JP4106033B2 - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents

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Description

本発明は半導体集積回路装置に係わり、特に高速性と低電力性を兼ね備えた半導体集積回路装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device, and more particularly to a semiconductor integrated circuit device having both high speed and low power.

現在、マイクロプロセッサ等の半導体集積回路装置の実現にはCMOSによる集積回路が広く用いられている。CMOS回路の諸費電力にはスイッチング時の充放電によるダイナミックな消費電力とサブスレッショルドリーク電流によるスタティックな消費電力によるものがある。このうちダイナミック消費電力は電源電圧VDDの2乗に比例して大きな電力を消費するため、低消費電力化のためには電源電圧を下げることが効果的であり、近年多くのマイクロプロセッサの電源電圧は低下してきている。   Currently, CMOS integrated circuits are widely used to realize semiconductor integrated circuit devices such as microprocessors. The various power consumptions of CMOS circuits include dynamic power consumption due to charging and discharging during switching and static power consumption due to subthreshold leakage current. Of these, dynamic power consumption consumes a large amount of power in proportion to the square of the power supply voltage VDD, so it is effective to lower the power supply voltage to reduce power consumption. Is declining.

一方、現在の低電力なマイクロプロセッサには、パワーマネージメント機構を備え、プロセッサに複数の動作モードを設け、それに従って待機時に実行ユニットへのクロックの供給を停止しているものがある。   On the other hand, some current low-power microprocessors have a power management mechanism, and a plurality of operation modes are provided in the processor, and the supply of the clock to the execution unit is stopped according to the operation mode accordingly.

このクロック供給の停止により、不要な実行ユニットにおけるダイナミックな消費電力を可能な限り削減することができる。しかしなから、サブスレッショルドリーク電流によるスタティックな消費電力は削減することができず、残存したままである。   By stopping the clock supply, dynamic power consumption in unnecessary execution units can be reduced as much as possible. However, static power consumption due to subthreshold leakage current cannot be reduced and remains.

CMOS回路の動作速度は電源電圧の低下にともない遅くなるため、動作速度の劣化を防ぐためには電源電圧の低下に連動してMOSトランジスタのしきい値電圧を下げる必要がある。しかし、しきい値電圧を下げると極端にサブスレッショルドリーク電流が増加するため、電源電圧の低下が進むにつれて、従来はそれほど大きくなかったサブスレッショルドリーク電流によるスタティックな消費電力の増加が顕著になってきた。このため、高速性と低電力性の2点を両立したマイクロプロセッサ等の半導体集積回路装置を実現することが問題となっている。   Since the operation speed of the CMOS circuit decreases as the power supply voltage decreases, it is necessary to lower the threshold voltage of the MOS transistor in conjunction with the decrease of the power supply voltage in order to prevent the operation speed from deteriorating. However, as the threshold voltage is lowered, the subthreshold leakage current increases drastically, and as the power supply voltage decreases, static power consumption due to subthreshold leakage current, which was not so large in the past, becomes significant. It was. For this reason, there is a problem of realizing a semiconductor integrated circuit device such as a microprocessor that achieves both high speed and low power.

上記問題を解決する方法として、例えば特開平6-54396号に公報されているように、基板バイアスを可変設定することにより、MOSトランジスタのしきい値電圧を制御する方法がある。   As a method for solving the above problem, there is a method for controlling the threshold voltage of the MOS transistor by variably setting the substrate bias as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-54396.

CMOS回路の高速動作が要求されるアクティブ状態では、基板バイアスをPMOS(PチャネルMOSトランジスタ)については電源電位に、NMOS(NチャネルMOSトランジ
スタ)については接地電位に設定する。一方、CMOS回路が高速に動作する必要のないスタンバイ状態では、基板バイアスをPMOSについては電源電圧よりも高い電位を、NMOSについては低い電位を印加する(この動作を以下、「基板を引く」と表現する)。
In an active state where high speed operation of the CMOS circuit is required, the substrate bias is set to the power supply potential for the PMOS (P channel MOS transistor) and to the ground potential for the NMOS (N channel MOS transistor). On the other hand, in a standby state where the CMOS circuit does not need to operate at high speed, a substrate bias is applied with a higher potential than the power supply voltage for PMOS and a lower potential for NMOS (this operation is referred to as `` pull substrate '' hereinafter). Express).

スタンバイ時に基板を引くことによって、CMOS回路を構成しているMOSトランジスタのしきい値を高くすることができ、サブスレッショルドリーク電流によるスタティックな消費電力を削減することができる。   By pulling the substrate during standby, the threshold value of the MOS transistor constituting the CMOS circuit can be increased, and static power consumption due to the subthreshold leakage current can be reduced.

特開平6-54396号公報JP-A-6-54396

高速性と低電力性の2点を両立したマイクロプロセッサ等の半導体集積回路装置を実現するためには、CMOS回路について上記のような基板バイアス制御を行い、アクティブ時にはMOSトランジスタのしきい値電圧を低くして高速性を維持し、スタンバイ時にはMOSトランジスタのしきい値を高くしてサブスレッショルドリーク電流を低減する必要がある。   In order to realize a semiconductor integrated circuit device such as a microprocessor that achieves both high speed and low power, the substrate bias control as described above is performed for the CMOS circuit, and the threshold voltage of the MOS transistor is set when active. It is necessary to reduce the subthreshold leakage current by maintaining the high speed by reducing the threshold and by increasing the threshold voltage of the MOS transistor during standby.

しかしながら、発明者らの検討したところによると、実際の回路装置において基板バイアス制御をするためには、以下のような課題が残されてる。
(1) 基板バイアス制御回路のテスト容易性を確保する。
(2) 基板バイアス制御をすることでのCMOS回路の誤作動を防止する。
(3) 基板バイアス制御をすることによる、回路面積増加を最小限に止める。
(4) 基板バイアスの切り換え時における半導体集積回路装置の誤作動を防止する。
However, according to a study by the inventors, the following problems remain to control the substrate bias in an actual circuit device.
(1) Ensure testability of the substrate bias control circuit.
(2) Prevent malfunction of CMOS circuit by controlling substrate bias.
(3) Minimize the increase in circuit area due to substrate bias control.
(4) Prevent malfunction of the semiconductor integrated circuit device when switching the substrate bias.

上記課題を解決するために本発明で提示した手段の主なものは以下のようになる。   The main means presented in the present invention to solve the above problems are as follows.

基板バイアス制御回路内の負電圧発生回路の出力をパッドに出力することとして、回路のテストを容易とした。すなわち、負電圧発生回路は、その出力信号である電圧のレベルが設定した電圧になっているかどうかを確認する必要があり、このため、その出力がそのまま出ている端子を設けることが便利である。   The circuit test was facilitated by outputting the output of the negative voltage generation circuit in the substrate bias control circuit to the pad. That is, it is necessary for the negative voltage generation circuit to check whether or not the level of the voltage that is the output signal is the set voltage. For this reason, it is convenient to provide a terminal that outputs the output as it is. .

また、アクティブ状態時に基板バイアスを駆動する基板駆動MOSトランジスタを、基板バイアス制御するべき主回路内に複数配置し、基板インピーダンスを下げる。この場合、アクティブ状態時には、主回路内の回路が動作するため、インピーダンスを低くして、基板電位を固定し、トランジスタ閾値のばらつきを押さえる必要があるからである。   In addition, a plurality of substrate driving MOS transistors for driving the substrate bias in the active state are arranged in the main circuit to be subjected to substrate bias control to lower the substrate impedance. In this case, since the circuit in the main circuit operates in the active state, it is necessary to reduce the impedance, fix the substrate potential, and suppress the variation of the transistor threshold.

このとき、スタンバイ時に比べてアクティブ状態時の駆動力は大きくなり、例えば5倍、理想的には10倍以上の駆動力が望ましい。   At this time, the driving force in the active state is larger than that in the standby state. For example, the driving force is preferably 5 times, ideally 10 times or more.

さらに、基板バイアス切り換え時の回路の安定性を確保するために、基板駆動MOSトランジスタのゲート電圧を制御するゲート制御信号は、基板駆動MOSトランジスタのゲートに接続された後に基板バイアス制御回路にもどされ、もどされた信号の電位によって基板バイアス制御回路が主回路の基板バイアスが安定したことを検出できるようにゲート制御信号を配線する。   Furthermore, in order to ensure the stability of the circuit when switching the substrate bias, the gate control signal for controlling the gate voltage of the substrate driving MOS transistor is returned to the substrate bias control circuit after being connected to the gate of the substrate driving MOS transistor. The gate control signal is wired so that the substrate bias control circuit can detect that the substrate bias of the main circuit is stabilized by the potential of the returned signal.

半導体集積回路装置はパワーオンリセット回路を具備しており、パワーオンリセット回路は主回路の電源が投入されることを検出し、パワーオンリセット回路によって、主回路の電源が投入されて一定時間の間は、基板駆動MOSトランジスタが基板バイアスを浅く駆動するアクティブ状態にする。   The semiconductor integrated circuit device includes a power-on reset circuit. The power-on reset circuit detects that the main circuit is turned on, and the power-on reset circuit turns on the power of the main circuit for a certain period of time. In the meantime, the substrate driving MOS transistor is in an active state in which the substrate bias is driven shallowly.

さらに、基板バイアス制御回路は、スタンバイ状態からアクティブ状態に遷移する過程でのゲート制御信号の出力インピーダンスを、アクティブ状態に完全に遷移した後でのインピーダンスよりも大きく制御する。   Further, the substrate bias control circuit controls the output impedance of the gate control signal in the process of transition from the standby state to the active state to be larger than the impedance after the transition to the active state completely.

また、 半導体集積回路装置は負電圧発生回路を具備しており、基板バイアス制御回路はスタンバイ状態での負電圧発生回路の出力インピーダンスを、アクティブ状態での負電圧発生回路の出力インピーダンスよりも小さく制御する。   The semiconductor integrated circuit device also includes a negative voltage generation circuit, and the substrate bias control circuit controls the output impedance of the negative voltage generation circuit in the standby state to be smaller than the output impedance of the negative voltage generation circuit in the active state. To do.

また、主回路は複数のセルから成っており、複数のセルの電源ネットは第1配線層によって給電されており、さらに、それら第1配線層と直行する第2配線層を用いた電源ネットがあり、第1配線層による電源ネットと第2配線層による電源ネットの交点にスイッチセルを配置して、第1配線層による電源ネットと、第2配線層による電源ネットの接続はそのスイッチセル内で行われており、さらに、上記基板駆動MOSトランジスタをスイッチセル内に配置する。   The main circuit is composed of a plurality of cells, the power supply nets of the plurality of cells are supplied with power by the first wiring layer, and further, the power supply net using the second wiring layer orthogonal to the first wiring layer is provided. Yes, a switch cell is arranged at the intersection of the power net by the first wiring layer and the power net by the second wiring layer, and the connection between the power net by the first wiring layer and the power net by the second wiring layer is within the switch cell. Further, the substrate driving MOS transistor is arranged in the switch cell.

また、上記セルを構成するMOSトランジスタの基板バイアス供給線が、第1配線層による電源ネットと平行して第1配線層によって行われ、第2配線層による電源ネットにも平行して第2配線層によっても行われ、電源ネットと同様に、上記スイッチセル内で、第1配線層による基板バイアス供給線と、第2配線層による基板バイアス供給線が接続され、上記基板駆動MOSトランジスタのゲート電圧を制御するゲート制御信号が、第2配線層による電源ネットと平行した、上記スイッチセル上空の第2配線層によって供給され、上記スイッチセル内で、基板駆動MOSトランジスタのゲート端子に接続する。   Further, the substrate bias supply line of the MOS transistor constituting the cell is performed by the first wiring layer in parallel with the power supply net by the first wiring layer, and the second wiring is also parallel by the power supply net by the second wiring layer. Similarly to the power supply net, the substrate bias supply line by the first wiring layer and the substrate bias supply line by the second wiring layer are connected in the switch cell, similarly to the power supply net, and the gate voltage of the substrate driving MOS transistor A gate control signal for controlling is supplied by the second wiring layer above the switch cell in parallel with the power supply net by the second wiring layer, and is connected to the gate terminal of the substrate driving MOS transistor in the switch cell.

より具体的に説明すると、本発明は少なくとも一つのトランジスタから構成された主回路と、トランジスタの基板に印加される電圧を制御する基板バイアス制御回路と、基板バイアス制御回路を制御することで主回路に流れるサブスレッショルドリーク電流が多いアクティブ状態と、サブスレッショルドリーク電流が小さいスタンバイ状態の少なくとも二つ状態に切り替えるスタンバイ制御回路を有し、基板バイアス制御回路に負電圧発生回路を内蔵するとともに、該負電圧発生回路で発生した負電圧を装置外部へ出力する端子を有する。   More specifically, the present invention relates to a main circuit composed of at least one transistor, a substrate bias control circuit for controlling a voltage applied to the substrate of the transistor, and a main circuit by controlling the substrate bias control circuit. A standby control circuit that switches between an active state with a large amount of subthreshold leakage current and a standby state with a small amount of subthreshold leakage current. A terminal for outputting a negative voltage generated by the voltage generation circuit to the outside of the apparatus;

このとき半導体集積回路装置は、出力パッドを有する半導体チップと、半導体チップを内蔵し外部ピンを有するパッケージを有し、端子として出力パッドの一つを用い、かつ、その端子は外部ピンとは接続されていない。   At this time, the semiconductor integrated circuit device has a semiconductor chip having an output pad, a package having the semiconductor chip and having an external pin, one of the output pads is used as a terminal, and the terminal is connected to the external pin. Not.

他の例では、少なくとも一つのMOSトランジスタから構成された主回路と、MOSトランジスタの基板に印加される電圧を制御する基板バイアス制御回路と、基板バイアス制御回路を制御することで、主回路に流れるサブスレッショルドリーク電流が多いアクティブ状態と、サブスレッショルドリーク電流が小さいスタンバイ状態の少なくとも二つ状態に切り替えるスタンバイ制御回路を有し、アクティブ状態には基板バイアスを浅く制御し、スタンバイ状態では基板バイアスを深く制御し、アクティブ状態で基板バイアスを浅く駆動する駆動力が、スタンバイ状態で基板バイアスを深く駆動する駆動力よりも10倍以上大きいことを特徴とする。   In another example, a main circuit composed of at least one MOS transistor, a substrate bias control circuit for controlling a voltage applied to the substrate of the MOS transistor, and a substrate bias control circuit are controlled to flow to the main circuit. It has a standby control circuit that switches to at least two states, an active state with a large subthreshold leakage current and a standby state with a small subthreshold leakage current. The substrate bias is controlled shallowly in the active state, and the substrate bias is deepened in the standby state. The driving force for controlling and driving the substrate bias shallowly in the active state is 10 times or more larger than the driving force for driving the substrate bias deeply in the standby state.

このとき、基板バイアスを深く制御している時には、基板を引いているトランジスタから構成される主回路を動作させないことが望ましい。基板を引いている時は、基板のインピーダンスが高いので、MOSトランジスタが動作することで基板電位が変化しやすい。このため、MOSトランジスタが誤動作する可能性があるためである。   At this time, when the substrate bias is controlled deeply, it is desirable not to operate the main circuit composed of the transistor pulling the substrate. Since the impedance of the substrate is high when the substrate is being pulled, the substrate potential is likely to change due to the operation of the MOS transistor. This is because the MOS transistor may malfunction.

