JP3886716B2 - Semiconductor integrated circuit, timepiece and electronic device equipped with the same - Google Patents

Semiconductor integrated circuit, timepiece and electronic device equipped with the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、SOI(Silicon On Insulator)構造の電界効果トランジスタを含む半導体集積回路、これを備えた時計及び電子機器に関する。
【0002】
【背景技術及び発明が解決しようとする課題】
近年の集積化技術、通信技術などの進歩により、携帯電話や情報端末といった各種電子機器の携帯化が進み、これらに内蔵される半導体集積回路には一層の低消費電力化が要求されている。
【0003】
例えば、ウォッチ(腕時計)の場合、環境への配慮から一次電池を使わないものが増え、自動巻き、太陽電池や熱電効果などによって自己発電した電力を二次電池に蓄えて、モータや内蔵する制御用ICの電源として用いるものがある。最近では、ゼンマイにより機械的に針を動かすとともに、同時に水晶振動子や内蔵する制御用ICのための発電を行って、水晶時計レベルの正確な時間を保証するものが実用化されつつある。この場合、内蔵される制御用ICに許容される動作電圧及び動作電流の上限は、それぞれ例えば0.5ボルト([V])、50ナノ・アンペア([nA])とされる。
【0004】
一般的に、上述した制御用ICは、金属酸化膜半導体(Metal-Oxide-Semiconductor:以下、MOSと略す。)トランジスタにより構成される。この制御用ICの消費電力を低減するためには、内蔵するMOSトランジスタの寄生容量の低減は言うまでもないが、消費電力が動作電圧(電源電圧)の2乗に比例するため、動作電圧を低下させることが最も効果的である。
【0005】
SOI(Silicon On Insulator)構造のデバイスは、接合容量の低減と、低閾値電圧による動作電圧の低下とを可能にするという特徴を有し、上述したような超低消費電力による動作が要求される各種回路を実現する技術として注目されている。
【0006】
このようなSOI構造のMOS電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:以下、FETと略す。)には、バルク型のMOSFETのチャネル領域に相当する領域に、シリコン層からなるボディ領域が形成されている。このボディ領域に、ソース領域とドレイン領域との間を移動するキャリアが存在する中性領域があるか否かによって、その挙動及び特性が異なる。
【0007】
ボディ領域に中性領域が存在するものを部分空乏型(Partially Depleted:PD)とし、中性領域が存在しないものを完全空乏型(Fully Depleted:FD)として分けることができる。この中性領域が存在するか否かは、ボディ領域を形成するシリコン層の膜厚によって決まる。
【0008】
完全空乏型のSOI構造のMOSFETは、優れた飽和特性を有し、低消費電力化に適しているという利点を有する。その反面、要求される薄膜のシリコン層の製造技術が困難であり、精度の良い閾値制御ができないという欠点を有する。
【0009】
これに対して部分空乏型のSOI構造のMOSFETは、ボディ領域のシリコン層の膜厚の製造マージンがあり、バルク型と同じプロセスを使うことができるという利点を有する。その反面、ボディ領域がフローティング状態の場合に、中性領域に存在するキャリアに起因する基板浮遊効果のため動作の不安定性を招くとともに、寄生バイポーラの動作によってキンクが発生する場合があるという欠点を有する。
【0010】
したがって、例えばウォッチ用ICのような「超」低消費電力動作を目的とした半導体集積回路を、単に完全空乏型のSOI構造のMOSFETにより構成しただけでは、シリコン層の薄い膜厚に起因して閾値制御が困難な上に、製造コストがかかるため、量産化が難しい。一方、この半導体集積回路を、単に部分空乏型のSOI構造のMOSFETにより構成しただけでは、上述した基板浮遊効果等に起因する不安定動作のため、超低消費電力動作が不可能となる。
【0011】
そこで本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、種々のSOI構造のデバイスの特徴に応じて適切に適用することにより、例えばウォッチ用ICのような超低消費電力動作が可能な半導体集積回路、これを備えた時計及び電子機器を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、第1の電位を供給する第1の電源線と、前記第1の電位よりも低い第2の電位を供給する第2の電源線と、前記第1および第2の電源線に電気的に接続される定電圧発生回路と、前記定電圧発生回路によって発生される、前記第1の電位を基準とした定電圧を供給するための第3の電源線と、前記第1および第3の電源線に電気的に接続される動作回路と、を含み、前記定電圧発生回路を構成するトランジスタは、ボディ領域とソース領域とが電気的に接続された部分空乏型のSOI構造の第1の電界効果トランジスタから構成され、前記動作回路を構成するトランジスタは、ボディ領域が電気的にフローティング状態である部分空乏型のSOI構造の第2の電界効果トランジスタから構成され、前記第1の電界効果トランジスタのオフリーク電流の増加の影響を無視できるほど、回路全体に占める前記第1の電界効果トランジスタの素子数の割合が小さく、ゲート・ソース間電圧V GS (但し、V GS >0)に対して互いのドレイン電流が等しくなるように前記第1および第2の電界効果トランジスタの閾値が調整されて、回路全体の回路動作停止電圧を低くした半導体集積回路に関係する。
【0013】
ここで、定電圧発生回路は第1及び第2の電源線に供給される第1及び第2の電位の電位差を動作電圧として、定電圧を発生する。このような定電圧発生回路を構成するトランジスタは、ボディ領域とソース領域とが電気的に接続された部分空乏型のSOI構造の電界効果トランジスタからなるものであって、回路全体がこのようなソースタイ型の部分空乏型のSOI構造の電界効果トランジスタにより構成されていることが望ましい。
【0014】
また、動作回路は、第1の電位を基準として定電圧発生回路によって発生される定電圧で、好ましくは超低電圧で動作するように、ボディ領域が電気的にフローティング状態とされた部分空乏型のSOI構造の電界効果トランジスタからなるものであって、回路全体がこのようなフローティングボディ型の部分空乏型のSOI構造の電界効果トランジスタにより構成されていることが望ましい。
【0015】
すなわち本発明によれば、高い電圧が印加される可能性がある第1及び第2の電源線に接続された定電圧発生回路を、部分空乏化状態のボディ領域とソース領域とが電気的に接続されたSOI構造の電界効果トランジスタにより構成し、動作回路に対して、第1及び第3の電源線により定電圧発生回路によって発生された定電圧を供給するようにしている。定電圧発生回路は、超低定電圧を発生することができれば、動作回路をボディ領域がフローティング状態のSOI構造の電界効果トランジスタにより構成することで、超低消費電力動作が可能な半導体集積回路を提供することができる。
【0016】
なお、動作回路としては、論理動作を行うディジタル回路が適している。一般に、半導体集積回路のほとんどの部分は論理動作を行うディジタル回路部分である場合、上述したように超低定電圧動作が可能なフローティングボディ型のSOI構造の電界効果トランジスタを採用することで、効果的に超低消費電力化を図ることができる。
【0017】
さらに、定電圧の基準を第1の電位とし、第1及び第3の電源線に電気的に接続される動作回路は、基準の電位が第2の電源線により供給される第2の電位であっても良い。
【0018】
ところで、ボディ領域がソース領域と電気的に接続された(ソースタイ型(広義には、ボディタイ型)の)SOI構造の電界効果トランジスタの閾値と、ボディ領域が電気的にフローティング状態とされた(フローティングボディ型の)SOI構造の電界効果トランジスタの閾値とが同等、すなわちほぼ同じ場合、ソースタイ型のSOI構造の電界効果トランジスタのオフリーク電流が増えてしまう。
【0019】
これまでフローティングボディ型のSOI構造の電界効果トランジスタにより構成された回路部分は、もっと低い動作電圧まで動作可能であるにもかかわらず、半導体集積回路全体の回路動作停止電圧は、ソースタイ型のSOI構造の電界効果トランジスタにより構成された回路部分に依存してしまっていた。しかし、ソースタイ型のSOI構造の電界効果トランジスタの閾値と、フローティングボディ型のSOI構造の電界効果トランジスタの閾値とを同等にすることによって、ソースタイ型のSOI構造の電界効果トランジスタのドレイン電流を増加させることができるので、半導体集積回路全体の回路動作停止電圧をより低くすることができる。
【0020】
特に、半導体集積回路全体に占めるソースタイ型のSOI構造の電界効果トランジスタの素子数の割合が小さければ小さいほど、オフリーク電流の増加の影響を無視することができる一方、回路動作停止電圧をさらに低下させることができるので、低消費電力化を効果的に図ることができる。
【0021】
また本発明は、前記第1及び第2の電源線それぞれに電気的に接続された第1及び第2の外部端子を含み、前記第1及び第2の外部端子に、それぞれ前記第1及び第2の電位が供給されることを特徴とする。
【0022】
本発明によれば、基板浮遊効果により回路動作が不安定となるため高い電圧を印加できず、超低定電圧で動作するフローティングボディ型のSOI構造の電界効果トランジスタを含む動作回路に対して動作電圧を供給する場合、外部端子から印加された制御不能の外部電源電圧を、一旦本発明にかかる定電圧発生回路に供給されるようにする。本発明にかかる定電圧発生回路は、ボディタイ型のSOI構造の電界効果トランジスタから構成されているため、バルク型と同様のDC特性及びAC特性を得ることができ、何らかの要因で変動する外部からの高い動作電圧が供給された場合であって、基板浮遊効果による動作不安定を招くことがないようになっている。
【0023】
このような定電圧発生回路で、超低定電圧を発生し、上述した動作回路に供給することで、一般的に回路の大部分を占める動作回路部分の超低定電圧動作を行わせて、低消費電力化を図る。
【0024】
さらに、部分空乏化状態のボディ領域を有するSOI構造の電界効果トランジスタにより動作回路を構成するようにしたので、既存のバルク型の製造プロセスを流用でき、かつシリコン層の薄さに起因した閾値制御の困難性がなくなるため、製造の低コスト化を図るとともに、精度良く閾値を制御できるようになり、より信頼性の高い半導体集積回路を提供することができる。
【0025】
また本発明は、前記定電圧の値は、前記定電圧発生回路を構成するNチャネル型およびPチャネル型電界効果トランジスタの閾値の和に対応した値であることを特徴とする。
【0026】
本発明によれば、定電圧発生回路を構成するNチャネル型及びPチャネル型電界効果トランジスタの閾値の和に対応した値を定電圧として動作回路に供給するようにしたので、この定電圧と、動作回路の回路動作停止電圧の温度勾配が等しくなり、動作保証すべき温度範囲において無駄に高い定電圧値を設定することなく、常に回路動作停止電圧よりわずかだけ高い定電圧値を供給することで、低消費電力化を効果的に図ることができる。
【0027】
また本発明は、前記第1及び第3の電源線に電気的に接続され、その発振出力が前記動作回路に供給される発振回路を含み、前記発振回路を構成するトランジスタは、ボディ領域とソース領域とが電気的に接続された部分空乏型のSOI構造の電界効果トランジスタから構成されることを特徴とする。
【0028】
本発明によれば、周波数依存性及び電圧依存性が好ましくない発振回路を、部分空乏化状態のボディ領域がソース領域と電気的に接続されたSOI構造の電界効果トランジスタにより構成するようにしたので、発振出力の安定性を実現することができる。
【0029】
また発振回路は、常に繰り返し電流消費が行われるため、できるだけ低振幅の電源電圧であることが望ましいが、本発明ではSOI構造の電界効果トランジスタで構成するようにしたので、低消費電力動作をも可能とする。
【0030】
また本発明は、前記定電圧発生回路は、一端が前記第2の電源線に電気的に接続された第1の定電流源と、一端が前記第1の電源線に電気的に接続された第2の定電流源と、ボディ領域が前記第1の電源線に電気的に接続されたソース領域に電気的に接続され、ゲート電極及びドレイン領域が前記第1の定電流源の他端に電気的に接続されたSOI構造の第1のPチャネル型電界効果トランジスタと、一方が前記第1のPチャネル型電界効果トランジスタのゲート電極に電気的に接続され、他方が前記第2の定電流源の他端に電気的に接続された差動対コンパレータ回路と、ボディ領域がソース領域に電気的に接続され、ゲート電極が前記第2の定電流源の他端に電気的に接続されたSOI構造の第1のNチャネル型電界効果トランジスタと、ゲート電極が差動対コンパレータ回路の差動出力のうち前記第1のPチャネル型電界効果トランジスタのゲート電極に接続された方の差動出力に電気的に接続され、ボディ領域及びソース領域が前記第2の電源線に電気的に接続され、ドレイン領域が前記第1のNチャネル型電界効果トランジスタのソース領域と電気的に接続された第2のNチャネル型電界効果トランジスタと、を含み、前記第2のNチャネル型電界効果トランジスタのドレイン電流を調整することによって、前記第1の電位を基準として前記第3の電源線に供給する定電圧値として前記第1のPチャネル型及びNチャネル型電界効果トランジスタの閾値の和を発生することを特徴とする。
【0031】
本発明によれば、ボディ領域の電位を固定するためにボディ領域がソース領域に電気的に接続されたボディタイ型のSOI構造の電界効果トランジスタにより、非常に簡素構成で、Pチャネル型及びNチャネル型電界効果トランジスタの閾値の和を定電圧として発生している。そして、これを動作回路を構成するNチャネル型及びPチャネル型電界効果トランジスタに定電圧として供給するようにしたので、この定電圧と、動作回路の回路動作停止電圧の温度勾配が等しくなり、動作保証すべき温度範囲において無駄に高い定電圧値を設定することなく、常に回路動作停止電圧よりわずかだけ高い定電圧値を供給することで、低消費電力化を効果的に図ることができる。
【0032】
また本発明は、前記第1のNチャネル型電界効果トランジスタのソース領域及びドレイン領域間に、ボディ領域がそれぞれのソース領域に電気的に接続されゲート電極が前記第2の定電流源の他端に電気的に接続された1又は複数のSOI構造の第2のNチャネル型電界効果トランジスタを含み、これらを接続する配線の少なくとも1つを半導体集積回路製造時のフォトグラフィ用のマスクを変更することによって切断することで前記第1の電位を基準とした前記定電圧の値が調整されたものであることを特徴とする。
【0033】
また本発明は、前記第1のNチャネル型電界効果トランジスタのソース領域及びドレイン領域間に、ボディ領域がそれぞれのソース領域に電気的に接続されゲート電極が前記第2の定電流源の他端に電気的に接続された1又は複数のSOI構造の第2のNチャネル型電界効果トランジスタを含み、これらを接続するヒューズ配線の少なくとも1つを切断することによって前記第1の電位を基準とした前記定電圧の値が調整されたものであることを特徴とする。
【0034】
本発明によれば、半導体集積回路製造時のフォトグラフィ用のマスクの変更による配線切り替え、或いはヒューズの溶断等の不揮発性メモリを用いることにより、発生される低定電圧値の微調整を精度良く、かつ容易に行うことができるので、温度勾配に基づいて、回路動作停止電圧ぎりぎりに動作電圧を設定できるようになり、さらに超低消費電力化を図ることができる。
【0035】
また本発明は、前記SOI構造の第2のNチャネル型電界効果トランジスタは、互いに異なるゲート幅/ゲート長(W/L)を有していることを特徴とする。
【0036】
本発明によれば、電流増幅率の異なる電界効果トランジスタを複数設けるようにしたので、目的とする定電圧値を得るための半導体集積回路製造時のフォトグラフィ用のマスクの変更を行うための工程、ヒューズ溶断の作業工程を減らすことができるとともに、同様の微調整を図ることができる。
【0037】
また本発明は、上記いずれか記載の半導体集積回路を含む時計であることを特徴とする。
【0038】
本発明によれば、時計体の他の回路の電源電圧に依存することなく、超低消費電力と安定発振が可能な時計を提供することができる。
【0039】
また本発明は、前記第1及び第3の電源線に電気的に接続され、時計体からの所与の信号を検出する検出回路と、上記いずれか記載の半導体集積回路と、を含み、前記検出回路は、ボディ領域とソース領域とが電気的に接続された部分空乏型のSOI構造の電界効果トランジスタから構成され、前記動作回路は、前記検出回路の検出結果にしたがって所与の動作を行う時計であることを特徴とする。
