JP4406519B2 - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置に係わり、特に、高速かつ低電圧動作に好適な半導体集積回路装置に関わる。
【0002】
【従来の技術】
高集積度、低消費電力という特徴を持つMOSトランジスタ(本願明細書においては、絶縁ゲート型電界効果型トランジスタを代表させて、MOSトランジスタの語を用いる。)が、半導体集積回路装置に広く用いられている。MOSトランジスタのオン−オフ特性はMOSトランジスタのしきい値電圧により決定される。ドライブ能力を上げ、回路の動作速度を向上させるためには、しきい値電圧を低く設定しなければならない。
【0003】
しかし、1993シンポジュウム オン ブイ・エル・エス・アイ サーキット ダイジェスト オブ テクニカル ペーパーズ(1993年5月)第45頁から第46頁(1993 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, pp45-46(May 1993))に述べられているように、しきい値電圧をあまり低く設定すると、MOSトランジスタのサブスレッショルド特性(テーリング特性)によって、トランジスタを完全にオフすることができなくなる。そのため、サブスレッショルドリーク電流(以下リーク電流という)が増大し、半導体集積回路の消費電力が非常に大きくなるという問題がある。
【0004】
このため、MOSトランジスタにより構成される半導体集積回路装置を設計する際には、所望する動作周波数と消費電力を勘案し、MOSトランジスタのしきい値電圧を決定し、半導体製造プロセス条件が決定されている。
【0005】
特開平11−195976号公報(従来技術)においては、半導体集積回路装置中の複数の信号経路について、ディレイ(信号経路に沿って信号が伝わる時間)に余裕のある経路には動作速度は遅いがリーク電流が小さい高しきい値電圧のMOSトランジスタを多用し、逆に、ディレイに余裕のない経路においては、リーク電流は大きくても動作速度が速い低しきい値電圧のMOSトランジスタを多く使用する構成が述べられている。さらに、複数のしきい値電圧のMOSトランジスタを混在した半導体集積回路を設計するため、高しきい値電圧のMOSトランジスタで構成したセルと、それと同一の論理機能と形状を持ち低しきい値電圧のMOSトランジスタで構成したセルとの双方を用意して設計を行う方法が開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
図10(a)には、2つのフリップフロップf101、f102と4つの論理ゲートg101〜g104で構成される信号径路が示されている。フリップフロップf101、f102には、クロック信号CKが入力され、回路はこれに同期して動作する。したがって、この回路が目標とする動作周波数で動作するためには、ディレイがクロック信号のサイクルタイム以内である必要がある。従来技術においては高しきい値電圧のMOSトランジスタで構成したゲートで回路を構成した場合にディレイがサイクルタイムをオーバーする場合に、低しきい値電圧MOSトランジスタで構成したゲートに一部置き換えることで、目標とする動作周波数を実現しつつ、リーク電流を抑制する。論理ゲート記号の一部を太くしたものが、高しきい値電圧のMOSトランジスタで構成されたゲートを示している(以降もこの表記を用いる)。図10(a)の例では、フリップフロップf101、NANDゲートg101,g103が高しきい値電圧のMOSトランジスタで構成され、フリップフロップf102、NANDゲートg102,g104は低しきい値電圧のMOSトランジスタで構成されている。例えば、ゲートg101は図10(b)に示すように、高しきい値電圧のPMOSトランジスタ、NMOSトランジスタで構成される。また、ゲートg102は図10(c)に示すように、低しきい値のPMOSトランジスタ、NMOSトランジスタで構成される。なお、MOSトランジスタの記号も、ソースとドレイン間を太くして示したものが高しきい値電圧MOSトランジスタであることを示すものとする(以降もこの表記を用いる)。ここで、本願における低しきい値MOSトランジスタ、高しきい値MOSトランジスタという用語であるが、そのしきい値電圧の絶対値が相対的に低いMOSトランジスタを低しきい値MOSトランジスタと称し、そのしきい値電圧の絶対値が相対的に高いMOSトランジスタを高しきい値MOSトランジスタと称している。また、製造ばらつきによるしきい値電圧の高低は考慮しておらず、意図的に設計パラメータ等を変えることにより実現したものである。具体的には、MOSトランジスタのゲート絶縁膜下の半導体基板またはウェルの不純物ノードをインプラ等の手段により変える、ゲート絶縁膜厚の寸法を変える、ゲート長を変えることにより、MOSトランジスタのしきい値電圧を異ならせることができる。また、MOSトランジスタの基板またはウェルに基板バイアスを印加し、この基板バイアス電圧の値を変えることによりMOSトランジスタのしきい値電圧を異ならせることが可能である。
【0007】
ここで、従来技術においては、論理ゲート、特に、フリップフロップ回路を構成する個々のトランジスタのしきい値電圧をどのように与えるかということは十分検討されていなかった。すなわち、一般に半導体集積回路は図10に示したような同期回路であるから、フリップフロップ回路の動作速度は目標動作周波数で動作させるために重要である。このとき、仮に高しきい値電圧のMOSトランジスタを用いたフリップフロップとして全て高しきい値電圧MOSトランジスタを用いた図11(a)を、低しきい値電圧のMOSトランジスタを用いたフリップフロップとして全て低しきい値電圧MOSトランジスタを用いた図11(c)を用いたとする。なお、フリップフロップ内のtg101〜102、tg111〜112は、クロック信号CKにより遮断状態と反転信号出力を切り替えるクロックドインバータ回路である(図11(b)、図11(d))。
【0008】
しかしながら、図11(a)、図11(c)のようにフリップフロップを構成するとかえって高速化を妨げるおそれのあることを発明者らは見いだした。
【0009】
図10(a)に示した信号伝播経路では、クロック信号CKの立ちあがり時刻に始点であるフリップフロップf101からデータが出力され、次のクロック信号の立ちあがり時刻までに、その信号が論理ゲートg101〜104を経由して終点のフリップフロップf102に到達しなければならない。
【0010】
始点フリップフロップf101は、クロック信号CKが「0」のとき、伝送ゲートp101はオープンになり、インバータ回路i101を通して入力信号Dを通過させる。このとき伝送ゲートp102はクローズされており、インバータ回路i103とクロックドインバータ回路tg102で保存している1クロック前の信号を出力用のインバータ回路i104を通じて出力している。クロック信号CKが「1」に立ちあがると伝送ゲートp101はクローズになって信号の取り込みを終了し、インバータ回路i102とクロックドインバータ回路tg101によりデータを保存する。一方、伝送ゲートp102はオープンになり、クロック信号が「0」の時に取り込んだデータを出力バッファi104を通じて出力する。したがって、フリップフロップf101のディレイとは、クロック信号CKが立ちあがってインバータ回路i105〜106を通過し、伝送ゲートp102をオープンにして、データを伝送ゲートp102を通過させ、さらに出力インバータ回路i104を通過するのに必要な時間である。すなわち、ディレイを短縮する効果のあるゲートはインバータ回路i105,i106,i104及び伝送ゲートp102である。
【0011】
次に終点フリップフロップについて説明する。もちろんクロック信号CKが「1」に立ちあがるの瞬間に信号がフリップフロップf102入力ピンDに到達したのでは遅すぎる。クロック信号CKが「1」に立ちあがることにより、インバータ回路i115,i116を通過したクロック信号により、伝送ゲートp111がクローズになる。したがって、伝送ゲートp111がクローズになるより先にデータ信号はインバータ回路i111、伝送ゲートp111及びインバータ回路i112を通過しておかなくては、インバータ回路i113とクロックドインバータ回路tg112によりデータを保存することができなくなる。つまり、フリップフロップf102の信号入力ピンDに信号が到達する時刻は、クロック信号CKが「1」に立ちあがる時点より余裕時間をもって到達する必要がある。この余裕時間は通常セットアップタイムと呼ばれるものである。このセットアップタイムを小さくするために効果のあるゲートは、インバータ回路i111,i112および伝送ゲートp111となる。逆に、図11(c)のようにクロック信号CKが通過するインバータ回路i115,i116を低しきい値MOSトランジスタで構成すると伝送ゲートp111をクローズにする時刻を早めることとなり、このことはセットアップタイムを大きくすることにつながる。
【0012】
このように、フリップフロップのようなクロック信号とデータ信号とを入力とする回路において低しきい値MOSトランジスタを一律に使用して回路を構成することは、高速化に寄与しないMOSトランジスタまでも低しきい値MOSトランジスタを使用することで消費電力を増大させるおそれがある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
フリップフロップを高速動作させるために、フリップフロップセル内部のMOSトランジスタのうちディレイを短縮する効果のあるMOSトランジスタのみ低しきい値にして、ディレイ短縮に効果のない(少ない)MOSトランジスタを高しきい値にするものである。
【0014】
すなわち、データ入力ノード、出力ノードを有し、上記データ入力ノードと上記出力ノードとの間に少なくとも上記データ入力ノードから入力されるデータが入力される第1論理ゲートと上記データを保持するラッチとを含むフリップフロップであって、第1論理ゲートに含まれる第1導電型の第1MOSトランジスタのしきい値電圧(絶対値)V1とラッチに含まれる第1導電型の第2MOSトランジスタのしきい値電圧(絶対値)V2とはV2>V1という関係を満たすように構成する。ここで、V2>V1という関係とはプロセスばらつきによる偶発的なものを含まず、所定のプロセス等により実現するものである。
【0015】
特に、高しきい値MOSトランジスタ、低しきい値MOSトランジスタとは論理回路で使用される高しきい値MOSトランジスタと低しきい値MOSトランジスタと同じトランジスタを用いる。
【0016】
