JPH1139879A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPH1139879A
JPH1139879A JP9207298A JP20729897A JPH1139879A JP H1139879 A JPH1139879 A JP H1139879A JP 9207298 A JP9207298 A JP 9207298A JP 20729897 A JP20729897 A JP 20729897A JP H1139879 A JPH1139879 A JP H1139879A
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JP
Japan
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semiconductor device
sram
substrate potential
threshold voltage
substrate
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JP9207298A
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Japanese (ja)
Inventor
Masanori Funaki
正紀 舟木
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Victor Company of Japan Ltd
Original Assignee
Victor Company of Japan Ltd
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Publication date
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Publication of JPH1139879A publication Critical patent/JPH1139879A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which assures higher updating rate and saves power consumption. SOLUTION: In a semiconductor device having an SRAM section 1, circuits elements 18, 19, 20, 21 for selectively changing a substrate potential of SRAM section 1 is provided and the threshold value voltage of MOSFET of the SRAM section 1 is changed with these circuit elements. Thereby, the threshold value voltage is changed for the writing and reading operations and the total power consumption, can be controlled while the high speed operation is maintained when it is required.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、LSI等の半導体
装置に係り、特に書き換え可能なFPGA(フィールド
・プログラマブル・ゲート・アレイ)のプログラム格納
用のSRAM(Static Random Acce
ss Memory)を有する半導体装置に関する。
The present invention relates to a semiconductor device such as an LSI, and more particularly to an SRAM (Static Random Access) for storing a program in a rewritable FPGA (Field Programmable Gate Array).
ss Memory).

【0002】[0002]

【従来の技術】LSI等の集積回路よりなる半導体装置
の内部には従来より一時的な書き換え可能なメモリとし
て、図7に示すようなSRAM1が使われている。この
SRAM1は1つのセルを示したものであり、通常はこ
のようなセルがアレイ状に並んでいる。このSRAM1
では2つのインバータ2、3が信号を保持しており、電
源が供給されている限りは記憶が保持される。図8に示
すように通常はこのインバータ2、3を2つのnMOS
FET4と2つのpMOSFET5を使って構成する。
複数のSRAMがアレイ状に並んでいるような場合に
は、メモリ・セルの選択を行なうため、更に、図9に示
すように書き込み、読み出し用のスイッチが付いてい
る。図9中において、6は書き込み用のビット線とワー
ド線に接続されたスイッチであり、7は読み出し用のビ
ット線とワード線に接続されたスイッチである。
2. Description of the Related Art An SRAM 1 as shown in FIG. 7 is used as a temporarily rewritable memory in a semiconductor device composed of an integrated circuit such as an LSI. This SRAM 1 shows one cell, and such cells are usually arranged in an array. This SRAM1
In this example, the two inverters 2 and 3 hold signals, and the memory is held as long as power is supplied. As shown in FIG. 8, normally, inverters 2 and 3 are connected to two nMOS
It is configured using an FET 4 and two pMOSFETs 5.
In the case where a plurality of SRAMs are arranged in an array, a switch for writing and reading is further provided as shown in FIG. 9 in order to select a memory cell. In FIG. 9, reference numeral 6 denotes a switch connected to a write bit line and a word line, and reference numeral 7 denotes a switch connected to a read bit line and a word line.

【0003】このようなSRAM1のトランジスタの特
性は、そのSRAMの使用する目的に合わせて設計す
る。例えば非常に高速な書き込み、読み出しが必要とさ
れる場合には、ロジックで使われるのと同程度の性能が
要求される。しかし、頻繁にデータを書き換えたりしな
いことから、書き込み、読み出しに時間がかかってもよ
い場合には、性能の劣るトランジスタでもよい。一般
に、性能の高いトランジスタは消費電力も大きいので、
消費電力の点からも検討する必要がある。
The characteristics of the transistor of the SRAM 1 are designed in accordance with the purpose of use of the SRAM. For example, when very high-speed writing and reading are required, the same performance as that used in logic is required. However, a transistor with poor performance may be used when writing and reading may take time because data is not frequently rewritten. Generally, high-performance transistors consume large amounts of power,
It is necessary to consider from the point of power consumption.

【0004】ここで、SRAMに使うトランジスタの性
能と消費電力の関係をトランジスタのしきい値電圧に注
目して説明する。図10はトランジスタのゲート電圧と
ドレイン電流の関係を示すグラフであり、しきい値電圧
というのは図10に示したように、トランジスタがON
してドレイン電流が急激に増加する時のゲート電圧のこ
とである。一般に、トランジスタの駆動電流は、ゲート
電圧としきい値電圧の差の2乗に比例する。従って、し
きい値電圧を下げれば、駆動能力が上がり、しきい値電
圧を上げれば駆動能力は下がる。つまり、しきい値電圧
が低いと書き込み、読み出しの速度は速くなる。
Here, the relationship between the performance of a transistor used in an SRAM and the power consumption will be described focusing on the threshold voltage of the transistor. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the gate voltage and the drain current of the transistor. The threshold voltage is, as shown in FIG.
The gate voltage when the drain current increases rapidly. In general, the drive current of a transistor is proportional to the square of the difference between the gate voltage and the threshold voltage. Therefore, lowering the threshold voltage increases the driving capability, while raising the threshold voltage lowers the driving capability. In other words, when the threshold voltage is low, the speed of writing and reading increases.