【0040】
本発明によれば、安定した発振により正確な計時を行うとともに、超低消費電力動作により長時間の携帯が可能な時計を提供することができる。
【0041】
また本発明によれば、上記いずれか記載の半導体集積回路を含む電子機器であることを特徴とする。
【0042】
本発明によれば、他の回路の電源電圧に依存することなく、超低消費電力動作によるバッテリの長寿命化を図る電子機器を提供することができる。
【0043】
また本発明によれば、前記第1及び第3の電源線に電気的に接続され、所与の入力信号を検出する検出回路と、上記いずれか記載の半導体集積回路と、を含み、前記検出回路は、ボディ領域とソース領域とが電気的に接続された部分空乏型のSOI構造の電界効果トランジスタから構成され、前記動作回路は、前記検出回路の検出結果にしたがって所与の動作を行うことを特徴とする。
【0044】
本発明によれば、他の回路部分の動作状態に応じた適切な制御を行うとともに、超低消費電力動作により長時間の携帯が可能な電子機器を提供することができる。
【0045】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【0046】
1. SOI構造のMOSFET
まず、SOI構造のMOSFETについて説明する。
【0047】
1.1 完全空乏型と部分空乏型
図1(A)〜(C)に、従来のバルク型のMOSFETとSOI構造のMOSFETの断面構造を模式的に示す。
【0048】
図1(A)に示すように、従来のバルク型MOSFET10は、シリコン基板12上に形成されたウェル14に、不純物が注入されたソース領域(S)16、ドレイン領域(D)18が形成される。ソース領域16とドレイン領域18とは、チャネル長に対応する距離を有するチャネル領域20の両側に形成される。チャネル領域20の上側には、ゲート酸化膜を介して、ゲート電極(G)22が配置される。
【0049】
これに対して、図1(B)、(C)に示すように完全空乏型(Fully-Depleted:以下、FDと略す。)と部分空乏型(Partially-Depleted:以下、PDと略す。)のSOI構造のMOSFET30、50は、シリコン基板の上に埋め込み酸化膜(Buried OXide layer:以下、BOXと略す。)が形成され、それぞれ同様の構造となっている。
【0050】
すなわち、SOI構造のMOSFET30、50は、従来のバルク型に用いられていたシリコン基板32、52上に、BOX34、54が形成され、各BOX34、54の上部に、シリコン層が形成される。各BOX34、54の上部に形成されたシリコン層の両側には、不純物が注入されたソース領域(S)36、56とドレイン領域(D)38、58とが形成される。ソース領域(S)36、56とドレイン領域(D)38、58との間のシリコン層はボディ領域(或いはボディ部)40、60と呼ばれ、ボディ領域40、60それぞれの上側にゲート酸化膜を介してゲート電極(G)42、62が形成される。
【0051】
FDとPDとの違いは、図1(B)、(C)に模式的に示すように、ボディ領域40、60を構成するシリコン層の膜厚に起因する。
【0052】
PDの場合、ボディ領域40に、キャリアの存在しない空乏層と、キャリアが多く存在する中性領域とが混在する。
【0053】
これに対して、FDの場合、ボディ領域40には中性領域が存在せずに、空乏層だけが形成される。
【0054】
ここで、SOI構造のMOSFETの動作について、ボディ領域の電位が固定されていない状態(フローティング状態)にあるNチャネル型を例に簡単に説明する。
【0055】
PDでは、中性領域において電位勾配がないため、ソース領域とボディ領域間の多数キャリアの電位障壁(φh)は、FDに比べてPDの方が高い。したがって、ソース領域とドレイン領域との間で所与のバイアスが印加されている場合、インパクトイオン化現象により電子と正孔が生成されると、多数キャリアである正孔はソース領域方向に流れる。
【0056】
ソース端には正孔に対する電位障壁(φh)があるため、一部の正孔がボディ領域に蓄積される。PDでは、FDよりもこの電位障壁(φh)が高いため、ボディ領域に蓄積される多数キャリアの量はPDの方が多くなる。
【0057】
PDの場合、多数キャリアである正孔がボディ領域に蓄積され続けると、バイアス効果によって、このNチャネル型MOSFETの閾値が低下する。したがって、ドレイン電流が急激に増加することになる。
【0058】
このようなPDのボディ領域の電位のゆれによるドレイン電流のキンクや過渡的な閾値の変化が起こる基板浮遊効果の影響を減少させるため、集積密度を犠牲にしてボディ領域の電位を固定したデバイス(ボディタイ型)を採用したり、より製造が難しくなるFDを採用する必要があるとされている。
【0059】
しかしながら、本実施形態では、例えばウォッチ用ICのような「超」低消費電力動作に特化した分野に適用するため、インパクトイオン化現象が無視できる低電界下で動作させることにより、上述した基板浮遊効果の影響を減少させていることを特徴としている。
【0060】
すなわち、ボディ領域とソース領域との間のバイアスが高電界下では、インパクトイオン化現象によって多数キャリアが大量に発生し、これがボディ領域に蓄積される。これは、ボディの電位が、ゲート電圧の上昇に従って上がることを意味し、その結果、閾値の低下と寄生バイポーラ効果により、ドレイン電流が増加する。
【0061】
この状態からゲート電圧を低くすると、ボディの電位はすぐには減少しない。これは、多数キャリアの消滅プロセスの時定数が大きいためである。その結果、ドレイン電流はしばらくの間、初期値より大きな値のままとなる。したがって、オフ電流を含むサブシュレショルド電流もまた増加するため、低消費電力化にとって不都合となる。
【0062】
これに対して、インパクトイオン化現象を無視することができる低電界では、多数キャリアの数の変化は、生成と再結合メカニズムによって支配されるため、「通常動作」下におけるゲート電圧が変化したとき多数キャリアはほとんど変化しない。
【0063】
したがって、MOSFETのゲート電圧が増加している間、空乏層の拡散が遅延することにより、ボディ領域の電位上昇と、閾値低下が発生する。これにより、ゲート電圧の高い領域でドレイン電流が増加する。
【0064】
その反対に、ゲート電圧が減少している間、空乏層の収縮が遅延することにより、ボディ領域の電位低下と、閾値上昇が発生する。これにより、ゲート電圧の低い領域で、ドレイン電流が減少する。
【0065】
この両現象により、サブスレッショルドの変化を急峻にし、オン電流を大きく、オフ電流を小さくするため、低電圧動作と低消費電力動作性能を著しく改善することができる。
【0066】
図2に、典型的なPD型SOI構造のMOSFETのサブスレッショルド特性の一例を示す。
【0067】
ここでは、横軸をゲート電圧(単位[V])、縦軸をドレイン電流(単位[A/μm])として、Pチャネル型とNチャネル型MOSのサブスレッショルド領域におけるサブスレッショルド電流の変化を示している。
【0068】
このように、ドレイン領域とソース領域間の電圧Vdが1.1Vでは、Nチャネル型でキンクが発生しているものの、Vdが0.1V、0.6Vのような低電界下では、急峻なサブスレッショルド変化を維持している。
【0069】
したがって、ウォッチ用ICのような超低消費電力に特化した分野では、PD型SOI構造のMOSFETにおいて従来から欠点の1つとしてみなされていた基板浮遊効果を積極的に活用することによって、低電圧動作と低消費電力動作性能を向上させることができる。しかも、既存のバルク型のプロセスを流用することができるので、製造コストの面でも優れている。
【0070】
1.2 フローティングボディ型とボディタイ型
上述したボディ領域がフローティング状態とされたSOI構造のMOSFETの基板浮遊効果の影響を低減するデバイスとして、ボディタイ型SOI構造のMOSFETがある。
【0071】
ボディタイ型は、図1(B)、(C)で説明したボディ領域の電位が固定されたものである。ボディタイ型として、そのボディ領域を例えばソース領域と接続すること(ソースタイ型)によって、ボディ領域に蓄積された多数キャリアを素早く抜き取ることができる。これにより、ボディ領域の電位が上昇することに起因するキンク現象や、バイポーラ効果を除去することができる。
【0072】
図3、図4に、ボディ領域がフローティング状態(フローティングボディ型)の場合と固定された状態(ボディタイ型)の場合におけるPD型SOI構造のMOSFETのオン/オフ電流比の一例を示す。
【0073】
ここでは、横軸をオン電流(VGS=VDS=0.5V)(単位[A/μm])、縦軸をオフステート電流(単位[A/μm])として、図3にNチャネル型、図4にPチャネル型のオン/オフ電流比の変化を示している。
【0074】
このように、同一のオン電流を得ようとした場合、ボディタイ型の方がフローティングボディ型よりもオフ状態の電流が多くなってしまい、フローティングボディ型の方が低消費電力動作に優れていることを示している。これは、Nチャネル型とPチャネル型でも同様である。
【0075】
一方、同一のオフ電流を得ようとした場合、フローティングボディ型の方がボディタイ型よりもオン電流が多くなるため急峻なサブスレッショルド特性が得られることを意味し、フローティングボディ方の方がより高速な動作が可能であることを示している。これは、Nチャネル型とPチャネル型でも同様である。
【0076】
図5(A)、(B)に、フローティングボディ型とボディタイ型のPD型SOI構造のMOSFETのレイアウトの一例を示す。
【0077】
ボディタイ型ではボディ領域の電位を固定するための電極を設ける必要があるため、同図(A)に示すフローティングボディ型のMOSFETと比較すると、同図(B)に示すボディタイ型のMOSFETのレイアウト面積の方が大きくなってしまう。
【0078】
このように、PD型SOI構造のMOSFETについて、フローティングボディ型とボディタイ型とを比較すると、オン/オフ電流比やレイアウト面積の点で明らかにフローティングボディ型の方が有利である。
【0079】
しかしながら本実施形態では、PD型SOI構造のMOSFETのボディタイ型において、ボディ領域とソース領域とを電気的に接続したソースタイ型とすることで、従来のバルク同様のDC特性及びAC特性を有する点に着目している。
【0080】
図6に、上述したような本実施形態の半導体集積回路の原理的な構成の概要を示す。
【0081】
本実施形態の半導体集積回路は、第1及び第2の外部端子80、82を含み、それぞれ外部から第1及び第2の電位が供給される第1の電源線VDD、第2の電源線VSSと電気的に接続されている。
【0082】
第1の電源線VDDは、定電圧発生回路90、動作回路92と電気的に接続されている。
【0083】
第2の電源線VSSは、定電圧発生回路90に接続されている。
【0084】
定電圧発生回路90は、上述したような基板浮遊効果の影響を低減できない高電圧が印可される可能性があるため、構成要素としてのトランジスタの少なくとも一部にボディタイ型(特に、ボディ領域(ボディ部と同義)とソース領域とを電気的に接続したソースタイ型)を適用し、従来のバルク同様の特性を有して外部から印可される第1及び第2の電位の変動に依存することなく、安定した定電圧を発生するようにしている。
【0085】
動作回路92は、それ以外の回路の大半を占める論理回路などの超低消費電力が効果的とされる部分として、構成要素としてのトランジスタの少なくとも一部にフローティングボディ型を適用する。
【0086】
すなわち、基板浮遊効果により回路の不安定を招くフローティングボディ型の回路部分に、第1の電源線VDDを電位の基準としてボディタイ型で構成された定電圧発生回路90によって発生される定電圧を、第3の電源線94を介して供給することによって、フローティングボディ型が適用された動作回路部92の超低消費電力動作を可能としている。
【0087】
定電圧発生回路90は、回路全体をボディタイ型で構成することが望ましい。また、動作回路92は、回路全体をフローティングボディ型で構成することが望ましい。
【0088】
また、部分空乏型のSOI構造のトランジスタを適用することで、既存の製造設備を流用し、良好な閾値制御性と優れたコストパフォーマンスとを得るようにしている。
【0089】
以下、このような本実施形態の半導体集積回路について、具体的に説明する。
【0090】
2. 超低消費電力動作のウォッチ用IC
2.1 回路構成
図7に、本実施形態における半導体集積回路が適用された超低消費電力動作のウォッチ用ICの構成の一例を示す。
【0091】
このウォッチ用ICは、線形動作が必要なアナログ回路部100と、論理動作を行うディジタル回路部110とを含む。
【0092】
アナログ回路部100は、定電圧発生回路(Voltage Regulator)102、発振回路(Oscillator)104、検出回路(Detector)106を含む。
【0093】
ディジタル回路部110は、分周回路(Divider)112、制御回路(Controller)114を含む。
【0094】
アナログ回路部100は、第1の電源線VDDと、第2の電源線VSSが接続されている。
【0095】
アナログ回路部100の定電圧発生回路102には、第1の電源線VDDと第2の電源線VSSが接続されている。この定電圧発生回路102は、第1の電源線VDDと第2の電源線VSSとの間の電位差を動作(電源)電圧として、第1の電源線VDDの電位を基準として所与の低定電圧を発生することができるようになっている。この低定電圧は、第1の電源線VDDと電源線120とにより、回路各部に供給される。
【0096】
発振回路104、検出回路106は、第1の電源線VDDと、電源線120とが接続され、この両電源線の電位差を動作(電源)電圧として動作する。
【0097】
ディジタル回路110の分周回路112、制御回路114は、第1の電源線VDDと、電源線120とが接続され、この両電源線の電位差を動作(電源)電圧として動作する。
【0098】
図8に、図7に示した本実施形態におけるウォッチ用ICの構成要部の一例を示す。
【0099】
ただし、図7に示したウォッチ用ICと同一部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。
【0100】
このようなウォッチ用ICは、第1の電源線VDDが接地レベルにあるものとすると、定電圧発生回路102には、IC外部から第2の電源線VSSを介して、外部電圧が供給されるようになっている。
【0101】
定電圧発生回路102は、電源線120を介して、接地レベルとの間で発生した所与の低定電圧を回路各部に供給する。
【0102】
発振回路104は、外付けされた32KHzの水晶振動子130から、32キロヘルツ(KHz)の発振出力を取り出し、ディジタル回路部110に供給する。
【0103】
ディジタル回路部110では、図8に示すように論理回路から構成されており、その一部である分周回路112により発振回路104からの発振出力が順次分周されて、例えば0.1Hzの分周信号が生成される。
【0104】
一方、検出回路106は、動作状態通知信号端子134から入力される図示しない時計体の動作状態を示す各種通知信号を検出し、その検出結果信号136をディジタル回路110の制御回路114に出力する。
【0105】
ディジタル回路部110の制御回路114は、検出回路106からの検出結果信号136の示す結果に応じて、分周回路112から出力された分周信号132の出力タイミングなどを制御する。例えば、検出回路106によって動作状態通知信号端子134からの各種通知信号により図示しない時計体の針の動きを監視し、制御回路114により正確なタイミングのクロック信号138を生成及び供給し、図示しない時計体に対して運針制御を行う。
【0106】
2.2 ディジタル回路部
ディジタル回路部110は、論理的な動作が行われる論理回路であって、ウォッチ用IC内で、通常、最も素子数が多く回路のほとんどを占める。
【0107】
本実施形態では、図7に示すように、この分周回路112、制御回路114などのディジタル回路部110は、フローティングボディ型のPD型SOI構造のMOSFETから構成されるようにした。
【0108】
フローティングボディ型を採用することにより、図5(A)、(B)に示すように、デザインルール上最小のサイズのMOSFETを実現することができ、接合容量の低減を理想的に行うことができる。
【0109】
また、フローティングボディ型のPD型SOI構造のMOSFETを採用することにより、ボディ領域の基板浮遊効果を積極的に利用して、DC動作時の閾値に対して、実動作(AC動作)時の閾値をさらに下げることができ、ウォッチ用ICの大部分を占めるディジタル回路部110の低電圧駆動を実現することができる。これにより、効果的に超低消費電力化を図ることができる。そのため、ディジタル回路部110には、定電圧発生回路102により、フローティングボディ型のPD型SOI構造のMOSFETにおいて上述した基板浮遊効果を積極的に利用するために必要な超低定電圧を供給するようにしている。
