかつそのゲートが出力ノード4afに接続されるnチャネルMOSトランジスタ4adと、出力ノードafの電圧レベルを所定電圧レベルにクランプするクランプ回路4aeを含む。図8において、このクランプ回路4aeは、出力ノード4afと接地ノードGNDの間に接続されかつそのゲートが接地ノードGNDに接続される1つのnチャネルMOSトランジスタ4aeaを含むように示される。
【0061】
クロック信号信号φは、電源電圧VDDと接地電圧GNDの間のレベルで変化する。このキャパシタ4aaは、そのチャージポンプ動作により、ノード4abの電圧レベルを変化させる。MOSトランジスタ4acは、ダイオードモードで動作し、このノード4abの電圧レベルをVthnの電圧レベルでクランプする。したがって、ノード4abの電圧は、そのキャパシタ4aaのチャージポンプ動作により、VthnとVthn−VDDの間で変化する。
【0062】
MOSトランジスタ4adは、出力ノードafの電圧が、ノード4abの電圧レベルよりも、そのしきい値電圧Vthn以上高いときに導通し、出力ノード4afからノード4abへ電荷を供給する。したがって、ノード4abの電圧レベルがVth−VDDの電圧レベルに低下したとき、MOSトランジスタ4adが導通し、出力ノード4afの電圧レベルを低下させる。最終的に、出力ノード4afは、したがって2・Vthn−VDDの電圧レベルに到達する。この出力ノード4afの電圧レベルは、クランプ回路4aeにより、−Vthnの電圧レベルにクランプされる。したがって、電圧VN1は、−Vthnの電圧レベルとなる。これらのMOSトランジスタ4ac、4adおよび4aeaのしきい値電圧を適当な値に設定することにより、電圧VN1を所望の負電圧レベルに設定することができる。
【0063】
図9は、図1に示す電圧VP1を発生する電圧発生回路2aの構成の一例を示す図である。図9において、電圧発生回路2aは、クロック信号φを受けるキャパシタ2aaと、電源ノードVDDと内部ノード2abの間に接続されかつそのゲートがノード2abに接続されるpチャネルMOSトランジスタ2acと、ノード2abと出力ノード2afの間に接続されかつそのゲートが出力ノード2afに接続されるpチャネルMOSトランジスタ2adと、出力ノード2afの電圧レベルを所定電圧レベルにクランプするクランプ回路2aeを含む。図9において、このクランプ回路2aeは、電源ノードVDDと出力ノード2afの間に接続されかつそのゲートが電源ノードVDDに接続される1つのpチャネルMOSトランジスタ2aeaを含むように示される。このクランプ回路2aeは、したがって、1つのpチャネルMOSトランジスタ2aeaを含むとき、出力ノード2afを、VDD+|Vthp|の電圧レベルにクランプする。
【0064】
この図9に示す電圧発生回路2aは、図8に示す電圧発生回路4aのMOSトランジスタの導電型および接続を切換えているだけである。したがって、この図9に示す電圧発生回路2aにおいては、内部ノード2abの電圧が、|Vthp|とVDD+|Vthp|の電圧レベルの間で印加し、MOSトランジスタ2adは、内部ノードabの電圧レベルが、出力ノード2afの出力レベルより|2Vthp|以上高いときに導通して、出力ノード2afに電荷を供給する。したがって、この電圧発生回路2aは、出力ノード2afに対し、VDD+2|Vthp|の電圧を伝達することができる。クランプ回路2aeがこの出力ノード2afの電圧レベルをVDD+|Vthp|の電圧レベルへクランプする。したがって、電圧VP1は、VDD+|Vthp|の電圧レベルとなる。このクランプ回路2aeに含まれるpチャネルMOSトランジスタ2aeaのしきい値電圧を適当な値に設定することにより、この電圧VP1の電圧レベルを所望の電圧レベルに設定することができる。
【0065】
図10は、図1に示す選択回路3の構成の一例を示す図である。図10において、選択回路3は、モード検出回路からの選択信号ZSELp1に応答して選択的に導通し、入力ノード3aに与えられた電圧VP1を出力ノード3dに伝達するトランスファゲート3eと、モード検出回路からの選択信号ZSELp2に応答して選択的に導通し、入力ノード3bに与えられる電源電圧VDDを出力ノード3dに伝達するトランスファゲート3fと、モード検出回路からの選択信号ZSELp3に応答して選択的に導通して、入力ノード3cに与えられた電圧VP2を出力ノード3dに伝達するトランスファゲート3gを含む。図10において、トランスファゲートゲート3e、3fおよび3gの各々は、pチャネルMOSトランジスタで構成される場合が一例として示される。選択信号ZSELp1は、接地電圧GNDと高電圧VPPの間で変化する。高電圧VPPは、電圧VP1の電圧レベル以上の電圧である。選択信号ZSELp2およびZSELp3は、接地電圧GNDと電源電位VDDの間で変化する。これらの選択信号ZSELP1、ZSELP2およびZSELP3は、活性状態のときに接地電圧GNDレベルとなる。選択信号GSELp1の非活性状態の高電圧VPPは、通常のレベル変換回路を用いて容易に実現することができる。高電圧VPPは、たとえば図9に示す電圧発生回路の出力電圧VP1を高電圧VPPとして利用することができる。