デバイス構造としては、アクティブ状態で基板バイアスを浅く駆動するための基板駆動MOSトランジスタは距離20μm以上離れて少なくとも二つ以上あり、
基板駆動MOSトランジスタのゲート電位は基板バイアス制御回路により制御されている。
As the device structure, there are at least two substrate driving MOS transistors for driving the substrate bias shallowly in the active state at a distance of 20 μm or more,
The gate potential of the substrate driving MOS transistor is controlled by a substrate bias control circuit.

基板駆動MOSトランジスタのゲート電圧を制御するゲート制御信号は、基板駆動MOSトランジスタのゲートに接続された後に基板バイアス制御回路に戻され、戻された信号の電位によって基板バイアス制御回路が前記主回路の基板バイアスが安定したことを検出できる。   The gate control signal for controlling the gate voltage of the substrate driving MOS transistor is returned to the substrate bias control circuit after being connected to the gate of the substrate driving MOS transistor, and the substrate bias control circuit is connected to the main circuit by the potential of the returned signal. It can be detected that the substrate bias is stable.

基板駆動MOSトランジスタのしきい値電圧は、主回路を構成しているMOSトランジスタのしきい値よりも大きいことが望ましい。また、外部とのインターフェースをするI/O回路を具備するとき、そのI/O回路を構成している少なくとも一つのMOSトランジスタの酸化膜厚は、主回路を構成しているMOSトランジスタの酸化膜厚よりも厚いことが好ましい。このように、主に高い電圧が印加される部分の耐圧を高くすることが望ましい。   The threshold voltage of the substrate driving MOS transistor is preferably larger than the threshold voltage of the MOS transistor constituting the main circuit. In addition, when an I / O circuit that interfaces with the outside is provided, the oxide film thickness of at least one MOS transistor that constitutes the I / O circuit is the oxide film thickness of the MOS transistor that constitutes the main circuit. It is preferable to be thicker than the thickness. In this way, it is desirable to increase the breakdown voltage of the portion to which mainly a high voltage is applied.

さらに主回路の電源が投入されることを検出するパワーオンリセット回路を具備し、主回路の電源が投入されて一定の間は基板駆動MOSトランジスタが基板バ
イアスを浅く駆動するアクティブ状態に制御する。
Further, a power-on reset circuit for detecting that the main circuit is turned on is provided, and the substrate driving MOS transistor is controlled to be in an active state in which the substrate bias is driven shallowly for a certain period after the main circuit is turned on.

本発明を適用したシステムの他の態様では、半導体集積回路装置は第1(VDDQ)と第2(VDD)の電源電圧を有し、第1の電源電圧は第2の電源電圧よりも絶対値が大きく、第2の電源電圧は2V以下であり、第2の電源電圧(VDD)は前記主回路(LOG)に供給され、第1の電源電圧(VDDQ)は基板バイアス制御回路(VBC)とスタンバイ制御回路(VBCC)に供給され、第1の電源電圧は第2の電源電圧よりも先に投入され、基板バイアス制御回路は、第2の電源電圧が投入されて一定時間の間は主回路をアクティブ状態に制御することを特徴とする。   In another aspect of the system to which the present invention is applied, the semiconductor integrated circuit device has first (VDDQ) and second (VDD) power supply voltages, and the first power supply voltage has an absolute value higher than the second power supply voltage. The second power supply voltage is 2 V or less, the second power supply voltage (VDD) is supplied to the main circuit (LOG), and the first power supply voltage (VDDQ) is connected to the substrate bias control circuit (VBC). The first power supply voltage is supplied to the standby control circuit (VBCC) before the second power supply voltage, and the substrate bias control circuit is a main circuit for a fixed time after the second power supply voltage is supplied. Is controlled to be in an active state.

また、スタンバイ状態からアクティブ状態に遷移する過程での、基板駆動MOSトランジスタのゲート制御信号の出力インピーダンスを、アクティブ状態に完全に遷移した後でのインピーダンスよりも大きく制御することで、スタンバイ状態からアクティブ状態に遷移する遷移速度を調整し、遷移過程での突入電流を小さく制御することができる。   In addition, the output impedance of the gate control signal of the substrate drive MOS transistor in the process of transitioning from the standby state to the active state is controlled to be larger than the impedance after completely transitioning to the active state, so that the active state is changed from the standby state. It is possible to control the inrush current in the transition process to be small by adjusting the transition speed of transition to the state.

さらに、スタンバイ状態からアクティブ状態に遷移する過程での、基板駆動MOSトランジスタのゲート制御信号の出力インピーダンスを、アクティブ状態に完全に遷移した後でのインピーダンスよりも大きく制御することで、スタンバイ状態からアクティブ状態に遷移する遷移速度を調整し、遷移過程での突入電流を小さく制御し、さらに、アクティブ状態に完全に遷移したことは上述の戻された信号によって検出することもできる。   Furthermore, by controlling the output impedance of the gate control signal of the substrate drive MOS transistor in the process of transitioning from the standby state to the active state to be larger than the impedance after completely transitioning to the active state, The transition speed for transitioning to the state is adjusted, the inrush current in the transition process is controlled to be small, and the complete transition to the active state can be detected by the returned signal described above.

ゲート制御信号の振幅は、前記基板駆動トランジスタのゲート耐圧よりも大きくすることができる。   The amplitude of the gate control signal can be made larger than the gate breakdown voltage of the substrate driving transistor.

さらに、半導体集積回路装置は負電圧発生回路を具備し、基板バイアス制御回路は、スタンバイ状態での負電圧発生回路の出力インピーダンスを、アクティブ状態での負電圧発生回路の出力インピーダンスよりも小さく制御することができる。   Further, the semiconductor integrated circuit device includes a negative voltage generation circuit, and the substrate bias control circuit controls the output impedance of the negative voltage generation circuit in the standby state to be smaller than the output impedance of the negative voltage generation circuit in the active state. be able to.

さらに、負電圧発生回路は第1のチャージポンプ回路と第2のチャージポンプ回路を有し、基板バイアス制御回路は、スタンバイ状態では第1のチャージポンプ回路を用いて負電圧を発生させ、アクティブ状態では第2のチャージポンプ回路を用いて負電圧を発生させ、第1のチャージポンプ回路のポンピングコンデンサの容量は、第2のチャージポンプ回路のポンピングコンデンサの容量よりも小さいことを特徴とする請求項13に記載の半導体集積回路装置。   Further, the negative voltage generation circuit has a first charge pump circuit and a second charge pump circuit, and the substrate bias control circuit generates a negative voltage using the first charge pump circuit in the standby state, and is in an active state. The negative charge is generated by using the second charge pump circuit, and the capacity of the pumping capacitor of the first charge pump circuit is smaller than the capacity of the pumping capacitor of the second charge pump circuit. 14. A semiconductor integrated circuit device according to item 13.

第1と第2の電源電圧を有し、前記負電圧発生回路は第3の電源電圧を発生し、第1の電源電圧は第2の電源電圧よりも大きく、第2の電源電圧は2V以下であり、主回路には第2の電源電圧が供給されており、基板バイアス制御回路と前記スタンバイ制御回路には少なくとも第1の電源電圧が供給されており、スタンバイ状態で基板バイアス制御回路は、PMOSトランジスタの該基板バイアスを第2の電源電圧電位に制御し、NMOSトランジスタの該基板バイアスを第3の電源電圧電位に制御し、(第3の電源電圧)=(第1の電源電圧)−(第2の電源電圧)
としてもよい。
The negative power generation circuit generates a third power supply voltage, the first power supply voltage is higher than the second power supply voltage, and the second power supply voltage is 2 V or less. The main circuit is supplied with the second power supply voltage, and the substrate bias control circuit and the standby control circuit are supplied with at least the first power supply voltage. The substrate bias of the PMOS transistor is controlled to the second power supply voltage potential, the substrate bias of the NMOS transistor is controlled to the third power supply voltage potential, and (third power supply voltage) = (first power supply voltage) − (Second power supply voltage)
It is good.

さらに、負電圧発生回路は、少なくとも一つのチャージポンプ回路と、比較器と、第2の電源電圧の半分の電位を発生する第1の基準電圧回路と、第1の電源電圧と第3の電源電圧の中間電位を発生する第2の基準電圧回路とを具備し、比較器は第1の基準電圧回路の出力電圧と、第2の基準電圧発生回路の出力電圧とを比較し、チャージポンプの少なくとも一つを制御して第3の電源電圧を安定化することができる。   Further, the negative voltage generation circuit includes at least one charge pump circuit, a comparator, a first reference voltage circuit that generates a potential half the second power supply voltage, a first power supply voltage, and a third power supply. A second reference voltage circuit for generating an intermediate potential of the voltage, and the comparator compares the output voltage of the first reference voltage circuit with the output voltage of the second reference voltage generation circuit, and At least one can be controlled to stabilize the third power supply voltage.

第1および第2の基準電圧発生回路は、各々基板端子がソース端子に接続されかつゲート端子がドレイン端子に接続された同一導電型のMOSトランジスタが直列に接続された直列回路から成っており、複数のMOSトランジスタが飽和領域で動作するように選択されていることができる。また、装置はシュミット特性を持つように構成する事もできる。   The first and second reference voltage generation circuits each comprise a series circuit in which MOS transistors of the same conductivity type, each having a substrate terminal connected to a source terminal and a gate terminal connected to a drain terminal, are connected in series. A plurality of MOS transistors can be selected to operate in the saturation region. The device can also be configured to have Schmitt characteristics.

主回路は複数のセルから成っており、該複数のセルの電源ネットは第1配線層によって給電されており、さらに、それら第1配線層の上空にはそれらに直行する第2配線層を用いた電源ネットがあり、第1配線層による電源ネットと第2配線層による電源ネットの交点にスイッチセルを配置して、第1配線層による電源ネットと、第2配線層による電源ネットの接続はそのスイッチセル内で行われており、さらに、基板駆動MOSトランジスタが該スイッチセル内に配置されてることを特徴とする。   The main circuit is composed of a plurality of cells, the power supply nets of the plurality of cells are supplied with power by the first wiring layer, and a second wiring layer that goes directly to them is used above the first wiring layer. The switch cell is arranged at the intersection of the power net by the first wiring layer and the power net by the second wiring layer, and the connection between the power net by the first wiring layer and the power net by the second wiring layer is It is performed in the switch cell, and further, a substrate driving MOS transistor is arranged in the switch cell.

スイッチセルには、さらにデカップリングコンデンサが電源と接地間に配置されることとしてもよい。   In the switch cell, a decoupling capacitor may be further disposed between the power source and the ground.

さらに、第2の配線層による電源ネットの上空には、さらに第2の配線層による電源ネットと平行な第4の配線層による電源ネットがあり、第2の配線層による電源ネットと第4の配線層による電源ネットの接続は、スイッチセル外で行われることとしてもよい。   Further, above the power net of the second wiring layer, there is a power net of the fourth wiring layer parallel to the power net of the second wiring layer, and the power net of the second wiring layer and the fourth net The connection of the power supply net by the wiring layer may be performed outside the switch cell.

また、さらに第5の配線層による電源ネットがあり、第4の配線層による電源ネットと、第5の配線層による電源ネットとの接続はスイッチセル内で行われ、第4の配線層による電源ネットと第5の配線層による電源ネットからなる電源メッシュは、第1の配線層による電源ネットと第2の配線層による電源ネットからなる電源メッシュよりも荒く、第4の配線層の厚さと第5の配線層の厚さは、第1の配線層の厚さと第2の配線層の厚さのいずれよりも厚いことをとしてもよい。   Further, there is a power supply net by the fifth wiring layer, and the connection of the power supply net by the fourth wiring layer and the power supply net by the fifth wiring layer is performed in the switch cell, and the power supply by the fourth wiring layer is provided. The power mesh composed of the net and the power net composed of the fifth wiring layer is rougher than the power mesh composed of the power net composed of the first wiring layer and the power net composed of the second wiring layer. The thickness of the wiring layer 5 may be larger than both the thickness of the first wiring layer and the thickness of the second wiring layer.

セルを構成するMOSトランジスタの基板バイアス供給線が、第1配線層による電源ネットと平行して第1配線層によって行われ、第2配線層による電源ネットにも平行して第2配線層によっても行われ、電源ネットと同様に、スイッチセル内で、第1配線層による基板バイアス供給線と、第2配線層による基板バイアス供給線が接続されていることとしてもよい。   The substrate bias supply line of the MOS transistor constituting the cell is performed by the first wiring layer in parallel with the power supply net by the first wiring layer, and also by the second wiring layer in parallel with the power supply net by the second wiring layer. As in the power supply net, the substrate bias supply line by the first wiring layer and the substrate bias supply line by the second wiring layer may be connected in the switch cell.

基板駆動MOSトランジスタのゲート電圧を制御するゲート制御信号が、第2配線層による該電源ネットと平行した、スイッチセル上空の第2配線層によって供給され、スイッチセル内で、基板駆動MOSトランジスタのゲート端子に接続されていることとしてもよい。   A gate control signal for controlling the gate voltage of the substrate driving MOS transistor is supplied by the second wiring layer above the switch cell in parallel with the power supply net by the second wiring layer, and the gate of the substrate driving MOS transistor in the switch cell. It may be connected to a terminal.

スイッチセル上空の第2配線層によって配線されている基板バイアス供給線とゲート制御信号が、スイッチセル上空の第2配線層によって配線されている電源ネットの間に配置されていることとしてもよい。   The substrate bias supply line wired by the second wiring layer above the switch cell and the gate control signal may be arranged between the power supply nets wired by the second wiring layer above the switch cell.

半導体集積回路装置にはデータパス回路が具備されており、データパス回路のデータフロー方向と複数のセルの第1配線層による電源ネットが、平行していることとしてもよい。   The semiconductor integrated circuit device may include a data path circuit, and the data flow direction of the data path circuit may be parallel to the power supply net formed by the first wiring layers of the plurality of cells.

基板バイアスが、半導体集積回路装置の選別時には少なくとも一つのMOSトランジスタのしきい値が高くなるように設定することもできる。   The substrate bias can be set so that the threshold value of at least one MOS transistor becomes high when the semiconductor integrated circuit device is selected.

さらに、他の態様では第1のポンピングコンデンサと、第2のポンピングコンデンサと、第1と第2の二つのPチャネルトランジスタと、第1と第2の二つのNチャネルトランジスタと、発振回路からなるチャージポンプ回路において、発振回路の出力が'H'のとき、第1のポンピングコンデンサと第1のPチャネルトランジスタと第1のNチャネルトランジスタを用いて該第1のポンピングコンデンサの電荷をポンピングし、発振回路の出力が'L'のとき、第2のポンピングコンデンサと第2のPチャネルトランジスタと第2のNチャネルトランジスタを用いて該第2のポンピングコンデンサの電荷をポンピングすることを特徴とする。   Furthermore, in another aspect, the circuit includes a first pumping capacitor, a second pumping capacitor, first and second P-channel transistors, first and second N-channel transistors, and an oscillation circuit. In the charge pump circuit, when the output of the oscillation circuit is “H”, the charge of the first pumping capacitor is pumped using the first pumping capacitor, the first P-channel transistor, and the first N-channel transistor, When the output of the oscillation circuit is “L”, the charge of the second pumping capacitor is pumped using the second pumping capacitor, the second P-channel transistor, and the second N-channel transistor.

