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JP5049691B2 - Semiconductor integrated circuit - Google Patents

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JP5049691B2 JP2007204090A JP2007204090A JP5049691B2 JP 5049691 B2 JP5049691 B2 JP 5049691B2 JP 2007204090 A JP2007204090 A JP 2007204090A JP 2007204090 A JP2007204090 A JP 2007204090A JP 5049691 B2 JP5049691 B2 JP 5049691B2
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Description

本発明は、半導体集積回路、さらにはそれにおける製造後のばらつきに対して高速性能または低消費電力性能に特化して最適化を行うための技術に関する。   The present invention relates to a semiconductor integrated circuit, and further to a technique for optimizing a high-speed performance or a low power consumption performance with respect to variations after manufacture in the semiconductor integrated circuit.

半導体製造プロセスの微細化により、MOSトランジスタのしきい値電圧(Vth)のばらつきが増大している。Vthばらつきによって製造後のMOSトランジスタのVthが低下するとサブスレショルドリーク電流と呼ばれるリーク電流が増加し、回路の消費電力が増加する。またVthばらつきによって製造後のMOSトランジスタのVthが上昇するとトランジスタのオン電流が減少し、回路の動作速度が低下し、LSI(Large Scale Integrated circuit:大規模集積回路)の動作性能が低下する。製造後のLSIの動作時にVthを調整する技術として、基板バイアス技術が知られている。MOSトランジスタが形成された半導体基板(CMOSの場合には、「ウエル」と呼ばれる)に所定の基板バイアス電圧を印加することにより、Vthを変化させることができる。特許文献1では、複数のMOSトランジスタを含む回路ブロックごとに基板バイアス電圧を印加して、MOSトランジスタのVthを変化させる技術が開示されている。また特許文献2では、回路中の速度を律速するパスに含まれる回路素子を構成するMOSトランジスタのみの基板電極を接続して、その基板電極のみにVthを低下させる基板バイアス電圧を印加する技術が開示されている。   With the miniaturization of the semiconductor manufacturing process, the variation of the threshold voltage (Vth) of the MOS transistor is increasing. When Vth of the manufactured MOS transistor decreases due to variations in Vth, a leakage current called a subthreshold leakage current increases and the power consumption of the circuit increases. Further, when Vth of a manufactured MOS transistor increases due to variations in Vth, the on-current of the transistor decreases, the operation speed of the circuit decreases, and the operation performance of an LSI (Large Scale Integrated circuit) decreases. A substrate bias technique is known as a technique for adjusting Vth during operation of an LSI after manufacture. Vth can be changed by applying a predetermined substrate bias voltage to a semiconductor substrate (referred to as “well” in the case of CMOS) on which a MOS transistor is formed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-151561 discloses a technique for changing a Vth of a MOS transistor by applying a substrate bias voltage to each circuit block including a plurality of MOS transistors. Patent Document 2 discloses a technique for connecting a substrate electrode of only a MOS transistor constituting a circuit element included in a path that controls a speed in a circuit and applying a substrate bias voltage for reducing Vth only to the substrate electrode. It is disclosed.

特開2000−286387号公報JP 2000-286387 A 特開2004−172627号公報JP 2004-172627 A

LSIを製造するプロセス技術の進展により、LSI中のトランジスタの微細化が進展している。例えば、2006年にはトランジスタのゲート長が50nmという微細なトランジスタの量産が行われている。トランジスタの微細化が進展するとトランジスタのVthのばらつきが増大し、実際に製造された回路を構成するトランジスタのVthが、設計時のトランジスタのVthから大きくずれてしまう。例えば、設計時のVthよりも製造時のVthが低下した場合には、トランジスタのリーク電流の増加により消費電力が増大し、消費電力スペックを満すことができなくなる。また逆に設計時のVthよりも製造時のVthが高くなった場合にはトランジスタの動作電流が低下し、動作速度が低下し、動作速度のスペックを満すことができなくなる。それぞれスペックを満足できないLSIに関しては、良品として出荷できないため、製造歩留まりを大きく低下させてしまう。   With the progress of process technology for manufacturing LSIs, miniaturization of transistors in LSIs is progressing. For example, in 2006, mass production of fine transistors having a transistor gate length of 50 nm was carried out. As transistor miniaturization progresses, the variation in Vth of the transistor increases, and the Vth of the transistor that actually constitutes the manufactured circuit greatly deviates from the Vth of the transistor at the time of design. For example, when the Vth at the time of manufacture is lower than the Vth at the time of design, the power consumption increases due to an increase in the leakage current of the transistor, and the power consumption specification cannot be satisfied. Conversely, when the Vth at the time of manufacture becomes higher than the Vth at the time of design, the operating current of the transistor decreases, the operating speed decreases, and the operating speed specification cannot be satisfied. LSIs that do not satisfy the specifications cannot be shipped as non-defective products, which greatly reduces the manufacturing yield.

上記特許文献1では、複数のMOSトランジスタを含む回路ブロックごとに基板バイアスを制御して回路ブロックの動作性能を調整している。この技術では、回路ブロック単位で構成するMOSトランジスタのVthを制御するが、トランジスタの微細化とともに回路ブロックに含まれるトランジスタ規模が増大するおそれがある。また、その回路ブロック内のトランジスタの性能ばらつきは改善されない。さらに、トランジスタのばらつきによって変動したVthを最適化するために基板バイアス電位を変化させてVthを調整する場合、ばらつきによってどの程度Vthが変動したかを測定する必要がある。しかし、回路ブロック内には多数のトランジスタが含まれており、回路全体のトランジスタのVthの変動を測定することは難しく、さらに基板バイアスを決定するために測定するトランジスタを選択するのも困難となる。   In Patent Document 1, the operation performance of a circuit block is adjusted by controlling the substrate bias for each circuit block including a plurality of MOS transistors. In this technique, Vth of a MOS transistor configured in a circuit block unit is controlled. However, there is a possibility that the scale of a transistor included in a circuit block may increase with the miniaturization of the transistor. Further, the performance variation of the transistors in the circuit block is not improved. Further, when adjusting the Vth by changing the substrate bias potential in order to optimize the Vth changed due to the variation of the transistors, it is necessary to measure how much the Vth has changed due to the variation. However, since the circuit block includes a large number of transistors, it is difficult to measure the variation of Vth of the transistors in the entire circuit, and it is also difficult to select the transistor to be measured in order to determine the substrate bias. .

上記特許文献2では、回路の速度性能に影響を与えるトランジスタのみのVthを低下させて速度を向上させるように基板バイアスを印加することが可能である。しかし速度性能に影響を与えるトランジスタはLSIの製造前の回路設計時に決定する必要があるため、トランジスタのVthばらつきによって変動した性能を補償することはできない。さらに、細かく基板バイアスを制御する必要があるため、面積オーバヘッドが大きい。   In Patent Document 2, it is possible to apply a substrate bias so as to improve the speed by lowering Vth of only the transistors that affect the speed performance of the circuit. However, since the transistor that affects the speed performance needs to be determined at the time of circuit design before manufacturing the LSI, it is not possible to compensate for the performance changed due to the Vth variation of the transistor. Furthermore, since it is necessary to finely control the substrate bias, the area overhead is large.

本発明の目的は、LSI中のMOSトランジスタのVthばらつきを補償することにより、回路設計時の性能を確保し、製造歩留りの向上を図ることにある。   An object of the present invention is to ensure the performance at the time of circuit design and to improve the manufacturing yield by compensating for the Vth variation of the MOS transistor in the LSI.

本発明の上記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及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 be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち代表的なものについて簡単に説明すれば下記のとおりである。   A representative one of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.

すなわち、半導体集積回路は、入力データをクロック信号に同期して記憶可能な第1フリップフロップと、上記第1フリップフロップの出力信号を取り込む組み合わせ回路と、上記組み合わせ回路の出力信号を上記クロック信号に同期して記憶可能な第2フリップフロップとを備える。このとき、上記第1フリップフロップと上記第2フリップフロップとで挟まれた上記組み合わせ回路毎に、上記組み合わせ回路を構成するトランジスタのしきい値電圧を調整可能なしきい値調整回路を設ける。このことが、製造歩留りの向上を達成する。   That is, the semiconductor integrated circuit includes a first flip-flop capable of storing input data in synchronization with a clock signal, a combinational circuit that captures an output signal of the first flip-flop, and an output signal of the combinational circuit as the clock signal. And a second flip-flop capable of storing in synchronization. At this time, for each combinational circuit sandwiched between the first flip-flop and the second flip-flop, a threshold adjustment circuit capable of adjusting the threshold voltage of the transistors constituting the combinational circuit is provided. This achieves an improvement in manufacturing yield.

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下記の通りである。   The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.

すなわち、LSI中のMOSトランジスタのVthばらつきを補償することにより、回路設計時の性能を確保し、製造歩留りの向上を達成することができる。   That is, by compensating for the Vth variation of the MOS transistor in the LSI, it is possible to ensure the performance at the time of circuit design and to improve the manufacturing yield.

1.代表的な実施の形態
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。
1. Representative Embodiment First, an outline of a typical embodiment of the invention disclosed in the present application will be described. The reference numerals of the drawings referred to with parentheses in the outline description of the representative embodiments merely exemplify what are included in the concept of the components to which the reference numerals are attached.

〔1〕本発明の代表的な実施の形態に係る半導体集積回路(SOC)は、入力データをクロック信号に同期して記憶可能な第1フリップフロップ(FF1)と、上記第1フリップフロップの出力信号を取り込む組み合わせ回路(LOGIC1)と、上記組み合わせ回路の出力信号を上記クロック信号に同期して記憶可能な第2フリップフロップ(FF2)とを備える。そして、上記第1フリップフロップと上記第2フリップフロップとで挟まれた上記組み合わせ回路毎に、上記組み合わせ回路を構成するトランジスタのしきい値電圧を調整可能なしきい値調整回路(100)を設ける。   [1] A semiconductor integrated circuit (SOC) according to a typical embodiment of the present invention includes a first flip-flop (FF1) capable of storing input data in synchronization with a clock signal, and an output of the first flip-flop. A combinational circuit (LOGIC1) that captures signals, and a second flip-flop (FF2) that can store an output signal of the combinational circuit in synchronization with the clock signal. A threshold adjustment circuit (100) capable of adjusting the threshold voltage of the transistors constituting the combination circuit is provided for each combination circuit sandwiched between the first flip-flop and the second flip-flop.

〔2〕上記組み合わせ回路には、pチャネル型MOSトランジスタ(PMOS)と、nチャネル型MOSトランジスタ(NMOS)とが含まれ、互いに導電型が等しいMOSトランジスタ毎にバックゲートが共通接続される。   [2] The combination circuit includes a p-channel MOS transistor (PMOS) and an n-channel MOS transistor (NMOS), and back gates are commonly connected to the MOS transistors having the same conductivity type.

〔3〕上記しきい値調整回路は、pチャネル型MOSトランジスタのバックゲートを調整可能な第1調整回路(10)と、nチャネル型MOSトランジスタのバックゲートを調整可能な第2調整回路(20)とを含む。   [3] The threshold adjustment circuit includes a first adjustment circuit (10) capable of adjusting a back gate of a p-channel MOS transistor and a second adjustment circuit (20) capable of adjusting a back gate of an n-channel MOS transistor. ).