【0066】
この図10に示す選択回路3の構成においては、活性状態の選択信号に対して設けられたトランスファゲートのみが導通状態となり、残りのトランスファゲートは非導通状態となり、選択信号ZESLp1〜ZESLp3が指定する電圧が選択されて出力ノード3dへ伝達される。
【0067】
図11は、図1に示す選択回路5の構成の一例を示す図である。図11におい、選択回路5は、モード検出回路からの選択信号SELn1に従って、入力ノード5aに与えられた電圧VN1を選択して出力ノード5dに伝達するトランスファゲート5eと、モード検出回路からの選択信号SELn2に応答して選択的に導通し、入力ノード5bに与えられた接地電圧GNDを出力ノード5dに伝達するトランスファゲート5fと、モード検出からの選択信号SELn3に応答して選択的に導通し、入力ノード5cに与えられた電圧VN2を出力ノード5dに伝達するトランスファゲート5gを含む。図11において、トランスファゲート5e、5fおよび5gは、それぞれnチャネルMOSトランジスタで構成される場合が一例として示される。
【0068】
選択信号SELn1は、負電圧VBBと電源電圧VDDの間で変化し、選択信号SELn2およびSELn3は、接地電圧GNDと電源電圧VDDの電圧レベルで変化する。この選択信号SELn1〜SELn3は、活性化時電源電圧VDDの電圧レベルに設定され、非活性化時、負電圧または接地電圧レベルに設定される。選択信号SELn1は、通常の、レベル変換回路を用いその接地電圧GNDの電圧レベルが負電圧VBBレベルに変換される。
【0069】
この図11に示す選択回路5においても、選択信号SELn1〜SELn3に従って、指定された動作モードに対応する電圧が選択されてnチャネルMOSトランジスタに対するバックゲート電圧VNGとして出力される。
【0070】
また、この図10および図11に示すトランスファゲート3e〜3gおよび5e〜5gは、CMOSトランスミッションゲートで構成されてもよい。
【0071】
図12は、図1に示すモード検出回路10の構成の一例を示す図である。図12において、モード検出回路10はたとえば操作キーの操作により発生される動作モード指示信号を受ける入力ノード10aa、10ab、…10acと、この入力ノード10aa〜10acに与えられた動作モード指示信号をデコードし、選択信号SELp(ZSELp1〜ZSELp3)およびSELn(SELn1〜SELn3)を発生するデコーダ10bを含む。この図12に示すモード検出回路の構成においては、半導体集積回路装置の動作モードを指定する操作キーの操作により、入力ノード10aa〜10acに対し動作モードを指定する制御信号が与えられる。デコーダ10bは、この入力ノード10aa〜10acに与えられた制御信号をデコードし、この制御信号が指定する動作モードに応じた電圧を選択するように選択信号SELpおよびSELnを発生する。
【0072】
[モード検出回路の変更例]
図13は、図1に示すモード検出回路10の変更例の構成を示す図である。図13において、モード検出回路10は、内部回路1の動作制御を行なうとともにその状態を監視するたとえばプロセサで構成される制御回路10cと、制御回路10cからのこの内部回路1の動作モードを指定する動作モード指示信号φOPに従って、選択信号SELpおよびSELnを発生する選択信号発生回路10dを含む。制御回路10cは、外部から与えられるモード指示信号または処理内容にしたがって自身が内部で発生するモード指示信号に従って内部回路1の動作モードを指定するとともに、この内部回路1の動作を制御し、かつこの内部回路1の動作モードを指定する動作モード指定信号φOPを出力する。選択信号発生回路10dは、この動作モード指示信号φOPをデコードして、選択信号SELpおよびSELnを選択的に活性状態へ駆動する。この選択信号発生回路10dは、図10および図11に示す選択信号SELp1〜SELp3およびSELn1〜SELn3それぞれに対応して設けられるレジスタを含み、制御回路10cからの動作モード指示信号φOPに従って、実行すべき動作モードに対応する選択信号またはフラグをレジスタ内に受取る構成が用いられてもよい。
