JP3847147B2 - マルチスレショールド電圧mis集積回路装置及びその回路設計方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルチスレショールド電圧MIS集積回路装置及びその回路設計方法に係り、特に低しきい値電圧MISトランジスタを備えた回路とスタンバイ時に該回路に流れるリーク電流を遮断するための高しきい値電圧MISトランジスタとを備えたマルチスレショールド電圧MIS(特にCMOS)集積回路装置及びその回路設計方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯電子機器の高速化、及び、長時間バッテリー駆動するための低消費電力化が要求されている。CMOS LSIでは、消費電力が電源電圧の2乗に比例するので、電源電圧を下げることにより低消費電力化を達成することができる。しかし、電源電圧を下げると、MOSトランジスタの動作速度が低下する。そこで、MOSトランジスタのしきい値電圧を低下させることによりこの動作速度を向上させている。
【0003】
しかし、しきい値電圧を低下させると、スタンバイ時におけるMOSトランジスタのリーク電流が増加するので、低消費電力化が妨げられる。この問題を解決するために、図7(A)又は図7(B)に示すようなMTCMOS(Multithreshold Voltage CMOS)回路が用いられている。
【0004】
図7(A)の回路では、仮想電源電位V_VDD供給線とグランド電位VSS供給線との間に、低しきい値電圧のMOSトランジスタを備えた論理回路10が接続され、仮想電源電位V_VDD供給線と電源電位VDD供給線との間に、高しきい値電圧のリーク電流遮断用PMOSトランジスタT1が接続されている。アクティブ時には電力制御信号*PCNTが低レベルにされてPMOSトランジスタT1がオンになり、これによりV_VDD供給線の電位がVDD、例えば1.8Vとなり、スタンバイ時には電力制御信号*PCNTが高レベルにされてPMOSトランジスタT1がオフになり、これにより論理回路10のリーク電流が遮断される。
【0005】
図7(B)の回路では、仮想電源電位V_VDD供給線と電源電位VDD供給線との間に、高しきい値電圧のリーク電流遮断用PMOSトランジスタT2が接続され、さらに、仮想グランド電位V_VSS供給線とグランド電位VSS供給線との間に、高しきい値電圧のリーク電流遮断用NMOSトランジスタT3が接続されている。アクティブ時には相補的な電力制御信号*PCNT及びPCNTがそれぞれ低レベル及び高レベルにされてPMOSトランジスタT2及びNMOSトランジスタT3がオンになり、スタンバイ時には電力制御信号*PCNT及びPCNTがそれぞれ高レベル及び低レベルにされてPMOSトランジスタT2及びNMOSトランジスタT3がオフになり、これにより論理回路10のリーク電流が遮断される。
【0006】
以下、図7(A)のリーク電流遮断回路を有する場合について説明するが、図7(B)のリーク電流遮断回路を有する場合についても同様である。
【0007】
図8に示す如く、マクロ20は、N個のセル列21〜2Nを備え、各セル列は例えば、図9に示す如くゲートに*PCNTが供給される高しきい値電圧のリーク電流遮断用PMOSトランジスタと低しきい値電圧のMOSトランジスタからなる論理ゲートとを備えた多数のスタンダードセル31、32、33、・・・、又は、図10に示す如く高しきい値電圧のリーク電流遮断用PMOSトランジスタのみ備えたスタンダードセル30と低しきい値電圧のMOSトランジスタからなるNANDゲートセル31A、インバータセル32A、・・・などのスタンダードセルとで構成されている。リーク電流遮断用スタンダードセル30は、1つのセル列に複数個配置されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
マクロをIP(Intellectual Property)として他社から購入した場合、これにリーク電流遮断用MOSトランジスタが含まれていなければ図9又は図10に示すようにこれを挿入しなければならず、マクロがリーク電流遮断用MOSトランジスタを備えている場合であっても、スタンバイ時の低消費電力化を犠牲にして高集積化を図るためには各セルからリーク電流遮断用MOSトランジスタを削除し又は各セル列からリーク電流遮断用セルを削除しなければならない。
【0009】
また、図9の回路の場合、論理ゲート毎に、高速化を妨げないようこれに流れる電流にマージンを考慮してリーク電流遮断用MOSトランジスタのゲート幅が決定されるので、回路全体としてマージンが必要以上に大きくなって、マクロの基板上占有面積が増大する。図10の回路の場合には、リーク電流遮断用セルに論理ゲートが備えられていないので、無駄な領域が増えて、マクロの基板上占有面積が増大する。
