JP6907386B2 - Semiconductor integrated circuit equipment and wearable equipment - Google Patents

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Description

本発明は、半導体集積回路装置およびウェラブル装置に関し、特に低消費電力化に適し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 a wearable device, and more particularly to a semiconductor integrated circuit device suitable for low power consumption.

ウェラブル装置として、スマート時計のように腕に装着する携帯端末装置がある。このような携帯端末装置においては、電池からの供給される電力によって駆動するものの、特に長時間動作することが要求される。端末としての機能と腕時計としての機能を達成するために、携帯端末装置内部には、マイクロプロセッサ(以下、CPU:Central Processing Unit、中央処理装置、と称する)、メモリ等を内蔵した半導体集積回路装置(以下、単に半導体装置とも称する)が実装されている。 As a wearable device, there is a portable terminal device that is worn on the wrist like a smart watch. In such a mobile terminal device, although it is driven by the electric power supplied from the battery, it is required to operate for a particularly long time. A semiconductor integrated circuit device with a built-in microprocessor (hereinafter referred to as CPU: Central Processing Unit, central processing unit), memory, etc. inside the portable terminal device in order to achieve the function as a terminal and the function as a watch. (Hereinafter, also simply referred to as a semiconductor device) is mounted.

携帯端末装置が長時間動作することを可能にするためには、携帯端末装置内部に、低速で動作する低速CPUを内蔵した半導体装置と、高速で動作する高速CPUを内蔵した半導体装置とを実装することが考えられる。この場合、例えば、腕時計としての機能は、低速CPU(サブCPU)で達成し、端末としての機能は、高速CPU(メインCPU)により達成する。低速CPUは、低速で動作するため、消費電力が低くなるため、携帯端末装置の動作時間を延ばすことが可能となる。 In order to enable the mobile terminal device to operate for a long time, a semiconductor device having a built-in low-speed CPU that operates at a low speed and a semiconductor device having a built-in high-speed CPU that operates at a high speed are mounted inside the mobile terminal device. It is conceivable to do. In this case, for example, the function as a wristwatch is achieved by a low-speed CPU (sub CPU), and the function as a terminal is achieved by a high-speed CPU (main CPU). Since the low-speed CPU operates at a low speed, the power consumption is low, so that the operating time of the mobile terminal device can be extended.

半導体装置の消費電力を低減する技術として、DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)が知られている。DVFS技術を用いることによって、半導体装置の電源電圧を低下させ、その半導体装置を動作させるための周波数を低下させることにより、半導体装置の消費電力を低減することが可能となる。半導体装置の消費電力を低減することが可能であるため、携帯端末装置の動作時間を延ばすことが可能となる。 DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) is known as a technique for reducing the power consumption of a semiconductor device. By using the DVFS technology, it is possible to reduce the power consumption of the semiconductor device by lowering the power supply voltage of the semiconductor device and lowering the frequency for operating the semiconductor device. Since the power consumption of the semiconductor device can be reduced, the operating time of the mobile terminal device can be extended.

また、半導体装置の消費電力を低減する技術としては、半導体装置の基板に基板バイアス電圧を印加し、半導体装置を動作させるための周波数を可変にすることが、例えば特許文献1に記載されている。 Further, as a technique for reducing the power consumption of a semiconductor device, for example, Patent Document 1 describes applying a substrate bias voltage to the substrate of the semiconductor device to make the frequency for operating the semiconductor device variable. ..

半導体装置に内蔵されるメモリとしては、スタティック型ランダムアクセスメモリ(以下、SRAMと称する)がある。SRAMの消費電力を低減する技術が、例えば特許文献2に記載されている。 As the memory built in the semiconductor device, there is a static random access memory (hereinafter, referred to as SRAM). A technique for reducing the power consumption of an SRAM is described in, for example, Patent Document 2.

特開2004−282776号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-282776 特開2003−132683号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-132683

2個の半導体装置、すなわちメインCPUを内蔵する半導体装置とサブCPUを内蔵する半導体装置を用いる構成では、実装する半導体装置等の数が増え、携帯端末装置の価格が上昇することが危惧される。また、DVFS技術を用いる構成では、周波数を低くし、低速動作を行うようにしても、リーク電流等によるスタンバイ電流が低減されず、消費電力低減に対して高い効果を期待することができない。さらに、DVFS技術によって、変更できる周波数の範囲も約50%程度であり、周波数を桁の単位で変更することができないため、これによっても、低消費電力に対する高い効果が期待できない。 In a configuration using two semiconductor devices, that is, a semiconductor device having a built-in main CPU and a semiconductor device having a built-in sub CPU, there is a concern that the number of semiconductor devices to be mounted will increase and the price of the portable terminal device will rise. Further, in the configuration using the DVFS technology, even if the frequency is lowered and the operation is performed at a low speed, the standby current due to the leakage current or the like is not reduced, and a high effect on the reduction of power consumption cannot be expected. Further, the frequency range that can be changed by the DVFS technology is about 50%, and the frequency cannot be changed in units of digits. Therefore, even this cannot be expected to have a high effect on low power consumption.

半導体装置の基板に供給される基板バイアス電圧を変更する構成では、半導体装置を安定して動作させるのが難しい。 In a configuration in which the substrate bias voltage supplied to the substrate of the semiconductor device is changed, it is difficult to operate the semiconductor device in a stable manner.

特許文献1および2には、低消費電力化を図りながら安定して動作することが可能な半導体装置は、記載されていない。 Patent Documents 1 and 2 do not describe semiconductor devices capable of stable operation while reducing power consumption.

本発明の目的は、低消費電力化を図りながら安定して動作することが可能な半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of stable operation while reducing power consumption.

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description and accompanying drawings herein.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 A brief description of typical inventions disclosed in the present application is as follows.

すなわち、半導体装置は、第1回路と、第1回路の動作速度を指定するモード指定回路と、P型SOTBトランジスタとN型SOTBトランジスタとを有し、第1回路に接続された第2回路と、モード指定回路に接続され、P型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタに、第1および第2基板バイアス電圧を供給することが可能な基板バイアス回路を備えている。ここで、モード指定回路が、第1回路を第1速度で動作させる第1動作モードを指定するとき、基板バイアス回路は、第1および第2基板バイアス電圧を、P型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタへ供給する。一方、モード指定回路が、第1速度よりも高速な第2速度で第1回路を動作させる第2動作モードを指定するとき、基板バイアス回路は、P型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタへ基板バイアス電圧を供給しない。 That is, the semiconductor device includes a first circuit, a mode designation circuit that specifies the operating speed of the first circuit, a P-type SOTB transistor, and an N-type SOTB transistor, and a second circuit connected to the first circuit. , The board bias circuit which is connected to the mode designation circuit and can supply the 1st and 2nd board bias voltages to the P type SOTB transistor and the N type SOTB transistor is provided. Here, when the mode designation circuit specifies the first operation mode for operating the first circuit at the first speed, the board bias circuit sets the first and second board bias voltages to the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB. Supply to the transistor. On the other hand, when the mode specification circuit specifies the second operation mode in which the first circuit is operated at the second speed higher than the first speed, the board bias circuit biases the board to the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor. Does not supply voltage.

ここで、SOTBとは、Silicon on Thin Buried Oxideの略であり、SOTBトランジスタとは、シリコン基板上に極薄の絶縁膜とシリコン薄膜が形成された基板を用いたトランジスタを意味している。SOTBトランジスタにおいては、ドレイン電流が流れるチャンネルが形成されるところのチャンネル領域(シリコン薄膜の領域)の不純物濃度が低くされる。そのため、SOTBトランジスタは、ドーパントレストランジスタとも呼ばれる。P型SOTBトランジスタは、ドレイン電流が流れるチャンネルがP型チャンネルとなるSOTBトランジスタを意味しており、N型SOTBトランジスタは、ドレイン電流が流れるチャンネルがN型チャンネルとなるSOTBトランジスタを意味している。 Here, SOTB is an abbreviation for Silicon on Thin Burried Oxide, and SOTB transistor means a transistor using a substrate in which an ultrathin insulating film and a silicon thin film are formed on a silicon substrate. In the SOTB transistor, the impurity concentration in the channel region (region of the silicon thin film) where the channel through which the drain current flows is formed is lowered. Therefore, the SOTB transistor is also called a dopantless transistor. The P-type SOTB transistor means a SOTB transistor in which the channel through which the drain current flows is a P-type channel, and the N-type SOTB transistor means a SOTB transistor in which the channel through which the drain current flows is an N-type channel.

SOTBトランジスタにおいては、チャンネルが形成されるチャンネル領域(シリコン薄膜の領域)の不純物濃度が低い。そのため、SOTBトランジスタ間でのしきい値電圧のバラツキが小さい。すなわち、P型SOTBトランジスタ間でのしきい値電圧のバラツキ、およびN型SOTBトランジスタ間でのしきい値電圧のバラツキが小さい。これにより、基板バイアス電圧を供給したとき、しきい値電圧のバラツキにより、誤ってオン状態またはオフ状態となってしまうP型SOTBトランジスタおよび/またはN型SOTBトランジスタを低減することが可能となり、基板バイアス電圧を供給しても安定して動作する半導体装置を提供することが可能となる。 In the SOTB transistor, the impurity concentration in the channel region (region of the silicon thin film) in which the channel is formed is low. Therefore, the variation in the threshold voltage between the SOTB transistors is small. That is, the variation in the threshold voltage between the P-type SOTB transistors and the variation in the threshold voltage between the N-type SOTB transistors are small. This makes it possible to reduce P-type SOTB transistors and / or N-type SOTB transistors that are erroneously turned on or off due to variations in the threshold voltage when a substrate bias voltage is supplied. It is possible to provide a semiconductor device that operates stably even if a bias voltage is supplied.

また、基板バイアス電圧が供給されるシリコン基板と、チャンネル領域となるシリコン薄膜の領域との間には、絶縁膜が介在しているため、基板バイアス電圧を供給しても、シリコン薄膜とシリコン基板との間をリーク電流が流れるのを防ぐことが可能となる。これにより、基板バイアス電圧を供給しても、消費電力が増加するのを抑制することが可能となる。すなわち、消費電力の低減を図りながら、安定して動作する半導体装置を提供することが可能となる。 Further, since an insulating film is interposed between the silicon substrate to which the substrate bias voltage is supplied and the silicon thin film region serving as the channel region, the silicon thin film and the silicon substrate are supplied even if the substrate bias voltage is supplied. It is possible to prevent a leak current from flowing between the two. As a result, it is possible to suppress an increase in power consumption even if a substrate bias voltage is supplied. That is, it is possible to provide a semiconductor device that operates stably while reducing power consumption.

さらに、SOTBトランジスタにおいては、そのしきい値電圧が、供給される基板バイアス電圧の値に比例して変化する。そのため、基板バイアス電圧の値により、P型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタのそれぞれを、容易に所望のしきい値電圧へ変更することが可能となる。 Further, in the SOTB transistor, the threshold voltage changes in proportion to the value of the supplied substrate bias voltage. Therefore, it is possible to easily change each of the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor to a desired threshold voltage depending on the value of the substrate bias voltage.

基板バイアス電圧が供給される例として、シリコン基板を述べた。しかしながら、シリコン薄膜と対向する領域が、例えばシリコン基板に形成されたウェル領域である場合には、このウェル領域に基板バイアス電圧が供給される。 A silicon substrate has been described as an example in which a substrate bias voltage is supplied. However, when the region facing the silicon thin film is, for example, a well region formed on a silicon substrate, a substrate bias voltage is supplied to this well region.

なお、本明細書においては、電界効果型トランジスタを、単にMOSトランジスタと称し、SOTBトランジスタと区別する。電界効果型トランジスタにおいても、チャンネルがPチャンネルとなるMOSトランジスタは、P型MOSトランジスタと称し、チャンネルがN型チャンネルとなるMOSトランジスタは、N型MOSトランジスタと称する。 In this specification, the field effect transistor is simply referred to as a MOS transistor to distinguish it from a SOTB transistor. Also in the field effect transistor, the MOS transistor whose channel is the P channel is referred to as a P-type MOS transistor, and the MOS transistor whose channel is an N-type channel is referred to as an N-type MOS transistor.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。 A brief description of the effects obtained by representative of the inventions disclosed in the present application is as follows.

低消費電力化を図りながら安定して動作することが可能な半導体装置を提供することができる。 It is possible to provide a semiconductor device capable of stable operation while achieving low power consumption.

実施の形態1に係わる半導体装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係わる半導体装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1. FIG. (A)および(B)は、MOSトランジスタおよびSOTBトランジスタの構造を模式的に示す断面図である。(A) and (B) are sectional views schematically showing the structure of a MOS transistor and a SOTB transistor. 実施の形態1に係わる半導体装置の動作概念を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation concept of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係わるP型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタのしきい値電圧の変化を示す特性図である。It is a characteristic diagram which shows the change of the threshold voltage of the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor which concerns on Embodiment 1. FIG. 基板バイアス回路により発生される基板バイアス電圧の変化を示す模式的な波形図である。It is a schematic waveform diagram which shows the change of the substrate bias voltage generated by the substrate bias circuit. シミュレーションにより求めた高速モードにおけるしきい値電圧と電源電圧との関係を示す特性図である。It is a characteristic diagram which shows the relationship between the threshold voltage and the power-source voltage in a high-speed mode obtained by simulation. シミュレーションにより求めた低速モードにおけるしきい値電圧と電源電圧との関係を示す特性図である。It is a characteristic diagram which shows the relationship between the threshold voltage and the power supply voltage in a low speed mode obtained by a simulation. 実施の形態2に係わるP型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタの特性を示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the characteristic of the P-type SOTB transistor and N-type SOTB transistor which concerns on Embodiment 2. FIG.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は、原則として省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in all the drawings for explaining the embodiment, in principle, the same reference numerals are given to the same parts, and the repeated description thereof will be omitted in principle.

(実施の形態1)
<半導体装置の全体構成>
図1は、実施の形態1に係わる半導体装置10の構成を示すブロック図である。同図において、一点鎖線で囲まれたブロックは、1つの半導体チップに形成されている回路およびバスを示している。半導体装置10は、CPU(中央処理装置:Central Processing Unit)26、GPIO29、SRAM30、ADC31、ROM(Read Only Memory)32、I/F33、S/C24、I/O22、IOP28およびVBB−GEN23を備えている。ここで、I/O22は、入出力回路を示しており、特に制限されないが、半導体装置10の外部と内部との間で信号の電圧レベルを変換する回路、信号のバッファリングを行う回路等を有している。
(Embodiment 1)
<Overall configuration of semiconductor device>
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a semiconductor device 10 according to the first embodiment. In the figure, the block surrounded by the alternate long and short dash line shows a circuit and a bus formed on one semiconductor chip. The semiconductor device 10 includes a CPU (Central Processing Unit) 26, GPIO29, SRAM30, ADC31, ROM (Read Only Memory) 32, I / F33, S / C24, I / O22, IOP28, and VBB-GEN23. ing. Here, the I / O 22 indicates an input / output circuit, and is not particularly limited, but includes a circuit that converts a signal voltage level between the outside and the inside of the semiconductor device 10, a circuit that performs signal buffering, and the like. Have.

図1において、GPIO29は、汎用入出力(General Purpose Input/Output)回路であり、マイクロプロセッサ(CPU)26は、制御回路IOP28を介してGPIO29にアクセスする。GPIO29は、CPU26からのアクセスに基づき、入出力回路I/O22を介して、半導体装置10の外部との間で情報の送受信を行い、外部との間で送受信された情報をCPU26との間で送受信する。 In FIG. 1, the GPIO 29 is a general supply input / output circuit, and the microprocessor (CPU) 26 accesses the GPIO 29 via the control circuit IOP28. Based on the access from the CPU 26, the GPIO 29 transmits / receives information to / from the outside of the semiconductor device 10 via the input / output circuit I / O 22, and transmits / receives information to / from the outside to / from the CPU 26. Send and receive.

図1において、SRAM30は、先に述べたようにスタティック型ランダムアクセスメモリを示しており、バス27に接続されている。また、ADC31は、アナログ/デジタル変換回路(以下、AD変換回路と称する)を示しており、ROM32は、不揮発性メモリを示しており、I/F33は、インタフェース回路を示している。AD変換回路ADC31、不揮発性メモリROM32およびインタフェース回路I/F33は、それぞれバス27に接続されている。また、CPU26もバス27に接続されている。CPU26は、バス27を介して、SRAM30、AD変換回路ADC31、不揮発性メモリROM32およびインタフェース回路I/F33へアクセスし、これらとの間で信号の送受信を行う。 In FIG. 1, the SRAM 30 shows a static random access memory as described above, and is connected to the bus 27. Further, the ADC 31 indicates an analog / digital conversion circuit (hereinafter, referred to as an AD conversion circuit), the ROM 32 indicates a non-volatile memory, and the I / F 33 indicates an interface circuit. The AD conversion circuit ADC31, the non-volatile memory ROM 32, and the interface circuit I / F 33 are each connected to the bus 27. The CPU 26 is also connected to the bus 27. The CPU 26 accesses the SRAM 30, the AD conversion circuit ADC31, the non-volatile memory ROM 32, and the interface circuit I / F33 via the bus 27, and transmits / receives signals to / from these.

例えば、CPU26は、不揮発性メモリROM32からプログラムを、バス27を介して読み出し、読み出したプログラムに従った処理を実行する。この処理の実行過程において、CPU26は、SRAM30、AD変換回路ADC31およびインタフェース回路I/F33を用いる。例えば、CPU26は、インタフェース回路I/F33を用いて、半導体装置10の外部に設けられている装置との間で情報の送受信を行う。 For example, the CPU 26 reads a program from the non-volatile memory ROM 32 via the bus 27, and executes processing according to the read program. In the execution process of this process, the CPU 26 uses the SRAM 30, the AD conversion circuit ADC31, and the interface circuit I / F33. For example, the CPU 26 uses the interface circuit I / F 33 to transmit / receive information to / from a device provided outside the semiconductor device 10.