【0073】
なお、電圧発生回路2a,2b,4aおよび4bは、非選択時電圧発生動作を停止させるように構成されてもよく、また、これらの電圧は外部から与えられてもよい(電圧発生回路はこの場合、電圧パッドに対応する)。
【0074】
以上のように、この発明の実施の形態1に従えば、動作モードに応じて、MOSトランジスタのバックゲートに与えられる電圧レベルを調整しているため、動作速度に合せて、MOSトランジスタのスイッチング速度を調整するとともに、サブスレッショルドリーク電流を調整することができ、高速動作および低消費電流を実現することができる。
【0075】
[実施の形態2]
図14は、この発明の実施の形態2に従う半導体集積回路装置の全体の構成を概略的に示す図である。図14においては、半導体集積回路装置として、携帯電話システムの構成が示される。図14において、半導体集積回路装置は、マイクロホン21を介して与えられる音声信号にたとえばADPCMなどの圧縮処理を施し、かつ受信信号をたとえばADPCM復号処理を行なって伸長してスピーカ22へ再生音声信号を出力する音声コーデック20と、音声コーデック20から与えられた送信信号を周波数変換してアンテナ24を介して送信するとともに、アンテナ24を介して受信した受信信号の所定の周波数領域の信号を抽出して音声コーデック20へ与える送受信回路23と、データ通信時、図示しないパーソナルコンピュータのデータ信号の変復調を行なって、音声コーデック20と図示しないパーソナルコンピュータとの間でのデータ送受信を行なうためのモデム25と、音声コーデック20および送受信回路23の動作を制御するとともに、入力装置27から与えられる動作モード指示信号に従ってこれらの音声コーデック20および送受信回路23の動作モードを制御する制御回路26と、制御回路26からの動作モード指示信号(選択信号)に従って、音声コーデック20に含まれるMOSトランジスタのバックゲート電圧VGNおよびVGPの電圧レベルを変換する電圧発生回路28を含む。この電圧発生回路28からのバックゲート電圧VGPおよびVGNは、また、送受信回路23へも与えられる。
【0076】
送受信回路23は、デジタル携帯電話システムにおいては、送信信号および受信信号の時分割多重化、周波数変復調(QPSK変復調)、搬送波への重畳および搬送波の除去、ならびにバンドパスフィルタ処理などを行なう。一例として、この送受信回路23に含まれるMOSトランジスタのバックゲートバイアスの切換えは以下の様に行なわれる。これらの処理は、信号の送受信時においては、同一速度で行なわれるため、この送受信回路23に含まれるMOSトランジスタは、信号の送受信時においては、高速モードで動作し、バックゲートバイアスが浅くされる。一方送受信が行なわれないスタンバイ状態においては、この送受信回路23におけるMOSトランジスタのバックゲートバイアスが深くされ、サブスレッショルドリーク電流が低減される。したがって、この場合には、この送受信回路23は、構成要素のMOSトランジスタのバックゲートバイアスが2つの状態で切換えられる。
【0077】
一方、音声コーデック20は、その送受信すべき信号の内容に応じて、処理速度を変更することができるため、電圧発生回路28からMOSトランジスタのバックゲートへ与えられるバックゲート電圧VGNおよびVGPは、制御回路26の制御の下に、各動作モードに応じて切換えられる。
【0078】
図15は、図14に示す入力装置27の構成の一例を示す図である。図15において、入力装置27は、その半導体集積回路装置に対する電源の投入/遮断を指令する電源キー27aと、送信番号、送信文字などを入力するテンキー27bと、通信開始、通信終了などの動作モードを指定する操作キー27cを含む。制御回路26は、この入力装置27の各キーの押圧により、指定された動作モードを検出し、この動作モードに応じた選択信号を発生して電圧発生回路28へ与え、また制御回路26は、送受信回路23において、動作状態が継続しているか否かをも判定し、その判定結果に従って、電圧発生回路28から発生されるバックゲート電圧VGNおよびVGPの電圧レベルを調整する。次に、この図14に示す半導体集積回路装置の動作を図16に示すフロー図を参照して説明する。
【0079】