他の態様では、半導体基板上に構成されたトランジスタを含む主回路(LOG)と、基板に印加される電圧を制御する基板バイアス制御回路(VBC)とを有し、主回路は基板に印加される電圧を制御するスイッチトランジスタ(MN1,MP1)を有し、基板バイアス制御回路から出力された制御信号がスイッチトランジスタのゲートに入力されており、かつ、制御信号は基板バイアス制御回路に戻るように構成されている。   In another aspect, it has a main circuit (LOG) including a transistor configured on a semiconductor substrate, and a substrate bias control circuit (VBC) that controls a voltage applied to the substrate, and the main circuit is applied to the substrate. So that the control signal output from the substrate bias control circuit is input to the gate of the switch transistor, and the control signal returns to the substrate bias control circuit. It is configured.

また、スイッチトランジスタは矩形状のスイッチセルに配置され、トランジスタは矩形状の標準セルに配置され、スイッチセル1つと標準セル複数が一列に並んで配置することがレイアウト上好適である。   In addition, it is preferable in terms of layout that the switch transistor is arranged in a rectangular switch cell, the transistor is arranged in a rectangular standard cell, and one switch cell and a plurality of standard cells are arranged in a line.

さらに、主回路のトランジスタ(MN2,MP2)を駆動する駆動電源(VSS,VDD)の配線と、基板バイアス制御回路から供給される基板バイアス電源(vbp,vbn)の配線が、スイッチセルと複数の標準セルを、セルが並ぶ方向に縦断させることが好適である。   Furthermore, the wiring of the drive power supply (VSS, VDD) that drives the transistors (MN2, MP2) of the main circuit and the wiring of the substrate bias power supply (vbp, vbn) supplied from the substrate bias control circuit are connected to the switch cell and a plurality of It is preferable that the standard cell is vertically cut in the cell arrangement direction.

トランジスタの耐性の点からは、スイッチトランジスタのしきい値は、トランジスタのしきい値より大きいことが望ましい。   From the standpoint of transistor resistance, the threshold value of the switch transistor is preferably larger than the threshold value of the transistor.

スイッチトランジスタ(MN1,MP1)は主回路のトランジスタ(MN2,MP2)を駆動する駆動電源(VSS,VDD)と、前記基板バイアス制御回路から供給される基板バイアス電源(vbp,vbn)の間に挿入されることがレイアウト上からはのぞましい。   The switch transistors (MN1, MP1) are inserted between the drive power supply (VSS, VDD) for driving the main circuit transistors (MN2, MP2) and the substrate bias power supply (vbp, vbn) supplied from the substrate bias control circuit. It is not good from the layout.

さらに、トランジスタのソースまたはドレインが前記駆動電源(VSS,VDD)に接続され、トランジスタの基板電位が基板バイアス電源に接続されることができる。   Furthermore, the source or drain of the transistor can be connected to the drive power supply (VSS, VDD), and the substrate potential of the transistor can be connected to the substrate bias power supply.

基板バイアス制御回路は、制御信号(vbp,vbn)を出力した後、主回路を経て戻ってきた該制御信号(vbpr,vbnr)が所定電圧になったことを検知し、検知信号(vbbenbr)を形成することで、主回路の動作の安定化を図ることができる。   After the substrate bias control circuit outputs the control signal (vbp, vbn), it detects that the control signal (vbpr, vbnr) returned through the main circuit has reached a predetermined voltage, and outputs the detection signal (vbbenbr). By forming, the operation of the main circuit can be stabilized.

以上説明したように、本発明によれば、以下の課題を満たす高速性と低電力性の2点を両立したマイクロプロセッサ等の半導体集積回路装置が実現できる。
(1) 基板バイアス制御回路のテストが容易である。
(2) 基板バイアス制御することでのCMOS回路の誤作動を防止できる。
(3) 基板バイアス制御することでの面積増加が最小限に止めれる
(4) 基板バイアスの切り替え時における半導体集積回路装置の誤作動が防止できる。
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a semiconductor integrated circuit device such as a microprocessor that satisfies both of the following problems: high speed and low power.
(1) It is easy to test the substrate bias control circuit.
(2) The malfunction of the CMOS circuit can be prevented by controlling the substrate bias.
(3) Increase in area due to substrate bias control can be minimized
(4) The malfunction of the semiconductor integrated circuit device at the time of switching the substrate bias can be prevented.

図1に本発明の基板バイアス制御回路を用いた半導体集積回路装置100の概念図を示す。VBCは基板バイアス制御回路である。LOGは基板バイアス制御される主回路で、論理回路やメモリ回路で構成されている。VBCCは基板バイアス制御回路の制御を行うスタンバイ制御回路を示している。I/Oは半導体集積回路装置100の外部とのインターフェースを行うI/O回路である。ここでは回路ブロック間の配線で基板制御に特に必要のないものは省略している。また、109a、109bは基板駆動回路を示している。   FIG. 1 shows a conceptual diagram of a semiconductor integrated circuit device 100 using a substrate bias control circuit of the present invention. VBC is a substrate bias control circuit. LOG is a main circuit under substrate bias control, and is composed of a logic circuit and a memory circuit. VBCC represents a standby control circuit for controlling the substrate bias control circuit. The I / O is an I / O circuit that interfaces with the outside of the semiconductor integrated circuit device 100. Here, wirings between circuit blocks that are not particularly necessary for substrate control are omitted. Reference numerals 109a and 109b denote substrate driving circuits.

電源は3種類あり、それぞれVDDQ、VDD、VWELLで示している。VSS、VSSQはそれぞれ、VDD、VDDQに対する接地電位を示している。VDDQ、VSSQはI/O回路用の電源で、VDD、VSSは主回路用の電源、VWELLは基板バイアス制御回路VBC用の電源である。   There are three types of power supplies, indicated by VDDQ, VDD, and VWELL, respectively. VSS and VSSQ indicate ground potentials with respect to VDD and VDDQ, respectively. VDDQ and VSSQ are power supplies for the I / O circuit, VDD and VSS are power supplies for the main circuit, and VWELL is a power supply for the substrate bias control circuit VBC.

図1に示したように基板バイアス制御回路VBCにはVDD、VSSも供給されている。また、基板バイアス制御回路VBCは内部に負電圧発生回路を内蔵しており、 VDDや VDDQとは逆極性の負電圧VSUBを発生している。ここでは以下、VDDQ=VWELL=3. 3V、VDD=1.8V、VSUB=-1.5Vとし、電源電圧として2種類を仮定する。   As shown in FIG. 1, VDD and VSS are also supplied to the substrate bias control circuit VBC. The substrate bias control circuit VBC has a built-in negative voltage generation circuit, and generates a negative voltage VSUB having a polarity opposite to that of VDD or VDDQ. Here, VDDQ = VWELL = 3.3V, VDD = 1.8V, VSUB = -1.5V, and two types of power supply voltages are assumed below.

101、102、103、104は半導体集積回路装置100のパッドを示しており、102は3. 3VのVWELL電源、103は1.8VのVDD電源、104は0VのVSS(接地)が給電される。101はVSUBパッドであるが、基板バイアス制御回路VBCの内部で発生した負電圧を出力するためのパッドとして使用されている。半導体集積回路装置100のウェハテスト時にパッド101の電圧をモニタすることで基板バイアス制御回路VBC内の負電圧発生回路の不良を検出できる。通常、102から104までのパッドは半導体集積回路装置100の外部ピンにボンディング接続されるが、101は外部ピンにはボンディング接続されないこととする。このようにすると、このテスト方法により外部ピン数が節約できる。   Reference numerals 101, 102, 103, and 104 denote pads of the semiconductor integrated circuit device 100, where 102 is a 3.3 V VWELL power supply, 103 is a 1.8 V VDD power supply, and 104 is supplied with 0 V VSS (ground). Reference numeral 101 denotes a VSUB pad, which is used as a pad for outputting a negative voltage generated inside the substrate bias control circuit VBC. By monitoring the voltage of the pad 101 during the wafer test of the semiconductor integrated circuit device 100, a defect in the negative voltage generation circuit in the substrate bias control circuit VBC can be detected. Usually, pads 102 to 104 are bonded to the external pins of the semiconductor integrated circuit device 100, but 101 is not bonded to the external pins. In this way, the number of external pins can be saved by this test method.

vbbenbは基板バイアス制御開始信号、vbbenbrは基板バイアス制御中信号である。一方、resetはリセット信号で半導体集積回路装置100のリセット信号に接続される。vbpはPMOS基板バイアス線、vbnはNMOS基板バイアス線、cbpはPMOS基板制御線、cbnはNMOS基板制御線、cbprはPMOS基板制御リターン線、cbnrはNMOS基板制御リターン線である。基板制御リターン線cbprおよびcbnrは、cbpおよびcbn信号の主回路内を通過した後の戻り信号であり、ネットは同一ネットになる。すなわち、cbpおよびcbnのドライブ電圧はある遅延の後、cbprおよびcbnrにそれぞれ表れることになる。(後述の図2参照)。基板駆動回路109a、109bのそれぞれには、cbp、vbp、cbn、vbnが接続されている。   vbbenb is a substrate bias control start signal, and vbbenbr is a substrate bias control signal. On the other hand, reset is a reset signal and is connected to the reset signal of the semiconductor integrated circuit device 100. vbp is a PMOS substrate bias line, vbn is an NMOS substrate bias line, cbp is a PMOS substrate control line, cbn is an NMOS substrate control line, cbpr is a PMOS substrate control return line, and cbnr is an NMOS substrate control return line. The board control return lines cbpr and cbnr are return signals after passing through the main circuit of the cbp and cbn signals, and the nets are the same net. That is, the cbp and cbn drive voltages appear at cbpr and cbnr, respectively, after some delay. (See Figure 2 below). The substrate driving circuits 109a and 109b are connected to cbp, vbp, cbn, and vbn, respectively.

図2に上記vbpからcbnrまでの6本の基板バイアス制御線の主回路LOG内の接続方法を示す。VBCRはリターンセルで、内部でPMOS基板制御線cbpとPMOS基板制御リターン線cbprを接続し、NMOS基板制御線cbnとNMOS基板制御リターン線cbnrを接続している。   FIG. 2 shows a method for connecting the six substrate bias control lines from vbp to cbnr in the main circuit LOG. VBCR is a return cell that internally connects the PMOS substrate control line cbp and the PMOS substrate control return line cbpr, and connects the NMOS substrate control line cbn and the NMOS substrate control return line cbnr.

ncellは標準セルを示している。ここでは全てのncellは簡単のためPMOS MP2、NMOS MN2で構成されたCMOSインバータで示している。もちろん、それぞれ独立にNANDゲートやラッチなどのより複雑なセルでもよい。図2のようにncellを構成しているMOSトランジスタの基板電位はPMOSについてはvbpに、NMOSについてはvbnに接続している。   ncell represents a standard cell. Here, for simplicity, all ncells are shown as CMOS inverters composed of PMOS MP2 and NMOS MN2. Of course, more complex cells such as NAND gates and latches may be used independently. As shown in FIG. 2, the substrate potential of the MOS transistor constituting the ncell is connected to vbp for the PMOS and vbn for the NMOS.

swcellはスイッチセルで、PMOS MP1と、NMOS MN1で構成された基板駆動回路(図1の109a、109bに相当する)と、デカップリングコンデンサCP1、CP2で構成されている。MP1のゲートはcbpに、ドレインはVBPに、ソースはVDDに接続されている。したがって、cbpがVDD-Vthp (VthpはMP1のしきい値電圧の絶対値)よりも低い電圧の時、MP1はオンし、vbpはVDD電位(1.8V)に駆動されることになる。   A swcell is a switch cell, and is composed of a substrate driving circuit (corresponding to 109a and 109b in FIG. 1) composed of PMOS MP1, NMOS MN1, and decoupling capacitors CP1 and CP2. The gate of MP1 is connected to cbp, the drain is connected to VBP, and the source is connected to VDD. Therefore, when cbp is lower than VDD-Vthp (Vthp is the absolute value of the threshold voltage of MP1), MP1 is turned on and vbp is driven to the VDD potential (1.8V).

一方、MN1のゲートはcbnに、ドレインはVBNに、ソースはVSS(0V)に接続されている。したがって、cbnがVthn (VthnはMN1のしきい値電圧の絶対値)よりも高い電圧の時、MN1はオンし、vbnはVSS電位(0V)に駆動されることになる。   On the other hand, the gate of MN1 is connected to cbn, the drain is connected to VBN, and the source is connected to VSS (0V). Therefore, when cbn is higher than Vthn (Vthn is the absolute value of the threshold voltage of MN1), MN1 is turned on and vbn is driven to the VSS potential (0 V).

一般に、一個以上の多くの数のncellが配置される。また、swcellについても一個以上の多くのswcellが配置される。ncellの数を増やすことでより複雑な回路を主回路LOG上に集積できる。また、swcellの数を増やすことで、MP1およびMN1をオンした時により低インピーダンスにvbp,vbnをそれぞれVDD,VSSに駆動できる。   In general, one or more large numbers of ncells are arranged. In addition, as for the swcell, one or more swcells are arranged. More complex circuits can be integrated on the main circuit LOG by increasing the number of ncells. Also, by increasing the number of swcells, vbp and vbn can be driven to VDD and VSS, respectively, with lower impedance when MP1 and MN1 are turned on.

また、スイッチセルswcell内にデカップリングコンデンサを内蔵したのとは独立に、スペースセルにもデカップリングコンデンサを内蔵させることができる。スペースセルとは例えば標準セルnsellを並べて配置した際に、配線領域確保のために生じたスペースに挿入されるセルである。スペースセルにもデカップリングコンデンサを内蔵させることで、チップ全体のデカップリングコンデンサの容量が増加し、電源ノイズをさらに低減することができる。本来、スペースセルは配線層だけの空きスペースであるため、ここにコンデンサを入れることで面積の増加の畏れはない。   In addition, a decoupling capacitor can be incorporated in the space cell independently of the decoupling capacitor incorporated in the switch cell swcell. A space cell is, for example, a cell inserted in a space generated for securing a wiring area when standard cells nsell are arranged side by side. By incorporating a decoupling capacitor in the space cell as well, the capacity of the decoupling capacitor in the entire chip is increased, and power supply noise can be further reduced. Originally, since the space cell is an empty space only for the wiring layer, the area can be increased by inserting a capacitor here.

swcell内のMP1とMN1はncell内のMOSトランジスタよりも高しきい値にする必要がある。これは、ncell内のMOSトランジスタの基板電位(それぞれvbpあるいはvbnに接続されている)はそのソース電位とは独立しているが、swcell内のMP1とMN1の基板電位は常にドレイン電位と同じであり、基板バイアス効果が見込めず、サブスレッショルドリーク電流が流れるからである。   MP1 and MN1 in swcell need to have a higher threshold value than the MOS transistor in ncell. This is because the substrate potential of the MOS transistor in ncell (connected to vbp or vbn, respectively) is independent of its source potential, but the substrate potential of MP1 and MN1 in swcell is always the same as the drain potential. This is because the substrate bias effect cannot be expected and the subthreshold leakage current flows.

