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JP2016177864A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2016177864A
JP2016177864A JP2016087733A JP2016087733A JP2016177864A JP 2016177864 A JP2016177864 A JP 2016177864A JP 2016087733 A JP2016087733 A JP 2016087733A JP 2016087733 A JP2016087733 A JP 2016087733A JP 2016177864 A JP2016177864 A JP 2016177864A
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JP
Japan
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power supply
circuit
voltage
switch
sram
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Pending
Application number
JP2016087733A
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Japanese (ja)
Inventor
山岡 雅直
Masanao Yamaoka
雅直 山岡
石橋 孝一郎
Koichiro Ishibashi
孝一郎 石橋
松井 重純
Shigezumi Matsui
重純 松井
長田 健一
Kenichi Osada
健一 長田
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Renesas Electronics Corp
Original Assignee
Renesas Electronics Corp
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  • Static Random-Access Memory (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the stand-by power consumption by reducing the leakage current of a system LSI including a memory.SOLUTION: A power source switch N1 is provided in a logic circuit in a system LSI, data in the static memory cell are held, and in the standby state where the readout from or writing to the static memory cell is not carried out, the switch is disconnected to reduce the leakage current. At the same time, in the SRAM circuit, the substrate bias voltage is controlled to reduce the leakage current.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、ロジック回路とスタティックメモリ(SRAM)回路が混載された半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device in which a logic circuit and a static memory (SRAM) circuit are mixedly mounted.

特開平7−86916号公報(特許文献1)では論理回路に電源スイッチを設け、論理回路を構成するMOSトランジスタにバックゲートバイアスをかける構成が開示されている。また、特開2000−207884号公報(特許文献2)においてはスタティックメモリを含んだ低電圧動作対応のシステムLSIに対する基板バイアス制御技術が開示されている。特開2001−93275号公報(特許文献3)ではロジック回路にロジック電源を、メモリ回路にメモリ電源を設けた構成が開示されている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-86916 (Patent Document 1) discloses a configuration in which a power switch is provided in a logic circuit and a back gate bias is applied to a MOS transistor constituting the logic circuit. Japanese Patent Laid-Open No. 2000-207884 (Patent Document 2) discloses a substrate bias control technique for a low-voltage operation compatible system LSI including a static memory. Japanese Patent Laying-Open No. 2001-93275 (Patent Document 3) discloses a configuration in which a logic power source is provided in a logic circuit and a memory power source is provided in a memory circuit.

特開平7−86916号公報JP-A-7-86916 特開2000−207884号公報JP 2000-207884 A 特開2001−93275号公報JP 2001-93275 A

現在、SRAM回路とロジック回路を同一半導体チップ上に集積したシステムLSI(Large Scale Integrated Circuit: 大規模集積回路)と呼ばれる半導体集積回路が広く製造されている。ここで、SRAM回路とは、アレイ状に並んだSRAMのメモリセルおよびそのメモリセルにアクセスするための周辺回路を含んだ、その回路のみでメモリとして機能する回路のことを指す。また、ロジック回路とは、SRAMやダイナミックメモリ(DRAM)および不揮発性メモリなどのアレイ状に並んだメモリセルおよびメモリセルにアクセスするための回路を含んだメモリ回路以外の、入力された信号に特定の処理を施し出力する回路のことを指す。よって、ロジック回路中にフリップフロップなどのデータを保持する回路があってもこれはロジック回路の一部と考える。   Currently, a semiconductor integrated circuit called a system LSI (Large Scale Integrated Circuit) in which an SRAM circuit and a logic circuit are integrated on the same semiconductor chip is widely manufactured. Here, the SRAM circuit refers to a circuit that functions as a memory only with the circuit including SRAM memory cells arranged in an array and peripheral circuits for accessing the memory cells. A logic circuit is specified as an input signal other than a memory circuit including a memory cell arranged in an array such as SRAM, dynamic memory (DRAM), and nonvolatile memory and a circuit for accessing the memory cell. This means the circuit that performs the process and outputs it. Therefore, even if there is a circuit that holds data such as a flip-flop in the logic circuit, it is considered as a part of the logic circuit.

システムLSIの低消費電力への要求およびLSI中のトランジスタが微細化されていることから、LSIの電源電圧が低下している。たとえば、0.13μmプロセスでは、電源電圧1.2Vで動作するLSIが製造される。電源電圧が下がるとMOSトランジスタの電流が下がり回路性能が劣化する。この性能の劣化を抑えるためにMOSトランジスタのしきい値電圧を下げたLSIが製造される。   The demand for low power consumption of the system LSI and the miniaturization of transistors in the LSI reduce the power supply voltage of the LSI. For example, in a 0.13 μm process, an LSI that operates with a power supply voltage of 1.2 V is manufactured. When the power supply voltage decreases, the current of the MOS transistor decreases and the circuit performance deteriorates. In order to suppress this deterioration in performance, an LSI in which the threshold voltage of the MOS transistor is lowered is manufactured.

MOSトランジスタのしきい値を下げるとMOSトランジスタのサブスレショルド電流と呼ばれるリーク電流が増加する。リーク電流は回路の動作時、非動作時に関わらず流れ続ける。スタンバイ状態では、SRAMでは、書き込み読み出し動作は行われていないが、データは保持し続ける。よって、システムLSIのスタンバイ状態での消費電力は回路中のMOSトランジスタのリーク電流であり、MOSトランジスタのしきい値電圧を下げると、スタンバイ状態の消費電力が増加する。ここで、システムLSIにおいて、ロジック回路が動作せず、SRAM回路がデータを保持している状態をスタンバイ状態と呼ぶ。   When the threshold value of the MOS transistor is lowered, a leak current called a subthreshold current of the MOS transistor increases. The leakage current continues to flow regardless of whether the circuit is operating or not. In the standby state, the SRAM does not perform write / read operations, but continues to hold data. Therefore, the power consumption in the standby state of the system LSI is the leakage current of the MOS transistor in the circuit. When the threshold voltage of the MOS transistor is lowered, the power consumption in the standby state increases. Here, in the system LSI, a state where the logic circuit does not operate and the SRAM circuit holds data is referred to as a standby state.

スタンバイ時には、ロジック回路は動作していないため、ロジック回路についてはスイッチを用いて電源を遮断することによりリーク電流を減らすことできた。また、SRAMのメモリセルはフリップフロップ構造をしているため比較的リーク電流が少なく、また、従来のシステムLSIでは、搭載されるSRAM回路の容量が大きくなかったりしきい値の高いMOSトランジスタでSRAMのメモリセルを作っていたため、SRAM回路でのリーク電流は問題にはなっていなかった。しかし、MOSトランジスタの微細化がすすみ、システムLSIに大容量のSRAMが搭載され、SRAMのメモリセルを構成するMOSトランジスタのしきい値電圧が下げられると、SRAMのメモリセルにおけるリーク電流が無視できなくなる。ロジック回路では、電源をスイッチで遮断すればスタンバイ時のリーク電流を減らすことができるが、SRAM回路ではスタンバイ状態にデータを保持しておく必要があるため、電源を遮断することができず、リーク電流を低減することができない。また、低電圧化が進みMOSトランジスタのしきい値電圧が下がるとSRAM回路の中でメモリセルにアクセスするために付属している回路でのリーク電流が大きくなる。   Since the logic circuit is not operating during standby, the leakage current can be reduced by shutting off the power supply using a switch. In addition, since the SRAM memory cell has a flip-flop structure, the leakage current is relatively small. In the conventional system LSI, the capacity of the mounted SRAM circuit is not large or the SRAM transistor is a high threshold MOS transistor. Therefore, the leakage current in the SRAM circuit was not a problem. However, if MOS transistors are miniaturized and a large-capacity SRAM is mounted on the system LSI and the threshold voltage of the MOS transistors constituting the SRAM memory cells is lowered, the leakage current in the SRAM memory cells can be ignored. Disappear. In the logic circuit, the leakage current during standby can be reduced by shutting off the power supply with a switch. However, since the SRAM circuit needs to hold the data in the standby state, the power supply cannot be shut down and the leakage current is reduced. The current cannot be reduced. Further, when the voltage is lowered and the threshold voltage of the MOS transistor is lowered, the leakage current in the circuit attached to access the memory cell in the SRAM circuit increases.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を説明すれば、以下の通りである。
(1)ロジック回路とSRAM回路が混載されているLSIにおいて、スタンバイ時に、ロジック回路の電源はスイッチで遮断し、SRAM回路はリーク電流を低減できるようMOSトランジスタの基板電位を制御する。
(2)SRAM回路内のメモリセルにアクセスするための制御回路の電源を分割して遮断し消費電力を低減する。
(3)SRAM回路を分割して一部のSRAMでスタンバイ時にデータを保持し、データを保持しないSRAMは電源を遮断し、リーク電流を減らす。
Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be described as follows.
(1) In an LSI in which a logic circuit and an SRAM circuit are mixedly mounted, the power supply of the logic circuit is cut off by a switch during standby, and the SRAM circuit controls the substrate potential of the MOS transistor so that the leakage current can be reduced.
(2) The power supply of the control circuit for accessing the memory cells in the SRAM circuit is divided and cut off to reduce power consumption.
(3) The SRAM circuit is divided so that some SRAMs hold data during standby, and SRAMs that do not hold data shut off the power and reduce leakage current.

本発明によれば、ロジック回路とSRAM回路が混載されたLSIでスタンバイ時の消費電力を低減することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to reduce power consumption during standby in an LSI in which a logic circuit and an SRAM circuit are mounted together.

本発明が適用されたシステムLSIのロジック回路およびSRAM回路とその電源の関係の概略を表した図である。It is a figure showing the outline of the relationship between the logic circuit and SRAM circuit of the system LSI to which this invention was applied, and its power supply. 図1のシステムLSIのレイアウトの模式図である。It is a schematic diagram of the layout of the system LSI of FIG. 図1に示した回路中の各ノードの電位の変化を示した図である。FIG. 2 is a diagram showing a change in potential of each node in the circuit shown in FIG. 1. 図1中の制御回路CNTSの回路の例を表した図である。It is a figure showing the example of the circuit of the control circuit CNTS in FIG. 図1の回路の状態を変化させるための信号の波形図である。It is a wave form diagram of the signal for changing the state of the circuit of FIG. 図5に示した信号を発生させる回路の例を示した図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a circuit that generates the signal illustrated in FIG. 5. 本発明が適用されたSRAM回路の内部の構成とその電源の関係を表した図である。It is a figure showing the relationship between the internal structure of the SRAM circuit to which this invention was applied, and its power supply. 本発明が適用されたロジック回路の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the logic circuit to which this invention was applied. 本発明が適用されたシステムLSIのトランジスタの構造を示した図である。It is the figure which showed the structure of the transistor of the system LSI to which this invention was applied. ロジック回路のスイッチの第1の変形例を表した図である。It is a figure showing the 1st modification of the switch of a logic circuit. 図10に示した回路中の各ノードの電位の変化を示した図である。It is the figure which showed the change of the electric potential of each node in the circuit shown in FIG. ロジック回路のスイッチの第2の変形例を表した図である。It is a figure showing the 2nd modification of the switch of a logic circuit. ロジック回路のスイッチの第3の変形例を表した図である。It is a figure showing the 3rd modification of the switch of a logic circuit. 図13の応用例の図である。It is a figure of the application example of FIG. SRAM回路に降圧回路を適用した図である。It is the figure which applied the step-down circuit to the SRAM circuit. 図15に示した回路中の各ノードの電位の変化を示した図である。FIG. 16 is a diagram showing a change in potential of each node in the circuit shown in FIG. 15. 図16中のスイッチ回路CNTV1の回路図である。It is a circuit diagram of switch circuit CNTV1 in FIG. 図7のSRAM回路の第1の変形例である。8 is a first modification of the SRAM circuit of FIG. 図7のSRAM回路の第2の変形例である。8 is a second modification of the SRAM circuit of FIG. ロジック回路に基板バイアス制御を適用した図である。It is the figure which applied substrate bias control to a logic circuit. SRAM回路部を分割した第1の変形例を表した図である。It is a figure showing the 1st modification which divided | segmented the SRAM circuit part. 図21において複数あるSRAM回路を構成するトランジスタの構造を示した図である。FIG. 22 is a diagram showing a structure of a transistor constituting a plurality of SRAM circuits in FIG. 21. 図21の発明のシステムの応用例を表した図である。It is a figure showing the application example of the system of invention of FIG. SRAM回路を分割した第2の変形例を表した図である。It is a figure showing the 2nd modification which divided | segmented the SRAM circuit. SRAM回路を分割した第3の変形例を表した図である。It is a figure showing the 3rd modification which divided | segmented the SRAM circuit. 図24中の電源制御回路CNVT2の回路構成例を示した図である。FIG. 25 is a diagram showing a circuit configuration example of a power supply control circuit CNVT2 in FIG. 24.