【0005】一方、消費電力の観点から考えれば、しき
い値電圧が低いほど消費電力は大きくなるが、この場
合、消費電力のうちどのような成分が大きいかを以下の
3点について検討する必要がある。 (1)まず、読み出し時に負荷を駆動する電流が考えら
れる。図11はSRAM1によって負荷容量8に対して
充放電を伴なう場合を示している。この1回の読み出し
にかかる消費電力は、負荷が同じならばしきい値電圧に
依存しない。負荷を駆動するのにかかる時間が変わるだ
けである。 (2)次に、書き込み時にインバータが反転する際に流
れる貫通電流があげられる。図12はインバータを構成
する一対のトランジスタ5、4に流れる貫通電流9を説
明するための図である。貫通電流9はnMOSFET
4、pMOSFET5が両方ON状態の時に流れる電流
であり、しきい値電圧が低いほど大きくなる。 (3)最後に、待機時の消費電力がある。これは普通は
リーク電流として知られているものである。図13に示
したように、ゲート電圧が0Vであっても、ドレイン電
流が完全にゼロになるわけではなく、僅かな電流が流れ
る。これをリーク電流といい、しきい値が低くなるほど
指数関数的に増大する。トランジスタの構造にもよる
が、しきい値が、80mVから120mV程度下がる
と、リーク電流は1桁増加する。
[0005] On the other hand, from the viewpoint of power consumption, the lower the threshold voltage, the higher the power consumption. In this case, it is necessary to examine what components of the power consumption are large in the following three points. There is. (1) First, a current for driving a load at the time of reading can be considered. FIG. 11 shows a case where the load capacity 8 is charged and discharged by the SRAM 1. The power consumption for this one reading does not depend on the threshold voltage if the load is the same. Only the time it takes to drive the load changes. (2) Next, there is a through current flowing when the inverter is inverted at the time of writing. FIG. 12 is a diagram for explaining a through current 9 flowing through a pair of transistors 5 and 4 constituting an inverter. Through current 9 is nMOSFET
4. The current that flows when both pMOSFETs 5 are in the ON state, and increases as the threshold voltage decreases. (3) Finally, there is power consumption during standby. This is what is commonly known as leakage current. As shown in FIG. 13, even if the gate voltage is 0 V, the drain current does not always become completely zero, and a slight current flows. This is called leak current, and increases exponentially as the threshold value decreases. Although depending on the structure of the transistor, when the threshold value drops from about 80 mV to about 120 mV, the leak current increases by one digit.

【0006】このように考えると、頻繁にアクセスして
内容を書き換える場合には、速度を優先して、しきい値
電圧を低くすればいいが、この場合には、消費電力は大
きくなる。一方、速度はそれ程必要ではなく、しかも待
機状態が長い場合にはしきい値電圧を高くして消費電力
を減らせばいいことが分かる。ところが、現実には、待
機時間は長いが、書き込みは速く行ないたいという相反
する要望が確実に存在する。これは、例えば特殊なFP
GAを使用する場合である。FPGAというのは、Fi
eld Programable GateArray
の略であり、通常のLSIと違って、その機能を書き換
えることが可能である。図14はFPGAを示す概念図
である。その仕組みは、フリップフロップやインバータ
などを1組にした基本セル10を多数アレイ状に並べて
おいて、基本セル10内の配線やセル間の配線11をパ
ストランジスタ等のスイッチマトリクス12で切り換え
ることにより、様々な機能をもったLSIを実現すると
いうものである。このスイッチのオンとオフをメモリに
蓄えて保存している。そのメモリの内容を書き換えるこ
とにより、異なった機能のLSIを作ることができるわ
けである。
In view of the above, when the contents are frequently accessed and the contents are rewritten, the threshold voltage may be lowered while giving priority to the speed, but in this case, the power consumption increases. On the other hand, it is understood that the speed is not so required, and when the standby state is long, the threshold voltage may be increased to reduce the power consumption. However, in reality, there is definitely a conflicting demand for a faster writing while the waiting time is long. This is, for example, a special FP
In this case, GA is used. FPGA is a Fi
eld Programmable GateArray
, And its function can be rewritten unlike an ordinary LSI. FIG. 14 is a conceptual diagram showing an FPGA. The mechanism is such that a large number of basic cells 10 each having a set of flip-flops and inverters are arranged in an array, and wirings in the basic cells 10 and wirings 11 between cells are switched by a switch matrix 12 such as a pass transistor. In order to realize an LSI having various functions. The on / off state of this switch is stored and stored in a memory. By rewriting the contents of the memory, an LSI having a different function can be produced.

【0007】FPGAのプログラム保存用のメモリに
は、フラッシュメモリのように、電源の供給を止めても
内容を保存している場合もあるが、SRAMのように電
源の供給を止めると内容が失われてしまう場合もある。
保存用のメモリとしてSRAMを使った場合、電源を入
れる度に外部からプログラムをロードしなければならな
い。そこで、書き込みにかかる時間を減らして立ち上が
り時間を小さくする必要が生ずる。また、FPGAの使
い方の特殊な例として、機器が動作中に同じFPGAの
プログラムを何度も書き換えて異なった処理をさせる場
合がある。この時、一定時間内に何回書き換えられるか
がFPGAの能力として重要になってくる。従って、こ
の場合にもSRAMの書き換え時間を小さくしたいとい
う希望がある。つまりSRAMのトランジスタのしきい
値電圧を小さくすることが要求されている。
[0007] In some cases, the memory for storing the program of the FPGA retains its contents even when the power supply is stopped, such as a flash memory, but the contents are lost when the power supply is stopped, such as an SRAM. In some cases, it is lost.
When an SRAM is used as a storage memory, a program must be externally loaded every time the power is turned on. Therefore, it is necessary to reduce the time required for writing to shorten the rise time. As a special example of how to use an FPGA, there is a case where a program of the same FPGA is rewritten many times while a device is operating to perform different processing. At this time, how many times the data is rewritten within a certain period of time becomes important as the capability of the FPGA. Therefore, there is a desire to reduce the rewriting time of the SRAM in this case as well. That is, it is required to reduce the threshold voltage of the SRAM transistor.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】ところが、プログラム
の書き換えを実行していない保持状態の時には、SRA
Mのトランジスタは単にパストランジスタのスイッチを
オン状態かオフ状態に維持しているだけである。この状
態は図15に示されている。図15は1個のSRAM1
によってパストランジスタ13をスイッチングする場合
を示す図である。この場合、パストランジスタ13のゲ
ート電極や配線11等の負荷から漏れているリーク電流
は非常に小さい。従って、書き換えていない動作中の消
費電力のほとんどは、SRAM1のトランジスタに生じ
ているリーク電流ということになる。従って、書き換え
を行なっていない間はリーク電流を減らすために、しき
い値電圧は高いほうがいいのである。
However, when the program is not being rewritten, the SRA
The M transistor simply keeps the pass transistor switch on or off. This state is shown in FIG. FIG. 15 shows one SRAM 1
FIG. 4 is a diagram showing a case where the pass transistor 13 is switched by the switch. In this case, the leak current leaking from the load such as the gate electrode of the pass transistor 13 and the wiring 11 is very small. Therefore, most of the power consumption during the non-rewriting operation is a leakage current generated in the transistor of the SRAM 1. Therefore, it is preferable that the threshold voltage be high in order to reduce the leak current during the time when no rewriting is performed.