たとえばNMOSトランジスタMN1、MN2について、vbp=3.3V、vbn=-1.5V、VDD=1.8V、VSS=0Vと仮定すると、ncell内のMN2のソース電位S、ドレイン電位D、基板電位Bは、それぞれS=0.0V, D=1.8V, B=-1.5Vとなり、基板バイアス効果によりMN2のしきい値電圧が上昇し、サブスレッショルドリーク電流が小さくなる。ところが、swcell内のMN1のソース電位S、ドレイン電位D、基板電位Bは、それぞれS=0.0V, D=-1.5VV, B=-1.5Vとなり、基板バイアス効果によるしきい値電圧の変化が表れない。したがって、MN1には大きなサブスレッショルドリーク電流がVSSとvbnの間で流れることになる。   For example, for NMOS transistors MN1 and MN2, assuming that vbp = 3.3V, vbn = -1.5V, VDD = 1.8V, VSS = 0V, the source potential S, drain potential D, and substrate potential B of MN2 in the ncell are S = 0.0V, D = 1.8V, B = -1.5V, the threshold voltage of MN2 increases due to the substrate bias effect, and the subthreshold leakage current decreases. However, the source potential S, drain potential D, and substrate potential B of MN1 in swcell are S = 0.0V, D = -1.5VV, and B = -1.5V, respectively, and the threshold voltage changes due to the substrate bias effect. Does not appear. Therefore, a large subthreshold leakage current flows between VSS and vbn in MN1.

swcell内のMP1とMN1のしきい値電圧をncell内のMOSトランジスタよりも高くする方法には、インプラ量を変えたり、ゲート長(L)サイズを変えたり、ゲート酸化膜厚を変えたりすることで実現できる。この方法は特に限定しないが、ここではLサイズとゲート酸化膜厚を変えることで実現することにする。この方法により、マイコンの外部との入出力部分の回路(以下、I/O回路と記す)に使用される高耐圧MOSトランジスタが転用できる。   To make the threshold voltage of MP1 and MN1 in swcell higher than the MOS transistor in ncell, change the implantation amount, change the gate length (L) size, or change the gate oxide film thickness. Can be realized. This method is not particularly limited, but here it is realized by changing the L size and the gate oxide film thickness. By this method, a high voltage MOS transistor used for a circuit in an input / output portion with respect to the outside of the microcomputer (hereinafter referred to as I / O circuit) can be diverted.

図3にI/O回路の実施例を示す。ここでは1ビット分のみを示している。入出力回路はチップ内部と外部の信号を入出力端子PADを介して行う。SELが'L'のときPADは入力端子となり、SELが'H'のときは出力端子となる。LC1はレベル変換回路であり、VDDの振幅の信号を振幅の大きなVDDQの振幅の信号に変換する。従って、レベル変換セルLC1と入出力端子PAD間のトランジスタはVDDQで駆動される厚酸化膜トランジスタで構成する。ここでは、PULLがプルアップする必要があるときに'L'にしてPMOSのプルアップトランジスタでプルアップする。このPMOSも厚酸化膜トランジスタで構成する。   FIG. 3 shows an embodiment of the I / O circuit. Here, only one bit is shown. The input / output circuit performs internal and external signals via the input / output terminal PAD. When SEL is 'L', PAD is an input terminal, and when SEL is 'H', it is an output terminal. LC1 is a level conversion circuit that converts a signal having an amplitude of VDD into a signal having an amplitude of VDDQ having a large amplitude. Therefore, the transistor between the level conversion cell LC1 and the input / output terminal PAD is composed of a thick oxide film transistor driven by VDDQ. Here, when PULL needs to be pulled up, it is set to 'L' and pulled up with a PMOS pull-up transistor. This PMOS is also composed of a thick oxide transistor.

入力側については、外部から入力されるVDDQの振幅を有する信号を、110Pおよび110Nで構成されるインバータでVDDの振幅に変換する。したがって、この二つのトランジスタはレベル変換前の信号を取り扱うので厚酸化膜トランジスタで構成する。抵抗111R、ダイオード111D1、111D2、トランジスタ111は入力保護回路である。なお、ダイオード111D1および111D2はMOSトランジスタで構成してもよい。この入力保護回路中のトランジスタは厚酸化膜トランジスタで構成する。   On the input side, an externally input signal having VDDQ amplitude is converted to VDD amplitude by an inverter composed of 110P and 110N. Therefore, these two transistors handle signals before level conversion, and are therefore formed of thick oxide transistors. The resistor 111R, the diodes 111D1 and 111D2, and the transistor 111 are input protection circuits. The diodes 111D1 and 111D2 may be composed of MOS transistors. The transistors in this input protection circuit are constituted by thick oxide film transistors.

以上で示した厚酸化膜トランジスタはそれほど高速なスイッチング速度を要求しないことと、扱う電圧がVDDに比較して高いことから、しきい値電圧を高く設定できる。ncellで使用されるトランジスタよりも高くできる。これによりこれらの厚酸化膜トランジスタのオフ時のサブスレッショルドリーク電流を小さく抑えることができる。この厚酸化膜トランジスタを図2のスイッチセルswsellを構成するMP1およびMN1に使用することができる。このようにすれば、新たにMP1、MN1用にプロセスを複雑化する必要がなくなる。   Since the thick oxide film transistor described above does not require a very high switching speed and the handled voltage is higher than VDD, the threshold voltage can be set high. It can be higher than the transistor used in ncell. As a result, the subthreshold leakage current when these thick oxide film transistors are off can be kept small. This thick oxide film transistor can be used for MP1 and MN1 constituting the switch cell swsell of FIG. In this way, it becomes unnecessary to newly complicate the process for MP1 and MN1.

図4で基板バイアス制御回路VBCの内部構成を示す。4つの回路ブロックからなり、VBC80は電源としてVDDとVSSが、VBC30についてはVWELLとVSSが、VBC85についてはVDDとVSUBが、VSUBGENにはVWELL、VDD、VSSがそれぞれ供給されている。
したがって、VBC30、VBC85、VSUBGENの内部回路にかかる電源電圧は高々3.3Vである。このようにVDDQ=VWELLとすることで、I/O回路に供給されている電源もVDDQとVSSQで3.3Vなことから、I/O回路に使用しているデバイスと基板バイアス制御回路に使用するデバイスを共通化できる。
FIG. 4 shows the internal configuration of the substrate bias control circuit VBC. VBC80 is supplied with VDD and VSS, VBC30 is supplied with VWELL and VSS, VBC85 is supplied with VDD and VSUB, and VSUBGEN is supplied with VWELL, VDD, and VSS.
Therefore, the power supply voltage applied to the internal circuits of VBC30, VBC85, and VSUBGEN is 3.3V at most. By setting VDDQ = VWELL in this way, the power supplied to the I / O circuit is also 3.3V at VDDQ and VSSQ, so it is used for the devices used in the I / O circuit and the substrate bias control circuit. Devices can be shared.

一方、VBC80の電源は1.8Vである。したがって、VBC80からVBC30、VBC85への信号線はデュアルレール信号(正論理信号と負論理信号を使用するペアで使用するバランス信号)を用い、VBC30、VBC85内部でレベル変換(1.8V振幅信号を3.3V振幅信号に変換)している。   On the other hand, the power supply of VBC80 is 1.8V. Therefore, the signal line from VBC80 to VBC30, VBC85 uses a dual rail signal (balance signal used in a pair that uses positive logic signal and negative logic signal), and level conversion inside VBC30, VBC85 (1.8V amplitude signal is 3.3. Converted to V amplitude signal).

VBC80は基板バイアス制御回路VBCの外部からの入力信号cbpr、cbnr、vbbenb、resetとVBC30、VBC85との間のインターフェース回路ブロック、VBC30はPMOSの基板バイアスを制御する回路ブロック、VBC85はNMOSの基板バイアスを制御する回路ブロック、VSUBGENは負電圧発生回路ブロックである。   VBC80 is an interface circuit block between the input signals cbpr, cbnr, vbbenb, reset and VBC30, VBC85 from the outside of the substrate bias control circuit VBC, VBC30 is a circuit block that controls the substrate bias of the PMOS, and VBC85 is the substrate bias of the NMOS VSUBGEN is a negative voltage generating circuit block.

図5に動作波形例を示す。電源I/O回路用の電源VDDQ、基板バイアス制御回路VBC用の電源VWELLが投入された後に主回路用の電源VDDが投入される。これによって、負電圧発生回路ブロックVSUBGENが起動し、負電圧VSUBが生成される。一方、電源VDDが投入されると一定時間の間d_reset信号がアサートされる。この信号がアサートされると、基板バイアス制御回路は主回路の基板バイアスを引かない (以下、基板あるいは基板バイアスを引くとは、PMOSについてはその基板バイアスをVDD電位に、NMOSについてはその基板バイアスをVSS電位にすることとする。また、基板あるいは基板バイアスを引くとは、PMOSについてはその基板バイアスをVDD電位より高い電位に、NMOSについてはその基板バイアスをVSS電位より低い電位にすることとする)状態すなわちアクティブ状態に最優先で遷移する。   FIG. 5 shows an example of operation waveforms. After the power supply VDDQ for the power supply I / O circuit and the power supply VWELL for the substrate bias control circuit VBC are turned on, the power supply VDD for the main circuit is turned on. As a result, the negative voltage generation circuit block VSUBGEN is activated and the negative voltage VSUB is generated. On the other hand, when the power supply VDD is turned on, the d_reset signal is asserted for a certain time. When this signal is asserted, the substrate bias control circuit does not pull the substrate bias of the main circuit (hereinafter, pulling the substrate or substrate bias means that the substrate bias is set to the VDD potential for the PMOS and the substrate bias for the NMOS. In addition, pulling the substrate or substrate bias means that the substrate bias is set to a potential higher than the VDD potential for PMOS, and the substrate bias is set to a potential lower than the VSS potential for NMOS. ) State, that is, the active state.

この状態では、PMOS基板バイアス線vbp=1.8V、NMOS基板バイアス線vbn=0V、PMOS基板制御線cbp=0V、NMOS基板制御線cbn=1.8Vになる。基板制御リターン線cbpr、cbnrはcbp、cbn信号の戻り信号なのでcbpr=cbp=0V、cbnr=cbn=1.8Vとなる。   In this state, the PMOS substrate bias line vbp = 1.8V, the NMOS substrate bias line vbn = 0V, the PMOS substrate control line cbp = 0V, and the NMOS substrate control line cbn = 1.8V. Since the substrate control return lines cbpr and cbnr are return signals of cbp and cbn signals, cbpr = cbp = 0V and cbnr = cbn = 1.8V.

電源VDDが投入されて一定時間後、d_reset信号がネゲートされると、vbbenb信号によって基板バイアスが制御される。vbbenbが3.3Vの時は基板が引かれるスタンバイ状態に遷移し、0Vの時は基板が引かれないアクティブ状態に遷移する。   When the d_reset signal is negated after a certain period of time since the power supply VDD is turned on, the substrate bias is controlled by the vbbenb signal. When vbbenb is 3.3V, transition is made to the standby state where the board is pulled, and when vbbenb is 0V, transition is made to the active state where the board is not pulled.

すなわち、vbbenbが0Vから3.3Vに遷移すると、vbp=cbp=3.3V、vbn=cbn=-1.5Vに遷移する。その後、cbpr=cbp=3.3V、cbnr=cbn=-1.5Vに遷移する。vbbenbrはcbpr=3.3V、cbnr=0Vで3.3Vになる。したがって、vbbenbが0Vから3.3Vに遷移するとある時間が経過した後に(cbpあるいはcbnの戻り信号cbpr、cbnrが戻ってきてから)3.3Vになる。   That is, when vbbenb transits from 0V to 3.3V, it transits to vbp = cbp = 3.3V and vbn = cbn = −1.5V. After that, the transition is made to cbpr = cbp = 3.3V and cbnr = cbn = −1.5V. vbbenbr becomes 3.3V when cbpr = 3.3V and cbnr = 0V. Therefore, when vbbenb transitions from 0V to 3.3V, it becomes 3.3V after a certain time has elapsed (after cbp or cbn return signals cbpr and cbnr return).

vbbenbが3.3Vから0Vに遷移すると、vbp=1.8V、cbp=0V、vbn=0V、cbn=1.8Vに遷移する。その後ある時間が経過した後に、cbpr=cbp=0V、cbnr=cbn=1.8V、vbbenbr=0Vに遷移する。このように、vbbenbrはvbbenbの戻り信号として働く。さらに、図2で説明したように基板電位はcbp、cbn電位によって決定されるため、cbp、cbn電位から得られるvbbenbrをモニタすることで基板の電位状態を検出したことと等価なことができる。   When vbbenb transits from 3.3V to 0V, it transits to vbp = 1.8V, cbp = 0V, vbn = 0V, cbn = 1.8V. Then, after a certain time has elapsed, the transition is made to cbpr = cbp = 0V, cbnr = cbn = 1.8V, and vbbenbr = 0V. In this way, vbbenbr serves as a return signal for vbbenb. Furthermore, since the substrate potential is determined by the cbp and cbn potentials as described with reference to FIG. 2, monitoring the vbbenbr obtained from the cbp and cbn potentials can be equivalent to detecting the potential state of the substrate.

図6は動作波形の他の例である。図5と異なる部分のみ示している。 図6のようにcbp、cbnを制御した場合は制御回路が若干複雑になるが、アクティブ時に図2のMP1、MN2のソース端子とゲート端子にかかる電圧を大きく取ることができ、より低インピーダンスにvbp、vbnを駆動できる。この場合、ゲート制御信号に相当するcbp、cbnの振幅は、基板駆動トランジスタMP1、MN1のゲート耐圧よりも大きくなる。しかし、図6から分かるように、cbp、cbnをゆっくりと変化させることにより、MP1、MN1のゲート端子・ドレイン端子およびゲート端子・ソース端子間の電圧は高々3.3Vとなり、ゲート耐圧以下におさめることができる。   FIG. 6 shows another example of the operation waveform. Only the parts different from FIG. 5 are shown. When cbp and cbn are controlled as shown in Fig. 6, the control circuit becomes slightly complicated, but when active, the voltage applied to the source and gate terminals of MP1 and MN2 in Fig. 2 can be increased, resulting in lower impedance. Can drive vbp and vbn. In this case, the amplitudes of cbp and cbn corresponding to the gate control signal are larger than the gate breakdown voltage of the substrate driving transistors MP1 and MN1. However, as can be seen from Fig. 6, by slowly changing cbp and cbn, the voltage between the gate terminal and drain terminal of MP1 and MN1 and the voltage between the gate terminal and source terminal becomes 3.3V at most, and keep it below the gate breakdown voltage. Can do.

以下にそれぞれの回路ブロックの詳細回路図例を示す。以下の各回路ブロックの例は簡単のため図4の波形を実現する回路例を示すこととする。   The detailed circuit diagram example of each circuit block is shown below. For the sake of simplicity, the following example of each circuit block shows a circuit example for realizing the waveform of FIG.