【0110】
2.3 アナログ回路部
本実施形態のアナログ回路部100は、第2の電源線VSSを介して外部電源電圧が供給される定電圧発生回路102と、この定電圧発生回路102による超低定電圧が供給されない外部からの信号を受け付ける検出回路106の一部のMOSFETには、それぞれボディタイ型PD型のSOI構造のMOSFETを採用している。これにより、ボディ領域の基板浮遊効果を抑えて、バルク型と同レベルのアナログ特性を得ることができる。
【0111】
さらに本実施形態では、発振回路104の発振インバータも、それぞれボディタイ型のPD型のSOI構造のMOSFETにより構成するようにしている。これは、特に発振回路の場合には、周波数依存性や電圧依存性を有しないアナログ特性が必要とされるからである。すなわち、発振回路104を、ボディタイ型のPD型のSOI構造のMOSFETを採用して、超低定電圧で動作させることにより、低消費電力動作と安定した発振出力とを得ることができる。
【0112】
また、検出回路106において、定電圧発生回路102による超低定電圧が供給されない外部からの信号のインタフェース部分以外は、フローティングボディ型で構成することで、より一層の低消費電力動作を図ることができる。
【0113】
このようなアナログ回路100は、さらに定電流を供給して定電流駆動とすることによって、動作電流を抑えるとともに、MOSFETの動作電流を1nA程度のサブスレッショルド領域で動作させている。これにより、低消費電流動作、定電圧動作を確保する。
【0114】
特に、発振回路104の発振インバータには、Pチャネル型及びNチャネル型のSOI構造のMOSFETに対し、選択的に不純物をドーピングして、アナログ回路部100の他のMOSFETの閾値よりさらに低く制御することによって、発振回路104の低定電圧動作をも確保することができる。
【0115】
2.4 定電圧発生回路
2.4.1 回路構成
図9に、図7、図8に示した本実施形態における定電圧発生回路102の構成要部の一例を示す。
【0116】
本実施形態の定電圧発生回路102に含まれるPチャネル型及びNチャネル型のPD型SOI構造のMOSFETは、図9に示すように全てボディタイ型で、ボディ領域はソース領域に接続されている。
【0117】
まず、この定電圧発生回路102は、差動対のコンパレータ回路200を含む。
【0118】
この差動対のコンパレータ回路200は、定電流源202、Pチャネル型MOSFET204、206、負荷側のNチャネル型MOSFET208、210を含む。
【0119】
差動対のコンパレータ回路200は、一端が接地(第1の電源線VDDに接続)された定電流源202の他端に、Pチャネル型MOSFET204、206のソース端子が接続されている。
【0120】
Pチャネル型MOSFET204、206のドレイン端子は、それぞれ負荷側のNチャネル型MOSFET208、210のドレイン端子と接続されている。
【0121】
負荷側のNチャネル型MOSFET208、210のゲート端子は互いに接続され、Nチャネル型MOSFET210のゲート端子とドレイン端子は接続されている。これにより、負荷側にミラー回路が構成される。
【0122】
また、Pチャネル型MOSFET212のソース端子は接地(第1の電源線VDDに接続)され、ゲート端子とドレイン端子とが接続されている。このゲート端子及びドレイン端子は、ノードPに接続される。ノードPは、Pチャネル型MOSFET204のゲート端子と、一端が第2の電源線VSSに接続された定電流源214の他端とに接続されている。
【0123】
さらに、一端が接地(第1の電源線VDDに接続)された定電流源216の他端が、ノードP´に接続されている。ノードP´には、Pチャネル型MOSFET206のゲート端子と、Nチャネル型MOSFET218のドレイン端子とが接続されている。
【0124】
Nチャネル型MOSFET218のゲート端子とドレイン端子は互いに接続されており、そのソース端子はノードQに接続されている。このノードQは、接地レベル(第1の電源線の電位レベル)を基準として超低定電圧値を出力する出力端子220と、Nチャネル型MOSFET222のドレイン端子とが接続されている。
【0125】
Nチャネル型MOSFET222のゲート端子は、Pチャネル型MOSFET204のドレイン端子及びNチャネル型MOSFET208のドレイン端子に接続されている。Nチャネル型MOSFET222のソース端子は、第2の電源線VSSに接続されている。このNチャネル型MOSFET222は、出力制御用トランジスタである。
【0126】
さらに、ノードP´とノードQとの間には、Nチャネル型MOSFET218と並列に、Nチャネル型MOSFET230、232、234が接続されている。Nチャネル型MOSFET230、232、234それぞれのドレイン端子及びゲート端子は、互いに接続されている。
【0127】
ここでは、Nチャネル型MOSFET218と並列に3つのMOSFET230、232、234が接続されているが、1、2、4つ以上のMOSFETが接続されるようにしてもよい。
【0128】
2.4.2 動作の概要
このような構成の定電圧発生回路102は、Pチャネル型MOSFET212のドレイン端子の電位であるノードPの電位が、定電流源214によって供給される定電流値が流れるように設定される。このノードPの電位は、上述した差動対のコンパレータ回路200の一方の入力端子であるPチャネル型MOSFET204のゲート端子に入力される。
【0129】
ノードP´には、出力制御用Nチャネル型MOSFET222とNチャネル型MOSFET218に制御された電位が発生し、このノードP´の電位は差動対コンパレータの、他の一方の入力端子であるPチャネル型MOSFET206のゲート端子に負帰還される。この構成により、差動対Pチャネル型MOSFET204、206と出力制御用Nチャネル型MOSFET222の動作によりノードPとノードP´は同電位に制御される。ノードP´に流れる電流は定電流源216により一定であるため、ノードQとノードP´との間の電位差は、Nチャネル型MOSFET218により制御された一定電圧(VN)となる。
【0130】
このようにすることによって、出力端子220から供給される定電圧VQは、接地レベル(第1の電源線の電位レベル)を基準電位として、Pチャネル型MOSFET212で発生した電位差VPと、Nチャネル型MOSFET218で発生した電位差VNとの和が出力されることになる。
【0131】
2.4.3 定電圧値の調整
また本実施形態では、接地レベル(第1の電源線の電位レベル)を基準電位として出力端子220から供給される定電圧VQが、半導体集積回路の製造時のMOSFETの閾値のばらつき等により変動する場合があるので、Nチャネル型MOSFET218のW/Lとは異なるW/Lを有するNチャネル型MOSFETを配置し、配線を切り替えることによって、所望の定電圧を供給することができるようになっている。
【0132】
この場合、Nチャネル型MOSFET230、232、234をそれぞれ異なるW/Lとし、電流増幅率を異ならせることによって、各MOSFETを接続する配線(例えば、Al配線)を半導体集積回路製造時のフォトグラフィ用のマスクの変更(マスタースライス)や、ヒューズ配線の溶断等の不揮発性メモリを用いることにより、任意のMOSFETを接続、或いは遮断することで、任意のW/Lを有するNチャネル型MOSFETを選択することができ、精度良く低電圧値の調整を行うことができる。
【0133】
2.4.4 回路動作停止電圧VSTOとの関係
ところで、接地レベル(第1の電源線の電位レベル)を基準電位とした定電圧発生回路102による定電圧を動作電圧として動作する発振回路104、ディジタル回路110、検出回路106には、回路動作停止電圧VSTOが決まる。したがって、可能な限り低消費電力化を図るためには、定電圧発生回路102が発生すべき定電圧値は、動作保証温度範囲において、回路動作停止電圧VSTOより高く、かつできるだけ低い値であることが必要である。
【0134】
回路動作停止電圧VSTOは、低電圧が供給される回路を構成するMOSFETの閾値に依存することから、本実施形態における定電圧発生回路102では、定電流値を調整することによって、飽和接続されたPチャネル型MOSFET212のVds(ドレイン−ソース間電圧)の値と、飽和接続されたNチャネル型MOSFET218のVdsの値との和を定電圧として出力するようにした。
【0135】
したがって、出力端子220から供給される定電圧VQは、Pチャネル型MOSFET212、Nチャネル型MOSFET218それぞれの閾値VthN、|VthP|の和に依存した値となる。
【0136】
これにより、定電圧発生回路102によって発生された低定電圧と、この低定電圧が供給される回路の回路動作停止電圧VSTOの温度勾配が等しくなり、動作保証すべき温度範囲において無駄に高い定電圧値を設定することなく、常に回路動作停止電圧VSTOよりわずかだけ高い定電圧値を供給することで、低消費電力化を効果的に図ることができる。
【0137】
2.5 閾値の調整
このように本実施形態におけるウォッチ用ICは、PD型SOI構造のMOSFETについて、フローティングボディ型とボディタイ型とを混在させているが、両者を同一シリコンチップ内に製造する際にプロセス条件を同一にすることによって、オフ状態のリーク電流が同等レベルとなっている。
【0138】
図10(A)に、フローティングボディ型とボディタイ型とを同一のプロセス条件で製造した場合の特性の一例を示す。
【0139】
ここでは、横軸にSOI構造のMOSFETのゲート−ソース間の電圧VGS、縦軸にドレイン−ソース間の電流IDSの対数をとり、フローティング型とボディタイ型とについて示している。
【0140】
すなわち、超低消費電力化を目的とする場合、待機時のリーク電流を最小にするため、同一プロセス条件で製造することによって、待機時のリーク電流がフローティングボディ型とボディタイ型とで同等レベルとされる。
【0141】
この場合、同一のVGSに対しては、フローティングボディ型の方がIDSが多くなるため、立ち上がりが急峻となるとともに、基板浮遊効果によって動作時の閾値を下げられるため、回路の大部分を示す論理回路部分に採用することによって、より効果的に低消費電力化を図ることができる。また、外部電源に依存せざるを得ない回路部分については、基板浮遊効果の影響の少ないボディタイ型を採用するようにしている。
【0142】
しかしながら、ボディタイ型の方がIDSが低くなるため、回路動作停止電圧VSTOがボディタイ型で構成された回路部分に依存してしまう。すなわち、フローティングボディ型で構成された回路部分は、より低い動作電圧まで動作するにもかかわらず、ボディタイ型が動作しないため、ウォッチ用IC全体の回路動作停止電圧VSTOは、このボディタイ型の部分に依存してしまう。
【0143】
そこで本実施形態におけるウォッチ用ICでは、ボディタイ型が採用されるアナログ回路部分がIC内で占める割合が非常に小さい場合に、待機時におけるボディタイ型のリーク電流がIC全体としては無視できる点に着目して、最適なVGSにおいてIDSがほぼ同一となるようにプロセス条件を調整するようにしたことを特徴としている。
【0144】
図10(B)に、フローティングボディ型とボディタイ型についてプロセス条件を調整して製造した場合の特性の一例を示す。
【0145】
ここでは、横軸にSOI構造のMOSFETのゲート−ソース間の電圧VGS、縦軸にドレイン−ソース間の電流IDSの対数をとり、フローティング型とボディタイ型とについて示している。
【0146】
すなわち、あるVGSでIDSがほぼ等しくなるように(閾値がほぼ等しくなる、或いは同等となるように)、プロセス条件を調整する。これにより、ボディタイ型の待機時のリーク電流が上昇してしまう。
【0147】
しかしながら、ウォッチ用IC内でボディタイ型が採用されているアナログ回路部の素子数は、ディジタル回路部の素子数に比べてはるかに小さいので、ボディタイ型の待機時のリーク電流が上昇したとしても、IC全体での待機時のリーク電流の上昇はわずかとなる。
【0148】
待機時のリーク電流は、MOSFETのW(ゲート幅)/L(ゲート長)に依存するため、むしろボディタイ型がより低い動作電圧まで動作することにより、回路動作停止電圧VSTOをより下げることができる。
【0149】
これは、IC内でフローティングボディ型に占めるボディタイ型の割合が小さければ小さいほど、より効果的となる。
【0150】
以上説明したように、本実施形態によれば、フローティングボディ型のPD型SOI構造のMOSFETにより論理回路を構成し、これに第1の電源線を基準電位とした定電圧(低定電圧)を供給するようにしたので、フローティングボディ型特有の基板浮遊効果の影響をなくすことができ、超低消費電力動作が可能な半導体集積回路を提供することができる。
【0151】
また本実施形態における定電圧発生回路を、ボディタイ型で構成し、外部から電源電圧を供給するとともに、内部のフローティングボディ型の回路にはこの定電圧発生回路によって発生された低定電圧を供給するようにしたので、効果的な低消費電力化を図ることができる。
【0152】
特に、IC内において、回路の大部分を占めるフローティング型に対して、ボディタイ型の割合が小さい場合、同一VGSに対してIDSがほぼ同じになるようにプロセス条件を調整することによって、ボディタイ型が動作する動作電圧をより低くすることができるので、低消費電力化と、IC全体の回路動作停止電圧VSTOの低下との両立を図ることができる。
【0153】
また本実施形態における発振回路を、ボディタイ型で構成し、定電圧発生回路によって発生された低定電圧を供給するようにしたので、周波数依存性および電圧依存性の影響をなくし、安定した発振出力と、超低消費電力動作を行うことができる。
【0154】
3. 半導体装置
上述したような本実施形態の半導体集積回路は、シリコンチップなどに実装させて半導体装置を構成することによっても、従来にない超低消費電力動作を行うことができる。ただし、広義には本実施形態の半導体集積回路は、半導体装置に含まれる。
【0155】
図11に、本実施形態の半導体集積回路が内蔵された半導体装置の構成の一例を示す。
【0156】
この半導体装置300は、上述した本実施形態の定電圧発生回路及び発振回路を含む電源・クロック生成回路310、CPU312、RAM314、DMA316、タイマ回路318、シリアルインタフェース回路320などが実装されたシリコンチップと、複数の外部端子とを含んで構成される。CPU312、RAM314、DMA316、タイマ回路318、シリアルインタフェース回路320は、互いにバス322で接続されている。
【0157】
シリコンチップ内の各回路にはこれら各種外部端子を介して半導体装置外部から入力されたり、当該回路の動作信号がこれら各種外部端子を介して半導体装置外部に出力される。
【0158】
本実施形態の半導体装置300に実装されるシリコンチップは、電源・クロック生成回路310の一部がPD型SOI構造のMOSFETのボディタイ型で構成されるとともに、その他のCPU312、RAM314、DMA316、タイマ回路318、シリアルインタフェース回路320のうち少なくとも一部がPD型SOI構造のMOSFETのフローティングボディ型で構成された回路を含むことを特徴としている。
【0159】
電源・クロック生成回路310は、定電圧発生回路330、クロック信号生成回路332を含み、定電圧発生回路330は電源端子334、336を介して第1及び第2の電源線に接続された第1及び第2の電源配線338、340、クロック信号生成回路332は第1の電源配線338と定電圧発生回路330によって発生された低定電圧が供給される低定電圧供給配線342とに、それぞれ接続される。
【0160】
またクロック信号生成回路332は、水晶振動子接続端子344、346を介して水晶振動子348が外付けされ、所与の周波数の発振信号を分周して、クロック信号350を出力することができるようになっている。
【0161】
そして、PD型SOI構造のMOSFETのフローティングボディ型で構成された回路は、第1の電源線338と低定電圧供給配線342とが接続され、発振回路332によって生成されたクロック信号350が供給される。
【0162】
このように、上述したように回路の大部分を占める論理回路部分にPD型SOI構造のMOSFETのフローティングボディ型を採用し、これに対して基板浮遊効果の影響を低減する低定電圧を供給するようにした。さらに、上述したように、この低定電圧を生成する定電圧発生回路330と、発振出力を得るための発振回路部分をPD型SOI構造のMOSFETのボディタイ型で構成するようにした。これにより、製造コストがかからず、超低消費電力動作が可能な半導体装置を提供することができる。
【0163】
なお、クロック信号生成回路332の発振出力の分周回路部分は論理動作を行うため、PD型SOI構造のMOSFETのフローティングボディ型を採用することで、さらに低消費電力化を図ることができる。
【0164】
4.電子機器