すなわち、データ入力ノード、出力ノードを有し、データ入力ノードと出力ノードとの間に少なくともデータ入力ノードから入力されるデータが入力される第1論理ゲートとデータを保持するラッチとを含む第1フリップフロップと、データ入力ノードを有する第2フリップフロップと、第1フリップフロップの出力ノードと第2フリップフロップのデータ入力ノードと接続された論理回路とを有し、論理回路は、しきい値電圧(絶対値)V1を有する第1導電型の第1MOSトランジスタ及びしきい値電圧V1よりも大きいしきい値電圧(絶対値)V2を有する第1導電型の第2MOSトランジスタを含み、第1フリップフロップの第1論理ゲートを構成する第1導電型の第3MOSトランジスタのしきい値電圧(絶対値)V3は、(V3とV2の差の絶対値)>(V3とV1の差の絶対値)という関係を満たし、第1フリップフロップの上記ラッチは、第1導電型の第4MOSトランジスタを含み、第4MOSトランジスタのしきい値電圧(絶対値)V4は、(V4とV1の差の絶対値)>(V4とV2の差の絶対値)という関係を満たすように構成する。
【0017】
さらに、フリップフロップ回路において、テスト時のみに動作する回路部分を含む場合にはこのような回路部分については高しきい値MOSトランジスタを用いる。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明を適用した論理回路は、図10(a)〜(c)に示したように、論理回路を構成する論理ゲート、フリップフロップのいずれについても少なくとも2種類のしきい値電圧を有するMOSトランジスタを用いて構成される。
(第1の実施形態)
図1(a)の回路は、レベルセンシティブラッチに本発明を適用したものである。図1(a)の回路は、高速動作が要求されるラッチとして用いられる。ラッチl11は、入力信号をドライブするインバータ回路i11、出力をドライブするi12、クロック信号を入力し、クロック信号(クロック反転信号)をドライブするインバータ回路i13(i14)、クロック信号CKが「1」の時にオープンとなり、データを通過させる伝送ゲートp11、伝送ゲートp11がクローズ状態の時にデータを保持するために、互いに入力と出力を接続したインバータ回路i15及びクロックドインバータ回路tg11とから構成されている。伝送ゲートp11は、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタのソース、ドレインをそれぞれ接続したパストランジスタである。また、図1(b)にクロックドインバータ回路tg11のトランジスタ構成も合わせて示している。クロックドインバータtg11は2段縦積みにしたPMOSトランジスタTP11,TP12と2段縦積みにしたNMOSトランジスタTN11,TN12を直列接続した構成である。入力データ信号in1と、クロック信号CKとクロック反転信号CK/を入力とし、クロック信号CKが「1」の時、入力信号in1の反転信号ont1を出力し、クロック信号CKが「0」の時は遮断状態になる。
【0019】
上述のように、ラッチl11はクロック信号CKが「1」の時のみデータを通過させるためアクティブハイラッチと呼ばれる。本ラッチ内のデータ信号の伝播径路は、インバータ回路i11、伝送ゲートp11、インバータ回路i12であり、この径路上のゲートのMOSトランジスタを低しきい値にすると、ラッチのディレイを短縮することに寄与する。
【0020】
これに対して、クロック信号の伝播経路に位置するゲートのディレイ短縮効果は次のようである。クロックが「1」になる前にデータ信号が到着している場合は、クロック信号ドライブ用のインバータ回路i13、i14を低しきい値とすることによって伝送ゲートp11を速くオープンにできるため、ディレイ短縮の効果がある。一方、クロック信号がデータ信号より速く「1」になっているケースでは、クロック信号ドライブ用のインバータ回路i13、i14はラッチのディレイ短縮には全く寄与しない。
【0021】
したがって、全ての状態でディレイ短縮に効果があるインバータ回路i11、伝送ゲートp11、インバータ回路i12を低しきい値化するのが最も効果的である。ここで、ラッチのMOSトランジスタとその他の論理ゲートに用いられるMOSトランジスタは共通であるから、ラッチの低しきい値MOSトランジスタとして論理ゲートの低しきい値MOSトランジスタを用い、ラッチの高しきい値MOSトランジスタとして論理ゲートの高しきい値MOSトランジスタを用いればよい。したがって、ラッチの高しきい値MOSトランジスタにおいては、そのしきい値電圧の絶対値とその他の論理ゲートに用いられる低しきい値MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値との差の絶対値は、そのしきい値電圧の絶対値とその他の論理ゲートに用いられる高しきい値MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値との差の絶対値よりも大きくなる。一方、ラッチの低しきい値MOSトランジスタにおいては、そのしきい値電圧の絶対値とその他の論理ゲートに用いられる高しきい値MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値との差の絶対値は、そのしきい値電圧の絶対値とその他の論理ゲートに用いられる低しきい値MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値との差の絶対値よりも大きくなる。
【0022】
また、論理ゲートで3種以上のしきい値電圧のMOSトランジスタを用いている場合には、3種以上のしきい値電圧のMOSトランジスタのうち、図1(a)に示す相対的なしきい値電圧の高低関係を満たすように選択して用いればよい。
【0023】
図1(a)の構成により、全てのトランジスタを低しきい値化するのと比べて少ない低しきい値MOSトランジスタを用いて、かつ同等の高速化が実現できる。図1(a)のラッチの例では、全トランジスタ16個のうち低しきい値MOSトランジスタは6個である。これにより、全てを低しきい値MOSトランジスタで構成する場合と比較して、リーク電流を半分程度に削減できる。一方、高速動作が要求されないラッチとしては、低しきい値MOSトランジスタを高しきい値MOSトランジスタに変えて構成すればよい。これは以降に示す各回路について同様である。
【0024】
また、図1の構成例では、クロック信号が1になった場合にデータを通過させるアクティブハイラッチを示したが、クロック信号が0の時にデータを通過させるアクティブローのラッチも同様に、高低しきい値電圧を使い分けて構成することが可能である。
【0025】
図2の回路は図1(a)の回路の変形例である。データを保存するために、クロックドインバータ回路tg11の代わりに、伝送ゲートp22を用いたものである。図1と同符号のゲートは図1と同様の動作をする。伝送ゲートp21がクローズ状態の時にデータを保持するために、インバータ回路i25、i26と伝送ゲートp22を有する。伝送ゲートp22は、伝送ゲートp21がクローズの時にデータを保持するためにオープン状態になり、伝送ゲートp21がオープンのときには、逆にクローズする。本ラッチ内のデータ信号の伝播径路は、図1の構成例と同様に、インバータ回路i21、伝送ゲートp21、インバータ回路i22であり、この径路上のゲートのMOSトランジスタを低しきい値にすると、ラッチのディレイを短縮することに寄与する。
【0026】
図3(a)の回路は、エッジトリガタイプのマスタースレーブ式フリップフロップに本発明を適用した例である。クロック信号CKが「0」の時、伝送ゲートp31がオープンになり、インバータ回路i31を通して入力信号Dを通過させる。このとき、伝送ゲートp32はクローズされており、インバータ回路i33とクロックドインバータ回路tg32で保存している1クロック前の信号を出力用のインバータ回路i34を通じて出力している。
【0027】
クロック信号CKが「1」に立ちあがった瞬間に伝送ゲートp32はクローズになって信号の取り込みを終了し、インバータ回路i32とクロックドインバータ回路tg31によりデータを保存する。この時、伝送ゲートp32はオープンになり、クロックが「0」の時に取り込んだデータを出力インバータ回路i34を通じて出力する。
【0028】
フリップフロップf31が信号伝播経路の始点にある場合のディレイとは、クロック信号CKが立ちあがって、インバータ回路i35、i36を通過したクロック信号が伝送ゲートp32をオープンにし、データを伝送ゲートp32を通過させ、さらに出力インバータ回路i34を通過するのに必要な時間である。以上から、フリップフロップが経路の始点にある場合は、ディレイを短縮する効果のあるのはインバータ回路i34、i35、i36および伝送ゲートp32である。
【0029】
これに対して、フリップフロップf31が信号伝播経路の終点にある場合、フリップフロップのセットアップタイムが経路のディレイに加算される。すなわち、クロック信号CKが入力され、インバータ回路i35、i36を通過し、伝送ゲートp31がクローズする前に、データ信号はインバータ回路i31、伝送ゲートp31、インバータ回路i32を通過する必要がある。そのため、セットアップタイムを小さくするためにはインバータ回路i31、i32および伝送ゲートp31を低しきい値MOSトランジスタを用いることが望ましい。
【0030】
ここで、インバータ回路i35、i36を低しきい値MOSトランジスタを用いて構成すると、始点に位置する場合にはディレイ低減に有効であるが、終点に位置する場合には伝送ゲートp21をクローズにするまでの時間も小さくするために、逆にセットアップタイムを大きくしてしまう。したがって、信号伝播経路の始点および終点のどちらにフリップフロップが存在しても、経路のディレイを短縮するのに効果があるゲートは、データ信号が入力して出力端子から出て行くのに通過する経路上に位置するインバータ回路i31、i32、i34と伝送ゲートp31、p32である。
【0031】
インバータ回路i3、クロックドインバータ回路tg31、tg32は高速化に影響しないため、高しきい値MOSトランジスタで構成することが望ましい。インバータ回路i35、i36は始点、終点でその効果が異なるが、セットアップタイムを小さくできる構成を図3(a)に示している。
【0032】
また、図4は図3(a)の回路の変形例である。クロックドインバータtg31、tg32をそれぞれインバータ回路i47及び伝送ゲートp43、インバータ回路i48及び伝送ゲートp44に置き換えたものである。
(第2の実施形態)
図3(a)で説明した一部低しきい値MOSトランジスタを用いたフリップフロップと全て高しきい値MOSトランジスタを用いたフリップフロップとを混在して、論理回路を構成した例を図5(a)に示す。図5(a)には、始点フリップフロップから終点フリップフロップまでの3つの信号伝播経路を示している。図5(a)では、フリップフロップ間の論理ゲートを全てNANDで例示しているが、実際にはAND,OR等の各種論理ゲートにより構成される。第1の信号伝播経路は、フリップフロップf51を始点として、フリップフロップf52を終点とし、その間に2個の論理ゲートを含む経路である。第2の信号伝播経路は、フリップフロップf53を始点として、フリップフロップf54を終点とし、その間に4個の論理ゲートを含む経路である。第3の信号伝播経路は、フリップフロップf55を始点として、フリップフロップf56を終点とし、その間に6個の論理ゲートを含む経路である。3つの信号伝播経路のディレイは、全てサイクルタイム以内に抑えなければ、論理回路はクロック周波数で動作することができない。