<実施例1>
図1に、本発明を用いたロジック回路とSRAM回路を混載したLSIの全体の構成を概略的に示す。図1において、混載LSIであるCHIPは、外部からの電源電位線VssQとVddQを動作電位とする入出力回路IO(IO回路)と、データに所定の処理を実行するロジック回路LOGICと、データを記憶するスタティックメモリ回路SRAMと、接地電位線Vssとロジック回路の低電位側の動作電位供給線Vsslの間でスイッチとなるnMOSトランジスタN1と、スタンバイ状態の間入力される信号stbyが入力されN1のゲート電極に接続されてN1を制御する信号cntnを出力する制御回路CNTSと、stbyが入力されるとSRAMの基板電位VbnおよびVbpを制御する基板バイアス制御回路VBBCを含む。以下、特に断らない場合には、Vddから始まる記号のついた電源は、高い電位(ハイ電位)を供給する電源、Vssから始まる記号のついた電源は低い電位(ロウ電位)を供給する電源とする。尚、IO回路に供給される動作電位差(VssQ−VddQ)は一般に規格により定まりロジック回路やSRAM回路の動作電位差(Vss−Vdd)よりも大きい。一例としてVddQに3.3V、Vddに1.2V、VssとVssQに0Vを供給することが挙げられる。制御回路CNTSに用いられる信号stbyはIO回路を介して用いられる。図1の回路の半導体チップ上のレイアウトを図2にしめす。入出力回路IO(IO回路)に囲まれた中にコア回路(ロジック回路やSRAM回路等)が配置されている。IO回路は入出力パッドに接続されている。IO回路には、コア回路で使用されているMOSトランジスタよりゲート絶縁膜厚の厚いMOSトランジスタが使用される。一般にIO回路ではコア回路より高い電源電圧が印加されるため、耐圧が要求されるためである。図1中の電源制御系POWに含まれた電源スイッチ、基板バイアス制御回路VBBC、電源スイッチ制御回路CNTSは纏めて配置することによって集積度を上げることができる。トランジスタサイズ(チャネル長、チャネル幅)がロジック回路やSRAM回路と異なるときに有利となる。尚、基板バイアス制御回路は制御スイッチ、チャージポンプ回路等で構成される。
<Example 1>
FIG. 1 schematically shows the overall configuration of an LSI in which a logic circuit and an SRAM circuit using the present invention are mounted together. In FIG. 1, CHIP, which is an embedded LSI, includes an input / output circuit IO (IO circuit) that uses external power supply potential lines VssQ and VddQ as operating potentials, a logic circuit LOGIC that performs predetermined processing on data, and data The static memory circuit SRAM to be stored, the nMOS transistor N1 serving as a switch between the ground potential line Vss and the operating potential supply line Vssl on the low potential side of the logic circuit, and the signal stby input during the standby state are input. A control circuit CNTS that is connected to the gate electrode and outputs a signal cntn that controls N1 and a substrate bias control circuit VBBC that controls the substrate potentials Vbn and Vbp of the SRAM when stby is input are included. Hereinafter, unless otherwise specified, a power source having a symbol starting from Vdd is a power source supplying a high potential (high potential), and a power source having a symbol starting from Vss is a power source supplying a low potential (low potential). To do. The operating potential difference (VssQ−VddQ) supplied to the IO circuit is generally determined by the standard and is larger than the operating potential difference (Vss−Vdd) of the logic circuit or the SRAM circuit. As an example, 3.3V is supplied to VddQ, 1.2V is supplied to Vdd, and 0V is supplied to Vss and VssQ. The signal stby used for the control circuit CNTS is used via the IO circuit. The layout of the circuit of FIG. 1 on the semiconductor chip is shown in FIG. A core circuit (a logic circuit, an SRAM circuit, or the like) is disposed inside the input / output circuit IO (IO circuit). The IO circuit is connected to the input / output pad. For the IO circuit, a MOS transistor having a thicker gate insulating film than the MOS transistor used in the core circuit is used. This is because, in general, a higher power supply voltage is applied to an IO circuit than to a core circuit, so that a breakdown voltage is required. The power switch, the substrate bias control circuit VBBC, and the power switch control circuit CNTS included in the power control system POW in FIG. 1 can be integrated to increase the degree of integration. This is advantageous when the transistor size (channel length, channel width) is different from that of the logic circuit or SRAM circuit. The substrate bias control circuit includes a control switch, a charge pump circuit, and the like.

図1中のN1は、IO回路に用いられる絶縁膜厚の厚いnMOSトランジスタを用いている。電源スイッチN1の基板電位はソース側に接続されている。以下、電源と接続されたスイッチを構成するMOSトランジスタの基板電位は特に記載がない限りNチャネル型及びPチャネル型MOSトランジスタとも該トランジスタのソース電位に接続されているものとする。厚膜のMOSトランジスタを使用することによって、ゲートのトンネルリーク電流対策に有効となる。また耐圧が優れるためスイッチN1のゲートに印加される電圧を動作電圧よりも大きすることができ、nMOSを非導通にした場合のリーク電流を抑えることができる。LSIを構成するトランジスタの膜厚が1種類しかない場合や、設計上IO回路に用いられるMOSトランジスタをコア部分で使用できない場合などには絶縁膜厚の薄いMOSトランジスタをスイッチとして用いることができる。その場合には、スイッチN1で完全にリーク電流を切ることはできない。よって、このリーク電流が許容範囲内である場合にはMOSスイッチを薄膜のMOSトランジスタで作るだけでよいが、リーク電流が許容値を超えていた場合には、ロジック回路およびスイッチN1または、スイッチN1のみの基板電位を制御してリーク電流を低減するなどの方法をとる必要がある。   N1 in FIG. 1 uses a thick nMOS transistor used for an IO circuit. The substrate potential of the power switch N1 is connected to the source side. Hereinafter, it is assumed that the substrate potential of the MOS transistor constituting the switch connected to the power source is connected to the source potential of both the N-channel and P-channel MOS transistors unless otherwise specified. Use of a thick-film MOS transistor is effective for countermeasures against gate tunnel leakage current. Further, since the withstand voltage is excellent, the voltage applied to the gate of the switch N1 can be made larger than the operating voltage, and the leakage current when the nMOS is made non-conductive can be suppressed. When the transistor constituting the LSI has only one type of film thickness, or when the MOS transistor used in the IO circuit by design cannot be used in the core portion, a MOS transistor having a thin insulation film thickness can be used as a switch. In that case, the leakage current cannot be completely cut off by the switch N1. Therefore, when this leakage current is within the allowable range, the MOS switch may be formed only by a thin film MOS transistor. However, when the leakage current exceeds the allowable value, the logic circuit and the switch N1 or the switch N1 are used. It is necessary to take a method such as reducing the leakage current by controlling only the substrate potential.

また電源を遮断するスイッチとしてnMOSトランジスタを用いているのは、nMOSはpMOSと比較して流れる電流が大きくなるため同じ電流を流そうとした場合に、スイッチのサイズを小さくできるからである。よって、面積に余裕がある場合などスイッチの大きさを考慮しなければ、接地電源Vssを遮断するnMOSのスイッチを入れるかわりに、電源Vddを遮断するpMOSのスイッチを入れることが可能である。回路各部のアクティブ状態ACTおよびスタンバイ状態STBの電位の例を図3に示す。ここで、アクティブ状態ACTとはロジック回路及びSRAM回路が動作している状態を表す。図1中のVddおよびVssは、SRAM回路・ロジック回路を含むコアの電源でVddの電圧は1.2V、Vssの電圧は0.0Vである。アクティブ状態では、スタンバイ信号stbyがロウなため、スイッチのコントロール信号がハイでnMOSスイッチはオンとなっている。またSRAM回路のnMOSトランジスタおよびpMOSトランジスタの基板電位であるVbnおよびVbpはそれぞれ0Vと1.2Vとなっており、SRAM回路中のMOSトランジスタにかかる基板バイアスVbsは0Vとなっている。よって、SRAM回路を構成するMOSトランジスタのしきい値電圧はトランジスタの構造(ゲート幅・ゲート長・インプラ量)より決定される値より変化していない。   The reason why the nMOS transistor is used as a switch for shutting off the power supply is that the current flowing in the nMOS is larger than that in the pMOS, so that the size of the switch can be reduced when the same current is attempted to flow. Therefore, if the size of the switch is not taken into consideration, such as when there is a margin in the area, it is possible to turn on the pMOS switch that cuts off the power supply Vdd instead of turning on the nMOS switch that cuts off the ground power supply Vss. FIG. 3 shows examples of potentials in the active state ACT and the standby state STB of each part of the circuit. Here, the active state ACT represents a state in which the logic circuit and the SRAM circuit are operating. Vdd and Vss in FIG. 1 are a power source of a core including an SRAM circuit and a logic circuit, and the voltage of Vdd is 1.2V and the voltage of Vss is 0.0V. In the active state, since the standby signal stby is low, the switch control signal is high and the nMOS switch is on. The substrate potentials Vbn and Vbp of the nMOS transistor and pMOS transistor of the SRAM circuit are 0V and 1.2V, respectively, and the substrate bias Vbs applied to the MOS transistor in the SRAM circuit is 0V. Therefore, the threshold voltage of the MOS transistor constituting the SRAM circuit is not changed from a value determined by the transistor structure (gate width, gate length, implantation amount).

スタンバイ状態では、スタンバイ信号stbyがハイになる。それにしたがってnMOSスイッチを制御する信号cntnがロウとなりnMOSスイッチが非導通状態となる。同時に、SRAM回路を構成するnMOSトランジスタおよびpMOSトランジスタの基板電位であるVbnとVbpが−1.2Vおよび2.4Vとなる。これによって、SRAM回路中のMOSトランジスタに1.2Vの基板バイアスが印加され、MOSトランジスタのしきい値電圧が上昇し、MOSトランジスタのリーク電流が減少する。   In the standby state, the standby signal stby becomes high. Accordingly, the signal cntn for controlling the nMOS switch becomes low and the nMOS switch becomes non-conductive. At the same time, the substrate potentials Vbn and Vbp of the nMOS transistor and the pMOS transistor constituting the SRAM circuit become −1.2V and 2.4V, respectively. As a result, a substrate bias of 1.2 V is applied to the MOS transistor in the SRAM circuit, the threshold voltage of the MOS transistor increases, and the leakage current of the MOS transistor decreases.

入力されたスタンバイ信号stbyを用いてスイッチをコントロールする信号cntnを生成する回路は例えば、図4のような簡単な回路で実現することができる。   A circuit for generating the signal cntn for controlling the switch using the input standby signal stby can be realized by a simple circuit as shown in FIG.

また図4の回路を用いる場合には図3のようにスタンバイ状態STBで常にスタンバイ信号stbyとしてハイが入力されている必要がある。ここで、例えば、スタンバイ状態STBになる時にのみスタンバイ信号stbyが入力され、スタンバイ状態STBからアクティブ状態ACTに変化する時にアクティブ信号ackが入力される場合が考えられる。その際のスタンバイ信号stbyおよびアクティブ信号ackおよびコントロール信号cntnの電位変化を図5に示す。スタンバイ信号stbyが入るとコントロール信号cntnがロウになって電源スイッチが切れてリーク電流を減少させることが可能となる。またアクティブ信号ackが入力されるとコントロール信号cntnがハイとなり電源スイッチが導通しロジック回路に電源が供給される。   Further, when the circuit of FIG. 4 is used, it is necessary to always input high as the standby signal stby in the standby state STB as shown in FIG. Here, for example, the standby signal stby is input only when the standby state STB is entered, and the active signal ack is input when the standby state STB changes to the active state ACT. FIG. 5 shows potential changes of the standby signal stby, the active signal ack, and the control signal cntn at that time. When the standby signal stby is input, the control signal cntn becomes low and the power switch is turned off, so that the leakage current can be reduced. When the active signal ack is input, the control signal cntn becomes high, the power switch is turned on, and power is supplied to the logic circuit.

図5の波形の信号を出力するための回路CNTSを図6に示す。スタンバイ状態STBであることを回路中で記憶しておくためにフリップフロップを用いている。この際には、アクティブ状態ACTに戻るための信号を用意する。図7は、図1中のSRAM回路SRAMの構成例を示している。SRAM回路は、メモリセルアレイMARと、メモリセルにアクセスするための周辺回路PERI1とPERI2、およびPERI1またはPERI2の電源線VssおよびVddを遮断するためのスイッチとなるMOSトランジスタs_sw2およびs_sw1およびs_sw2mのゲートにスタンバイ状態を伝達する信号stbyの反転信号を入力させるためにインバータを含む。SRAM_CIRに含まれるPチャネル型MOSトランジスタの基板電位はVbpに接続され、Nチャネル型MOSトランジスタの基板電位はVbnに接続することによって基板バイアス電位を制御できる。MARは、SRAMのメモリセルがアレイ上に並んだ回路である。メモリセルは一対のCMOSインバータの入力と出力が互いに接続されて構成されるフリップ・フロップ(第1と第2のPチャネル型負荷MOSトランジスタ、第1と第2のNチャネル型駆動MOSトランジスタで構成される)と、前記フリップ・フロップの2つの記憶ノードとビット線(BL,/BL)との間に接続された第1と第2Nチャネル型転送MOSトランジスタとで構成される。Nチャネル型転送MOSトランジスタのゲート電極にはワード線WLが接続される。メモリセルの動作電位はVddmaとVssmaにより与えられる。周辺回路PERI1は、ワードドライバWDRおよびロウデコーダRDEC、メモリコントローラMCNTを含めたメモリセルのワード線WLを制御するための回路を含んでいる。PERI1に含まれる回路の動作電位はVddperとVssperにより与えられる。周辺回路PERI2は、プリチャージ回路PRE、ビット線に接続された読み出し・書き込み制御回路であるリードアンプ・ライトアンプRWAMPおよびカラムデコーダCDECを含むメモリセルのビット線BLを制御するための回路を含んでいる。リード・ライトアンプRWAMPはセンスアンプの出力バッファであるOBUF、ライトアンプの制御回路WCNTを含んでいる。PERI2に含まれる回路の動作電位はVddampとVssampにより与えられる。図中の/stbyは、スタンバイ時STBにはロウの信号が入力される。これにより、スタンバイ時には、PERI1へ入力される電源線Vddが遮断され、同時にPERI2に入力される電源線Vssが遮断される。また同時にMAR、PERI1およびPERI2を構成するMOSトランジスタの基板電位を供給するVbnおよびVbpは、MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値を上昇させるように制御される。このように、SRAMのメモリセルには基板バイアスを印加し、周辺回路には基板バイアスをかけた上で電源にスイッチを設けてリーク電流を低減することにより、スタンバイ時のSRAMでの消費電力を低減することができる。   FIG. 6 shows a circuit CNTS for outputting the signal having the waveform shown in FIG. A flip-flop is used to store in the circuit that the STB is in the standby state. At this time, a signal for returning to the active state ACT is prepared. FIG. 7 shows a configuration example of the SRAM circuit SRAM in FIG. The SRAM circuit is connected to the memory cell array MAR and the gates of the peripheral circuits PERI1 and PERI2 for accessing the memory cells, and the MOS transistors s_sw2 and s_sw1 and s_sw2m serving as switches for cutting off the power lines Vss and Vdd of the PERI1 or PERI2. An inverter is included to input an inverted signal of the signal stby for transmitting the standby state. The substrate bias potential can be controlled by connecting the substrate potential of the P-channel MOS transistor included in SRAM_CIR to Vbp and connecting the substrate potential of the N-channel MOS transistor to Vbn. The MAR is a circuit in which SRAM memory cells are arranged on an array. The memory cell is composed of a flip-flop (first and second P-channel load MOS transistors, first and second N-channel drive MOS transistors) formed by connecting the inputs and outputs of a pair of CMOS inverters to each other. And first and second N-channel transfer MOS transistors connected between the two storage nodes of the flip-flop and the bit lines (BL, / BL). A word line WL is connected to the gate electrode of the N channel type transfer MOS transistor. The operating potential of the memory cell is given by Vddma and Vssma. Peripheral circuit PERI1 includes a circuit for controlling word lines WL of memory cells including word driver WDR, row decoder RDEC, and memory controller MCNT. The operating potential of the circuit included in PERI1 is given by Vddper and Vssper. The peripheral circuit PERI2 includes a circuit for controlling a bit line BL of a memory cell including a precharge circuit PRE, a read amplifier / write amplifier RWAMP, which is a read / write control circuit connected to the bit line, and a column decoder CDEC. Yes. The read / write amplifier RWAMP includes an OBUF, which is an output buffer of the sense amplifier, and a control circuit WCNT of the write amplifier. The operating potential of the circuit included in PERI2 is given by Vddamp and Vssamp. In / stby in the figure, a low signal is input to STB during standby. As a result, during standby, the power supply line Vdd input to PERI1 is shut off, and at the same time, the power supply line Vss input to PERI2 is shut off. At the same time, Vbn and Vbp for supplying the substrate potentials of the MOS transistors constituting MAR, PERI1, and PERI2 are controlled so as to increase the absolute value of the threshold voltage of the MOS transistors. Thus, by applying a substrate bias to the SRAM memory cell and applying a substrate bias to the peripheral circuit and providing a switch to the power supply to reduce leakage current, the power consumption of the SRAM during standby can be reduced. Can be reduced.