上述したような半導体集積回路(半導体装置)を電子機器に適用することにより、電子機器の低消費電力化を図ることができる。すなわち、電子機器がバッテリ駆動の場合、このバッテリの長寿命化を図ることができ、ユーザにとって使い勝手の良い電子機器を提供することができる。これは、本実施形態のウォッチのみならず、種々の携帯型の情報端末装置に適用可能である。
【0165】
図12(A)、(B)に、本実施形態の電子機器のブロック図の一例を示す。
【0166】
この電子機器400は、図12(A)に示すように、超低定電圧とこれに対応したクロック信号を生成する電源・クロック生成回路410と、この超低定電圧を動作電圧としてクロック信号にしたがって所与の動作を行う動作回路420とを含む。
【0167】
電源・クロック生成回路410は、定電圧発生回路412、クロック信号生成回路414を含む。
【0168】
定電圧発生回路は、第1の電源線VDDと第2の電源線VSSとの間の電位差から超低定電圧を発生し、PD型SOI構造のMOSFETのボディタイ型で構成されている。
【0169】
クロック信号生成回路414は、第1の電源線VDDと定電圧発生回路412によって発生された超低定電圧との間の電位差を動作電圧として動作し、外付けされた水晶振動子416の発振出力を取り出し、これを分周してクロック信号418を生成する。クロック信号生成回路414の発振出力を取り出す部分は、PD型SOI構造のMOSFETのボディタイ型で構成し、分周部分はPD型SOI構造のMOSFETのフローティングボディ型で構成されることが望ましい。
【0170】
動作回路420は、このクロック信号418にしたがって、所与の論理動作を行い、PD型SOI構造のMOSFETのフローティングボディ型で構成されている。
【0171】
図12(B)に示すように、動作回路420は、CPU(または本実施形態の半導体集積回路(半導体装置))422、入力部424、メモリ426、画像生成部428、音出力部430、通信部432を含む。
【0172】
これら論理動作を行う各部は、PD型SOI構造のMOSFETのフローティングボディ型で構成されていることが望ましい。
【0173】
ここで、入力部424は、種々のデータを入力するためのものである。CPU(または本実施形態の半導体集積回路(半導体装置))422は、この入力部424により入力されたデータに基づいて種々の処理を行うことになる。メモリ426は、CPU(または本実施形態の半導体集積回路(半導体装置))422等の作業領域となるものである。画像出力部428は、電子機器が表示する各種の画像(文字、アイコン、グラフィック等)を出力するためのものであり、その機能は、LCDやCRT等のハードウェアにより実現できる。音出力部430は、電子機器が出力する各種の音(音声、ゲーム音等)を出力するためのものであり、その機能は、スピーカ等のハードウェアにより実現できる。
【0174】
図13(A)に、電子機器の1つである携帯電話950の外観図の例を示す。この携帯電話950は、入力部として機能するダイヤルボタン952や、画像出力部として機能し電話番号や名前やアイコン等を表示するLCD954や、音出力部として機能し音声を出力するスピーカ956を備える。
【0175】
図13(B)に、電子機器の1つである携帯型ゲーム装置960の外観図の例を示す。この携帯型ゲーム装置960は、入力部として機能する操作ボタン962、十字キー964や、画像出力部として機能しゲーム画像を表示するLCD966や、音出力部として機能しゲーム音を出力するスピーカ968を備える。
【0176】
図13(C)に、電子機器の1つであるパーソナルコンピュータ970の外観図の例を示す。このパーソナルコンピュータ970は、入力部として機能するキーボード972や、画像出力部として機能し文字、数字、グラフィック等を表示するLCD974、音出力部976を備える。
【0177】
本実施形態の半導体集積回路(半導体装置)を図13(A)〜図13(C)の電子機器に組み込むことにより、電子機器の超低消費電力化を図ることができる。
【0178】
なお、本実施形態を利用できる電子機器としては、図13(A)、(B)、(C)に示すもの以外にも、携帯型情報端末、ページャ、電子卓上計算機、タッチパネルを備えた装置、プロジェクタ、ワードプロセッサ、ビューファインダ型又はモニタ直視型のビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、プリンタ等、種々の電子機器を考えることができる。
【0179】
なお、本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(A)〜(C)は、従来のバルク型のMOSFETとSOI構造のMOSFETの断面構造を示す模式図である。
【図2】典型的なPD型SOI構造のMOSFETのサブスレッショルド特性の一例を示す説明図である。
【図3】フローティングボディ型とボディタイ型のPD型SOI構造のMOSFET(Nチャネル型)のオン/オフ電流比の一例を示す説明図である。
【図4】フローティングボディ型とボディタイ型のPD型SOI構造のMOSFET(Pチャネル型)のオン/オフ電流比の一例を示す説明図である。
【図5】図5(A)、(B)は、フローティングボディ型とボディタイ型のPD型SOI構造のMOSFETのレイアウトの一例を示す説明図である。
【図6】本実施形態の半導体集積回路の原理的な構成の概要を示す構成図である。
【図7】本実施形態における超低消費電力動作のウォッチ用ICの構成の一例を示す構成図である。
【図8】図6に示した本実施形態におけるウォッチ用ICの構成要部の一例を示す構成図である。
【図9】本実施形態における定電圧発生回路の構成要部の一例を示す構成図である。
【図10】図10(A)、(B)は、フローティングボディ型とボディタイ型とをプロセス条件が同一の場合、調整された場合のそれぞれの特性の一例を示す説明図である。
【図11】本実施形態の半導体集積回路が内蔵された半導体装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図12】図12(A)、(B)は、本実施形態の電子機器の一例のブロック図である。
【図13】図13(A)、(B)、(C)は、種々の電子機器の外観図の例である。
【符号の説明】
10 バルク型MOSFET
12、32、52 シリコン基板
14 ウェル
16、36、56 ソース領域(S)
18、38、58 ドレイン領域(D)
20 チャネル領域
22、42、62 ゲート電極
30 FD型SOI構造のMOSFET
34、54 BOX
40、60 ボディ領域
50 FD型SOI構造のMOSFET
80 第1の外部端子
82 第2の外部端子
90、102 定電圧発生回路
92 動作回路
94 第3の電源線
100 アナログ回路部
104 発振回路
106 検出回路
110 ディジタル回路部
112 分周回路
114 制御回路
120 電源線
130 水晶振動子
132 分周信号
134 動作状態通知信号端子
136 検出結果信号
138 クロック信号
200 差動対のコンパレータ回路
202、214、216 定電流源
204、206、212 Pチャネル型MOSFET
208、210、218、222、230、232、234 Nチャネル型MOSFET
220 出力端子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit including a field effect transistor having an SOI (Silicon On Insulator) structure, a timepiece including the same, and an electronic device.
[0002]
[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]
Due to recent advances in integration technology and communication technology, various electronic devices such as mobile phones and information terminals have been ported, and further reduction in power consumption is required for semiconductor integrated circuits incorporated therein.
[0003]
For example, in the case of watches (watches), those that do not use a primary battery are increasing due to environmental considerations, and self-generated power due to self-winding, solar cells, thermoelectric effects, etc. is stored in a secondary battery for motors and built-in controls. Some of them are used as power sources for ICs. In recent years, there has been put into practical use what guarantees an accurate time at a quartz clock level by moving a needle mechanically with a mainspring and simultaneously generating power for a quartz oscillator and a built-in control IC. In this case, the upper limits of the operating voltage and the operating current allowed for the built-in control IC are, for example, 0.5 volts ([V]) and 50 nanoamperes ([nA]), respectively.
[0004]
In general, the above-described control IC is composed of a metal oxide semiconductor (Metal-Oxide-Semiconductor) transistor. In order to reduce the power consumption of the control IC, it goes without saying that the parasitic capacitance of the built-in MOS transistor is reduced. However, since the power consumption is proportional to the square of the operating voltage (power supply voltage), the operating voltage is lowered. Is most effective.
[0005]
A device having an SOI (Silicon On Insulator) structure has a feature that enables a reduction in junction capacitance and a reduction in operating voltage due to a low threshold voltage, and operation with ultra-low power consumption as described above is required. It is attracting attention as a technology for realizing various circuits.
[0006]
In such a MOS field effect transistor (hereinafter referred to as FET) having an SOI structure, a body region made of a silicon layer is formed in a region corresponding to a channel region of a bulk MOSFET. The behavior and characteristics differ depending on whether or not the body region includes a neutral region in which carriers moving between the source region and the drain region exist.
[0007]
Those having a neutral region in the body region can be classified as partially depleted (PD), and those having no neutral region can be classified as fully depleted (FD). Whether or not this neutral region exists is determined by the thickness of the silicon layer forming the body region.
[0008]
A fully depleted SOI-structure MOSFET has the advantage of having excellent saturation characteristics and being suitable for low power consumption. On the other hand, the required technique for manufacturing a thin silicon layer is difficult, and the threshold value cannot be accurately controlled.
[0009]
On the other hand, the partially depleted SOI structure MOSFET has a manufacturing margin of the thickness of the silicon layer in the body region, and has the advantage that the same process as that of the bulk type can be used. On the other hand, when the body region is in a floating state, it causes instability of operation due to the substrate floating effect caused by carriers existing in the neutral region, and there is a disadvantage that kinks may occur due to parasitic bipolar operation. Have.
[0010]
Therefore, for example, a semiconductor integrated circuit such as a watch IC, which is intended for “super” low power consumption operation, is simply constituted by a MOSFET having a fully depleted SOI structure, which is caused by the thin film thickness of the silicon layer. The threshold control is difficult and the manufacturing cost is high, so that mass production is difficult. On the other hand, if this semiconductor integrated circuit is simply constituted by a partially depleted SOI structure MOSFET, an ultra-low power consumption operation becomes impossible due to the unstable operation caused by the above-mentioned substrate floating effect or the like.