【0009】このような問題は、FPGAの電源電圧が
小さくなるにつれて、顕在化してくる。現在の主流の電
源電圧は3.3Vであるが、乾電池1本で動作させるこ
とを考えると、1V或いはそれ以下の電圧程度で高速動
作させる必要が生ずる。この場合、しきい値電圧は0.
2V程度になってしまい、リーク電流は無視できないも
のになる。単にデータを保持しているだけのSRAM
に、無駄なリーク電流で電力を消費させるのは好ましく
ない。特にパストランジスタのスイッチの数だけSRA
Mが存在しているので、SRAMの占める割合は高く、
その消費電力を下げるのは大きな課題である。
Such a problem becomes more apparent as the power supply voltage of the FPGA becomes smaller. The current mainstream power supply voltage is 3.3 V, but considering operation with one dry cell, it is necessary to operate at a high speed of about 1 V or less. In this case, the threshold voltage is 0.
It becomes about 2 V, and the leak current cannot be ignored. SRAM that simply holds data
In addition, it is not preferable to consume power by useless leakage current. In particular, the number of SRAs equal to the number of switches of pass transistors
Since M exists, the ratio occupied by SRAM is high,
Reducing the power consumption is a major challenge.

【0010】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものであり、その目
的は、書き換え速度が速く、しかも消費電力は少なくて
済む半導体装置を提供することにある。
[0010] The present invention focuses on the above problems,
The present invention has been made to solve this problem effectively, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a high rewriting speed and low power consumption.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】従来、SRAMのトラン
ジスタのしきい値は一定だったため、書き換え速度か消
費電力のどちらかを犠牲にする必要があったが、本発明
はこの点に着目して、SRAMの新しい動作モードを提
案しようとするものである。特に、機器の動作中に内容
を書き換えるFPGAに本発明を応用するようにしたも
のである。本発明は、上記問題点を解決するために、S
RAM部を有する半導体装置において、前記SRAM部
の基板電位を選択的に変更させる回路素子を設け、この
回路素子により前記SRAM部のMOSFETのしきい
値電圧を変えるように構成したものである。
Conventionally, since the threshold value of the SRAM transistor was constant, it was necessary to sacrifice either the rewriting speed or the power consumption. The present invention focuses on this point. , And a new operation mode of the SRAM. In particular, the present invention is applied to an FPGA whose contents are rewritten during operation of a device. The present invention solves the above problem by using S
In a semiconductor device having a RAM section, a circuit element for selectively changing the substrate potential of the SRAM section is provided, and the threshold voltage of the MOSFET in the SRAM section is changed by the circuit element.

【0012】これにより、SRAM部は、電位変更用の
回路素子として、例えばスイッチの開閉によりその基板
電位が変更される。基板電位の変更の態様は、SRAM
部の書き込み時には、しきい値電圧を下げるように基板
電位を設定し、保持時には逆にしきい値を上げるように
基板電位を設定する。上記スイッチとして例えばMOS
FETよりなるパストランジスタを用いることができ
る。また、パストランジスタとしては、基板電位を下げ
る場合にはnMOSFETを用い、逆に基板電位を上げ
る場合にはpMOSFETを用いる。これは、nMOS
FETのソースを使って電位を上げようとすると、ソー
スの電位がゲート電圧からしきい値電圧を引いた値に達
した時点でnMOSFETがオフになってしまい、結果
として駆動電位がしきい値だけ低くなってしまうという
ソースフォロア回路の不具合を避けるためである。pM
OSFETソースで電位を下げるときにも、nMOSF
ETの場合と電位の方向が反対になるだけで、同じよう
な問題が起こる。従って、上述のように構成することに
よって、ソースフォロア回路が成立することを防止す
る。
As a result, the substrate potential of the SRAM portion is changed by, for example, opening and closing a switch as a circuit element for changing the potential. The aspect of the change of the substrate potential is the SRAM
At the time of writing of the portion, the substrate potential is set so as to lower the threshold voltage, and at the time of holding, the substrate potential is set so as to raise the threshold. For example, MOS as the switch
A pass transistor composed of an FET can be used. As the pass transistor, an nMOSFET is used to lower the substrate potential, and a pMOSFET is used to raise the substrate potential. This is nMOS
If an attempt is made to increase the potential using the source of the FET, the nMOSFET is turned off when the potential of the source reaches a value obtained by subtracting the threshold voltage from the gate voltage. This is to avoid the problem of the source follower circuit being lowered. pM
When lowering the potential at the OSFET source, nMOSF
A similar problem occurs only when the direction of the potential is opposite to that in the case of ET. Therefore, the configuration as described above prevents the formation of the source follower circuit.