【0010】
本発明の目的は、このような問題点に鑑み、マクロに仮想電源供給線及び高しきい値電圧のリーク電流遮断用MISトランジスタを備える必要がないマルチスレショールド電圧MIS集積回路装置及びその回路設計方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段及びその作用効果】
本発明によるマルチスレショールド電圧MIS集積回路装置の一態様では、
しきい値電圧Vth1のMISトランジスタを含む内部回路と、該内部回路に接続された仮想電源供給線とを含むマクロと、
長手方向がゲートラインと同一方向であり、該長手方向が該第1マクロのマクロ枠の辺と平行になるように形成され、しきい値電圧が該Vth1より高く、電流路の一端及び他端がそれぞれ電源供給線及び該仮想電源供給線に接続され、該ゲートラインが電力制御線に接続されたリーク電流遮断用MISトランジスタセルと、
が基板上に配置されている。
【0012】
この構成によれば、仮想電源供給線及びリーク電流遮断用MISトランジスタを備えていないマクロの電源供給線を仮想電源供給線として用いることができる。また、これにより、マルチスレショールド電圧MIS集積回路装置の設計時間を短縮することができる。さらに、マクロの消費電流に応じてリーク電流遮断用MISトランジスタセルの長さなどのサイズを適当に定めることにより、従来よりも基板上占有面積を低減することが可能である。
【0013】
本発明の他の目的、構成及び効果は以下の説明から明らかになる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【0015】
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態のマルチスレショールド電圧MOS集積回路装置のチップ上概略レイアウト図である。
【0016】
半導体チップ50上には、マクロ20A、20B及び20Cが配置され、これらはいずれも図7(A)又は(B)のようなリーク電流遮断回路を含まず、例えばIPとして他社から購入したものである。マクロ20A〜20Cはそれぞれ例えばメモリ、DSP及びCPUである。本発明では、マクロ20A〜20C内の電源電位VDD及びVSSの供給線をそれぞれ仮想電源電位V_VDD及びV_VSSの供給線として用いるかどうかは、これらをこれらと独立なリーク電流遮断回路に接続するかどうかにより定まる。本第1実施形態では、マクロ20A〜20C内のVDD供給線がV_VDD供給線として用いられるので、これらのVDDをV_VDDと表記する。
【0017】
マクロ20A〜20Cのマクロ枠はいずれも矩形であり、各マクロ枠の辺に沿って高しきい値電圧のリーク電流遮断用NMOSトランジスタセルが配置されている。
【0018】
すなわち、マクロ20Aのマクロ枠の外周部には、このマクロ枠の3辺に沿ってPMOSトランジスタセル51〜53が配置されている。セル51は、マクロ20Aのマクロ枠の一辺に平行なゲートライン51Gと、ゲートライン51Gの両側のバルクに形成されたソース領域51S及びドレイン領域51Dとを備え、セル51の長手方向がゲートライン51Gの方向に一致している。半導体チップ50の縁部に記載された各矩形はI/Oセルであり、外部電源電位供給用パッド、又は、外部信号I/Oパッド及びI/Oバッファゲートである。
【0019】
PMOSトランジスタセル51とマクロ20Aとの関係は、図7(A)のPMOSトランジスタT1と論理回路10との関係と同じであり、PMOSトランジスタセル51のソース領域51Sは外部接続用VDDパッド60及び61に接続され、ゲートライン51GはI/Oセル73に接続され、ドレイン領域51Dはマクロ20AのV_VDD端子に接続されている。I/Oセル73は、パッド73aと、入力端がパッド73aに接続され出力端がゲートライン51Gに接続されたバッファゲート73bとからなる。マクロ20A内の不図示のVSS供給線は、半導体チップ50の縁部に形成されたVSSパッドに接続されている。
【0020】
パッド73aには外部から電力制御信号*PCNTが供給され、アクティブ時には電力制御信号*PCNTが低レベルにされてPMOSトランジスタセル51がオンになり、VDDパッド60及び61に印加された電源電位VDDはPMOSトランジスタセル51を介しマクロ20A内のV_VDD線に供給される。スタンバイ時には、電力制御信号*PCNTが低レベルにされてPMOSトランジスタセル51がオフになり、マクロ20A内のオフ状態の低しきい値電圧MOSトランジスタにリーク電流が流れるのが阻止される。
【0021】
PMOSトランジスタセル52〜54についてもPMOSトランジスタセル51と同様である。
【0022】