図7はVBC80の回路図である。120は2入力NAND、121はシュミット特性を持つ2入力AND、122はインバータ、123はNOR、124はシュミット特性を持つバッファ、125は差動出力をもつバッファを表している。126はパワーオンリセット回路で、その出力127は電源VDDが投入されてから徐々に0Vから1.8Vに充電される。よって、121の出力は一定時間0Vを出力し、一定時間後1.8Vを出力することになる。この出力によって図5で示したように電源VDD投入時にd_reset信号が一定時間アサートされる。図7ではパワーオンリセット回路126は抵抗とキャパシタによる簡単なものを使用しているが、他の回路方式でもよい。要は電源VDDが安定化するまでを検出できるものであればよい。   FIG. 7 is a circuit diagram of the VBC80. 120 represents a 2-input NAND, 121 represents a 2-input AND having Schmitt characteristics, 122 represents an inverter, 123 represents NOR, 124 represents a buffer having Schmitt characteristics, and 125 represents a buffer having a differential output. 126 is a power-on reset circuit, and its output 127 is gradually charged from 0V to 1.8V after the power supply VDD is turned on. Therefore, the output of 121 outputs 0V for a certain time, and outputs 1.8V after a certain time. With this output, as shown in FIG. 5, the d_reset signal is asserted for a certain time when the power supply VDD is turned on. In FIG. 7, the power-on reset circuit 126 is a simple circuit using a resistor and a capacitor, but another circuit system may be used. In short, any device capable of detecting the power supply VDD until it stabilizes may be used.

d_vbbenb、d_cbpr、d_cbnrはそれぞれvbbenb、cbpr、cbnrをデュアルレール化した信号であるが、パワーオンリセット期間は基板制御状態がアクティブ状態になるようにしている。d_vbbenbrは図5のvbbenbrを作るためのデュアルレール信号であり、cbpr、cbnrから作っている。   d_vbbenb, d_cbpr, and d_cbnr are signals obtained by making vbbenb, cbpr, and cbnr into dual rails, respectively, but the substrate control state is set to the active state during the power-on reset period. d_vbbenbr is a dual rail signal for making vbbenbr in FIG. 5, which is made from cbpr and cbnr.

図8はVBC30の回路図である。130はレベル変換回路で、d_vbbenbとd_resetのVDDからVSSまでの1.8V振幅のデュアルレール信号から、VWELLからVSSまでの3.3V振幅の信号133を作っている。133が'L'になるのはアクティブ状態あるいはパワーオンリセット期間の時である。   FIG. 8 is a circuit diagram of the VBC30. A level conversion circuit 130 generates a signal 133 of 3.3 V amplitude from VWELL to VSS from a dual rail signal of 1.8 V amplitude from VDD to VSS of d_vbbenb and d_reset. 133 becomes “L” in an active state or a power-on reset period.

131もレベル変換回路で、d_cbprとd_resetのVDDからVSSまでの1.8V振幅のデュアルレール信号から、VWELLからVSSまでの3.3V振幅の信号134を作っている。134が0Vになるのはcbprが0Vあるいはパワーオンリセット期間の時である。133が0Vになることで、vbpはハイインピーダンス状態になり、cbpは0Vになり、cbpenbrは0Vになる。cbpが0Vになると主回路内の全swcell内のMP1がオンし、vbpは1.8Vに駆動される。   131 is also a level conversion circuit, which generates a signal 134 of 3.3V amplitude from VWELL to VSS from a dual rail signal of 1.8V amplitude from VDD to VSS of d_cbpr and d_reset. 134 becomes 0V when cbpr is 0V or during a power-on reset period. When 133 becomes 0V, vbp becomes a high impedance state, cbp becomes 0V, and cbpenbr becomes 0V. When cbp becomes 0V, MP1 in all swcells in the main circuit is turned on, and vbp is driven to 1.8V.

132もレベル変換回路で、図7で説明したVBC80からのd_vbbenbr信号を3.3V振幅のvbbenbr信号として出力している。   Reference numeral 132 denotes a level conversion circuit that outputs the d_vbbenbr signal from the VBC 80 described in FIG. 7 as a vbbenbr signal having a 3.3 V amplitude.

図9はcbpの遷移の様子を示したものであるが、cbpの出力インピーダンスは2段階に変化する。cbpは133信号によって制御されるインバータ135で駆動されるが、133が0Vでかつ134が0Vの時はNMOS 136がオンしてNMOSによっても駆動される。ここではインバータ135内のNMOSのゲート幅よりもNMOS 136のゲート幅を十分に大きくしておく。アクティブ状態に遷移し、133が0Vになるとインバータ135によってcbpは0Vに駆動される。しかし、cbpは主回路全体に配線されており、その負荷容量は大きなものになっている。このことからcbpはゆっくりと0Vに駆動されることになる。その遷移をcbpの戻り信号cbprの遷移によって検出し、d_cbpr信号が変化する。これにより134が0Vになり、NMOS 136がオンする。これによってcbpは低インピーダンスに0Vに駆動される。このようにしてアクティブ状態ではcbpは低インピーダンスに駆動され、主回路の動作によるノイズの影響を低減できる。また、cbpが0Vに駆動されると、主回路内の全swcell内のMP1がオンするが、cbpの0Vへの駆動を図8(B)のようにゆっくりと駆動することで全swcell内のMP1の同時スイッチングノイズが低減できる。   FIG. 9 shows the transition of cbp, but the output impedance of cbp changes in two stages. The cbp is driven by the inverter 135 controlled by the 133 signal. When 133 is 0V and 134 is 0V, the NMOS 136 is turned on and is also driven by the NMOS. Here, the gate width of the NMOS 136 is made sufficiently larger than the gate width of the NMOS in the inverter 135. When the state transits to the active state and 133 becomes 0V, the inverter 135 drives cbp to 0V. However, cbp is wired throughout the main circuit, and its load capacity is large. For this reason, cbp is slowly driven to 0V. The transition is detected by the transition of the cbp return signal cbpr, and the d_cbpr signal changes. As a result, 134 becomes 0 V, and the NMOS 136 is turned on. This drives cbp to 0V with low impedance. In this way, in the active state, cbp is driven to a low impedance, and the influence of noise due to the operation of the main circuit can be reduced. Also, when cbp is driven to 0V, MP1 in all swcells in the main circuit is turned on, but by driving cbp to 0V slowly as shown in Fig. 8 (B), all swcells in all swcells are turned on. MP1 simultaneous switching noise can be reduced.

図10はVBC85の回路図である。140はレベル変換回路で、d_vbbenbとd_resetのVDDからVSSまでの1.8V振幅のデュアルレール信号から、VDDからVSUBまでの3.3V振幅の信号142を作っている。142が1.8Vになるのはアクティブ状態あるいはパワーオンリセット期間の時である。   FIG. 10 is a circuit diagram of the VBC85. Reference numeral 140 denotes a level conversion circuit, which generates a signal 142 of 3.3 V amplitude from VDD to VSUB from a dual rail signal of 1.8 V amplitude from VDD to VSS of d_vbbenb and d_reset. 142 becomes 1.8V during the active state or power-on reset period.

141もレベル変換回路で、d_cbnrとd_resetのVDDからVSSまでの1.8V振幅のデュアルレール信号から、VDDからVSUBまでの3.3V振幅の信号143を作っている。143が1.8Vになるのはcbnrが1.8Vあるいはパワーオンリセット期間の時である。142が1.8Vになることで、vbnはハイインピーダンス状態になり、cbnは1.8Vになる。cbnが1.8Vになると主回路内の全swcell内のMN1がオンし、vbnは0Vに駆動される。   141 is also a level conversion circuit, and a signal 143 having a 3.3 V amplitude from VDD to VSUB is generated from a dual rail signal of 1.8 V amplitude from VDD to VSS of d_cbnr and d_reset. 143 becomes 1.8V when cbnr is 1.8V or during the power-on reset period. When 142 becomes 1.8V, vbn becomes a high impedance state and cbn becomes 1.8V. When cbn becomes 1.8V, MN1 in all swcells in the main circuit is turned on, and vbn is driven to 0V.

図11はcbnの遷移の様子を示したものであるが、cbnの出力インピーダンスはcbpと同様に2段階に変化する。cbnは143信号によって制御されるインバータ144で駆動されるが、142が1.8Vでかつ143が1.8Vの時はPMOS 145がオンしてPMOS 145によっても駆動される。ここではインバータ144内のPMOSのゲート幅よりもPMOS 145のゲート幅を十分に大きくしておく。アクティブ状態に遷移し、142が1.8Vになるとインバータ144によってcbnは0Vに駆動される。しかし、cbnは主回路全体に配線されており、その負荷容量は大きなものになっている。このことからcbnはゆっくりと0Vに駆動されることになる。その遷移をcbnの戻り信号cbnrの遷移によって検出し、d_cbnr信号が変化する。これにより143が1.8Vになり、PMOS 145がオンする。これによってcbnは低インピーダンスに1.8Vに駆動される。このよ
うにしてアクティブ状態ではcbnはcbpと同様に低インピーダンスに駆動され、主回路の動作によるノイズの影響を低減できる。また、cbnが1.8Vに駆動されると、主回路内の全swcell内のMN1がオンするが、cbnの1.8Vへの駆動を図11のようにゆっくりと駆動することで全swcell内のMN1の同時スイッチングノイズが低減できる。
FIG. 11 shows the state of the transition of cbn, but the output impedance of cbn changes in two stages, similar to cbp. The cbn is driven by the inverter 144 controlled by the 143 signal. When 142 is 1.8V and 143 is 1.8V, the PMOS 145 is turned on and is also driven by the PMOS 145. Here, the gate width of the PMOS 145 is made sufficiently larger than the gate width of the PMOS in the inverter 144. When transitioning to the active state and 142 becomes 1.8V, the inverter 144 drives cbn to 0V. However, cbn is wired throughout the main circuit, and its load capacity is large. For this reason, cbn is slowly driven to 0V. The transition is detected by the transition of the return signal cbnr of cbn, and the d_cbnr signal changes. As a result, 143 becomes 1.8V and PMOS 145 is turned on. This drives cbn to 1.8V with low impedance. In this way, in the active state, cbn is driven to a low impedance like cbp, and the influence of noise due to the operation of the main circuit can be reduced. Also, when cbn is driven to 1.8V, MN1 in all swcells in the main circuit is turned on, but by driving cbn to 1.8V slowly as shown in FIG. 11, MN1 in all swcells Simultaneous switching noise can be reduced.

以上の説明で明らかなように、本発明の基板バイアス制御方式では、基板の駆動インピーダンスは、基板を引かないアクティブ状態(全swcellによる基板駆動)の方が、基板を引くスタンバイ状態(VBCによる基板駆動)よりも小さくなっている。したがって、前述のように電源投入時に基板は引かれないアクティブ状態に遷移することで、基板電位が不安定なことから生じる電源投入時の電源間貫通電流増加問題やラッチアップ問題が回避できる。また、アクティブ時には主回路が動作して基板ノイズが多く発生するが、基板の駆動インピーダンスを低くすることで基板ノイズを低減することができ、主回路の誤作動やラッチアップ等を防ぐことができる。   As is apparent from the above description, in the substrate bias control system of the present invention, the substrate drive impedance is the standby state in which the substrate is pulled in the active state (substrate drive by all swcells) in which the substrate is not pulled (substrate by VBC). It is smaller than (driving). Therefore, as described above, the transition to the active state in which the substrate is not pulled when the power is turned on can avoid the problem of an increase in through current between power sources and a latch-up problem caused by the substrate potential being unstable. In addition, when active, the main circuit operates to generate a lot of substrate noise. However, the substrate noise can be reduced by reducing the driving impedance of the substrate, and malfunction of the main circuit, latch-up, etc. can be prevented. .

図12に負電圧発生回路VSUBGENの内部構成を示す。3つの回路ブロックからなり、VSUBSENは基板バイアスセンス回路、PMP1はチャージポンプ回路1、PMP2はチャージポンプ回路2である。基板バイアスセンス回路VSUBSENはVSUB電位をモニタし、なおかつvbpenb信号によってアクティブ状態とスタンバイ状態をモニタして、VSUB=VDD+VSS-VWELLを満たすように制御信号pmp1enb、pmp2enbを用いてPMP1およびPMP2を制御する。   FIG. 12 shows the internal configuration of the negative voltage generation circuit VSUBGEN. It consists of three circuit blocks, VSUBSEN is a substrate bias sense circuit, PMP1 is a charge pump circuit 1, and PMP2 is a charge pump circuit 2. The substrate bias sense circuit VSUBSEN monitors the VSUB potential, monitors the active and standby states with the vbpenb signal, and controls PMP1 and PMP2 using the control signals pmp1enb and pmp2enb to satisfy VSUB = VDD + VSS-VWELL To do.

PMP1はpmp1enb信号がアサートされれば動作し、PMP2はpmp2enbがアサートされれば動作する。PMP1とPMP2の違いがポンピング能力の違いで、PMP1の方がPMP2と比較してポンピング能力を大きくしている。PMP1とPMP2のどちらを使用するかはvbpenb信号により決定され、アクティブ状態ではPMP2が使用され、スタンバイ状態ではPMP1が使用される。   PMP1 operates when the pmp1enb signal is asserted, and PMP2 operates when pmp2enb is asserted. The difference between PMP1 and PMP2 is the difference in pumping capacity. PMP1 has a larger pumping capacity than PMP2. Whether to use PMP1 or PMP2 is determined by the vbpenb signal. PMP2 is used in the active state, and PMP1 is used in the standby state.

アクティブ状態ではVSUB電位は基板バイアス制御回路VBC内でのみ使用されるので、それほどVSUBには電流が流れない。このため、ポンピング能力の小さいPMP2が使用される。スタンバイ状態ではVSUB電位は主回路全体に供給されるので、VSUBには接合電流等の電流が流れる。このため、ポンピング能力の大きなPMP1が使用される。   In the active state, the VSUB potential is used only in the substrate bias control circuit VBC, so that no current flows through the VSUB. For this reason, PMP2 having a small pumping capacity is used. Since the VSUB potential is supplied to the entire main circuit in the standby state, a current such as a junction current flows through VSUB. For this reason, PMP1 having a large pumping capacity is used.

図13に本発明のチャージポンプ回路1 PMP1の回路図を示す。OSCはリングオシレータで、pmp1enbがアサートされたときのみ発振し、VSUBを負電圧に充電する。   FIG. 13 shows a circuit diagram of the charge pump circuit 1 PMP1 of the present invention. OSC is a ring oscillator that oscillates only when pmp1enb is asserted and charges VSUB to a negative voltage.