【0013】更に、電位切換用の回路素子としては、上
記スイッチに替えてポンピング回路を用いることができ
る。このような半導体装置は、フィールド・プログラマ
ブル・ゲート・アレイ(FPGA)に採用することがで
きる。更に、このような半導体装置に論理回路部を含む
場合には、この論理回路部の基板電位をSRAM部とは
別個に制御できるようにしておく。そして、論理回路部
の基板電位は、待機時にはしきい値電圧を高くし、活動
状態の時にはしきい値電圧を低くする。
Further, a pumping circuit can be used as a potential switching circuit element instead of the switch. Such a semiconductor device can be employed in a field programmable gate array (FPGA). Further, when such a semiconductor device includes a logic circuit portion, the substrate potential of the logic circuit portion can be controlled separately from the SRAM portion. The threshold voltage of the substrate of the logic circuit portion is increased during standby, and reduced during active state.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の半導体装置の一
実施例を添付図面に基づいて詳述する。図1は基板効果
を説明するために基板電位としきい値電圧との関係を示
すグラフ、図2は基板電位を切り替えるための原理図、
図3は基板電位の切換のスイッチをMOSFETで構成
した場合の回路図である。尚、先に説明した図面に記載
した構成と同一部分については同一符号を付して説明す
る。従来のSRAMの問題点は、動作中にSRAM中の
トランジスタのしきい値電圧を変更することができない
点にある。現在、しきい値電圧を決定しているのは、製
造工程において行なうしきい値電圧を調整する不純物の
注入量である。通常は、基板の電位をソースと同じにし
た時に最適なしきい値になるように注入量を設定し、そ
して基板の電位は常にソースと一致させるように配線を
行なう。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a graph showing the relationship between the substrate potential and the threshold voltage for explaining the substrate effect, FIG. 2 is a principle diagram for switching the substrate potential,
FIG. 3 is a circuit diagram in the case where the switch for switching the substrate potential is constituted by a MOSFET. The same components as those described in the drawings described above are denoted by the same reference numerals and described. The problem with the conventional SRAM is that the threshold voltage of the transistor in the SRAM cannot be changed during operation. At present, the threshold voltage is determined by the amount of impurity implantation for adjusting the threshold voltage performed in the manufacturing process. Normally, the injection amount is set so that the optimum threshold value is obtained when the potential of the substrate is the same as that of the source, and wiring is performed so that the potential of the substrate always matches the source.

【0015】このような従来の方法では、デバイスを作
製した後でしきい値電圧を変更することができない。し
かし、電気的にしきい値を変更する方法は存在する。そ
れは基板効果として知られている現象を用いることであ
る。この現象を用いて基板の電位をソースと異なった値
にすると、しきい値電圧を変更することができる。図1
にnMOSFETの基板電位によるしきい値の変化の例
を示す。基板電位をマイナスの方に振るにつれて、しき
い値電圧が高くなっていることがわかる。そこで、SR
AMの動作に応じて基板電位を変えれば、しきい値も変
えることができ、消費電力を減らしつつ、動作を速くす
ることができる。つまりSRAMへの書き込み時にはし
きい値電圧を低くしておいて、つまり基板電位を高くし
ておいて、SRAMが保持動作に入ったときにはしきい
値が高くなるように、つまり基板電位を低くしておくよ
うにしておけばよい。尚、これはnMOSFETに関し
てであり、pMOSFETの場合には電位の方向は全て
逆に行なう。
In such a conventional method, the threshold voltage cannot be changed after the device is manufactured. However, there are methods for electrically changing the threshold. It is to use a phenomenon known as the substrate effect. When the potential of the substrate is set to a value different from that of the source using this phenomenon, the threshold voltage can be changed. FIG.
FIG. 11 shows an example of a change in the threshold value due to the substrate potential of the nMOSFET. It can be seen that the threshold voltage is increased as the substrate potential is shifted in the negative direction. So, SR
If the substrate potential is changed according to the operation of the AM, the threshold value can be changed, and the operation can be speeded up while reducing power consumption. That is, when writing to the SRAM, the threshold voltage is set low, that is, the substrate potential is set high, and when the SRAM enters the holding operation, the threshold voltage is set high, that is, the substrate potential is set low. You should keep it. This is for the nMOSFET, and in the case of the pMOSFET, the directions of the potentials are all reversed.

【0016】これを実現するより具体的な構成を図2に
示す。図8を参照して説明したように、1つのセルを構
成するSRAM1は2つのnMOSFET4と2つのp
MOSFET5よりなり、このセルが基板上にアレイ状
に並んでSRAM部を構成することになる。尚、SRA
M部として、ここでは1つのSRAM1を代表して記
す。MOSFET4、5の基板につながっている配線1
4、15がそれぞれスイッチ16A、16B、17A、
17Bにつながっており、これらのスイッチがパストラ
ンジスタとして構成され、基板電位の変更用の回路素子
となる。すなわち、スイッチ群の切り替えによって基板
電圧を変更できるようになっている。例えば、スイッチ
16Aは−5Vに、スイッチ16Bは0Vに、スイッチ
17Aは1Vに、スイッチ17Bは6Vにそれぞれつな
がっている。この場合、nMOSFET4とpMOSF
ET5とでは異なる基板電圧レベルにするために、それ
ぞれの基板は異なるスイッチ群につながっている。
FIG. 2 shows a more specific configuration for realizing this. As described with reference to FIG. 8, the SRAM 1 configuring one cell includes two nMOSFETs 4 and two pMOSFETs.
The cells are arranged in an array on the substrate to form an SRAM section. In addition, SRA
Here, one SRAM 1 is representatively described as the M section. Wiring 1 connected to the substrate of MOSFET4,5
4, 15 are switches 16A, 16B, 17A, respectively.
17B, these switches are configured as pass transistors, and serve as circuit elements for changing the substrate potential. That is, the substrate voltage can be changed by switching the switch group. For example, the switch 16A is connected to -5V, the switch 16B is connected to 0V, the switch 17A is connected to 1V, and the switch 17B is connected to 6V. In this case, the nMOSFET 4 and the pMOSF
Each substrate is connected to a different switch group in order to have a different substrate voltage level from ET5.