半導体装置10の外部には、複数の装置が設けられるが、図1には、無線装置34とセンサ35とが例示されている。図1に示した例では、インタフェース回路I/F33は、特に制限されないが、無線装置34に対するインタフェース回路と、センサ35に対するインタフェース回路とを備えている。CPU26は、無線装置用のインタフェース回路を介して、無線装置34にアクセスし、無線装置34を用いて無線信号で情報の送受信を行う。また、センサ用のインタフェース回路を介して、センサ35にアクセスし、センサ35からの情報を例えばAD変換回路ADC31により、変換して、処理に用いる。 A plurality of devices are provided outside the semiconductor device 10, and FIG. 1 illustrates a wireless device 34 and a sensor 35. In the example shown in FIG. 1, the interface circuit I / F 33 is not particularly limited, but includes an interface circuit for the wireless device 34 and an interface circuit for the sensor 35. The CPU 26 accesses the wireless device 34 via the interface circuit for the wireless device, and transmits / receives information by a wireless signal using the wireless device 34. Further, the sensor 35 is accessed via the interface circuit for the sensor, and the information from the sensor 35 is converted by, for example, the AD conversion circuit ADC31 and used for processing.

この実施の形態の半導体装置10は、ウェラブル装置、例えばスマート時計に内蔵される。センサ35は、スマート時計を装着する人体の体温等を測定するために、用いられ、また無線装置34は、測定した体温等を、所謂スマートフォンへ送信するため等に用いられる。勿論、このような用途に限定されるものではない。例えば、無線装置34は、所謂IoT(Internet of Things)機器と無線で接続するためにも用いることが可能である。 The semiconductor device 10 of this embodiment is built in a wearable device, for example, a smart watch. The sensor 35 is used to measure the body temperature of a human body wearing a smart watch, and the wireless device 34 is used to transmit the measured body temperature or the like to a so-called smartphone. Of course, it is not limited to such applications. For example, the wireless device 34 can also be used to wirelessly connect to a so-called IoT (Internet of Things) device.

この実施の形態においては、特に制限されないが、不揮発性メモリROM32は、例えばフラッシュメモリなどの電気的に書き換え可能な不揮発性メモリである。この不揮発性メモリROM32は、入出力回路I/O22を介して、半導体装置10の外部と接続可能にされている。これにより、外部から不揮発性メモリROM32を書き換えることが可能とされている。 In this embodiment, the non-volatile memory ROM 32 is an electrically rewritable non-volatile memory such as a flash memory, although it is not particularly limited. The non-volatile memory ROM 32 can be connected to the outside of the semiconductor device 10 via the input / output circuit I / O 22. This makes it possible to rewrite the non-volatile memory ROM 32 from the outside.

SRAM30は、CPU26がプログラムに従った処理を行う際に、例えば一次的な情報を格納するのに用いられる。勿論、この用途に限定されるものではない。 The SRAM 30 is used, for example, to store primary information when the CPU 26 performs processing according to the program. Of course, it is not limited to this application.

また、バス27に接続される回路も上記した回路に限定されない。例えば、SPI(Serial Peripheral Interface)、UART(Universal Asynchronous Receive Transmitter)、I2C(Inter−Integrated Circuit)等のインタフェース回路が、バスに接続されていてもよい。 Further, the circuit connected to the bus 27 is not limited to the above-mentioned circuit. For example, an interface circuit such as SPI (Serial Peripheral Interface), UART (Universal Asynchronous Transmit Transmitter), I2C (Inter-Integrated Circuit) may be connected to the bus.

実施の形態に係わる半導体装置10は、2つの動作速度モードを有している。すなわち、半導体装置10が、低速で動作する低速モード2(第1動作モード)と、低速モード2よりも高速で半導体装置10が動作する高速モード1(第2動作モード)とを有している。この実施の形態においては、低速モード2が指定されたとき、半導体装置10を動作させるためのクロック信号と、高速モード1が指定されたとき、半導体装置10を動作させるためのクロック信号とが、半導体装置10の外部に、2個のクロック発生器36A、36Bによって発生される。クロック発生器36Aは高速クロック信号20を発生し、クロック発生器36Bは、低速クロック信号21を発生する。この実施の形態において、クロック発生器36A、36Bは、水晶発振回路により構成され、低速クロック信号21の周波数は、例えば32KHzであり、高速のクロック信号(以下、高速クロック信号とも称する)20の周波数は、例えば40MHzである。すなわち、高速クロック信号20と低速のクロック信号(以下、低速クロック信号とも称する)21とでは、周波数の桁が違っている。 The semiconductor device 10 according to the embodiment has two operating speed modes. That is, the semiconductor device 10 has a low-speed mode 2 (first operation mode) in which the semiconductor device 10 operates at a low speed, and a high-speed mode 1 (second operation mode) in which the semiconductor device 10 operates at a higher speed than the low-speed mode 2. .. In this embodiment, the clock signal for operating the semiconductor device 10 when the low-speed mode 2 is specified and the clock signal for operating the semiconductor device 10 when the high-speed mode 1 is specified are It is generated by two clock generators 36A and 36B outside the semiconductor device 10. The clock generator 36A generates the high-speed clock signal 20, and the clock generator 36B generates the low-speed clock signal 21. In this embodiment, the clock generators 36A and 36B are configured by a crystal oscillator circuit, the frequency of the low-speed clock signal 21 is, for example, 32 KHz, and the frequency of a high-speed clock signal (hereinafter, also referred to as a high-speed clock signal) 20. Is, for example, 40 MHz. That is, the high-speed clock signal 20 and the low-speed clock signal (hereinafter, also referred to as low-speed clock signal) 21 have different frequency digits.

図1では、半導体装置10の外部にクロック発生器36A、36Bを設ける例を示しているが、半導体装置10の内部に、クロック発生器36A、36Bを設けるようにしてもよい。すなわち、CPU26等の回路と同じ半導体チップに、クロック発生器36A、36Bを形成するようにしてもよい。また、半導体装置10の外部に、1つのクロック発生器、例えば低速クロック信号21を発生するクロック発生器36Bを設け、半導体装置10に、逓倍回路を設け、逓倍回路により、低速のクロック信号21から高速のクロック信号20を形成するようにしてもよい。 Although FIG. 1 shows an example in which the clock generators 36A and 36B are provided outside the semiconductor device 10, the clock generators 36A and 36B may be provided inside the semiconductor device 10. That is, the clock generators 36A and 36B may be formed on the same semiconductor chip as the circuit of the CPU 26 or the like. Further, one clock generator, for example, a clock generator 36B for generating a low-speed clock signal 21, is provided outside the semiconductor device 10, a multiplication circuit is provided in the semiconductor device 10, and the multiplication circuit is used to start from the low-speed clock signal 21. A high-speed clock signal 20 may be formed.

図1において、S/C24は、システムコントローラ(モード指定回路)を示している。システムコントローラS/C24には、CPU26からの指示信号M_Contと、入出力回路I/O22を介して、クロック信号20、21が供給される。システムコントローラS/C24は、CPU26からの指示信号M_Contに従って、高速のクロック信号20または低速のクロック信号21を選択し、CPU26へ、動作クロック信号25として供給する。言い換えるならば、指示信号M_Contによって、システムコントローラS/C24は、高速モード1と低速モード2を指定する。高速モード1の指定においては、システムコントローラS/C24は、高速のクロック信号20を、動作クロック信号25として、CPU26へ供給する。一方、低速モード2の指定においては、システムコントローラS/C24は、低速のクロック信号21を、動作クロック信号25として、CPU26へ供給する。 In FIG. 1, S / C 24 shows a system controller (mode designation circuit). Clock signals 20 and 21 are supplied to the system controller S / C 24 via the instruction signal M_Cont from the CPU 26 and the input / output circuits I / O 22. The system controller S / C 24 selects a high-speed clock signal 20 or a low-speed clock signal 21 according to the instruction signal M_Cont from the CPU 26, and supplies the high-speed clock signal 20 or the low-speed clock signal 21 to the CPU 26 as an operation clock signal 25. In other words, the system controller S / C24 designates the high-speed mode 1 and the low-speed mode 2 by the instruction signal M_Cont. In the designation of the high-speed mode 1, the system controller S / C 24 supplies the high-speed clock signal 20 as the operation clock signal 25 to the CPU 26. On the other hand, in the designation of the low speed mode 2, the system controller S / C 24 supplies the low speed clock signal 21 as the operation clock signal 25 to the CPU 26.

CPU26は、供給される動作クロック信号25に同期して動作する。そのため、低速のクロック信号21が動作クロック信号25として供給された場合には、CPU26の動作速度は遅くなり、高速のクロック信号20が動作クロック信号25として供給された場合には、CPU26の動作速度が速くなる。 The CPU 26 operates in synchronization with the supplied operation clock signal 25. Therefore, when the low-speed clock signal 21 is supplied as the operating clock signal 25, the operating speed of the CPU 26 becomes slow, and when the high-speed clock signal 20 is supplied as the operating clock signal 25, the operating speed of the CPU 26 becomes slow. Becomes faster.

CPU26は、例えば腕時計の機能を実現するとき、低速モード2に対応する指定信号M_Contを、システムコントローラS/C24へ供給する。また、端末としての機能を実現するとき、例えばアプリケーションを実行するとき、CPU26は、高速モード1に対応する指定信号M_Contを、システムコントローラS/C24へ供給する。腕時計の機能であれば、例えば時間の表示等を行うだけで済むため、CPU26に要求される処理量は比較的少ない。そのため、CPU26の動作速度が遅くても、CPU26は、比較的短い時間で、腕時計の機能を実現することができる。これに対して、端末として、アプリケーションを実行する場合には、CPU26に要求される処理量が、腕時計の機能に比べて遙かに多い。そのため、比較的短い時間で、アプリケーションを実行するためには、CPU26の動作速度を速くする。このように、CPU26の動作速度を、低速モード2で遅くすることにより、CPU26等において消費される電力を低減することが可能となる。 When realizing the function of a wristwatch, for example, the CPU 26 supplies a designated signal M_Cont corresponding to the low speed mode 2 to the system controller S / C 24. Further, when the function as a terminal is realized, for example, when an application is executed, the CPU 26 supplies the designated signal M_Cont corresponding to the high-speed mode 1 to the system controller S / C24. If it is a wristwatch function, for example, it is only necessary to display the time, so that the amount of processing required for the CPU 26 is relatively small. Therefore, even if the operating speed of the CPU 26 is slow, the CPU 26 can realize the function of the wristwatch in a relatively short time. On the other hand, when the application is executed as a terminal, the amount of processing required for the CPU 26 is much larger than that of the wristwatch function. Therefore, in order to execute the application in a relatively short time, the operating speed of the CPU 26 is increased. By slowing down the operating speed of the CPU 26 in the low-speed mode 2 in this way, it is possible to reduce the power consumed by the CPU 26 and the like.

さらに、この実施の形態において、システムコントローラS/C24は、指定信号M_Contに従って、基板バイアス回路(以下、基板バイアス発生回路とも称する)を制御するモード指定信号を形成する。図1では、基板バイアス回路は、VBB−GEN23として示されており、システムコントローラS/C24からのモード指定信号Vb_Contにより制御されている。このモード指定信号Vb_Contは、指定信号M_Contに基づいて、システムコントローラS/C24において形成される。 Further, in this embodiment, the system controller S / C24 forms a mode designation signal for controlling the board bias circuit (hereinafter, also referred to as a board bias generation circuit) according to the designated signal M_Cont. In FIG. 1, the substrate bias circuit is shown as VBB-GEN23 and is controlled by the mode designation signal Vb_Cont from the system controller S / C24. This mode designation signal Vb_Cont is formed in the system controller S / C24 based on the designation signal M_Cont.

基板バイアス回路VBB−GEN23は、SOTB(Silicon on Thin Buried Oxide)トランジスタに供給される基板バイアス電圧(Vsp、Vsn)とMOSトランジスタに供給される基板バイアス電圧(Vmp、Vmn)を出力する。SOTBトランジスタに供給される基板バイアス電圧は、SOTBトランジスタのチャンネル型に対応した2種類の基板バイアス電圧を出力する。すなわち、P型SOTBトランジスタに供給する基板バイアス電圧として、基板バイアス電圧Vsp(第1基板バイアス電圧)を出力し、N型SOTBトランジスタに供給する基板バイアス電圧として、基板バイアス電圧Vsn(第2基板バイアス電圧)を出力する。 The substrate bias circuit VBB-GEN23 outputs a substrate bias voltage (Vsp, Vsn) supplied to a SOTB (Silicon on Thin Oxide) transistor and a substrate bias voltage (Vmp, Vmn) supplied to a MOS transistor. The substrate bias voltage supplied to the SOTB transistor outputs two types of substrate bias voltages corresponding to the channel type of the SOTB transistor. That is, the substrate bias voltage Vsp (first substrate bias voltage) is output as the substrate bias voltage supplied to the P-type SOTB transistor, and the substrate bias voltage Vsn (second substrate bias) is output as the substrate bias voltage supplied to the N-type SOTB transistor. Voltage) is output.

同様に、MOSトランジスタについても、そのチャンネル型に対応した基板バイアス電圧を、基板バイアス発生回路VBB−GEN23は出力する。すなわち、P型MOSトランジスタに供給される基板バイアス電圧として、基板バイアス電圧Vmp(第3基板バイアス電圧)を出力し、N型MOSトランジスタに対しては、基板バイアス電圧Vmn(第4基板バイアス電圧)を出力する。 Similarly, for the MOS transistor, the substrate bias generation circuit VBB-GEN23 outputs the substrate bias voltage corresponding to the channel type. That is, the substrate bias voltage Vmp (third substrate bias voltage) is output as the substrate bias voltage supplied to the P-type MOS transistor, and the substrate bias voltage Vmn (fourth substrate bias voltage) is output for the N-type MOS transistor. Is output.

あとで説明するが、基板バイアス発生回路VBB−GEN23から出力される基板バイアス電圧Vsp、Vsn、Vmp、Vmnの電圧値は、モード指定信号Vb_Contによって定められる。次に、基板バイアス電圧Vsp、Vsn、Vmp、Vmnが供給される回路について、説明する。 As will be described later, the voltage values of the board bias voltages Vsp, Vsn, Vmp, and Vmn output from the board bias generation circuit VBB-GEN23 are determined by the mode designation signal Vb_Cont. Next, a circuit to which the substrate bias voltages Vsp, Vsn, Vmp, and Vmn are supplied will be described.

図1において、例えば入出力回路I/O22およびCPU26は、SOTBトランジスタではなく、N型MOSトランジスタおよびP型MOSトランジスタにより構成される。一方、SRAM30は、SOTBトランジスタおよびMOSトランジスタによって構成される。MOSトランジスタにより構成される回路、例えば入出力回路I/O22に対しては、基板バイアス電圧Vmp、Vmnは供給されず、CPU26に対しては、基板バイアス電圧Vmp、Vmnが供給される。これは、入出力回路I/O22を構成するMOSトランジスタに基板バイアス電圧を供給すると、MOSトランジスタのしきい値電圧が変化し、入出力回路I/O22の入力論理しきい値電圧が変化するためである。一方、CPU26では、基板バイアス電圧Vmp、Vmnを供給することにより、消費電力の低減を図ることが可能なためである。次に、CPU26とSRAM30を例として、基板バイアス電圧Vsp、Vsn、Vmp、Vmnが供給される回路を説明する。 In FIG. 1, for example, the input / output circuits I / O 22 and CPU 26 are composed of N-type MOS transistors and P-type MOS transistors instead of SOTB transistors. On the other hand, the SRAM 30 is composed of a SOTB transistor and a MOS transistor. The substrate bias voltages Vmp and Vmn are not supplied to the circuit composed of the MOS transistors, for example, the input / output circuit I / O 22, and the substrate bias voltages Vmp and Vmn are supplied to the CPU 26. This is because when the substrate bias voltage is supplied to the MOS transistors constituting the input / output circuit I / O 22, the threshold voltage of the MOS transistor changes and the input logic threshold voltage of the input / output circuit I / O 22 changes. Is. On the other hand, in the CPU 26, it is possible to reduce the power consumption by supplying the substrate bias voltages Vmp and Vmn. Next, a circuit to which the substrate bias voltages Vsp, Vsn, Vmp, and Vmn are supplied will be described by taking the CPU 26 and the SRAM 30 as an example.

<CPU26(第1回路)およびSRAM30(第2回路)の構成>
図2は、実施の形態1に係わる半導体装置10の構成を示す回路図である。同図には、図1に示した半導体装置10において、CPU26の回路とSRAM30の回路とが示されている。図2には、図1に示したバス27、AD変換回路ADC31およびインタフェース回路I/F33も示されているが、図1と同じであるため、説明は省略する。また、図2には、基板バイアス回路VBB−GEN23の構成も示されている。ここでは、説明の都合上、基板バイアス回路VBB−GEN23が、基板バイアス電圧Vspを形成する基板バイアス発生回路23−Vspと、基板バイアス電圧Vsnを形成する基板バイアス発生回路23−Vsnと、基板バイアス電圧Vmpを形成する基板バイアス発生回路23−Vmpと、基板バイアス電圧Vmnを形成する基板バイアス発生回路23−Vmnを備えているように示しているが、この個数には限定されるものではない。
<Configuration of CPU 26 (first circuit) and SRAM 30 (second circuit)>
FIG. 2 is a circuit diagram showing the configuration of the semiconductor device 10 according to the first embodiment. In the figure, in the semiconductor device 10 shown in FIG. 1, the circuit of the CPU 26 and the circuit of the SRAM 30 are shown. FIG. 2 also shows the bus 27, the AD conversion circuit ADC31, and the interface circuit I / F33 shown in FIG. 1, but since they are the same as those in FIG. 1, the description thereof will be omitted. Further, FIG. 2 also shows the configuration of the substrate bias circuit VBB-GEN23. Here, for convenience of explanation, the substrate bias circuit VBB-GEN23 includes a substrate bias generation circuit 23-Vsp that forms a substrate bias voltage Vsp, a substrate bias generation circuit 23-Vsn that forms a substrate bias voltage Vsn, and a substrate bias. It is shown that the substrate bias generating circuit 23-Vmp forming the voltage Vmp and the substrate bias generating circuit 23-Vmn forming the substrate bias voltage Vmn are provided, but the number is not limited.