マクロ20B及び20Cについてもマクロ20Aと同様であり、マクロ20Bのマクロ枠の3辺に沿ってそれぞれPMOSトランジスタセル54〜56が配置され、マクロ20Cの4辺に沿ってそれぞれPMOSトランジスタセル57、58、59A及び53が配置されている。PMOSトランジスタセル53は、マクロ20Aと20Cとに共通に用いられ、また、マクロ20Cの消費電流が比較的大きいことから、PMOSトランジスタセル59Aに平行にPMOSトランジスタセル59Bが配置され、マクロ20CとVDDパッド69との間にPMOSトランジスタセル59A及び59Bが並列接続されている。PMOSトランジスタセル51〜59Bのゲートラインは、互いに共通に接続されている。VDDパッド62〜72は、対応するPMOSトランジスタセルのソース領域に接続されている。
【0023】
図2は、図1中のPMOSトランジスタセル51とその付近のより詳細なレイアウトを示す図である。
【0024】
図2において、X方向及びY方向のメタル配線は互いに異なる配線層の配線であり、符号中のA及びBはそれぞれ第1メタル配線層及びその上方の第2メタル配線層の配線であることを示している。異なる配線層の配線間は図中に○で示すコンタクトホール内の導体を介して接続されている。図2中の電位VDD及びV_VDDの配線には、ハッチングが施されている。マクロ20A及びI/Oセルの縁部に記載された小さな矩形は、マクロ20A及びI/Oセルをブラックボックスとして見たときの端子であり、マクロ及びI/Oセルの相互間自動配線設計において用いられる。VDD供給線80A及びVSS供給線81Aはそれぞれ、図1中に点線で示すVDD供給リング80及びVSS供給リング81の一部である。この点線は、簡単化のために、VDDとVSSのリングを代表している。
【0025】
VDDパッド60とVDD供給線80Aとの間にはVDD供給線82B1が接続され、VDD供給線80Aとソース領域51Sとの間にはVDD供給線82B2及び82B3が接続されている。また、ドレイン領域51Dとマクロ20Aの複数のV_VDD端子との間にはそれぞれVDD供給線83B1、83B2及び83B3が接続されている。VSS供給線81Aは、一方では不図示のVSSパッドに接続され、他方ではVSS供給線84B1及び84Aを通りVSS供給線84B2及び84B3を介してそれぞれマクロ20Aの複数のVSS端子に接続されている。バッファゲート73bの出力端は、制御信号線85B1、85A1、85B2及び85A2を介してゲートライン51Gに接続されている。図2では簡単化のために、これら制御信号線が中心線で描かれている。
【0026】
図3は、図1中のマクロ20Aの一部の内部詳細を示すレイアウト図である。
【0027】
マクロ20Aの第1セル列は、スタンダードセルであるNANDゲートセル31A及びインバータセル32Aを含んでいる。NANDゲートセル31A及びインバータセル32Aの回路は図10のそれらと同一であり、両者間が信号線34で接続されている。図3では簡単化のために、信号線が中心線で描かれている。第1セル列に電源電圧を供給するために、V_VDD供給線83B1X及びVSS供給線84B2Xがそれぞれこのセル列の一端側及び他端側に沿って形成されている。V_VDD供給線83B2Xは第2セル列用である。V_VDD供給線83B1X、VSS供給線84B2X及びV_VDD供給線83B2Xはそれぞれ、図2のV_VDD供給線83B1、VSS供給線84B2及びV_VDD供給線83B2と接続される。各セル列のV_VDD供給線は、これと直角な方向のV_VDD供給線86Aに接続され、同様に、各セル列のVSS供給線は、これと直角な方向のVSS供給線87Aに接続されている。
【0028】
本第1実施形態のマルチスレショールド電圧MOS集積回路装置によれば、マクロのマクロ枠の辺に沿って高しきい値電圧のリーク電流遮断用PMOSトランジスタセルが配置されているので、図9に示すように既存のマクロ内の各スタンダードセルに高しきい値電圧のリーク電流遮断用PMOSトランジスタT1を配置したり、図10に示すように各セル列に複数のリーク電流遮断用スタンダードセル30を配置したりする必要がないので、設計時間を短縮することができる。また、マクロの消費電流に応じてリーク電流遮断用PMOSトランジスタセルの長さなどのサイズを適当に定めることにより、各セル列の各セルにPMOSトランジスタT1を形成したり複数のセル毎にリーク電流遮断用スタンダードセル30を形成することによるチップ上占有面積の増大を抑制することができる。
【0029】
[第2実施形態]
図4は、本発明の第2実施形態のマルチスレショールド電圧MOS集積回路装置のチップ上概略レイアウト図である。
【0030】