【0017】nMOSFET4については、各スイッチ
16A、16Bはそれぞれ異なる電位の配線につながっ
ている。一方のスイッチ16Bは、例えば0Vとソース
と同じ電位に、他のスイッチ16Aは−5V程度の電位
に設定されている。しきい値電圧は、基板電位が0Vの
時には0.2V程度であるが、基板電位が−5Vの時に
はしきい値は0.5V程度になる(図1参照)。pMO
SFET5の場合は、nMOSFETの場合とは丁度逆
になる。すなわち、2つのスイッチ17A、17Bの
内、一方のスイッチ17Aは1Vに設定し、他方のスイ
ッチ17Bは6Vに設定しておく。そして、しきい値電
圧を低くしておきたい時には基板電圧を電源電圧、例え
ば1Vと同じにしておく。そして、しきい値電圧を高く
したい時には、基板電圧を例えば6Vにつなぐようにす
る。
In the nMOSFET 4, the switches 16A and 16B are connected to wirings having different potentials. One switch 16B is set to, for example, 0V and the same potential as the source, and the other switch 16A is set to a potential of about -5V. The threshold voltage is about 0.2 V when the substrate potential is 0 V, but becomes about 0.5 V when the substrate potential is -5 V (see FIG. 1). pMO
In the case of SFET5, it is just the opposite of the case of nMOSFET. That is, of the two switches 17A and 17B, one switch 17A is set to 1V, and the other switch 17B is set to 6V. When it is desired to lower the threshold voltage, the substrate voltage is set to the same as the power supply voltage, for example, 1V. When it is desired to increase the threshold voltage, the substrate voltage is connected to, for example, 6V.

【0018】そのスイッチを実現する構成を図3に示
す。ここではスイッチ16A、16B、17A、17B
としてそれぞれMOSFETを用いるが、この場合、注
意しなければならないこととして、基板側がMOSFE
Tのソースになるような配線を行なうと、これはソース
フォロア回路となるので、避けなければならない。すな
わち、この理由はnMOSFETのソースを使って電位
を上げようとすると、ソースの電位がゲート電圧からし
きい値電圧を引いた値に達した時点でnMOSFETが
オフになってしまい、結果として駆動電位がしきい値分
だけ低くなってしまうというソースフォロア回路の不具
合を避けるためである。pMOSFETソースで電位を
下げるときにも、nMOSFETの場合と電位の方向が
反対になるだけで、同じような問題が起こる。従って、
これを防止するために、nMOSFETの基板に用いる
場合は、0V→−5Vに電圧を下げる時のスイッチ16
AにはnMOSFET18を用い、−5V→0Vに電圧
を上げる時のスイッチ16BにはpMOSFET19を
用いるようにする。
FIG. 3 shows a configuration for realizing the switch. Here, the switches 16A, 16B, 17A, 17B
In this case, it is necessary to be careful that the substrate side is a MOSFET.
If wiring is performed so as to be the source of T, this becomes a source follower circuit and must be avoided. That is, the reason is that if an attempt is made to increase the potential using the source of the nMOSFET, the nMOSFET is turned off when the potential of the source reaches a value obtained by subtracting the threshold voltage from the gate voltage. This is for avoiding a problem of the source follower circuit that becomes lower by the threshold value. A similar problem occurs when lowering the potential at the pMOSFET source, except that the direction of the potential is opposite to that of the nMOSFET. Therefore,
In order to prevent this, when used for the substrate of the nMOSFET, the switch 16 for lowering the voltage from 0V to -5V is used.
An nMOSFET 18 is used for A, and a pMOSFET 19 is used for the switch 16B when increasing the voltage from -5V to 0V.

【0019】同様に、pMOSFETの基板に用いる場
合には、6V→1Vに電圧を下げる時のスイッチ17A
にはnMOSFET20を用い、1V→6Vに電圧を上
げる時のスイッチ17Bには、pMOSFET21を用
いるようにする。また、これらのMOSFET18〜2
1の切り替え制御を行なうために、各ゲートに切り替え
制御信号を加える。このようにすることによって、基板
電圧を所定の値に確実にすることができる。そして、上
述のようにpMOSFETの基板に用いる場合は、電源
電圧、例えば1Vにつながっているスイッチ17Aはn
MOSFET20を使い、6Vに使う場合は、スイッチ
17BとしてpMOSFET21を使うようにする。こ
の時、nMOSFET20とpMOSFET21及び1
8と19は同じ信号の値に対して逆方向にON、OFF
するので、一本の配線で行なうことができ、非常にに好
都合である。
Similarly, when used for a substrate of a pMOSFET, the switch 17A for lowering the voltage from 6V to 1V is used.
, The pMOSFET 21 is used as the switch 17B when increasing the voltage from 1V to 6V. These MOSFETs 18 to 2
In order to perform the switching control of 1, a switching control signal is applied to each gate. By doing so, the substrate voltage can be reliably maintained at a predetermined value. In the case where the switch 17A is connected to the power supply voltage, for example, 1 V, as described above,
When the MOSFET 20 is used and used for 6 V, a pMOSFET 21 is used as the switch 17B. At this time, the nMOSFET 20 and the pMOSFETs 21 and 1
8 and 19 are ON and OFF in the opposite direction for the same signal value
Therefore, it can be performed with a single wiring, which is very convenient.

【0020】SRAMの書き込み、読み込みを同時に多
数のSRAM素子に対して行なう場合は、これらのスイ
ッチに使うMOSFETはSRAM素子一個一個につけ
る必要はなく、多数のSRAMに対して1個〜数個でよ
い。このような構成により、書き込み時と読み込み時
(保持動作時)で切り替え制御信号の”0”、”1”を
切り替えることで、それぞれのSRAM部の基板電位を
容易に変更することができる。これにより、書き換え速
度を速くでき、しかも保持時の消費電力を少なくするこ
とができる。
When writing and reading of SRAMs are simultaneously performed on a large number of SRAM elements, it is not necessary to attach MOSFETs for these switches to each of the SRAM elements, but one to several MOSFETs for many SRAMs. Good. With such a configuration, by switching the switching control signal between “0” and “1” at the time of writing and at the time of reading (at the time of holding operation), the substrate potential of each SRAM unit can be easily changed. As a result, the rewriting speed can be increased, and the power consumption during holding can be reduced.