CPU26(第1回路)は、複数のP型MOSトランジスタと複数のN型MOSトランジスタによって構成されている。図2には、このような複数のP型MOSトランジスタと複数のN型MOSトランジスタのうち、1個のP型MOSトランジスタMP1と1個のN型MOSトランジスタMN1とが例として示されている。P型MOSトランジスタMP1のソースには、電源電圧Vdが供給され、そのドレインは、N型MOSトランジスタMN1のドレインに接続されている。また、N型MOSトランジスタMN1のソースには接地電圧Vsが供給されている。N型MOSトランジスタMN1のゲートとP型MOSトランジスタMP1のゲートは共通に接続されている。すなわち、N型MOSトランジスタMN1とP型MOSトランジスタMP1とによってインバータ回路が構成されている。このようなインバータ回路のような論理回路、順序回路およびメモリ回路等を複数組み合わせることにより、CPU26は構成されている。 The CPU 26 (first circuit) is composed of a plurality of P-type MOS transistors and a plurality of N-type MOS transistors. FIG. 2 shows, as an example, one P-type MOS transistor MP1 and one N-type MOS transistor MN1 among such a plurality of P-type MOS transistors and a plurality of N-type MOS transistors. A power supply voltage Vd is supplied to the source of the P-type MOS transistor MP1, and the drain thereof is connected to the drain of the N-type MOS transistor MN1. Further, a ground voltage Vs is supplied to the source of the N-type MOS transistor MN1. The gate of the N-type MOS transistor MN1 and the gate of the P-type MOS transistor MP1 are commonly connected. That is, the inverter circuit is composed of the N-type MOS transistor MN1 and the P-type MOS transistor MP1. The CPU 26 is configured by combining a plurality of logic circuits such as an inverter circuit, a sequential circuit, a memory circuit, and the like.

次にSRAM30(第2回路)の構成を説明する。SRAM30は、行列状に配置された複数のメモリセルMC00〜MCnnを有するメモリセルアレイ(図示せず)と、メモリセルアレイに接続された周辺回路PRKとを備えている。メモリセルアレイの各行には、ワード線W0〜Wnが配置され、各列には相補データ線対D0、/D0〜Dn、/Dnが配置されている。ここで、データ線/D0〜/Dnは、データ線D0〜Dnに対して反対位相の信号を伝達するデータ線であることを示している。メモリセルMC00〜MCnnのそれぞれは、それが配置された行に配置されているワード線と、それが配置された列に配置されている相補データ線対とに接続されている。 Next, the configuration of the SRAM 30 (second circuit) will be described. The SRAM 30 includes a memory cell array (not shown) having a plurality of memory cells MC00 to MCnn arranged in a matrix, and a peripheral circuit PRK connected to the memory cell array. Word lines W0 to Wn are arranged in each row of the memory cell array, and complementary data line pairs D0, / D0 to Dn, / Dn are arranged in each column. Here, the data lines / D0 to / Dn indicate that they are data lines that transmit signals having opposite phases to the data lines D0 to Dn. Each of the memory cells MC00 to MCnn is connected to a word line arranged in the row in which it is arranged and a complementary data line pair arranged in the column in which it is arranged.

図2には、メモリセルアレイに配置されているメモリセルMC00〜MCnnのうち、2行2列のメモリセルMC00〜MC11と、これらのメモリセルMC00〜MC11に対応するワード線W0、W1と、相補データ線対D0、/D0、D1、/D1が例示されている。メモリセルMC00〜MCnnの構成は、互いに同じであるため、図2には、メモリセルMC00についてのみ、その回路構成が示されている。 In FIG. 2, among the memory cells MC00 to MCnn arranged in the memory cell array, the memory cells MC00 to MC11 having 2 rows and 2 columns and the word lines W0 and W1 corresponding to these memory cells MC00 to MC11 are complemented. Data line pairs D0, / D0, D1, / D1 are illustrated. Since the configurations of the memory cells MC00 to MCnn are the same as each other, FIG. 2 shows the circuit configuration of the memory cells MC00 only.

ここでは、回路構成を例示しているメモリセルMC00を用いて、メモリセルの構成を説明する。メモリセルMC00は、SOTBトランジスタにより構成されている。すなわち、メモリセルMC00は、P型SOTBトランジスタSP1、SP2とN型SOTBトランジスタSN1、SN2、SN3、SN4を備えている。 Here, the configuration of the memory cell will be described using the memory cell MC00 that illustrates the circuit configuration. The memory cell MC00 is composed of SOTB transistors. That is, the memory cell MC00 includes P-type SOTB transistors SP1 and SP2 and N-type SOTB transistors SN1, SN2, SN3, and SN4.

P型SOTBトランジスタSP1のソースには、電源電圧Vdが供給され、そのドレインは、N型SOTBトランジスタSN1のドレインに接続されている。N型SOTBトランジスタSN1のソースには、接地電圧Vsが供給されている。P型SOTBトランジスタSP1のゲートとN型SOTBトランジスタSN1のゲートは互いに接続されている。これにより、P型SOTBトランジスタSP1のゲートとN型SOTBトランジスタSN1のゲートを入力とし、P型SOTBトランジスタSP1のドレインとN型SOTBトランジスタSN1のドレインを出力とした第1インバータ回路が構成されている。 A power supply voltage Vd is supplied to the source of the P-type SOTB transistor SP1, and the drain thereof is connected to the drain of the N-type SOTB transistor SN1. A ground voltage Vs is supplied to the source of the N-type SOTB transistor SN1. The gate of the P-type SOTB transistor SP1 and the gate of the N-type SOTB transistor SN1 are connected to each other. As a result, a first inverter circuit is configured in which the gate of the P-type SOTB transistor SP1 and the gate of the N-type SOTB transistor SN1 are input, and the drain of the P-type SOTB transistor SP1 and the drain of the N-type SOTB transistor SN1 are output. ..

同様に、P型SOTBトランジスタSP2のソースには、電源電圧Vdが供給され、そのドレインは、N型SOTBトランジスタSN2のドレインに接続されている。N型SOTBトランジスタSN2のソースには、接地電圧Vsが供給されている。P型SOTBトランジスタSP2のゲートとN型SOTBトランジスタSN2のゲートは互いに接続されている。これにより、P型SOTBトランジスタSP2のゲートとN型SOTBトランジスタSN2のゲートを入力とし、P型SOTBトランジスタSP2のドレインとN型SOTBトランジスタSN2のドレインを出力とした第2インバータ回路が構成されている。 Similarly, a power supply voltage Vd is supplied to the source of the P-type SOTB transistor SP2, and the drain thereof is connected to the drain of the N-type SOTB transistor SN2. A ground voltage Vs is supplied to the source of the N-type SOTB transistor SN2. The gate of the P-type SOTB transistor SP2 and the gate of the N-type SOTB transistor SN2 are connected to each other. As a result, a second inverter circuit is configured in which the gate of the P-type SOTB transistor SP2 and the gate of the N-type SOTB transistor SN2 are input, and the drain of the P-type SOTB transistor SP2 and the drain of the N-type SOTB transistor SN2 are output. ..

第1インバータ回路の入力は、第2インバータ回路の出力に接続され、第2インバータ回路の入力は、第1インバータ回路の出力に接続されている。すなわち、第1インバータ回路の入力および出力と第2インバータ回路の出力および入力は交差接続され、フリップフロップ回路を構成している。フリップフロップ回路の1対の入出力、すなわち、第1インバータ回路の入力(第2インバータ回路の出力)と第2インバータ回路の入力(第1インバータ回路の出力)は、転送用のN型SOTBトランジスタ(転送用SOTBトランジスタ)SN3、SN4を介して対応する相補データ線対D0,/D0に接続されている。また、転送用SOTBトランジスタSN3およびSN4のゲートは、対応するワード線W0に接続されている。 The input of the first inverter circuit is connected to the output of the second inverter circuit, and the input of the second inverter circuit is connected to the output of the first inverter circuit. That is, the inputs and outputs of the first inverter circuit and the outputs and inputs of the second inverter circuit are cross-connected to form a flip-flop circuit. A pair of input / output of the flip flop circuit, that is, the input of the first inverter circuit (output of the second inverter circuit) and the input of the second inverter circuit (output of the first inverter circuit) are N-type SOTB transistors for transfer. (Transfer SOTB transistor) It is connected to the corresponding complementary data line pairs D0 and / D0 via SN3 and SN4. Further, the gates of the transfer SOTB transistors SN3 and SN4 are connected to the corresponding word line W0.

メモリセルアレイのワード線W0〜Wnおよび相補データ線対D0,/D0〜Dn、/Dnは、周辺回路PRKに接続されている。周辺回路PRKは、バス27に接続されており、バス27を介して、アドレス信号(図示せず)とリード/ライト制御信号(図示せず)を受信する。周辺回路PRKは、供給されたアドレス信号に基づいて、複数のワード線W0〜Wnからアドレス信号によって指定されているワード線を選択し、選択したワード線をハイレベルにする。また、周辺回路PRKは、供給されたアドレス信号に基づいて、複数の相補データ線対D0、/D0〜Dn、/Dnからアドレス信号によって指定された相補データ線対を選択する。 The word lines W0 to Wn and complementary data line pairs D0, / D0 to Dn, / Dn of the memory cell array are connected to the peripheral circuit PRK. The peripheral circuit PRK is connected to the bus 27 and receives an address signal (not shown) and a read / write control signal (not shown) via the bus 27. The peripheral circuit PRK selects a word line designated by an address signal from a plurality of word lines W0 to Wn based on the supplied address signal, and sets the selected word line to a high level. Further, the peripheral circuit PRK selects a complementary data line pair specified by the address signal from a plurality of complementary data line pairs D0, / D0 to Dn, / Dn based on the supplied address signal.

周辺回路PRKは、リード/ライト制御信号が、リード動作を指定しているとき、選択した相補データ線対からの情報を、バス27に供給する。この場合、この選択された相補データ線対に接続され、接続されているワード線の電圧がハイレベルとなっているメモリセルからの情報が、バス27へ供給される。一方、リード/ライト制御信号が、ライト動作を指定しているとき、周辺回路PRKは、バス27における情報を選択した相補データ線対へ供給する。この場合には、この選択された相補データ線対に接続され、接続されているワード線の電圧がハイレベルとなっているメモリセルに、バス27における情報が供給され、書き込みが行われる。 The peripheral circuit PRK supplies the bus 27 with information from the selected complementary data line pair when the read / write control signal specifies read operation. In this case, the information from the memory cell connected to the selected complementary data line pair and the voltage of the connected word line is at a high level is supplied to the bus 27. On the other hand, when the read / write control signal specifies write operation, the peripheral circuit PRK supplies the information on the bus 27 to the selected complementary data line pair. In this case, the information in the bus 27 is supplied to the memory cell connected to the selected complementary data line pair and the voltage of the connected word line is at a high level, and writing is performed.

周辺回路PRKによって、ワード線W0が選択され、相補データ線対D0、/D0が選択された場合を例にして、ライト動作とリード動作を説明する。ワード線W0が選択によりハイレベルとなると、選択メモリセルMC00における転送用SOTBトランジスタSN3、SN4がともにオン状態となる。 The write operation and the read operation will be described by taking as an example the case where the word line W0 is selected by the peripheral circuit PRK and the complementary data line pairs D0 and / D0 are selected. When the word line W0 becomes high level by selection, both the transfer SOTB transistors SN3 and SN4 in the selected memory cell MC00 are turned on.

ライト動作においては、相補データ線対D0、/D0の電圧が、転送用SOTBトランジスタSN3、SN4を介して、フリップフロップ回路の1対の入出力に伝達される。すなわち、相補データ線D0の電圧は、転送用SOTBトランジスタSN3を介して、第2インバータ回路の入力に供給され、相補データ線/D0の電圧は、転送用SOTBトランジスタSN4を介して、第1インバータ回路の入力に供給される。相補データ線/D0における電圧(信号)は、相補データ線D0における電圧(信号)に対して位相反転している。そのため、例えば第1インバータ回路の入力には、転送用SOTBトランジスタSN3を介してハイレベルが供給され、第2インバータ回路の入力には、転送用SOTBトランジスタSN4を介してロウレベルが供給されることになる。これにより、フリップフロップ回路が保持する状態が、相補データ線対D0、/D0における信号によって定められ、メモリセルMC00への書き込みが行われる。 In the write operation, the voltages of the complementary data line pairs D0 and / D0 are transmitted to the pair of inputs and outputs of the flip-flop circuit via the transfer SOTB transistors SN3 and SN4. That is, the voltage of the complementary data line D0 is supplied to the input of the second inverter circuit via the transfer SOTB transistor SN3, and the voltage of the complementary data line / D0 is supplied to the input of the second inverter circuit via the transfer SOTB transistor SN4. It is supplied to the input of the circuit. The voltage (signal) on the complementary data line / D0 is phase-inverted with respect to the voltage (signal) on the complementary data line D0. Therefore, for example, a high level is supplied to the input of the first inverter circuit via the transfer SOTB transistor SN3, and a low level is supplied to the input of the second inverter circuit via the transfer SOTB transistor SN4. Become. As a result, the state held by the flip-flop circuit is determined by the signals in the complementary data line pairs D0 and / D0, and writing to the memory cell MC00 is performed.

一方、リード動作においては、転送用SOTBトランジスタSN3、SN4を介して、フリップフロップ回路の1対の入出力が、相補データ線対D0、/D0に接続される。すなわち、第2インバータ回路の出力が、転送用SOTBトランジスタSN4を介して、相補データ線/D0に接続され、第1インバータ回路の出力が、転送用SOTBトランジスタSN3を介して、相補データ線D0に接続される。例えば、フリップフロップ回路において、第1インバータ回路の出力がロウレベルで、第2インバータ回路の出力がハイレベルの状態を保持していた場合、転送用SOTBトランジスタSN3を介してロウレベルが、相補データ線D0に供給され、転送用SOTBトランジスタSN4を介してハイレベルが、相補データ線/D0に供給される。 On the other hand, in the read operation, a pair of input / output of the flip-flop circuit is connected to the complementary data line pairs D0 and / D0 via the transfer SOTB transistors SN3 and SN4. That is, the output of the second inverter circuit is connected to the complementary data line / D0 via the transfer SOTB transistor SN4, and the output of the first inverter circuit is connected to the complementary data line D0 via the transfer SOTB transistor SN3. Be connected. For example, in the flip-flop circuit, when the output of the first inverter circuit is at the low level and the output of the second inverter circuit is held at the high level, the low level is set to the complementary data line D0 via the transfer SOTB transistor SN3. The high level is supplied to the complementary data line / D0 via the transfer SOTB transistor SN4.

他のメモリセルMC01、MC10〜MCnnに対応するワード線と相補データ線対が選択された場合も、メモリセルMC00と同じである。 It is the same as the memory cell MC00 when the word line and the complementary data line pair corresponding to the other memory cells MC01 and MC10 to MCnn are selected.

また、周辺回路PRKがワード線W0を非選択、すなわちロウレベルにした場合には、転送用SOTBトランジスタSN3、SN4がともにオフ状態となる。これにより、相補データ線対とメモリセルMC00内のフリップフロップ回路の入出力との間は電気的に分離される。このとき、フリップフロップ回路には、電源電圧Vdと接地電圧Vsが供給されているため、保持している状態を継続して保持する。他のメモリセルも同様に、対応するワード線が非選択の場合には、保持している状態を継続する。 Further, when the peripheral circuit PRK does not select the word line W0, that is, sets the word line W0 to a low level, both the transfer SOTB transistors SN3 and SN4 are turned off. As a result, the complementary data line pair and the input / output of the flip-flop circuit in the memory cell MC00 are electrically separated. At this time, since the power supply voltage Vd and the ground voltage Vs are supplied to the flip-flop circuit, the holding state is continuously held. Similarly, other memory cells continue to hold the corresponding word line when the corresponding word line is not selected.

周辺回路PRKは、複数のP型MOSトランジスタと複数のN型MOSトランジスタにより構成されている。例えば、周辺回路PRKは、アドレス信号をデコードするデコーダ回路とデコーダ回路の出力をワード線に伝達するドライブ回路等を有しているが、これらの回路が、複数のP型MOSトランジスタと複数のN型MOSトランジスタにより構成されている。図2には、周辺回路PRKを構成する複数のP型MOSトランジスタと複数のN型MOSトランジスタのうち、一部のP型MOSトランジスタとN型MOSトランジスタが代表として描かれている。すなわち、図2では、ワード線W0、W1に選択、非選択の電圧を供給するドライブ回路の出力部を構成するMOSトランジスタが示されている。 The peripheral circuit PRK is composed of a plurality of P-type MOS transistors and a plurality of N-type MOS transistors. For example, the peripheral circuit PRK has a decoder circuit that decodes an address signal, a drive circuit that transmits the output of the decoder circuit to a word line, and the like, and these circuits include a plurality of P-type MOS transistors and a plurality of Ns. It is composed of a type MOS transistor. In FIG. 2, among a plurality of P-type MOS transistors and a plurality of N-type MOS transistors constituting the peripheral circuit PRK, some P-type MOS transistors and N-type MOS transistors are depicted as representatives. That is, FIG. 2 shows a MOS transistor constituting an output unit of a drive circuit that supplies selected and non-selected voltages to word lines W0 and W1.