〔4〕上記第1調整回路は、pチャネル型MOSトランジスタについてのバックゲート電位制御情報を保持可能な第1レジスタ(REG1)と、上記第1レジスタの保持情報に基づいて、上記pチャネル型MOSトランジスタのバックゲートの電位を変更可能な第1制御回路(VBPCNT)と、上記nチャネル型MOSトランジスタについてのバックゲート電位制御情報を保持可能な第2レジスタ(REG2)と、上記第2レジスタ保持情報に基づいて、上記nチャネル型MOSトランジスタのバックゲートの電位を変更可能な第2制御回路(VBNCNT)とを含む。   [4] The first adjustment circuit includes a first register (REG1) capable of holding back gate potential control information for the p-channel MOS transistor, and the p-channel MOS based on the held information in the first register. A first control circuit (VBPCNT) capable of changing the potential of the back gate of the transistor; a second register (REG2) capable of holding back gate potential control information for the n-channel MOS transistor; and the second register holding information. And a second control circuit (VBNCNT) capable of changing the potential of the back gate of the n-channel MOS transistor.

〔5〕上記第1制御回路及び上記第2制御回路は、上記バックゲート電位制御情報に基づいて、互いにレベルが異なる複数の電位を選択的に上記複数のトランジスタのバックゲートに供給可能なセレクタを含んで成る請求項4記載の半導体集積回路。   [5] The first control circuit and the second control circuit may include a selector that can selectively supply a plurality of potentials having different levels to the back gates of the plurality of transistors based on the back gate potential control information. 5. The semiconductor integrated circuit according to claim 4, further comprising:

〔6〕上記組み合わせ回路は、上記トランジスタによってデータパスを形成する。   [6] In the combinational circuit, a data path is formed by the transistor.

〔7〕上記組み合わせ回路を形成するトランジスタは、拡散層、ウエル領域、及び上記拡散層とウエル領域との間に介在された絶縁膜(BOX)を含んで成る。上記ウエル領域がバックゲートとされる。   [7] The transistor forming the combinational circuit includes a diffusion layer, a well region, and an insulating film (BOX) interposed between the diffusion layer and the well region. The well region is used as a back gate.

〔8〕上記第1フリップフロップ及び第2フリップフロップ回路は、入力された信号がタイミング制約を満たすか否かの判別を可能とする判定回路(EOR)を含んで成る。   [8] The first flip-flop circuit and the second flip-flop circuit include a determination circuit (EOR) that can determine whether or not an input signal satisfies a timing constraint.

〔9〕上記組み合わせ回路は、上記バックゲートに給電するための給電セル(BBCELL)を含み、上記給電セルは、それぞれ所定の論理機能を有する複数の論理セルに対し1個の割合で配置される。   [9] The combination circuit includes a power supply cell (BBCELL) for supplying power to the back gate, and the power supply cells are arranged at a ratio of one to a plurality of logic cells each having a predetermined logic function. .

〔10〕上記組み合わせ回路の動作速度が設計値より早い場合、上記しきい値調整回路により、上記トランジスタのバックゲートに負のバイアス電圧が供給されることでしきい値電圧が上昇され、上記組み合わせ回路の動作速度が設計値より遅い場合、上記しきい値調整回路により、上記トランジスタのバックゲートに正のバイアス電圧が供給されることでしきい値電圧が低下される。   [10] When the operating speed of the combinational circuit is faster than a design value, the threshold voltage is raised by supplying a negative bias voltage to the back gate of the transistor by the threshold adjustment circuit. When the operation speed of the circuit is slower than the design value, the threshold voltage is lowered by supplying a positive bias voltage to the back gate of the transistor by the threshold adjustment circuit.

2.実施の形態の説明
<第1実施形態>
図22には、本発明にかかる半導体集積回路の一例とされるマイクロコンピュータが示される。
2. DESCRIPTION OF EMBODIMENT <First Embodiment>
FIG. 22 shows a microcomputer as an example of a semiconductor integrated circuit according to the present invention.

このマイクロコンピュータは、特に制限されないが、公知の半導体集積回路製造技術により、単結晶シリコン基板等の一つの半導体基板に形成される。   The microcomputer is not particularly limited, but is formed on one semiconductor substrate such as a single crystal silicon substrate by a known semiconductor integrated circuit manufacturing technique.

図22において、SOCはマイクロコンピュータが形成される半導体チップ、CPUはプロセッサ、ALUはプロセッサ内のデータパス等の演算回路、CONTはCPU内の制御回路、DREGはCPU内のレジスタ回路、CACHEはCPUのキャッシュメモリ、SRAMはSOCに内蔵される内蔵メモリ、IPはさまざまな機能をもった回路ブロック、BUSはバスを制御する回路、I/Oは入出力回路を制御する回路である。ここに示されている、ALUやCONT、IP内には、FFによって挟まれた複数の組み合わせ回路が搭載されており、その回路毎に基板バイアスが調整されることで、組み合わせ回路毎の性能が最適化される。   In FIG. 22, SOC is a semiconductor chip on which a microcomputer is formed, CPU is a processor, ALU is an arithmetic circuit such as a data path in the processor, CONT is a control circuit in the CPU, DREG is a register circuit in the CPU, and CACHE is a CPU The cache memory, SRAM is a built-in memory built in the SOC, IP is a circuit block having various functions, BUS is a circuit for controlling the bus, and I / O is a circuit for controlling the input / output circuit. In the ALU, CONT, and IP shown here, a plurality of combinational circuits sandwiched between FFs are mounted. By adjusting the substrate bias for each circuit, the performance of each combinational circuit is improved. Optimized.

ここでは、nチャネル型MOSトランジスタに逆バイアスを印加する場合にはpチャネル型MOSトランジスタにも逆バイアスを印加する場合について示す。尚、nチャネル型MOSトランジスタとpチャネル型MOSトランジスタのVthが別々にばらつく場合には、それぞれの基板バイアスを制御するためのレジスタに異なるデータを格納すれば別々の基板バイアスに制御することができる。   Here, a case where a reverse bias is applied to an n-channel MOS transistor will be described. When the Vth of the n-channel MOS transistor and the p-channel MOS transistor varies separately, different substrate biases can be controlled by storing different data in the registers for controlling the respective substrate biases. .

また、ここでは3種類の電圧を切り替える方法を示したが、2種類や4種類以上の電圧を切り替える方法をとった場合にも、Vthを制御できる範囲は異なるが基本的な効果は同等であり、同様の回路構成で実現可能である。   Although the method of switching three types of voltages is shown here, the basic effect is the same even if the method of switching two or more types of voltages is used, although the range in which Vth can be controlled is different. It can be realized with a similar circuit configuration.

図1には、上記SOCにおける主要部の構成例が示される。   FIG. 1 shows a configuration example of a main part in the SOC.

図1において、FF1,FF2はデータを保持するフリップフロップ、LOGIC1はFF1,FF2間にはさまれた組み合わせ回路、NAND1はNAND回路、INV1はインバータ回路、REG1,REG2は、バックゲート電位を制御するためのデータを保存するレジスタ回路である。VDDは高電位側電源、VSSは低電位側電源である。VBPはLOGIC1内のpチャネル型MOSトランジスタPMOSの基板電位を給電する基板給電電源、VBNはLOGIC1内のnチャネル型MOSトランジスタNMOSの基板電位を給電する基板給電電源である。VBPCNTはVBP電位を制御する制御回路、VBNCNTはVBN電位を制御する制御回路、VBPSELはVBP電位を指定する信号、VBNSELはVBN電位を指定する信号、VBPS1〜VBPS3はVBPCNTで選択される電源電位を与える電源線、VBNS1〜VBNS3はVBNCNTで選択される電源電位を与える電源線である。本回路構成では、REGに記憶されているデータにしたがって、FF1,FF2間に存在する組み合わせ回路毎にnチャネル型MOSトランジスタ及びpチャネル型MOSトランジスタの基板電位を変化させることが可能である。   In FIG. 1, FF1 and FF2 are flip-flops for holding data, LOGIC1 is a combinational circuit sandwiched between FF1 and FF2, NAND1 is a NAND circuit, INV1 is an inverter circuit, and REG1 and REG2 control the back gate potential. It is a register circuit for storing data for the purpose. VDD is a high potential power source, and VSS is a low potential power source. VBP is a substrate power supply for supplying the substrate potential of the p-channel MOS transistor PMOS in LOGIC1, and VBN is a substrate power supply for supplying the substrate potential of the n-channel MOS transistor NMOS in LOGIC1. VBPCNT is a control circuit that controls the VBP potential, VBNCNT is a control circuit that controls the VBN potential, VBPSEL is a signal that specifies the VBP potential, VBNSEL is a signal that specifies the VBN potential, and VBPS1 to VBPS3 are power supply potentials selected by VBPCNT. The power supply lines VBNS1 to VBNS3 are power supply lines that supply a power supply potential selected by VBNCNT. In this circuit configuration, the substrate potentials of the n-channel MOS transistor and the p-channel MOS transistor can be changed for each combinational circuit existing between FF1 and FF2 in accordance with the data stored in the REG.

ここで、100はMOSトランジスタのしきい値電圧(Vth)を調整可能なしきい値調整回路である。このしきい値調整回路100は、pチャネル型MOSトランジスタのVthを調整可能な第1調整回路10と、nチャネル型MOSトランジスタのVthを調整可能な第2調整回路20とを含む。上記第1調整回路10は、上記REG1と上記VBPCNTとを含んで成る。上記VBPCNTは、VBPSELに従ってVBPS1,VBPS2,VBPS3を選択可能なセレクタSEL1を含む。
上記第2調整回路20は、上記REG2と上記VBNCNTとを含んで成る。上記VBNCNTは、VBNSELに従ってVBNS1,VBNS2,VBNS3を選択可能なセレクタSEL2を含む。
Here, 100 is a threshold adjustment circuit capable of adjusting the threshold voltage (Vth) of the MOS transistor. The threshold adjustment circuit 100 includes a first adjustment circuit 10 that can adjust the Vth of a p-channel MOS transistor, and a second adjustment circuit 20 that can adjust the Vth of an n-channel MOS transistor. The first adjustment circuit 10 includes the REG1 and the VBPCNT. The VBPCNT includes a selector SEL1 that can select VBPS1, VBPS2, and VBPS3 according to VBPSEL.
The second adjustment circuit 20 includes the REG2 and the VBNCNT. The VBNCNT includes a selector SEL2 that can select VBNS1, VBNS2, and VBNS3 in accordance with VBNSEL.

図2には、MOSトランジスタの断面が示される。   FIG. 2 shows a cross section of the MOS transistor.

図2において、GATEはゲート電極、DRAINはドレイン電極、SOURCEはソース電極、BAKC−GATEはバックゲート電極、STIは素子分離、SUBSTRATEはシリコン基板である。STIはSiO2などの絶縁体で構成された各トランジスタ素子を分離するための層である。MOSトランジスタではゲートの電圧を変化させることでソース−ドレイン間に流れる電流を変化させることができる。   In FIG. 2, GATE is a gate electrode, DRAIN is a drain electrode, SOURCE is a source electrode, BAKC-GATE is a back gate electrode, STI is element isolation, and SUBSTRATE is a silicon substrate. STI is a layer for isolating each transistor element made of an insulator such as SiO2. In the MOS transistor, the current flowing between the source and the drain can be changed by changing the gate voltage.