[0011]
Therefore, the present invention has been made in view of the technical problems as described above, and the object of the present invention is to apply, for example, an IC for a watch appropriately according to the characteristics of devices having various SOI structures. It is an object of the present invention to provide a semiconductor integrated circuit capable of ultra-low power consumption operation as described above, a timepiece including the same, and an electronic device.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, the present invention provides a first power supply line for supplying a first potential, a second power supply line for supplying a second potential lower than the first potential, and the first power supply line. And a constant voltage generation circuit electrically connected to the second power supply line, and a third power supply line for supplying a constant voltage generated by the constant voltage generation circuit with reference to the first potential And an operation circuit electrically connected to the first and third power supply lines, and constitutes the constant voltage generation circuitTransistorA first field effect transistor having a partially depleted SOI structure in which a body region and a source region are electrically connected, and constitutes the operation circuit.TransistorThe body region is composed of a second field effect transistor having a partially depleted SOI structure in which the body region is in an electrically floating state,The proportion of the number of elements of the first field effect transistor in the entire circuit is so small that the influence of the increase in off-leakage current of the first field effect transistor can be ignored, and the gate-source voltage V GS (However, V GS > 0), the threshold values of the first and second field effect transistors are adjusted so that the drain currents are equal to each other, and this relates to a semiconductor integrated circuit in which the circuit operation stop voltage of the entire circuit is lowered.
[0013]
  Here, the constant voltage generation circuit generates a constant voltage using the potential difference between the first and second potentials supplied to the first and second power supply lines as an operating voltage. Configuring such a constant voltage generation circuitTransistorAnd a field effect transistor having a partially depleted SOI structure in which a body region and a source region are electrically connected, and the entire circuit has a field effect of such a source tie partially depleted SOI structure. It is desirable that the transistor is configured.
[0014]
  The operation circuit is a constant voltage generated by the constant voltage generation circuit with the first potential as a reference, and preferably operates at an extremely low voltage.Body areaIs composed of a partially depleted SOI field effect transistor which is electrically floating, and the entire circuit is composed of such a floating body partially depleted SOI field effect transistor. It is desirable.
[0015]
That is, according to the present invention, the constant voltage generation circuit connected to the first and second power supply lines to which a high voltage may be applied is electrically connected to the partially depleted body region and the source region. The field effect transistor is configured by a connected SOI structure, and a constant voltage generated by the constant voltage generation circuit is supplied to the operation circuit by the first and third power supply lines. If the constant voltage generation circuit can generate an ultra-low constant voltage, a semiconductor integrated circuit capable of ultra-low power consumption operation can be obtained by configuring the operation circuit with a field effect transistor having an SOI structure whose body region is in a floating state. Can be provided.
[0016]
Note that a digital circuit that performs a logical operation is suitable as the operation circuit. In general, when most part of a semiconductor integrated circuit is a digital circuit part that performs a logic operation, it is possible to achieve an effect by adopting a floating body type SOI structure field effect transistor capable of an ultra-low constant voltage operation as described above. In particular, ultra-low power consumption can be achieved.
[0017]
Furthermore, the operation circuit electrically connected to the first and third power supply lines with the constant voltage reference as the first potential is the second potential supplied by the second power supply line. There may be.
[0018]
By the way, the threshold value of the field effect transistor of the SOI structure (source tie type (body tie type in a broad sense)) in which the body region is electrically connected to the source region, and the body region are in an electrically floating state. When the threshold value of the field effect transistor of the SOI structure (floating body type) is the same, that is, approximately the same, the off-leak current of the field effect transistor of the source tie type SOI structure increases.
[0019]
Although the circuit portion constituted by the field effect transistor having the floating body type SOI structure can be operated up to a lower operating voltage, the circuit operation stop voltage of the entire semiconductor integrated circuit is the source tie type SOI. It relied on the circuit portion formed by the field effect transistor of the structure. However, by making the threshold value of the field effect transistor of the source tie type SOI structure and the threshold value of the field effect transistor of the floating body type SOI structure equal, the drain current of the field effect transistor of the source tie type SOI structure is reduced. Since it can be increased, the circuit operation stop voltage of the entire semiconductor integrated circuit can be further lowered.
[0020]
In particular, the smaller the ratio of the number of field-effect transistors having a source-tie SOI structure in the entire semiconductor integrated circuit, the more the off-leakage current can be ignored, while the circuit operation stop voltage is further reduced. Therefore, low power consumption can be effectively achieved.
[0021]
The present invention also includes first and second external terminals electrically connected to the first and second power supply lines, respectively, and the first and second external terminals are connected to the first and second external terminals, respectively. A potential of 2 is supplied.
[0022]
According to the present invention, the circuit operation becomes unstable due to the substrate floating effect, so that a high voltage cannot be applied, and the circuit operates with respect to an operation circuit including a field effect transistor having a floating body type SOI structure that operates at an extremely low constant voltage. When supplying the voltage, the uncontrollable external power supply voltage applied from the external terminal is once supplied to the constant voltage generating circuit according to the present invention. Since the constant voltage generating circuit according to the present invention is composed of a field effect transistor having a body tie type SOI structure, it can obtain the same DC characteristics and AC characteristics as those of the bulk type, and from the outside which varies for some reason. This is a case where a high operating voltage is supplied and instability of operation due to the substrate floating effect is not caused.
[0023]
With such a constant voltage generation circuit, an ultra-low constant voltage is generated and supplied to the above-described operation circuit, so that an operation circuit portion that occupies most of the circuit generally performs an ultra-low constant voltage operation. Reduce power consumption.
[0024]
In addition, since the operation circuit is configured by a field effect transistor having an SOI structure having a body region that is partially depleted, the existing bulk type manufacturing process can be used and the threshold control is caused by the thinness of the silicon layer. Therefore, the manufacturing cost can be reduced and the threshold value can be controlled with high accuracy, so that a more reliable semiconductor integrated circuit can be provided.
[0025]
  In the present invention, the value of the constant voltage isThe constant voltage generation circuitIt is a value corresponding to the sum of the threshold values of the N-channel and P-channel field effect transistors constituting the.
[0026]
  According to the present invention,Constant voltage generatorSince the value corresponding to the sum of the thresholds of the N-channel type and P-channel field effect transistors constituting N is supplied to the operation circuit as a constant voltage, the temperature gradient between the constant voltage and the circuit operation stop voltage of the operation circuit By constantly supplying a constant voltage value that is slightly higher than the circuit operation stop voltage without setting a uselessly high constant voltage value in the temperature range in which operation is guaranteed, it is possible to effectively reduce power consumption. be able to.
[0027]
  The present invention also includes an oscillation circuit that is electrically connected to the first and third power supply lines and whose oscillation output is supplied to the operation circuit, and constitutes the oscillation circuit.TransistorThe semiconductor device is characterized by comprising a field effect transistor having a partially depleted SOI structure in which a body region and a source region are electrically connected.
[0028]
According to the present invention, an oscillation circuit having an undesirable frequency dependency and voltage dependency is configured by a field effect transistor having an SOI structure in which a partially depleted body region is electrically connected to a source region. The stability of the oscillation output can be realized.
[0029]
In addition, since the oscillation circuit constantly consumes current repeatedly, it is desirable that the power supply voltage has as low an amplitude as possible. However, in the present invention, since it is configured by a field effect transistor having an SOI structure, low power consumption operation can be achieved. Make it possible.
[0030]
According to the present invention, the constant voltage generating circuit has one end electrically connected to the second power supply line and one end electrically connected to the first power supply line. A second constant current source and a body region are electrically connected to a source region electrically connected to the first power supply line, and a gate electrode and a drain region are connected to the other end of the first constant current source. An electrically connected first P-channel field effect transistor having an SOI structure, one of which is electrically connected to the gate electrode of the first P-channel field effect transistor, and the other is the second constant current. A differential pair comparator circuit electrically connected to the other end of the source; a body region electrically connected to the source region; and a gate electrode electrically connected to the other end of the second constant current source A first N-channel field effect transistor having an SOI structure; The gate electrode is electrically connected to the differential output of the differential pair comparator circuit connected to the gate electrode of the first P-channel field effect transistor, and the body region and the source region are A second N-channel field effect transistor electrically connected to a second power supply line and having a drain region electrically connected to a source region of the first N-channel field effect transistor, By adjusting the drain current of the second N-channel field effect transistor, the first P-channel type and the N-channel type are used as constant voltage values supplied to the third power supply line with the first potential as a reference. A sum of thresholds of field effect transistors is generated.
[0031]
According to the present invention, the field effect transistor having a body tie type SOI structure in which the body region is electrically connected to the source region in order to fix the potential of the body region, the P channel type and the N channel can be formed with a very simple configuration. The sum of the threshold values of the channel field effect transistor is generated as a constant voltage. Since this is supplied as a constant voltage to the N-channel and P-channel field effect transistors constituting the operation circuit, the temperature gradient between the constant voltage and the circuit operation stop voltage of the operation circuit becomes equal, and the operation Low power consumption can be effectively achieved by always supplying a constant voltage value slightly higher than the circuit operation stop voltage without setting a uselessly high constant voltage value in the temperature range to be guaranteed.
[0032]
According to the present invention, a body region is electrically connected to each source region between a source region and a drain region of the first N-channel field effect transistor, and a gate electrode is the other end of the second constant current source. Including at least one second N-channel field effect transistor having an SOI structure or a plurality of SOI structures electrically connected to the semiconductor device, and changing a mask for photography at the time of manufacturing a semiconductor integrated circuit. The constant voltage value with the first potential as a reference is adjusted by cutting in this manner.
[0033]
According to the present invention, a body region is electrically connected to each source region between a source region and a drain region of the first N-channel field effect transistor, and a gate electrode is the other end of the second constant current source. And a second N-channel field effect transistor having one or more SOI structures electrically connected to each other, and at least one of the fuse wirings connecting them is cut off, and the first potential is used as a reference. The constant voltage value is adjusted.
[0034]
According to the present invention, fine adjustment of the generated low constant voltage value can be performed with high accuracy by using a nonvolatile memory such as wiring switching by changing a mask for photography at the time of manufacturing a semiconductor integrated circuit or fusing of a fuse. In addition, since the operation voltage can be set just below the circuit operation stop voltage based on the temperature gradient, it is possible to further reduce the power consumption.
[0035]
In the present invention, the second N-channel field effect transistor having the SOI structure has different gate width / gate length (W / L).
[0036]
According to the present invention, since a plurality of field effect transistors having different current amplification factors are provided, a process for changing a photolithography mask at the time of manufacturing a semiconductor integrated circuit for obtaining a target constant voltage value In addition to reducing the fusing process, the same fine adjustment can be achieved.
[0037]
Further, the present invention is a timepiece including any of the semiconductor integrated circuits described above.
[0038]
According to the present invention, it is possible to provide a timepiece capable of ultra-low power consumption and stable oscillation without depending on the power supply voltage of other circuits of the timepiece.
[0039]
  The present invention also includes a detection circuit that is electrically connected to the first and third power lines and detects a given signal from the watch body;the aboveAny one of the semiconductor integrated circuits,The detection circuit includes:The watch is composed of a partially depleted SOI field effect transistor in which a body region and a source region are electrically connected, and the operation circuit is a watch that performs a given operation in accordance with a detection result of the detection circuit. It is characterized by.
[0040]
According to the present invention, it is possible to provide a timepiece that performs accurate timekeeping with stable oscillation and can be carried for a long time by ultra-low power consumption operation.
[0041]
According to the present invention, the electronic device includes any one of the semiconductor integrated circuits described above.
[0042]
According to the present invention, it is possible to provide an electronic device that can extend the life of a battery by an ultra-low power consumption operation without depending on the power supply voltage of another circuit.
[0043]
  According to the invention, there is provided a detection circuit that is electrically connected to the first and third power supply lines and detects a given input signal, and any one of the semiconductor integrated circuits described above,The detection circuitA field effect transistor having a partially depleted SOI structure in which a body region and a source region are electrically connected, and the operation circuit performs a given operation in accordance with a detection result of the detection circuit. And
[0044]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while performing appropriate control according to the operation state of another circuit part, the electronic device which can be carried for a long time by ultra-low power consumption operation | movement can be provided.
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0046]
1. MOSFET with SOI structure
First, an SOI structure MOSFET will be described.
[0047]
1.1 Fully depleted and partially depleted
1A to 1C schematically show cross-sectional structures of a conventional bulk MOSFET and an SOI structure MOSFET.
[0048]
As shown in FIG. 1A, in a conventional bulk MOSFET 10, a source region (S) 16 and a drain region (D) 18 into which impurities are implanted are formed in a well 14 formed on a silicon substrate 12. The The source region 16 and the drain region 18 are formed on both sides of the channel region 20 having a distance corresponding to the channel length. A gate electrode (G) 22 is disposed above the channel region 20 via a gate oxide film.
[0049]
In contrast, as shown in FIGS. 1B and 1C, a fully depleted type (hereinafter abbreviated as FD) and a partially depleted type (hereinafter abbreviated as PD). The SOI-structure MOSFETs 30 and 50 each have a similar structure in which a buried oxide film (hereinafter abbreviated as BOX) is formed on a silicon substrate.
[0050]
That is, in the MOSFETs 30 and 50 having the SOI structure, the BOXes 34 and 54 are formed on the silicon substrates 32 and 52 used for the conventional bulk type, and the silicon layer is formed on the BOXes 34 and 54. Source regions (S) 36 and 56 and impurity regions (D) 38 and 58 into which impurities are implanted are formed on both sides of the silicon layer formed on the top of each BOX 34 and 54. The silicon layers between the source regions (S) 36 and 56 and the drain regions (D) 38 and 58 are called body regions (or body portions) 40 and 60, and a gate oxide film is formed above each of the body regions 40 and 60. Gate electrodes (G) 42 and 62 are formed through the.
[0051]
The difference between the FD and the PD is caused by the film thickness of the silicon layer constituting the body regions 40 and 60, as schematically shown in FIGS.
[0052]
In the case of PD, the body region 40 includes a depletion layer in which no carriers are present and a neutral region in which many carriers are present.
[0053]
On the other hand, in the case of the FD, the neutral region does not exist in the body region 40 and only the depletion layer is formed.
[0054]
Here, the operation of the MOSFET having the SOI structure will be briefly described by taking an N-channel type in which the potential of the body region is not fixed (floating state) as an example.
[0055]
In PD, since there is no potential gradient in the neutral region, the majority carrier potential barrier between the source region and the body region (φh) Is higher for PD than for FD. Therefore, when a given bias is applied between the source region and the drain region, when electrons and holes are generated by the impact ionization phenomenon, the holes that are majority carriers flow toward the source region.
[0056]
Potential barrier against holes (φh), Some holes accumulate in the body region. In PD, this potential barrier (φh) Is high, the amount of majority carriers accumulated in the body region is larger in PD.
[0057]
In the case of PD, when the holes, which are majority carriers, continue to be accumulated in the body region, the threshold value of the N-channel MOSFET is lowered due to the bias effect. Therefore, the drain current increases rapidly.