同図において、ドライブ回路の出力部は、互いに同じ構成を有しており、P型MOSトランジスタMP2とN型MOSトランジスタMN2とを有している。ここで、P型MOSトランジスタMP2のソースには、電源電圧Vdが供給され、そのドレインは対応するワード線(例えばW0)に接続されている。また、N型MOSトランジスタMN2のソースには、接地電圧Vsが供給され、そのドレインは対応するワード線(W0)に接続されている。P型MOSトランジスタMP2のゲートとN型MOSトランジスタMN2のゲートは、共通に接続され、デコーダ回路によってデコードされた信号が伝達される。 In the figure, the output unit of the drive circuit has the same configuration as each other, and has a P-type MOS transistor MP2 and an N-type MOS transistor MN2. Here, a power supply voltage Vd is supplied to the source of the P-type MOS transistor MP2, and its drain is connected to a corresponding word line (for example, W0). Further, a ground voltage Vs is supplied to the source of the N-type MOS transistor MN2, and its drain is connected to the corresponding word line (W0). The gate of the P-type MOS transistor MP2 and the gate of the N-type MOS transistor MN2 are connected in common, and the signal decoded by the decoder circuit is transmitted.

これにより、アドレス信号により指定されたワード線(例えばW0)に対応するドライブ回路の出力部では、P型MOSトランジスタMP2がオン状態となり、N型MOSトランジスタMN2はオフ状態となる。その結果、P型MOSトランジスタMP2を介して、電源電圧Vd(ハイレベル)が選択されたワード線(W0)に供給される。一方、アドレス信号により指定されていないワード線(例えばW1)に対応するドライブ回路の出力部では、P型MOSトランジスタMP2がオフ状態となり、N型MOSトランジスタMN2がオン状態となる。その結果、N型MOSトランジスタMN2を介して、接地電圧Vs(ロウレベル)が、非選択のワード線(W1)に供給されることになる。 As a result, in the output unit of the drive circuit corresponding to the word line (for example, W0) designated by the address signal, the P-type MOS transistor MP2 is turned on and the N-type MOS transistor MN2 is turned off. As a result, the power supply voltage Vd (high level) is supplied to the selected word line (W0) via the P-type MOS transistor MP2. On the other hand, in the output unit of the drive circuit corresponding to the word line (for example, W1) not specified by the address signal, the P-type MOS transistor MP2 is turned off and the N-type MOS transistor MN2 is turned on. As a result, the ground voltage Vs (low level) is supplied to the non-selected word line (W1) via the N-type MOS transistor MN2.

P型SOTBトランジスタ、N型SOTBトランジスタ、P型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタのそれぞれは、あとで図3を用いて説明するが、ソース領域(ソースに対応)、ドレイン領域(ドレインに対応)、ゲート電極(ゲートに対応)およびバックゲート領域(バックゲートに対応)を有している。 Each of the P-type SOTB transistor, the N-type SOTB transistor, the P-type MOS transistor, and the N-type MOS transistor will be described later with reference to FIG. It has a gate electrode (corresponding to the gate) and a back gate region (corresponding to the back gate).

この実施の形態においては、SRAM30内のメモリセルアレイに含まれるメモリセルMC00〜MCnnのそれぞれにおけるP型SOTBトランジスタSP1、SP2のバックゲートには、基板バイアス電圧Vsp(第1基板バイアス電圧)が供給されている。また、メモリセルMC00〜MCnnのそれぞれにおけるN型SOTBトランジスタSN1〜SN4のバックゲートには、基板バイアス電圧Vsn(第2基板バイアス電圧)が供給されている。一方、SRAM30内の周辺回路PRKを構成する複数のP型MOSトランジスタ(MP2)のそれぞれのバックゲートには、基板バイアス電圧Vmp(第3基板バイアス電圧)が供給され、SRAM30内の周辺回路PRKを構成する複数のN型MOSトランジスタ(MN2)のそれぞれのバックゲートには、基板バイアス電圧Vmn(第4基板バイアス電圧)が供給されている。CPU26を構成する複数のP型MOSトランジスタ(MP1)のそれぞれのバックゲートにも、基板バイアス電圧Vmp(第3基板バイアス電圧)が供給され、CPU26を構成する複数の複数のN型MOSトランジスタ(MN1)のそれぞれのバックゲートには、基板バイアス電圧Vmn(第4基板バイアス電圧)が供給されている。 In this embodiment, the substrate bias voltage Vsp (first substrate bias voltage) is supplied to the back gates of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 in the memory cells MC00 to MCnn included in the memory cell array in the SRAM 30. ing. Further, a substrate bias voltage Vsn (second substrate bias voltage) is supplied to the back gates of the N-type SOTB transistors SN1 to SN4 in each of the memory cells MC00 to MCnn. On the other hand, a substrate bias voltage Vmp (third substrate bias voltage) is supplied to each back gate of a plurality of P-type MOS transistors (MP2) constituting the peripheral circuit PRK in the SRAM 30, and the peripheral circuit PRK in the SRAM 30 is used. A substrate bias voltage Vmn (fourth substrate bias voltage) is supplied to each of the back gates of the plurality of N-type MOS transistors (MN2) that constitute the system. A substrate bias voltage Vmp (third substrate bias voltage) is also supplied to each back gate of the plurality of P-type MOS transistors (MP1) constituting the CPU 26, and the plurality of N-type MOS transistors (MN1) constituting the CPU 26 are supplied. ), A substrate bias voltage Vmn (fourth substrate bias voltage) is supplied to each back gate.

すなわち、この実施の形態において、CPU26を構成するP型MOSトランジスタ(MP1)とSRAM30内の周辺回路PRKを構成するP型MOSトランジスタ(MP2)のそれぞれのバックゲートには、同じ電圧値の基板バイアス電圧Vmpが供給され、CPU26を構成するN型MOSトランジスタ(MN1)とSRAM30内の周辺回路PRKを構成するN型MOSトランジスタ(MN2)のそれぞれのバックゲートには、同じ電圧値の基板バイアス電圧Vmnが供給される。 That is, in this embodiment, the substrate bias of the same voltage value is applied to the back gates of the P-type MOS transistor (MP1) constituting the CPU 26 and the P-type MOS transistor (MP2) constituting the peripheral circuit PRK in the SRAM 30. A substrate bias voltage Vmn of the same voltage value is supplied to the back gates of the N-type MOS transistor (MN1) constituting the CPU 26 and the N-type MOS transistor (MN2) constituting the peripheral circuit PRK in the SRAM 30. Is supplied.

また、各メモリセルを構成するP型SOTBトランジスタSP1、SP2のバックゲートには、同じPチャンネル型ではあるが、基板バイアス電圧Vmpとは異なる基板バイス電圧Vspが供給されている。同様に、各メモリセルを構成するN型SOTBトランジスタSN1、SN2のバックゲートには、同じNチャンネル型ではあるが、基板バイアス電圧Vmnとは異なる基板バイス電圧Vsnが供給されている。また、基板バイアス電圧Vspと基板バイアス電圧Vsnとは、互いに極性が異なるように、基板バイアス発生回路23−Vsp、23−Vsnによって発生され、基板バイス電圧Vmpと基板バイアス電圧Vmnとは、互いに極性が異なるように、基板バイアス発生回路23−Vmp、23−Vmnによって発生される。なお、基板バイアス電圧Vspと基板バイアス電圧Vmpとは同じ極性であり、基板バイアス電圧Vsnと基板バイアス電圧Vmnとは同じ極性である。 Further, a substrate vise voltage Vsp, which is the same P channel type but different from the substrate bias voltage Vmp, is supplied to the back gates of the P type SOTB transistors SP1 and SP2 constituting each memory cell. Similarly, a substrate vise voltage Vsn, which is the same N-channel type but different from the substrate bias voltage Vmn, is supplied to the back gates of the N-type SOTB transistors SN1 and SN2 constituting each memory cell. Further, the substrate bias voltage Vsp and the substrate bias voltage Vsn are generated by the substrate bias generation circuit 23-Vsp and 23-Vsn so that their polarities are different from each other, and the substrate vise voltage Vmp and the substrate bias voltage Vmn are mutually polar. Is generated by the substrate bias generating circuit 23-Vmp, 23-Vmn so as to be different. The substrate bias voltage Vsp and the substrate bias voltage Vmp have the same polarity, and the substrate bias voltage Vsn and the substrate bias voltage Vmn have the same polarity.

<MOSトランジスタおよびSOTBトランジスタの構造>
次に、図3を用いて、MOSトランジスタおよびSOTBトランジスタの構造を説明する。図3(A)は、P型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタの構造を模式的に示す断面図である。また、図3(B)は、P型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタの構造を模式的に示す断面図である。
<Structure of MOS transistor and SOTB transistor>
Next, the structures of the MOS transistor and the SOTB transistor will be described with reference to FIG. FIG. 3A is a cross-sectional view schematically showing the structures of a P-type MOS transistor and an N-type MOS transistor. Further, FIG. 3B is a cross-sectional view schematically showing the structures of a P-type SOTB transistor and an N-type SOTB transistor.

複数のP型MOSトランジスタにおいて、それらの構造は互いに同じであり、複数のN型MOSトランジスタにおいて、それらの構造も互いに同じである。そのため、図3(A)で説明するP型MOSトランジスタは、図2に示したP型MOSトランジスタMP1に対応し、N型MOSFETトランジスタは、図2に示したN型MOSトランジスタMN1に対応しているものとして説明する。また、複数のP型SOTBトランジスタにおいて、それらの構造は互いに同じであり、複数のN型SOTBトランジスタにおいて、それらの構造も互いに同じである。そのため、図3(B)で説明するP型SOTBトランジスタは、図2に示したP型SOTBトランジスタSP1に対応し、N型SOTBトランジスタは、図2に示したN型SOTBトランジスタSN1に対応しているものとして説明する。 In a plurality of P-type MOS transistors, their structures are the same as each other, and in a plurality of N-type MOS transistors, their structures are also the same. Therefore, the P-type MOS transistor described in FIG. 3A corresponds to the P-type MOS transistor MP1 shown in FIG. 2, and the N-type MOSFET transistor corresponds to the N-type MOS transistor MN1 shown in FIG. Explain as if it were. Further, in a plurality of P-type SOTB transistors, their structures are the same as each other, and in a plurality of N-type SOTB transistors, their structures are also the same. Therefore, the P-type SOTB transistor described in FIG. 3B corresponds to the P-type SOTB transistor SP1 shown in FIG. 2, and the N-type SOTB transistor corresponds to the N-type SOTB transistor SN1 shown in FIG. Explain as if it were.

これらのMOSトランジスタおよびSOTBトランジスタは、1個の半導体チップに形成されている。図3においては、基板40が、MOSトランジスタとSOTBトランジスタとにおいて共通となっている。ここでは、基板40は、Pチャンネル型(以下、P型と称する)シリコン基板であるとして説明する。 These MOS transistors and SOTB transistors are formed on one semiconductor chip. In FIG. 3, the substrate 40 is common to the MOS transistor and the SOTB transistor. Here, the substrate 40 will be described as being a P-channel type (hereinafter referred to as P-type) silicon substrate.

図3(A)において、41は、P型シリコン基板40に形成されたNチャンネル型(以下、N型と称する)ウェル領域である。このN型ウェル領域41に、N型ウェル領域42と、P型ウェル領域43が形成されている。N型ウェル領域42には、P型MOSトランジスタ(MP1)のソース領域となるP型領域45と、P型MOSトランジスタ(MP1)のドレイン領域となるP型領域46と、N型領域44とが形成されている。同図において、50はP型MOSトランジスタ(MP1)のゲート電極を示している。ゲート電極50は、図示していない絶縁膜(ゲート絶縁膜)を介して、N型ウェル領域42上に形成されている。図3(A)では、図面を見易くするために、ゲート電極50は、ソース領域45およびドレイン領域46と分離しているように描かれているが、実際には、ゲート電極50、ソース領域45およびドレイン領域46はオーバラップするように形成されている。また、N型領域44は、基板バイアス電圧VmpをN型ウェル領域42に供給するための領域である。 In FIG. 3A, 41 is an N-channel type (hereinafter referred to as N-type) well region formed on the P-type silicon substrate 40. An N-type well region 42 and a P-type well region 43 are formed in the N-type well region 41. The N-type well region 42 includes a P + type region 45 which is a source region of the P-type MOS transistor (MP1), a P + type region 46 which is a drain region of the P-type MOS transistor (MP1), and an N + type region. 44 and are formed. In the figure, 50 indicates a gate electrode of a P-type MOS transistor (MP1). The gate electrode 50 is formed on the N-shaped well region 42 via an insulating film (gate insulating film) (not shown). In FIG. 3A, the gate electrode 50 is drawn so as to be separated from the source region 45 and the drain region 46 for the sake of easy viewing of the drawing, but in reality, the gate electrode 50 and the source region 45 And the drain region 46 is formed so as to overlap. Further, the N + type region 44 is a region for supplying the substrate bias voltage Vmp to the N type well region 42.

図3(A)において、52は、基板バイアス電圧Vmpを、N型領域44へ供給するための電極を示しており、53は、電源電圧VdをP型領域45へ供給するための電極を示している。また、図3(A)において、56は、P型領域46を出力outへ接続するための電極を示し、54は、ゲート電極50を入力inに接続するための電極を示している。 In FIG. 3A, 52 shows an electrode for supplying the substrate bias voltage Vmp to the N + type region 44, and 53 is an electrode for supplying the power supply voltage Vd to the P + type region 45. Is shown. Further, in FIG. 3A, 56 shows an electrode for connecting the P + type region 46 to the output out, and 54 shows an electrode for connecting the gate electrode 50 to the input in.

上記したP型ウェル領域43には、N型MOSトランジスタ(MN1)のソース領域となるN型領域48と、N型MOSトランジスタ(MN1)のドレイン領域となるN型領域47と、P型領域49とが形成されている。同図において、51はN型MOSトランジスタ(MN1)のゲート電極を示している。ゲート電極51は、図示していない絶縁膜(ゲート絶縁膜)を介して、P型ウェル領域43上に形成されている。図3(A)では、図面を見易くするために、ゲート電極51も、ソース領域48およびドレイン領域47と分離しているように描かれているが、実際には、ゲート電極51、ソース領域48およびドレイン領域47はオーバラップするように形成されている。また、P型領域49は、基板バイアス電圧VmnをP型ウェル領域43に供給するための領域である。 The P-type well region 43 described above includes an N + type region 48 which is a source region of the N-type MOS transistor (MN1), an N + type region 47 which is a drain region of the N-type MOS transistor (MN1), and a P +. A mold region 49 is formed. In the figure, 51 indicates a gate electrode of an N-type MOS transistor (MN1). The gate electrode 51 is formed on the P-shaped well region 43 via an insulating film (gate insulating film) (not shown). In FIG. 3A, the gate electrode 51 is also drawn so as to be separated from the source region 48 and the drain region 47 in order to make the drawing easier to see, but in reality, the gate electrode 51 and the source region 48 are drawn. And the drain region 47 is formed so as to overlap. Further, the P + type region 49 is a region for supplying the substrate bias voltage Vmn to the P type well region 43.

図3(A)において、59は、基板バイアス電圧Vmnを、P型領域49へ供給するための電極を示しており、58は、接地電圧VsをN型領域48へ供給するための電極を示している。また、図3(A)において、57は、N型領域47を出力outへ接続するための電極を示し、55は、ゲート電極51を入力inに接続するための電極を示している。 In FIG. 3A, 59 shows an electrode for supplying the substrate bias voltage Vmn to the P + type region 49, and 58 is an electrode for supplying the ground voltage Vs to the N + type region 48. Is shown. Further, in FIG. 3A, 57 indicates an electrode for connecting the N + type region 47 to the output out, and 55 indicates an electrode for connecting the gate electrode 51 to the input in.

上記した基板40、N型ウェル領域41、42、P型ウェル領域43、P型領域45、46、49およびN型領域44、47、48のそれぞれは、不純物を含有するシリコンであり、含有する不純物により、それぞれのチャンネル型が定められている。 Each of the above-mentioned substrates 40, N-type well regions 41, 42, P-type well regions 43, P + type regions 45, 46, 49 and N + type regions 44, 47, 48 is silicon containing impurities. Each channel type is determined by the impurities contained.

なお、ゲート電極50(51)の下側のN型ウェル領域42(P型ウェル領域43)の部分であって、ソース領域45(48)とドレイン領域46(47)とにより挟まれた部分には、ゲート電極50(51)に電圧を供給することにより、チャンネルが形成される。また、図3(A)において、60は、素子を分離する絶縁領域を示している。 The portion of the N-type well region 42 (P-type well region 43) below the gate electrode 50 (51), which is sandwiched between the source region 45 (48) and the drain region 46 (47). By supplying a voltage to the gate electrode 50 (51), a channel is formed. Further, in FIG. 3A, reference numeral 60 denotes an insulating region for separating the elements.

図3(A)と同様に、図3(B)において、40は、共通のP型シリコン基板を示し、41は、P型シリコン基板40に形成されたN型ウェル領域を示し、42は、N型ウェル領域41に形成されたN型ウェル領域を示し、43は、N型ウェル領域41に形成されたP型ウェル領域を示している。 Similar to FIG. 3 (A), in FIG. 3 (B), 40 indicates a common P-type silicon substrate, 41 indicates an N-type well region formed on the P-type silicon substrate 40, and 42 indicates an N-type well region. The N-type well region formed in the N-type well region 41 is shown, and 43 indicates the P-type well region formed in the N-type well region 41.