図14は伊藤清男著、「超LSIメモリ」、培風館、p266に記述されているチャージポンプ回路にPMOS 162および163を追加したもので、160、161のPMOSを用いてリングオシレータの1サイクル期間中に2回チャージポンプを行うチャージポンプ回路である。本発明ではさらに、図13に示すようにNMOS 164、165を追加している。これによって、PMOS 160、161のしきい値の影響をなくし、低電圧動作でも十分深いVSUBが得られる。VWELLが3.3Vの時、図14の構成ではVSUB=-3.3+vthp (vthp=PMOS 160、161のしきい値の絶対値) までしか得ることができず、せいぜいVSUB=-2.3V程度であるのに対して、本発明の方式では、VSUB=-3.3V程度まで得ることができる。   Figure 14 shows the addition of PMOS 162 and 163 to the charge pump circuit described in Ito Kiyoo, "Ultra LSI Memory", Bafukan, p266. One cycle period of the ring oscillator using 160 and 161 PMOS It is a charge pump circuit that performs charge pump twice. In the present invention, NMOSs 164 and 165 are further added as shown in FIG. As a result, the influence of the threshold values of the PMOS 160 and 161 is eliminated, and a sufficiently deep VSUB can be obtained even at low voltage operation. When VWELL is 3.3V, only VSUB = -3.3 + vthp (vthp = the absolute value of the threshold of PMOS 160, 161) can be obtained with the configuration of FIG. 14, and VSUB = -2.3V at most. On the other hand, with the method of the present invention, VSUB = −3.3V can be obtained.

チャージポンプ回路2 PMP2の回路図は特にここでは示さないが、図13でコンデンサとして使用しているPMOS CP3、CP4を小さくしてコンデンサの容量を小さくすればよい。もちろんこのCP3あるいはCP4に合わせてその他のMOSの大きさを最適化すればよい。   Although a circuit diagram of the charge pump circuit 2 PMP2 is not particularly shown here, the capacitors CP3 and CP4 used as capacitors in FIG. 13 may be reduced to reduce the capacitance of the capacitors. Of course, other MOS sizes may be optimized in accordance with CP3 or CP4.

図15に基板バイアスセンス回路VSUBSENの回路図を示す。VREFGENは基準電圧発生回路で、150、151で示されたNMOSの直列接続によりVREF=(VDD-VSS)/2の出力を得ている。V1GENはVSUB電位のセンス回路で、152から155までのNMOSの直列接続により、V1=(VWELL-VSUB)/2の出力を得ている。それぞれのNMOSのソース・ドレイン間には約1V程度の電位差のみがかかるようにし、さらにゲート長を長くする。これによって、VDDからVSSあるいはVWELLからVSUBへの貫通電流を小さく抑えることができる。また、飽和領域で動作しているのでばらつきに対して鈍感にVREFあるいはV1が得られる。さらに、本発明ではPMOSではなくNMOSを使用している。NMOSはPMOSよりも飽和特性が良いので、ソース・ドレイン間に約1V程度の電位差しかかからなくても各NMOS間のばらつきに対してより鈍感にVREFあるいはV1が得られる。
AMP1、AMP2、AMP3はそれぞれ差動アンプで、一つの差動アンプを構成している。このAMP1、AMP2、AMP3からなる差動アンプには、VREFとV1が入力され、VREF<V1の時にはpmp1enbあるいはpmp2enbがアサートされる。これによりVSUBは負電圧方向に充電される。VREF>V1の時にはpmp1enbあるいはpmp2enbはネゲートされる。VSUBにはVSSあるいはVWELL、VDD方向に何らかのリーク電流があるので、pmp1enbとpmp2enbの両方がネゲートされているとVSUBは正電位方向に放電される。このpmp1enbあるいはpmp2enbのアサート・ネゲートを繰り返すことで、V1=VREF、すなわち、VSUB=VDD-VSS-VWELLが保たれることになる。なお、前述のように、vbpenbが3.3Vの時(スタンバイ状態時)にはpmp1enbがアサートされ、vbpenbが0Vの時(アクティブ状態時)にはpmp2enbがアサートされる。
FIG. 15 shows a circuit diagram of the substrate bias sense circuit VSUBSEN. VREFGEN is a reference voltage generation circuit, and an output of VREF = (VDD−VSS) / 2 is obtained by connecting NMOSs 150 and 151 in series. V1GEN is a VSUB potential sense circuit, which obtains an output of V1 = (VWELL-VSUB) / 2 by connecting NMOS transistors 152 to 155 in series. Only a potential difference of about 1 V is applied between the source and drain of each NMOS, and the gate length is further increased. As a result, the through current from VDD to VSS or VWELL to VSUB can be kept small. Further, since it operates in the saturation region, VREF or V1 can be obtained insensitive to variations. Furthermore, the present invention uses NMOS instead of PMOS. Since NMOS has better saturation characteristics than PMOS, VREF or V1 can be obtained insensitive to variations between NMOSs even if a potential of about 1 V is not applied between the source and drain.
AMP1, AMP2, and AMP3 are each a differential amplifier and constitute one differential amplifier. VREF and V1 are input to the differential amplifier composed of AMP1, AMP2, and AMP3. When VREF <V1, pmp1enb or pmp2enb is asserted. As a result, VSUB is charged in the negative voltage direction. When VREF> V1, pmp1enb or pmp2enb is negated. Since VSUB has some leakage current in the VSS, VWELL, and VDD directions, VSUB is discharged in the positive potential direction when both pmp1enb and pmp2enb are negated. By repeatedly asserting and negating pmp1enb or pmp2enb, V1 = VREF, that is, VSUB = VDD-VSS-VWELL is maintained. As described above, when vbpenb is 3.3V (in the standby state), pmp1enb is asserted, and when vbpenb is 0V (in the active state), pmp2enb is asserted.

また、AMP1とAMP2の間にはフィードバック経路があり、AMP1、AMP2、AMP3からなる差動アンプはヒステリシス特性を持っている。ここでいうヒステリシス特性とは差動アンプの差動点がアンプの出力によって変化することをいい、いわゆるシュミット特性を持つことである。これにより、V1=VREF付近で過度にpmp1enbあるいはpmp2enbがアサート・ネゲートを繰り返すことを防いでおり、消費電力の増加を防いでいる。   Further, there is a feedback path between AMP1 and AMP2, and the differential amplifier composed of AMP1, AMP2, and AMP3 has a hysteresis characteristic. Here, the hysteresis characteristic means that the differential point of the differential amplifier changes according to the output of the amplifier, and has a so-called Schmitt characteristic. This prevents pmp1enb or pmp2enb from repeatedly repeating assertion and negation near V1 = VREF, thereby preventing an increase in power consumption.

さらにまた、vbpenbがアサートされたときとネゲートされたときで、AMP1からAMP3までの差動アンプの動作電流を変えている。vbpがアサートされるスタンバイ時にはVSUBには主回路のvbnが接続されるため大きな基板容量が接続されることになる。したがって、VSUBはゆっくりと変化する。AMP1からAMP3は高速に動作する必要がないので、動作電流を制限できる。これによりAMP1からAMP3の消費電力を削減することができる。一方、vbpがネゲートされるアクティブ時には、VSUBには基板バイアス制御回路VBCだけが接続されるため、比較的小さな容量がVSUBに接続されることになる。したがって、VSUBはすばやく変化し、AMP1からAMP3は高速に動作する必要がある。また、アクティブ時にはそれほど消費電力が気にならない。このため、AMP1からAMP3の動作電流を大きくし、高速動作させている。   Furthermore, the operating current of the differential amplifier from AMP1 to AMP3 is changed when vbpenb is asserted and negated. During standby in which vbp is asserted, VSUB of the main circuit is connected to VSUB, so that a large substrate capacity is connected. Therefore, VSUB changes slowly. Since AMP1 to AMP3 do not need to operate at high speed, the operating current can be limited. Thereby, the power consumption of AMP1 to AMP3 can be reduced. On the other hand, when vbp is negated and active, only the substrate bias control circuit VBC is connected to VSUB, so that a relatively small capacity is connected to VSUB. Therefore, VSUB changes quickly and AMP1 to AMP3 need to operate at high speed. Also, when active, not much power consumption. For this reason, the operating current of AMP1 to AMP3 is increased to operate at high speed.

以下、基板バイアス給電方法のより詳しい実施例について説明する。   Hereinafter, a more detailed embodiment of the substrate bias feeding method will be described.

図16にncellおよびswcellのレイアウト例を示す。swcellは縦方向(Y方向)に連続して配置する。また、swcellとncellのセル高さは同じ高さに統一し、swcellとswcellの横方向(X方向)の間隔Lはある値以内で可変にする。もちろん一定間隔にしてもよいがある程度可変にした方がよりレイアウトの自由度が増す。どちらにしても間隔Lは以下の項目を考慮して決めればよい。
(1)電源線のインピーダンス
(2)電源配線のマイグレーション
(3)ncellが動作することでvbpやvbnに生じる基板ノイズ
図17にncellのレイアウト例を示す。図2の場合と同様にインバータを例にしている。vbp、vbn、VDD、VSSは4本の平行した第一層メタル配線(以下M1と記す)によって給電されている。vbp、vbnはそれぞれ表面高濃度層によっても給電されている。Hはセル高さで、縦方向の基本繰り返し単位を示している。この高さを基
準に縦方向に鏡面対称に配置される。これによってvbpおよびvbnが上下の隣合うncellと共有することができ、面積を削減できる。
FIG. 16 shows a layout example of ncell and swcell. Swcells are arranged continuously in the vertical direction (Y direction). The cell height of swcell and ncell is unified to the same height, and the interval L in the horizontal direction (X direction) between swcell and swcell is made variable within a certain value. Of course, the interval may be constant, but the degree of freedom of layout increases if it is variable to some extent. In any case, the interval L may be determined in consideration of the following items.
(1) Power line impedance
(2) Migration of power supply wiring
(3) Substrate noise generated in vbp and vbn when ncell operates FIG. 17 shows an example layout of ncell. As in the case of FIG. 2, an inverter is taken as an example. vbp, vbn, VDD, and VSS are supplied with power by four parallel first layer metal wires (hereinafter referred to as M1). vbp and vbn are also fed by the surface high concentration layer. H is the cell height and represents the basic repeating unit in the vertical direction. Based on this height, they are arranged mirror-symmetrically in the vertical direction. As a result, vbp and vbn can be shared with upper and lower adjacent ncells, and the area can be reduced.

図18に図17のA-Bラインでの断面図を示す。N-wellはMP2を形成するためのN型ウェル、P-wellはMN2を形成するためのP型ウェルである。Deep-NはN-well、P-wellよりも深いところにあるN型ウェルであり、いわゆる3重ウェル構造になっている。   FIG. 18 shows a cross-sectional view taken along the line AB of FIG. N-well is an N-type well for forming MP2, and P-well is a P-type well for forming MN2. Deep-N is an N-type well located deeper than N-well and P-well, and has a so-called triple well structure.

図19にswcellのレイアウト例を示す。セルの高さはncellと同様にHで、M1によるvbp,vbn,VDD,VSSの給電線はncellと同じ位置にある。図16に示したように、swcellは縦方向に連続し、横方向にはある間隔以内の間隔で並んでいる。このような配置にすることでこのswcellの場所に電源強化線を配置することができる。図19で、縦方向に平行して配線されている第二層メタル配線(以下、M2と記す)がこの電源強化線2本である。この2本の電源強化線の間に、vbp、vbn強化線2本と、cbp、cbn2本が平行して配置されている。両端の電源強化線VDD、VSSによって、比較的インピーダンスの高い4本の基板バイアス制御線を外来ノイズから守ることができる。   FIG. 19 shows a layout example of swcell. The height of the cell is H like ncell, and the power lines of vbp, vbn, VDD and VSS by M1 are in the same position as ncell. As shown in FIG. 16, swcells are continuous in the vertical direction and are arranged at intervals within a certain interval in the horizontal direction. With this arrangement, the power reinforcing line can be arranged at the location of the swcell. In FIG. 19, the second-layer metal wiring (hereinafter referred to as M2) wired in parallel in the vertical direction is the two power reinforcing lines. Between the two power reinforcing lines, two vbp and vbn reinforcing lines and two cbp and cbn are arranged in parallel. The four substrate bias control lines having relatively high impedance can be protected from external noise by the power reinforcing lines VDD and VSS at both ends.

MP1は6個のトランジスタに分離されて形成され、そのゲートはcbpに、ドレインはvbpに、ソースはVDDにそれぞれ接続されている。また、MN1は3個のトランジスタに分離されて形成され、そのゲートはcbnに、ドレインはvbnに、ソースはVSSにそれぞれ接続されている。デカップリングコンデンサCP1、CP2はそれぞれ2個のトランジスタに分離されて、MP1およびMN1の両端に形成されており、MOSゲート容量を用いて容量が作られている。   MP1 is formed by being separated into six transistors, the gate is connected to cbp, the drain is connected to vbp, and the source is connected to VDD. Further, MN1 is formed by being separated into three transistors, the gate is connected to cbn, the drain is connected to vbn, and the source is connected to VSS. The decoupling capacitors CP1 and CP2 are separated into two transistors, respectively, and are formed at both ends of MP1 and MN1, and the capacitance is made using MOS gate capacitance.

デカップリングコンデンサCP1およびCP2の大きさとMP1およびMN1の大きさの比は、特に限定しない。極端な例ではデカップリングコンデンサCP1およびCP2のどちらか一方あるいは両方を無くしてもよい。デカップリングコンデンサを大きくすれば、電源ノイズを低減できる。一方、MP1およびMN1を大きくすればマイコンが通常状態の時、基板バイアスをより低インピーダンスで電源と接続することができ、ノイズに対して強くなり、ラッチアップも起こり難くなる。   The ratio of the sizes of the decoupling capacitors CP1 and CP2 and the sizes of MP1 and MN1 is not particularly limited. In an extreme example, one or both of the decoupling capacitors CP1 and CP2 may be eliminated. Increasing the decoupling capacitor can reduce power supply noise. On the other hand, if MP1 and MN1 are increased, the substrate bias can be connected to the power source with a lower impedance when the microcomputer is in a normal state, and it is more resistant to noise and less likely to latch up.

M1のVDD線とM2のVDD線との間のVIAホールおよび、M1のVSS線とM2のVSS線との間のVIAホールは簡単化のため省略しているが、それぞれの配線の交点にVIAホールを設ければよい。   The VIA hole between the VDD line of M1 and the VDD line of M2 and the VIA hole between the VSS line of M1 and the VSS line of M2 are omitted for simplicity, but VIA is at the intersection of each wiring. A hole may be provided.

図20に図19のA-Bラインでの断面図を示す。図18と同様に、P-wellはMN1を形成するためのP型ウェルであり、Deep-NはP-wellよりも深いところにあるN型ウェルであり、いわゆる3重ウェル構造になっている。ここでは図19で省略したM1のVSS線とM2のVSS線との間のVIAホールも図示している。図2の説明のところで記述したようにMN2には厚酸化膜トランジスタを用いて、しきい値を高くしている。   FIG. 20 shows a cross-sectional view taken along the line AB of FIG. Similarly to FIG. 18, P-well is a P-type well for forming MN1, Deep-N is an N-type well deeper than P-well, and has a so-called triple well structure. . Here, the VIA hole between the VSS line of M1 and the VSS line of M2 omitted in FIG. 19 is also illustrated. As described in the explanation of FIG. 2, a thick oxide film transistor is used for MN2 to increase the threshold value.