【0021】ところで、上述したように基板電圧の変更
によってしきい値電圧を変える方法は、SRAM素子に
のみ用いるというものではなく、論理回路部にも適用す
ることができる。SRAMの場合は、書き込み時と読み
込み時とで区別を行なっていたが、論理回路の部分で
は、その論理回路部がアクティブ状態にあるかスリープ
状態にあるかによって区別する。論理回路が高速に論理
計算を実行できる状態、つまりしきい値電圧が低い状態
がアクティブ状態であり、論理回路が計算能力は低いが
リーク電流が少ない状態がスリープ状態である。アクテ
ィブとスリープの状態の制御は、論理回路部でブロック
毎に細かく制御を行なってもよいのではあるが、ここで
は簡単のため、LSIとしての半導体装置全体がアクテ
ィブ状態、或いはスリープ状態に入るものとして議論を
進める。
Incidentally, as described above, the method of changing the threshold voltage by changing the substrate voltage is not limited to using only the SRAM element, but can be applied to a logic circuit portion. In the case of the SRAM, the distinction is made between the time of writing and the time of reading, but in the case of the logic circuit, the distinction is made depending on whether the logic circuit is in the active state or the sleep state. A state in which the logic circuit can execute logic calculation at high speed, that is, a state in which the threshold voltage is low is an active state, and a state in which the logic circuit has a low calculation capability but a small leak current is a sleep state. The control of the active and sleep states may be finely controlled for each block in the logic circuit unit, but here, for simplicity, the entire semiconductor device as an LSI enters the active state or sleep state. The discussion will proceed as follows.

【0022】この場合には、この半導体装置には論理回
路部とSRAM部の状態に応じて4つのモードがある。
図4にその態様を示す。つまり論理回路部もSRAMも
アクティブ状態(しきい値が低い状態)をAAモード、
論理回路部はスリープの状態だがSRAMの書き込みは
速くアクティブな状態をSAモード、論理回路部は高速
に実行できるアクティブ状態だがSRAMはスリープで
読み込み専用の状態をASモード、論理回路部もSRA
Mもスリープ状態で半導体装置全体がスリープ状態(待
機状態)になっているSSモードの4つである。
In this case, the semiconductor device has four modes according to the states of the logic circuit section and the SRAM section.
FIG. 4 shows this mode. That is, the active state (the state where the threshold value is low) of both the logic circuit portion and the SRAM is set to the AA mode,
The logic circuit section is in a sleep state but the SRAM writing is fast and active state is in the SA mode. The logic circuit section is in an active state that can be executed at high speed but the SRAM is in the sleep and read-only state in the AS mode. The logic circuit section is also in the SRA mode.
M is also a sleep state, and there are four SS modes in which the entire semiconductor device is in a sleep state (standby state).

【0023】この4つの状態を制御することによって、
半導体装置の一定の消費電力当たりの計算能力を最大に
することができる。ここでは、その制御を外部のCPU
が行なうものとして、その方法を述べる。図5にその概
念図を示す。外部のCPU22からの信号は2つのピン
23、24で制御できるものとする。一方のピン23は
論理回路部25のアクティブとスリープのモードを制御
するピン(論理回路制御ピン)であり、他方のピン24
はSRAM1のアクティブとスリープを制御するピン
(SRAM制御ピン)である。どちらもここでは例え
ば”1”がアクティブで”0”がスリープとする。尚、
図中、26は種々のプログラムを記憶するROMであ
り、27はデータラインである。
By controlling these four states,
The calculation capability of the semiconductor device per a certain power consumption can be maximized. Here, the control is performed by an external CPU.
The method is described below. FIG. 5 shows a conceptual diagram thereof. A signal from the external CPU 22 can be controlled by two pins 23 and 24. One pin 23 is a pin (logic circuit control pin) for controlling the active and sleep modes of the logic circuit unit 25, and the other pin 24
Is a pin (SRAM control pin) for controlling the activation and sleep of the SRAM 1. In both cases, for example, "1" is active and "0" is sleep. still,
In the figure, 26 is a ROM for storing various programs, and 27 is a data line.

【0024】まず、半導体装置がFPGAとすると最初
にROM26からプログラムを読み込む動作をする。こ
の時に高速に読み込むためにSRAM制御ピン24が”
1”となる。この時に論理回路制御ピン23は2つの選
択肢がある。1つはアクティブの状態で待機しているも
ので、この時は読み込みが終わったら直ちに実行したい
場合である。また、スリープ状態でSRAM1のプログ
ラムが読み込まれるのを待っている状態がある。論理回
路部25がスリープからアクティブになるには、SRA
M1の読み込みにかかる時間よりもはるかに短いために
このようなことをしても、問題が起こらない場合の方が
多い。
First, assuming that the semiconductor device is an FPGA, an operation of first reading a program from the ROM 26 is performed. At this time, the SRAM control pin 24 is set to "
1 ". At this time, there are two options for the logic circuit control pin 23. One is in an active state and is in a standby state. In this case, it is desired to execute the operation immediately after reading is completed. There is a state where the logic circuit unit 25 is waiting for a program to be read from the SRAM 1. To activate the logic circuit unit 25 from sleep, the SRA
In many cases, this does not cause a problem because the time required for reading M1 is much shorter.