入力装置27の操作キー27cを介して通信開始指示が与えられたか否かを制御回路26が監視する(ステップS1)。通信開始が指示されておらず、また電源キー27aが押圧されており、電源が投入されている状態においては、制御回路26は、電圧発生回路28に対し、バイアスが深い状態となるバックゲート電圧VN2およびVP2を選択するように指令する(ステップS2)。
【0080】
操作キー27cが操作され、通信開始が指示された場合、まず、制御回路26は、電圧発生回路28に対し、中速モードである接地電圧GNDおよび電源電圧VDDを選択する指令を与える(ステップS3)。音声コーデック20は、中速モードで動作可能となる。送受信回路23は、この状態において、まだ深いバイアス状態に設定される。この通信開始の検出は、また受信信号に含まれるリングトーン信号の検出によっても行なわれる。
【0081】
呼が発生している状態において、中速モードでこの半導体集積回路装置が動作し、発呼側および被呼側両者が、応答状態となるか否かが検出される(ステップS4)。この呼確立は、送信時においては、相手側から返送されるリングトーン信号の有無により検出される。受信側の場合には、操作キー27cによるオフフックキーの押圧を検出することにより行なわれる。
【0082】
次いで、送受信される信号が音声信号であるかたとえばパーソナルコンピュータに対するデータ信号であるかの判定が行なわれる(ステップS5)。この送受信すべき信号が音声信号であるかデータ信号であるかの検出は、通信開始後、受けた信号の周波数などの特性を検出することにより行なわれる(ステップS5)。
【0083】
通信信号が、音声信号の場合、音声コーデック20は、高速で信号処理をする必要があるため、制御回路26は、電圧発生回路28に対し、バックゲートを最も浅い状態に設定するため、バックゲート電圧VN1およびVP1を選択するように電圧発生回路28に対し指令を与える。一方、通信信号がデータ信号の場合、圧縮伸長処理において、音声に比べてデータの差分値は小さく、高速処理する必要はなく、この電圧発生回路28からのバックゲート電圧は、中速状態の接地電圧GNDと電源電圧VDDに設定される。この状態で通信が実行される(ステップS7)。
【0084】
ついで、制御回路26は、この通信時において、送受信回路23を監視し、無音状態が継続しているか否かを判定する(ステップS8)。無音状態が一定時間継続していると判定した場合、音声コーデック20においては、無音状態の信号を、中速で伸長処理を行なうことができるため、電圧発生回路28に対し、そのバックゲートバイアスを浅くするため、接地電圧GNDおよびVDDを選択するように制御回路26が指令を与える(ステップS9)。この電源電圧発生回路28から音声コーデック20へバックゲート電圧の中速モードへの設定は、無音状態が終了するまで継続される。
【0085】
ステップS10において、無音状態が完了したと判定されると、通信が継続されているか否かの判定が行なわれる。また、ステップS8において、無音状態が存在しないと判定された場合には、同様、ステップS11へ移り、通信の完了か否かの判定が行なわれる。この通信完了の検出は、送信側においては、操作キー27cの操作(オンフックキー操作)により行なわれる。通信が継続している場合には、再びステップS7へ戻る。一方、通信が完了すると、ステップS2へ移り、電圧発生回路28から発生される電圧が、バイアス状態の深い電圧VN2およびVP2が選択される。
【0086】
この動作モードに応じてバックゲート電圧を切換える場合、たとえばバックゲート電圧の切換えに10ms要したとしても、人間の聴感においては、このような時間は極めて短時間であり、バイアス切換え時において、仮にノイズが生じても、何ら問題は生じない。データ信号送信時においては、このモード切換えの処理状態は、ほぼ存在せず、また生じても、中速モードで音声コーデック20が動作しており、バックゲート電圧の切換えは行なわれないため、何ら問題は生じない。
【0087】
以上のように、この発明の実施の形態2の携帯電話システムにおいて、各動作モードに応じて、バックゲート電圧の電圧レベルを切換えることにより、処理に応じて最適速度で最適の電流駆動力で動作させることができ、低消費電流で処理性能が改善された携帯電話システムを実現することができる。
【0088】
[実施の形態3]
図17は、この発明の実施の形態3に従う半導体集積回路装置の構成の全体を概略的に示す図である。この図17に示す半導体集積回路装置は、PDA(パーソナル・デジタル・アシツタンツ)などの携帯情報端末である。
【0089】