【0033】
第1の経路は論理ゲートの段数が少なくディレイに余裕があるので、全ての論理ゲートと始点および終点のフリップフロップf51、f52は高しきい値電圧MOSトランジスタで構成したセルのみでサイクルタイム以下のディレイが実現できる。ところが、第2の信号伝播経路では、段数が増え、全て高しきい値電圧のMOSトランジスタで構成したセルを用いた場合は、ディレイがサイクルタイムを超えてしまうとする。そこで、4個の論理ゲートのうち2個のみ低しきい値電圧MOSトランジスタで構成したセルを用い、さらに、始点のフリップフロップf53も低しきい値電圧MOSトランジスタを使用したセルを用いる。第3の信号伝播経路はさらに段数が多いために、全ての論理ゲートを低しきい値MOSトランジスタで構成したセルを用い、さらに、始点のフリップフロップf55及び終点のフリップフロップf56にも低しきい値MOSトランジスタを使用したセルを用いている。図5(b)は、フリップフロップf51,f52,f53で用いた高しきい値フリップフロップの内部回路の構成例である。フリップフロップf54,f55,f56で用いた低しきい値フリップフロップは、図3(a)、図4の構成例を用いることができる。
(第3の実施形態)
半導体装置の品質保証のために、その製造後にテストを行う。網羅的に半導体装置内の論理ゲートを動作させるテストを行うために、いわゆるスキャン回路付きフリップフロップが用いられる。この例を図6(a)に示す。通常動作時の信号伝播経路(f61,f62)、(f63,f64)とは別に、例えば、フリップフロップf61とフリップフロップf64間にスキャンパスz61が設けられる。テスト時には、スキャンイネーブルSeによりテストデータ入力ノードSinが選択され、スキャンパスを経由して各フリップフロップにテストデータがセットされる(このようにテストデータをセットする動作をスキャン動作という)。スキャン動作時には一般に通常の動作時と比べ低い周波数で動作させるために、スキャン動作用の回路は高速性を要求されない。そこで、スキャン回路付きフリップフロップの通常動作時の高速化に寄与しないテスト用回路部分は高しきい値MOSトランジスタで構成することができる。
【0034】
図6(b)にMUXスキャンフリッププロップf61の構成を示す。MUXスキャンフリップフロップは、通常動作時のデータ信号の入力を受けるデータ入力ノードDとテストデータの入力を受けるテストデータ入力ノードSinをスキャンイネーブル信号Seの値により、伝送ゲートp63,p64によって構成されるマルチプレクサにより選択する機能を備えている。すなわち、スキャンイネーブル信号Seが「1」の時は、伝送ゲートp63がクローズする一方で伝送ゲートp64がオープンになり、テストデータSinが取り込まれる。逆に、スキャンイネーブル信号Seが「0」の時は、伝送ゲートp64がクローズする一方で伝送ゲートp63がオープンになり、データ信号Dが取り込まれる。したがって、通常動作時にはスキャンイネーブル信号Seは0に固定される。
【0035】
そこで、テストデータをドライブするインバータ回路i67、スキャンイネーブル信号の反転信号を生成するためのインバータ回路i68、テストデータを通過、遮断する伝送ゲートp64は、高しきい値MOSトランジスタを用いて構成する。これにより、スキャン動作時のみ動作し、通常時の高速化に寄与しないMOSトランジスタを高しきい値にすることによりリーク電流の低減が実現できる。
【0036】
図7のラッチl71は、シフトレジスタラッチと呼ばれ、半導体集積回路中のシフトレジスタラッチを直列に接続することで、テスト時にデータを順次セットできる構造を備えている。シフトレジスタラッチl71は、2つのラッチlp71、lp72を組み合わせたものである。通常の動作モードでは、シフトクロックSCK1、SCK2の両方を「0」固定することにより、内部のラッチlp71が通常のラッチとして動作する。ラッチlp71を構成するゲートの中でも、通常動作時に実際に動作するのは、インバータ回路i71と4つのNANDゲートg70〜g73である。通常動作時は、インバータ回路i72および2つのNANDゲートg74,g75及び4つのNANDゲートg76〜g79も動作しない。
【0037】
本構成例においては、通常動作時の高速化に寄与する論理ゲートであるインバータ回路i71と4つのNANDゲートg70〜g73を低しきい値MOSトランジスタで構成し、それ以外のゲートは高しきい値MOSトランジスタで構成する。
(第4の実施形態)
半導体集積回路全体についても高速化に寄与しない回路部分については高しきい値MOSトランジスタを用いることが望ましい。図8に、クロック信号のドライバに高しきい値MOSトランジスタを使用した半導体集積回路c81を示す。図8には、模式的にクロック信号の分配の様子を示している。チップの中央にあるクロックドライバからクロック信号がH型の配線で階層的にチップ全体に分配される。第1段のクロックドライバAD1から第2段のクロックドライバ群BD1〜BD4にクロック信号が分配され、第2段のクロックドライバBD1から第3段のクロックドライバ群CD1〜CD4にクロック信号が分配される。第3段のクロックドライバ以降のクロック分配は本図では省略した。第3段のクロックドライバ群からチップ全面に配置されたフリップフロップ(図では矩形で表記)にクロック信号が供給されている。図中で太い実線付きの矩形が図5(b)のような全て高しきい値MOSトランジスタで構成されたフリップフロップであり、それ以外の矩形が図3(a)や図6(b)に関連して説明したフリップフロップである。このように、高しきい値電圧フリップフロップと2種しきい値電圧混在フリップフロップとが必要に応じて混在して使用されている。図8の例では、第1〜第3の実施例にて示したように、高速性が必要なフリップフロップ内でさえクロック信号をドライブするゲートは高速化に寄与が少ないため、高しきい値MOSトランジスタを用いている。同じ理由でチップ全体にクロック信号を分配するためのドライバ群AD,BD,CDは、高しきい値MOSトランジスタで構成することが望ましい。
【0038】
図9は、本発明をマイクロプロセッサに適用した例である。構成ブロックは、CPU(中央演算装置)、FPU(浮動小数点演算ユニット)、CACHE(内蔵メモリ)、BSC(バス制御回路)、DMAC(ダイレクトメモリアクセス制御回路)、INT(割込み制御回路)、BIST(ビルドインセルフテスト回路)である。構成ブロックを構成するセルを矩形で表現している。各ブロック内のセルのうち網掛けを施したものは高しきい値MOSトランジスタ、白抜きのものは低しきい値MOSトランジスタで構成したセルである。ここでも、フリップフロップセルの低しきい値セルは、高速化に寄与しない部分に高しきい値MOSトランジスタを用いた2種しきい値電圧のMOSトランジスタが混在するフリップフロップである。
【0039】
例えば、ディレイに余裕がないクリティカルな経路が多く存在するプロセッサCPU,FPU(演算回路)や内蔵メモリ(メモリ周辺回路、例えばデコーダ回路等)は低しきい値電圧のセルの数が多いことが分かる。またディレイに余裕のある制御回路(BSC,DMAC,INT)は、低しきい値電圧のセルの割合が少ない。さらに、テストモードのみ動作し、通常動作時には動作しないテスト制御回路(BIST等)は全て高しきい値電圧のセルで構成されている点である。このように、本発明によれば、必要に応じ低しきい値MOSトランジスタと高しきい値MOSトランジスタを適宜使い分け、かつ、低しきい値MOSトランジスタの使用を最小限に抑えることが可能であり、高速動作と低消費電力を同時に実現する。
【0040】
なお、本発明は、アクティブ時の高速動作と低リーク電流を実現するものである。これに加えて、スタンバイ時に基板バイアス電源を制御することにより、しきい値を上げる公知の技術や、電源スイッチにより主回路への電源供給を遮断する公知の技術と組み合わせることも可能である。
【0041】
【発明の効果】
半導体集積回路装置のアクティブ動作時の速度を犠牲にすることなく、低しきい値MOSトランジスタの使用割合を削減し、リーク電流を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は本発明のラッチ回路の回路図であり、図1(b)はそのクロックドインバータの回路図である。
【図2】本発明のラッチ回路の別の構成例を示す回路図である。
【図3】図3(a)は本発明のフリップフロップ回路の回路図であり、図3(b)はそのクロックドインバータの回路図である。
【図4】本発明のフリップフロップ回路の別の構成例を示す回路図である。
【図5】図5(a)は論理回路の図であり、図5(b)は高しきい値フリップフロップ回路の回路図である。
【図6】図6(a)はスキャンパスを有する論理回路の図であり、図6(b)はスキャン付きフリップフロップ回路の回路図である。
【図7】本発明のシフトレジスタラッチ回路の回路図である。
【図8】半導体集積回路装置を示す図である。
【図9】マイクロコンピュータを示す図である。
【図10】図10(a)は論理回路の図であり、図10(b)は高しきい値MOSトランジスタで構成した論理ゲートであり、図10(c)は低しきい値MOSトランジスタで構成した論理ゲートである。
【図11】図11(a)は高しきい値MOSトランジスタのみで構成したフリップフロップの回路図であり、図11(b)はそのクロックドインバータの回路図であり、図11(c)は低しきい値MOSトランジスタのみで構成したフリップフロップの回路図であり、図11(d)はそのクロックドインバータの回路図である。
【符号の説明】
i・・・・・インバータ回路、tg・・・・・クロックドインバータ回路、p・・・・・伝送ゲート、TP・・・・・PMOSトランジスタ、TN・・・・・NMOSトランジスタ、l・・・・・ラッチ回路、f・・・・・フリップフロップ回路、g・・・・・論理ゲート、AD,BD,CD・・・・・クロックドライバ回路、C81・・・・・半導体集積回路装置、C91・・・・・マイクロプロセッサ。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device, and more particularly to a semiconductor integrated circuit device suitable for high speed and low voltage operation.
[0002]
[Prior art]