N型ウェル領域42上には、薄い絶縁膜80が形成されている。この薄い絶縁膜80を挟むように、N型ウェル領域42上に、P型SOTBトランジスタ(SP1)のソース領域となるP型領域62と、ドレイン領域となるP型領域64とが形成されている。また、このP型領域62とP型領域64との間に、実質的に不純物を含有していないシリコン領域(シリコン薄膜の領域)63が形成されている。このシリコン領域63上に、図示しない絶縁膜(ゲート絶縁膜)を介してゲート電極69が形成されている。ここで、シリコン領域63は、P型領域62とP型領域64とに接しており、ゲート電極69に電圧を供給することにより、このシリコン領域63にチャンネルが形成される。図3(B)においても、図面を見易くするために、ゲート電極69は、ソース領域62およびドレイン領域64と分離しているように描かれているが、実際には、ゲート電極69、ソース領域62およびドレイン領域64はオーバラップするように形成されている。 A thin insulating film 80 is formed on the N-shaped well region 42. A P + type region 62, which is a source region of the P-type SOTB transistor (SP1), and a P + type region 64, which is a drain region, are formed on the N-type well region 42 so as to sandwich the thin insulating film 80. ing. Further, a silicon region (region of a silicon thin film) 63 containing substantially no impurities is formed between the P + type region 62 and the P + type region 64. A gate electrode 69 is formed on the silicon region 63 via an insulating film (gate insulating film) (not shown). Here, the silicon region 63 is in contact with the P + type region 62 and the P + type region 64, and a channel is formed in the silicon region 63 by supplying a voltage to the gate electrode 69. Also in FIG. 3B, the gate electrode 69 is drawn so as to be separated from the source region 62 and the drain region 64 in order to make the drawing easier to see, but in reality, the gate electrode 69 and the source region The 62 and the drain region 64 are formed so as to overlap each other.

また、N型ウェル領域42上には、基板バイス電圧Vspを、N型ウェル領域42へ供給するためのN型領域61が形成されている。図3(B)において、71は、基板バイアス電圧VspをN型領域61へ供給するための電極を示し、72は、電源電圧Vdをソース領域62へ供給するための電極を示している。また、74は、ドレイン領域64を出力outへ接続するための電極を示し、73は、ゲート電極69を入力inに接続するための電極を示している。 Further, an N + type region 61 for supplying the substrate vise voltage Vsp to the N type well region 42 is formed on the N type well region 42. In FIG. 3B, 71 shows an electrode for supplying the substrate bias voltage Vsp to the N + type region 61, and 72 shows an electrode for supplying the power supply voltage Vd to the source region 62. Further, 74 indicates an electrode for connecting the drain region 64 to the output out, and 73 indicates an electrode for connecting the gate electrode 69 to the input in.

P型ウェル領域43上には、薄い絶縁膜81が形成されている。この薄い絶縁膜81を挟むように、P型ウェル領域43上に、N型SOTBトランジスタ(SN1)のソース領域となるN型領域67と、ドレイン領域となるN型領域65とが形成されている。また、このN型領域65とN型領域67との間に、実質的に不純物を含有していないシリコン領域(シリコン薄膜の領域)66が形成されている。このシリコン領域66上に、図示しない絶縁膜(ゲート絶縁膜)を介してゲート電極70が形成されている。ここで、シリコン領域66は、N型領域65とN型領域67とに接しており、ゲート電極70に電圧を供給することにより、このシリコン領域66にチャンネルが形成される。ここでも、図面を見易くするために、ゲート電極70は、ソース領域67およびドレイン領域65と分離しているように描かれているが、実際には、ゲート電極70、ソース領域67およびドレイン領域65はオーバラップするように形成されている。 A thin insulating film 81 is formed on the P-shaped well region 43. An N + type region 67, which is a source region of the N-type SOTB transistor (SN1), and an N + type region 65, which is a drain region, are formed on the P-type well region 43 so as to sandwich the thin insulating film 81. ing. Further, a silicon region (a region of a silicon thin film) 66 containing substantially no impurities is formed between the N + type region 65 and the N + type region 67. A gate electrode 70 is formed on the silicon region 66 via an insulating film (gate insulating film) (not shown). Here, the silicon region 66 is in contact with the N + type region 65 and the N + type region 67, and a channel is formed in the silicon region 66 by supplying a voltage to the gate electrode 70. Again, for the sake of clarity in the drawing, the gate electrode 70 is drawn to be separated from the source region 67 and the drain region 65, but in reality, the gate electrode 70, the source region 67 and the drain region 65 Are formed to overlap.

また、P型ウェル領域43上には、基板バイス電圧Vsnを、P型ウェル領域43へ供給するためのP型領域68が形成されている。図3(B)において、78は、基板バイアス電圧VsnをP型領域68へ供給するための電極を示し、77は、接地電圧Vsをソース領域67へ供給するための電極を示している。また、75は、ドレイン領域65を出力outへ接続するための電極を示し、77は、ゲート電極70を入力inに接続するための電極を示している。なお、図3(B)において、60は、図3(A)と同様に、素子分離用の絶縁領域を示している。 Further, a P + type region 68 for supplying the substrate vise voltage Vsn to the P type well region 43 is formed on the P type well region 43. In FIG. 3B, 78 shows an electrode for supplying the substrate bias voltage Vsn to the P + type region 68, and 77 shows an electrode for supplying the ground voltage Vs to the source region 67. Further, 75 indicates an electrode for connecting the drain region 65 to the output out, and 77 indicates an electrode for connecting the gate electrode 70 to the input in. In addition, in FIG. 3B, 60 shows an insulating region for element separation as in FIG. 3A.

薄いシリコン領域(シリコン薄膜の領域)63、66および薄い絶縁膜80、81のそれぞれの厚さは、例えば10nm程度である。また、SOTBトランジスタのチャンネル型は、例えばゲート電極69、70と薄いシリコン領域63、66との間に設けられる絶縁膜、すなわちゲート絶縁膜の組成により定める。例えばアルミニュウムあるいはハフニュウムをゲート絶縁膜の組成とすることにより、SOTBトランジスタのチャンネル型が決定される。また、SOTBトランジスタのしきい値電圧は、このアルミニュウムあるいはハフニュウムの量および/または薄い絶縁膜80、81に含有される不純物の量によって定められる。 The thickness of each of the thin silicon region (region of the silicon thin film) 63, 66 and the thin insulating films 80, 81 is, for example, about 10 nm. The channel type of the SOTB transistor is determined by, for example, the composition of an insulating film provided between the gate electrodes 69 and 70 and the thin silicon regions 63 and 66, that is, the gate insulating film. For example, the channel type of the SOTB transistor is determined by using aluminum or hafnium as the composition of the gate insulating film. The threshold voltage of the SOTB transistor is determined by the amount of aluminum or hafnium and / or the amount of impurities contained in the thin insulating films 80 and 81.

図3(A)に示すように、P型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタにおいては、不純物を含有するN型ウェル領域42およびP型ウェル領域43にチャンネルが形成される。そのため、同じ半導体チップに形成されたN型ウェル領域42間(および/またはP型ウェル領域43間)で、含有する不純物の濃度がばらつくと、P型MOSトランジスタ(および/またはN型MOSトランジスタ)間で、しきい値電圧がばらつくことになる。また、N型ウェル領域42(P型ウェル領域43)とP型MOSトランジスタ(N型MOSトランジスタ)のソース領域およびドレイン領域との間にPN接合が存在する。そのため、基板バイアス電圧Vmp(Vmn)をN型ウェル領域42(P型ウェル領域43)に供給すると、PN接合よるリーク電流が発生することになる。 As shown in FIG. 3A, in the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor, channels are formed in the N-type well region 42 and the P-type well region 43 containing impurities. Therefore, if the concentration of impurities contained varies between the N-type well regions 42 (and / or the P-type well regions 43) formed on the same semiconductor chip, the P-type MOS transistor (and / or the N-type MOS transistor) The threshold voltage will vary between them. Further, there is a PN junction between the N-type well region 42 (P-type well region 43) and the source region and drain region of the P-type MOS transistor (N-type MOS transistor). Therefore, when the substrate bias voltage Vmp (Vmn) is supplied to the N-type well region 42 (P-type well region 43), a leakage current due to the PN junction is generated.

これに対して、P型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタにおいては、チャンネルが形成される領域63、66が、実質的に不純物を含有していない。そのため、不純物の量がばらつくことにより、P型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタのしきい値電圧がばらつくことを低減することが可能となる。また、実質的に不純物を含有していないため、基板バイアス電圧VspおよびVsnに比例して、P型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタのしきい値電圧は変化する。さらに、基板バイアス電圧Vsp(Vsn)が供給されるN型ウェル領域42(P型ウェル領域43)と、P型SOTBトランジスタ(N型SOTBトランジスタ)のソース領域およびドレイン領域は、絶縁膜80(81)によって分離されているため、PN接合が存在しない。これにより、PN接合によりリーク電流が発生することを防ぐことが可能となる。 On the other hand, in the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor, the regions 63 and 66 in which the channels are formed are substantially free of impurities. Therefore, it is possible to reduce the variation in the threshold voltage of the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor due to the variation in the amount of impurities. Further, since it contains substantially no impurities, the threshold voltages of the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor change in proportion to the substrate bias voltages Vsp and Vsn. Further, the N-type well region 42 (P-type well region 43) to which the substrate bias voltage Vsp (Vsn) is supplied and the source region and drain region of the P-type SOTB transistor (N-type SOTB transistor) are the insulating film 80 (81). ), So there is no PN junction. This makes it possible to prevent the leakage current from being generated by the PN junction.

P型MOSトランジスタ(MP1)のバックゲートは、図3(A)のN型ウェル領域42が該当し、N型MOSトランジスタ(MN1)のバックゲートは、図3(A)のP型ウェル領域43が該当する。また、P型SOTBトランジスタ(SP1)のバックゲートは、図3(B)のN型ウェル領域42が該当し、N型SOTBトランジスタ(SN1)のバックゲートは、図3(B)のP型ウェル領域43が該当する。 The back gate of the P-type MOS transistor (MP1) corresponds to the N-type well region 42 of FIG. 3 (A), and the back gate of the N-type MOS transistor (MN1) corresponds to the P-type well region 43 of FIG. 3 (A). Applies to. The back gate of the P-type SOTB transistor (SP1) corresponds to the N-type well region 42 of FIG. 3 (B), and the back gate of the N-type SOTB transistor (SN1) corresponds to the P-type well of FIG. 3 (B). Region 43 is applicable.

<半導体装置10の動作>
図4は、実施の形態1に係わる半導体装置10の動作概念を示す説明図である。同図において、横軸は時間を示し、縦軸は半導体装置10の所定の回路ブロックにおける動作周波数を示している。ここでの所定の回路は、例えばCPU26である。
<Operation of semiconductor device 10>
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an operation concept of the semiconductor device 10 according to the first embodiment. In the figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the operating frequency in a predetermined circuit block of the semiconductor device 10. The predetermined circuit here is, for example, a CPU 26.

図4において、1は高速モードの際の動作周波数を示しており、2は低速モードの際の動作周波数を示している。また、3はスタンバイモードを示している。高速モード1では、図1において説明したように、CPU26は、高速のクロック信号20に同期して動作する。そのため、高い周波数(High f)で動作することになる。また、低速モード2では、CPU26は、低速のクロック信号21に同期して動作する。そのため、低い周波数(Low f)で動作することになる。これに対して、スタンバイモードでは、クロック信号が遮断される。 In FIG. 4, 1 indicates an operating frequency in the high-speed mode, and 2 indicates an operating frequency in the low-speed mode. Further, 3 indicates a standby mode. In high-speed mode 1, as described with reference to FIG. 1, the CPU 26 operates in synchronization with the high-speed clock signal 20. Therefore, it operates at a high frequency (High f). Further, in the low speed mode 2, the CPU 26 operates in synchronization with the low speed clock signal 21. Therefore, it operates at a low frequency (Low f). On the other hand, in the standby mode, the clock signal is cut off.

基板バイアス回路23は、低速モード2およびスタンバイモード3において、基板バイアス電圧Vmp、Vmn、VspおよびVsnを発生し、CPU26、SRAM30等へ供給する。基板バイアス電圧Vmp、Vmn、VspおよびVsnが、CPU26、SRAM30等を構成するP型MOSトランジスタ、N型MOSトランジスタ、P型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタのそれぞれのバックゲートに供給されることにより、それぞれのトランジスタのしきい値電圧は、高くなる。それぞれのトランジスタのしきい値電圧が高くなることにより、リーク電流を大幅に低減することが可能となる。一方、基板バイアス発生回路23は、高速モード1のとき、基板バイアス電圧Vmp、Vmn、VspおよびVsnを、それぞれのトランジスタに供給しない。これにより、それぞれのトランジスタのしきい値電圧は、高くならないため、CPU26、SRAM30等は高速で動作することが可能となる。 The board bias circuit 23 generates board bias voltages Vmp, Vmn, Vsp and Vsn in the low speed mode 2 and the standby mode 3 and supplies them to the CPU 26, SRAM 30 and the like. The substrate bias voltages Vmp, Vmn, Vsp and Vsn are supplied to the back gates of the P-type MOS transistor, the N-type MOS transistor, the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor constituting the CPU 26, SRAM 30 and the like. The threshold voltage of each transistor becomes high. By increasing the threshold voltage of each transistor, it is possible to significantly reduce the leakage current. On the other hand, the substrate bias generation circuit 23 does not supply the substrate bias voltages Vmp, Vmn, Vsp and Vsn to the respective transistors in the high-speed mode 1. As a result, the threshold voltage of each transistor does not increase, so that the CPU 26, SRAM 30, and the like can operate at high speed.

なお、この実施の形態においては、高速モード1、低速モード2およびスタンバイモード3のいずれのモードにおいても、電源電圧Vdおよび接地電圧Vsの電圧値は変更されず、一定となっている。 In this embodiment, the voltage values of the power supply voltage Vd and the ground voltage Vs are not changed and are constant in any of the high-speed mode 1, the low-speed mode 2, and the standby mode 3.

スタンバイモード3の場合には、クロック信号の供給が遮断されるため、CPU26内の特定の回路ブロックにおいては、スリープ状態となる。 In the standby mode 3, since the supply of the clock signal is cut off, the specific circuit block in the CPU 26 goes into a sleep state.

このようなスタンバイモード3と低速モード2とを、ある時間間隔で切り替えるようにする。これにより、低速ではあるが処理を行いながら、低消費電力化を図ることが可能な超スタンバイ状態を作ることが可能となる。この超スタンバイ状態あるいは低速モード2において、半導体装置10は、予め定められた低速で可能な処理を行う。例えば、超スタンバイ状態あるいは低速モード2で、半導体装置10は、時計の機能を実現する処理を実行する。このときには、基板バイアス電圧が、MOSトランジスタおよびSOTBトランジスタのバックゲートに供給されているため、それぞれのしきい値電圧が高くなり、リーク電流の低減を図ることができる。また、動作周波数が低くなっているため、動作電流も低減する。これにより、より消費電力を低減することが可能となる。 Such standby mode 3 and low speed mode 2 are switched at certain time intervals. This makes it possible to create an ultra-standby state that can reduce power consumption while performing processing at a low speed. In this super standby state or low speed mode 2, the semiconductor device 10 performs possible processing at a predetermined low speed. For example, in the super standby state or the low speed mode 2, the semiconductor device 10 executes a process for realizing the function of the clock. At this time, since the substrate bias voltage is supplied to the back gates of the MOS transistor and the SOTB transistor, the threshold voltage of each is increased, and the leakage current can be reduced. Moreover, since the operating frequency is low, the operating current is also reduced. This makes it possible to further reduce power consumption.

一方、携帯端末装置の機能、例えばゲームなどのアプリケーションは、高速モード1において実行する。高速モード1では、基板バイアス電圧Vmp、Vmn、VspおよびVsnが、P型MOSトランジスタ、N型MOSトランジスタ、P型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタのバックゲートに供給されないため、それぞれのトランジスタのしきい値電圧は高くならない。その結果、リーク電流が増加するが、このときには、動作周波数が高いため、動作電流が大きくなり、リーク電流の増加による消費電力の増加は無視できる程度である。 On the other hand, the function of the mobile terminal device, for example, an application such as a game is executed in the high-speed mode 1. In high-speed mode 1, the substrate bias voltages Vmp, Vmn, Vsp and Vsn are not supplied to the back gates of the P-type MOS transistor, N-type MOS transistor, P-type SOTB transistor and N-type SOTB transistor. The value voltage does not increase. As a result, the leak current increases, but at this time, since the operating frequency is high, the operating current becomes large, and the increase in power consumption due to the increase in the leak current is negligible.

スタンバイモード3および低速モード2の両方のモードにおいて、基板バイアス電圧Vmp、Vmn、VspおよびVsnが、CPU26、SRAM30等を構成するP型MOSトランジスタ、N型MOSトランジスタ、P型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタのそれぞれのバックゲートに供給されるようにする。そのため、システムコントローラS/C24は、CPU26から供給される指定信号M_Contが、第2モードに対応しているときのみ、モード指定信号Vb_Contにより、基板バイアス発生回路23−Vmp、23−Vmn、23−Vsp、23−Vsn(図2)を動作させ、基板バイアス電圧Vmp、Vmn、VspおよびVsnが、バックゲートに供給されるようにする。一方、CPU26から供給される指定信号M_Contが、第1モードに対応しているとき、システムコントローラS/C24は、基板バイアス発生回路23−Vmp、23−Vmn、23−Vsp、23−Vsn(図2)を非動作状態にする。 In both the standby mode 3 and the low speed mode 2, the substrate bias voltages Vmp, Vmn, Vsp and Vsn constitute a CPU 26, SRAM 30, etc. P-type MOS transistor, N-type MOS transistor, P-type SOTB transistor and N-type SOTB. It should be supplied to each back gate of the transistor. Therefore, in the system controller S / C24, only when the designated signal M_Cont supplied from the CPU 26 corresponds to the second mode, the board bias generation circuit 23-Vmp, 23-Vmn, 23- Vsp, 23-Vsn (FIG. 2) is operated so that the substrate bias voltages Vmp, Vmn, Vsp and Vsn are supplied to the backgate. On the other hand, when the designated signal M_Cont supplied from the CPU 26 corresponds to the first mode, the system controller S / C24 uses the board bias generating circuit 23-Vmp, 23-Vmn, 23-Vsp, 23-Vsn (FIG. 2) is put into a non-operating state.