図17において、半導体集積回路装置は、動作指示、および情報などを入力しかつ演算処理結果を表示する入力/表示装置30と、この入力/表示装置30を介して与えられた指示信号およびデータに従って所定の処理を行なう処理装置32と、処理装置32の情報処理時における作業領域および保持すべき情報を記憶するメモリ34と、処理装置32の内部制御信号等を受け、この処理装置32の動作モードを検出し、動作モードに対応する選択信号を発生する動作モード検出回路36と、この動作モード検出回路36からの選択信号に従って、処理装置32に含まれるMOSトランジスタのバックゲート電圧VGNおよびVGPの電圧レベルを変更する電圧発生回路38を含む。
【0090】
入力/表示装置30は、アイコンなどによる動作モードを選択するためのメニューの表示および手書き文字の入力などの入力インタフェースを有し、また操作処理結果を表示する表示画面を有する。処理装置32は、この入力/表示装置30から与えられた動作モード指示および処理情報に従ってメモリ34を利用して、処理を行ない、その処理結果を入力/表示装置30の表示画面上に表示する。動作モード検出回路36は、この処理装置32の動作モードのモード指示信号に従って実行される動作モードを検出する。この場合、動作モード検出回路36は、たとえば、処理装置32が、入力/表示装置30に対し、情報の入力を要求している場合、その信号を用いて、入力情報を受ける動作モード状態にあることを検出し、必要な情報が入力された場合には、処理装置32が、演算処理を行なうため、このとき処理装置32は、入力される表示装置30に対し、演算処理中であることを示す信号を出力するため、この信号を用いて、動作モード検出回路36は、演算処理動作モード中であることを検出する。
【0091】
また、動作モード検出回路36は、入力/表示装置30に対し、処理装置32が演算結果データを表示する場合、処理装置32から入力/表示装置30に対し、情報の表示を出力することを示す信号が出力されるため、動作モード検出回路36は、この信号を検出して、表示モードであることを検出する。電圧発生回路38は、この動作モード検出回路36からこの処理装置32の動作モードに従って発生される選択信号に従ってその発生するバックゲート電圧VGNおよびVGPを切換える。
【0092】
図18は、この電圧発生回路38が発生するバックゲート電圧VGPおよびVGNの電圧レベルを示す図である。図18に示すように、動作モード検出回路36は、4つの動作モードに応じて選択信号を発生する。この4つの動作モードは、処理装置32が、演算処理を行なうモード(高速モード)、処理装置32が、演算処理結果を入力/表示装置30に表示する表示モード(中速モード)、処理装置32に対し入力/表示装置30から、動作モードおよび処理情報などの入力が行なわれる入力モード(ヒューマンインタフェースモード:低速モード)、および入力/表示装置30から何ら情報の入力が行なわれない無入力モード(スタンバイモード)である。このスタンバイモードについては、入力/表示装置30から、所定時間以上何ら情報が入力されない場合においても、処理装置32が、スタンバイモードに入り、低消費電力モードとなる。
【0093】
演算処理モードにおいては、電圧発生回路38は、最もバックゲートバイアスが浅くなる電圧VN1およびVP1を選択して処理装置32のMOSトランジスタのバックゲートへ与える。表示を行なう中速モードにおいては、高速動作性は必要とされないため(人間の目の感度から)、その処理装置32は中速モードで動作し、バックゲート電圧は接地電圧GNDと電源電圧VDDに設定される。入力モード(ヒューマンインタフェースモード)においては、操作者が、入力/表示装置30を介して情報の入力を行ない、このときたとえば手書き文字の入力などが行なわれるため、高速処理が必要とされず、単に、処理装置32は、この入力/表示装置30から操作者により入力される方法を、一旦メモリ34に格納する動作を行なうだけであり、低速動作で十分であり、そのバックゲートバイアスは深くされ、電圧VN2およびVP2が選択されて電圧発生回路38から発生される。
【0094】
スタンバイモード時においては、処理装置32は何ら処理を行なわず、MOSトランジスタはスイッチング動作を行なわないため、低消費電力のために、そのバックゲート電圧は最も深くされ、電圧VN3およびVP3が選択される。この図18に示すように、各動作モードに応じて、バックゲート電圧レベルを調整することにより、処理性能を損なうことなく低消費電流を実現することができる。
【0095】