[0058]
In order to reduce the influence of the substrate floating effect in which the drain current kinks and the transient threshold change due to the fluctuation of the potential of the PD body region, the body region potential is fixed at the sacrifice of integration density ( It is said that it is necessary to adopt a body tie type) or an FD that is more difficult to manufacture.
[0059]
However, since the present embodiment is applied to a field specialized in “super” low power consumption operation such as a watch IC, for example, by operating in a low electric field where the impact ionization phenomenon can be ignored, the above-described substrate floating It is characterized by reducing the effect.
[0060]
That is, when the bias between the body region and the source region is a high electric field, a large number of majority carriers are generated by the impact ionization phenomenon and accumulated in the body region. This means that the body potential increases as the gate voltage increases, and as a result, the drain current increases due to the lowering of the threshold and the parasitic bipolar effect.
[0061]
When the gate voltage is lowered from this state, the body potential does not decrease immediately. This is because the time constant of the majority carrier annihilation process is large. As a result, the drain current remains larger than the initial value for a while. Accordingly, the sub-threshold current including the off-current also increases, which is inconvenient for low power consumption.
[0062]
In contrast, at low electric fields where the impact ionization phenomenon can be ignored, the change in the number of majority carriers is governed by the generation and recombination mechanisms, so that when the gate voltage under “normal operation” changes, The career hardly changes.
[0063]
Therefore, while the gate voltage of the MOSFET is increasing, the diffusion of the depletion layer is delayed, so that the potential of the body region increases and the threshold value decreases. As a result, the drain current increases in a region where the gate voltage is high.
[0064]
On the other hand, while the gate voltage is decreasing, the contraction of the depletion layer is delayed, thereby causing a decrease in the potential of the body region and an increase in the threshold value. As a result, the drain current decreases in the region where the gate voltage is low.
[0065]
By both of these phenomena, the change in the subthreshold is made steep, the on-current is increased, and the off-current is decreased. Therefore, the low voltage operation and the low power consumption operation performance can be remarkably improved.
[0066]
FIG. 2 shows an example of sub-threshold characteristics of a MOSFET having a typical PD type SOI structure.
[0067]
Here, the horizontal axis represents the gate voltage (unit [V]) and the vertical axis represents the drain current (unit [A / μm]), and the change in the subthreshold current in the subthreshold region of the P channel type and N channel type MOS is shown. ing.
[0068]
As described above, when the voltage Vd between the drain region and the source region is 1.1 V, kinks are generated in the N-channel type, but it is steep under a low electric field such as Vd of 0.1 V or 0.6 V. The subthreshold change is maintained.
[0069]
Therefore, in a field specialized in ultra-low power consumption such as a watch IC, by actively utilizing the substrate floating effect which has been regarded as one of the disadvantages in the PD type SOI structure MOSFET, Voltage operation and low power consumption operation performance can be improved. In addition, since an existing bulk type process can be used, the manufacturing cost is excellent.
[0070]
1.2 Floating body type and body tie type
As a device for reducing the influence of the substrate floating effect of the MOSFET having the SOI structure in which the body region is in a floating state, there is a MOSFET having a body tie type SOI structure.
[0071]
In the body tie type, the potential of the body region described in FIGS. 1B and 1C is fixed. As the body tie type, by connecting the body region to, for example, the source region (source tie type), the majority carriers accumulated in the body region can be quickly extracted. Thereby, the kink phenomenon and the bipolar effect caused by the increase in the potential of the body region can be removed.
[0072]
FIGS. 3 and 4 show an example of the on / off current ratio of the MOSFET of the PD type SOI structure when the body region is in a floating state (floating body type) and in a fixed state (body tie type).
[0073]
Here, the horizontal axis represents the on-current (VGS= VDS= 0.5V) (unit [A / μm]), with the vertical axis representing the off-state current (unit [A / μm]), the N-channel type in FIG. 3 and the P-channel type on / off current ratio in FIG. It shows a change.
[0074]
Thus, when trying to obtain the same on-current, the body tie type has more off-state current than the floating body type, and the floating body type is superior in low power consumption operation. It is shown that. The same applies to the N channel type and the P channel type.
[0075]
On the other hand, when trying to obtain the same off-current, the floating body type has a higher on-current than the body tie type, which means that a steep sub-threshold characteristic can be obtained. This indicates that high-speed operation is possible. The same applies to the N channel type and the P channel type.
[0076]
FIGS. 5A and 5B show an example of a layout of floating body type and body tie type PD type SOI structure MOSFETs.
[0077]
Since it is necessary to provide an electrode for fixing the potential of the body region in the body tie type, compared with the floating body type MOSFET shown in FIG. 5A, the body tie type MOSFET shown in FIG. The layout area becomes larger.
[0078]
As described above, regarding the PD type SOI structure MOSFET, when the floating body type and the body tie type are compared, the floating body type is clearly more advantageous in terms of the on / off current ratio and the layout area.
[0079]
However, in the present embodiment, the body tie type of the MOSFET having the PD type SOI structure is a source tie type in which the body region and the source region are electrically connected, so that the DC characteristic and the AC characteristic similar to the conventional bulk are obtained. Focus on the point.
[0080]
FIG. 6 shows an outline of the basic configuration of the semiconductor integrated circuit according to the present embodiment as described above.
[0081]
The semiconductor integrated circuit of this embodiment includes first and second external terminals 80 and 82, and a first power supply line V to which first and second potentials are supplied from the outside, respectively.DDSecond power line VSSAnd are electrically connected.
[0082]
First power line VDDAre electrically connected to a constant voltage generation circuit 90 and an operation circuit 92.
[0083]
Second power line VSSAre connected to a constant voltage generation circuit 90.
[0084]
Since the constant voltage generation circuit 90 may be applied with a high voltage that cannot reduce the influence of the substrate floating effect as described above, a body tie type (particularly, body region ( (Synonymous with the body part) and source tie type) in which the source region is electrically connected, and has characteristics similar to those of the conventional bulk and depends on fluctuations in the first and second potentials applied from the outside. Without generating a stable constant voltage.
[0085]
As the operation circuit 92, a floating body type is applied to at least a part of a transistor as a component as a part where ultra-low power consumption is effective such as a logic circuit that occupies most of the other circuits.
[0086]
That is, the first power supply line V is connected to the floating body type circuit portion that causes circuit instability due to the substrate floating effect.DDThe operation circuit unit 92 to which the floating body type is applied by supplying a constant voltage generated by a constant voltage generation circuit 90 configured as a body tie type via the third power supply line 94 with reference to the potential as a reference. Enables ultra-low power consumption.
[0087]
The constant voltage generation circuit 90 is desirably configured as a body tie type as a whole. Further, it is desirable that the operation circuit 92 is configured as a floating body type as a whole.
[0088]
In addition, by applying a partially depleted SOI structure transistor, existing manufacturing equipment can be used to obtain good threshold controllability and excellent cost performance.
[0089]
Hereinafter, the semiconductor integrated circuit of the present embodiment will be specifically described.
[0090]
2. IC for watch with ultra-low power consumption
2.1 Circuit configuration
FIG. 7 shows an example of the configuration of a watch IC that operates with ultra-low power consumption to which the semiconductor integrated circuit of this embodiment is applied.
[0091]
This watch IC includes an analog circuit unit 100 that requires a linear operation and a digital circuit unit 110 that performs a logical operation.
[0092]
The analog circuit unit 100 includes a constant voltage generation circuit (Voltage Regulator) 102, an oscillation circuit (Oscillator) 104, and a detection circuit (Detector) 106.
[0093]
The digital circuit unit 110 includes a frequency divider (Divider) 112 and a control circuit (Controller) 114.
[0094]
The analog circuit unit 100 includes the first power line VDDAnd the second power line VSSIs connected.
[0095]
The constant voltage generation circuit 102 of the analog circuit unit 100 includes a first power supply line VDDAnd the second power line VSSIs connected. The constant voltage generation circuit 102 includes a first power supply line VDDAnd the second power line VSSThe first power line V as the operating (power) voltage with the potential difference betweenDDA given low constant voltage can be generated with reference to the potential. This low constant voltage is applied to the first power line VDDAnd the power supply line 120 are supplied to each part of the circuit.
[0096]
The oscillation circuit 104 and the detection circuit 106 are connected to the first power line VDDAnd the power line 120 are connected, and the potential difference between the two power lines operates as an operating (power) voltage.
[0097]
The frequency divider 112 and the control circuit 114 of the digital circuit 110 are connected to the first power line VDDAnd the power line 120 are connected, and the potential difference between the two power lines operates as an operating (power) voltage.
[0098]
FIG. 8 shows an example of a main configuration part of the watch IC in the present embodiment shown in FIG.
[0099]
However, the same parts as those of the watch IC shown in FIG.
[0100]
Such a watch IC has a first power supply line VDDIs at the ground level, the constant voltage generation circuit 102 receives the second power supply line V from the outside of the IC.SSAn external voltage is supplied via the.
[0101]
The constant voltage generation circuit 102 supplies a given low constant voltage generated between the power supply line 120 and the ground level to each part of the circuit.
[0102]
The oscillation circuit 104 takes out a 32 kilohertz (KHz) oscillation output from the externally attached 32 KHz crystal resonator 130 and supplies it to the digital circuit unit 110.
[0103]
As shown in FIG. 8, the digital circuit unit 110 is composed of a logic circuit, and the oscillation output from the oscillation circuit 104 is sequentially divided by a frequency dividing circuit 112 which is a part of the logic circuit, for example, 0.1 Hz. A circumferential signal is generated.
[0104]
On the other hand, the detection circuit 106 detects various notification signals indicating the operation state of a watch body (not shown) input from the operation state notification signal terminal 134 and outputs the detection result signal 136 to the control circuit 114 of the digital circuit 110.
[0105]
The control circuit 114 of the digital circuit unit 110 controls the output timing of the frequency-divided signal 132 output from the frequency-dividing circuit 112 according to the result indicated by the detection result signal 136 from the detection circuit 106. For example, the detection circuit 106 monitors the movement of the hands of a clock body (not shown) by various notification signals from the operation state notification signal terminal 134, and generates and supplies a clock signal 138 with an accurate timing by the control circuit 114, and The hand movement control is performed on the body.
[0106]
2.2 Digital circuit
The digital circuit unit 110 is a logic circuit in which a logical operation is performed, and usually has the largest number of elements in the watch IC and occupies most of the circuit.
[0107]
In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the digital circuit section 110 such as the frequency divider 112 and the control circuit 114 is configured by a floating body type PD type SOI structure MOSFET.
[0108]
By adopting the floating body type, as shown in FIGS. 5A and 5B, it is possible to realize a MOSFET having the minimum size in terms of design rules, and ideally reduce the junction capacitance. .
[0109]
In addition, by adopting a floating body type PD-type SOI structure MOSFET, the threshold value during actual operation (AC operation) is made higher than the threshold during DC operation by actively utilizing the substrate floating effect in the body region. Can be further reduced, and the low voltage drive of the digital circuit unit 110 occupying most of the watch IC can be realized. Thereby, ultra-low power consumption can be achieved effectively. Therefore, the digital circuit unit 110 is supplied with an ultra-low constant voltage necessary for positively utilizing the above-described substrate floating effect in the floating body type PD-type SOI structure MOSFET by the constant voltage generation circuit 102. I have to.
[0110]
2.3 Analog circuit
The analog circuit unit 100 according to the present embodiment includes the second power line VSSThe constant voltage generation circuit 102 to which an external power supply voltage is supplied via the external power supply and a part of the MOSFET of the detection circuit 106 that receives an external signal to which an ultra-low constant voltage is not supplied by the constant voltage generation circuit 102 are respectively provided in the body. A tie-type PD type SOI structure MOSFET is employed. Thereby, the substrate floating effect in the body region can be suppressed, and analog characteristics at the same level as the bulk type can be obtained.
[0111]
Further, in this embodiment, the oscillation inverter of the oscillation circuit 104 is also configured by a body tie type PD type SOI structure MOSFET. This is because, in the case of an oscillation circuit in particular, an analog characteristic having no frequency dependency or voltage dependency is required. That is, the oscillation circuit 104 adopts a body tie type PD type SOI structure MOSFET and operates at an ultra-low constant voltage, whereby a low power consumption operation and a stable oscillation output can be obtained.
[0112]
Further, in the detection circuit 106, except for the interface portion of the signal from the outside to which the ultra-low constant voltage is not supplied by the constant voltage generation circuit 102, it is configured as a floating body type, so that further low power consumption operation can be achieved. it can.
[0113]
In such an analog circuit 100, by further supplying a constant current and driving at a constant current, the operating current is suppressed and the operating current of the MOSFET is operated in a subthreshold region of about 1 nA. This ensures low current consumption operation and constant voltage operation.
[0114]
In particular, the oscillation inverter of the oscillation circuit 104 is selectively doped with impurities in the P-channel type and N-channel type SOI structure MOSFETs, and controlled to be lower than the threshold value of other MOSFETs in the analog circuit unit 100. Thus, the low constant voltage operation of the oscillation circuit 104 can be ensured.
[0115]
2.4 Constant voltage generator
2.4.1 Circuit configuration
FIG. 9 shows an example of a main part of the constant voltage generation circuit 102 in the present embodiment shown in FIGS.
[0116]
The P channel type and N channel type PD type SOI structure MOSFETs included in the constant voltage generation circuit 102 of this embodiment are all body tie type as shown in FIG. 9, and the body region is connected to the source region. .
[0117]
First, the constant voltage generation circuit 102 includes a differential pair comparator circuit 200.
[0118]
The comparator circuit 200 of the differential pair includes a constant current source 202, P-channel MOSFETs 204 and 206, and N-channel MOSFETs 208 and 210 on the load side.
[0119]
One end of the comparator circuit 200 of the differential pair is grounded (the first power line VDDThe source terminals of the P-channel MOSFETs 204 and 206 are connected to the other end of the constant current source 202 connected to the other.
[0120]
The drain terminals of the P-channel MOSFETs 204 and 206 are connected to the drain terminals of the load-side N-channel MOSFETs 208 and 210, respectively.
[0121]
The gate terminals of the N-channel MOSFETs 208 and 210 on the load side are connected to each other, and the gate terminal and the drain terminal of the N-channel MOSFET 210 are connected. Thereby, a mirror circuit is configured on the load side.
[0122]
The source terminal of the P-channel MOSFET 212 is grounded (first power line VDDThe gate terminal and the drain terminal are connected. The gate terminal and the drain terminal are connected to the node P. The node P has a gate terminal of the P-channel MOSFET 204 and one end at the second power supply line V.SSIs connected to the other end of the constant current source 214 connected to.