図3には、65nmプロセスのnチャネル型MOSトランジスタの電流特性(MOSトランジスタのゲート電圧とソース−ドレイン間の電流の関係)が示される。   FIG. 3 shows the current characteristics of the 65-nm process n-channel MOS transistor (the relationship between the gate voltage of the MOS transistor and the current between the source and drain).

ゲート電圧を0Vから1.0V程度に変化させることでソース−ドレイン間の電流が増加している様子がわかる。0V以下で電流が増加しているのは、GIDL(Gate Induced Drain Leakage)電流などのリーク電流が増加するためである。さらにトランジスタのバックゲートの電圧を変化させることで、電流特性が変化する。図3中のI1はnチャネル型MOSトランジスタのバックゲートの電圧を0.5Vに、I2はバックゲート電圧を0Vすなわちソース電圧と等しい電圧に、I3はバックゲート電圧を−1.0Vにした時の電流特性を示している。バックゲート電圧を印加することを「バックバイアス」と呼ぶ。バックゲート電圧がソース電圧と等しい状態をバックバイアス「0」とし、正の電圧を印加する状態をフォワードバックゲートバイアス(順方向基板バイアス)、負の電圧を印加する状態をリバースバックゲートバイアス(逆方向基板バイアス)と呼ぶ。フォワードバックゲートバイアスによれば、ソース−ドレイン間の電流が増加し、リバースバックゲートバイアスによれば、電流が減少する。またゲート電圧が0Vの時はトランジスタは動作していない状態であるが、ソース−ドレイン間には電流が流れており、この電流はサブスレショルドリーク電流と呼ばれ、回路が動作していなくても流れる電流である。このリーク電流が増加すると回路の消費電力が増加する。つまり、フォワードバイアスを印加すると、リーク電流が増加するため消費電力が増加し、逆にリバースバイアスを印加するとリーク電流が減少し消費電力が低減可能である。また、ゲート電圧が1.0Vの時のソース−ドレイン間の電流は「オン電流」と呼ばれ、回路が動作するために必要とされる電流である。オン電流が増加すると回路の動作速度が増加し、逆にオン電流が減少すると回路の動作速度が減少する。つまり、フォワードバックゲートバイアスによって回路の動作速度を向上でき、逆にリバースバックゲートバイアスによって回路の動作速度を低下させることができる。   It can be seen that the source-drain current is increased by changing the gate voltage from about 0V to about 1.0V. The reason why the current increases at 0 V or less is that leakage current such as GIDL (Gate Induced Drain Leakage) current increases. Further, the current characteristics change by changing the voltage of the back gate of the transistor. In FIG. 3, I1 is when the back gate voltage of the n-channel MOS transistor is 0.5V, I2 is 0V, that is, equal to the source voltage, and I3 is when the back gate voltage is -1.0V. The current characteristics are shown. The application of the back gate voltage is called “back bias”. A state in which the back gate voltage is equal to the source voltage is defined as a back bias “0”, a state in which a positive voltage is applied is a forward back gate bias (forward substrate bias), and a state in which a negative voltage is applied is a reverse back gate bias (reverse) Directional substrate bias). The forward back gate bias increases the current between the source and the drain, and the reverse back gate bias decreases the current. When the gate voltage is 0V, the transistor is not operating, but a current flows between the source and the drain. This current is called a subthreshold leakage current, and the circuit is not operating. It is a flowing current. When this leakage current increases, the power consumption of the circuit increases. That is, when the forward bias is applied, the leakage current increases, so that the power consumption increases. Conversely, when the reverse bias is applied, the leakage current decreases and the power consumption can be reduced. Further, the current between the source and drain when the gate voltage is 1.0 V is called “on-current” and is a current required for the circuit to operate. When the on-current increases, the operation speed of the circuit increases. Conversely, when the on-current decreases, the operation speed of the circuit decreases. That is, the operation speed of the circuit can be improved by the forward back gate bias, and conversely, the operation speed of the circuit can be reduced by the reverse back gate bias.

図4には、LSIを製造した際のトランジスタのしきい値(Vth)の分布が示される。   FIG. 4 shows a distribution of threshold values (Vth) of transistors when an LSI is manufactured.

トランジスタのVthは製造後に正規分布に従ってばらつくことがわかっている。例えば、図4中でVAR2の領域は設計時のVthとほぼ等しい値となり、電力及び動作速度性能がほぼ設計時と等しい値となる。またVAR1の領域ではVthの値が設計時より低くなるため、動作速度は設計時よりも高くなるが消費電力が増加する。逆にVAR3の領域では、Vthの値が設計時より高くなるため、設計時の値と比較して消費電力は低下するが、動作速度も低下する。   It has been found that the Vth of a transistor varies according to a normal distribution after manufacture. For example, in FIG. 4, the VAR2 region has a value substantially equal to Vth at the time of design, and the power and operation speed performance are values substantially equal to those at the time of design. In the VAR1 region, the value of Vth is lower than that at the time of design, so that the operation speed is higher than that at the time of design, but the power consumption increases. On the contrary, in the VAR3 region, the value of Vth is higher than that at the time of design, so that power consumption is reduced as compared with the value at the time of design, but the operation speed is also reduced.

図3及び図4からわかるように、トランジスタのVthばらつきによって電流特性が大きく変化し、回路性能に影響を与えることがわかる。特に、LSIの製造プロセスが130nmより大きい場合には、チップ内のトランジスタのVthの平均値のチップ間のVthばらつきがチップ内のトランジスタ間のVthばらつきよりも大きいため、チップ毎にVthを補償できれば、Vthばらつきによって変動したLSIの性能を設計値に近づけることが可能である。しかし、LSIの製造プロセスが90nmより小さいディープサブミクローンプロセスと呼ばれる製造プロセスでは、同一LSIチップ内のトランジスタのVthのばらつきが増加し、チップ単位でのVthの補償では設計値を満たすことができなくなっている。さらに90nmプロセスから1世代進んだ65nmプロセスでは、チップ内に搭載されるトランジスタ数の増加と性能ばらつきの増加により、非常に細かい回路単位でVthを補償する必要がある。図1に示される回路では、LSIの論理回路においてタイミングを決定する最小の単位であるフリップフロップ(FF)にはさまれる組み合わせ回路(LOGIC1)を単位とし、その単位で基板またはウエルつまりMOSトランジスタのバックゲートノードを接続することで、各単位ごとに基板電位を制御することが可能となる。つまり組み合わせ回路の動作速度が設計した値より早くなっている場合はVthが設計値よりも低いため、リバースバックゲートバイアスによりVthを上昇させ、リーク電流を低減して消費電力を低減する。逆に動作速度が設計した値よりも低くなっている場合には、Vthが設計値よりも高いため、フォワードバックゲートバイアスによりVthを低下させ動作速度を向上させる。このように、製造後の回路性能によって適切な基板バイアス調整を行うことで、速度性能及び電力性能を設計値に近づけ、従来であれば不良品扱いされたLSIを良品とし、歩留りを向上することができる。また基板バイアス電位であるVBPS1〜3及びVBNS1〜3の電位は、LSI外部から電源端子を通して印加することが可能である。   As can be seen from FIG. 3 and FIG. 4, it can be seen that the current characteristics greatly change due to variations in Vth of the transistors, which affects the circuit performance. In particular, when the LSI manufacturing process is larger than 130 nm, the Vth variation between the chips in the average value of the Vth of the transistors in the chip is larger than the Vth variation between the transistors in the chip, so that Vth can be compensated for each chip. Thus, it is possible to bring the performance of the LSI that has fluctuated due to Vth variation closer to the design value. However, in a manufacturing process called a deep submicron process in which the LSI manufacturing process is smaller than 90 nm, the Vth variation of transistors in the same LSI chip increases, and the Vth compensation on a chip basis cannot satisfy the design value. ing. Further, in the 65 nm process advanced one generation from the 90 nm process, it is necessary to compensate for Vth in a very fine circuit unit due to an increase in the number of transistors mounted in a chip and an increase in performance variation. In the circuit shown in FIG. 1, a combinational circuit (LOGIC1) sandwiched between flip-flops (FF), which is the minimum unit for determining timing in an LSI logic circuit, is used as a unit, and the substrate or well, that is, the MOS transistor is used in that unit. By connecting the back gate node, the substrate potential can be controlled for each unit. In other words, when the operating speed of the combinational circuit is faster than the designed value, Vth is lower than the designed value. Therefore, Vth is increased by the reverse back gate bias, the leakage current is reduced, and the power consumption is reduced. Conversely, when the operating speed is lower than the designed value, Vth is higher than the designed value, so Vth is lowered by the forward back gate bias to improve the operating speed. In this way, by appropriately adjusting the substrate bias according to the circuit performance after manufacturing, the speed performance and power performance are brought close to the design values, and conventionally treated as a defective product as a non-defective LSI, and the yield is improved. Can do. The substrate bias potentials VBPS 1 to 3 and VBNS 1 to 3 can be applied from the outside of the LSI through a power supply terminal.

図5には、Vthの状態とそれぞれの状態での図1中の各ノードの電位の関係が示される。   FIG. 5 shows the relationship between the state of Vth and the potential of each node in FIG. 1 in each state.