今、この図17に示す半導体集積回路装置において、メモリ34、情報を保持するデータ保持モードが指定されたとき、電池を電源としてデータの保持が行なわれるが、この場合、低消費電流により、電池寿命を長くする必要があり、スタンバイモードが設定されて、バックゲートバイアスとして、電圧VN3およびVP3が選択されてメモリ34周辺回路へ与えられる。データ保持モードが指定されないときには、電源が完全に遮断され、メモリ34のRAM(ランダム・アクセス・メモリ)などの揮発性メモリ情報は消去される。必要情報を不揮発的に記憶する不揮発性メモリがメモリ34として用いられている場合には、このデータ保持モードは行なう必要はない。
【0096】
以上のように、この発明の実施の形態3に従えば、携帯情報端末においても、演算処理モード、表示モード、ヒューマンインタフェースモードおよびスタンバイモードに応じて、この処理装置32のMOSトランジスタのバックゲートへ与えられる電圧レベルを調整しているため、処理性能を損なうことなくサブスレッショルドリーク電流による不要な消費電流を低減することができる。
【0097】
【発明の効果】
以上のように、この発明に従えば、複数の動作モードを有する半導体集積回路装置において、MOSトランジスタのソース電圧を基準として、互いに極性の異なる電圧を発生する電圧発生回路を設け、動作モードに応じてこれらの複数の電圧の1つを選択して、MOSトランジスタのバックゲートへ与えるように構成しているため、MOSトランジスタのコントロールゲートとバックゲートの間に必要以上に大きな電圧が印加されることがなく、MOSトランジスタの信頼性を損なうことなく、また動作モードに応じたスイッチング速度および電流駆動量を有するMOSトランジスタを容易に実現することができる。また、バックゲート電圧として、接地電圧GNDおよび電源電圧VDDを動作モードに応じて選択するように構成しているため、このソースおよびバックゲートが同一電圧のときの動作性能を基準として各バックゲート電圧レベルを設定することができ、設計が容易となる。
【0098】
また、半導体集積回路装置の動作モードがスタンバイモード、音声通信モードおよびデジタル通信モードを含む場合、音声通信モード、MOSトランジスタを最も浅いバイアス状態におくバックゲート電圧を選択し、データ通信モードにおいては、中間のバックゲートバイアス状態におく電圧を選択しかつスタンバイモード時には、最も深いバイアス状態におくバックゲート電圧を選択することにより、携帯電話システムのような、電池を電源として動作する半導体集積回路装置において、サブスレッショルドリーク電流のような不必要な消費電流を生じさせることなく最適な動作速度でMOSトランジスタを動作させることができる。中速動作時に、このMOSトランジスタの必要以上の高速スイッチング動作による電源電圧の変動などの誤動作を防止することができ、処理性能を劣化させることなく正確に処理動作を行なうことが可能となる。
【0099】
また、複数の動作モードが、演算処理モード、演算処理結果を表示画面に表示する表示モード、およびユーザが処理データおよび動作モードを指定する信号を入力するインタフェースモードを有するとき、各動作モードに応じて、このMOSトランジスタのバックゲート電圧レベルを調整することにより、各動作モードに応じて、最適動作速度でMOSトランジスタを動作させることができるとともに、サブスレッショルドリーク電流による不要な電流消費を低減することができる。また、複数のバイアス電圧のうち、MOSトランジスタのソース電圧と同じ電圧レベルの電圧を利用することにより、バックゲート電圧を発生する回路は、MOSトランジスタのソース電圧発生部と共用することができ、回路占有面積を低減できる。また、ソース電圧は、通常一定電圧であり、このソース電圧とバックゲート電圧が同じ場合のバックゲート効果が存在しない場合のMOSトランジスタを基準として、MOSトランジスタを作成し、動作モードに応じてそのしきい値電圧が最適値となるように、バックゲート電圧を容易に決定することができ、必要とされる動作性能を有するMOSトランジスタを容易に実現することができる。
【0100】
また、CMOSトランジスタのpおよびnMOSトランジスタ両者のバックゲート電圧をともに調整することにより、入力信号のレベル変換などが生じることなくまた信号の立上がりおよび立下がり時間も同様に変化するため、CMOSトランジスタのpおよびnMOSトランジスタの動作性能をともに調整して、動作速度に合せて正確な動作を低消費電力で実現することができる。
【0101】