MOS transistors having characteristics of high integration and low power consumption (in the present specification, the word MOS transistor is used to represent an insulated gate field effect transistor) are widely used in semiconductor integrated circuit devices. ing. The on / off characteristics of the MOS transistor are determined by the threshold voltage of the MOS transistor. In order to increase the drive capability and improve the operation speed of the circuit, the threshold voltage must be set low.
[0003]
However, 1993 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, pp45-46 (May 1993) If the threshold voltage is set too low, the transistor cannot be completely turned off due to the subthreshold characteristic (tailing characteristic) of the MOS transistor. Therefore, there is a problem that subthreshold leakage current (hereinafter referred to as leakage current) increases and the power consumption of the semiconductor integrated circuit becomes very large.
[0004]
Therefore, when designing a semiconductor integrated circuit device composed of MOS transistors, the threshold voltage of the MOS transistor is determined in consideration of the desired operating frequency and power consumption, and the semiconductor manufacturing process conditions are determined. Yes.
[0005]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-195976 (prior art), the operation speed of a plurality of signal paths in a semiconductor integrated circuit device is slow in a path having a sufficient delay (time for signal transmission along the signal path). High-threshold voltage MOS transistors with a small leakage current are frequently used. Conversely, in a path with no delay, a large number of low-threshold voltage MOS transistors with a high leakage current are used. The configuration is stated. Furthermore, in order to design a semiconductor integrated circuit in which a plurality of threshold voltage MOS transistors are mixed, a cell composed of a high threshold voltage MOS transistor and a low threshold voltage having the same logic function and shape. A method of designing by preparing both a cell constituted by a MOS transistor is disclosed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 10A shows a signal path including two flip-flops f101 and f102 and four logic gates g101 to g104. The clock signal CK is input to the flip-flops f101 and f102, and the circuit operates in synchronization therewith. Therefore, in order for this circuit to operate at the target operating frequency, the delay needs to be within the cycle time of the clock signal. In the prior art, when a circuit is configured with a gate composed of a MOS transistor with a high threshold voltage, if the delay exceeds the cycle time, it is partially replaced with a gate composed of a low threshold voltage MOS transistor. The leakage current is suppressed while realizing the target operating frequency. A thick part of the logic gate symbol indicates a gate composed of a MOS transistor having a high threshold voltage (this notation is also used hereinafter). In the example of FIG. 10A, the flip-flop f101 and the NAND gates g101 and g103 are composed of high threshold voltage MOS transistors, and the flip-flop f102 and the NAND gates g102 and g104 are low threshold voltage MOS transistors. It is configured. For example, the gate g101 is composed of a high threshold voltage PMOS transistor and NMOS transistor as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 10C, the gate g102 is composed of a low threshold PMOS transistor and NMOS transistor. It is to be noted that the symbol of the MOS transistor also indicates that what is shown with a thick source and drain is a high threshold voltage MOS transistor (this notation is also used hereinafter). Here, the terms “low threshold MOS transistor” and “high threshold MOS transistor” in the present application are referred to as a low threshold MOS transistor. A MOS transistor having a relatively high absolute value of the threshold voltage is referred to as a high threshold MOS transistor. Further, the threshold voltage level due to manufacturing variations is not taken into consideration, and this is realized by intentionally changing design parameters and the like. Specifically, the threshold value of the MOS transistor is changed by changing the impurity node of the semiconductor substrate or well under the gate insulating film of the MOS transistor by means such as implantation, changing the dimension of the gate insulating film thickness, or changing the gate length. The voltage can be varied. It is also possible to vary the threshold voltage of the MOS transistor by applying a substrate bias to the substrate or well of the MOS transistor and changing the value of the substrate bias voltage.