VBPS1〜3及びVBNS1〜3には、pチャネル型MOSトランジスタ及びnチャネル型MOSトランジスタの基板電位として選択する電位となっており、製造後のFFにはさまれた組み合わせ回路のVthの状態によりそれぞれの電圧を選択し、pチャネル型MOSトランジスタ及びnチャネル型MOSトランジスタの基板に印加する。STATE1はVthばらつきによってVthが設計時の値よりも低くなっている状態を示している。この状態では、Vthを上昇させる必要があるためリバースバイアスされる。すなわち、pチャネル型MOSトランジスタの基板であるVBPにはVBPS1が接続され、ソース電位よりも高い電位である2.0Vが印加される。またnチャネル型MOSトランジスタの基板であるVBNにはVBNS1が接続され、ソース電位よりも低い電圧である−1.0Vが印加される。これらにより、MOSトランジスタには逆方向の基板バイアスが印加されてVthが上昇され、リーク電流が低減されて消費電力が低減される。STATE2はVthが設計時の値と近い値となっている状態を示している。この状態では、Vthを調整する必要はないため、ソース電位と同電位を印加する。よってpチャネル型MOSトランジスタの基板であるVBPはVBPS2が接続され、ソース電位と同電位の1.0Vが印加される。またnチャネル型MOSトランジスタの基板であるVBNにはVBNS2が接続され、ソース電位と同電位の0Vが印加される。STATE3はVthばらつきによってVthが設計時の値よりも高くなっている状態を示している。この状態では、Vthを低下させる必要があるためフォワードバイアスされる。すなわち、pチャネル型MOSトランジスタの基板であるVBPにはVBPS3が接続され、ソース電位よりも低い電位である0.5Vが印加される。またnチャネル型MOSトランジスタの基板であるVBNにはVBNS3が接続され、ソース電位よりも高い電圧である0.5Vが印加される。これらにより、MOSトランジスタには順方向の基板バイアスが印加されてVthが低下され、トランジスタのオン電流が上昇されることで動作速度が向上する。   VBPS 1 to 3 and VBNS 1 to 3 are potentials to be selected as substrate potentials of the p-channel type MOS transistor and the n-channel type MOS transistor, respectively, depending on the state of Vth of the combinational circuit sandwiched between the FFs after manufacture. Is applied to the substrate of the p-channel MOS transistor and the n-channel MOS transistor. STATE 1 shows a state where Vth is lower than the design value due to Vth variation. In this state, reverse bias is applied because it is necessary to increase Vth. That is, VBPS1 is connected to VBP which is the substrate of the p-channel MOS transistor, and 2.0 V which is higher than the source potential is applied. Further, VBNS1 is connected to VBN which is the substrate of the n-channel MOS transistor, and −1.0 V which is lower than the source potential is applied. As a result, a reverse substrate bias is applied to the MOS transistor to increase Vth, thereby reducing a leakage current and reducing power consumption. STATE 2 shows a state where Vth is close to the design value. In this state, since it is not necessary to adjust Vth, the same potential as the source potential is applied. Therefore, VBP, which is the substrate of the p-channel MOS transistor, is connected to VBPS2, and 1.0 V, which is the same potential as the source potential, is applied. Further, VBNS2 is connected to VBN which is the substrate of the n-channel MOS transistor, and 0 V which is the same potential as the source potential is applied. STATE 3 shows a state in which Vth is higher than the design value due to variations in Vth. In this state, since it is necessary to lower Vth, forward bias is performed. That is, VBPS3 is connected to VBP which is the substrate of the p-channel MOS transistor, and 0.5 V which is lower than the source potential is applied. Further, VBNS3 is connected to VBN, which is the substrate of the n-channel MOS transistor, and 0.5 V that is higher than the source potential is applied. As a result, a forward substrate bias is applied to the MOS transistor, Vth is reduced, and the on-current of the transistor is increased, thereby improving the operation speed.

ここでは、逆方向基板バイアスの電位を−1.0Vとしたが、さらにVthを大きく調整する必要がある場合には−1.0Vよりも低い電圧とすることができる。逆にVthを上昇させる幅が小さくてもよい場合には、−1.0Vよりも高い電位とすることが可能である。   Here, the potential of the reverse substrate bias is set to -1.0 V. However, when Vth needs to be further adjusted, it can be set to a voltage lower than -1.0 V. On the contrary, when the width for increasing Vth may be small, it is possible to set the potential higher than -1.0V.

同様に、順方向バイアス電圧も0.5Vとしたが、Vthを変化させる量などの関係から別の電位とすることが可能である。   Similarly, although the forward bias voltage is also set to 0.5 V, it can be set to a different potential from the relationship of the amount by which Vth is changed.

図6には、基板バイアスを印加する際の回路を構成する論理セルのレイアウト例が示される。   FIG. 6 shows a layout example of logic cells constituting a circuit when a substrate bias is applied.

図6において、STCELLは論理セルの例であるインバータセル、BNDWELLはウエルの境界、VDDは電源線、VSSは接地電位電源線、VBPはpチャネル型MOSトランジスタの基板であるnウエル電位の電源線、VBNはnチャネル型MOSトランジスタの基板であるpウエル電位の電源線、BNCONはnチャネル型MOSトランジスタの基板であるpウエルに給電するためのウエルコンタクト、BPCONはpチャネル型MOSトランジスタの基板であるnウエルに給電するためのウエルコンタクト、METALは配線のための金属配線層、CONTはコンタクト、DIFFは拡散層、POLYはトランジスタのゲートとなるポリシリコンを示す。基板電位を電源電圧とは異なる電圧とする必要があるため、VDD/VSSとは別にVBP/VBNという基板給電線が必要となる。   In FIG. 6, STCELL is an inverter cell which is an example of a logic cell, BNDWELL is a well boundary, VDD is a power supply line, VSS is a ground potential power supply line, and VBP is a power supply line of n well potential which is a substrate of a p-channel MOS transistor. , VBN is a p-well potential power source line which is an n-channel MOS transistor substrate, BNCON is a well contact for supplying power to a p-well which is an n-channel MOS transistor substrate, and BPCON is a p-channel MOS transistor substrate. A well contact for supplying power to a certain n-well, METAL is a metal wiring layer for wiring, CONT is a contact, DIFF is a diffusion layer, and POLY is polysilicon serving as a gate of a transistor. Since it is necessary to set the substrate potential to a voltage different from the power supply voltage, a substrate feed line VBP / VBN is required separately from VDD / VSS.

図7には、論理セルの断面が示される。この断面は、図6におけるA−A’線切断断面に相当する。   FIG. 7 shows a cross section of the logic cell. This cross section corresponds to a cross section taken along line A-A 'in FIG.

図7において、GATEはトランジスタのゲート電極、nはn型チャネルの拡散層、pはp型チャネルの拡散層、pwellはpウエル、nwellはnウエル、deep−nwellはディープnウエルと呼ばれるウエルのさらに深い部分に形成されるn型のウエル、psubはp型のシリコン基板を示す。このMOSトランジスタでは、FFではさまれた組み合わせ回路毎に異なる電位を印加する必要があるため、トリプルウエル構造が必要となる。トリプルウエル構造では、ディープnウエルによってpウエルとシリコン基板が絶縁されるため、FFにはさまれる組み合わせ回路毎にpウエルに異なる電位を印加することができる。また、組み合わせ回路毎にディープnウエルを組み合わせ回路毎に分離することでFFにはさまれる組み合わせ回路毎にnウエルに異なる電位を印加することができる。 In FIG. 7, GATE is a transistor gate electrode, n + is an n-type channel diffusion layer, p + is a p-type channel diffusion layer, pwell is a p-well, nwell is an n-well, and deep-nwell is a deep n-well. An n-type well, psub, formed in a deeper portion of the well, indicates a p-type silicon substrate. In this MOS transistor, a different potential needs to be applied to each combinational circuit sandwiched between FFs, so that a triple well structure is required. In the triple well structure, since the p-well and the silicon substrate are insulated by the deep n-well, different potentials can be applied to the p-well for each combinational circuit sandwiched between the FFs. Further, by separating the deep n well for each combinational circuit, a different potential can be applied to the n well for each combinational circuit sandwiched between FFs.

図8には、図6に示される論理セルを配置した場合のレイアウト例が示される。図8において、pwellはnチャネル型MOSトランジスタの基板であるpウエル、nwellはpチャネル型MOSトランジスタの基板であるnウエル、deep−nwellはディープnウエルと呼ばれるn型ウエル、psubはp型のシリコン基板、点線に書き込まれた領域が1つの論理セルを示す。ディープnウエルで囲まれた領域が、上記の1つの組み合わせ回路を表しており、図8中には2つの組み合わせ回路が示されている。図6に示される論理セルが規則的に並べられ、その外側をディープnウエルで囲むことによりそれぞれの組み合わせ回路のnウエル及びpウエルを共通とし、さらに他の組み合わせ回路からは基板であるp型シリコン基板で分離される。ディープnウエルを分離するには、距離の余裕をとる必要があり、面積オーバヘッドを生ずるが、この例では規則的に組み合わせ回路をレイアウトできるデータパスのような回路の例を示しており、ディープnウエルを分離する際の面積オーバヘッドが最小限に抑えられている。   FIG. 8 shows a layout example when the logic cells shown in FIG. 6 are arranged. In FIG. 8, pwell is a p-well which is a substrate of an n-channel MOS transistor, nwell is an n-well which is a substrate of a p-channel MOS transistor, deep-nwell is an n-type well called a deep n-well, and psub is a p-type. A region written on a silicon substrate and a dotted line indicates one logic cell. A region surrounded by the deep n-well represents the above one combinational circuit, and two combinational circuits are shown in FIG. The logic cells shown in FIG. 6 are regularly arranged and surrounded by a deep n-well to make the n-well and p-well of each combinational circuit common, and from other combinational circuits, the p-type is a substrate. Separated by a silicon substrate. In order to separate deep n-wells, it is necessary to take a margin of distance, resulting in area overhead. In this example, an example of a circuit such as a data path capable of regularly laying out combination circuits is shown. Area overhead in separating wells is minimized.

図9には、基板バイアスを決定するための手順が示される。   FIG. 9 shows a procedure for determining the substrate bias.

最初に電源電圧VDDとクロック信号周波数CLKをセットする(901)。次に、VBNの電位をVBNS3に、VBPの電位をVBPS3にセットする(902)。回路を実際に動作させてタイミング制約を満たすかどうかをチェックする(903)。タイミング制約を満たさない場合には、フォワードバイアスを印加してVthを低下させても動作しないことになるため、このチップは不良品となる(904)。タイミング制約を満たす場合には、次にVBNの電位をVBNS2に、VBPの電位をVBPS2にセットする(905)。再度回路実際に動作させてタイミング制約を満たすかどうかをチェックする(906)。タイミング制約を満たさない場合には、VBN及びVBPをそれぞれVBNS3及びVBPS3に設定した場合(907)のみ、本回路は速度性能を満たすため、VBNをVBNS3に、VBPをVBPS3にそれぞれ接続できるように、図1の回路中の基板バイアス設定レジスタに情報を設定する(910)。タイミング制約を満たす場合には、次にVBNの電位をVBNS3に、VBPの電位をVBPS3にセットする。再度回路実際に動作させてタイミング制約を満たすかどうかをチェックする。タイミング制約を満たさない場合には、VBN及びVBPをそれぞれVBNS2及びVBPS2に設定した場合には本回路は速度性能を満たすため、VBNをVBNS2に、VBPをVBPS2に接続できるように図1の回路中の基板バイアス設定レジスタを設定する。タイミング制約を満たす場合には、VBN及びVBPをそれぞれVBNS1〜3及びVBPS1〜3のいずれに設定した場合にも本回路は速度性能を満たすため、VBNをVBNS1に、VBPをVBPS1に接続できるように図1の回路中の基板バイアス設定レジスタを設定する。これにより、動作速度を満たす範囲で回路を構成するMOSトランジスタのVthを高くするようにVthを設定できるため、動作速度が高く消費電力の低い状態でLSIを動作させることが可能となる。タイミング制約を満たすかどうかは、通常のLSIの動作チェックを行うことで実施可能である。特に、現在のLSIのテストではスキャンというどのパスでエラーが起こったかを検知することが可能とされるため、FF間のパスごとにタイミングエラーが発生したかどうかを確認することができ、FF間にはさまれる組み合わせ回路毎に基板バイアスの電位を決定することが可能となる。   First, the power supply voltage VDD and the clock signal frequency CLK are set (901). Next, the potential of VBN is set to VBNS3, and the potential of VBP is set to VBPS3 (902). The circuit is actually operated to check whether the timing constraint is satisfied (903). If the timing constraint is not satisfied, the chip does not operate even if Vth is decreased by applying a forward bias, so that this chip becomes a defective product (904). If the timing constraint is satisfied, then the VBN potential is set to VBNS2 and the VBP potential is set to VBPS2 (905). The circuit is actually operated again to check whether the timing constraint is satisfied (906). When the timing constraint is not satisfied, only when VBN and VBP are set to VBNS3 and VBPS3 (907), respectively, this circuit satisfies the speed performance, so that VBN can be connected to VBNS3 and VBP can be connected to VBPS3. Information is set in the substrate bias setting register in the circuit of FIG. 1 (910). If the timing constraint is satisfied, then the VBN potential is set to VBNS3 and the VBP potential is set to VBPS3. The circuit is actually operated again to check whether the timing constraint is satisfied. In the case of not satisfying the timing constraint, this circuit satisfies the speed performance when VBN and VBP are set to VBNS2 and VBPS2, respectively, so that VBN can be connected to VBNS2 and VBP can be connected to VBPS2. Set the substrate bias setting register. When the timing constraint is satisfied, this circuit satisfies the speed performance regardless of whether VBN and VBP are set to VBNS1 to 3 and VBPS1 to 3, respectively, so that VBN can be connected to VBNS1 and VBP can be connected to VBPS1. A substrate bias setting register in the circuit of FIG. 1 is set. As a result, Vth can be set so as to increase Vth of the MOS transistors constituting the circuit within a range satisfying the operation speed, and thus the LSI can be operated with a high operation speed and low power consumption. Whether or not the timing constraint is satisfied can be implemented by performing a normal LSI operation check. In particular, in the current LSI test, it is possible to detect in which path of scanning an error has occurred, so it is possible to check whether a timing error has occurred for each path between FFs. The potential of the substrate bias can be determined for each combinational circuit that is sandwiched.