<SOTBトランジスタのしきい値制御>
半導体装置10を安定して動作させるためには、SRAM30が安定して動作するようにすることが重要である。半導体装置10を高集積化するために、SRAM30に含まれるメモリセルMC00〜MCnnを構成するトランジスタは、半導体装置10に含まれるトランジスタの中で、最もサイズの小さなトランジスタが用いられる。サイズが最も小さいため、トランジスタのゲート電極のサイズ(幅Wと長さL)も小さくなる。P型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタにおいては、このゲート電極の直下の半導体領域(図3(A)では、N型ウェル領域42、P型ウェル領域43の一部)に、不純物を例えば注入し、P型MOSトランジスタおよびN型MOSFETのしきい値電圧を定める。
<Threshold control of SOTB transistor>
In order to operate the semiconductor device 10 stably, it is important to ensure that the SRAM 30 operates stably. In order to highly integrate the semiconductor device 10, the transistor constituting the memory cells MC00 to MCnn included in the SRAM 30 is the transistor having the smallest size among the transistors included in the semiconductor device 10. Since the size is the smallest, the size of the gate electrode of the transistor (width W and length L) is also small. In the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor, for example, impurities are injected into the semiconductor region directly below the gate electrode (in FIG. 3A, a part of the N-type well region 42 and the P-type well region 43). , Determines the threshold voltage of P-type MOS transistor and N-type MOSFET.

ゲート電極のサイズが小さいため、ゲート電極の直下の半導体領域も小さくなり、注入される不純物の量も少なくなる。そのため、注入される不純物の量がばらつくと、P型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタの特性が大きくばらつくことになる。例えば、65nmのSRAMにおいて、メモリセルを構成するMOSトランジスタを調べると、MOSトランジスタのしきい値電圧は、例えば0.6Vばらつく。例えば、メモリセルのMOSトランジスタのしきい値電圧を0.2Vと設定した場合、バラツキにより、しきい値電圧が0.8V(0.2V+0.6V)となるMOSトランジスタが発生することが考えられる。これは、電源電圧Vdが0.8V以下に低下すると、正常に動作しないメモリセルが発生することを示している。すなわち、SRAMのメモリセルの動作下限電圧により、半導体装置10の動作下限電圧が定まることになる。電源電圧Vdを高くすることにより、SRAMのメモリセルが安定して動作するようにすることが考えられるが、電源電圧Vdを高くすると、消費電力の増加に繋がる。 Since the size of the gate electrode is small, the semiconductor region directly under the gate electrode is also small, and the amount of impurities injected is also small. Therefore, if the amount of impurities to be injected varies, the characteristics of the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor will vary greatly. For example, in a 65 nm SRAM, when the MOS transistors constituting the memory cell are examined, the threshold voltage of the MOS transistor varies by, for example, 0.6 V. For example, when the threshold voltage of the MOS transistor of the memory cell is set to 0.2V, it is conceivable that a MOS transistor having a threshold voltage of 0.8V (0.2V + 0.6V) is generated due to the variation. .. This indicates that when the power supply voltage Vd drops to 0.8 V or less, memory cells that do not operate normally occur. That is, the lower limit voltage of operation of the memory cell of the SRAM determines the lower limit voltage of operation of the semiconductor device 10. It is conceivable to increase the power supply voltage Vd so that the memory cells of the SRAM operate stably, but increasing the power supply voltage Vd leads to an increase in power consumption.

実施の形態においては、メモリセルMC00〜MCnnのそれぞれが、P型SOTBトランジスタSP1、SP2およびN型SOTBトランジスタSN1〜SN4により構成されている。実質的に不純物を含有しない領域(図3(B)の63、66)にチャンネルが形成される。そのため、これらのSOTBトランジスタのサイズを小さくしても、不純物のばらつきにより、しきい値電圧がばらつくことを抑制することが可能である。例えば、しきい値電圧のばらつきを、0.2V程度に抑制することが可能である。これにより、電源電圧Vdが低くても、SRAM30は安定して動作することが可能となり、半導体装置10を安定して動作させることが可能となる。 In the embodiment, each of the memory cells MC00 to MCnn is composed of P-type SOTB transistors SP1 and SP2 and N-type SOTB transistors SN1 to SN4. Channels are formed in regions that are substantially free of impurities (63, 66 in FIG. 3B). Therefore, even if the size of these SOTB transistors is reduced, it is possible to suppress the variation in the threshold voltage due to the variation in impurities. For example, it is possible to suppress the variation of the threshold voltage to about 0.2V. As a result, even if the power supply voltage Vd is low, the SRAM 30 can be operated stably, and the semiconductor device 10 can be operated stably.

さらに、この実施の形態においては、SRAM30が安定して動作するように、P型SOTBトランジスタのしきい値電圧が、基板バイアス回路23により制御される。 Further, in this embodiment, the threshold voltage of the P-type SOTB transistor is controlled by the substrate bias circuit 23 so that the SRAM 30 operates stably.

図5は、基板バイアス電圧Vsp、Vsnを変化させたときの、P型SOTBトランジスタSP1、SP2およびN型SOTBトランジスタSN1〜SN4のしきい値電圧の変化を示す特性図である。同図において横軸は、基板バイアス電圧Vsnの絶対値を増加させたときの、N型SOTBトランジスタのしきい値電圧(Vth)の変化を示しており、縦軸は、基板バイアス電圧Vspの絶対値を増加させたときの、P型SOTBトランジスタのしきい値電圧(Vth)の変化を示している。 FIG. 5 is a characteristic diagram showing changes in the threshold voltages of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 and the N-type SOTB transistors SN1 to SN4 when the substrate bias voltages Vsp and Vsn are changed. In the figure, the horizontal axis shows the change in the threshold voltage (Vth) of the N-type SOTB transistor when the absolute value of the substrate bias voltage Vsn is increased, and the vertical axis shows the absolute value of the substrate bias voltage Vsp. It shows the change in the threshold voltage (Vth) of the P-type SOTB transistor when the value is increased.

高速モード1においては、P型SOTBトランジスタSP1、SP2およびN型SOTBトランジスタSN1〜SN4のそれぞれのバックゲートに、基板バイアス電圧を供給しない。高速モード1においては、CPU26、SRAM30等は、高速クロック信号20に同期して動作するため、SRAM30は、その動作マージンが最大となるように、P型SOTBトランジスタSP1、SP2のしきい値電圧とN型SOTBトランジスタSN1〜SN4のしきい値電圧とが同じ値Vth1(P)、Vth1(N)となるようにする。すなわち、P型SOTBトランジスタSP1、SP2に基板バイアス電圧Vspが供給されておらず、N型SOTBトランジスタSN1〜SN4に基板バイアス電圧Vsnが供給されていない状態で、これらのP型SOTBトランジスタのしきい値電圧の絶対値Vth1(p)とこれらのN型SOTBトランジスタのしきい値電圧の絶対値Vth1(n)が、しきい値電圧Vth1となるように、製造する。なお、図5では、高速モード1のときのP型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタのしきい値電圧を、○印で示している。 In the high-speed mode 1, the substrate bias voltage is not supplied to the back gates of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 and the N-type SOTB transistors SN1 to SN4. In the high-speed mode 1, the CPU 26, SRAM 30, and the like operate in synchronization with the high-speed clock signal 20, so that the SRAM 30 uses the threshold voltages of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 so as to maximize the operation margin. The threshold voltages of the N-type SOTB transistors SN1 to SN4 are set to the same values Vth1 (P) and Vth1 (N). That is, the thresholds of these P-type SOTB transistors are set in a state where the substrate bias voltage Vsp is not supplied to the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 and the substrate bias voltage Vsn is not supplied to the N-type SOTB transistors SN1 to SN4. It is manufactured so that the absolute value Vth1 (p) of the value voltage and the absolute value Vth1 (n) of the threshold voltage of these N-type SOTB transistors become the threshold voltage Vth1. In FIG. 5, the threshold voltages of the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor in the high-speed mode 1 are indicated by ◯.

低速モード2が指定されると、基板バイアス発生回路23−Vspおよび23−Vsnからの基板バイアス電圧VspおよびVsnに従って、P型SOTBトランジスタSP1,SP2のバックゲートの電圧と、N型SOTBトランジスタSN1〜SN4のバックゲートの電圧が絶対値において高くなっていく。これにより、N型SOTBトランジスタSN1〜SN4のしきい値電圧の絶対値は、図5に破線で示すように、大きな値へと変化する。なお、既に述べたが、SOTBトランジスタにおいては、バックゲートに供給される電圧に比例して、そのしきい値電圧が変化する。 When the low-speed mode 2 is specified, the back gate voltage of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 and the N-type SOTB transistors SN1 to are according to the board bias voltages Vsp and Vsn from the board bias generating circuits 23-Vsp and 23-Vsn. The voltage of the back gate of SN4 becomes higher in absolute value. As a result, the absolute value of the threshold voltage of the N-type SOTB transistors SN1 to SN4 changes to a large value as shown by the broken line in FIG. As already described, in the SOTB transistor, the threshold voltage changes in proportion to the voltage supplied to the back gate.

あとで図7および図8を用いて説明するが、SRAM30を安定して動作させるためには、P型SOTBトランジスタSP1、SP2のしきい値電圧の絶対値は、N型SOTBトランジスタSN1〜SN4のしきい値電圧の絶対値に対して2倍以上であることが望ましい。そのため、基板バイアス発生回路23−Vspは、基板バイアス発生回路23−Vsnが発生する基板バイアス電圧Vsnの絶対値に対して、2倍以上に大きな電圧値を有する基板バイアス電圧Vspを発生する。これにより、N型SOTBトランジスタSN1〜SN4のしきい値電圧の絶対値は、破線に沿って増加するが、P型SOTBトランジスタSP1,SP2のしきい値電圧は、実線6に沿って増加する。その結果、低速モード2のときには、P型SOTBトランジスタのしきい値電圧の絶対値は、□印で示したしきい値電圧Vth2、3(P)となる。これに対して、N型SOTBのしきい値電圧の絶対値は、破線に沿って増加するため、低速モード2のときには、しきい値電圧Vth2、3(N)となり、絶対値において、P型SOTBトランジスタのしきい値電圧Vth2、3(P)よりも小さくなる。 As will be described later with reference to FIGS. 7 and 8, in order for the SRAM 30 to operate stably, the absolute value of the threshold voltage of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 is set to that of the N-type SOTB transistors SN1 to SN4. It is desirable that it is at least twice the absolute value of the threshold voltage. Therefore, the substrate bias generating circuit 23-Vsp generates a substrate bias voltage Vsp having a voltage value that is more than twice as large as the absolute value of the substrate bias voltage Vsn generated by the substrate bias generating circuit 23-Vsn. As a result, the absolute value of the threshold voltage of the N-type SOTB transistors SN1 to SN4 increases along the broken line, but the threshold voltage of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 increases along the solid line 6. As a result, in the low speed mode 2, the absolute value of the threshold voltage of the P-type SOTB transistor becomes the threshold voltage Vth2, 3 (P) indicated by □. On the other hand, since the absolute value of the threshold voltage of the N-type SOTB increases along the broken line, the threshold voltage Vth2, 3 (N) is obtained in the low speed mode 2, and the absolute value is the P-type. It becomes smaller than the threshold voltage Vth2, 3 (P) of the SOTB transistor.

スタンバイモード3においても、低速モード2のときと同じ値の基板バイアス電圧Vsp、Vsnが、P型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタのバックゲートに供給されている。そのため、スタンバイモード3においても、P型SOTBトランジスタSP1、SP2のしきい値電圧は、Vth2、3(P)となり、N型SOTBトランジスタSN1〜SN4のしきい値電圧は、Vth2、3(N)となる。 Also in the standby mode 3, the substrate bias voltages Vsp and Vsn having the same values as those in the low speed mode 2 are supplied to the back gates of the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor. Therefore, even in the standby mode 3, the threshold voltages of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 are Vth2, 3 (P), and the threshold voltages of the N-type SOTB transistors SN1 to SN4 are Vth2, 3 (N). It becomes.

低速モード2およびスタンバイモード3においては、CPU26およびSRAM30内の周辺回路PRK等を構成するP型MOSトランジスタ(例えば、図2のMP1、MP2)およびN型MOSトランジスタ(例えば、図2のMN1、MN2)のそれぞれのバックゲートに、基板バイアス発生回路23−Vmp、23−Vmnから基板バイアス電圧Vmp、Vmnが供給される。これらのP型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタにおいても、高速モード1のときに、動作のマージンが最大となるように、絶対値において、同じしきい値電圧となるようにする。すなわち、P型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタのバックゲートに基板バイアス電圧が供給されていないときの、P型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタのそれぞれのしきい値電圧の絶対値が同じになるように、製造する。 In the low-speed mode 2 and the standby mode 3, P-type MOS transistors (for example, MP1 and MP2 in FIG. 2) and N-type MOS transistors (for example, MN1 and MN2 in FIG. 2) constituting peripheral circuits PRK and the like in the CPU 26 and SRAM 30 are used. ), The substrate bias generation circuits 23-Vmp and 23-Vmn supply the substrate bias voltages Vmp and Vmn to each back gate. Also in these P-type MOS transistors and N-type MOS transistors, the same threshold voltage is set in absolute value so that the operation margin is maximized in the high-speed mode 1. That is, when the substrate bias voltage is not supplied to the back gates of the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor, the absolute values of the threshold voltages of the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor are the same. To manufacture.

低速モード2およびスタンバイモード3において、基板バイアス電圧VmpおよびVmnを供給することにより、P型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタのそれぞれのしきい値電圧の絶対値は、増加する。動作のマージンを維持した状態で、P型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタのそれぞれのしきい値電圧の絶対値を増加させるために、この実施の形態においては、同じ絶対値の基板バイアス電圧VmpおよびVmnを基板バイス発生回路23−Vmpおよび23−Vmnにより形成し、供給する。このように、絶対値において同じ電圧の基板バイアス電圧Vmp、VmnをP型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタのバックゲートに供給することにより、P型MOSトランジスタのしきい値電圧とN型MOSトランジスタのしきい値電圧は、絶対値において、互いに等しい値を維持しながら、低速モード2およびスタンバイモード3では、高い値に到達する。 By supplying the substrate bias voltages Vmp and Vmn in the low speed mode 2 and the standby mode 3, the absolute values of the threshold voltages of the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor are increased. In order to increase the absolute values of the threshold voltages of the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor while maintaining the operation margin, in this embodiment, the substrate bias voltage Vmp and the same absolute value are used. Vmn is formed and supplied by the substrate vise generation circuits 23-Vmp and 23-Vmn. In this way, by supplying the substrate bias voltages Vmp and Vmn of the same absolute value to the back gates of the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor, the threshold voltage of the P-type MOS transistor and the threshold voltage of the N-type MOS transistor can be obtained. The threshold voltage reaches a high value in the low speed mode 2 and the standby mode 3 while maintaining equal values in absolute values.

N型MOSトランジスタのバックゲートに供給される基板バイアス電圧Vmnの値と、N型SOTBトランジスタのバックゲートに供給される基板バイアス電圧Vsnの値とを同じにすることにより、図2に示した基板バイアス発生回路23−Vmnまたは23−Vsnを設ける必要がなくなる。この場合には、残した基板バイアス発生回路23−VsnまたはVmnによって、基板バイアス電圧VmnおよびVsnの両方を形成するようにする。同様に、P型MOSトランジスタのバックゲートに供給される基板バイアス電圧Vmpの値と、P型SOTBトランジスタのバックゲートに供給される基板バイアス電圧Vspの値とを同じにすることにより、図2に示した基板バイアス発生回路23−Vmpまたは23−Vspを設ける必要がなくなる。この場合には、残した基板バイアス発生回路23−VspまたはVmpによって、基板バイアス電圧VmpおよびVspの両方を形成するようにする。 By making the value of the substrate bias voltage Vmn supplied to the back gate of the N-type MOS transistor the same as the value of the substrate bias voltage Vsn supplied to the back gate of the N-type SOTB transistor, the substrate shown in FIG. 2 is shown. It is not necessary to provide the bias generation circuit 23-Vmn or 23-Vsn. In this case, both the substrate bias voltage Vmn and Vsn are formed by the remaining substrate bias generation circuit 23-Vsn or Vmn. Similarly, by making the value of the substrate bias voltage Vmp supplied to the back gate of the P-type MOS transistor the same as the value of the substrate bias voltage Vsp supplied to the back gate of the P-type SOTB transistor, FIG. It is not necessary to provide the indicated substrate bias generation circuit 23-Vmp or 23-Vsp. In this case, both the substrate bias voltage Vmp and Vsp are formed by the remaining substrate bias generation circuit 23-Vsp or Vmp.

このように、基板バイアス電圧VmnとVsn(またはVmpとVsp)とを同じ電圧値にすることにより、基板バイアス発生回路23に設ける基板バイアス発生回路の個数を3個に低減することが可能であり、半導体装置10の小型化を図ることが可能となる。 By setting the substrate bias voltages Vmn and Vsn (or Vmp and Vsp) to the same voltage value in this way, it is possible to reduce the number of substrate bias generating circuits provided in the substrate bias generating circuit 23 to three. , It becomes possible to reduce the size of the semiconductor device 10.