[0007]
Here, in the prior art, it has not been sufficiently studied how to provide the threshold voltage of the individual transistors constituting the logic gate, in particular, the flip-flop circuit. That is, since the semiconductor integrated circuit is generally a synchronous circuit as shown in FIG. 10, the operating speed of the flip-flop circuit is important for operating at the target operating frequency. At this time, FIG. 11A in which all high threshold voltage MOS transistors are used as flip-flops using high threshold voltage MOS transistors is used as a flip-flop using low threshold voltage MOS transistors. Assume that FIG. 11C using all low threshold voltage MOS transistors is used. Note that tg 101 to 102 and tg 111 to 112 in the flip-flop are clocked inverter circuits that switch between a cut-off state and an inverted signal output by a clock signal CK (FIGS. 11B and 11D).
[0008]
However, the inventors have found that if the flip-flop is configured as shown in FIGS. 11 (a) and 11 (c), the increase in speed may be hindered.
[0009]
In the signal propagation path shown in FIG. 10A, data is output from the flip-flop f101 which is the starting point at the rising time of the clock signal CK, and the signal is output from the logic gates g101 to g104 by the rising time of the next clock signal. To the end-point flip-flop f102.
[0010]
In the start point flip-flop f101, when the clock signal CK is “0”, the transmission gate p101 is opened, and the input signal D is passed through the inverter circuit i101. At this time, the transmission gate p102 is closed, and the signal one clock before stored in the inverter circuit i103 and the clocked inverter circuit tg102 is output through the output inverter circuit i104. When the clock signal CK rises to “1”, the transmission gate p101 is closed to finish the signal capture, and the inverter circuit i102 and the clocked inverter circuit tg101 store the data. On the other hand, the transmission gate p102 is opened, and the captured data is output through the output buffer i104 when the clock signal is “0”. Therefore, the delay of the flip-flop f101 means that the clock signal CK rises and passes through the inverter circuits i105 to 106, opens the transmission gate p102, passes data through the transmission gate p102, and further passes through the output inverter circuit i104. It is the time required for That is, the gates that are effective in reducing the delay are the inverter circuits i105, i106, i104 and the transmission gate p102.
[0011]
Next, the end point flip-flop will be described. Of course, it is too late if the signal reaches the input pin D of the flip-flop f102 at the moment when the clock signal CK rises to "1". When the clock signal CK rises to “1”, the transmission gate p111 is closed by the clock signal that has passed through the inverter circuits i115 and i116. Therefore, data must be stored by the inverter circuit i113 and the clocked inverter circuit tg112 unless the data signal has passed through the inverter circuit i111, the transmission gate p111, and the inverter circuit i112 before the transmission gate p111 is closed. Can not be. That is, the time when the signal arrives at the signal input pin D of the flip-flop f102 needs to reach with a margin time from the time when the clock signal CK rises to “1”. This extra time is usually called setup time. The gates effective for reducing the setup time are inverter circuits i111 and i112 and a transmission gate p111. Conversely, if the inverter circuits i115 and i116 through which the clock signal CK passes as shown in FIG. 11C are configured by low threshold MOS transistors, the time for closing the transmission gate p111 is advanced, which means that the setup time is reduced. Will lead to a larger.
[0012]
As described above, in a circuit that receives a clock signal and a data signal such as a flip-flop, it is low even for a MOS transistor that does not contribute to speeding up to constitute a circuit by using low threshold MOS transistors uniformly. Use of the threshold MOS transistor may increase power consumption.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to operate the flip-flop at a high speed, only the MOS transistor having the effect of shortening the delay among the MOS transistors in the flip-flop cell is set to the low threshold, and the MOS transistor having no effect on the delay shortening is set to the high threshold. It is to make.
[0014]
A first logic gate having a data input node and an output node, to which at least data input from the data input node is input, and a latch for holding the data, between the data input node and the output node; And a threshold voltage (absolute value) V1 of the first conductivity type first MOS transistor included in the first logic gate and a threshold value of the first conductivity type second MOS transistor included in the latch. The voltage (absolute value) V2 is configured to satisfy the relationship V2> V1. Here, the relationship of V2> V1 does not include an accidental process due to process variation, and is realized by a predetermined process or the like.
[0015]
In particular, the high threshold MOS transistor and the low threshold MOS transistor are the same transistors as the high threshold MOS transistor and the low threshold MOS transistor used in the logic circuit.
[0016]
That is, the first logic gate includes a data input node and an output node, and includes a first logic gate to which at least data input from the data input node is input and a latch for holding data between the data input node and the output node. A flip-flop; a second flip-flop having a data input node; and a logic circuit connected to the output node of the first flip-flop and the data input node of the second flip-flop. A first flip-flop including a first conductivity type first MOS transistor having (absolute value) V1 and a first conductivity type second MOS transistor having a threshold voltage (absolute value) V2 greater than the threshold voltage V1; The threshold voltage (absolute value) V3 of the first-conductivity-type third MOS transistor constituting the first logic gate is (V3 The absolute value of the difference between V2)> (the absolute value of the difference between V3 and V1) is satisfied, and the latch of the first flip-flop includes a fourth MOS transistor of the first conductivity type, and a threshold value of the fourth MOS transistor. The voltage (absolute value) V4 is configured to satisfy the relationship of (absolute value of difference between V4 and V1)> (absolute value of difference between V4 and V2).
[0017]
Further, when the flip-flop circuit includes a circuit portion that operates only during the test, a high threshold MOS transistor is used for such a circuit portion.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As shown in FIGS. 10A to 10C, the logic circuit to which the present invention is applied is a MOS transistor having at least two types of threshold voltages for both the logic gate and the flip-flop constituting the logic circuit. It is configured using.
(First embodiment)
The circuit of FIG. 1A is an application of the present invention to a level sensitive latch. The circuit shown in FIG. 1A is used as a latch that requires high-speed operation. The latch l11 is an inverter circuit i11 that drives an input signal, i12 that drives an output, an inverter circuit i13 (i14) that inputs a clock signal and drives a clock signal (clock inverted signal), and the clock signal CK is “1”. In order to hold data when the transmission gate p11 that is sometimes open and allows data to pass and the transmission gate p11 is in the closed state, it is composed of an inverter circuit i15 and a clocked inverter circuit tg11 that are connected to each other. The transmission gate p11 is a pass transistor in which the sources and drains of the PMOS transistor and the NMOS transistor are connected to each other. FIG. 1B also shows the transistor configuration of the clocked inverter circuit tg11. The clocked inverter tg11 has a configuration in which PMOS transistors TP11 and TP12 which are vertically stacked in two stages and NMOS transistors TN11 and TN12 which are vertically stacked in two stages are connected in series. The input data signal in1, the clock signal CK and the clock inverted signal CK / are input. When the clock signal CK is “1”, the inverted signal ont1 of the input signal in1 is output, and when the clock signal CK is “0” It will be cut off.
[0019]
As described above, the latch l11 is called an active high latch because it allows data to pass only when the clock signal CK is “1”. The propagation path of the data signal in this latch is the inverter circuit i11, the transmission gate p11, and the inverter circuit i12. If the MOS transistor of the gate on this path is set to a low threshold value, it contributes to shortening the delay of the latch. To do.
[0020]
On the other hand, the delay reduction effect of the gate located in the clock signal propagation path is as follows. When the data signal arrives before the clock becomes “1”, the delay time is shortened because the transmission gate p11 can be opened quickly by setting the clock signal driving inverter circuits i13 and i14 to a low threshold. There is an effect. On the other hand, in the case where the clock signal is “1” faster than the data signal, the clock signal driving inverter circuits i13 and i14 do not contribute to the delay reduction of the latch at all.