上記の例によれば、以下の作用効果を得ることができる。   According to the above example, the following effects can be obtained.

(1)基板バイアスを変化させることで、Vthの変動を補正してLSIが設計時のスペックを満たすことが可能である。さらに、補正する単位をFFにはさまれる組み合わせ回路とすることで、微細化した製造プロセスで増大するチップ内のトランジスタのVthばらつきに対応することが可能であり、またVthを変化させる単位をFF間に限定することで容易にタイミング制約のチェックをすることが可能である。   (1) By changing the substrate bias, the variation in Vth can be corrected and the LSI can meet the design specifications. Further, by making the correction unit a combinational circuit sandwiched between FFs, it is possible to cope with the Vth variation of the transistors in the chip, which are increased in a miniaturized manufacturing process, and the unit for changing Vth is FF. It is possible to easily check the timing constraints by limiting the interval.

(2)LSI中のMOSトランジスタのVthばらつきを補償することにより、回路設計時の性能を確保することができ、それにより製造歩留りを向上させることができる。   (2) By compensating for the Vth variation of the MOS transistor in the LSI, the performance at the time of circuit design can be ensured, thereby improving the manufacturing yield.

(3)図6に示される論理セルが規則的に並べられ、その外側をディープnウエルで囲むことによりそれぞれの組み合わせ回路のnウエル及びpウエルを共通とし、さらに他の組み合わせ回路からは基板であるp型シリコン基板で分離されることにより、ディープnウエルを分離する際の面積オーバヘッドが最小限に抑えられる。   (3) The logic cells shown in FIG. 6 are regularly arranged, and the outside is surrounded by a deep n-well to make the n-well and p-well of each combinational circuit common. Isolation with a p-type silicon substrate minimizes the area overhead when isolating the deep n-well.

<第2実施形態>
図10には、CPUの制御回路などのFF間にはさまれる組み合わせ回路が、規則的にはレイアウトできない回路に適用した場合のレイアウト例が示される。
Second Embodiment
FIG. 10 shows a layout example when a combinational circuit sandwiched between FFs such as a CPU control circuit is applied to a circuit that cannot be laid out regularly.

図10では、deep−nwellがディープnウエルの領域を、AREAAがディープnウエル中の実際にトランジスタを配置することのできる領域を、psubがp型のシリコン基板を示している。CPUの制御回路等では、論理的にはFF間に挟まれてひとまとめになっている回路が、実際のシリコン上のレイアウトでは図10のディープnウエルで囲まれた領域で示されるように入り組んで配置される。このため、各組み合わせ回路間でディープnウエルを分離するための余裕を設ける必要があるため、非常に大きな面積オーバヘッドが存在し、実際にトランジスタを配置できる領域は、かなり狭くなっている。ただし、基板バイアスを印加することで歩留りを向上させることにより、本回路を搭載することによる面積オーバヘッドを吸収できれば十分メリットがある。また、図10では入り組んだ形に書いてあるが、実際にレイアウトする際に回路の配置を図8に近づける形で固めることができれば、面積オーバヘッドを最小として本発明の効果を最大限に利用することが可能である。   In FIG. 10, deep-nwell indicates a deep n-well region, AREAA indicates a region where a transistor can actually be disposed in the deep n-well, and psub indicates a p-type silicon substrate. In a CPU control circuit or the like, a logically grouped circuit sandwiched between FFs is complicated as shown in the area surrounded by the deep n-well in FIG. 10 in the actual layout on silicon. Be placed. For this reason, it is necessary to provide a margin for separating the deep n-well between each combinational circuit, so there is a very large area overhead, and the area where transistors can actually be arranged is considerably narrow. However, there is a sufficient merit if the area overhead due to mounting this circuit can be absorbed by improving the yield by applying the substrate bias. Further, although it is written in an intricate form in FIG. 10, if the circuit layout can be solidified so as to be close to that in FIG. 8 when actually laying out, the area overhead is minimized and the effect of the present invention is maximized. It is possible.

<第3実施形態>
図11には、タイミング制約を満たすかどうかをチェック可能なフリップフロップ回路の構成例が示される。
<Third Embodiment>
FIG. 11 shows a configuration example of a flip-flop circuit that can check whether the timing constraint is satisfied.

第1実施形態では、基板バイアスを決定するためにLSIのテストフローを用いた。しかしその場合にはLSIのテストフローに手を加える必要がある。図11に示されるフリップフロップ回路を適用することで、LSIのテストフローの変更を最小限としてタイミング制約の確認が可能となる。   In the first embodiment, an LSI test flow is used to determine the substrate bias. However, in that case, it is necessary to modify the LSI test flow. Application of the flip-flop circuit shown in FIG. 11 makes it possible to check timing constraints with a minimum change in the LSI test flow.

図11に示されるフリップフロップ回路は、二つのFFと、インバータINV1,INV2と、エクスクルージブオア(EOR)を含んで成る。FFは1ビットのデータを保持できるフリップフロップ回路、CLKはフリップフロップを制御するクロック信号、DはFFの入力、QはFFの出力、DDは入力信号DDを遅延させた信号、QDは遅延させた信号DDを取り込んだFFの出力信号QD、ERRはタイミング制約を満たしていない場合にハイとなる信号である。このようなフリップフロップ回路を、図1におけるFF1やFF2に適用する。   The flip-flop circuit shown in FIG. 11 includes two FFs, inverters INV1 and INV2, and an exclusive OR (EOR). FF is a flip-flop circuit capable of holding 1-bit data, CLK is a clock signal for controlling the flip-flop, D is an input of FF, Q is an output of FF, DD is a signal obtained by delaying input signal DD, and QD is delayed The output signals QD and ERR of the FF that have captured the signal DD are signals that are high when the timing constraint is not satisfied. Such a flip-flop circuit is applied to FF1 and FF2 in FIG.

本回路の動作を図12及び図13を用いて説明する。   The operation of this circuit will be described with reference to FIGS.

図12には、タイミング制約を満たしている場合の動作波形が示される。   FIG. 12 shows an operation waveform when the timing constraint is satisfied.

DがFFの前におかれている組み合わせ回路の出力であり、DDはその信号をインバータ(INV1,INV2)で遅延させた信号となっている。クロック信号(CLK)がローからハイに立ち上がる瞬間に、D及びDDの値が新しい値に変化しているため、D及びDDを取り込むFFでは同じ値を取り込んでQ及びQDとして出力される。それぞれの値は等しいため、その排他的論理和をEORでとった出力ERRはローとなりタイミングエラーが発生していないことがわかる。   D is an output of the combinational circuit placed before FF, and DD is a signal obtained by delaying the signal by inverters (INV1, INV2). Since the values of D and DD change to new values at the moment when the clock signal (CLK) rises from low to high, the same value is captured and output as Q and QD in the FF that captures D and DD. Since the respective values are equal, the output ERR obtained by taking the exclusive OR of them by EOR is low, and it can be seen that no timing error has occurred.

図13には、FFの前におかれている組み合わせ回路の出力が遅く、タイミング制約を満たさない場合の動作波形が示される。   FIG. 13 shows an operation waveform when the output of the combinational circuit placed before the FF is slow and does not satisfy the timing constraint.

クロック信号がローからハイに立ち上がる瞬間に、Dの値は変化しているが、このFFの前にある組み合わせ回路の遅延時間が大きい場合にはDDの値が新しい値に変化していない。そのため、D及びDDを取り込むFFでは異なる値を取り込んでQ及びQDとして出力される。よってその出力の排他的論理和はハイとなり、タイミングエラーが起きているとして検出される。   At the instant when the clock signal rises from low to high, the value of D changes, but when the delay time of the combinational circuit in front of this FF is large, the value of DD does not change to a new value. Therefore, the FF that captures D and DD captures different values and outputs them as Q and QD. Therefore, the exclusive OR of the output becomes high, and it is detected that a timing error has occurred.

第1実施形態の回路では、LSIのテスト時にタイミングエラーが起こるかどうかをテストし、その段階で回路の動作速度を測定する必要があったため、回路が動作している最中に動作温度などの影響で回路性能が変化した場合には対応できない。本回路を用いると、実際に動作している状態での動作性能の測定が可能となるため、このERR出力によって、基板バイアスを制御するレジスタREGの値を書き換える手段を有する回路構成とすれば、LSIをテストせずに印加する基板バイアスを決定することが可能である。さらにLSIを出荷した後に、動作条件やトランジスタの経年劣化によって性能が変わった場合にも基板バイアスの印加条件を変更して、動作条件や経年劣化などの状況の変化に対応した回路とすることができる。さらに、この回路構成を用いれば、出荷後の条件によりLSIの性能を補正できるため、出荷前のテスト条件を緩和して歩留りを向上することも可能となる。   In the circuit of the first embodiment, it is necessary to test whether or not a timing error occurs during the LSI test, and to measure the operation speed of the circuit at that stage. If the circuit performance changes due to the influence, it can not cope. When this circuit is used, it is possible to measure the operation performance in the state of actual operation. Therefore, if the circuit configuration includes means for rewriting the value of the register REG for controlling the substrate bias by this ERR output, It is possible to determine the substrate bias to be applied without testing the LSI. Furthermore, after the LSI is shipped, even if the performance changes due to operating conditions or aging of the transistors, the substrate bias application conditions may be changed to make the circuit compatible with changes in operating conditions, such as aging. it can. Further, if this circuit configuration is used, the performance of the LSI can be corrected according to the conditions after shipment, so the test conditions before shipment can be relaxed and the yield can be improved.