図7中で、周辺回路を2つにわけ、それぞれVssおよびVddを遮断していることには次に説明する理由がある。スタンバイ状態ではワード線はロウとなっている上、動作状態においても選択されたワード線を除けば、ロウとなっている。従って、ワード線をドライブする回路はハイの電位である電源Vddを遮断することによって、ロウの電位である電源Vssを遮断するよりリーク電流が低減でき、スタンバイ状態からの復帰にかかる時間が短くなる。つまり、Vdd側にスイッチを入れる場合、Vss側にスイッチを入れるよりも小さなスイッチですむ。逆に、SRAMではビット線は通常Vddにチャージされるため、アンプ等は、Vddにチャージした状態が安定となる構成になっている場合が多い。したがって、スタンバイ時にビット線をVddにチャージし、リードアンプおよびライトアンプの電源Vssをスイッチで遮断するとリーク電流が低減でき、スタンバイ状態からアクティブ状態への復帰時間が短くなる。ビット線をVddにプリチャージする回路では、ビット線を駆動する回路のVssを遮断する方がリーク電流および復帰時間の点で有利であるが、ビット線をVssにプリチャージする回路では、当然Vdd側のスイッチを遮断する方が有利であり、その構成をとることも可能である。   In FIG. 7, the peripheral circuit is divided into two and Vss and Vdd are cut off for the following reason. In the standby state, the word line is low, and in the operation state, the word line is low except for the selected word line. Therefore, the circuit that drives the word line can cut off the power supply Vdd that is a high potential, thereby reducing the leakage current, and shortening the time required to return from the standby state, compared to shutting off the power supply Vss that is a low potential. . In other words, when the switch is turned on on the Vdd side, a smaller switch is required than on the switch on the Vss side. On the contrary, since the bit line is normally charged to Vdd in the SRAM, the amplifier or the like is often configured to be stable in the state charged to Vdd. Therefore, when the bit line is charged to Vdd during standby and the power supply Vss of the read amplifier and the write amplifier is shut off by the switch, the leakage current can be reduced, and the return time from the standby state to the active state is shortened. In the circuit that precharges the bit line to Vdd, it is advantageous in terms of leakage current and recovery time to cut off Vss of the circuit that drives the bit line, but naturally in the circuit that precharges the bit line to Vss, Vdd. It is advantageous to cut off the switch on the side, and it is possible to take the configuration.

図7の回路は、図1のようなシステムLSI中のSRAMを想定しているが、システムLSIに限らずメモリLSIに適用することが可能である。さらに、図7はSRAM回路の基板バイアスを制御する図となっているが、周辺回路のリークを抑えることによって十分にスタンバイ状態の消費電力を低減することが可能であるならば、必ずしも基板バイアスを印加する必要はない。とくに、今後MOSトランジスタの特性が変化し、MOSトランジスタのサブスレショルドと呼ばれるリーク電流よりもMOSトランジスタの接合リークと呼ばれるリーク電流が増加した場合、基板電位を制御する方式では、リーク電流を低減できない可能性がある。その場合には、システムLSI内のロジック回路およびSRAMの周辺回路の電源をスイッチで遮断する構成はとくに重要な技術となると考えられる。図8には図1中のロジック回路OGICの構成例を示している。ロジック回路LOGIC_CIRはPチャネル型MOSトランジスタとNチャネル型MOSトランジスタとで構成されるインバータ、NAND、NOR等の論理ゲートが組み合わせられ、多段接続されている。ロジック回路内のトランジスタには基板電位は印加されていないため、Pチャネル型MOSトランジスタの基板電位は動作電位の高電位側Vddに接続され、Nチャネル型MOSトランジスタの基板電位は動作電位の低電位側Vsslに接続されている。図9には、LSI中のロジック回路やSRAM回路(CORE)に用いられるMOSトランジスタと、LSIの入出力回路IOに用いられるMOSトランジスタと、図1で示したロジック回路の電源を遮断するスイッチlogic swに用いられるMOSトランジスタと、図7で示したSRAMの周辺回路の電源を遮断するスイッチS_SWに用いられるMOSトランジスタの種類の構造を表す。Pチャネル型MOSとNチャネル型MOSトランジスタではしきい値電圧は異なるが、一般に極性を反転させて同じ値に設計されるため図16においてはその絶対値を示す。一般的にLSIの入出力回路部分には絶縁膜厚の厚い厚膜トランジスタが、内部のロジック回路等には絶縁膜厚の薄いトランジスタが用いられる。この図では、絶縁膜厚の厚いMOSトランジスタの例として絶縁膜厚が6.7nmのもの、絶縁膜厚の薄いMOSトランジスタの例として絶縁膜厚が2.0nmのものを用いた。また、膜厚の薄いMOSトランジスタとして、不純物量の違いにより2種類かそれ以上のしきい値電圧をもつMOSトランジスタが使われることが多い。図9では、しきい値電圧Vthが0.40Vと0.25Vの2種類のMOSトランジスタが使われる場合を例としてあげた。しきい値電圧の低いMOSトランジスタの方が、動作時の電流が大きいが、待機時のリーク電流も大きくなる。すべての組合せで、制御スイッチを除いたロジック回路LOGIC_CIRとSRAM回路SRAM_CIRにはゲート絶縁膜が薄膜の2種類のVthのMOSトランジスタを、IOにはゲート絶縁膜が厚膜でVthの高いMOSトランジスタを用いている。LOGIC_CIRにおいて、クリティカルパスには低しきい値、残りの回路には高しきい値のトランジスタを用いる。SRAM_CIRにおいて、リーク電流の削減及びスタティックノイズマージン(SNB)の維持のためメモリセルアレイMARには高しきい値のトランジスタを用いる。プリチャージ回路、センスアンプ、ワードドライバ、デコーダを含めた周辺回路PERIには高速性が要求されるため低しきい値のMOSトランジスタを用いる。   The circuit in FIG. 7 assumes the SRAM in the system LSI as shown in FIG. 1, but can be applied not only to the system LSI but also to the memory LSI. Further, FIG. 7 is a diagram for controlling the substrate bias of the SRAM circuit. If the power consumption in the standby state can be sufficiently reduced by suppressing the leakage of the peripheral circuit, the substrate bias is not necessarily set. There is no need to apply it. In particular, if the characteristics of the MOS transistor change in the future, and the leakage current called junction leakage of the MOS transistor increases more than the leakage current called the sub-threshold of the MOS transistor, the method of controlling the substrate potential may not reduce the leakage current. There is sex. In that case, a configuration in which the power supply of the logic circuit in the system LSI and the peripheral circuit of the SRAM is cut off by a switch is considered to be a particularly important technique. FIG. 8 shows a configuration example of the logic circuit OGIC in FIG. The logic circuit LOGIC_CIR is composed of an inverter composed of a P-channel MOS transistor and an N-channel MOS transistor, and logic gates such as NAND and NOR, which are connected in multiple stages. Since no substrate potential is applied to the transistors in the logic circuit, the substrate potential of the P-channel MOS transistor is connected to the high potential side Vdd of the operating potential, and the substrate potential of the N-channel MOS transistor is the low potential of the operating potential. Connected to the side Vssl. FIG. 9 shows a MOS transistor used in a logic circuit or SRAM circuit (CORE) in the LSI, a MOS transistor used in the input / output circuit IO of the LSI, and a switch logic that cuts off the power supply of the logic circuit shown in FIG. The structure of the kind of MOS transistor used for switch S_SW which cuts off the power supply of the MOS transistor used for sw and the peripheral circuit of SRAM shown in FIG. 7 is represented. Although the threshold voltage differs between the P-channel MOS transistor and the N-channel MOS transistor, the absolute value is shown in FIG. Generally, a thick film transistor with a thick insulating film is used for an input / output circuit portion of an LSI, and a thin transistor with a thin insulating film is used for an internal logic circuit or the like. In this figure, an MOS transistor having an insulating film thickness of 6.7 nm is used as an example of a MOS transistor having a thick insulating film, and an MOS transistor having an insulating film thickness of 2.0 nm is used as an example of a MOS transistor having a thin insulating film. In addition, as a thin MOS transistor, a MOS transistor having two or more threshold voltages is often used depending on the amount of impurities. FIG. 9 shows an example in which two types of MOS transistors having a threshold voltage Vth of 0.40 V and 0.25 V are used. A MOS transistor having a lower threshold voltage has a larger current during operation, but also has a larger leakage current during standby. In all combinations, the logic circuit LOGIC_CIR and the SRAM circuit SRAM_CIR excluding the control switch have two types of Vth MOS transistors with a thin gate insulating film, and the IO has a MOS transistor with a thick gate insulating film and a high Vth. Used. In LOGIC_CIR, low threshold transistors are used for the critical path and high threshold transistors are used for the remaining circuits. In SRAM_CIR, a high threshold transistor is used in the memory cell array MAR in order to reduce leakage current and maintain static noise margin (SNB). The peripheral circuit PERI including the precharge circuit, the sense amplifier, the word driver, and the decoder uses a low threshold MOS transistor because high speed is required.

Pattern1の組合せでは、ロジック回路の電源スイッチには厚膜でVthの高いMOSトランジスタを、SRAM回路内の周辺回路の電源スイッチには薄膜でVthの高いMOSトランジスタを使用する。ロジック回路の電源スイッチには厚膜のMOSトランジスタを用いて、規模の大きい回路のリーク電流を抑える。SRAMでは、基板バイアスを制御してリーク電流を抑えているため、電源スイッチに多少リークの大きい薄膜のMOSトランジスタを用いているため全体のリーク電流が抑えられる。また、SRAM回路にしめる周辺回路の回路規模が大きくない時には、周辺回路のリーク電流は大きくないと考えられるため、Pattern1の構成が有効である。さらに、SRAM回路を再利用しやすい形のモジュールとして設計する場合には、SRAM回路を設計する場合に薄膜のMOSトランジスタのみの特性について考慮して設計できるため、スイッチを薄膜のMOSトランジスタで作る方が設計効率がよくなる。このようにPattern1の構成では、SRAM回路自体の規模が大きくない場合、SRAM回路中の周辺回路の規模が大きくない場合、基板バイアスを制御することによるリーク電流の低減が大きく見込める場合、またはSRAMの設計効率を考えた場合に有効な構成である。   In the Pattern 1 combination, a thick-film MOS transistor having a high Vth is used for the power switch of the logic circuit, and a thin-film MOS transistor having a high Vth is used for the power switch of the peripheral circuit in the SRAM circuit. A thick film MOS transistor is used for the power switch of the logic circuit to suppress the leakage current of a large-scale circuit. In the SRAM, since the leakage current is suppressed by controlling the substrate bias, the entire leakage current is suppressed because a thin MOS transistor having a somewhat large leakage is used for the power switch. In addition, when the circuit scale of the peripheral circuit included in the SRAM circuit is not large, it is considered that the leakage current of the peripheral circuit is not large, so that the configuration of Pattern 1 is effective. Furthermore, when designing an SRAM circuit as a module that can be easily reused, it is possible to design the SRAM circuit by considering the characteristics of only the thin film MOS transistor. However, the design efficiency is improved. As described above, in the Pattern 1 configuration, when the size of the SRAM circuit itself is not large, when the size of the peripheral circuit in the SRAM circuit is not large, when leakage current can be greatly reduced by controlling the substrate bias, This configuration is effective when considering design efficiency.