[0021]
Therefore, it is most effective to lower the threshold value of the inverter circuit i11, the transmission gate p11, and the inverter circuit i12, which are effective in reducing the delay in all states. Here, since the MOS transistor used for the latch and the other MOS transistor used for the logic gate are common, the low threshold MOS transistor of the logic gate is used as the low threshold MOS transistor of the latch, and the high threshold of the latch is used. A high threshold MOS transistor having a logic gate may be used as the MOS transistor. Therefore, in the high threshold MOS transistor of the latch, the absolute value of the difference between the absolute value of the threshold voltage and the absolute value of the threshold voltage of the low threshold MOS transistor used for the other logic gate is The absolute value of the difference between the absolute value of the threshold voltage and the absolute value of the threshold voltage of the high threshold MOS transistor used for the other logic gates becomes larger. On the other hand, in the low threshold MOS transistor of the latch, the absolute value of the difference between the absolute value of the threshold voltage and the absolute value of the threshold voltage of the high threshold MOS transistor used for other logic gates is The absolute value of the difference between the absolute value of the threshold voltage and the absolute value of the threshold voltage of the low threshold MOS transistor used for the other logic gates is larger.
[0022]
In the case where a MOS transistor having three or more threshold voltages is used in the logic gate, the relative threshold value shown in FIG. The voltage may be selected and used so as to satisfy the voltage relationship.
[0023]
With the configuration shown in FIG. 1A, it is possible to achieve the same high speed by using less threshold MOS transistors than when all the transistors are lowered in threshold. In the latch example of FIG. 1A, the number of low threshold MOS transistors is six out of the total 16 transistors. As a result, the leakage current can be reduced to about half as compared with the case where all are constituted by low threshold MOS transistors. On the other hand, a latch that does not require high-speed operation may be configured by replacing the low threshold MOS transistor with a high threshold MOS transistor. This is the same for each circuit shown below.
[0024]
1 shows an active high latch that allows data to pass when the clock signal becomes 1, but an active low latch that allows data to pass when the clock signal is 0 is similarly raised or lowered. It is possible to configure by using different threshold voltages.
[0025]
The circuit in FIG. 2 is a modification of the circuit in FIG. In order to store data, a transmission gate p22 is used instead of the clocked inverter circuit tg11. 1 operates in the same manner as in FIG. In order to hold data when the transmission gate p21 is in the closed state, inverter circuits i25 and i26 and a transmission gate p22 are provided. The transmission gate p22 is in an open state to hold data when the transmission gate p21 is closed, and conversely is closed when the transmission gate p21 is open. As in the configuration example of FIG. 1, the propagation path of the data signal in this latch is the inverter circuit i21, the transmission gate p21, and the inverter circuit i22. When the MOS transistor of the gate on this path is set to a low threshold value, This contributes to shortening the latch delay.
[0026]
The circuit of FIG. 3A is an example in which the present invention is applied to an edge trigger type master-slave flip-flop. When the clock signal CK is “0”, the transmission gate p31 is opened, and the input signal D is passed through the inverter circuit i31. At this time, the transmission gate p32 is closed, and the signal one clock before stored in the inverter circuit i33 and the clocked inverter circuit tg32 is output through the output inverter circuit i34.
[0027]
At the moment when the clock signal CK rises to “1”, the transmission gate p32 is closed to finish the signal capture, and the inverter circuit i32 and the clocked inverter circuit tg31 store the data. At this time, the transmission gate p32 is opened, and the captured data is output through the output inverter circuit i34 when the clock is “0”.
[0028]
The delay when the flip-flop f31 is at the start point of the signal propagation path means that the clock signal CK rises, the clock signal that has passed through the inverter circuits i35 and i36 opens the transmission gate p32, and the data passes through the transmission gate p32. Further, this is the time required to pass through the output inverter circuit i34. From the above, when the flip-flop is at the starting point of the path, the inverter circuits i34, i35, i36 and the transmission gate p32 are effective in reducing the delay.
[0029]
On the other hand, when the flip-flop f31 is at the end point of the signal propagation path, the setup time of the flip-flop is added to the delay of the path. That is, before the clock signal CK is input and passes through the inverter circuits i35 and i36 and the transmission gate p31 is closed, the data signal needs to pass through the inverter circuit i31, the transmission gate p31, and the inverter circuit i32. Therefore, in order to reduce the setup time, it is desirable to use low threshold MOS transistors for the inverter circuits i31 and i32 and the transmission gate p31.
[0030]
Here, when the inverter circuits i35 and i36 are configured by using low threshold MOS transistors, it is effective in reducing delay when positioned at the start point, but the transmission gate p21 is closed when positioned at the end point. On the contrary, the setup time is increased in order to reduce the time until the time. Therefore, regardless of whether the flip-flop is present at the start point or the end point of the signal propagation path, the gate that is effective in reducing the delay of the path passes for the data signal to be input and output from the output terminal. Inverter circuits i31, i32, i34 and transmission gates p31, p32 located on the path.
[0031]
Since the inverter circuit i3 and the clocked inverter circuits tg31 and tg32 do not affect the speeding up, it is desirable to configure them with high threshold MOS transistors. Although the effects of the inverter circuits i35 and i36 differ depending on the start point and the end point, a configuration that can reduce the setup time is shown in FIG.
[0032]
FIG. 4 is a modification of the circuit of FIG. The clocked inverters tg31 and tg32 are respectively replaced with an inverter circuit i47 and a transmission gate p43, an inverter circuit i48 and a transmission gate p44.
(Second Embodiment)
An example in which the flip-flop using a part of the low threshold MOS transistors and the flip-flop using all the high threshold MOS transistors described in FIG. Shown in a). FIG. 5A shows three signal propagation paths from the start point flip-flop to the end point flip-flop. In FIG. 5A, the logic gates between the flip-flops are all illustrated as NAND, but in actuality, they are configured by various logic gates such as AND and OR. The first signal propagation path is a path including a flip-flop f51 as a start point, a flip-flop f52 as an end point, and two logic gates therebetween. The second signal propagation path is a path including the flip-flop f53 as the start point, the flip-flop f54 as the end point, and four logic gates therebetween. The third signal propagation path is a path including a flip-flop f55 as a start point, a flip-flop f56 as an end point, and six logic gates therebetween. Unless the delays of the three signal propagation paths are all suppressed within the cycle time, the logic circuit cannot operate at the clock frequency.
[0033]
Since the first path has a small number of logic gates and a sufficient delay, all the logic gates and the flip-flops f51 and f52 at the start and end points are only cells composed of high threshold voltage MOS transistors and have a cycle time or less. Delay can be realized. However, in the second signal propagation path, the number of stages is increased, and when a cell composed of high threshold voltage MOS transistors is used, the delay exceeds the cycle time. Therefore, a cell composed of only two of the four logic gates is used as a low threshold voltage MOS transistor, and a cell using a low threshold voltage MOS transistor is also used as the starting flip-flop f53. Since the third signal propagation path has a larger number of stages, cells in which all the logic gates are composed of low-threshold MOS transistors are used, and the thresholds of the start-point flip-flop f55 and the end-point flip-flop f56 are also low. A cell using a value MOS transistor is used. FIG. 5B is a configuration example of an internal circuit of the high threshold flip-flop used in the flip-flops f51, f52, and f53. The low threshold flip-flops used in the flip-flops f54, f55, and f56 can use the configuration examples shown in FIGS.
(Third embodiment)
In order to assure the quality of the semiconductor device, a test is performed after its manufacture. A so-called flip-flop with a scan circuit is used in order to perform a comprehensive test for operating logic gates in a semiconductor device. An example of this is shown in FIG. In addition to the signal propagation paths (f61, f62) and (f63, f64) during normal operation, for example, a scan path z61 is provided between the flip-flop f61 and the flip-flop f64. During the test, the test data input node Sin is selected by the scan enable Se, and the test data is set in each flip-flop via the scan path (the operation for setting the test data in this way is called a scan operation). Since the scan operation is generally performed at a lower frequency than the normal operation, the circuit for the scan operation is not required to have high speed. Therefore, the test circuit portion that does not contribute to the speeding up of the flip-flop with the scan circuit during the normal operation can be composed of a high threshold MOS transistor.
[0034]
FIG. 6B shows the configuration of the MUX scan flip-prop f61. The MUX scan flip-flop is composed of a data input node D for receiving a data signal during normal operation and a test data input node Sin for receiving test data input by transmission gates p63 and p64 according to the value of the scan enable signal Se. A function of selecting by a multiplexer is provided. That is, when the scan enable signal Se is “1”, the transmission gate p63 is closed while the transmission gate p64 is opened, and the test data Sin is taken in. Conversely, when the scan enable signal Se is “0”, the transmission gate p64 is closed while the transmission gate p63 is opened, and the data signal D is captured. Therefore, the scan enable signal Se is fixed to 0 during normal operation.