また、演算処理モード、表示モードおよびヒューマンインタフェースモードを有する動作モードにおいてさらにスタンバイモード時にもバイアス電圧を調整した場合、より柔軟に、動作モードに合せて、消費電流量および動作速度を最適値に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1に従う半導体集積回路装置の全体の構成を概略的に示す図である。
【図2】 (A)は、図1に示すpチャネルMOSトランジスタの概略断面構造およびバックゲート電圧を示し、(B)は、図1に示すnチャネルMOSトランジスタの概略断面構造およびバックゲート電圧を示す図である。
【図3】 (A)は、図1に示す内部回路の高速動作モード時のバックゲート電圧を示し、(B)は、中速モード時におけるバックゲート電圧を示し、(C)は、低速モード時におけるバックゲート電圧の印加態様をそれぞれ示す図である。
【図4】 (A)は、図1に示す内部回路のサブスレッショルドリーク電流が流れる経路を概略的に示す図であり、(B)は、図1に示す内部回路の消費電流と入力信号の関係を概略的に示す図である。
【図5】 図1に示す電圧発生回路の発生するバックゲート電圧としきい値電圧との関係を概略的に示す図である。
【図6】 図1に示すバックゲート電圧VP2を発生する回路構成の一例を示す図である。
【図7】 図1に示すバックゲート電圧VN2を発生する電圧発生回路の構成の一例を図である。
【図8】 図1に示すバックゲート電圧VN1を発生する電圧発生回路の構成の一例を示す図である。
【図9】 図1に示すバックゲート電圧VP1を発生する電圧発生回路の構成の一例を示す図である。
【図10】 図1に示すバックゲート電圧VGPを発生する選択回路の構成の一例を示す図である。
【図11】 図1に示すバックゲート電圧VGNを発生する選択回路の構成の一例を示す図である。
【図12】 図1に示すモード検出回路の構成を概略的に示す図である。
【図13】 図1に示すモード検出回路の他の構成を概略的に示す図である。
【図14】 この発明の実施の形態2に従う半導体集積回路装置の全体の構成を概略的に示す図である。
【図15】 図14に示す入力装置の構成を概略的に示す図である。
【図16】 図14に示す半導体集積回路装置の動作を示すフロー図である。
【図17】 この発明の実施の形態3に従う半導体集積回路装置の全体の構成を概略的に示す図である。
【図18】 図17に示す電圧発生回路の発生するバックゲート電圧と動作モードとの対応関係を示す図である。
【図19】 従来の半導体集積回路装置の構成を示す図である。
【図20】 図19に示すバックゲート電圧レベルを示す図である。
【図21】 通常のMOSトランジスタのサブスレッショルド電流特性を概略的に示す図である。
【図22】 従来のMOSトランジスタのバックゲート電圧変更時の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
1 内部回路、2a,2b,4a,4b 電圧発生回路、3,5 選択回路、10 モード検出回路、P1,P2,PM pチャネルMOSトランジスタ、N1,N2,NM nチャネルMOSトランジスタ、20 音声コーデック、23送受信回路、25 モデム、26 制御回路、27 入力装置、28 電圧発生回路、30 入力/表示装置,32 処理装置、36 動作モード検出回路、38 電圧発生回路。
Claims (5)
- 所定電圧を受けるソースとバックゲートとを有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタを構成要素として含み、かつスタンバイモード、音声通信モードおよび通信モードを含む複数の動作モードで動作可能な内部回路、
互いに電圧レベルが異なりかつ前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソース電圧を基準として互いに極性の異なる電圧および前記ソース電圧と同一電圧レベルの電圧を含む複数のバイアス電圧を発生するバイアス電圧発生手段、
前記内部回路の動作モードを検出し、該検出した動作モードに応じた選択信号を発生する動作モード検出手段、および
前記動作モード検出手段からの選択信号と前記バイアス電圧発生手段からの複数のバイアス電圧とを受け、該受けた選択信号に従って前記複数のバイアス電圧のうちの1つを選択して前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのバックゲートへ印加するバイアス電圧選択手段を備え、
前記バイアス電圧選択手段は、