Pattern2の組合せでは、ロジック回路の電源スイッチおよびSRAM回路内の周辺回路の電源スイッチともに厚膜でVthの高いMOSトランジスタを使用する。これによって、LSI中のSRAMメモリセル以外の回路のリーク電流を低減することができ、Pattern1と比較してスタンバイ時の消費電力が小さくなる。しかし、SRAM回路を設計する際に、厚膜のMOSトランジスタの特性を考慮する必要があるため、設計効率は下がる。Pattern2の組合せは、SRAM回路の規模が大きい場合、SRAMの周辺回路の規模が大きい場合、または基板バイアスを制御することによるリーク電流の低減効果が大きく見込めない場合に有効な組合せである。   In the pattern 2 combination, a thick MOS transistor having a high Vth is used for both the power switch of the logic circuit and the power switch of the peripheral circuit in the SRAM circuit. As a result, the leakage current of circuits other than the SRAM memory cell in the LSI can be reduced, and the power consumption during standby is reduced as compared with Pattern 1. However, when designing the SRAM circuit, it is necessary to consider the characteristics of the thick film MOS transistor, so that the design efficiency is lowered. The combination of Pattern 2 is an effective combination when the scale of the SRAM circuit is large, when the scale of the peripheral circuit of the SRAM is large, or when the effect of reducing the leakage current by controlling the substrate bias cannot be expected greatly.

Pattern3の組合せでは、ロジック回路の電源スイッチおよびSRAM回路内の周辺回路の電源スイッチともに薄膜でVthの高いMOSトランジスタを使用する。この場合、薄膜のMOSトランジスタを用いているため、Pattern2と比較してリーク電流を低減する効果が下がる。しかし厚膜のMOSトランジスタの特性を考慮する必要がないため、設計効率は上がる。Pattern3の組合せは、LSIのリーク電流の低減効果がそれほど大きくなく、設計効率が必要な場合等に有効である。   In the pattern 3 combination, a thin film MOS transistor having a high Vth is used for both the power switch of the logic circuit and the power switch of the peripheral circuit in the SRAM circuit. In this case, since a thin-film MOS transistor is used, the effect of reducing the leakage current is reduced as compared with Pattern2. However, since it is not necessary to consider the characteristics of the thick film MOS transistor, the design efficiency is improved. The combination of Pattern 3 is effective when the effect of reducing the leakage current of the LSI is not so great and design efficiency is required.

以上のように、スタンバイ状態ではロジック回路の電源をスイッチで遮断し、SRAM回路には基板バイアスを印加することによって、システムLSIのリーク電流を下げて、スタンバイ状態の消費電力を低減することができる。
<実施例2>
本実施例ではロジック回路に用いられる電源スイッチの変形例を示す。図10には、図1の回路でロジック回路部分の電源Vssにのみ搭載していた電源スイッチを電源VddおよびVssにつけた場合の回路ブロック図を示す。ロジック回路の2つの電源であるVddおよびVssにスイッチを設けて電源を遮断することによって、電源スイッチを設けることによる面積の増加は大きくなるが、より確実にスタンバイ時のリーク電流を遮断することが可能となる。尚、図1にはIO回路が図示されているが、図10では省略している。以下、他の図でもCHIP内のIO回路を省略して記載する。
As described above, in the standby state, the power supply of the logic circuit is cut off by the switch and the substrate bias is applied to the SRAM circuit, thereby reducing the leakage current of the system LSI and reducing the power consumption in the standby state. .
<Example 2>
In this embodiment, a modification of the power switch used in the logic circuit is shown. FIG. 10 shows a circuit block diagram when the power switch mounted only on the power supply Vss of the logic circuit portion in the circuit of FIG. 1 is attached to the power supplies Vdd and Vss. By providing a switch to Vdd and Vss that are two power supplies of the logic circuit to cut off the power supply, an increase in area due to the provision of the power switch increases, but it is possible to more reliably cut off the leakage current during standby. It becomes possible. Although an IO circuit is shown in FIG. 1, it is omitted in FIG. Hereinafter, the IO circuits in the CHIP are also omitted in other drawings.

図10の回路を用いた時の、回路各部の電位を図11に示す。この図は、図3の電位にロジック部分のVddを遮断するためのスイッチであるpMOSのP1を制御する信号cntpが加わった図となっている。cntpは、アクティブ状態ACTでロウとなり、スタンバイ状態STBでハイとなる。よって、図7中の制御信号を出力する回路CNTS2の内部回路を特には記述しないが、図4または図6の回路に逆位相の信号を出力する回路が付加された回路を取ることも可能である。図1および図10では、図1中のロジック回路が1つにまとまっている場合の回路について説明した。図12には、ロジック回路が2つ以上のブロックに分割されているLSIに、本発明を適用した場合の回路のブロック図を示す。図12では、ロジック回路が2つのブロックに分割されている場合の例を示すが、3つ以上のブロックに分割されている場合でも、同様の構成が適用できる。図12に示すメモリ混載LSIは、ロジック回路LOGIC1およびLOGIC2、LOGIC1およびLOGIC2それぞれの接地電位電源線Vssl1およびVssl2、Vssl1およびVssl2をLSI全体の電源線Vssに接続するスイッチN2およびN3、スタティックメモリ回路SRAM、スイッチの制御回路CNTSおよびSRAMの基板電位を制御する回路VBBCで構成されている。ロジック回路が複数あることを除いては図1の回路と同等の構成であり、動作は図1の回路と同等の動作となる。ロジック回路を複数のブロックに分割して、それぞれに電源を遮断するスイッチを設けることによって、それぞれのブロックに最適のスイッチを付加することができる。たとえば、一部のロジックブロックにはVssを遮断するnMOSのスイッチを付加し、別のブロックにはVddを遮断するpMOSのスイッチを付加し、あるいはブロックによってはVddとVssの2つの電源を遮断するスイッチを設けることが可能である。   FIG. 11 shows the potential of each part of the circuit when the circuit of FIG. 10 is used. This figure is a diagram in which the signal cntp for controlling P1 of the pMOS which is a switch for cutting off the Vdd of the logic portion is added to the potential of FIG. cntp goes low in the active state ACT and goes high in the standby state STB. Therefore, although the internal circuit of the circuit CNTS2 that outputs the control signal in FIG. 7 is not specifically described, it is also possible to take a circuit in which a circuit that outputs a signal of an opposite phase is added to the circuit of FIG. 4 or FIG. is there. 1 and FIG. 10, the circuit in the case where the logic circuit in FIG. 1 is integrated has been described. FIG. 12 shows a block diagram of a circuit when the present invention is applied to an LSI in which a logic circuit is divided into two or more blocks. Although FIG. 12 shows an example in which the logic circuit is divided into two blocks, the same configuration can be applied even when the logic circuit is divided into three or more blocks. The memory-embedded LSI shown in FIG. 12 includes switches N2 and N3 for connecting the ground potential power lines Vssl1 and Vssl2, Vssl1 and Vssl2 of the logic circuits LOGIC1 and LOGIC2, LOGIC1 and LOGIC2, respectively, to the power line Vss of the entire LSI, and a static memory circuit SRAM. The switch control circuit CNTS and the circuit VBBC for controlling the substrate potential of the SRAM. The configuration is the same as that of the circuit of FIG. 1 except that there are a plurality of logic circuits, and the operation is the same as that of the circuit of FIG. By dividing the logic circuit into a plurality of blocks and providing a switch for shutting off the power supply to each block, an optimum switch can be added to each block. For example, an nMOS switch that blocks Vss is added to some logic blocks, a pMOS switch that blocks Vdd is added to another block, or two power supplies of Vdd and Vss are blocked depending on the block. A switch can be provided.

図13に示すメモリ混載LSIは、各ロジック回路のブロックがそれぞれに電源スイッチを付加され、その電源スイッチがそれぞれ別の信号cntn1およびcntn2で制御されていること、および、制御信号cntn1およびcntn2を別々に制御可能な制御回路CNTS3で構成されていることが図12と異なっている。CNTS3は、電源スイッチの制御信号cntn1およびcntn2を制御可能な回路となっており、回路の動作状態によって、スイッチN2を遮断してスイッチN3は導通するといった制御が可能である。これによって、スタンバイ状態で動作させておく必要のあるロジック回路のブロックを動作させ、動作を止めることができるロジック回路のブロックとSRAM回路をスタンバイ状態にして、リーク電流を低減することが可能となる。   In the memory-embedded LSI shown in FIG. 13, a power switch is added to each block of each logic circuit, the power switch is controlled by different signals cntn1 and cntn2, and control signals cntn1 and cntn2 are separately transmitted. 12 is different from that shown in FIG. 12 in that the control circuit CNTS3 is controllable. The CNTS3 is a circuit capable of controlling the control signals cntn1 and cntn2 of the power switch, and can be controlled such that the switch N2 is cut off and the switch N3 is turned on depending on the operation state of the circuit. As a result, the logic circuit block that needs to be operated in the standby state is operated, and the logic circuit block that can be stopped and the SRAM circuit are set in the standby state, thereby reducing the leakage current. .

図13において、図12の場合と同様、3つ以上のロジックブロックがある場合や、ブロックごとにVss側の電源またはVdd側の電源またはその両者を遮断するといった組合せを作ることは可能である。図13の構成では、ブロックごとの電源を供給を制御してスタンバイ状態つまり低リーク状態にすることが可能であるため、スタンバイ状態に限らずアクティブ状態においても、動作する必要のないロジック回路およびSRAM回路をスタンバイ状態となるよう電源スイッチを制御して、リーク電流を最小限に抑えることも可能である。
図14に図13の実施例を中央演算処理装置を搭載したシステム(マイコン)に適用した例を上げる。システムLSIは、中央演算処理装置CPUと呼ばれるさまざまな演算が可能なロジック回路ブロックCPUとデジタル信号演算専用のロジック回路ブロックDSPとスタティックメモリブロックSRAM回路とそのブロックを接続しデータをやりとりするバスBUSとそのバスを制御する回路BSCNTおよび外部とデータをやりとりする回路IOで構成される。それぞれのブロックはアクティブ状態ではバスを通じてデータがやりとりされるため、バスの動作状態をモニターすることによって、そのブロックが動作しているかがわかる。例えば、回路全体が動作していない場合には、バスをコントロールする回路BSCNTからstat1という信号ですべてのブロックがスタンバイ状態にあることをスイッチの制御回路CNTS3に伝達すれば、CNTS3がcntn1およびcntn2をロウとしスイッチN2およびN3が遮断されロジック回路のリーク電流が低減できる。同時に、VBBCがSRAMの基板電位であるVbnおよびVbpを制御してSRAMのリーク電流を下げれば回路全体のリーク電流を低減できる。また例えば、CPUのみ動作していてDSPおよびSRAMへのバスを通じたアクセスがない場合には、BSCNTがその情報をstat1を通じて出力し、SRAMの基板電位をスタンバイ状態に、DSPの電源スイッチN3を遮断してDSPをスタンバイ状態に、CPUのみをアクティブ状態にする、という状態を作ることが可能となる。
<実施例3>
図15には、本発明を用いたロジック回路とSRAM回路を混載したLSIの全体の構成を概略的に示す。混載LSIであるCHIPは、ロジック回路LOGICと、スタティックメモリ回路SRAMと、外部からの接地電位線Vssとロジック回路の接地電位線Vsslの間でスイッチとなるnMOSトランジスタN1と、スタンバイ状態の間入力される信号stbyが入力されN1のゲート電極に接続されてN1を制御する信号cntnを出力する制御回路CNTSと、stbyが入力されるとSRAMの基板電位VbnおよびVbpを制御する基板バイアス制御回路VBBCと、stby信号によってSRAMの電源線Vddmを制御する回路CNTV1を含む。
In FIG. 13, as in FIG. 12, it is possible to make a combination in which there are three or more logic blocks, or the Vss side power supply or the Vdd side power supply or both are cut off for each block. In the configuration of FIG. 13, since it is possible to control the supply of power for each block to be in a standby state, that is, a low leakage state, a logic circuit and an SRAM that do not need to operate not only in the standby state but also in the active state It is also possible to minimize the leakage current by controlling the power switch so that the circuit is in a standby state.
FIG. 14 shows an example in which the embodiment of FIG. 13 is applied to a system (microcomputer) equipped with a central processing unit. The system LSI is called a central processing unit CPU, which is a logic circuit block CPU capable of various operations, a logic circuit block DSP dedicated to digital signal operations, a static memory block SRAM circuit, and a bus BUS that connects the blocks and exchanges data. The circuit BSCNT controls the bus and the circuit IO exchanges data with the outside. Since each block exchanges data through the bus in the active state, it can be known whether the block is operating by monitoring the operating state of the bus. For example, when the entire circuit is not operating, if the circuit BSCNT controlling the bus notifies the switch control circuit CNTS3 that all the blocks are in a standby state by a signal stat1, CNTS3 sets cntn1 and cntn2 to each other. The switches N2 and N3 are cut off and the leakage current of the logic circuit can be reduced. At the same time, if VBBC controls Vbn and Vbp, which are the substrate potentials of the SRAM, to reduce the leakage current of the SRAM, the leakage current of the entire circuit can be reduced. Also, for example, when only the CPU is operating and there is no access to the DSP and SRAM via the bus, BSCNT outputs the information via stat1, puts the SRAM substrate potential into the standby state, and shuts off the DSP power switch N3. Thus, it is possible to create a state in which the DSP is in the standby state and only the CPU is in the active state.
<Example 3>
FIG. 15 schematically shows the entire configuration of an LSI in which a logic circuit and an SRAM circuit using the present invention are mounted together. The CHIP, which is an embedded LSI, is input during the standby state, the logic circuit LOGIC, the static memory circuit SRAM, the nMOS transistor N1 serving as a switch between the ground potential line Vss from the outside and the ground potential line Vssl of the logic circuit. A control circuit CNTS that receives a signal stby that is connected to the gate electrode of N1 and outputs a signal cntn that controls N1, and a substrate bias control circuit VBBC that controls the substrate potentials Vbn and Vbp of the SRAM when stby is input. , A circuit CNTV1 for controlling the power supply line Vddm of the SRAM by the stby signal.