[0035]
Therefore, the inverter circuit i67 that drives the test data, the inverter circuit i68 that generates the inverted signal of the scan enable signal, and the transmission gate p64 that passes and blocks the test data are configured using high threshold MOS transistors. As a result, the leakage current can be reduced by setting the MOS transistor that operates only during the scan operation and does not contribute to the normal speed increase to a high threshold.
[0036]
The latch 171 in FIG. 7 is called a shift register latch, and has a structure in which data can be sequentially set during a test by connecting the shift register latches in the semiconductor integrated circuit in series. The shift register latch l71 is a combination of two latches lp71 and lp72. In the normal operation mode, the internal latch lp71 operates as a normal latch by fixing both shift clocks SCK1 and SCK2 to “0”. Among the gates constituting the latch lp71, the inverter circuit i71 and the four NAND gates g70 to g73 actually operate during normal operation. During the normal operation, the inverter circuit i72, the two NAND gates g74 and g75, and the four NAND gates g76 to g79 do not operate.
[0037]
In this configuration example, the inverter circuit i71 and the four NAND gates g70 to g73, which are logic gates contributing to high speed during normal operation, are configured by low threshold MOS transistors, and the other gates are high thresholds. It is composed of MOS transistors.
(Fourth embodiment)
It is desirable to use a high-threshold MOS transistor for a circuit portion that does not contribute to speeding up the entire semiconductor integrated circuit. FIG. 8 shows a semiconductor integrated circuit c81 using a high threshold MOS transistor as a clock signal driver. FIG. 8 schematically shows how the clock signal is distributed. A clock signal from a clock driver in the center of the chip is hierarchically distributed to the entire chip through H-type wiring. A clock signal is distributed from the first-stage clock driver AD1 to the second-stage clock driver groups BD1 to BD4, and a clock signal is distributed from the second-stage clock driver BD1 to the third-stage clock driver groups CD1 to CD4. . The clock distribution after the third stage clock driver is omitted in the figure. A clock signal is supplied from a third-stage clock driver group to flip-flops (shown as rectangles in the figure) arranged on the entire surface of the chip. In the figure, a rectangle with a thick solid line is a flip-flop composed of all high-threshold MOS transistors as shown in FIG. 5B, and the other rectangles are shown in FIG. 3A and FIG. 6B. This is the flip-flop described in relation to the above. As described above, the high threshold voltage flip-flop and the two threshold voltage mixed flip-flops are mixedly used as necessary. In the example of FIG. 8, as shown in the first to third embodiments, the gate that drives the clock signal has little contribution to the high speed even in the flip-flop that requires high speed. A MOS transistor is used. For the same reason, it is desirable that the driver groups AD, BD, and CD for distributing the clock signal to the entire chip are composed of high threshold MOS transistors.
[0038]
FIG. 9 shows an example in which the present invention is applied to a microprocessor. The building blocks are: CPU (central processing unit), FPU (floating point arithmetic unit), CACHE (built-in memory), BSC (bus control circuit), DMAC (direct memory access control circuit), INT (interrupt control circuit), BIST ( Build-in self-test circuit). The cells constituting the building block are represented by rectangles. Among the cells in each block, the shaded cells are high threshold MOS transistors, and the open cells are low threshold MOS transistors. Here too, the low threshold cell of the flip-flop cell is a flip-flop in which two types of threshold voltage MOS transistors using high threshold MOS transistors are mixed in a portion that does not contribute to speeding up.
[0039]
For example, it can be seen that the processor CPU, FPU (arithmetic circuit) and built-in memory (memory peripheral circuit such as a decoder circuit) having many critical paths with no delay have a large number of low threshold voltage cells. . In addition, the control circuit (BSC, DMAC, INT) having a sufficient delay has a small percentage of cells having a low threshold voltage. Furthermore, the test control circuit (BIST or the like) that operates only in the test mode and does not operate in the normal operation is composed of high threshold voltage cells. As described above, according to the present invention, it is possible to appropriately use a low threshold MOS transistor and a high threshold MOS transistor as needed, and to minimize the use of a low threshold MOS transistor. Realizes high speed operation and low power consumption at the same time.
[0040]
The present invention realizes a high-speed operation and a low leakage current when active. In addition to this, it is possible to combine a known technique for raising the threshold value by controlling the substrate bias power supply during standby or a known technique for cutting off the power supply to the main circuit by the power switch.
[0041]
【The invention's effect】
Without sacrificing the speed at the time of active operation of the semiconductor integrated circuit device, it is possible to reduce the usage ratio of the low threshold MOS transistor and suppress the leakage current.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (a) is a circuit diagram of a latch circuit of the present invention, and FIG. 1 (b) is a circuit diagram of a clocked inverter thereof.
FIG. 2 is a circuit diagram showing another configuration example of the latch circuit of the present invention.
3A is a circuit diagram of the flip-flop circuit of the present invention, and FIG. 3B is a circuit diagram of the clocked inverter.
FIG. 4 is a circuit diagram showing another configuration example of the flip-flop circuit of the present invention.
5A is a diagram of a logic circuit, and FIG. 5B is a circuit diagram of a high threshold flip-flop circuit.
6A is a diagram of a logic circuit having a scan path, and FIG. 6B is a circuit diagram of a flip-flop circuit with scan.
FIG. 7 is a circuit diagram of a shift register latch circuit of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a semiconductor integrated circuit device.
FIG. 9 is a diagram illustrating a microcomputer.
10A is a diagram of a logic circuit, FIG. 10B is a logic gate composed of high threshold MOS transistors, and FIG. 10C is a low threshold MOS transistor. It is a configured logic gate.
FIG. 11A is a circuit diagram of a flip-flop composed only of a high threshold MOS transistor, FIG. 11B is a circuit diagram of the clocked inverter, and FIG. FIG. 11D is a circuit diagram of a flip-flop composed only of a low threshold MOS transistor, and FIG. 11D is a circuit diagram of the clocked inverter.
[Explanation of symbols]
i ... inverter circuit, tg ... clocked inverter circuit, p ... transmission gate, TP ... PMOS transistor, TN ... NMOS transistor, l ... ... Latch circuit, f ... Flip-flop circuit, g ... Logic gate, AD, BD, CD ... Clock driver circuit, C81 ... Semiconductor integrated circuit device, C91: Microprocessor.

Claims (9)

複数の論理ゲートを含む第1フリップフロップと、
2フリップフロップと、
上記第1フリップフロップの出力ノードと上記第2フリップフロップの入力ノードと接続された論理回路とを有し、
上記論理回路は、しきい値電圧V1を有する第1導電型の第1MOSトランジスタ及び上記しきい値電圧V1よりも絶対値が大きいしきい値電圧V2を有する第1導電型の第2MOSトランジスタを含み、
上記第1フリップフロップのデータ入力ノードから上記出力ノードへのデータ信号の伝播経路上に配置される上記論理ゲートを構成する第1導電型のMOSトランジスタのしきい値電圧V3は、(V3とV2の差の絶対値)>(V3とV1の差の絶対値)という関係を満たし、
上記伝播経路上以外に配置される上記論理ゲートを構成する第1導電型のMOSトランジスタのしきい値電圧V4は、(V4とV1の差の絶対値)>(V4とV2の差の絶対値)という関係を満た半導体集積回路装置。
A first flip-flop including a plurality of logic gates,
A second flip-flop;
And a logic circuit and input node of the output node and said second flip-flop of the first flip-flop is connected,
It said logic circuit includes a first of a first conductivity type having a threshold voltage V 2 is also greater absolute value than the 1MOS transistor and the threshold voltage V1 of the first conductivity type having a threshold voltage V 1 Including 2MOS transistors,
Threshold voltage V 3 of M OS transistor of the first conductivity type constituting the logical gate disposed on the propagation path of the data signal to the output node from the data input node of the first flip-flop, (Absolute value of difference between V3 and V2)> (Absolute value of difference between V3 and V1)
Threshold voltage V 4 of the first conductivity type MOS transistors constituting the logic gate which is arranged in addition to on the propagation path, the (absolute value of the difference between V4 and V1)> (V4 and difference V2 the semiconductor integrated circuit device that meets the relationship of absolute value).