この半導体チップ50Aでは、外部接続用VDDパッドからマクロ20Dに直接、電源電位VDD及びVSSが供給される。マクロ20Dは、高しきい値電圧の電源遮断用MOSトランジスタを備えていない。マクロ20Dは電力制御信号*PCNTを出力し、その端子は、制御信号線90を介してPMOSトランジスタセル51〜53及び57〜59Bのゲートラインに接続されている。マクロ20Dは、外部信号又は内部状態に応じて、電力制御信号*PCNTによりPMOSトランジスタセル51〜53及び57〜59Bのオン/オフを制御する。
【0031】
他の点は上記第1実施形態と同一である。
【0032】
[第3実施形態]
図5は、本発明の第3実施形態のマルチスレショールド電圧MOS集積回路装置のチップ上概略レイアウト図である。
【0033】
この半導体チップ50Bでは、マクロ20Aのマクロ枠の辺に沿って配置された図4のリーク電流遮断用PMOSトランジスタセル51が、セルライブラリに登録されている所定長さ、例えば100μmのPMOSトランジスタセル511〜513で構成されている。隣り合うPMOSトランジスタセル511〜513のゲートラインは、互いに接続されている。マクロ20Aに必要なPMOSトランジスタセル511〜513の個数は、アクティブ時におけるマクロ20Aの消費電流に基づいて決定される。他のPMOSトランジスタセルについても同様である。但し、図5では図4のPMOSトランジスタセル59Bに相当するものが省略されている。
【0034】
他の点は上記第2実施形態と同一である。
【0035】
本第3実施形態によれば、セルライブラリに登録された単一のトランジスタセルを用いて各マクロに対するリーク電流遮断用PMOSトランジスタセルを形成することができる。
【0036】
なお、このような所定長さのトランジスタセルを隙間無く連続して配置することにより、図1及び図4のようなリーク電流遮断用NMOSトランジスタセルを形成してもよい。
【0037】
[第4実施形態]
図6は、本発明の第3実施形態のマルチスレショールド電圧MOS集積回路装置のチップ上概略レイアウト図である。
【0038】
この半導体チップ50Cでは、各マクロ内のVDD供給線及びVSS供給線がそれぞれV_VDD供給線及びV_VSS供給線として用いられ、図7(B)のようにVDD供給線側及びVSS供給線側にリーク電流遮断回路を形成するために、外部接続用VDDパッドとマクロのV_VDD端子との間に高しきい値電圧のリーク電流遮断用PMOSトランジスタセル51P、53P、59AP及び59BPが接続され、外部VSSパッドとマクロのV_VSS端子との間に高しきい値電圧のリーク電流遮断用PMOSトランジスタセル52、57及び58が接続されている。PMOSトランジスタセル51P、53P、59AP及び59BPのゲートライン及びPMOSトランジスタセル52、57及び58のゲートラインはそれぞれ、制御信号線91及び90を介してマクロ20Eの電力制御信号*PCNT及びPCNT端子に接続されている。
【0039】
マクロ20Eは、外部信号又は内部状態に応じて、相補的な電力制御信号PCNT及び*PCNTをそれぞれ高レベル及び低レベルにすることよりNMOSトランジスタセル52、57、58及びPMOSトランジスタセル51P、53P、59AP及び59BPをオンにし、逆に低レベル及び高レベルにすることよりこれらをオフにする。
【0040】
なお、本発明には外にも種々の変形例が含まれる。
【0041】
例えばリーク電流遮断用トランジスタセルは、PMOSの替わりにNMOSを用いた構成であってもよい。
【0042】
また、図4に示す半導体チップ50Aでは、マクロ20Dによりマクロ20A及び20Cに対する全てのリーク電流遮断用PMOSトランジスタセルを同時にオン/オフ制御しているが、マクロ20Aに対するリーク電流遮断用PMOSトランジスタセルとマクロ20Cに対するリーク電流遮断用PMOSトランジスタセルとを独立にマクロ20Dでオン/オフ制御する構成であってもよい。
【0043】
さらに、低しきい値電圧のトランジスタ回路は、MISトランジスタを含むものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態のマルチスレショールド電圧MOS集積回路装置のチップ上概略レイアウト図である。
【図2】図1中のPMOSトランジスタセル51とその付近のより詳細なレイアウトを示す図である。
【図3】図1中のマクロ20Aの一部の内部詳細を示すレイアウト図である。
【図4】本発明の第2実施形態のマルチスレショールド電圧MOS集積回路装置のチップ上概略レイアウト図である。
【図5】本発明の第3実施形態のマルチスレショールド電圧MOS集積回路装置のチップ上概略レイアウト図である。
【図6】本発明の第4実施形態のマルチスレショールド電圧MOS集積回路装置のチップ上概略レイアウト図である。
【図7】(A)及び(B)はいずれも従来のマルチスレショールド電圧CMOS回路を示す図である。
【図8】スタンダードセルアレイレで構成された従来のマクロのイアウト図である。
【図9】図8中の1つのセル列の一部を示す回路図である。