<第4実施形態>
図14には、基板バイアスを制御するための回路が示される。
<Fourth embodiment>
FIG. 14 shows a circuit for controlling the substrate bias.

第1実施形態では、VBNS1〜3及びVBPS1〜3を外部から供給したが、本例では、電源電圧以外の電圧は外部から印加されない。図14において、VDDは高電位側電源、VSSは低電位側電源である。VBPはpチャネル型MOSトランジスタの基板電位を給電する基板給電電源、VBNはnチャネル型MOSトランジスタの基板電位を給電する基板給電電源である。VBPCNTはVBP電位を制御する制御回路、VBNCNTはVBN電位を制御する制御回路である。VBPSELはVBP電位を指定する信号、VBNSELはVBN電位を指定する信号である。VBPS1〜VBPS3はVBPCNTで選択される電源電位を与える電源線、VBNS1〜VBNS3はVBNCNTで選択される電源電位を与える電源線、CP1〜3はチャージポンプ回路である。   In the first embodiment, VBNS 1 to 3 and VBPS 1 to 3 are supplied from the outside. However, in this example, no voltage other than the power supply voltage is applied from the outside. In FIG. 14, VDD is a high potential side power source and VSS is a low potential side power source. VBP is a substrate power supply for supplying the substrate potential of the p-channel MOS transistor, and VBN is a substrate power supply for supplying the substrate potential of the n-channel MOS transistor. VBPCNT is a control circuit for controlling the VBP potential, and VBNCNT is a control circuit for controlling the VBN potential. VBPSEL is a signal designating the VBP potential, and VBNSEL is a signal designating the VBN potential. VBPS1 to VBPS3 are power supply lines for supplying a power supply potential selected by VBPCNT, VBNS1 to VBNS3 are power supply lines for supplying a power supply potential selected by VBNCNT, and CP1 to CP3 are charge pump circuits.

尚、本例において、図14に記載された回路以外は、第1実施形態の回路と同等とする。   In this example, the circuit other than the circuit described in FIG. 14 is equivalent to the circuit of the first embodiment.

VBPS1には2.0Vを印加する必要があるため、電源電圧とは異なる電位を発生させる必要がある。そのため、チャージポンプCP1を用いて1.0Vの電源電位から2.0Vの電位を作る必要がある。またVBPS2は電源電圧1.0Vと等しいため電源電圧VDDを供給する。VBPS3には0.5Vを印加する必要があるためチャージポンプCP2を用いて1.0Vの電源電位から0.5Vの電圧を生成する。VBNS1には−1.0Vを印加する必要があるためチャージポンプCP3を用いて−1.0Vの電圧を生成する。VBNS2には接地電位と等しい0Vが印加されるため、VSSと接続する。VBNS3には0.5Vを印加する必要があるため、VBPS3と同じ電圧を使うことができ、チャージポンプCP2の出力と接続する。このように基板バイアス電位は外部から与えなくとも内部で生成することが可能である。   Since it is necessary to apply 2.0 V to VBPS1, it is necessary to generate a potential different from the power supply voltage. Therefore, it is necessary to make a potential of 2.0 V from a power supply potential of 1.0 V using the charge pump CP1. Since VBPS2 is equal to the power supply voltage 1.0V, the power supply voltage VDD is supplied. Since it is necessary to apply 0.5 V to VBPS3, a voltage of 0.5 V is generated from a power supply potential of 1.0 V using the charge pump CP2. Since it is necessary to apply −1.0 V to VBNS1, a voltage of −1.0 V is generated using the charge pump CP3. Since 0V equal to the ground potential is applied to VBNS2, it is connected to VSS. Since 0.5 V needs to be applied to VBNS3, the same voltage as VBPS3 can be used, and is connected to the output of charge pump CP2. Thus, the substrate bias potential can be generated internally without being applied from the outside.

<第5実施形態>
図15には、第5実施形態で使用されるMOSトランジスタの断面が示される。
<Fifth Embodiment>
FIG. 15 shows a cross section of a MOS transistor used in the fifth embodiment.

このMOSトランジスタは、第1実施形態でのバルクCMOSトランジスタとは異なり、トランジスタのソース及びドレイン電極となる拡散層の下に埋め込み酸化膜(BOX)と呼ばれる酸化膜を有し、チャネル部分は完全に空乏化した完全空乏型(Fully Depleted)トランジスタとされる。このような構造のトランジスタを「薄膜BOX・FD−SOIトランジスタ」と呼ぶ。図15において、GATEはゲート電極、DRAINはドレイン電極、SOURCEはソース電極、BOXは埋め込み酸化膜、BAKC−GATEは埋め込み酸化膜下のウエル電極、STIは素子分離、SUBSTRATEはシリコン基板である。本薄膜BOX・FD−SOIトランジスタの構造は、埋め込み酸化膜と呼ばれるBOXのある点で、図2のバルクCMOSトランジスタと異なる。このBOX層が存在することにより、BOX層下のウエルの電位をバックゲートと見て制御すれば、図2のバルクCMOSトランジスタ同様トランジスタのVthを制御することができる。さらにBOX層が存在するため、バックゲートとソース及びドレイン間は絶縁され、バックゲートの電圧をさまざまな値としても、ソース及びドレインからバックゲートに電流が流れることはない。第1実施形態で説明した回路を構成する際にトランジスタをこの薄膜BOX・FD−SOIトランジスタに置き換えることでさまざまな利点がある。   Unlike the bulk CMOS transistor in the first embodiment, this MOS transistor has an oxide film called a buried oxide film (BOX) under the diffusion layers that become the source and drain electrodes of the transistor, and the channel portion is completely A fully depleted transistor that is depleted is used. A transistor having such a structure is called a “thin film BOX / FD-SOI transistor”. In FIG. 15, GATE is a gate electrode, DRAIN is a drain electrode, SOURCE is a source electrode, BOX is a buried oxide film, BAKC-GATE is a well electrode under the buried oxide film, STI is element isolation, and SUBSTRATE is a silicon substrate. The structure of the thin film BOX • FD-SOI transistor is different from the bulk CMOS transistor of FIG. 2 in that there is a BOX called a buried oxide film. The presence of this BOX layer makes it possible to control the Vth of the transistor as in the bulk CMOS transistor of FIG. 2 if the potential of the well below the BOX layer is controlled as a back gate. Further, since the BOX layer is present, the back gate is insulated from the source and drain, and no current flows from the source and drain to the back gate even when the back gate voltage is varied. When the circuit described in the first embodiment is configured, there are various advantages by replacing the transistor with the thin-film BOX • FD-SOI transistor.

図16には、基板バイアスを制御する場合の薄膜BOX・FD−SOIトランジスタの断面が示される。図16において、GATEはトランジスタのゲート電極、nはn型チャネルの拡散層、pはp型チャネルの拡散層、pwellはpウエル、nwellはnウエル、deep−nwellはディープnウエルと呼ばれるウエルのさらに深い部分に形成されるn型のウエル、psubはp型のシリコン基板、STI及びDTIは素子分離を示す。本例では、STIとDTIという2種類の素子分離を用いている。STIは半導体シリコンの表面からBOX層の下の深さまで到達する素子分離で、各トランジスタをとなりのトランジスタやウエルの給電から分離する。DTIは半導体シリコンの表面からディープnウエルと呼ばれる深いウエル構造の下の深さに到達する素子分離で、この素子分離を用いることで、トランジスタ素子ごとにウエルを分離絶縁することが可能となる。これにより、異なる電位のウエルを近接でき、LSI上でウエルの電位を変化させる単位を細かくしても面積オーバヘッドが少ない。 FIG. 16 shows a cross section of a thin-film BOX / FD-SOI transistor when the substrate bias is controlled. In FIG. 16, GATE is a transistor gate electrode, n + is an n-type channel diffusion layer, p + is a p-type channel diffusion layer, pwell is a p-well, nwell is an n-well, and deep-nwell is a deep n-well. An n-type well formed in a deeper portion of the well, psub indicates a p-type silicon substrate, and STI and DTI indicate element isolation. In this example, two types of element isolation, STI and DTI, are used. STI is element isolation that reaches from the surface of the semiconductor silicon to a depth below the BOX layer, and isolates each transistor from the power supply of the adjacent transistors and wells. DTI is element isolation that reaches the depth below a deep well structure called a deep n well from the surface of semiconductor silicon. By using this element isolation, the well can be isolated and insulated for each transistor element. As a result, wells having different potentials can be brought close to each other, and the area overhead is small even if the unit for changing the well potential on the LSI is made finer.

図17には、基板バイアスを制御する論理セルを配置した場合のレイアウト例が示される。   FIG. 17 shows a layout example when logic cells for controlling the substrate bias are arranged.

図17において、pwellはnチャネル型MOSトランジスタの基板であるpウエル、nwellはpチャネル型MOSトランジスタの基板であるnウエル、deep−nwellはディープnウエルと呼ばれるn型ウエル、psubはp型のシリコン基板、点線に書き込まれた領域が1つの論理セル、comb1及びcomb2がバックゲートノードが共通となる組み合わせ回路を示す。薄膜BOX・FD−SOIトランジスタを用いることで、素子分離を用いてウエルが分離できるため、ディープnウエルを組み合わせ回路によって分離する必要が無くなり、異なる基板バイアスを印加する組み合わせ回路間の面積が小さく、図8と比較して面積オーバヘッドが小さくなっていることがわかる。   In FIG. 17, pwell is a p-well that is a substrate of an n-channel MOS transistor, nwell is an n-well that is a substrate of a p-channel MOS transistor, deep-nwell is an n-type well called a deep n-well, and psub is a p-type. A combinational circuit in which a silicon substrate, a region written in a dotted line is one logic cell, and comb1 and comb2 have a common back gate node. By using a thin-film BOX / FD-SOI transistor, the well can be separated using element isolation, so there is no need to separate the deep n well by the combinational circuit, and the area between the combinational circuits to which different substrate biases are applied is small. It can be seen that the area overhead is smaller than in FIG.

図18には、Vthの状態とそれぞれの状態での図1中の各ノードの電位の関係が示される。   FIG. 18 shows the relationship between the state of Vth and the potential of each node in FIG. 1 in each state.