【0025】プログラムの読み込みが終了すると、SR
AM制御ピン24はスリープの命令、すなわち”0”を
出す。すると、SRAM1のしきい値電圧が高くなって
リーク電流が減少した状態になる。そして、そのプログ
ラムによって、FPGAは動作を始める。全ての動作を
一旦中断して、待機状態になる時には、論理回路制御ピ
ン23もSRAM制御ピン24も”0”になって、待機
状態になる。この時には非常にゆっくりとした動作速度
でなら動作は可能である。また、全ての状態を保存した
まま待機しているので、一旦、論理回路制御ピン23
が”1”になると、再び高速動作にすばやく復帰するこ
とが可能である。
When the reading of the program is completed, the SR
The AM control pin 24 issues a sleep command, that is, "0". Then, the threshold voltage of the SRAM 1 is increased, and the leak current is reduced. Then, the FPGA starts operating according to the program. When all operations are temporarily interrupted to enter the standby state, both the logic circuit control pin 23 and the SRAM control pin 24 become "0", and the apparatus enters the standby state. At this time, operation is possible at a very slow operation speed. Also, since all the states are kept on standby, the logic circuit control pin 23
Becomes "1", it is possible to quickly return to the high-speed operation again.

【0026】また、動作中にSRAM1の中身のプログ
ラムを書き換えたいという要望が生じた時、再びSRA
M制御ピン24を”1”にして、新しいプログラムをR
OM26からローディングする。そして、ローディング
が終わると、SRAM制御ピン24を”0”に戻す。こ
のように、SRAM1及び論理回路部25は共に、アク
ティブ時には高速動作が可能であり、また、待機時には
その消費電力を最小にすることができる。
When a request to rewrite the program in the SRAM 1 arises during the operation, the SRA
Set the M control pin 24 to “1” and set the new program to R
Load from OM26. When the loading is completed, the SRAM control pin 24 is returned to "0". As described above, both the SRAM 1 and the logic circuit unit 25 can operate at high speed when active, and can minimize power consumption during standby.

【0027】さて、以上の実施例では基板電位の変更の
方法として、外部から供給する電位にスイッチを通して
切り替える方法を示してきたが、別の方法として基板電
位の変更用の回路素子として一種のポンピング回路を用
いる方法がある。図6のその概念図を示す。ここでは、
n型基板の表面にpウエル28を設け、ここに例えばS
RAMのnMOSFET4が設けられている。そして、
この基板、すなわち、pウエル28にスイッチA、
A’、B、B’と容量29よりなるポンピング回路30
を接続している。
In the above embodiment, a method of changing the substrate potential through a switch has been described as a method of changing the substrate potential. Alternatively, a type of pumping may be used as a circuit element for changing the substrate potential. There is a method using a circuit. FIG. 7 shows the conceptual diagram of FIG. 6. here,
A p-well 28 is provided on the surface of the n-type substrate, for example, S
The nMOSFET 4 of the RAM is provided. And
This substrate, that is, a switch A,
Pumping circuit 30 including A ', B, B' and capacitor 29
Are connected.

【0028】このポンピング回路30の動作は次のよう
である。まず、スイッチA、A’が開き、スイッチB、
B’が閉じて容量29にVddの電圧の充電が行なわれ
る。次に、スイッチA、A’が閉じてスイッチB、B’
が開いてnMOSFET4の基板(ウエル28)がマイ
ナスの方向に充電される。これを複数回繰り返し行なっ
て、目的とする基板電位に達する。pウエル28の電位
をグランドに戻すときには、スイッチA、Bを開いてス
イッチA’、B’を閉じれば、直ちにグランドのレベル
に戻すことができる。このようなポンピング回路30を
SRAM用と論理回路用の2つ用意しておけば、これま
での説明した動作と同様のことを行なうことができる。
尚、上記実施例における基板電位の値は、単に一例を示
したに過ぎず、これに限定されないのは勿論である。
The operation of the pumping circuit 30 is as follows. First, switches A and A 'open, and switches B and
B ′ is closed and the capacitor 29 is charged with the voltage of Vdd. Next, the switches A and A 'are closed and the switches B and B'
Is opened, and the substrate (well 28) of the nMOSFET 4 is charged in the negative direction. This is repeated a plurality of times to reach the target substrate potential. To return the potential of the p-well 28 to the ground, the switches A and B can be opened and the switches A 'and B' can be closed to immediately return to the ground level. If two such pumping circuits 30 are prepared for the SRAM and the logic circuit, the same operation as that described above can be performed.
It should be noted that the value of the substrate potential in the above embodiment is merely an example, and is not limited to this.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体装
置によれば、次のように優れた作用効果を発揮すること
ができる。半導体装置内のSRAM部の基板電位を所定
の回路素子、例えばスイッチやポンピング回路により変
更するようにしたので、MOSFETのしきい値電圧を
任意に変えることができる。従って、SRAM部の書き
込み時には、しきい値電圧を下げて高速動作を可能と
し、また、保持時や読み出し時にはしきい値電圧を上げ
て消費電力を抑制することができ、必要時における高速
動作と全体としての消費電力の抑制を同時に実現するこ
とができる。また、SRAM部に加えて論理回路部を有
している場合には、個々の部位の状態、例えば待機状態
であるか活動状態であるかに応じてしきい値電圧を個別
に制御でき、全体の消費電力を抑制しつつ必要時におけ
る高速動作を実現することができる。
As described above, according to the semiconductor device of the present invention, the following excellent functions and effects can be exhibited. Since the substrate potential of the SRAM portion in the semiconductor device is changed by a predetermined circuit element, for example, a switch or a pumping circuit, the threshold voltage of the MOSFET can be arbitrarily changed. Therefore, at the time of writing in the SRAM portion, the threshold voltage is lowered to enable high-speed operation. At the time of holding and reading, the threshold voltage is increased to suppress power consumption. It is possible to simultaneously suppress the power consumption as a whole. When a logic circuit is provided in addition to the SRAM, the threshold voltage can be individually controlled according to the state of each part, for example, whether the apparatus is in a standby state or an active state. High-speed operation when required while suppressing the power consumption of the device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】基板効果を説明するために基板電位としきい値
電圧との関係を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing a relationship between a substrate potential and a threshold voltage for explaining a substrate effect.