【図10】図8中の1つのセル列の一部の他の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
20A〜20E マクロ
31A NANDゲートセル
32A インバータセル
51〜58、59A、59B、51P、53P、59AP、59BP PMOSトランジスタセル
51S ソース領域
51D ドレイン領域
51G ゲートライン
60〜72 外部接続用VDDパッド
73 I/Oセル
73a パッド
73b バッファゲート
80 VDD供給リング
81 VSS供給リング
80A、82B1〜82B3、83B1〜83B3 VDD供給線
81A、84A、84B1〜84B3、84B2X、87A VSS供給線
83B1X、83B2X、86A V_VDD供給線
85A1、85A2、85B1、85B2、90、91 制御信号線
PCNT 電力制御信号
Claims (10)
- しきい値電圧Vth1のMISトランジスタを含む第1内部回路と、該第1内部回路に接続された第1仮想電源供給線とを含む第1マクロと、
長手方向がゲートラインと同一方向であり、該長手方向が該第1マクロのマクロ枠の辺と平行になるように形成され、しきい値電圧が該Vth1より高く、電流路の一端及び他端がそれぞれ第1電源供給線及び該第1仮想電源供給線に接続され、該ゲートラインが第1電力制御線に接続されたリーク電流遮断用第1MISトランジスタセルと、
が基板上に配置されていることを特徴とするマルチスレショールド電圧MIS集積回路装置。 - 上記第1MISトランジスタセルは、所定サイズを有し、上記第1マクロのマクロ枠の一辺に沿って複数配置され、隣り合う第1MISトランジスタセルのゲートラインが互いに接続されていることを特徴とする請求項1記載のマルチスレショールド電圧MIS集積回路装置。
- 上記第1マクロのマクロ枠は矩形であり、上記第1MISトランジスタセルは、該マクロ枠の少なくとも2辺に沿って配置されていることを特徴とする請求項1又は2記載のマルチスレショールド電圧MIS集積回路装置。
- 上記第1マクロは、上記第1内部回路に接続された第2仮想電源供給線をさらに含み、
長手方向がゲートラインと同一方向であり、該長手方向が該第1マクロのマクロ枠の辺と平行になるように形成され、しきい値電圧が上記Vth1より高く、電流路の一端及び他端がそれぞれ第2電源供給線及び該第2仮想電源供給線に接続され、このゲートラインが第2電力制御線に接続されたリーク電流遮断用第2MISトランジスタセル、
をさらに有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載のマルチスレショールド電圧MIS集積回路装置。 - 上記第1電源供給線は、上記基板の外部接続用パッドに接続されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つに記載のマルチスレショールド電圧MIS集積回路装置。
- 上記第2電源供給線は、上記基板の外部接続用パッドに接続されていることを特徴とする請求項4記載のマルチスレショールド電圧MIS集積回路装置。
- 上記第1電源供給線は、上記第1マクロ及び上記第1MISトランジスタセルの外周に形成された電源リングを有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1つに記載のマルチスレショールド電圧MIS集積回路装置。
- 上記第1電力制御線は上記基板の外部接続用パッドに接続されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1つに記載のマルチスレショールド電圧MIS集積回路装置。
- 上記第1電力制御線に制御信号を供給する第2内部回路と、該第2内部回路及び上記基板の外部接続用パッドに接続された第1電源供給線とを含む第2マクロ、
をさらに有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1つに記載のマルチスレショールド電圧MIS集積回路装置。 - しきい値電圧Vth1のMISトランジスタを含む内部回路と、該内部回路に接続された仮想電源供給線とを含むマクロを配置し、
しきい値電圧が該Vth1より高く長手方向がゲートラインと同一方向であるリーク電流遮断用MISトランジスタセルを、該長手方向が該マクロのマクロ枠の辺と平行になるように配置し、
該MISトランジスタセルの電流路の一端及び他端をそれぞれ電源供給線及び該仮想電源供給線に接続し、該ゲートラインを電力制御線に接続する、
ことを特徴とするマルチスレショールド電圧MIS集積回路設計方法。
Priority Applications (7)
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