薄膜BOX・FD−SOIトランジスタを用いた場合、図16に示されるように、拡散層とバックゲートとなるウエルの間に酸化層(BOX)が存在する。バルクCMOSトランジスタでは、フォワードバックゲートバイアスの場合に拡散層とウエル間にあるPN接合がダイオードとなってオンしてしまい大電流が流れるため、フォワードバイアス電圧は概ね0.5V程度にしかできない。しかし、薄膜BOX・FD−SOIトランジスタでは拡散層とウエル間に絶縁体であるBOX層が入っているため0.5Vよりも高いフォワードバイアス電圧を印加することが可能であり、図18に示される関係の基板バイアスとすることができる。図18は、バルクCMOSトランジスタを用いた場合の電位の関係を示す図5とほぼ同じであり、ここでは異なる部分に関してのみ説明する。図18では、pチャネル型MOSトランジスタのフォワードバイアスを供給するVBPS3に0Vの電位が、nチャネル型MOSトランジスタのフォワードバイアスを供給するVBNS3に1.0Vの電位が印加され、それぞれフォワードバイアスを印加する必要のあるSTATE3では、0V及び1.0Vの電位がVBP及びVBNに印加される。これにより、図5で説明した場合よりも大きくVthの値を調整することが可能となり、回路性能を調整する幅も大きくなる。   When the thin-film BOX • FD-SOI transistor is used, as shown in FIG. 16, an oxide layer (BOX) exists between the diffusion layer and the well serving as the back gate. In a bulk CMOS transistor, in the case of forward back gate bias, the PN junction between the diffusion layer and the well is turned on as a diode and a large current flows, so the forward bias voltage can only be about 0.5V. However, in the thin-film BOX / FD-SOI transistor, a forward bias voltage higher than 0.5 V can be applied because a BOX layer which is an insulator is interposed between the diffusion layer and the well, as shown in FIG. The substrate bias can be related. FIG. 18 is almost the same as FIG. 5 showing the relationship of potentials when a bulk CMOS transistor is used, and only different portions will be described here. In FIG. 18, a potential of 0 V is applied to VBPS3 that supplies the forward bias of the p-channel MOS transistor, and a potential of 1.0 V is applied to VBNS3 that supplies the forward bias of the n-channel MOS transistor. In STATE 3 where necessary, 0V and 1.0V potentials are applied to VBP and VBN. As a result, the value of Vth can be adjusted to be larger than that described with reference to FIG. 5, and the range for adjusting the circuit performance is also increased.

<第6実施形態>
図19には、第2実施形態で説明した場合の回路と同等の回路構成で、CPUの制御回路などのFF間にはさまれる組み合わせ回路が規則的にはレイアウトできない回路に薄膜BOX・FD−SOIトランジスタを用いた場合のレイアウト例が示される。図19では、deep−nwellがディープnウエルの領域を、AREAAがディープnウエル中の実際にトランジスタを配置することのできる領域を、psubがp型のシリコン基板をそれぞれ示している。CPUの制御回路等では、論理的にはFF間に挟まれてひとまとめになっている回路が、実際のシリコン上のレイアウトでは図10のディープnウエルで囲まれた領域で示されるように入り組んで配置される。このため、各組み合わせ回路間でディープnウエルを分離するための余裕を設ける必要がある。薄膜BOX・FD−SOIトランジスタを用いた場合には組み合わせ回路間のウエルを素子分離を用いて絶縁できるため、ディープnウエルを組み合わせ回路によって変える必要が無くなり、面積オーバヘッドが非常に小さくなり、トランジスタが配置できる領域がLSI中の大きな面積を占めることができる。この様子は図10と図19を比較することで一目瞭然であり、薄膜BOX・FD−SOIトランジスタを適用することにより、面積オーバヘッドを大きく低減することができる。
<Sixth Embodiment>
FIG. 19 shows a circuit configuration equivalent to the circuit described in the second embodiment, in which a combination circuit sandwiched between FFs such as a CPU control circuit cannot be regularly laid out. A layout example in the case of using an SOI transistor is shown. In FIG. 19, deep-nwell indicates a deep n-well region, AREAA indicates a region where a transistor can actually be disposed in the deep n-well, and psub indicates a p-type silicon substrate. In a CPU control circuit or the like, a logically grouped circuit sandwiched between FFs is complicated as shown in the area surrounded by the deep n-well in FIG. 10 in the actual layout on silicon. Be placed. For this reason, it is necessary to provide a margin for separating the deep n-well between the combinational circuits. When thin-film BOX / FD-SOI transistors are used, the wells between the combinational circuits can be isolated using element isolation, so there is no need to change deep n-wells by combinational circuits, and the area overhead is greatly reduced. A region where the signal can be arranged can occupy a large area in the LSI. This situation can be seen at a glance by comparing FIG. 10 and FIG. 19, and the area overhead can be greatly reduced by applying the thin film BOX / FD-SOI transistor.

<第7実施形態>
図20には、第1実施形態の中のVBP電位を制御する回路の別の構成例が示される。
<Seventh embodiment>
FIG. 20 shows another configuration example of the circuit for controlling the VBP potential in the first embodiment.

本回路は演算増幅器(OPAMP)を含み、参照電位REF1の値がVBPに印加されるようになっている。   This circuit includes an operational amplifier (OPAMP), and the value of the reference potential REF1 is applied to VBP.

図21には、上記参照電位REF1を生成する回路が示される。   FIG. 21 shows a circuit for generating the reference potential REF1.

VHIGHにREF1に印加される電圧で最大の電圧、VLOWにREF1に印加される最低の電圧を印加し、その電圧を抵抗R1,R2で分割し、それぞれの分割された電位をスイッチSW1,SW2,SW3を用いて選択することでREF1を形成することができる。例えば、図18で示した電圧を印加する場合には、VHIGHを2.0V、VLOWを0Vとし、図18のSTATE1の状態ではON1によってスイッチをオンすればREF1に2.0Vが印加されVBPのは2.0Vとなる。図18のSTATE2の状態ではON2によってスイッチをオンすればREF1に1.0Vが印加されVBPの電位は1.0Vとなる。図18のSTATE3の状態ではON3によってスイッチをオンすればREF1に0Vが印加されVBPの電位は0Vとなる。   The highest voltage applied to REF1 is applied to VHIGH, and the lowest voltage applied to REF1 is applied to VLOW. The voltage is divided by resistors R1 and R2, and the divided potentials are switched to switches SW1, SW2, and SW2. REF1 can be formed by selecting using SW3. For example, when the voltage shown in FIG. 18 is applied, VHIGH is set to 2.0V, VLOW is set to 0V, and in the state 1 of STATE1 in FIG. 18, if the switch is turned on by ON1, 2.0V is applied to REF1, and VBP Becomes 2.0V. In the state 2 of STATE 2 in FIG. 18, when the switch is turned on by ON 2, 1.0 V is applied to REF 1 and the potential of VBP becomes 1.0 V. In the state of STATE3 in FIG. 18, if the switch is turned on by ON3, 0V is applied to REF1, and the potential of VBP becomes 0V.

このように抵抗R1,R2とスイッチSW1,SW2,SW3及びOPAMPを用いれば容易にVBPの電位を生成することができる。VBNに関しても同様の回路構成で電位を生成することができる。   Thus, the potential of VBP can be easily generated by using the resistors R1, R2, the switches SW1, SW2, SW3, and OPAMP. With respect to VBN, a potential can be generated with a similar circuit configuration.

また、本例では、抵抗R1,R2を用いて電圧を生成したが、トランジスタ等の直列に接続して電位を生成することもできる。さらにスイッチに関してもCMOSトランジスタの組み合わせから容易に構成することが可能である。   In this example, the voltage is generated using the resistors R1 and R2. However, a potential can also be generated by connecting transistors or the like in series. Further, the switch can be easily configured from a combination of CMOS transistors.

<第8実施形態>
図23には、基板バイアスを印加する際の回路を構成する論理セルのレイアウト例が示される。
<Eighth Embodiment>
FIG. 23 shows a layout example of logic cells constituting a circuit when a substrate bias is applied.

図23において、STCELLは論理セルの例であるインバータセル、BNDWELLはウエルの境界、BBCELLは基板に給電するためのセルである。VDDは高電位側電源、VSSは低電位側電源である。VBPはpチャネル型MOSトランジスタの基板であるnウエル電位の電源線、VBNはnチャネル型MOSトランジスタの基板であるpウエル電位の電源線である。BNCONはnチャネル型MOSトランジスタの基板であるpウエルに給電するためのウエルコンタクト、BPCONはpチャネル型MOSトランジスタの基板であるnウエルに給電するためのウエルコンタクトである。配線層に用いられる金属配線などの凡例は図6と同等である。この例では、VBP及びVBNの配線をすべての論理セル内に取らず、何セルかのウエルを共通としてその共通のウエルに一つの給電セルBBCELLを配置することで基板バイアスを制御する。本構成を用いれば、セル内に基板バイアスを印加するための配線の追加が必要とならないため、面積オーバヘッドを小さくすることが可能である。   In FIG. 23, STCELL is an inverter cell which is an example of a logic cell, BNDWELL is a well boundary, and BBCELL is a cell for supplying power to the substrate. VDD is a high potential power source, and VSS is a low potential power source. VBP is an n-well potential power line that is a substrate of a p-channel MOS transistor, and VBN is a p-well potential power line that is a substrate of an n-channel MOS transistor. BNCON is a well contact for supplying power to the p-well which is the substrate of the n-channel MOS transistor, and BPCON is a well contact for supplying power to the n-well which is the substrate of the p-channel MOS transistor. Legends of metal wiring used for the wiring layer are the same as those in FIG. In this example, the wiring of VBP and VBN is not taken in all the logic cells, but the substrate bias is controlled by arranging several feeding wells BBCELL in the common well with some wells in common. If this configuration is used, it is not necessary to add a wiring for applying a substrate bias in the cell, so that the area overhead can be reduced.

<第9実施形態>
図24には、Vthの状態とそれぞれの状態での図1中の各ノードの電位との関係が示される。
<Ninth Embodiment>
FIG. 24 shows the relationship between the state of Vth and the potential of each node in FIG. 1 in each state.

本例は、第5実施形態と同様に、薄膜BOX・FD−SOIトランジスタを用いた図1の構成の回路に適用することが可能である。薄膜BOX・FD−SOIトランジスタを用いることでさらに高いフォワードバックゲートバイアスが可能となるため、本例では、最大2.0Vのフォワードバックゲートバイアス電圧を印加している。例えば第5実施形態でのリバースバックゲートバイアス状態(STATE1)に対して基板バイアスせず、第5実施形態での基板バイアスされない状態(STATE2)に対して1.0Vのフォワードバックゲートバイアス電圧を印加し、第5実施形態での1.0Vのフォワードバックゲートバイアス状態(STATE3)に対してさらに高い2.0Vのフォワードバックゲートバイアス電圧を印加している。これにより、第5実施形態と比較してVthを低めに設定することが可能となり、回路の動作速度を向上させることができる。このため本例をCPU等の高速回路に用いれば、容易に回路の動作速度を向上することが可能となる。   As in the fifth embodiment, this example can be applied to a circuit having the configuration shown in FIG. 1 using a thin film BOX / FD-SOI transistor. Since a higher forward back gate bias is possible by using a thin-film BOX • FD-SOI transistor, a forward back gate bias voltage of 2.0 V at the maximum is applied in this example. For example, no substrate bias is applied to the reverse back gate bias state (STATE 1) in the fifth embodiment, and a forward back gate bias voltage of 1.0 V is applied to the state in which the substrate bias is not applied (STATE 2) in the fifth embodiment. Further, a higher 2.0V forward back gate bias voltage is applied to the 1.0V forward back gate bias state (STATE 3) in the fifth embodiment. As a result, Vth can be set lower than in the fifth embodiment, and the operation speed of the circuit can be improved. Therefore, if this example is used in a high-speed circuit such as a CPU, the operation speed of the circuit can be easily improved.