【図2】基板電位を切り替えるための原理図である。FIG. 2 is a principle diagram for switching a substrate potential.

【図3】基板電位の切換のスイッチをMOSFETで構
成した場合の回路図である。
FIG. 3 is a circuit diagram in a case where a switch for switching a substrate potential is constituted by a MOSFET.

【図4】論理回路部とSRAM部の状態に応じた4つの
モードを示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating four modes according to states of a logic circuit unit and an SRAM unit.

【図5】半導体装置が論理回路部とSRAM部を有する
時の基板電圧の制御態様を説明するための説明図であ
る。
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a control mode of a substrate voltage when the semiconductor device has a logic circuit portion and an SRAM portion.

【図6】基板電位の変更用の回路素子としてポンピング
回路を用いた時の概略回路構成図である。
FIG. 6 is a schematic circuit diagram when a pumping circuit is used as a circuit element for changing a substrate potential.

【図7】1つのSRAMを示す構成図である。FIG. 7 is a configuration diagram showing one SRAM.

【図8】SRAMをMOSFETで構成した時の回路構
成図である。
FIG. 8 is a circuit configuration diagram when the SRAM is configured by MOSFETs.

【図9】SRAMの選択を行なうための回路構成図であ
る。
FIG. 9 is a circuit configuration diagram for selecting an SRAM.

【図10】トランジスタのゲート電圧とドレイン電流の
関係を示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing a relationship between a gate voltage and a drain current of a transistor.

【図11】SRAMによって負荷容量に対して充放電を
行なう時の状態を示す構成図である。
FIG. 11 is a configuration diagram showing a state when charging / discharging a load capacity by an SRAM;

【図12】インバータを構成する一対のトランジスタに
流れる貫通電流を説明するための図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating a through current flowing through a pair of transistors included in the inverter.

【図13】リーク電流を説明するための説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining a leak current.

【図14】FPGAを示す概念図である。FIG. 14 is a conceptual diagram showing an FPGA.

【図15】1個のSRAMによってパストランジスタを
スイッチングする場合を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing a case where a pass transistor is switched by one SRAM.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…SRAM(SRAM部)、4,5…SRAM部のM
OSFET、16A,16B,17A,17B…スイッ
チ、18,19,20,21…パストランジスタとして
のMOSFET(基板電位変更用の回路素子)、30…
ポンピング回路(基板電位変更用の回路素子)。
1 ... SRAM (SRAM section), 4, 5 ... M of SRAM section
OSFET, 16A, 16B, 17A, 17B ... switch, 18, 19, 20, 21 ... MOSFET (circuit element for changing substrate potential) as pass transistor, 30 ...
Pumping circuit (circuit element for changing substrate potential).

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 SRAM部を有する半導体装置におい
て、前記SRAM部の基板電位を選択的に変更させる回
路素子を設け、この回路素子により前記SRAM部のM
OSFETのしきい値電圧を変えるように構成したこと
を特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device having an SRAM section, a circuit element for selectively changing a substrate potential of the SRAM section is provided, and the circuit element is used to control the M of the SRAM section.
A semiconductor device characterized in that a threshold voltage of an OSFET is changed.
【請求項2】 前記SRAM部は複数に分割されてお
り、分割部分毎に基板電位を変更させるように構成した
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said SRAM section is divided into a plurality of sections, and wherein a substrate potential is changed for each divided section.
【請求項3】 前記回路素子は、前記基板電位を有する
外部との間を接続するスイッチであることを特徴とする
請求項1または2記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said circuit element is a switch for connecting to an outside having said substrate potential.
【請求項4】 前記スイッチは、MOSFETよりなる
パストランジスタより構成されることを特徴とする請求
項3記載の半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein said switch comprises a pass transistor comprising a MOSFET.
【請求項5】 前記パストランジスタは、前記基板電位
を下げる場合にはnMOSFETを用い、前記基板電位
を上げる場合にはpMOSFETを用いることを特徴と
する請求項4記載の半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the pass transistor uses an nMOSFET when lowering the substrate potential, and uses a pMOSFET when raising the substrate potential.
【請求項6】 前記半導体装置は、前記回路素子として
ポンピング回路を有し、前記基板電位は、前記ポンピン
グ回路により供給されることを特徴とする請求項1また
は2記載の半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device has a pumping circuit as the circuit element, and the substrate potential is supplied by the pumping circuit.
【請求項7】 前記SRAM部のMOSFETは、書き
込み時にはしきい値電圧を下げるように基板電位を設定
し、保持時にはしきい値電圧を上げるように基板電位を
設定することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに
記載の半導体装置。
7. The MOSFET of the SRAM section, wherein a substrate potential is set so as to lower a threshold voltage at the time of writing and a substrate potential is set so as to raise the threshold voltage at the time of holding. 7. The semiconductor device according to any one of 1 to 6.
【請求項8】 前記半導体装置は、フィールド・プログ
ラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)であることを特
徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体装
置。
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein said semiconductor device is a field programmable gate array (FPGA).
【請求項9】 前記半導体装置は論理回路部を有し、こ
の論理回路部は前記SRAM部とは別に基板電位の制御
が可能になされてしきい値電圧を変更できるように構成
されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか
に記載の半導体装置。
9. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a logic circuit portion, wherein the logic circuit portion is configured to be capable of controlling a substrate potential and changing a threshold voltage separately from the SRAM portion. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
【請求項10】 前記論理回路部の基板電位は、待機時
にはしきい値電圧が高くなり、活動状態の時にはしきい
値電圧が低くなるように設定されることを特徴とする請
求項9記載の半導体装置。
10. The substrate potential of the logic circuit unit according to claim 9, wherein the threshold voltage is set to be high in a standby state and to be low in an active state. Semiconductor device.
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