図15の構成はCNTV1を除くと図1の回路と同様の構成をとり、CNTV1以外は図1と同等の動作をする。CNTV1は、スタンバイ状態になってstby信号が入力されると、SRAMの電源電圧をVddからデータを保持することが可能なVddより低い電圧に下げる。これによって、スタンバイ状態では、SRAMの基板電位が制御されてリーク電流が減り、電源電圧が下がるためさらにリーク電流が低減でき、図1の回路よりさらにスタンバイ時の消費電力を低減することができる。   The configuration of FIG. 15 is the same as that of the circuit of FIG. 1 except for CNTV1, and operates in the same manner as FIG. 1 except for CNTV1. When the stby signal is input when the CNTV1 enters the standby state, the power supply voltage of the SRAM is lowered from Vdd to a voltage lower than Vdd that can hold data. Thereby, in the standby state, the substrate potential of the SRAM is controlled, the leakage current is reduced, and the power supply voltage is lowered, so that the leakage current can be further reduced, and the power consumption during standby can be further reduced as compared with the circuit of FIG.

図15の回路各部のアクティブ時ACTおよびスタンバイ時STBの電位を図16に示す。回路の電源Vddの電圧は1.2Vの場合の電位を示す。stby、cntn、Vbn、Vbpは図1の動作電位である図3と同じである。SRAMの電源電圧Vddmは、アクティブ時ACTは電源電圧と同じ1.2Vであり、スタンバイ時STBには、0.6Vとなっている。これによって、SRAMでのリーク電流を低減することができる。   FIG. 16 shows the potentials at the time of ACT and STB at the time of standby of each part of the circuit of FIG. The voltage of the circuit power supply Vdd indicates a potential in the case of 1.2V. stby, cntn, Vbn, and Vbp are the same as those in FIG. 3, which is the operating potential of FIG. The power supply voltage Vddm of the SRAM is 1.2 V, which is the same as the power supply voltage when active, and is 0.6 V during the standby STB. As a result, the leakage current in the SRAM can be reduced.

図15中の電源制御回路CNTV1は、例えば図16の回路で実現できる。CNTV1は、降圧回路PDCと切替えスイッチで構成される。SRAM回路がアクティブ状態ACTの時は、切替えスイッチによってSRAM回路内のメモリセルに動作電位を供給する電源線Vddmが外部から供給される電源Vddに接続されて、SRAM回路の電源電圧はVddと等しくなる。スタンバイ状態STBでは、信号stbyによって切替えスイッチが切替えられ、降圧回路によって発生したVddより低くSRAMのメモリセル内のデータが保持できる電位以上になっているVddlowとSRAM回路の電源Vddmが接続され、SRAM回路の電源電圧がVddより低くなる。尚、図15では高電位側で降圧したが、電源制御回路CNTV1をVssmとVssとの間に接続し、CNTV1を昇圧回路とすることも可能である。低電位側を昇圧、又は昇圧降圧の組み合わせにより同じ効果を得ることができる。
<実施例4>
図18に、図7の回路の変形例を示す。図7では、メモリセルアレイの電源はVddmaおよびVssma、ビット線をドライブする回路を含んだ回路RWAMPの電源はVddampおよびVssamp、それ以外の回路の電源はVddperおよびVssperで、SRAM回路内の電源を3系統にわけ、ビット線の制御に用いられる周辺回路PERI2と低電位側の電源との間にNチャネル型MOSトランジスタからなるスイッチを、ワード線の制御に用いられる周辺回路PERI1と高電位側の電源との間にPチャネル型MOSトランジスタからなるスイッチを挿入したが、ここでは3系統にわけた電源の高電位側と低電位側それぞれにスイッチを入れて各電源をスタンバイ時に遮断できる構成としたものである。この回路では、すべての電源にMOSトランジスタで構成されたスイッチが入っており、スタンバイ時に、制御信号cntmp1および制御信号cntmp2をロウに、制御信号cntmp3をハイに、制御信号cntmn1および制御信号cntmn3をハイに、制御信号cntmn2をロウにすることによって、スイッチP6、P7、N6およびN8を導通させ、スイッチP8およびN7を遮断することによって、図7の構成を実現できる。また、P6とN6はSRAMメモリセルの情報保持のためにスタンバイ時でも導通しておく必要があるが、後に述べるSRAM回路をブロック分割した場合に、情報を保持する必要のないブロックにおいてはP6とN6を遮断する構成を採用することも低電力化において有効になる。スタンバイ時にVssampを制御するスイッチに印加される信号cntmn2をロウとする代わりに、cntmp2をハイにすれば、ビット線をロウにプリチャージする回路で使用されると考えられるリード・ライトアンプのVdd側の電源を遮断する回路が実現できる。このように、図18に示す回路では、制御信号の制御の仕方によって、いくつかの種類の回路を実現できる。
The power supply control circuit CNTV1 in FIG. 15 can be realized by the circuit of FIG. 16, for example. CNTV1 includes a step-down circuit PDC and a changeover switch. When the SRAM circuit is in the active state ACT, the power supply line Vddm for supplying the operating potential to the memory cells in the SRAM circuit is connected to the power supply Vdd supplied from the outside by the changeover switch, and the power supply voltage of the SRAM circuit is equal to Vdd. Become. In the standby state STB, the selector switch is switched by the signal stby, and Vddlow, which is lower than Vdd generated by the step-down circuit and is higher than the potential capable of holding the data in the SRAM memory cell, is connected to the power supply Vddm of the SRAM circuit. The power supply voltage of the circuit becomes lower than Vdd. Although the voltage is stepped down on the high potential side in FIG. 15, the power supply control circuit CNTV1 can be connected between Vssm and Vss so that CNTV1 can be a booster circuit. The same effect can be obtained by boosting the low potential side or combining boosting and stepping down.
<Example 4>
FIG. 18 shows a modification of the circuit of FIG. In FIG. 7, the power supply of the memory cell array is Vddma and Vssma, the power supply of the circuit RWAMP including the circuit for driving the bit line is Vddamp and Vssamp, the power of the other circuits is Vddper and Vssper, and the power supply in the SRAM circuit is 3 In the system, a switch composed of an N-channel MOS transistor is connected between the peripheral circuit PERI2 used for bit line control and the low-potential power supply, and the peripheral circuit PERI1 used for word line control and the high-potential power supply. A switch consisting of a P-channel MOS transistor is inserted between the two, but here it is configured so that each power supply can be shut off during standby by inserting switches on the high potential side and low potential side of the three power sources It is. In this circuit, all power supplies include switches composed of MOS transistors, and in standby, the control signal cntmp1 and the control signal cnttmp2 are set to low, the control signal cnttmp3 is set to high, and the control signal cntmn1 and the control signal cntmn3 are set to high. In addition, by setting the control signal cntmn2 to low, the switches P6, P7, N6 and N8 are turned on, and the switches P8 and N7 are cut off, whereby the configuration of FIG. 7 can be realized. P6 and N6 need to be kept conductive even during standby to hold information in the SRAM memory cell. However, when the SRAM circuit described later is divided into blocks, P6 and N6 are set to P6 and N6 in a block that does not need to hold information. Adopting a configuration that cuts off N6 is also effective in reducing power consumption. The Vdd side of a read / write amplifier that is considered to be used in a circuit that precharges the bit line to low by setting cntmp2 high instead of setting the signal cntmn2 applied to the switch that controls Vssamp during standby to low. A circuit that shuts off the power supply can be realized. Thus, in the circuit shown in FIG. 18, several types of circuits can be realized depending on how the control signal is controlled.

図19には、図7の回路を一部変更した回路を示す。カラムデコーダCDECの電源はVddperおよびVssperに接続されている。図7ではカラムデコーダCDECは、Vss側の電源を遮断するようになっているが、これはカラムデコーダがアンプの近くに配置されているため、アンプと同じスイッチで電源を遮断すると回路設計が容易になると考えられるためである。しかし、カラムデコーダをワード線を制御する回路と電源を共通にし、Vdd側の電源を遮断することによって、電源の配置等の設計が複雑にならなければ、Vdd側を遮断する構成をとることができる。カラムデコーダは、ビット線を制御するがワードドライバWDRと同様に動作時に低電位を取るノードが多い(選択線が非選択線よりも多い)ため、高電位側にスイッチを用いるメモリコントローラMNCTと同じ動作電位VddperとVssperを取る方が有利となる。尚同様の理由で、図上示されていないが、ライトアンプの制御回路WCNTもVddperとVssperに接続する方が望ましい。図19では図18の3電源に対するスイッチ(VddとVddma、VddampとVddperとの間にそれぞれ設けられたPチャネル型MOSトランジスタによるスイッチ及び、VssとVssma、VssampとVssperとの間にそれぞれ設けられたNチャネル型MOSトランジスタによるスイッチ)とスイッチを介さない電源線とを用意したが、構成上低電位側、高電位側のどちらに遮断するスイッチを設けた方がよいかによってSRAM回路内をブロック化することにより、Vddampと接続されたPチャネル型MOSトランジスタ及び、Vssperと接続されたNチャネル型MOSトランジスタを省略することができる。この回路では、図7と異なりロウデコーダRDECにつながる電源がSRAM回路内の遮断可能な電源ではなくSRAM回路外の電源VddとVssと直接接続されており、スタンバイ時にロウデコーダには電源が供給されている。これは、スタンバイ状態からの復帰時の電源の供給される時間差等からワード線にノイズがのって、メモリセル内の転送MOSが導通状態になってしまうのを防ぐためである。このノイズが発生するのは、ワードドライバの電源がその前段の回路の電源が早く立ち上がってしまい、ワードドライバにロウの信号が入力された状態となり、ワードドライバがハイを出力してしまうためである。ロウデコーダにスタンバイ時に電源を供給しておくことで、ワードドライバにロウの信号が入力されることがなくなり、ワード線にノイズがのることがなくなる。図19では、ロウデコーダ全体の電源を外部から供給される電源VddおよびVssに直接接続したが、この回路構成ではロウデコーダのリーク電流は低減できないことになる。よって、特には図示しないが、ロウデコーダ全体の電源をVddおよびVssに接続するのではなく、ワードドライバの前段の回路たとえばNAND回路にのみ電源VddおよびVssを接続し、それ以外のロウデコーダの回路にはスイッチで遮断する電源を接続するという回路構成が考えられる。この回路構成だと、リーク電流は低減できるが、ロウデコーダ内での電源の配置が複雑になり、設計が困難になる。よって、SRAM回路中のロウデコーダの規模が比較的大きく、ロウデコーダのリーク電流を抑える必要がある場合には、ワードドライバの前段の回路にのみ外部から供給されている電源VddおよびVssを接続し、それ以外のロウデコーダの回路には電源スイッチによってスタンバイ時に電源を遮断することが可能な電源を接続する回路構成とし、ロウデコーダの規模が大きくなくロウデコーダのリーク電流の影響が少ない場合には、ロウデコーダの電源をすべてVddおよびVssに接続する本構成が有効であると考えられる。図19のようにSRAMの周辺回路の電源を機能によって分割して制御することによって、SRAMの周辺回路のリーク電流を低減することが可能となる。
<実施例5>
図20に、図1のロジック回路とSRAM回路を混載したLSIにおいてSRAM回路だけでなくロジック回路にも基板バイアス制御を行った構成図を示す。混載LSIであるCHIPは、ロジック回路LOGICとスタティックメモリ回路SRAMと、ロジック回路の接地電位線Vsslの間でスイッチとなるnMOSトランジスタN1と、ロジック回路およびSRAM回路を構成するMOSトランジスタの基板電位線Vbnl、Vbpl、VbnmおよびVbpmが、VddおよびVssとVbnおよびVbpのどちらに接続されるかを選択するスイッチSW1と、N1を制御する信号cntnとスイッチSW1を制御する信号cntvbb1およびcntvbb2を出力する制御回路CNTS4と、基板バイアスVbnおよびVbpを発生する基板バイアス制御回路VBBC2を含む。
FIG. 19 shows a circuit obtained by partially changing the circuit of FIG. The power supply of the column decoder CDEC is connected to Vddper and Vssper. In FIG. 7, the column decoder CDEC cuts off the power supply on the Vss side. However, since the column decoder is arranged near the amplifier, circuit design is easy if the power is cut off with the same switch as the amplifier. This is because it is considered to be. However, if the column decoder uses a common power supply for the word line control circuit and shuts off the power supply on the Vdd side, the design of the power supply arrangement and the like is not complicated, so that the Vdd side can be shut off. it can. Since the column decoder controls the bit line but has many nodes that take a low potential during operation as in the word driver WDR (the number of selection lines is larger than that of non-selection lines), it is the same as the memory controller MNCT that uses switches on the high potential side. It is advantageous to take the operating potentials Vddper and Vssper. For the same reason, although not shown in the figure, it is preferable that the control circuit WCNT of the write amplifier is also connected to Vddper and Vssper. In FIG. 19, switches for the three power sources in FIG. 18 (switches by P-channel MOS transistors provided between Vdd and Vddma, Vddamp and Vddper, respectively, and provided between Vss and Vssma, Vssamp and Vssper, respectively. N-channel MOS transistor switch) and power supply line that does not go through the switch are prepared, but the SRAM circuit is blocked depending on whether it is better to provide a switch that cuts off the low potential side or the high potential side. By doing so, the P-channel MOS transistor connected to Vddamp and the N-channel MOS transistor connected to Vssper can be omitted. In this circuit, unlike FIG. 7, the power source connected to the row decoder RDEC is directly connected to the power sources Vdd and Vss outside the SRAM circuit, not the power source that can be shut off in the SRAM circuit, and the power is supplied to the row decoder during standby. ing. This is to prevent the transfer MOS in the memory cell from becoming conductive due to noise on the word line due to a difference in power supply time when returning from the standby state. This noise is generated because the power supply of the word driver powers on the preceding stage powers up quickly, and a low signal is input to the word driver, and the word driver outputs high. . By supplying power to the row decoder during standby, a low signal is not input to the word driver, and noise is not applied to the word line. In FIG. 19, the power supply for the entire row decoder is directly connected to the power supplies Vdd and Vss supplied from the outside. However, with this circuit configuration, the leakage current of the row decoder cannot be reduced. Therefore, although not shown in particular, the power supply of the entire row decoder is not connected to Vdd and Vss, but the power supplies Vdd and Vss are connected only to the preceding circuit of the word driver, such as a NAND circuit, and the other row decoder circuits. A circuit configuration in which a power source that is cut off by a switch is connected can be considered. With this circuit configuration, the leakage current can be reduced, but the arrangement of the power supply in the row decoder becomes complicated and the design becomes difficult. Therefore, when the scale of the row decoder in the SRAM circuit is relatively large and it is necessary to suppress the leakage current of the row decoder, the power supplies Vdd and Vss supplied from the outside are connected only to the previous circuit of the word driver. The other row decoder circuits are connected to a power supply that can be turned off during standby by a power switch. If the scale of the row decoder is not large and the influence of the leakage current of the row decoder is small, It is considered that this configuration in which all the power supplies of the row decoder are connected to Vdd and Vss is effective. As shown in FIG. 19, by dividing and controlling the power supply of the peripheral circuit of the SRAM according to the function, it becomes possible to reduce the leakage current of the peripheral circuit of the SRAM.
<Example 5>
FIG. 20 shows a configuration diagram in which the substrate bias control is performed not only on the SRAM circuit but also on the logic circuit in the LSI in which the logic circuit and the SRAM circuit of FIG. 1 are mixedly mounted. The CHIP, which is an embedded LSI, includes a logic circuit LOGIC, a static memory circuit SRAM, an nMOS transistor N1 that serves as a switch between the ground potential lines Vssl of the logic circuit, and a substrate potential line Vbnl of the MOS transistors that constitute the logic circuit and the SRAM circuit. , Vbpl, Vbnm, and Vbpm are connected to Vdd, Vss, Vbn, and Vbp, a switch SW1, a control circuit that outputs a signal cntn that controls N1, and a signal cntvbb1 and cntvbb2 that controls switch SW1. CNTS4 and a substrate bias control circuit VBBC2 for generating substrate biases Vbn and Vbp are included.