以上本発明者によってなされた発明を具体的に説明したが、本発明はそれ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, the present invention is not limited thereto, and it goes without saying that various changes can be made without departing from the scope of the invention.

例えば、フリップフロップで挟まれた組み合わせ回路をFPGAとすることができる。   For example, a combinational circuit sandwiched between flip-flops can be an FPGA.

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野であるマイクロコンピュータに適用した場合について説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、各種半導体集積回路に適用することができる。   In the above description, the case where the invention made mainly by the present inventor is applied to the microcomputer which is the field of use as the background has been described. However, the present invention is not limited to this and is applied to various semiconductor integrated circuits. can do.

本発明にかかる半導体集積回路の一例とされるマイクロコンピュータにおける主要部の構成例回路図である。1 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a main part of a microcomputer as an example of a semiconductor integrated circuit according to the present invention. MOSトランジスタの断面図である。It is sectional drawing of a MOS transistor. 65nmプロセスのnチャネル型MOSトランジスタの電流特性図である。It is a current characteristic diagram of an n-channel MOS transistor of 65 nm process. LSIを製造した際のトランジスタのしきい値(Vth)の分布の説明図である。It is explanatory drawing of distribution of the threshold value (Vth) of a transistor at the time of manufacturing LSI. Vthの状態とそれぞれの状態での図1における各ノードの電位との関係説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a relationship between a state of Vth and a potential of each node in FIG. 1 in each state. 基板バイアスを印加する際の回路を構成する論理セルのレイアウト説明図である。It is layout explanatory drawing of the logic cell which comprises the circuit at the time of applying a substrate bias. 上記論理セルの断面図である。It is sectional drawing of the said logic cell. 図6に示される論理セルを配置した場合のレイアウト説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of a layout when the logic cells shown in FIG. 6 are arranged. 基板バイアス決定のフローチャートである。It is a flowchart of substrate bias determination. 組み合わせ回路のレイアウト説明図である。It is layout explanatory drawing of a combinational circuit. タイミング制約を満たすかどうかをチェック可能なフリップフロップ回路の構成例回路図である。It is a circuit diagram of a configuration example of a flip-flop circuit capable of checking whether or not timing constraints are satisfied. 図11に示される回路の動作説明のための波形図である。FIG. 12 is a waveform diagram for explaining the operation of the circuit shown in FIG. 11. 図11に示される回路の動作説明のための別の波形図である。FIG. 12 is another waveform diagram for explaining the operation of the circuit shown in FIG. 11. 基板バイアスを制御するための回路の構成ブロック図である。It is a block diagram of a circuit for controlling a substrate bias. 第5実施形態で使用されるMOSトランジスタの断面図である。It is sectional drawing of the MOS transistor used by 5th Embodiment. 基板バイアスを制御する場合の薄膜BOX・FD−SOIトランジスタの断面図である。It is sectional drawing of a thin film BOX * FD-SOI transistor in the case of controlling a substrate bias. 基板バイアスを制御する論理セルを配置した場合のレイアウト説明図である。It is a layout explanatory drawing at the time of arrange | positioning the logic cell which controls a substrate bias. Vthの状態とそれぞれの状態での図1における各ノードの電位との関係説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a relationship between a state of Vth and a potential of each node in FIG. 1 in each state. 薄膜BOX・FD−SOIトランジスタを用いた場合のレイアウト説明図である。It is layout explanatory drawing at the time of using a thin film BOX * FD-SOI transistor. 第1実施形態の中のVBP電位を制御する回路の別の構成例回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram showing another configuration example of a circuit for controlling the VBP potential in the first embodiment. 図20に示される回路で使用される参照電位REF1を生成する回路の構成例回路図である。FIG. 21 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a circuit that generates a reference potential REF1 used in the circuit illustrated in FIG. 20. 本発明にかかる半導体集積回路の一例とされるマイクロコンピュータの全体的な構成例ブロック図である。1 is a block diagram illustrating an example of the overall configuration of a microcomputer as an example of a semiconductor integrated circuit according to the present invention. 基板バイアスを印加する際の回路を構成する論理セルのレイアウト説明図である。It is layout explanatory drawing of the logic cell which comprises the circuit at the time of applying a substrate bias. Vthの状態とそれぞれの状態での図1における各ノードの電位との関係説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a relationship between a state of Vth and a potential of each node in FIG. 1 in each state.

符号の説明Explanation of symbols

10 第1調整回路
20 第2調整回路
100 しきい値調整回路
SOC 半導体集積回路
FF1,FF2 フリップフロップ
LOGIC1 組み合わせ回路
PMOS pチャネル型MOSトランジスタ
NMOS nチャネル型MOSトランジスタ
REG1,REG2 レジスタ
VBPCNT,VBNCNT 制御回路
BOX 埋め込み酸化膜
EOR エクスクルージブオア
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 1st adjustment circuit 20 2nd adjustment circuit 100 Threshold adjustment circuit SOC Semiconductor integrated circuit FF1, FF2 Flip-flop LOGIC1 Combination circuit PMOS p channel type MOS transistor NMOS n channel type MOS transistor REG1, REG2 Register VBPCNT, VBNCNT Control circuit BOX Embedded oxide film EOR Exclusive OR

Claims (10)

入力データをクロック信号に同期して記憶可能な第1フリップフロップと、
上記第1フリップフロップの出力信号を取り込む組み合わせ回路と、
上記組み合わせ回路の出力信号を上記クロック信号に同期して記憶可能な第2フリップフロップと、を複数備えた半導体集積回路であって、
上記第1フリップフロップと上記第2フリップフロップとで挟まれた上記組み合わせ回路毎に、上記組み合わせ回路を構成するトランジスタのしきい値電圧を調整可能なしきい値調整回路を含むことを特徴とする半導体集積回路。
A first flip-flop capable of storing input data in synchronization with a clock signal;
A combinational circuit for capturing the output signal of the first flip-flop;
A semiconductor integrated circuit comprising a plurality of second flip-flops capable of storing an output signal of the combinational circuit in synchronization with the clock signal,
A semiconductor comprising a threshold adjustment circuit capable of adjusting a threshold voltage of a transistor constituting the combination circuit for each combination circuit sandwiched between the first flip-flop and the second flip-flop. Integrated circuit.
上記組み合わせ回路には、pチャネル型MOSトランジスタと、nチャネル型MOSトランジスタとが含まれ、
互いに導電型が等しいMOSトランジスタ毎にバックゲートが共通接続されて成る請求項1記載の半導体集積回路。
The combinational circuit includes a p-channel MOS transistor and an n-channel MOS transistor,
2. The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein a back gate is commonly connected to each MOS transistor having the same conductivity type.
上記しきい値調整回路は、pチャネル型MOSトランジスタのバックゲートを調整可能な第1調整回路と、
nチャネル型MOSトランジスタのバックゲートを調整可能な第2調整回路と、を含んで成る請求項1記載の半導体集積回路。
The threshold adjustment circuit includes a first adjustment circuit capable of adjusting a back gate of a p-channel MOS transistor;
2. A semiconductor integrated circuit according to claim 1, further comprising a second adjustment circuit capable of adjusting a back gate of the n-channel MOS transistor.
上記第1調整回路は、上記pチャネル型MOSトランジスタについての第1バックゲート電位制御情報を保持可能な第1レジスタと、
上記第1レジスタの保持情報に基づいて、上記pチャネル型MOSトランジスタの上記バックゲートの電位を変更可能な第1制御回路とを含んで成り
上記第2調整回路は、上記nチャネル型MOSトランジスタについての第2バックゲート電位制御情報を保持可能な第2レジスタと、
上記第2レジスタ保持情報に基づいて、上記nチャネル型MOSトランジスタの上記バックゲートの電位を変更可能な第2制御回路と、を含んで成る請求項記載の半導体集積回路。
The first adjustment circuit comprises a first register capable of holding the first back gate potential control information for said p-channel type MOS transistor,
Based on the information held in the first register, comprises a first control circuit capable of changing a potential of the back gate of the p-channel type MOS transistor,
The second adjustment circuit includes a second register capable of holding second back gate potential control information for the n-channel MOS transistor,
It said based on the second register holding information, the n-channel type MOS and the second control circuit capable of changing a potential of the back gate of the transistor, comprising a third aspect a semiconductor integrated circuit according.
上記第1制御回路及び上記第2制御回路は、上記第1バックゲート電位制御情報及び上記第2バックゲート電位制御情報に基づいて、互いにレベルが異なる複数の電位を選択的に上記pチャネル型MOSトランジスタの上記バックゲート及び上記nチャネル型MOSトランジスタの上記バックゲートそれぞれ供給可能な第1セレクタ及び第2セレクタを含んで成る請求項4記載の半導体集積回路。 Said first control circuit and the second control circuit, based on the first back-gate voltage control information and the second back gate potential control information selectively the p-channel MOS multiple potential levels different from each other the back gate and the n-channel type MOS to the back gate of the transistor comprises a respective first selector and a second selector capable of supplying claim 4 semiconductor integrated circuit according transistor. 上記組み合わせ回路は、上記トランジスタによってデータパスを形成する請求項1記載の半導体集積回路。   The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the combinational circuit forms a data path by the transistor. 上記組み合わせ回路を形成する上記トランジスタは、ソース及びドレインとなる拡散層、ウエル領域、及び上記拡散層と上記ウエル領域との間に介在された絶縁膜を含み、上記ウエル領域がバックゲートとされる請求項1記載の半導体集積回路。 The transistor forming the combination circuit includes a diffusion layer serving as a source and a drain, the well region, and by an insulating film interposed between the diffusion layer and the well region, the well region is a back gate The semiconductor integrated circuit according to claim 1. 上記第1フリップフロップ及び上記第2フリップフロップ回路は、入力された信号がタイミング制約を満たすか否かの判別を可能とする判定回路を含んで成る請求項1記載の半導体集積回路。 The first flip-flop and the second flip-flop circuit, a semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein comprising a decision circuit input signal to enable determination of whether they meet the timing constraints. 上記組み合わせ回路は、上記バックゲートに給電するための給電セルを含み、
上記給電セルは、それぞれ所定の論理機能を有する複数の論理セルに対し1個の割合で配置される請求項記載の半導体集積回路。
The combinational circuit includes a power supply cell for supplying power to the back gate,
4. The semiconductor integrated circuit according to claim 3 , wherein said power feeding cells are arranged at a ratio of one to a plurality of logic cells each having a predetermined logic function.
上記組み合わせ回路の動作速度が設計値より早い場合、上記しきい値調整回路により、上記トランジスタのバックゲートに負のバイアス電圧が供給されることでしきい値電圧が上昇され、上記組み合わせ回路の動作速度が設計値より遅い場合、上記しきい値調整回路により、上記トランジスタの上記バックゲートに正のバイアス電圧が供給されることでしきい値電圧が低下されて成る請求項1記載の半導体集積回路。 When the operation speed of the combinational circuit is faster than the design value, the threshold voltage is raised by supplying a negative bias voltage to the back gate of the transistor by the threshold adjustment circuit. If the speed is slower than the design value, by the threshold adjustment circuit, the semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the threshold voltage is formed by lowering by the above back gate of the transistor is positive bias voltage is supplied .
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