請求項1において、
上記論理回路は、上記第1MOSトランジスタと直列接続され、しきい値電圧V5を有する第2導電型の第MOSトランジスタ及び上記第2MOSトランジスタと直列接続され、上記しきい値電圧V5よりも絶対値が大きいしきい値電圧V6を有する第2導電型の第6MOSトランジスタを含み、
上記第1フリップフロップのデータ入力ノードから上記出力ノードへのデータ信号の伝播経路上に配置される記論理ゲートを構成する第2導電型のMOSトランジスタのしきい値電圧V7は、(V7とV6の差の絶対値)>(V7とV5の差の絶対値)という関係を満たし、
上記伝播経路上以外に配置される上記論理ゲートを構成する第2導電型の第MOSトランジスタのしきい値電圧V8は、(V8とV5の差の絶対値)>(V8とV6の差の絶対値)という関係を満たす半導体集積回路装置。
In claim 1,
Said logic circuit, said first 1MOS are transistors connected in series, the 3 MOS transistors of a second conductivity type having a threshold voltage V 5, and are connected the first 2MOS transistor in series, the threshold voltage V5 includes a first 6MOS transistor of a second conductivity type having a threshold voltage V 6 absolute value is greater than,
Threshold voltage V 7 of the M OS transistor of the second conductivity type constituting the upper Symbol logical gates are arranged from the data input node of the first flip-flop on the propagation path of the data signal to the output node , (The absolute value of the difference between V7 and V6)> (the absolute value of the difference between V7 and V5)
A second conductivity type in the threshold voltage V 8 of the M OS transistor constituting the logic gates are arranged in addition to on the propagation path (absolute value of the difference V8 and V5)> (V8 and the V6 A semiconductor integrated circuit device that satisfies the relationship (absolute value of difference).
請求項2において、
上記第1フリップフロップのラッチは、上記第1フリップフロップの上記データ入力ノードと上記出力ノードとの間に位置する第1ノードと、上記第1ノードに入力部が接続された第1インバータと、上記第1インバータの出力部に入力部が接続され、上記第1ノードに出力部が接続された第2インバータとを有する半導体集積回路装置。
In claim 2,
The latches of the first flip-flop, said a first node located between said data input node and the output node of the first flip-flop, a first inverter input to the first node is connected If the input unit is connected to the output of the first inverter, a semiconductor integrated circuit device which have a second inverter having an output portion connected to said first node.
請求項2において、
上記第1フリップフロップは、上記第1フリップフロップのクロック入力ノードに入力部が接続され、上記論理ゲートの動作タイミングを制御するクロックドライバとを有する半導体集積回路装置。
In claim 2,
The first flip-flop, the input unit is connected to the clock input nodes of the first flip-flop, a semiconductor integrated circuit device having a clock driver for controlling the operation timing of the above Symbol logical gates.
請求項1において、
上記第1フリップフロップの上記論理ゲートの一つは上記データ入力ノードと上記出力ノードとの間に設けられた伝送ゲートである半導体集積回路装置。
In claim 1,
The semiconductor integrated circuit device one above Symbol logical gate of the first flip-flop is a transmission gate provided between said data input node and said output node.
請求項1において、
上記第1フリップフロップの上記論理ゲートの一つ、上記テストデータ入力ノードからテストデータが入力されるものであり
上記テストデータは上記第1フリップフロップのラッチに保持される半導体集積回路装置。
In claim 1,
One of the logic gates of said first flip-flop, which on SL test data input node or latte strike data is input,
A semiconductor integrated circuit device in which the test data is held in a latch of the first flip-flop.
請求項2において、
上記第1フリップフロップの上記論理ゲートの一つ、上記テストデータ入力ノードからテストデータが入力されるものであり
上記テストデータは上記第1フリップフロップのラッチに保持される半導体集積回路装置。
In claim 2,
One of the logic gates of said first flip-flop, which on SL test data input node or latte strike data is input,
A semiconductor integrated circuit device in which the test data is held in a latch of the first flip-flop.
複数の論理ゲートを含む第1乃至第4フリップフロップと、
上記第1フリップフロップの出力ノードと上記第2フリップフロップのデータ入力ノードとの間に接続され、複数の論理ゲートを含む第1論理回路と、
上記第3フリップフロップの出力ノードと上記第4フリップフロップのデータ入力ノードとの間に接続され、複の論理ゲートを含む第2論理回路と、
上記第1論理回路の論理ゲートの段数は、上記第2論理回路の論理ゲートの段数よりも多く、
上記第1論理回路の論理ゲートはしきい値電圧V1を有する第1導電型の第1MOSトランジスタを含み、
上記第2論理回路の論理ゲートは上記しきい値電圧V1よりも絶対値が大きいしきい値電圧V2を有する第1導電型の第2MOSトランジスタを含み、
上記第1フリップフロップ及び上記第2フリップフロップの少なくともいずれかにおいて、データ入力ノードから出力ノードへのデータ信号の伝播経路上に配置される上記論理ゲートを構成する第1導電型のMOSトランジスタのしきい値電圧V3は、(V3とV2の差の絶対値)>(V3とV1の差の絶対値)という関係を満たし、上記伝播経路上以外に配置される上記論理ゲートを構成する第1導電型の第4MOSトランジスタのしきい値電圧V4は、(V4とV1の差の絶対値)>(V4とV2の差の絶対値)という関係を満た半導体集積回路装置。
First to fourth flip-flop including a plurality of logic gates,
Is connected between the data input node of the output node and said second flip-flop of the first flip-flop, a first logic circuit including a plurality of logic gates,
Is connected between the data input node of said third output node of the flip-flop and the fourth flip-flop, a second logic circuit including a logical gate of multiple,
The number of logic gates of the first logic circuit is greater than the number of logic gates of the second logic circuit,
Logic gates of the first logic circuit includes a first 1MOS transistor of a first conductivity type having a threshold voltage V 1,
Logic gates of the second logic circuit includes a first 2MOS transistor of a first conductivity type having a threshold voltage V 2 is also greater absolute value than the threshold voltage V1,
In at least one of said first flip-flop and the second flip-flop, the first conductivity type constituting the upper Symbol logical gate disposed on the propagation path of the data signal from the data input node to the output node M OS threshold voltage V 3 of the transistor, the (absolute value of the difference between V3 and V2)> satisfies the relationship (V3 and the absolute value of the difference between V1), said logic gates being arranged in addition to on the propagation path threshold voltage V 4 of the 4MOS transistor of the first conductivity type constituting the, (V4 and the absolute value of the difference between V1)> semiconductor integrated circuit device that meets the relationship of (V4 and absolute value of the difference between V2) .
請求項において、
上記第1論理回路の論理ゲートは、上記第1MOSトランジスタと直列接続され、しきい値電圧V5を有する第2導電型の第MOSトランジスタを含み、
上記第2論理回路の論理ゲートは、上記第2MOSトランジスタと直列接続され、上記しきい値電圧Vよりも絶対値が大きいしきい値電圧V6を有する第2導電型の第MOSトランジスタを含み、
上記第1フリップフロップ及び上記第2フリップフロップの少なくともいずれかにおいて、データ入力ノードから出力ノードへのデータ信号の伝播経路上に配置される上記論理ゲートを構成する第2導電型の第MOSトランジスタのしきい値電圧V7は、(VとVの差の絶対値)>(VとVの差の絶対値)という関係を満たし、上記伝播経路上以外に配置される上記論理ゲートを構成する第2導電型の第6MOSトランジスタのしきい値電圧V8は、(VとVの差の絶対値)>(VとVの差の絶対値)という関係を満たす半導体集積回路装置。
In claim 8 ,
Logic gates of the first logic circuit is connected the first 1MOS transistor in series, includes a first 3 MOS transistor of a second conductivity type having a threshold voltage V5,
Said logic gate of the second logic circuit is connected the first 2MOS transistor in series, the first 4 MOS transistor of a second conductivity type having a threshold voltage V6 absolute value is greater than the threshold voltage V 5 Including
Second conductive type fifth MOS transistor constituting the logic gate arranged on the data signal propagation path from the data input node to the output node in at least one of the first flip-flop and the second flip-flop the threshold voltage V7 of, (absolute value of the difference between V 7 and V 6)> satisfy the relationship of (an absolute value of the difference between V 7 and V 5), said logic being arranged in addition to on the propagation path the second threshold voltage of the conductivity type second 6 MOS transistor V8 constituting the gate, the relationship of (an absolute value of the difference of V 8 and V 5)> (the absolute value of the difference of V 8 and V 6) Filled semiconductor integrated circuit device.
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