[0123]
Furthermore, one end is grounded (the first power line VDDThe other end of the constant current source 216 connected to the node P ′ is connected to the node P ′. The node P ′ is connected to the gate terminal of the P-channel MOSFET 206 and the drain terminal of the N-channel MOSFET 218.
[0124]
The gate terminal and drain terminal of the N-channel MOSFET 218 are connected to each other, and the source terminal is connected to the node Q. This node Q is connected to an output terminal 220 that outputs an extremely low constant voltage value with reference to the ground level (the potential level of the first power supply line) and the drain terminal of the N-channel MOSFET 222.
[0125]
The gate terminal of the N-channel MOSFET 222 is connected to the drain terminal of the P-channel MOSFET 204 and the drain terminal of the N-channel MOSFET 208. The source terminal of the N-channel MOSFET 222 is connected to the second power line VSSIt is connected to the. The N-channel MOSFET 222 is an output control transistor.
[0126]
Further, N-channel MOSFETs 230, 232 and 234 are connected between the node P ′ and the node Q in parallel with the N-channel MOSFET 218. The drain terminals and gate terminals of the N-channel MOSFETs 230, 232, and 234 are connected to each other.
[0127]
Here, three MOSFETs 230, 232, and 234 are connected in parallel with the N-channel MOSFET 218, but one, two, four, or more MOSFETs may be connected.
[0128]
2.4.2 Outline of operation
In the constant voltage generating circuit 102 having such a configuration, the potential of the node P, which is the potential of the drain terminal of the P-channel MOSFET 212, is set so that the constant current value supplied by the constant current source 214 flows. The potential of the node P is input to the gate terminal of the P-channel MOSFET 204 which is one input terminal of the differential pair comparator circuit 200 described above.
[0129]
A potential controlled by the output control N-channel MOSFET 222 and the N-channel MOSFET 218 is generated at the node P ′, and the potential of the node P ′ is the P-channel which is the other input terminal of the differential pair comparator. Negative feedback is provided to the gate terminal of the type MOSFET 206. With this configuration, the node P and the node P ′ are controlled to the same potential by the operations of the differential pair P-channel MOSFETs 204 and 206 and the output control N-channel MOSFET 222. Since the current flowing through the node P ′ is constant by the constant current source 216, the potential difference between the node Q and the node P ′ is constant voltage (V) controlled by the N-channel MOSFET 218.N)
[0130]
By doing so, the constant voltage V supplied from the output terminal 220 is obtained.QIs a potential difference V generated in the P-channel MOSFET 212 with the ground level (the potential level of the first power supply line) as a reference potential.PAnd the potential difference V generated in the N-channel MOSFET 218NWill be output.
[0131]
2.4.3 Adjustment of constant voltage value
In this embodiment, the constant voltage V supplied from the output terminal 220 with the ground level (the potential level of the first power supply line) as the reference potential.QHowever, there is a case where it fluctuates due to variations in the threshold value of the MOSFET at the time of manufacturing a semiconductor integrated circuit. Therefore, an N-channel MOSFET having a W / L different from the W / L of the N-channel MOSFET 218 is arranged and the wiring is switched. Thus, a desired constant voltage can be supplied.
[0132]
In this case, the N-channel MOSFETs 230, 232, and 234 are set to different W / L, and the current amplification factor is changed, whereby wiring (for example, Al wiring) for connecting the MOSFETs is used for photolithography when manufacturing a semiconductor integrated circuit. N-channel MOSFETs having any W / L are selected by connecting or blocking any MOSFET by using a non-volatile memory such as mask change (master slice) or fuse wiring fusing The low voltage value can be adjusted with high accuracy.
[0133]
2.4.4 Circuit operation stop voltage VSTORelationship with
By the way, the circuit operation is stopped in the oscillation circuit 104, the digital circuit 110, and the detection circuit 106 that operate using the constant voltage generated by the constant voltage generation circuit 102 using the ground level (the potential level of the first power supply line) as a reference potential. Voltage VSTOIs decided. Therefore, in order to reduce the power consumption as much as possible, the constant voltage value to be generated by the constant voltage generation circuit 102 is the circuit operation stop voltage V in the guaranteed operating temperature range.STOIt needs to be higher and as low as possible.
[0134]
Circuit operation stop voltage VSTODepends on the threshold value of the MOSFET constituting the circuit to which the low voltage is supplied. Therefore, in the constant voltage generation circuit 102 in this embodiment, the constant current value is adjusted to adjust the saturation of the P-channel MOSFET 212 connected in saturation. The sum of the value of Vds (drain-source voltage) and the value of Vds of the saturation-connected N-channel MOSFET 218 is output as a constant voltage.
[0135]
Therefore, the constant voltage V supplied from the output terminal 220QIs the threshold V of each of the P-channel MOSFET 212 and the N-channel MOSFET 218.thN, | VthPThe value depends on the sum of |.
[0136]
As a result, the low constant voltage generated by the constant voltage generation circuit 102 and the circuit operation stop voltage V of the circuit to which the low constant voltage is supplied.STOThe circuit operation stop voltage V is always set without setting an unnecessarily high constant voltage value in a temperature range in which operation is guaranteed.STOBy supplying a slightly higher constant voltage value, it is possible to effectively reduce power consumption.
[0137]
2.5 Threshold adjustment
As described above, in the watch IC in this embodiment, the floating body type and the body tie type are mixed for the MOSFET of the PD type SOI structure, but the process conditions are the same when both are manufactured in the same silicon chip. As a result, the off-state leakage current is at the same level.
[0138]
FIG. 10A shows an example of characteristics when a floating body type and a body tie type are manufactured under the same process conditions.
[0139]
Here, the horizontal axis shows the voltage V between the gate and source of the MOSFET having the SOI structure.GSThe drain-source current I on the vertical axisDSThis shows the floating type and body tie type.
[0140]
In other words, when aiming at ultra-low power consumption, the leakage current during standby is the same level between the floating body type and body tie type by manufacturing under the same process conditions in order to minimize the leakage current during standby. It is said.
[0141]
In this case, the same VGSFor floating body type, IDSTherefore, the rise of the circuit becomes steep, and the threshold during operation can be lowered by the substrate floating effect. Therefore, the power consumption can be reduced more effectively by adopting it in the logic circuit part that shows most of the circuit. be able to. For circuit parts that must depend on an external power supply, a body tie type that is less affected by the substrate floating effect is adopted.
[0142]
However, the body tie type is IDSCircuit operation stop voltage VSTOWill depend on the circuit part composed of the body tie type. That is, the circuit portion constituted by the floating body type operates to a lower operating voltage, but the body tie type does not operate.STOWill depend on this body tie part.
[0143]
Therefore, in the watch IC according to the present embodiment, when the proportion of the analog circuit portion adopting the body tie type in the IC is very small, the leakage current of the body tie type during standby can be ignored for the entire IC. Pay attention to the optimal VGSIDSIs characterized in that the process conditions are adjusted so as to be substantially the same.
[0144]
FIG. 10B shows an example of characteristics when the floating body type and the body tie type are manufactured by adjusting the process conditions.
[0145]
Here, the horizontal axis shows the voltage V between the gate and source of the MOSFET having the SOI structure.GSThe drain-source current I on the vertical axisDSThis shows the floating type and body tie type.
[0146]
That is, a certain VGSAt IDSAre adjusted so that the thresholds are substantially equal (so that the thresholds are approximately equal or equal). As a result, the leakage current during standby of the body tie type increases.
[0147]
However, the number of elements in the analog circuit part where the body tie type is adopted in the watch IC is much smaller than the number of elements in the digital circuit part. However, the increase in leakage current during standby in the entire IC is small.
[0148]
Since the leakage current during standby depends on the W (gate width) / L (gate length) of the MOSFET, the circuit tie-down voltage VSTOCan be lowered further.
[0149]
This becomes more effective as the proportion of the body tie type in the floating body type in the IC is smaller.
[0150]
As described above, according to this embodiment, a logic circuit is constituted by a floating body type PD type SOI structure MOSFET, and a constant voltage (low constant voltage) with the first power supply line as a reference potential is applied thereto. Since it is provided, it is possible to eliminate the influence of the floating substrate type peculiar to the floating body type, and it is possible to provide a semiconductor integrated circuit capable of operating with extremely low power consumption.
[0151]
In addition, the constant voltage generation circuit in this embodiment is configured as a body tie type, and supplies a power supply voltage from the outside, and supplies a low constant voltage generated by the constant voltage generation circuit to an internal floating body type circuit. As a result, effective power consumption can be reduced.
[0152]
In particular, when the ratio of the body tie type is small with respect to the floating type occupying most of the circuit in the IC, the same VGSAgainst IDSBy adjusting the process conditions so that the values are substantially the same, the operating voltage at which the body tie type operates can be lowered, so that the power consumption can be reduced and the circuit operation stop voltage V of the entire IC can be reduced.STOIt is possible to achieve coexistence with lowering.
[0153]
In addition, since the oscillation circuit in this embodiment is configured as a body tie type and supplies a low constant voltage generated by a constant voltage generation circuit, the influence of frequency dependency and voltage dependency is eliminated, and stable oscillation is achieved. Output and ultra-low power consumption operation can be performed.
[0154]
3. Semiconductor device
The semiconductor integrated circuit according to the present embodiment as described above can be operated with an ultra-low power consumption that has not been conventionally achieved by mounting the semiconductor integrated circuit on a silicon chip or the like to constitute a semiconductor device. However, in a broad sense, the semiconductor integrated circuit of this embodiment is included in a semiconductor device.
[0155]
FIG. 11 shows an example of the configuration of a semiconductor device in which the semiconductor integrated circuit of this embodiment is built.
[0156]
The semiconductor device 300 includes a power supply / clock generation circuit 310 including the constant voltage generation circuit and oscillation circuit of the present embodiment, a CPU 312, a RAM 314, a DMA 316, a timer circuit 318, a serial interface circuit 320, and the like mounted on a silicon chip. And a plurality of external terminals. The CPU 312, RAM 314, DMA 316, timer circuit 318, and serial interface circuit 320 are connected to each other via a bus 322.
[0157]
Each circuit in the silicon chip is input from the outside of the semiconductor device via these various external terminals, and an operation signal of the circuit is output to the outside of the semiconductor device via these various external terminals.
[0158]
In the silicon chip mounted on the semiconductor device 300 of the present embodiment, a part of the power / clock generation circuit 310 is configured with a PD type SOI structure MOSFET body tie type, and other CPU 312, RAM 314, DMA 316, timer At least a part of the circuit 318 and the serial interface circuit 320 includes a circuit configured by a floating body type MOSFET having a PD type SOI structure.
[0159]
The power / clock generation circuit 310 includes a constant voltage generation circuit 330 and a clock signal generation circuit 332, and the constant voltage generation circuit 330 is connected to the first and second power supply lines via the power supply terminals 334 and 336. The second power supply lines 338 and 340 and the clock signal generation circuit 332 are connected to the first power supply line 338 and the low constant voltage supply line 342 to which the low constant voltage generated by the constant voltage generation circuit 330 is supplied, respectively. Is done.
[0160]
Further, the clock signal generation circuit 332 can be externally connected to the crystal resonator 348 via the crystal resonator connection terminals 344 and 346, and can divide the oscillation signal of a given frequency and output the clock signal 350. It is like that.
[0161]
Then, in the circuit formed of the floating body type of the PD type SOI structure MOSFET, the first power supply line 338 and the low constant voltage supply wiring 342 are connected, and the clock signal 350 generated by the oscillation circuit 332 is supplied. The
[0162]
Thus, as described above, the floating body type of the PD type SOI structure MOSFET is adopted for the logic circuit portion occupying most of the circuit, and a low constant voltage for reducing the influence of the substrate floating effect is supplied thereto. I did it. Further, as described above, the constant voltage generation circuit 330 for generating the low constant voltage and the oscillation circuit portion for obtaining the oscillation output are constituted by the body tie type of the PD type SOI structure MOSFET. As a result, a semiconductor device capable of operating with ultra-low power consumption without manufacturing costs can be provided.
[0163]
Note that since the frequency dividing circuit portion of the oscillation output of the clock signal generation circuit 332 performs a logic operation, the power consumption can be further reduced by adopting a floating body type of a PD type SOI structure MOSFET.
[0164]
4). Electronics
By applying the semiconductor integrated circuit (semiconductor device) as described above to an electronic device, power consumption of the electronic device can be reduced. That is, when the electronic device is battery-driven, the life of the battery can be extended, and an electronic device that is convenient for the user can be provided. This is applicable not only to the watch of this embodiment but also to various portable information terminal devices.
[0165]
FIGS. 12A and 12B show an example of a block diagram of the electronic apparatus of this embodiment.
[0166]
As shown in FIG. 12A, the electronic apparatus 400 includes a power supply / clock generation circuit 410 that generates an ultra-low constant voltage and a clock signal corresponding to the ultra-low constant voltage, and a clock signal using the ultra-low constant voltage as an operating voltage. Therefore, an operation circuit 420 for performing a given operation is included.
[0167]
The power / clock generation circuit 410 includes a constant voltage generation circuit 412 and a clock signal generation circuit 414.
[0168]
The constant voltage generation circuit includes a first power line VDDAnd the second power line VSSAn ultra-low constant voltage is generated from the potential difference between and a body type of a PD type SOI structure MOSFET.
[0169]
The clock signal generation circuit 414 includes the first power supply line VDDAnd the ultra-low constant voltage generated by the constant voltage generation circuit 412 is operated as an operating voltage, the oscillation output of the externally attached crystal resonator 416 is taken out, and this is divided to obtain a clock signal 418. Generate. The portion from which the oscillation output of the clock signal generation circuit 414 is taken out is preferably constituted by a body tie type of a PD type SOI structure MOSFET, and the frequency division portion is preferably constituted by a floating body type of a MOSFET of a PD type SOI structure.
[0170]
The operation circuit 420 performs a given logic operation in accordance with the clock signal 418 and is configured by a floating body type MOSFET having a PD type SOI structure.
[0171]
As shown in FIG. 12B, the operation circuit 420 includes a CPU (or a semiconductor integrated circuit (semiconductor device) of this embodiment) 422, an input unit 424, a memory 426, an image generation unit 428, a sound output unit 430, a communication. Part 432.
[0172]
It is desirable that each unit that performs these logic operations is constituted by a floating body type MOSFET having a PD type SOI structure.