図21に電源配線VDD、VSSおよび基板バイアス制御線vbp,vbn,cbp,cbnの配線方法のより具体的な例を示す。同図は図16に上記配線を追加したものである。横方向にはM1で配線されたVDD,VSS,vbp,vbnが平行に配線されている。図17で説明したようにvbpは上下二つのセルによって共有され、その上下にVDDが平行して配線されている。また、vbnも上下二つのセルによって共有され、その上下にVSSが平行して配線されている。もちろん、VDD、VSSはvbp、vbnよりも太くする方がよい。   FIG. 21 shows a more specific example of the wiring method of the power supply wirings VDD, VSS and the substrate bias control lines vbp, vbn, cbp, cbn. This figure is obtained by adding the above wiring to FIG. In the horizontal direction, VDD, VSS, vbp, and vbn wired by M1 are wired in parallel. As described in FIG. 17, vbp is shared by two upper and lower cells, and VDD is wired in parallel above and below the cell. In addition, vbn is also shared by two upper and lower cells, and VSS is wired in parallel above and below. Of course, it is better to make VDD and VSS thicker than vbp and vbn.

図19で説明したように、縦方向にはM2で配線されたVDD,VSS,vbp,vbn,cbp,cbnがswcell上を配線されており、M1とM2の交点で、それぞれVDD、VSS、vbp、vbnがメッシュ状に接続されている。   As explained in Fig. 19, VDD, VSS, vbp, vbn, cbp, cbn wired in M2 are wired on swcell in the vertical direction, and VDD, VSS, vbp at the intersection of M1 and M2, respectively. , Vbn are connected in mesh.

図22は電源VDD、VSSの補強の様子を示したものである。図21の基本繰り返し単位にさらに第四メタル配線層(以下M4と記す)、第五メタル配線層(以下、M5と記す)で形成された電源線VDD,VSSがメッシュ状に配線されている。   FIG. 22 shows how the power supplies VDD and VSS are reinforced. Power supply lines VDD and VSS formed of a fourth metal wiring layer (hereinafter referred to as M4) and a fifth metal wiring layer (hereinafter referred to as M5) are further wired in a mesh shape in the basic repeating unit of FIG.

縦方向に配線されているM2のVDD、VSSの上空にM4で配線されたVDD、VSSを配線しているが、この両者を接続するためには第三メタル配線層(以下、M3と記す)が必要である。この接続をすべてのswcell上で行うとM3が縦方向に配線されることになり、M3の横方向のパスが無くなってしまうという問題がある。   VDD and VSS wired by M4 are wired above M2 VDD and VSS that are wired vertically, but a third metal wiring layer (hereinafter referred to as M3) is used to connect both. is required. If this connection is performed on all swcells, M3 is wired in the vertical direction, and there is a problem that the path in the horizontal direction of M3 is lost.

図22ではM2とM4の電源線の接続を、swcell2あるいはswcell3で示した3つごとのswcell上でのみ行っている。このようにすることによって、M3の横方向の配線パスを確保することができる。   In FIG. 22, the connection of the power lines M2 and M4 is performed only on every three swcells indicated by swcell2 or swcell3. By doing so, it is possible to secure a wiring path in the horizontal direction of M3.

M5の電源線はswcell3で示した6つごとのswcell上でのみ行っており、swcell3上のM4の電源線との交点で接続している。   The power line of M5 is performed only on every six swcells indicated by swcell3, and is connected at the intersection with the power line of M4 on swcell3.

上記のようにM1、M2の細かいピッチの電源メッシュを、M4、M5の荒いピッチの電源メッシュで補強することで、電源線VDD,VSSのインピーダンスを下げることができる。   As described above, the impedance of the power supply lines VDD and VSS can be lowered by reinforcing the power supply mesh having a fine pitch of M1 and M2 with the power supply mesh having a rough pitch of M4 and M5.

なお、図22ではM4の縦方向の電源線は全swcell上で配線しているが、横方向に2つごとあるいは3つごとのように荒く配線してもよい。電源線のインピーダンスは高くなるが、M4の縦方向のパスを確保することができる。   In FIG. 22, the power supply lines in the vertical direction of M4 are wired on all swcells, but may be wired roughly every two or three in the horizontal direction. Although the impedance of the power supply line becomes high, the M4 vertical path can be secured.

図23に、図22に示したswcellの配置とウェルの関係を示す。P型ウェルP-wellとN型ウェルが交互に帯状に対置されており、ncell二つで一つのウェルを共有するように配置されている。   FIG. 23 shows the relationship between the swcell arrangement shown in FIG. 22 and the wells. P-type wells P-wells and N-type wells are alternately arranged in a strip shape, and two ncells are arranged to share one well.

図24にメモリ回路のswcellと電源線のレイアウト例を示す。ここではワード線およびビット線は図示していないが、横方向にワード線が、縦方向にビット線が配置されている。メモリマットの電源線はメモリセル内は横方向に走っているが、それらをメモリマットの両端の電源線200、201、202で補強している。203は各ワードドライバおよびワードデコーダへ電源を供給する電源線を、204は各センスアンプへ電源を供給する電源線を示している。swcellは以上の200から204までの電源線に図24の様に配置している。
通常、複数のワードドライバおよびワードデコーダの内、同時に動作するものは一個あるいは二個程度である。したがって、基板ノイズの量もそれほど多くはならないため図のように203の両端に二個のswcellを配置しただけになっている。
FIG. 24 shows a layout example of the memory cell swcell and the power supply line. Although word lines and bit lines are not shown here, word lines are arranged in the horizontal direction and bit lines are arranged in the vertical direction. The power lines of the memory mat run in the horizontal direction in the memory cell, but they are reinforced by the power lines 200, 201, 202 at both ends of the memory mat. Reference numeral 203 denotes a power supply line for supplying power to each word driver and word decoder, and 204 denotes a power supply line for supplying power to each sense amplifier. The swcell is arranged on the above 200 to 204 power lines as shown in FIG.
Usually, only one or two of a plurality of word drivers and word decoders operate simultaneously. Therefore, since the amount of substrate noise does not increase so much, only two swcells are arranged at both ends of 203 as shown in the figure.

また逆にセンスアンプは同時に多数のセンスアンプが動作する。しかし、センスアンプ内部の電位は'L'から'H'に遷移するノードの数と'H'から'L'に遷移するノードの数がほぼ同じ数だけある。そのため、同時に多くのセンスアンプが動作しても基板ノイズはそれほど大きくならない。ここでは図のように電源線204の両端以外にもswcellを配置し、基板ノイズを低減している。   Conversely, a large number of sense amplifiers operate simultaneously. However, the number of nodes in the sense amplifier that have a transition from 'L' to 'H' is substantially the same as the number of nodes to transition from 'H' to 'L'. Therefore, even if many sense amplifiers operate simultaneously, the substrate noise does not increase so much. Here, as shown in the figure, swcells are arranged in addition to both ends of the power supply line 204 to reduce substrate noise.

その他、swcellの配置方法は各種考えられるが、同一ウェル上のデバイスが同時に動作する割合が多いほど、そのウェル上には多くのswcellを配置すればよい。また、一つのウェル内にある拡散層において、その拡散層の電位変化を |NH-NL|/NA (NH=電源に接続されている拡散層を除く拡散層の面積、NH=電位が'H'から'L'に変化する拡散層の面積、NL=電位が'L'から'H'に変化する拡散層の面積) によって評価し、それを基準にswcellの数、swcellの間隔 L、およびswcell内のMOSトランジスタの大きさを決めればよい。要はなるべく|NH-NL|/NAの値が小さくなるようにすればよい。   In addition, there are various methods for arranging swcells. However, the larger the proportion of devices operating on the same well, the more swcells may be arranged on the well. In the diffusion layer in one well, the potential change of the diffusion layer is expressed as | NH-NL | / NA (NH = area of the diffusion layer excluding the diffusion layer connected to the power source, NH = potential is' H The area of the diffusion layer that changes from 'to' L ', NL = the area of the diffusion layer where the potential changes from' L 'to' H '), and based on that, the number of swcells, the spacing between swcells, L, and The size of the MOS transistor in the swcell can be determined. In short, the value of | NH-NL | / NA should be as small as possible.

例えば、データパスのような規則的なデータフローがある回路の場合、データパスのデータフロー方向が図22でX方向になるようにすればよい。同時に動作するセルが複数のウェルに分散されるため上記|NH-NL|/NAが小さくなる。   For example, in the case of a circuit having a regular data flow such as a data path, the data flow direction of the data path may be set to the X direction in FIG. Since cells operating simultaneously are distributed in a plurality of wells, the above | NH-NL | / NA becomes small.

図25は本発明の半導体集積回路装置100の断面図を示している。図18で示したように、302、304、306、308、310で示したNはN-wellと同じでPMOSトランジスタを形成するためのN型ウェル、301、303、305、307、309、311で示したPはP-wellと同じで、NMOSトランジスタを形成するためのP型ウェルである。312および313で示したDeep-NはN、Pよりも深いところにあるN型ウェルであり、いわゆる3重ウェル構造になっている。   FIG. 25 shows a sectional view of the semiconductor integrated circuit device 100 of the present invention. As shown in FIG. 18, N shown by 302, 304, 306, 308, 310 is the same as the N-well and is an N-type well for forming a PMOS transistor, 301, 303, 305, 307, 309, 311. P indicated by is the same as P-well and is a P-type well for forming an NMOS transistor. Deep-N indicated by 312 and 313 is an N-type well deeper than N and P, and has a so-called triple well structure.

Deep-N 312と313は310のp基板および307のPウェルによって電気的に分離されている。したがって、302、304、306、308、310上に形成されたMOSトランジスタAの基板電位と、301、303、305、307、309、311上に形成されたMOSトランジスタBの基板電位とは独立した電位を与えることができる。また、MOSトランジスタAで発生したノイズ等がMOSトランジスタBに影響することを低減することができる。   Deep-N 312 and 313 are electrically separated by 310 p-substrate and 307 P-well. Therefore, the substrate potential of the MOS transistor A formed on 302, 304, 306, 308, 310 and the substrate potential of the MOS transistor B formed on 301, 303, 305, 307, 309, 311 are independent. A potential can be applied. In addition, it is possible to reduce the influence of noise generated in the MOS transistor A on the MOS transistor B.

図26は本発明の半導体集積回路装置のDeep-Nの構造を示したものである。CPGはクロック制御部で、PLL(フェーズロックドループ)等のアナログ回路を含んでいる。TLBはアドレス変換部、CACHEはキャッシュメモリ、CPUは中央演算処理装置、FPUは浮動小数点演算器、LOG1はランダムロジック1、LOG2はランダムロジック2、PADはI/O部を示している。このように各回路ブロックを異なるDeep-N上に形成している。   FIG. 26 shows the Deep-N structure of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. The CPG is a clock control unit and includes an analog circuit such as a PLL (phase locked loop). TLB is an address conversion unit, CACHE is a cache memory, CPU is a central processing unit, FPU is a floating point arithmetic unit, LOG1 is random logic 1, LOG2 is random logic 2, and PAD is an I / O unit. In this way, each circuit block is formed on a different Deep-N.

図25で説明したように各回路ブロックで発生したノイズが他のブロックに影響するのを低減できる。例えばPADは外部ピンを内部の信号振幅よりも大きな振幅で駆動することから大きなノイズを発生する。このノイズをCPG等のアナログ回路に影響するのを防ぐことができる。   As described with reference to FIG. 25, it is possible to reduce the noise generated in each circuit block from affecting other blocks. For example, PAD generates a large noise because an external pin is driven with an amplitude larger than an internal signal amplitude. This noise can be prevented from affecting analog circuits such as CPG.

また、基板電位をそれぞれ独立して与えることができるため、たとえばLOG2にはvbp,vbn,cbp,cbnによる基板制御を行わない回路を配置できる。すなわち、電源と基板電位を接続した(VDD=vbp、VSS=vbn)回路を配置できる。   Further, since the substrate potential can be given independently, for example, a circuit that does not perform substrate control by vbp, vbn, cbp, cbn can be arranged in LOG2. That is, a circuit in which the power supply and the substrate potential are connected (VDD = vbp, VSS = vbn) can be arranged.

図27はDeep-NとDeep-Nとの間に配置したガードバンドを示したものである。図27のようにDeep-NとDeep-Nとの間にガードバンドgband1を配置する。   FIG. 27 shows a guard band arranged between Deep-N and Deep-N. As shown in FIG. 27, a guard band gband1 is arranged between Deep-N and Deep-N.

図28に断面図を示す。Deep-Nの間にあるPウェル307をP+拡散層314を通してVSS電位に接地する。Deep-N間のノイズの伝搬をさらに小さくすることができる。たとえば、P-well 305上のMOSで発生した基板ノイズは、Deep-N 312のインピーダンスがそれほど低くないために、容量結合でDeep-N 312にノイズとなって伝搬する。このノイズは同様に容量結合により p基板 300に伝搬しようとするが、p基板はガードバンドで低インピーダンスに接地電位に固定されている。したがって、p基板に現れるノイズは小さくなる。このようにして、302、304、306、308、310上に形成されたMOSトランジスタからのノイズの、301、303、305、307、309、311上に形成されたMOSトランジスタへの伝搬が減少される。   FIG. 28 shows a cross-sectional view. P well 307 between Deep-N is grounded to VSS potential through P + diffusion layer 314. Noise propagation between Deep-N can be further reduced. For example, substrate noise generated in the MOS on the P-well 305 propagates as noise to the Deep-N 312 due to capacitive coupling because the impedance of the Deep-N 312 is not so low. Similarly, this noise tends to propagate to the p-substrate 300 by capacitive coupling, but the p-substrate is fixed to the ground potential at a low impedance by a guard band. Therefore, the noise appearing on the p substrate is reduced. In this way, the propagation of noise from the MOS transistors formed on 302, 304, 306, 308, 310 to the MOS transistors formed on 301, 303, 305, 307, 309, 311 is reduced. The

図29はcbp、cbprの半導体集積回路上でのレイアウトイメージと、図2のリターンセルVBCRの位置を示したものである。cbn、cbnrについては同様にできるのでここでは省略した。図21で示したようにvbpおよびvbnはswcellを並べることによってメッシュ状に配線されるが、cbp、cbnはメッシュ状には配線されず、ストライブ状に配線される。図29ではswcellを配置されることで配線されるストライプ状の配線をシャントするように接続している様子を示している。また、リターンセルは入力されるcbp、cbnをcbpr、cbnrとして基板バイアス制御回路VBCに戻すためのセルで、戻すタイミングを各swcell内で、cbpの伝搬時間の一番遅いswcellのcbp到達タイミングよりも遅いタイミングでcbprが戻せるように配置する。たとえば基板バイアス制御回路VBCから一番遠い場所に配置すればよい。   FIG. 29 shows the layout image of cbp and cbpr on the semiconductor integrated circuit and the position of the return cell VBCR in FIG. Since cbn and cbnr can be made in the same manner, they are omitted here. As shown in FIG. 21, vbp and vbn are wired like a mesh by arranging swcells, but cbp and cbn are not wired like a mesh but wired like a stripe. FIG. 29 shows a state in which the stripe-like wirings that are wired by arranging the swcells are connected so as to be shunted. The return cell is a cell for returning the input cbp and cbn to the substrate bias control circuit VBC as cbpr and cbnr, and the return timing is within each swcell, compared with the arrival timing of the ccell with the slowest cbp propagation time. It is arranged so that cbpr can be returned at a later timing. For example, it may be arranged at a position farthest from the substrate bias control circuit VBC.