図6は、基板バイアス発生回路23により発生される基板バイアス電圧の変化を示す模式的な波形図である。同図において、横軸は時間を示しており、縦軸は基板バイアス電圧の電圧値を絶対値で示している。図6において、1で示している期間は、半導体装置10が、高速モード1で動作している期間を示し、2、3は、低速モード2とスタンバイモード3で動作している期間を示している。例えば、期間2、3は、半導体装置10が、先に述べた超スタンバイ状態で動作している期間を示している。 FIG. 6 is a schematic waveform diagram showing a change in the substrate bias voltage generated by the substrate bias generation circuit 23. In the figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the voltage value of the substrate bias voltage as an absolute value. In FIG. 6, the period indicated by 1 indicates the period during which the semiconductor device 10 is operating in the high-speed mode 1, and 2 and 3 indicate the period during which the semiconductor device 10 is operating in the low-speed mode 2 and the standby mode 3. There is. For example, the periods 2 and 3 indicate the period during which the semiconductor device 10 is operating in the above-mentioned super standby state.

基板バイアス発生回路23−Vspおよび23−Vsnは、高速モード1では、基板バイアス電圧Vsp、VsnをSOTBトランジスタのバックゲートに供給しない。これに対して、低速モード2およびスタンバイモード3において、基板バイアス発生回路23−Vsnは、低バイアス電圧4を有する基板バイアス電圧Vsnを、N型SOTBトランジスタのバックゲートに供給し、基板バイアス発生回路23−Vspは、高バイアス電圧5を有する基板バイアス電圧Vspを、P型SOTBトランジスタのバックゲートに供給する。この実施の形態においては、SRAM30の安定化を図るために、P型SOTBトランジスタのしきい値電圧が、絶対値において、N型SOTBトランジスタのしきい値電圧に対して2倍以上になるようにするために、高バイアス電圧5の値は、絶対値において、低バイアス電圧4の2倍以上の電圧を有している。 The substrate bias generating circuits 23-Vsp and 23-Vsn do not supply the substrate bias voltages Vsp and Vsn to the back gate of the SOTB transistor in the high speed mode 1. On the other hand, in the low speed mode 2 and the standby mode 3, the board bias generation circuit 23-Vsn supplies the board bias voltage Vsn having the low bias voltage 4 to the back gate of the N-type SOTB transistor, and the board bias generation circuit The 23-Vsp supplies a substrate bias voltage Vsp having a high bias voltage 5 to the back gate of the P-type SOTB transistor. In this embodiment, in order to stabilize the SRAM 30, the threshold voltage of the P-type SOTB transistor is set to be at least twice the threshold voltage of the N-type SOTB transistor in absolute value. Therefore, the value of the high bias voltage 5 has a voltage that is twice or more the absolute value of the low bias voltage 4.

基板バイアス発生回路23−Vmnおよび23−Vmpも、高速モード1の期間1においては、基板バイアス電圧Vmp、Vmnを、P型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタのバックゲートに供給しない。一方、低速モード2およびスタンバイモード3において、基板バイアス発生回路23−Vmnおよび23−Vmpは、絶対値において、低バイアス電圧4または高バイアス電圧5と等しい電圧を有する基板バイアス電圧Vmp、Vmnを形成する。この場合、基板バイアス電圧Vspを基板バイアス電圧Vmpとして兼用、または基板バイアス電圧Vsnを基板バイアス電圧Vmnとして兼用することが可能であるため、基板バイアス発生回路23に設ける基板バイアス発生回路の数を3個に減らすことが可能である。 The substrate bias generating circuits 23-Vmn and 23-Vmp also do not supply the substrate bias voltages Vmp and Vmn to the back gates of the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor during the period 1 of the high-speed mode 1. On the other hand, in the low speed mode 2 and the standby mode 3, the substrate bias generating circuits 23-Vmn and 23-Vmp form the substrate bias voltages Vmp and Vmn having a voltage equal to the low bias voltage 4 or the high bias voltage 5 in absolute value. do. In this case, since the board bias voltage Vsp can be used as the board bias voltage Vmp or the board bias voltage Vsn can be used as the board bias voltage Vmn, the number of board bias generating circuits provided in the board bias generating circuit 23 is 3. It can be reduced to pieces.

<半導体装置の安定動作>
先に説明したように、半導体装置10を安定して動作させるため電源電圧Vdは、SRAM30に含まれるメモリセルMC00〜MCnnの電源電圧により定まる。すなわち、半導体装置10の電源電圧Vdを低下させると、先ずSRAM30の動作が不安定となる。
<Stable operation of semiconductor devices>
As described above, in order to operate the semiconductor device 10 stably, the power supply voltage Vd is determined by the power supply voltage of the memory cells MC00 to MCnn included in the SRAM 30. That is, when the power supply voltage Vd of the semiconductor device 10 is lowered, the operation of the SRAM 30 becomes unstable first.

本発明者らは、メモリセルMC00〜MCnnを、図2に示したように、P型SOTBトランジスタSP1、SP2およびN型SOTBトランジスタSN1〜SN4により構成した場合、P型SOTBトランジスタのしきい値電圧とN型SOTBトランジスタのしきい値電圧によって、SRAM30が安定して動作する電源電圧が変化するかをシミュレーションにより求めた。図7および図8は、シミュレーションにより求めたしきい値電圧と電源電圧との関係を示す特性図である。この図7および図8において、横軸は、P型SOTBトランジスタのしきい値電圧(Vth(P型SOTB))とN型SOTBトランジスタのしきい値電圧(Vth(N型SOTB))の比(Vth(P型SOTB)/Vth(N型SOTB))を示しており、縦軸は、SRAMが安定して動作する電源電圧Vd(対接地電圧Vsに対する電圧)を示している。ここで、図7は、基板バイアス電圧を供給していない高速モード1のときの状態を示しており、図8は、基板バイアス電圧を供給している低速モード2のときの状態を示している。図7および図8において、縦軸に示した動作電圧Vdminが小さいほど、動作範囲が広くなることを意味している。すなわち、動作電圧Vdminが小さいほど、動作マージンが大きくなることを意味している。 When the memory cells MC00 to MCnn are composed of P-type SOTB transistors SP1 and SP2 and N-type SOTB transistors SN1 to SN4 as shown in FIG. 2, the present inventors have a threshold voltage of the P-type SOTB transistor. It was determined by simulation whether the power supply voltage at which the SRAM 30 operates stably changes depending on the threshold voltage of the N-type SOTB transistor. 7 and 8 are characteristic diagrams showing the relationship between the threshold voltage and the power supply voltage obtained by simulation. In FIGS. 7 and 8, the horizontal axis is the ratio of the threshold voltage (Vth (P-type SOTB)) of the P-type SOTB transistor to the threshold voltage (Vth (N-type SOTB)) of the N-type SOTB transistor. Vth (P-type SOTB) / Vth (N-type SOTB)) is shown, and the vertical axis shows the power supply voltage Vd (voltage with respect to the ground voltage Vs) in which the SRAM operates stably. Here, FIG. 7 shows the state in the high-speed mode 1 in which the substrate bias voltage is not supplied, and FIG. 8 shows the state in the low-speed mode 2 in which the substrate bias voltage is supplied. .. In FIGS. 7 and 8, the smaller the operating voltage Vdmin shown on the vertical axis, the wider the operating range. That is, the smaller the operating voltage Vdmin, the larger the operating margin.

図7において、Aで示した破線は、P型SOTBトランジスタとN型SOTBトランジスタとのしきい値電圧の比が1の場合を示している。すなわち、P型SOTBトランジスタのしきい値電圧とN型SOTBトランジスタのしきい値電圧が等しい場合を示している。 In FIG. 7, the broken line indicated by A indicates a case where the ratio of the threshold voltage of the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor is 1. That is, the case where the threshold voltage of the P-type SOTB transistor and the threshold voltage of the N-type SOTB transistor are equal is shown.

SRAMが動作可能な最小動作電圧は、N型SOTBトランジスタのしきい値電圧Vth(P型SOTB)がP型SOTBトランジスタのしきい値電圧Vth(N型SOTB)よりも大きいと、高く、しきい値電圧の比が1に近づくに従って、低くなる。すなわち、しきい値電圧Vth(P型SOTB)としきい値電圧Vth(N型SOTB)とが等しくなる辺りで、動作マージンが大きくなる。P型SOTBのしきい値電圧Vth(P型SOTB)が高くなり、比が高くなるのに従って、緩やかに最小動作電圧が高くなる。そのため、比が2倍(破線B)以上なっても、最小動作電圧は比較的低く、動作マージンは比較的大きくなっている。 The minimum operating voltage at which the SRAM can operate is high when the threshold voltage Vth (P-type SOTB) of the N-type SOTB transistor is larger than the threshold voltage Vth (N-type SOTB) of the P-type SOTB transistor. As the value-voltage ratio approaches 1, it decreases. That is, the operating margin increases when the threshold voltage Vth (P-type SOTB) and the threshold voltage Vth (N-type SOTB) become equal. As the threshold voltage Vth (P-type SOTB) of the P-type SOTB increases and the ratio increases, the minimum operating voltage gradually increases. Therefore, even if the ratio is doubled (broken line B) or more, the minimum operating voltage is relatively low and the operating margin is relatively large.

基板バイアス電圧を供給すると、図8に示すように、SRAMの最小動作電圧は変化する。すなわち、最小動作電圧Vdminは、比が1倍よりも小さい辺りから低くなり、比が2倍以上の辺りで、最も低くなる。すなわち、P型SOTBトランジスタとN型SOTBトランジスタとのしきい値電圧の比が2倍以上のところで、動作マージンが大きくなっている。逆に、比が1倍の近辺では、動作マージンが悪化している。 When the substrate bias voltage is supplied, the minimum operating voltage of the SRAM changes as shown in FIG. That is, the minimum operating voltage Vdmin becomes low from the area where the ratio is less than 1 time, and becomes the lowest when the ratio is 2 times or more. That is, the operating margin is large when the ratio of the threshold voltage of the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor is twice or more. On the contrary, in the vicinity of 1 times the ratio, the operation margin deteriorates.

このように、基板バイアス電圧が供給されていないときには、P型SOTBトランジスタとN型SOTBトランジスタとのしきい値電圧の比は、1倍(等しい)程度で、SRAMの動作マージンが大きくなる。一方、基板バイアス電圧が供給されているときには、P型SOTBトランジスタとN型SOTBトランジスタとのしきい値電圧の比を大きくすると、動作マージンがよくなり、2倍以上にすると、動作マージンが大きくなる。従って、基板バイアス電圧が供給されるときには、P型SOTBトランジスタとN型SOTBトランジスタとのしきい値電圧の比は、1倍よりも大きくし、望ましくは2倍以上にするのがよい。 As described above, when the substrate bias voltage is not supplied, the ratio of the threshold voltage of the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor is about 1 times (equal to), and the operation margin of the SRAM becomes large. On the other hand, when the substrate bias voltage is supplied, increasing the ratio of the threshold voltage between the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor improves the operating margin, and doubling or more increases the operating margin. .. Therefore, when the substrate bias voltage is supplied, the ratio of the threshold voltage of the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor is preferably larger than 1 time, preferably 2 times or more.

(実施の形態2)
実施の形態2に係わる半導体装置においては、基板バイアス発生回路23によって発生される基板バイアス電圧の電圧値が、実施の形態1に対して変更される。半導体装置の構成は、基板バイアス発生回路の個数が変わることを除いて、実施の形態1と同じである。基板バイアス回路23の動作等は、実施の形態1と同じであるため、説明は省略する。
(Embodiment 2)
In the semiconductor device according to the second embodiment, the voltage value of the substrate bias voltage generated by the substrate bias generating circuit 23 is changed with respect to the first embodiment. The configuration of the semiconductor device is the same as that of the first embodiment except that the number of substrate bias generating circuits is changed. Since the operation of the board bias circuit 23 and the like are the same as those in the first embodiment, the description thereof will be omitted.

図9は、実施の形態2に係わるP型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタの特性を示す特性図である。図5と同様に、図9には、基板バイアス電圧Vsp、Vsnを変化させたときの、P型SOTBトランジスタSP1、SP2およびN型SOTBトランジスタSN1〜SN4のしきい値電圧の変化を示す特性が示されている。 FIG. 9 is a characteristic diagram showing the characteristics of the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor according to the second embodiment. Similar to FIG. 5, FIG. 9 shows the characteristics showing the changes in the threshold voltages of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 and the N-type SOTB transistors SN1 to SN4 when the substrate bias voltages Vsp and Vsn are changed. It is shown.

同図において、破線はN型SOTBトランジスタのしきい値電圧の変化を示しており、実線7はP型SOTBトランジスタのしきい値電圧の変化を示している。この実施の形態2においては、P型SOTBトランジスタSP1、SP2のそれぞれのしきい値電圧が、N型SOTBトランジスタSN1〜SN4に対して、絶対値において大きくなるように設定される。例えば、P型SOTBトランジスタSP1、SP2のそれぞれのしきい値電圧が、N型SOTBトランジスタSN1〜SN4に対して、絶対値において、2倍以上の大きさを有する。このしきい値電圧の設定は、例えば、P型SOTBトランジスタSP1、SP2およびN型SOTBトランジスタSN1〜SN4のそれぞれに対して、ゲート絶縁膜に含まれるアルミニュウムあるいはハフニュウムの量および/または薄い絶縁膜80、81(図3)に含有される不純物の量を変えることにより、半導体装置を製造するときに定める。 In the figure, the broken line shows the change in the threshold voltage of the N-type SOTB transistor, and the solid line 7 shows the change in the threshold voltage of the P-type SOTB transistor. In the second embodiment, the threshold voltages of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 are set to be larger in absolute value with respect to the N-type SOTB transistors SN1 to SN4. For example, the threshold voltages of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 are more than twice as large as the N-type SOTB transistors SN1 to SN4 in absolute value. This threshold voltage setting is, for example, the amount of aluminum or hafunium contained in the gate insulating film and / or the thin insulating film 80 for each of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 and the N-type SOTB transistors SN1 to SN4. , 81 (FIG. 3) is determined when manufacturing a semiconductor device by changing the amount of impurities contained in the device.

高速モード1のとき、基板バイアス回路23は、P型SOTBトランジスタSP1、SP2およびN型SOTBトランジスタSN1〜SN4のそれぞれのバックゲートに基板バイアス電圧VspおよびVsnを供給しない。また、CPU26およびSRAM30の周辺回路PRK(図2)を構成するP型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタのそれぞれのバックゲートにも、基板バイアス電圧VmpおよびVmnを供給しない。N型SOTBトランジスタSN1〜SN4のしきい値電圧(N型MOSTB_Vth)は、基板バイアス電圧Vmnの変化に従って、図9においては破線で示されているように変化するが、高速モード1のとき、N型SOTBトランジスタSN1〜SN4のそれぞれには、基板バイアス電圧が供給されていないため、そのときのしきい値電圧は、Vth1(N)となる。一方、N型SOTBトランジスタSN1〜SN4のそれぞれに、基板バイアス電圧Vsnを供給すると、このN型SOTBトランジスタのしきい値電圧の絶対値は増加し、低速モード2およびスタンバイモード3においては、そのしきい値電圧の絶対値は、Vth2、Vth3(N)となる。 In the high-speed mode 1, the substrate bias circuit 23 does not supply the substrate bias voltages Vsp and Vsn to the back gates of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 and the N-type SOTB transistors SN1 to SN4, respectively. Further, the substrate bias voltages Vmp and Vmn are not supplied to the back gates of the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor constituting the peripheral circuit PRK (FIG. 2) of the CPU 26 and the SRAM 30. The threshold voltage (N-type MOSTB_Vth) of the N-type SOTB transistors SN1 to SN4 changes as shown by the broken line in FIG. 9 according to the change of the substrate bias voltage Vmn. Since the substrate bias voltage is not supplied to each of the type SOTB transistors SN1 to SN4, the threshold voltage at that time is Vth1 (N). On the other hand, when the substrate bias voltage Vsn is supplied to each of the N-type SOTB transistors SN1 to SN4, the absolute value of the threshold voltage of the N-type SOTB transistor increases, and in the low-speed mode 2 and the standby mode 3, the value is increased. The absolute values of the threshold voltage are Vth2 and Vth3 (N).

一方、P型SOTBトランジスタSP1、SP2のそれぞれは、高速モード1のとき、そのしきい値電圧(P型SOTB_Vth)の絶対値は、Vth1(P)となる。このときのP型SOTBトランジスタSP1、SP2のしきい値電圧の絶対値Vth(P)は、N型SOTBトランジスタSN1〜SN4のしきい値電圧Vth(N)の2倍以上の値となる。 On the other hand, when the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 are in high-speed mode 1, the absolute value of their threshold voltage (P-type SOTB_Vth) is Vth1 (P). At this time, the absolute value Vth (P) of the threshold voltages of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 is at least twice the threshold voltage Vth (N) of the N-type SOTB transistors SN1 to SN4.

低速モード2またはスタンバイモード3においては、基板バイアス回路23によって、基板バイアス電圧Vsp、VsnがP型SOTBトランジスタおよびN型SOTBトランジスタのバックゲートに供給される。この実施の形態2においては、低速モード2またはスタンバイモード3において、基板バイアス回路23により形成される基板バイス電圧VspおよびVsnの絶対値が、互いに同じ値となるようにされる。言い換えるならば、基板バイアス発生回路23−Vspと23−Vsnは、絶対値において同じ値を有する基板バイアス電圧VspおよびVsnを形成する。 In the low speed mode 2 or the standby mode 3, the substrate bias circuits 23 supply the substrate bias voltages Vsp and Vsn to the back gates of the P-type SOTB transistor and the N-type SOTB transistor. In the second embodiment, in the low speed mode 2 or the standby mode 3, the absolute values of the substrate vise voltages Vsp and Vsn formed by the substrate bias circuit 23 are set to be the same as each other. In other words, the substrate bias generating circuits 23-Vsp and 23-Vsn form the substrate bias voltages Vsp and Vsn having the same absolute value.