前記検出動作モードが前記音声通信モードを示すとき前記複数のバイアス電圧のうち前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタを第1のバイアス状態におく第1のバイアス電圧を選択し、前記検出動作モードが前記データ通信モードを示すとき、前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタを前記第1のバイアス状態よりも深い第2のバイアス状態におく第2のバイアス電圧を選択し、かつさらに、前記検出動作モードが前記スタンバイモードを示すとき前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタを前記第2のバイアス状態よりも深い第3のバイアス状態におく第3のバイアス電圧を選択し、前記第1のバイアス電圧と前記第3のバイアス電圧は前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソース電圧を基準として極性が異なる、半導体集積回路装置。 - 所定電圧を受けるソースとバックゲートとを有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタを構成要素として含み、かつ与えられたデータに演算処理を施す演算処理モードと、ユーザがデータを入力する入力インタフェースモードと、演算結果を表示画面に表示する表示モードとを含む複数の動作モードで動作可能な内部回路、
互いに電圧レベルが異なりかつ前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソース電圧を基準として互いに極性の異なる電圧および前記ソース電圧と同一電圧レベルの電圧を含む複数のバイアス電圧を発生するバイアス電圧発生手段、
前記内部回路の動作モードを検出し、該検出した動作モードに応じた選択信号を発生する動作モード検出手段、および
前記動作モード検出手段からの選択信号と前記バイアス電圧発生手段からの複数のバイアス電圧とを受け、該受けた選択信号に従って前記複数のバイアス電圧のうちの1つを選択して前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのバックゲートへ印加するバイアス電圧選択手段を備え、
前記バイアス電圧選択手段は、
前記検出動作モードが前記演算処理モードを示すとき前記複数のバイアス電圧のうち前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタを第1のバイアス状態におく第1のバイアス電圧を選択し、前記検出動作モードが前記表示モードを示すとき、前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタを前記第1のバイアス状態よりも深い第2のバイアス状態におく第2のバイアス電圧を選択し、かつさらに、前記検出動作モードが前記インタフェースモードを示すとき前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタを前記第2のバイアス状態よりも深い第3のバイアス状態におく第3のバイアス電圧を選択し、前記第1のバイアス電圧と前記第3のバイアス電圧は前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソース電圧を基準として極性が異なる、半導体集積回路装置。 - 前記第2のバイアス電圧は、前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソース電圧と同じ電圧レベルである、請求項1または2記載の半導体集積回路装置。
- 前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、pチャネルMOSトランジスタとnチャネルMOSトランジスタとを有するCMOSトランジスタを備え、前記バイアス電圧発生手段および前記バイアス電圧選択手段は、前記pチャネルMOSトランジスタおよびnチャネルMOSトランジスタそれぞれに対して設けられるバイアス電圧発生回路およびバイアス電圧選択回路の組を含む、請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体集積回路装置。
- 前記複数の動作モードは、さらにスタンバイモードを含み、前記バイアス電圧選択手段は、前記検出動作モードが前記スタンバイモードのとき、前記第3のバイアス電圧よりもさらに深いバイアス状態を与える第4のバイアス電圧を選択する、請求項2記載の半導体集積回路装置。
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