[0173]
Here, the input unit 424 is for inputting various data. The CPU (or the semiconductor integrated circuit (semiconductor device) of this embodiment) 422 performs various processes based on the data input by the input unit 424. The memory 426 serves as a work area for the CPU (or the semiconductor integrated circuit (semiconductor device) of this embodiment) 422 and the like. The image output unit 428 is for outputting various images (characters, icons, graphics, etc.) displayed by the electronic device, and the function can be realized by hardware such as an LCD or CRT. The sound output unit 430 is for outputting various sounds (sound, game sound, etc.) output by the electronic device, and the function can be realized by hardware such as a speaker.
[0174]
FIG. 13A illustrates an example of an external view of a mobile phone 950 which is one of electronic devices. The cellular phone 950 includes a dial button 952 that functions as an input unit, an LCD 954 that functions as an image output unit and displays a telephone number, a name, an icon, and the like, and a speaker 956 that functions as a sound output unit and outputs sound.
[0175]
FIG. 13B illustrates an example of an external view of a portable game device 960 that is one of electronic devices. The portable game device 960 includes an operation button 962 that functions as an input unit, a cross key 964, an LCD 966 that functions as an image output unit and displays a game image, and a speaker 968 that functions as a sound output unit and outputs game sound. Prepare.
[0176]
FIG. 13C illustrates an example of an external view of a personal computer 970 that is one of electronic devices. The personal computer 970 includes a keyboard 972 that functions as an input unit, an LCD 974 that functions as an image output unit and displays characters, numbers, graphics, and the like, and a sound output unit 976.
[0177]
By incorporating the semiconductor integrated circuit (semiconductor device) of this embodiment into the electronic devices of FIGS. 13A to 13C, it is possible to achieve ultra-low power consumption of the electronic devices.
[0178]
In addition to the devices shown in FIGS. 13A, 13 </ b> B, and 13 </ b> C, electronic devices that can use this embodiment include portable information terminals, pagers, electronic desk calculators, devices equipped with touch panels, Various electronic devices such as a projector, a word processor, a viewfinder type or a monitor direct-view type video tape recorder, a car navigation device, and a printer can be considered.
[0179]
In addition, this invention is not limited to this embodiment, A various deformation | transformation implementation is possible within the range of the summary of this invention.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1C are schematic views showing a cross-sectional structure of a conventional bulk MOSFET and an SOI structure MOSFET. FIG.
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating an example of subthreshold characteristics of a MOSFET having a typical PD type SOI structure;
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of an on / off current ratio of a MOSFET (N-channel type) having a floating body type and a body tie type PD type SOI structure.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of an on / off current ratio of a MOSFET (P channel type) having a floating body type and a body tie type PD type SOI structure.
FIGS. 5A and 5B are explanatory diagrams illustrating an example of a layout of a floating body type and a body tie type PD type SOI structure MOSFET. FIGS.
FIG. 6 is a configuration diagram showing an outline of a basic configuration of a semiconductor integrated circuit according to the present embodiment;
FIG. 7 is a configuration diagram showing an example of a configuration of a watch IC for ultra-low power consumption operation in the present embodiment.
8 is a block diagram showing an example of a main part of the configuration of the watch IC in the present embodiment shown in FIG. 6;
FIG. 9 is a configuration diagram showing an example of a configuration main part of a constant voltage generation circuit in the present embodiment.
FIGS. 10A and 10B are explanatory diagrams showing an example of characteristics when the floating body type and the body tie type are adjusted when the process conditions are the same.
FIG. 11 is a block diagram showing an example of a configuration of a semiconductor device in which the semiconductor integrated circuit according to the present embodiment is built.
FIGS. 12A and 12B are block diagrams of an example of an electronic apparatus according to the present embodiment.
13A, 13B, and 13C are examples of external views of various electronic devices.
[Explanation of symbols]
10 Bulk MOSFET
12, 32, 52 Silicon substrate
14 wells
16, 36, 56 Source region (S)
18, 38, 58 Drain region (D)
20 channel region
22, 42, 62 Gate electrode
30 FD type SOI structure MOSFET
34, 54 BOX
40, 60 body area
50 FD-type SOI structure MOSFET
80 First external terminal
82 Second external terminal
90, 102 Constant voltage generation circuit
92 Operation circuit
94 Third power line
100 Analog circuit
104 Oscillator circuit
106 Detection circuit
110 Digital circuit section
112 divider circuit
114 Control circuit
120 power line
130 Crystal resonator
132 Divide signal
134 Operation state notification signal terminal
136 Detection result signal
138 clock signal
200 Comparator circuit of differential pair
202, 214, 216 constant current source
204, 206, 212 P-channel MOSFET
208, 210, 218, 222, 230, 232, 234 N-channel MOSFET
220 Output terminal

Claims (12)

第1の電位を供給する第1の電源線と、
前記第1の電位よりも低い第2の電位を供給する第2の電源線と、
前記第1および第2の電源線に電気的に接続される定電圧発生回路と、
前記定電圧発生回路によって発生される、前記第1の電位を基準とした定電圧を供給するための第3の電源線と、
前記第1および第3の電源線に電気的に接続される動作回路と、を含み、
前記定電圧発生回路を構成するトランジスタは、ボディ領域とソース領域とが電気的に接続された部分空乏型のSOI構造の第1の電界効果トランジスタから構成され、
前記動作回路を構成するトランジスタは、ボディ領域が電気的にフローティング状態である部分空乏型のSOI構造の第2の電界効果トランジスタから構成され、
前記第1の電界効果トランジスタのオフリーク電流の増加の影響を無視できるほど、回路全体に占める前記第1の電界効果トランジスタの素子数の割合が小さく、ゲート・ソース間電圧V GS (但し、V GS >0)に対して互いのドレイン電流が等しくなるように前記第1および第2の電界効果トランジスタの閾値が調整されて、回路全体の回路動作停止電圧を低くしたことを特徴とする半導体集積回路。
A first power supply line for supplying a first potential;
A second power supply line for supplying a second potential lower than the first potential;
A constant voltage generating circuit electrically connected to the first and second power supply lines;
A third power supply line for supplying a constant voltage generated by the constant voltage generation circuit with reference to the first potential;
An operation circuit electrically connected to the first and third power supply lines,
The transistor that constitutes the constant voltage generation circuit includes a first field effect transistor having a partially depleted SOI structure in which a body region and a source region are electrically connected,
The transistor constituting the operation circuit is composed of a second field effect transistor having a partially depleted SOI structure whose body region is in an electrically floating state,
The proportion of the number of elements of the first field effect transistor in the entire circuit is so small that the influence of an increase in off-leakage current of the first field effect transistor is negligible, and the gate-source voltage V GS (however, V GS > 0), the threshold values of the first and second field effect transistors are adjusted so that their drain currents are equal to each other, so that the circuit operation stop voltage of the entire circuit is lowered. .
請求項1において、
前記第1および第2の電源線それぞれに電気的に接続された第1および第2の外部端子を含み、
前記第1および第2の外部端子に、それぞれ前記第1および第2の電位が供給されることを特徴とする半導体集積回路。
In claim 1,
Including first and second external terminals electrically connected to the first and second power supply lines, respectively;
The semiconductor integrated circuit, wherein the first and second potentials are supplied to the first and second external terminals, respectively.
請求項1又は2において、
前記定電圧の値は、前記定電圧発生回路を構成するNチャネル型およびPチャネル型電界効果トランジスタの閾値の和に対応した値であることを特徴とする半導体集積回路。
In claim 1 or 2,
The value of the constant voltage is a value corresponding to the sum of the threshold values of the N-channel and P-channel field effect transistors constituting the constant voltage generating circuit.
請求項1乃至3のいずれかにおいて、
前記第1および第3の電源線に電気的に接続され、その発振出力が前記動作回路に供給される発振回路を含み、
前記発振回路を構成するトランジスタは、ボディ領域とソース領域とが電気的に接続された部分空乏型のSOI構造の電界効果トランジスタから構成されることを特徴とする半導体集積回路。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
An oscillation circuit electrically connected to the first and third power supply lines, the oscillation output of which is supplied to the operation circuit;
2. The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the transistor included in the oscillation circuit includes a field effect transistor having a partially depleted SOI structure in which a body region and a source region are electrically connected.
請求項1乃至4のいずれかにおいて、
前記定電圧発生回路は、
一端が前記第2の電源線に電気的に接続された第1の定電流源と、
一端が前記第1の電源線に電気的に接続された第2の定電流源と、
ボディ領域が前記第1の電源線に電気的に接続されたソース領域に電気的に接続され、ゲート電極およびドレイン領域が前記第1の定電流源の他端に電気的に接続されたSOI構造の第1のPチャネル型電界効果トランジスタと、
一方が前記第1のPチャネル型電界効果トランジスタのゲート電極に電気的に接続され、他方が前記第2の定電流源の他端に電気的に接続された差動対コンパレータ回路と、
ボディ領域がソース領域に電気的に接続され、ゲート電極が前記第2の定電流源の他端に電気的に接続されたSOI構造の第1のNチャネル型電界効果トランジスタと、
ゲート電極が差動対コンパレータ回路の差動出力のうち前記第1のPチャネル型電界効果トランジスタのゲート電極に接続された方の差動出力に電気的に接続され、ボディ領域およびソース領域が前記第2の電源線に電気的に接続され、ドレイン領域が前記第1のNチャネル型電界効果トランジスタのソース領域と電気的に接続された第2のNチャネル型電界効果トランジスタと、を含み、
前記第2のNチャネル型電界効果トランジスタのドレイン電流を調整することによって、前記第1の電位を基準として前記第3の電源線に供給する定電圧値として前記第1のPチャネル型及びNチャネル型電界効果トランジスタの閾値の和を発生することを特徴とする半導体集積回路。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The constant voltage generation circuit includes:
A first constant current source having one end electrically connected to the second power supply line;
A second constant current source having one end electrically connected to the first power line;
An SOI structure in which a body region is electrically connected to a source region electrically connected to the first power supply line, and a gate electrode and a drain region are electrically connected to the other end of the first constant current source. A first P-channel field effect transistor of
A differential pair comparator circuit in which one is electrically connected to the gate electrode of the first P-channel field effect transistor and the other is electrically connected to the other end of the second constant current source;
A first N-channel field effect transistor having an SOI structure in which a body region is electrically connected to a source region and a gate electrode is electrically connected to the other end of the second constant current source;
The gate electrode is electrically connected to the differential output of the differential pair comparator circuit connected to the gate electrode of the first P-channel field effect transistor, and the body region and the source region are A second N-channel field effect transistor electrically connected to a second power supply line and having a drain region electrically connected to a source region of the first N-channel field effect transistor;
By adjusting the drain current of the second N-channel field effect transistor, the first P-channel type and the N-channel as constant voltage values supplied to the third power supply line with the first potential as a reference. A semiconductor integrated circuit characterized by generating a sum of thresholds of a field effect transistor.
請求項5において、
前記第1のNチャネル型電界効果トランジスタのソース領域及びドレイン領域間に、ボディ領域がそれぞれのソース領域に電気的に接続されゲート電極が前記第2の定電流源の他端に電気的に接続された1又は複数のSOI構造の第2のNチャネル型電界効果トランジスタを含み、
これらを接続する配線の少なくとも1つを半導体集積回路製造時のフォトグラフィ用のマスクを変更することによって切断することで前記第1の電位を基準とした前記定電圧の値が調整されたものであることを特徴とする半導体集積回路。
In claim 5,
Between the source region and the drain region of the first N-channel field effect transistor, a body region is electrically connected to each source region, and a gate electrode is electrically connected to the other end of the second constant current source. A second N-channel field effect transistor having one or more SOI structures,
The value of the constant voltage based on the first potential is adjusted by cutting at least one of the wirings connecting them by changing a photolithography mask at the time of manufacturing a semiconductor integrated circuit. A semiconductor integrated circuit characterized by the above.
請求項5において、
前記第1のNチャネル型電界効果トランジスタのソース領域及びドレイン領域間に、ボディ領域がそれぞれのソース領域に電気的に接続されゲート電極が前記第2の定電流源の他端に電気的に接続された1又は複数のSOI構造の第2のNチャネル型電界効果トランジスタを含み、
これらを接続するヒューズ配線の少なくとも1つを切断することによって前記第1の電位を基準とした前記定電圧の値が調整されたものであることを特徴とする半導体集積回路。
In claim 5,
Between the source region and the drain region of the first N-channel field effect transistor, a body region is electrically connected to each source region, and a gate electrode is electrically connected to the other end of the second constant current source. A second N-channel field effect transistor having one or more SOI structures,
A semiconductor integrated circuit, wherein the constant voltage value with respect to the first potential is adjusted by cutting at least one of the fuse wirings connecting them.
請求項6又は7のいずれかにおいて、
前記SOI構造の第2のNチャネル型電界効果トランジスタは、互いに異なるゲート幅/ゲート長(W/L)を有していることを特徴とする半導体集積回路。
Either of claims 6 or 7,
The second N-channel field effect transistor having an SOI structure has a different gate width / gate length (W / L).
請求項1乃至8のいずれか記載の半導体集積回路を含むことを特徴とする時計。  A timepiece comprising the semiconductor integrated circuit according to claim 1. 前記第1および第3の電源線に電気的に接続され、時計体からの所与の信号を検出する検出回路と、
請求項1乃至8記載の半導体集積回路と、を含み、
前記検出回路は、ボディ領域とソース領域とが電気的に接続された部分空乏型のSOI構造の電界効果トランジスタから構成され、
前記動作回路は、前記検出回路の検出結果にしたがって所与の動作を行うことを特徴とする時計。
A detection circuit which is electrically connected to the first and third power supply lines and detects a given signal from the watch body;
A semiconductor integrated circuit according to claim 1,
The detection circuit includes a field effect transistor having a partially depleted SOI structure in which a body region and a source region are electrically connected.
The operation circuit performs a given operation according to a detection result of the detection circuit.
請求項1乃至8のいずれか記載の半導体集積回路を含むことを特徴とする電子機器。  An electronic apparatus comprising the semiconductor integrated circuit according to claim 1. 前記第1および第3の電源線に電気的に接続され、所与の入力信号を検出する検出回路と、
請求項1乃至8記載の半導体集積回路と、を含み、
前記検出回路は、ボディ領域とソース領域とが電気的に接続された部分空乏型のSOI構造の電界効果トランジスタから構成され、
前記動作回路は、前記検出回路の検出結果にしたがって所与の動作を行うことを特徴とする電子機器。
A detection circuit that is electrically connected to the first and third power lines and detects a given input signal;
A semiconductor integrated circuit according to claim 1,
The detection circuit includes a field effect transistor having a partially depleted SOI structure in which a body region and a source region are electrically connected.
The electronic device is characterized in that the operation circuit performs a given operation in accordance with a detection result of the detection circuit.
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