アクティブ時およびスタンバイ時の各部の電圧は図3に示されている電圧となる。スタンバイ時には、ロジック回路の電源が遮断されるとともに、ロジック回路の基板電位が制御されロジック回路のリーク電流が低減される。   The voltage of each part at the time of active and standby becomes the voltage shown in FIG. At the time of standby, the power supply of the logic circuit is cut off, and the substrate potential of the logic circuit is controlled to reduce the leakage current of the logic circuit.

この回路は、図9のPattern3で示したようにロジック回路の電源スイッチを低しきい値のMOSトランジスタで作った場合に、電源スイッチでのリーク電流がある場合に、基板バイアスを印加することによって、ロジック回路のリーク電流が低減されるため、有効となる。この回路では、ロジック回路とSRAM回路の基板電位を独立に制御することができる。SRAM回路のみスタンバイ状態にしてロジック回路をアクティブ状態にすることによって、ロジック回路のみが動作している時にSRAM回路でのリーク電流を低減することが可能である。また、ロジック回路に基板バイアスを印加して、SRAM回路を動作させてロジック回路のリーク電流を低減することも可能である。このように、ロジック回路およびSRAM回路に基板バイアスを印加するかどうか選択可能なスイッチを持たせることによって、動作状態に応じてリーク電流を減らすという動作が可能となる。さらに、基板電位を制御するブロックを細かく制御することで、基板バイアスを印加して電圧を変化させる負荷の量を変化させることができる。つまり、スイッチを設けて不必要な部分に基板バイアスを印加しなければ、電位を変化させる必要のある負荷が減るため電位の変化にかかる時間を短くできる。
<実施例6>
図21に、図1のSRAM回路をブロックに分割した第1の変形例を示す。図24において、混載LSIであるCHIPは、ロジック回路LOGICと、スタティックメモリ回路SRAM1およびSRAM2と、電源Vssとロジック回路の接地電位線Vsslとの間でスイッチとなるnMOSトランジスタN9と、電源VssとSRAM1の接地電位線Vssm1との間でスイッチとなるnMOSトランジスタN10と、N9およびN10を制御する信号cntnを出力する制御回路CNTSと、基板バイアスVbnおよびVbpを発生する基板バイアス制御回路VBBCを含む。SRAM回路SRAM1とSRAM2は図7及び既に上げた図7の変形例と同様の構成をとることができる。
In this circuit, when the power switch of the logic circuit is made of a low-threshold MOS transistor as shown by Pattern 3 in FIG. 9, when there is a leakage current at the power switch, a substrate bias is applied. This is effective because the leakage current of the logic circuit is reduced. In this circuit, the substrate potentials of the logic circuit and the SRAM circuit can be controlled independently. By setting only the SRAM circuit in the standby state and the logic circuit in the active state, leakage current in the SRAM circuit can be reduced when only the logic circuit is operating. It is also possible to reduce the leakage current of the logic circuit by applying a substrate bias to the logic circuit and operating the SRAM circuit. As described above, by providing the logic circuit and the SRAM circuit with a switch that can select whether or not to apply the substrate bias, an operation of reducing the leakage current according to the operation state can be performed. Further, by finely controlling the block that controls the substrate potential, it is possible to change the amount of load that changes the voltage by applying the substrate bias. In other words, if a substrate bias is not applied to an unnecessary portion by providing a switch, the load required to change the potential is reduced, and the time required for the potential change can be shortened.
<Example 6>
FIG. 21 shows a first modification in which the SRAM circuit of FIG. 1 is divided into blocks. In FIG. 24, CHIP, which is an embedded LSI, includes a logic circuit LOGIC, static memory circuits SRAM1 and SRAM2, an nMOS transistor N9 serving as a switch between the power supply Vss and the ground potential line Vssl of the logic circuit, and the power supply Vss and SRAM1. Includes an nMOS transistor N10 that functions as a switch with respect to the ground potential line Vssm1, a control circuit CNTS that outputs a signal cntn for controlling N9 and N10, and a substrate bias control circuit VBBC that generates substrate biases Vbn and Vbp. The SRAM circuits SRAM1 and SRAM2 can have the same configuration as that of the modified example of FIG. 7 and FIG.

この回路では、図1のSRAM回路をSRAM1とSRAM2の2つのブロックに分割し、スタンバイ時には、ロジック回路およびSRAM1の電源を遮断し、SRAM2には基板バイアスを印加して全体のリーク電流を低減し、スタンバイ時の消費電力を低減する。よって、図1の回路と比較するとSRAM1の回路のリーク電流を低減することができる。ただし、この構造では、スタンバイ時にはSRAM1に記憶されていたデータは消えてしまうため、スタンバイ時に記憶しておく必要のあるデータはSRAM2に記憶させる必要がある。システムLSIでは、いくつかのSRAMブロックが混載されて、スタンバイ時にデータを保持しておく必要のあるブロックとないブロックが混在している構成も多く考えられるため、そのような回路ではこの回路構成を用いることによって、リーク電流を低減する効果が大きい。   In this circuit, the SRAM circuit of FIG. 1 is divided into two blocks, SRAM1 and SRAM2, and the power supply of the logic circuit and SRAM1 is shut off during standby, and a substrate bias is applied to SRAM2 to reduce the overall leakage current. Reduce power consumption during standby. Therefore, the leakage current of the SRAM 1 circuit can be reduced as compared with the circuit of FIG. However, in this structure, data stored in the SRAM 1 at the time of standby is erased. Therefore, data that needs to be stored at the time of standby needs to be stored in the SRAM 2. In system LSI, several SRAM blocks are mixedly mounted, and there are many possible configurations in which blocks that need to retain data during standby and blocks that do not exist are mixed. By using it, the effect of reducing the leakage current is great.

図22に、SRAM回路を2つに分割した場合のそれぞれのSRAMのメモリセル回路に用いるMOSトランジスタの組合せを示す。この図では、図9と同様に、絶縁膜厚の厚いMOSトランジスタの例として絶縁膜厚が6.7nmのも、絶縁膜厚の薄いMOSトランジスタの例として絶縁膜厚が2.0nmのものを用いる。また、膜厚の薄いMOSトランジスタが2種類のしきい値電圧をもつ例として、しきい値電圧Vthが0.40Vと0.25Vの2種類のMOSトランジスタが使われる場合を例としてあげた。MAR1が電源を遮断できるSRAM1のメモリセルのMOSトランジスタ、MAR2が電源を遮断しないSRAM2のメモリセルのMOSトランジスタを表している。ロジック回路LOGIC_CIRには、図9の表で挙げたとおり、2種類のしきい値のMOSトランジスタを用いる。ロジック回路内の約10%に低しきい値のMOSトランジスタを用い、それらはクリティカルパス経路内のトランジスタに割り当てられる。SRAMのメモリセルを除いた周辺回路のMOSトランジスタは図示していないが、ロジック回路の低しきい値0.25Vと同じしきい値のMOSトランジスタを用いる。いずれも薄膜のMOSトランジスタが用いられる。IOは入出力回路に用いられるMOSトランジスタを表しており、いずれの組み合わせても厚膜でしきい値電圧の高いMOSトランジスタが用いられる。   FIG. 22 shows combinations of MOS transistors used in each SRAM memory cell circuit when the SRAM circuit is divided into two. In this figure, in the same way as in FIG. 9, the MOS film thickness is 6.7 nm as an example of a thick MOS transistor, and the MOS transistor thickness is 2.0 nm as an example of a thin MOS transistor. Use. Further, as an example in which a thin MOS transistor has two types of threshold voltages, a case where two types of MOS transistors having threshold voltages Vth of 0.40 V and 0.25 V are used is given as an example. MAR1 represents a MOS transistor of the SRAM1 memory cell that can shut off the power supply, and MAR2 represents a MOS transistor of the memory cell of the SRAM2 that does not shut off the power supply. As the logic circuit LOGIC_CIR, as shown in the table of FIG. 9, two kinds of threshold MOS transistors are used. About 10% in the logic circuit uses low threshold MOS transistors, which are assigned to transistors in the critical path path. Although the MOS transistors in the peripheral circuit excluding the SRAM memory cell are not shown, a MOS transistor having the same threshold value as the low threshold value 0.25 V of the logic circuit is used. In either case, a thin film MOS transistor is used. IO represents a MOS transistor used in an input / output circuit. A MOS transistor having a thick film and a high threshold voltage is used in any combination.

Pattern1では、すべてのSRAM回路ブロック内のメモリセルに薄膜でしきい値電圧の高いMOSトランジスタを用いている。この構成では、メモリセルの面積が小さくなり、またSRAMの動作安定性にも優れていると考えられる。   In Pattern 1, a thin film MOS transistor having a high threshold voltage is used for memory cells in all SRAM circuit blocks. In this configuration, the area of the memory cell is reduced, and it is considered that the operation stability of the SRAM is excellent.

Pattern2では、電源スイッチが付加していないSRAMメモリセルを厚膜でリーク電流の少ないMOSトランジスタで作り、リーク電流を下げる組合せである。この組合せでは、電源スイッチが入っているSRAM1内のメモリセルを構成するトランジスタは薄膜のMOSトランジスタで作っているため面積が小さく動作も早い。さらにリーク電流は電源スイッチで抑えることができる。また、電源スイッチの入っていないSRAM2内のメモリセルを構成するトランジスタを厚膜のMOSトランジスタで作ることによって、スタンバイ時のリーク電流を下げることができる。ただし、SRAM2のメモリセルの面積は大きくなると考えられるため、回路面積がそれほど気にならない回路や、リーク電流を確実に減らす必要のある回路で使用すると、この回路の利点がもっとも得られる。また、SRAM2の回路規模が小さい場合にもこの組合せは有効である。   Pattern 2 is a combination in which an SRAM memory cell to which no power switch is added is made of a MOS transistor having a small film thickness and a small leakage current, thereby reducing the leakage current. In this combination, the transistors constituting the memory cell in the SRAM 1 in which the power switch is turned on are made of thin-film MOS transistors, so the area is small and the operation is fast. Furthermore, the leakage current can be suppressed with a power switch. In addition, the leakage current at the time of standby can be reduced by forming the transistors constituting the memory cells in the SRAM 2 without the power switch using thick MOS transistors. However, since the area of the memory cell of the SRAM 2 is considered to be large, the advantage of this circuit is most obtained when it is used in a circuit that does not care much about the circuit area or a circuit that needs to reliably reduce the leakage current. This combination is also effective when the SRAM 2 has a small circuit scale.