これにより、P型SOTBトランジスタSP1、SP2のそれぞれのしきい値電圧の絶対値と、N型トランジスタSN1〜SN4のそれぞれのしきい値電圧の絶対値とは、2倍以上のしきい値電圧の差(しきい値電圧間の電圧差)の状態を維持しながら、変化し、高速モード1から低速モード2および/またはスタンバイモード3へ遷移する。図9では、低速モード2、スタンバイモード3におけるP型SOTBトランジスタのしきい値電圧の絶対値が、Vth2、3(P)として示されており、この値は、N型SOTBトランジスタのしきい値電圧の絶対値Vth2、3(N)に対して2倍以上の値を有している。 As a result, the absolute values of the threshold voltages of the P-type SOTB transistors SP1 and SP2 and the absolute values of the threshold voltages of the N-type transistors SN1 to SN4 are more than double the threshold voltage. While maintaining the state of difference (voltage difference between threshold voltages), it changes and transitions from high-speed mode 1 to low-speed mode 2 and / or standby mode 3. In FIG. 9, the absolute value of the threshold voltage of the P-type SOTB transistor in the low-speed mode 2 and the standby mode 3 is shown as Vth2, 3 (P), and this value is the threshold value of the N-type SOTB transistor. It has a value more than twice that of the absolute value Vth2, 3 (N) of the voltage.

これにより、実施の形態1と同様に、低速モード2またはスタンバイモード3においても、SRAM30を安定して動作させることが可能となる。 As a result, the SRAM 30 can be stably operated even in the low speed mode 2 or the standby mode 3 as in the first embodiment.

この実施の形態2において、P型MOSトランジスタMP1、MP2およびN型MOSトランジスタMN1、MN2のそれぞれのしきい値は、絶対値において等しい値となるように、製造されている。これらのP型MOSトランジスタMP1、MP2およびN型MOSトランジスタMN1、MN2のそれぞれのバックゲートには、高速モード1のときには、基板バイアス回路23から基板バイアス電圧が供給されず、低速モード2およびスタンバイモード3において、基板バイアス回路23から基板バイアス電圧が供給される。これにより、高速モード1において、P型MOSトランジスタのしきい値電圧とN型MOSトランジスタのしきい値電圧は、絶対値において互いに等しくなり、動作マージンを大きくすることが可能となる。 In the second embodiment, the threshold values of the P-type MOS transistors MP1 and MP2 and the N-type MOS transistors MN1 and MN2 are manufactured so as to be equal in absolute value. In the high-speed mode 1, the substrate bias voltage is not supplied from the substrate bias circuit 23 to the back gates of the P-type MOS transistors MP1 and MP2 and the N-type MOS transistors MN1 and MN2, respectively, and the low-speed mode 2 and the standby mode In 3, the board bias voltage is supplied from the board bias circuit 23. As a result, in the high-speed mode 1, the threshold voltage of the P-type MOS transistor and the threshold voltage of the N-type MOS transistor become equal to each other in absolute value, and the operating margin can be increased.

一方、低速モード2およびスタンバイモード3においては、これらのP型MOSトランジスタMP1、MP2のバックゲートに、基板バイアス発生回路23−Vspによって発生された基板バイス電圧Vspが基板バイアス電圧Vmpとして供給され、N型MOSTBトランジスタMN1、MN2のバックゲートに、基板バイス発生回路23−Vsnによって発生された基板バイアス電圧Vsnが基板バイス電圧Vmnとして供給される。 On the other hand, in the low speed mode 2 and the standby mode 3, the substrate vise voltage Vsp generated by the substrate bias generation circuit 23-Vsp is supplied as the substrate bias voltage Vmp to the back gates of these P-type MOS transistors MP1 and MP2. The substrate bias voltage Vsn generated by the substrate vise generation circuit 23-Vsn is supplied to the back gates of the N-type MOSTB transistors MN1 and MN2 as the substrate vise voltage Vmn.

これにより、低速モード2および/またはスタンバイモード3において、CPU26およびSRAM30の周辺回路PRKを構成するP型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタのそれぞれのバックゲートには、絶対値において互いに等しい値を有する基板バイアス電圧Vmp、Vmnが供給されることになる。基板バイアス電圧VmpおよびVmnが供給されることにより、P型MOSトランジスタとN型MOSトランジスタは、絶対値において等しい値を維持しながら、大きくなる。その結果、低速モード2およびスタンバイモード3においては、CPU26およびSRAM30の周辺回路PRKを構成するP型MOSトランジスタおよびN型MOSトランジスタのそれぞれは、絶対値において互いに等しい値を維持した状態で高くなり、低速モード2およびスタンバイモード3において、消費電力の低減を図ることが可能となる。 As a result, in the low-speed mode 2 and / or the standby mode 3, the back gates of the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor constituting the peripheral circuit PRK of the CPU 26 and the SRAM 30 have a substrate having equal absolute values. Bias voltages Vmp and Vmn will be supplied. By supplying the substrate bias voltages Vmp and Vmn, the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor increase in absolute value while maintaining equal values. As a result, in the low-speed mode 2 and the standby mode 3, each of the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor constituting the peripheral circuit PRK of the CPU 26 and the SRAM 30 becomes high while maintaining equal values with each other in absolute value. It is possible to reduce power consumption in the low speed mode 2 and the standby mode 3.

この実施の形態2においては、基板バイアス発生回路23−Vspにより発生した基板バイアス電圧が、基板バイアス電圧VspおよびVmpとして用いられ、基板バイアス発生回路23−Vsnにより発生した基板バイアス電圧が、基板バイアス電圧VsnおよびVmnとして用いられる。そのため、2個の基板バイス発生回路23−Vsp、23−Vsnによって、基板バイアス回路23を構成することが可能となり、半導体装置10のサイズが大きくなるのを抑制することが可能となる。なお、高速モード1のとき、P型SOTBトランジスタのしきい値電圧の絶対値が高くなるが、動作マージンに関しては実質的に問題ない。 In the second embodiment, the substrate bias voltage generated by the substrate bias generating circuit 23-Vsp is used as the substrate bias voltage Vsp and Vmp, and the substrate bias voltage generated by the substrate bias generating circuit 23-Vsn is the substrate bias. Used as voltages Vsn and Vmn. Therefore, the substrate bias circuit 23 can be configured by the two substrate vise generation circuits 23-Vsp and 23-Vsn, and it is possible to suppress an increase in the size of the semiconductor device 10. In the high-speed mode 1, the absolute value of the threshold voltage of the P-type SOTB transistor becomes high, but there is substantially no problem with the operating margin.

以上述べたように、低速モード2およびスタンバイモード3においては、P型SOTBトランジスタ、N型SOTBトランジスタおよびP型MOSトランジスタ、N型MOSトランジスタのそれぞれのバックゲートに基板バイアス電圧が供給されるため、それぞれのトランジスタのしきい値電圧(絶対値)を大きくすることが可能であり、半導体装置10の低消費電力化を図ることが可能となる。また、低速モード2およびスタンバイモード3において、動作の安定化を図ることが可能となる。 As described above, in the low speed mode 2 and the standby mode 3, the substrate bias voltage is supplied to the back gates of the P-type SOTB transistor, the N-type SOTB transistor, the P-type MOS transistor, and the N-type MOS transistor. It is possible to increase the threshold voltage (absolute value) of each transistor, and it is possible to reduce the power consumption of the semiconductor device 10. Further, in the low speed mode 2 and the standby mode 3, it is possible to stabilize the operation.

実施の形態1および2において、高速モード1のとき、基板バイアス回路23からP型SOTBトランジスタ、N型SOTBトランジスタおよびP型MOSトランジスタ、N型MOSトランジスタのそれぞれのバックゲートに基板バイアス電圧を供給しないと説明したが、これはそれぞれのトランジスタのしきい値電圧を上昇させるための基板バイアス電圧を供給しないことを意味している。そのため、高速モード1において、基板バイアス回路23は、それぞれのトランジスタのソースと同じ電圧を、それぞれのトランジスタのバックゲートに供給していてもよい。すなわち、高速モード1において、基板バイアス回路23は、P型SOTBトランジスタのバックゲートに、そのP型SOTBトランジスタのソースにおける電圧と同じ値の電圧を供給し、N型SOTBトランジスタのバックゲートに、そのN型SOTBトランジスタのソースにおける電圧と同じ値の電圧を供給してもよい。また、高速モード1において、基板バイアス回路23は、P型MOSトランジスタのバックゲートに、そのP型MOSのソースにおける電圧と同じ値の電圧を供給し、N型MOSトランジスタのバックゲートに、そのN型MOSトランジスタのソースにおける電圧と同じ値の電圧を供給してもよい。 In the first and second embodiments, in the high-speed mode 1, the substrate bias circuit 23 does not supply the substrate bias voltage to the back gates of the P-type SOTB transistor, the N-type SOTB transistor, the P-type MOS transistor, and the N-type MOS transistor. However, this means that the substrate bias voltage for raising the threshold voltage of each transistor is not supplied. Therefore, in the high-speed mode 1, the substrate bias circuit 23 may supply the same voltage as the source of each transistor to the back gate of each transistor. That is, in the high-speed mode 1, the substrate bias circuit 23 supplies a voltage having the same value as the voltage at the source of the P-type SOTB transistor to the back gate of the P-type SOTB transistor, and supplies the voltage to the back gate of the N-type SOTB transistor. A voltage having the same value as the voltage at the source of the N-type SOTB transistor may be supplied. Further, in the high-speed mode 1, the substrate bias circuit 23 supplies a voltage having the same value as the voltage at the source of the P-type MOS transistor to the back gate of the P-type MOS transistor, and supplies the N to the back gate of the N-type MOS transistor. A voltage having the same value as the voltage at the source of the type MOS transistor may be supplied.

あるいは、基板バイアス回路23は、高速モード1において、それぞれのトランジスタのバックゲートをフローティング状態となるようにしてもよい。 Alternatively, the substrate bias circuit 23 may make the back gate of each transistor float in the high-speed mode 1.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described above based on the embodiment, the present invention is not limited to the embodiment and can be variously modified without departing from the gist thereof. Needless to say.

例えば、基板バイアス回路により形成された基板バイアス電圧は、低速モード2およびスタンバイモード3において、半導体装置10を構成する全てのP型SOTBトランジスタ、N型SOTBトランジスタおよびP型MOSトランジスタ、N型MOSトランジスタのバックゲートに供給するようにしてもよい。ただし、半導体装置10がアナログ回路を有している場合、そのアナログ回路を構成するトランジスタのバックゲートには、基板バイス電圧を供給しないことが望ましい。 For example, the substrate bias voltage formed by the substrate bias circuit is the all P-type SOTB transistors, N-type SOTB transistors, P-type MOS transistors, and N-type MOS transistors that make up the semiconductor device 10 in the low-speed mode 2 and the standby mode 3. It may be supplied to the back gate of. However, when the semiconductor device 10 has an analog circuit, it is desirable that the substrate vise voltage is not supplied to the back gate of the transistors constituting the analog circuit.

また、高速モード1、低速モード2およびスタンバイモード3の3個のモードを有する場合を説明したが、この個数に限定されるものではない。例えば、高速モード1と低速モード2(あるいはスタンバイモード3)のみを有する場合であってもよい。この場合にも、高速モード1においては、基板バイアス回路23からトランジスタのバックゲートに、基板バイアスを供給せず、低速モード2(あるいはスタンバイモード3)において、基板バイス電圧を供給するようにすればよい。 Further, although the case of having three modes of high-speed mode 1, low-speed mode 2 and standby mode 3 has been described, the number is not limited to this. For example, it may have only high-speed mode 1 and low-speed mode 2 (or standby mode 3). Also in this case, in the high-speed mode 1, the substrate bias circuit 23 does not supply the substrate bias to the back gate of the transistor, but in the low-speed mode 2 (or standby mode 3), the substrate vise voltage is supplied. good.

1 高速モード
2 低速モード
3 スタンバイモード
10 半導体装置
23 基板バイアス回路
23−Vsp、23−Vsn、23−Vmp、23−Vmn 基板バイアス発生回路
24 システムコントローラ
26 CPU
12 アナログ回路
30 SRAM
36A、36B クロック発生器
SP1、SP2 P型SOTBトランジスタ
SN1〜SN4 N型SOTBトランジスタ
MP1、MP2 P型MOSトランジスタ
MN1、MN2 N型MOSトランジスタ
MC00〜MC11 メモリセル
1 High-speed mode 2 Low-speed mode 3 Standby mode 10 Semiconductor device 23 Board bias circuit 23-Vsp, 23-Vsn, 23-Vmp, 23-Vmn Board bias generation circuit 24 System controller 26 CPU
12 Analog circuit 30 SRAM
36A, 36B Clock generator SP1, SP2 P-type SOTB transistor SN1 to SN4 N-type SOTB transistor MP1, MP2 P-type MOS transistor MN1, MN2 N-type MOS transistor MC00 to MC11 Memory cell

Claims (6)

P型トランジスタとN型トランジスタとを有する第1回路と、
P型SOTBトランジスタとN型SOTBトランジスタとを有する第2回路と、
前記第1回路と前記第2回路とに電圧を供給するための電圧供給回路と、
を有する半導体集積回路装置であって、
前記P型SOTBトランジスタは、第1ゲート電極と、第1ソース領域と、第1ドレイン領域と、前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域との間であってチャンネルが形成される第1チャンネル領域と、第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜を介して前記第1チャンネル領域と対向する第1領域とを有し、
前記N型SOTBトランジスタは、第2ゲート電極と、第2ソース領域と、第2ドレイン領域と、前記第2ソース領域と前記第2ドレイン領域との間であってチャンネルが形成される第2チャンネル領域と、第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜を介して前記第2チャンネル領域と対向する第2領域とを有し、
前記第1回路は、入出力回路を含み、
前記第2回路は、メモリセルを含み、
前記半導体集積回路装置は、第1動作モードと第2動作モードとを有し、
前記電圧供給回路は、第1電圧と、第2電圧とを出力し、
前記第1動作モードの時に、前記第1電圧が、前記P型SOTBトランジスタの前記第1領域に供給され、前記第2電圧が、前記N型SOTBトランジスタの前記第2領域に供給される、半導体集積回路装置。
A first circuit having a P-type transistor and an N-type transistor,
A second circuit having a P-type SOTB transistor and an N-type SOTB transistor,
A voltage supply circuit for supplying a voltage to the first circuit and the second circuit, and
It is a semiconductor integrated circuit device having
The P-type SOTB transistor is a first channel in which a channel is formed between a first gate electrode, a first source region, a first drain region, and the first source region and the first drain region. It has a region, a first insulating film, and a first region facing the first channel region via the first insulating film.
The N-type SOTB transistor is a second channel in which a channel is formed between a second gate electrode, a second source region, a second drain region, and the second source region and the second drain region. It has a region, a second insulating film, and a second region facing the second channel region via the second insulating film.
The first circuit includes an input / output circuit.
The second circuit includes a memory cell.
The semiconductor integrated circuit device has a first operation mode and a second operation mode.
The voltage supply circuit outputs a first voltage and a second voltage.
In the first operation mode, the first voltage is supplied to the first region of the P-type SOTB transistor, and the second voltage is supplied to the second region of the N-type SOTB transistor. Integrated circuit device.
前記P型トランジスタは、第3ゲート電極と、第3ソース領域と、第3ドレイン領域と、前記第3ソース領域と前記第3ドレイン領域との間であってチャンネルが形成される第3チャンネル領域と、前記第3チャンネル領域の下側に形成された第3領域とを有し、The P-type transistor has a third channel region in which a channel is formed between a third gate electrode, a third source region, a third drain region, and the third source region and the third drain region. And a third region formed below the third channel region.
前記第1チャンネル領域の不純物の濃度は、前記第3チャンネル領域の不純物の濃度より低い、請求項1に記載の半導体集積回路装置。The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the concentration of impurities in the first channel region is lower than the concentration of impurities in the third channel region.
前記N型トランジスタは、第4ゲート電極と、第4ソース領域と、第4ドレイン領域と、前記第4ソース領域と前記第4ドレイン領域との間であってチャンネルが形成される第4チャンネル領域と、前記第4チャンネル領域の下側に形成された第4領域とを有し、The N-type transistor has a fourth channel region in which a channel is formed between a fourth gate electrode, a fourth source region, a fourth drain region, and the fourth source region and the fourth drain region. And a fourth region formed below the fourth channel region.
前記第2チャンネル領域の不純物の濃度は、前記第4チャンネル領域の不純物の濃度より低い、請求項2に記載の半導体集積回路装置。 The semiconductor integrated circuit device according to claim 2, wherein the concentration of impurities in the second channel region is lower than the concentration of impurities in the fourth channel region.
前記第1電圧は、前記第2電圧とは異なる、請求項1に記載の半導体集積回路装置。The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the first voltage is different from the second voltage. 前記半導体集積回路装置は、さらにSRAMを含み、The semiconductor integrated circuit device further includes an SRAM.
前記SRAMは、前記メモリセルと、前記メモリセルに接続された周辺回路とを含む、請求項3に記載の半導体集積回路装置。 The semiconductor integrated circuit device according to claim 3, wherein the SRAM includes the memory cell and a peripheral circuit connected to the memory cell.
前記第1動作モードの動作周波数は、前記第2動作モードの動作周波数より低い、請求項5に記載の半導体集積回路装置。The semiconductor integrated circuit device according to claim 5, wherein the operating frequency of the first operating mode is lower than the operating frequency of the second operating mode.
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