以上の実施例では基板バイアスに印可する電位は、アクティブ時には1.8V、0. 0V、スタンバイ時には3.3V、-1.5Vであるが特に限定しない。アクティブ時に適当な電位を基板バイアスに印可して、MOSトランジスタのしきい値ばらつきを調節できるようにしてもよい。   In the above embodiments, the potential applied to the substrate bias is 1.8 V and 0.0 V during active, 3.3 V and −1.5 V during standby, but is not particularly limited. An appropriate potential may be applied to the substrate bias when active to adjust the threshold variation of the MOS transistor.

また、主回路を複数の回路ブロックに分けて、それぞれの回路ブロックにVBC30、VBC85等の制御回路を個別に設け、独立してアクティブ状態とスタンバイ状態を設けてもよい。それぞれの回路ブロック毎に制御すれば動作していない回路ブロックをスタンバイ状態にでき、よりきめ細かく消費電力が制御できて低電力化できる。また、回路ブロックによっては、スタンバイ状態でも基板バイアスを引かなくてもよい場合もある。それは例えばその回路ブロックが高しきい値なMOSトランジスタで構成され、サブスレッショルドリーク電流が無視できる場合である。   Further, the main circuit may be divided into a plurality of circuit blocks, and control circuits such as VBC30 and VBC85 may be individually provided in each circuit block, and an active state and a standby state may be provided independently. If each circuit block is controlled, a circuit block that is not operating can be set in a standby state, power consumption can be controlled more finely, and power consumption can be reduced. Depending on the circuit block, it may not be necessary to pull the substrate bias even in the standby state. This is the case, for example, when the circuit block is composed of a high threshold MOS transistor and the subthreshold leakage current can be ignored.

また、以上の実施例ではMOSトランジスタのしきい値は回路の動作モードがアクティブ時に低しきい値に、スタンバイ時には高しきい値にしたが、アイ・イー・イー・イー、スペクトラム、第66頁から第71頁、1996年(1996 IEEE SPECTRUM, pp66-71)に記載されているようなIDDQテスト時に高しきい値になるように基板バイアスを設定して使用してもよい。   In the above embodiment, the threshold value of the MOS transistor is set to a low threshold value when the circuit operation mode is active, and is set to a high threshold value when the circuit is in the standby mode. To page 71, 1996 (1996 IEEE SPECTRUM, pp66-71), the substrate bias may be set so as to be a high threshold during the IDDQ test.

このとき、IDDQテスト時に基板に印加する基板電位が、スタンバイ時に印加する基板電位よりも大きいようにすることが望ましい。すなわち、PMOSFETについてはスタンバイ時より高い電位、NMOSFETに対してはより低い電位を印加する。
このようにすれば、IDDQテスト時に流れるサブスレッショルドリーク電流をより低減することができるので、故障発見の精度が向上する。
At this time, it is desirable that the substrate potential applied to the substrate during the IDDQ test be larger than the substrate potential applied during standby. That is, a higher potential is applied to the PMOSFET than at the standby time, and a lower potential is applied to the NMOSFET.
In this way, the subthreshold leakage current that flows during the IDDQ test can be further reduced, so that the accuracy of fault detection is improved.

このような動作を可能とするためには、IDDQテスト時にVWELL電位を例えば、3.3Vから4.0Vに上げ、VSUB電位を-1.5Vから-2.2Vに下げる。回路的には、VWELL電位をVDDQ電位と異なる電位にしても貫通電流が流れないようにする必要がある。このためには、例えば、基板バイアス制御回路VBCへの信号は全て、VBC80でレベルダウンしてからVWELL電位あるいはVSUB電位に変換して使用する。このように電圧的なバッファを設けることで実現できる。   In order to enable such an operation, the VWELL potential is raised from 3.3 V to 4.0 V, for example, and the VSUB potential is lowered from -1.5 V to -2.2 V during the IDDQ test. In terms of circuit, it is necessary to prevent a through current from flowing even if the VWELL potential is different from the VDDQ potential. For this purpose, for example, all signals to the substrate bias control circuit VBC are converted to VWELL potential or VSUB potential after being lowered in level by VBC80. This can be realized by providing a voltage buffer.

以上の実施例では、基板構造は3重ウェル構造のものを仮定したが、その構造は特に限定しない。いわゆるツインタブ構造の2重ウェル構造のものでもよいし、SOI(Silicon on insulator)構造でもよい。   In the above embodiments, the substrate structure is assumed to be a triple well structure, but the structure is not particularly limited. A double well structure having a so-called twin tab structure or an SOI (Silicon on insulator) structure may be used.

また、図17、図19、図21に示したように、本発明ではセル内の基板バイアス給電はM1によっておこなったが、この構造は特に限定しない。例えば1997シンポジユム・オン・ブイエルエスアイ・サーキッツ・ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ、第95頁から第96頁、1997年(1997 Symposium on VLSI circuits Digest of Technical Papers, pp.95-96)に示されているように、拡散層あるいはシリサイド化した拡散層によって給電してもよい。   Further, as shown in FIGS. 17, 19, and 21, in the present invention, the substrate bias power supply in the cell is performed by M1, but this structure is not particularly limited. For example, 1997 Symposium on VLSI circuits Digest of Technical Papers, pp. 95-96, 1997-96, 1997. As described above, power may be supplied by a diffusion layer or a silicided diffusion layer.

本発明の半導体集積回路装置のブロック図。1 is a block diagram of a semiconductor integrated circuit device of the present invention. 主回路の内容をより詳しく図示した回路図。The circuit diagram which illustrated the content of the main circuit in detail. I/O回路の回路図。A schematic diagram of the I / O circuit. 基板バイアス制御回路の各回路ブロック図。Each circuit block diagram of a substrate bias control circuit. 基板バイアス制御回路の動作波形を表す図。The figure showing the operation waveform of a substrate bias control circuit. 基板バイアス制御回路の動作波形の図5とは別の実施例を表す波形図。FIG. 6 is a waveform diagram illustrating an embodiment different from FIG. 5 of operation waveforms of the substrate bias control circuit. VBC80の回路図。The circuit diagram of VBC80. VBC30の回路図。The circuit diagram of VBC30. VBC30の動作波形図。The operation waveform diagram of VBC30. VBC85の回路図。The circuit diagram of VBC85. VBC85の動作波形図。Operation waveform diagram of VBC85. VSUBGENの各回路ブロック図。Each circuit block diagram of VSUBGEN. チャージポンプの回路図。The circuit diagram of a charge pump. チャージポンプの回路図。The circuit diagram of a charge pump. VSUBSENの回路図。Circuit diagram of VSUBSEN. 本発明のスイッチセルの配置図。The layout of the switch cell of the present invention. 標準セルのレイアウト図。Standard cell layout diagram. 図17の断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view of FIG. スイッチセルのレイアウト図。The layout diagram of a switch cell. 図19の断面図。FIG. 20 is a cross-sectional view of FIG. 19. 電源配線およびvbp、vbn、cbp、cbnの配線図。Power supply wiring and wiring diagram of vbp, vbn, cbp, cbn. 電源補強線の配線図。The wiring diagram of a power supply reinforcement wire. ウェルの構成図。The block diagram of a well. メモリ回路におけるスイッチセルの配置図。FIG. 3 is a layout diagram of switch cells in a memory circuit. ウェルの断面図。Sectional drawing of a well. Deep-Nウェルのレイアウト図。Layout diagram of Deep-N well. Deep-Nウェルとガードバンドのレイアウト図。Layout diagram of Deep-N well and guard band. 図27の断面図。FIG. 28 is a cross-sectional view of FIG. cbpr、cbnr、およびVBCRの配置図。Layout of cbpr, cbnr, and VBCR.

符号の説明Explanation of symbols

VBC……基板バイアス制御回路、LOG……主回路、VBCC……スタンバイ制御回路、I/O……I/O回路、vbbenb……基板バイアス制御開始信号、vbbenbr……基板バイアス制御中信号、vbp……PMOS基板バイアス線、vbn……NMOS基板バイアス線、cbp……PMOS基板制御線、cbn……NMOS基板制御線、cbpr……PMOS基板制御リターン線、cbnr……NMOS基板制御リターン線、AMP1、AMP2……差動増幅器、AMP3……シュミット入力差動増幅器、VBCR……リターンセル、swcell……スイッチセル、ncell……標準セル、P-sub……P基板、PLL……フェーズ・ロックド・ループ、CPG……クロック制御部、TLB……アドレス変換部、CACHE……キャッシュメモリ、CPU……中央処理装置、FPU……浮動小数点演算器、PAD……I/O部。
VBC: Substrate bias control circuit, LOG: Main circuit, VBCC: Standby control circuit, I / O: I / O circuit, vbbenb: Substrate bias control start signal, vbbenbr: Substrate bias control signal, vbp …… PMOS substrate bias line, vbn …… NMOS substrate bias line, cbp …… PMOS substrate control line, cbn …… NMOS substrate control line, cbpr …… PMOS substrate control return line, cbnr …… NMOS substrate control return line, AMP1 , AMP2 …… Differential amplifier, AMP3 …… Schmitt input differential amplifier, VBCR …… Return cell, swcell …… Switch cell, ncell …… Standard cell, P-sub …… P substrate, PLL …… Phase locked Loop, CPG ... Clock controller, TLB ... Address converter, CACHE ... Cache memory, CPU ... Central processing unit, FPU ... Floating point arithmetic unit, PAD ... I / O unit.

Claims (6)

複数の領域を含む論理回路と、
上記論理回路に電源電圧を供給するための第1及び第2電源線と、
第1基板バイアス線と、
複数の第1導電型の第1駆動トランジスタとを有するスイッチセルを備え
上記第1駆動トランジスタは複数の上記領域に対して少なくとも1つ設けられ、
上記複数の領域のそれぞれは、少なくとも1つの第1導電型の第1MOSトランジスタを含み、
上記第1MOSトランジスタのソース、ドレイン及びウェルはそれぞれ、上記第1電源線、上記第2電源線及び上記第1基板バイアス線に接続され、
上記第1駆動トランジスタのソース・ドレイン経路は上記第1電源線と上記第1基板バイアス線の間に設けられ、
上記電源電圧が投入されるとき、上記複数の第1導電型の第1駆動トランジスタはオン状態に制御される半導体集積回路装置。
A logic circuit including a plurality of regions;
First and second power supply lines for supplying a power supply voltage to the logic circuit;
A first substrate bias line;
A switch cell to have a plurality of first driving transistor of a first conductivity type,
At least one first driving transistor is provided for the plurality of regions.
Each of the plurality of regions includes at least one first conductivity type first MOS transistor,
The source, drain and well of the first MOS transistor are connected to the first power line, the second power line and the first substrate bias line, respectively.
The source / drain path of the first driving transistor is provided between the first power supply line and the first substrate bias line,
When the power supply voltage is turned on, the plurality of first driving transistor of a first conductivity type semiconductor integrated circuit device which is controlled in ON state.
請求項1において、
第2基板バイアス線と、
複数の第2導電型の第2駆動トランジスタとを有するスイッチセルを備え
上記第2駆動トランジスタは複数の上記領域に対して少なくとも1つ設けられ、
上記複数の領域のそれぞれは、少なくとも1つの第2導電型の第2MOSトランジスタを含み、
上記第2MOSトランジスタのソース、ドレイン及びウェルはそれぞれ、上記第2電源線、上記第1電源線及び上記第2基板バイアス線に接続され、
上記第2駆動トランジスタのソース・ドレイン経路は上記第2電源線と上記第2基板バイアス線の間に設けられ、
上記電源電圧が投入されるとき、上記複数の第2導電型の第2駆動トランジスタはオン状態に制御される半導体集積回路装置。
In claim 1,
A second substrate bias line;
A switch cell to have a plurality of second driving transistor of a second conductivity type,
At least one second driving transistor is provided for the plurality of regions.
Each of the plurality of regions includes at least one second conductivity type second MOS transistor,
The source, drain and well of the second MOS transistor are connected to the second power supply line, the first power supply line and the second substrate bias line, respectively.
The source / drain path of the second driving transistor is provided between the second power supply line and the second substrate bias line,
The semiconductor integrated circuit device, wherein when the power supply voltage is turned on, the plurality of second conductivity type second drive transistors are controlled to be in an ON state.
請求項2において、
上記第1MOSトランジスタのドレインは上記第2MOSトランジスタのドレインに接続され、上記第1MOSトランジスタのゲートは上記第2MOSトランジスタのゲートに接続された半導体集積回路装置。
In claim 2,
A semiconductor integrated circuit device in which a drain of the first MOS transistor is connected to a drain of the second MOS transistor, and a gate of the first MOS transistor is connected to a gate of the second MOS transistor.
請求項2において、
上記電源電圧の安定を示す信号を出力するパワーオンリセット回路を有し、
上記第1駆動トランジスタ及び上記第2駆動トランジスタは、上記信号に基づき制御される半導体集積回路装置。
In claim 2,
A power-on reset circuit that outputs a signal indicating the stability of the power supply voltage;
The semiconductor integrated circuit device, wherein the first drive transistor and the second drive transistor are controlled based on the signal.
請求項2において、
上記論理回路は第1状態と第2状態をとり、
上記論理回路が第1状態である場合には、上記複数の第1導電型の第1駆動トランジスタ及び上記複数の第2導電型の第2駆動トランジスタはオン状態に制御され、
上記論理回路が第2状態である場合には、上記複数の第1導電型の第1駆動トランジスタ及び上記複数の第2導電型の第2駆動トランジスタはオフ状態に制御され、上記第1基板バイアス線は上記第2状態における第1MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値が上記第1状態における第1MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値よりも高くなるような第1基板バイアス電位を供給し、上記第2基板バイアス線は上記第2状態における第2MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値が上記第1状態における第2MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値よりも高くなるような第2基板バイアス電位を供給する半導体集積回路装置。
In claim 2,
The logic circuit takes a first state and a second state,
When the logic circuit is in the first state, the plurality of first conductivity type first drive transistors and the plurality of second conductivity type second drive transistors are controlled to be in an on state,
When the logic circuit is in the second state, the plurality of first conductivity type first drive transistors and the plurality of second conductivity type second drive transistors are controlled to be in an OFF state, and the first substrate bias is set. The line supplies a first substrate bias potential such that the absolute value of the threshold voltage of the first MOS transistor in the second state is higher than the absolute value of the threshold voltage of the first MOS transistor in the first state; The second substrate bias line is such that the absolute value of the threshold voltage of the second MOS transistor in the second state is higher than the absolute value of the threshold voltage of the second MOS transistor in the first state. A semiconductor integrated circuit device for supplying a potential.
請求項5において、
上記第1基板バイアス電位及び上記第2基板バイアス電位を発生する基板バイアス電圧発生回路を有し、
上記基板バイアス発生回路の電源電圧は、上記論理回路の電源電圧よりも先に供給される半導体集積回路装置。
In claim 5,
A substrate bias voltage generating circuit for generating the first substrate bias potential and the second substrate bias potential;
A semiconductor integrated circuit device in which a power supply voltage of the substrate bias generation circuit is supplied before a power supply voltage of the logic circuit.
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