Pattern3は、SRAM1のメモリセルを薄膜でしきい値電圧が低いMOSトランジスタで作り、SRAM2のメモリセルは薄膜でしきい値電圧が高いMOSトランジスタで作る。SRAMのメモリセルを構成するMOSトランジスタのしきい値を下げた場合、リーク電流が大きくなってスタンバイ時の消費電力が大きくなる問題と、SRAM自体の動作マージンがなくなりメモリセル自体が動作しなくなるという問題がある。前者の問題は、電源スイッチを設けることで回避できる。よって、後者の問題が顕著に現れないような特性のMOSトランジスタを用いる時にのみこの組合せが実現できる。   In Pattern 3, the memory cell of SRAM1 is made of a thin film MOS transistor having a low threshold voltage, and the memory cell of SRAM2 is made of a thin film MOS transistor having a high threshold voltage. When the threshold value of the MOS transistor constituting the SRAM memory cell is lowered, the leakage current increases and the power consumption during standby increases, and the operation margin of the SRAM itself disappears and the memory cell itself does not operate. There's a problem. The former problem can be avoided by providing a power switch. Therefore, this combination can be realized only when MOS transistors having such characteristics that the latter problem does not appear remarkably are used.

Pattern4は、Pattern3の組合せのうちSRAM2のメモリセルを構成するMOSトランジスタとして厚膜のMOSトランジスタを用いたものである。これにより、Pattern3よりも回路面積は大きくなるが、リーク電流は低減できる。   Pattern 4 uses a thick-film MOS transistor as the MOS transistor constituting the memory cell of SRAM 2 in the combination of Pattern 3. As a result, the circuit area is larger than that of Pattern 3, but the leakage current can be reduced.

図23に、図21の応用例を示す。混載LSIであるCHIPは、ロジック回路LOGICと、スタティックメモリ回路SRAM1およびSRAM2と、ロジック回路とSRAM回路間でデータを転送するバスであるBUSと、電源Vssとロジック回路の接地電位線Vsslとの間でスイッチとなるnMOSトランジスタN9と、電源VssとSRAM1の接地電位線Vssm1との間でスイッチとなるnMOSトランジスタN10と、スタンバイ状態での制御信号cntnおよびdtranを出力する制御回路CNTS5と、基板バイアスVbnおよびVbpを発生する基板バイアス制御回路VBBCを含む。   FIG. 23 shows an application example of FIG. The CHIP, which is an embedded LSI, includes a logic circuit LOGIC, static memory circuits SRAM1 and SRAM2, a bus that transfers data between the logic circuit and the SRAM circuit, a power supply Vss, and a ground potential line Vssl of the logic circuit. NMOS transistor N9 that functions as a switch, nMOS transistor N10 that functions as a switch between power supply Vss and ground potential line Vssm1 of SRAM 1, control circuit CNTS5 that outputs control signals cntn and dtran in the standby state, and substrate bias Vbn And a substrate bias control circuit VBBC for generating Vbp.

通常、システムLSIでは、バスを通してロジック回路とSRAM回路間でデータのやりとりが行われるため、図21のシステムLSIの回路にもバスが存在すると考えられる。よって、図23の回路と図21の回路とで異なるのは、スタンバイ状態の制御回路であるCNTS5のみであり、この回路の動作およびバスの動作について説明する。LSIをスタンバイ状態にする場合に、制御回路CNTS5から制御信号dtranを用いてロジック回路を制御して、SRAM1中のスタンバイ時に記憶しておく必要のあるデータをバスを介してSRAM2に退避させる。退避させ終るとdtranを通じて退避が終了したことを制御回路CNTS5に伝える。これによって、制御回路CNTS5からスタンバイ状態に遷移する信号が出力され、ロジック回路およびSRAM1の電源がスイッチによって遮断され、またSRAM2にリーク電流が下がるような基板バイアスが印加される。逆に、スタンバイ状態からアクティブ状態に復帰する場合には、制御回路CNTS5から信号が出力され、ロジック回路およびSRAM1に電源が供給されるとともにSRAM2のスタンバイ状態の基板バイアスがアクティブ状態のバイアスに切替えられる。ロジック回路およびSRAM1の電源電圧およびSRAM2の基板電位が安定すると、制御信号dtranを通してバスを制御する回路が制御され、SRAM2に退避させていたSRAM1のデータをもとに戻す。この回路では、スタンバイ時に保持しておく必要のあるデータは保持することができ、かつ、保持しておく必要のないデータ分のメモリセルのリーク電流を低減することができる。図24に、SRAM回路をブロックに分割した第2の変形例のSRAM回路とその電源制御回路部分を示す。図15においてはSRAM回路は一つの降圧回路でCNTV1でSRAM回路の高電位側の電位が制御されているが、分割することにより各ブロック毎に最適な制御(SRAM1は降圧するが、SRAM2は読み出し・書き込み動作を行うために降圧しない)を行うことができる。図15の場合と同様、高電位側で降圧するのでなく、低電位側を昇圧、又は昇圧降圧の組み合わせにより同じ効果を得ることができる。CNTV2は各々図17に示された回路を用いればよい。降圧電圧はSRAMの記憶保持ができる最低限の電圧以上にする必要がある。図25には、SRAM回路をブロックに分割した第3の変形例のSRAM回路とその電源制御回路部分を示す。4つのSRAMブロックSRAM1、SRAM2、SRAM3およびSRAM4と、それぞれのブロックの電源を遮断するPチャネル型MOSトランジスタで構成されたスイッチP9、P10、P11およびP12と、その電源スイッチを制御する制御回路CNTS6で構成されている。スタンバイ時には、データを保持する必要のあるブロックの電源は遮断せず、データを保持する必要のないブロックの電源は遮断する。この回路構成によって、SRAM回路のリーク電流をデータ保持が必要なブロック分のみとすることができる。Pチャネル型MOSトランジスタの例を図示したが、面積効率の上からはNチャネル型のトランジスタに置き換えた構成の方が有利である点は既に述べたとおりである。図21では電源を遮断しないブロックを設け、情報保持を必要とするが電源がスタンバイ時に遮断される他のブロックの情報を転送する構成をとるが、本構成によれば、データを転送する処理を行う必要はなくなる。但し、情報保持を必要とするか否かを検出する手段を付加し、その手段によって情報保持が必要のないブロックの電源スイッチのみが遮断されることになる。そこで、制御回路CNTS6の制御方式としては、例えば、必要なデータが格納されているブロックを記憶しておき、スタンバイ状態に遷移する際には、データが格納されていないブロックの電源を遮断する制御方式が考えられる。また、回路作成時に、電源を遮断するブロックと遮断しないブロックをプログラムしておき、そのプログラムにしたがって、電源を遮断する制御方式も考えられる。また、動作中にどのブロックの電源を遮断するかをプログラムしておき、電源遮断が必要なブロックのみ電源を遮断する制御方法も考えられる。このように、制御回路CNTS6の制御方式を変更すれば、さまざまな電源遮断パターンが実現できる。   Normally, in the system LSI, data is exchanged between the logic circuit and the SRAM circuit through the bus, so it is considered that the bus also exists in the system LSI circuit of FIG. Therefore, the circuit of FIG. 23 is different from the circuit of FIG. 21 only in the control circuit CNTS5 in the standby state, and the operation of this circuit and the operation of the bus will be described. When the LSI is set to the standby state, the control circuit CNTS5 uses the control signal dtran to control the logic circuit, and the data that needs to be stored in the SRAM 1 during standby is saved to the SRAM 2 via the bus. When the evacuation is completed, the control circuit CNTS5 is informed through the dtran that the evacuation has been completed. As a result, a signal for transition to the standby state is output from the control circuit CNTS5, the power supply of the logic circuit and the SRAM 1 is shut off by the switch, and a substrate bias is applied to the SRAM 2 so as to reduce the leakage current. Conversely, when returning from the standby state to the active state, a signal is output from the control circuit CNTS5, power is supplied to the logic circuit and the SRAM 1, and the standby state substrate bias of the SRAM 2 is switched to the active state bias. . When the power supply voltage of the logic circuit and the SRAM 1 and the substrate potential of the SRAM 2 are stabilized, the circuit for controlling the bus is controlled through the control signal dtran, and the data of the SRAM 1 saved in the SRAM 2 is restored. In this circuit, data that needs to be held during standby can be held, and the leakage current of memory cells corresponding to data that does not need to be held can be reduced. FIG. 24 shows an SRAM circuit according to a second modification in which the SRAM circuit is divided into blocks and a power supply control circuit portion thereof. In FIG. 15, the SRAM circuit is a single step-down circuit, and the high-potential side potential of the SRAM circuit is controlled by CNTV1, but by dividing it, optimal control is performed for each block (SRAM1 is stepped down, but SRAM2 is read out) -It is possible not to step down to perform a write operation. Similar to the case of FIG. 15, the same effect can be obtained by boosting the low potential side or a combination of boosting and stepping down instead of stepping down on the high potential side. The CNTV2 may use the circuit shown in FIG. The step-down voltage needs to be equal to or higher than the minimum voltage that can be stored in the SRAM. FIG. 25 shows an SRAM circuit of a third modification in which the SRAM circuit is divided into blocks and a power supply control circuit portion thereof. Four SRAM blocks SRAM1, SRAM2, SRAM3 and SRAM4, switches P9, P10, P11 and P12 each composed of a P-channel MOS transistor for shutting off the power of each block, and a control circuit CNTS6 for controlling the power switch It is configured. At the time of standby, the power supply of the block that needs to hold data is not cut off, and the power supply of the block that does not need to hold data is cut off. With this circuit configuration, the leakage current of the SRAM circuit can be limited only to the blocks that require data retention. Although an example of a P-channel type MOS transistor has been illustrated, as described above, it is more advantageous to replace the N-channel type transistor in terms of area efficiency. In FIG. 21, a block that does not shut off the power supply is provided and information holding is required, but the information of other blocks that are shut off during standby is transferred. However, according to this configuration, the process of transferring data is performed. There is no need to do it. However, a means for detecting whether or not information holding is required is added, and only the power switch of the block that does not need to hold information is cut off by the means. Therefore, as a control method of the control circuit CNTS6, for example, a block in which necessary data is stored is stored, and control is performed to shut off the power of the block in which no data is stored when transitioning to a standby state. A method is conceivable. In addition, a control method in which a block that shuts off the power supply and a block that does not shut off the power supply are programmed at the time of circuit creation, and the power supply is shut off according to the program. In addition, a control method is also conceivable in which it is programmed which block power is to be shut off during operation, and the power is shut off only for the blocks that need to be shut off. As described above, various power cut-off patterns can be realized by changing the control method of the control circuit CNTS6.

図26には、図24のCNTV2を3つの電源状態のいずれかに接続するスイッチとしたものである。3つの電源状態とは外部から供給されている電源電圧Vddと接続される状態、SRAMでデータを保持することが可能なVddよりも低い電圧の電源と接続される状態、および電源が遮断される状態である。3つの電源状態に接続できる場合には、アクティブ状態ではすべてのブロックの電源をVddと接続し、スタンバイ状態にはデータを保持する必要があるブロックの電源はVddよりも低い電圧の電源に接続し、データを保持する必要のないブロックの電源は遮断する。これによって、データを保持する必要のあるブロックのリーク電流も低減することができる。図中のPDCは降圧回路であり電源Vddよりも低い電圧で、SRAMのメモリセルがデータを保持できる電圧を出力する。この回路では、入力された制御信号cntp1の値にしたがって、スイッチが切り替わり、メモリの電源VddmをVddか、Vddを降圧した回路、または何も接続されていない状態につなぎかえる。図25の回路を使用するとスタンバイ状態のリーク電流を低減できるが、例えば、アクティブ状態でアクセスしているSRAMブロックの電源はVddに接続し、アクセスされていないブロックの電源はVddよりも低い電圧の電源に接続する。これによって、アクティブ時の不要なSRAMブロックのリーク電流を低減することも可能である。CNTV2を降圧回路から昇圧回路に変え、メモリセルの低電位側の電源との間に挿入することも可能である。尚、図24、図25では、とくにSRAM回路を4つのブロックに分割しているが、回路構成としては、1つ以上のブロックがある場合に適用できる。以上、MOS(MetalーOxideーSemiconductor)トランジスタと記載したが、酸化膜を用いないMIS(Metal−InsulatedーSemiconductor)トランジスタに置き換えても、本発明の効果に相違はない。   FIG. 26 shows a switch for connecting CNTV2 of FIG. 24 to one of three power states. The three power states are a state connected to a power source voltage Vdd supplied from the outside, a state connected to a power source having a voltage lower than Vdd capable of holding data in the SRAM, and the power source is shut off. State. When three power supply states can be connected, the power supply of all the blocks is connected to Vdd in the active state, and the power supply of the block that needs to hold data is connected to a power supply having a voltage lower than Vdd in the standby state. Block the power supply of the blocks that do not need to hold data. As a result, the leakage current of a block that needs to hold data can also be reduced. PDC in the figure is a step-down circuit that outputs a voltage that allows the SRAM memory cell to hold data at a voltage lower than the power supply Vdd. In this circuit, the switch is switched according to the value of the input control signal cntp1, and the memory power supply Vddm is switched to Vdd, the circuit in which Vdd is stepped down, or nothing is connected. 25 can reduce the leakage current in the standby state. For example, the power supply of the SRAM block accessed in the active state is connected to Vdd, and the power supply of the block not accessed is lower than Vdd. Connect to the power supply. As a result, it is possible to reduce the leakage current of the unnecessary SRAM block when active. It is also possible to change CNTV2 from a step-down circuit to a step-up circuit and insert it between the power supply on the low potential side of the memory cell. In FIG. 24 and FIG. 25, the SRAM circuit is divided into four blocks. However, the circuit configuration can be applied when there are one or more blocks. Although described as a MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) transistor as described above, there is no difference in the effects of the present invention even if it is replaced with a MIS (Metal-Insulated-Semiconductor) transistor that does not use an oxide film.

CHIP…チップ、LOGIC・LOGIC1・LOGIC2…ロジック回路、SRAM・SRAM1・SRAM2…スタティックメモリ回路、POW…電源制御系、VssQ…外部から供給される高電位側電源線、VddQ…外部から供給される低電位側電源線、Vss…内部回路の低電位側(接地)電位線、Vdd…内部回路の高電位側電位線、stby…スタンバイ信号、Vbn…nMOS基板電位線、Vbp…pMOS基板電位線、N1〜N10…nMOS電源スイッチ、P1〜P12…pMOS電源スイッチ、cntn・cntp・cntn1・cntn2・cntmn1・cntmn2・cntmn3・cntp1・cntp2・cntp3・cntp4・cntmp1・cntmp2・cntmp3…電源スイッチ制御信号CNTS・CNTS2〜CNTS5…電源スイッチ制御回路、VBBC・VBBC2…基板バイアス制御回路、Vddl・Vssl・Vssl1・Vssl2…ロジック回路電源線、IO…入出力回路、ack…アクティブ状態遷移信号、FF…フリップフロップ、BUS…バス、BSCNT…バス制御回路、PDC…降圧回路、MAR…メモリセルアレイ、PERI1・PERI2…SRAM周辺回路、CORE…ロジック回路およびSRAM回路、WL…ワード線、BL・/BL…ビット線、WDR…ワードドライバ、RWAMP…リードライトアンプ、PRE…プリチャージ回路、CDEC…カラムデコーダ、RDEC…ロウデコーダ、MCNT…メモリ制御回路、Vddma・Vssma・Vddamp・Vssamp・Vddperi・Vssperi…メモリ各部の電源、OBUF…リードアンプ出力バッファ、cntvbb1・cntvbb2…基板バイアス制御信号、SW1…切替えスイッチ、Vbpl・Vbnl…ロジック回路基板電位線、Vbpm・Vbnm…SRAM回路基板電位線、MEM1・MEM2…SRAMメモリセル、BLK1〜BLK2…SRAMブロック、CNTV1・CNTV2…電源電圧制御回路、tox…ゲート絶縁膜厚。   CHIP: Chip, LOGIC / LOGIC1, LOGIC2 ... Logic circuit, SRAM / SRAM1 / SRAM2 ... Static memory circuit, POW ... Power supply control system, VssQ ... High potential side power supply line supplied from outside, VddQ ... Low supplied from outside Potential side power supply line, Vss ... Low potential side (ground) potential line of internal circuit, Vdd ... High potential side potential line of internal circuit, stby ... Standby signal, Vbn ... nMOS substrate potential line, Vbp ... pMOS substrate potential line, N1 ~ N10 ... nMOS power switch, P1-P12 ... pMOS power switch, cntn, cntp, cntn1, cntn2, cntmn1, cntmn2, cntmn3, cntp1, cntp2, cnttp3, cntp4, cntmp2, cntmp2, cntmp2, cntmp1, cntmp2, cntmp1, cntmp2, cntmp1, cntmp2, cntmp2, cntmp1, cntmp2, cnt TS / CNTS2 to CNTS5: power switch control circuit, VBBC / VBBC2 ... substrate bias control circuit, Vddl / Vssl / Vssl1 / Vssl2 ... logic circuit power line, IO ... input / output circuit, ack ... active state transition signal, FF ... flip-flop BUS ... Bus, BSCNT ... Bus control circuit, PDC ... Step down circuit, MAR ... Memory cell array, PERI1 / PERI2 ... SRAM peripheral circuit, CORE ... Logic circuit and SRAM circuit, WL ... Word line, BL // BL ... Bit line, WDR ... word driver, RWAMP ... read / write amplifier, PRE ... precharge circuit, CDEC ... column decoder, RDEC ... row decoder, MCNT ... memory control circuit, Vddma / Vssma / Vddamp / Vssamp / Vddper Vssperi: power supply for each memory, OBUF: read amplifier output buffer, cntvbb1, cntvbb2, substrate bias control signal, SW1, changeover switch, Vbpl, Vbnl: logic circuit substrate potential line, Vbpm / Vbnm: SRAM circuit substrate potential line, MEM1 MEM2: SRAM memory cell, BLK1 to BLK2: SRAM block, CNTV1, CNTV2, power supply voltage control circuit, tox: gate insulating film thickness.

Claims (10)

第1電圧を供給する第1電源線と、
前記第1電圧より低い第2電圧を供給する第2電源線と、
複数のスタティックメモリセルがアレイ状に配列され、第1電源ノードと第2電源ノードとを有するメモリセルアレイと、
対応するスタティックメモリセルに接続された複数のワード線と、
対応するスタティックメモリセルに接続された複数のビット線と、
対応するワード線に接続された複数のワードドライバおよび前記複数のワードドライバに接続されたロウデコーダを含む周辺回路と、
前記第1電源線と前記ワードドライバとの間に接続された第1スイッチと、
前記第2電源線と前記ロウデコーダとの間に接続された第2スイッチと、
前記第2電源線と前記第2電源ノードとの間に接続された電源制御回路と、を有し、
前記スタティックメモリセルのデータが保持され、前記スタティックメモリセルへの読出しおよび書き込み動作が行なわれないスタンバイ状態において、前記第2スイッチにより前記周辺回路への前記第2電圧の供給を遮断し、前記第1電源線から前記周辺回路へ前記第1電圧を供給し、前記第1スイッチにより前記複数のワードドライバへの前記第1電圧の供給を遮断し、前記第2電源線から前記複数のワードドライバへの前記第2電圧を供給し、前記複数のワード線を前記第2電圧とさせ、前記電源制御回路から前記第1電圧と前記第2電圧との間の第3電圧を発生させることを特徴とする半導体装置。
A first power supply line for supplying a first voltage;
A second power supply line for supplying a second voltage lower than the first voltage;
A plurality of static memory cells arranged in an array, a memory cell array having a first power supply node and a second power supply node;
A plurality of word lines connected to corresponding static memory cells;
A plurality of bit lines connected to corresponding static memory cells;
A peripheral circuit including a plurality of word drivers connected to corresponding word lines and a row decoder connected to the plurality of word drivers;
A first switch connected between the first power line and the word driver;
A second switch connected between the second power supply line and the row decoder;
A power supply control circuit connected between the second power supply line and the second power supply node;
In a standby state in which data of the static memory cell is held and no read and write operations are performed on the static memory cell, the second switch supplies the second voltage to the peripheral circuit, and the second switch The first power supply line supplies the first voltage to the peripheral circuit, the first switch cuts off the supply of the first voltage to the plurality of word drivers, and the second power supply line to the plurality of word drivers. The second voltage is supplied, the plurality of word lines are set to the second voltage, and a third voltage between the first voltage and the second voltage is generated from the power supply control circuit. Semiconductor device.
前記メモリセルは、前記第1メモリ電源ノードと前記第2メモリ電源ノードとの間に結合された第1インバータと、前記第1インバータの入力端子が出力端子に接続され、前記第1インバータの出力端子が入力端子に接続され前記第1メモリ電源ノードと前記第2メモリ電源ノードとの間に結合された第2インバータと、前記第1インバータの出力端子と対応するビット線との間に接続されたソースードレイン経路を有する第1アクセスNMOSトランジスタと、前記第2インバータの出力端子に接続されたソースードレイン経路を有する第2アクセスNMOSトランジスタを有し、
前記第1および第2アクセスNMOSトランジスタのゲート端子は対応するワード線に接続され、
前記スタンバイ状態において、前記複数のワードドライバは、前記複数のワード線に前記第2電圧の信号を出力することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The memory cell includes a first inverter coupled between the first memory power supply node and the second memory power supply node, an input terminal of the first inverter connected to an output terminal, and an output of the first inverter A terminal is connected to an input terminal and is connected between a second inverter coupled between the first memory power supply node and the second memory power supply node, and an output terminal of the first inverter and a corresponding bit line. A first access NMOS transistor having a source-drain path and a second access NMOS transistor having a source-drain path connected to the output terminal of the second inverter;
Gate terminals of the first and second access NMOS transistors are connected to corresponding word lines;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein in the standby state, the plurality of word drivers output the signal of the second voltage to the plurality of word lines.
前記周辺回路は、前記複数のビット線に接続される複数のプリチャージ回路を含み、
前記スタンバイ状態において、前記複数のプリチャージ回路は前記複数のビット線へ前記第2電位を供給することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
The peripheral circuit includes a plurality of precharge circuits connected to the plurality of bit lines,
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of precharge circuits supply the second potential to the plurality of bit lines in the standby state.
前記スタンバイ状態において、
前記スタティックメモリセルを構成するMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値を上昇させるよう制御することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置。
In the standby state,
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein control is performed so as to increase an absolute value of a threshold voltage of a MOS transistor constituting the static memory cell. 5.
前記第1スイッチはPMOSトランジスタであり、前記第2スイッチはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first switch is a PMOS transistor, and the second switch is an NMOS transistor. 6. 第1電圧を供給する第1電源線と、
前記第1電圧より低い第2電圧を供給する第2電源線と
第1電源ノードと第2電源ノードとを有し、スタティックメモリセルがアレイ状に配列されたメモリセルアレイと、
対応する前記スタティックメモリセルに接続された複数のワード線と、
対応する前記スタティックメモリセルに接続された複数のビット線と、
対応するワード線に接続された複数のワードドライバと、
前記複数のワードドライバの前段の回路を含むロウデコーダと、
前記ビット線を選択するカラムデコーダと対応する前記複数のビット線に接続され複数のリードアンプとを含む周辺回路と、
前記第1電源線と前記ワードドライバとの間に接続された第1スイッチと、
前記第2電源線と前記周辺回路との間に接続された第2スイッチと、
前記第2電源線と前記第2電源ノードとの間に接続された電源制御回路と、
前記スタティックメモリセルのデータが保持され、前記スタティックメモリセルへの読出しおよび書き込み動作が行なわれないスタンバイ状態において、前記第2スイッチにより前記周辺回路への前記第2電圧の供給を遮断し、前記第1電源線から前記周辺回路へ前記第1電圧を供給し、前記第1スイッチにより前記複数のワードドライバへの前記第1電圧の供給を遮断し、前記第2電源線から前記複数のワードドライバへの前記第2電圧を供給し、前記複数のビット線は前記第1電圧とされ、前記複数のワード線は前記第2電圧とされ、前記電源制御回路から前記第1電圧と前記第2電圧との間の第3電圧を発生させることを特徴とする半導体装置。
A first power supply line for supplying a first voltage;
A memory cell array having a second power supply line for supplying a second voltage lower than the first voltage, a first power supply node, and a second power supply node, wherein static memory cells are arranged in an array;
A plurality of word lines connected to the corresponding static memory cells;
A plurality of bit lines connected to the corresponding static memory cells;
A plurality of word drivers connected to the corresponding word line;
A row decoder including a preceding circuit of the plurality of word drivers;
A peripheral circuit including a column decoder for selecting the bit line and a plurality of read amplifiers connected to the corresponding bit lines;
A first switch connected between the first power line and the word driver;
A second switch connected between the second power supply line and the peripheral circuit;
A power supply control circuit connected between the second power supply line and the second power supply node;
In a standby state in which data of the static memory cell is held and no read and write operations are performed on the static memory cell, the second switch supplies the second voltage to the peripheral circuit, and the second switch The first power supply line supplies the first voltage to the peripheral circuit, the first switch cuts off the supply of the first voltage to the plurality of word drivers, and the second power supply line to the plurality of word drivers. The plurality of bit lines are set to the first voltage, the plurality of word lines are set to the second voltage, and the power supply control circuit supplies the first voltage and the second voltage. A third voltage is generated between the semiconductor devices.
前記メモリセルは、前記第1メモリ電源ノードと前記第2メモリ電源ノードとの間に結合された第1インバータと、前記第1インバータの入力端子が出力端子に接続され、前記第1インバータの出力端子が入力端子に接続され前記第1メモリ電源ノードと前記第2メモリ電源ノードとの間に結合された第2インバータと、前記第1インバータの出力端子と対応するビット線との間に接続されたソースードレイン経路を有する第1アクセスNMOSトランジスタと、前記第2インバータの出力端子に接続されたソースードレイン経路を有する第2アクセスNMOSトランジスタを有し、
前記第1および第2アクセスNMOSトランジスタのゲート端子は対応するワード線に接続され、
前記スタンバイ状態において前記複数のワードドライバは、前記複数のワード線に前記第2電圧の信号を出力することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
The memory cell includes a first inverter coupled between the first memory power supply node and the second memory power supply node, an input terminal of the first inverter connected to an output terminal, and an output of the first inverter A terminal is connected to an input terminal and is connected between a second inverter coupled between the first memory power supply node and the second memory power supply node, and an output terminal of the first inverter and a corresponding bit line. A first access NMOS transistor having a source-drain path and a second access NMOS transistor having a source-drain path connected to the output terminal of the second inverter;
Gate terminals of the first and second access NMOS transistors are connected to corresponding word lines;
The semiconductor device according to claim 6, wherein the plurality of word drivers output the signal of the second voltage to the plurality of word lines in the standby state.
前記周辺回路は、前記複数のビット線に接続される複数のプリチャージ回路を含み、
前記スタンバイ状態において、前記複数のプリチャージ回路は前記複数のビット線へ前記第1電位を供給することを特徴とする請求項6又は7に記載の半導体装置。
The peripheral circuit includes a plurality of precharge circuits connected to the plurality of bit lines,
8. The semiconductor device according to claim 6, wherein the plurality of precharge circuits supply the first potential to the plurality of bit lines in the standby state.
前記スタンバイ状態において、
前記スタティックメモリセルを構成するMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値を上昇させるよう制御することを特徴とする請求項6乃至8のいずれか一項に記載の半導体装置。
In the standby state,
9. The semiconductor device according to claim 6, wherein control is performed to increase an absolute value of a threshold voltage of a MOS transistor constituting the static memory cell.
前記第1スイッチは、PMOSトランジスタであ前記第2スイッチは、NMOSトランジスタであることを特徴とする請求項6乃至9のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 6, wherein the first switch is a PMOS transistor, and the second switch is an NMOS transistor.
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