JP4212140B2 - Gate array - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体集積回路であるゲートアレイに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、微細加工技術等の進展によってLSI(大規模集積回路)の高速化や高集積化が進んでいる。それに伴って、高速で動作するLSIを実用化するために、LSIの低消費電力化が重要な技術の一つになって来ている。
【0003】
すなわち、上記LSIを高速で動作させると消費電力が大きくなる。したがって、上記LSIを安定して動作させるためには、セラミック・パッケージの採用や放熱フィンの設置等が必要になり、コスト高になる。また、最近開発されている小型軽量の携帯機器における電池での使用時間の面からも低消費電力化は重要な技術である。
【0004】
従来、上記LSIの一つとして、NMOS(N型金属酸化膜半導体)トランジスタ2個とPMOS(P型金属酸化膜半導体)トランジスタ2個とを一組にした基本セルを規則的に配列したゲートアレイが一般によく使われている。図11は、上記ゲートアレイの一例を示す。
【0005】
図11において、1はゲートアレイであり、2は入出力インタフェース部であり、3はMOSトランジスタで構成された上記基本セルが敷き詰められたゲートアレイ部である。図12は上記基本セルのレイアウトパターン図であり、図13は上記基本セルの等価回路図である。
【0006】
図12および図13において、NG1は第1NMOSトランジスタ4のゲートであり、NG2は第2NMOSトランジスタ5のゲートである。また、ND1,ND2,ND3は、第1,第2NMOSトランジスタ4,5のソースまたはドレインである。ここで、ソースまたはドレインND2は、第1NMOSトランジスタ4と第2NMOSトランジスタ5との共通ノードになっている。
【0007】
同様に、PG1は第1PMOSトランジスタ6のゲートであり、PG2は第2PMOSトランジスタ7のゲートである。また、PD1,PD2,PD3は、第1,第2PMOSトランジスタ6,7のソースまたはドレインである。ここで、ソースまたはドレインPD2は、第1PMOSトランジスタ6と第2PMOSトランジスタ7との共通ノードになっている。
【0008】
尚、上記第1,第2NMOSトランジスタ4,5のオン時にチャネルが形成される半導体領域であるバックゲートに連なるウェルPWはGNDに接続され、第1,第2PMOSトランジスタ6,7のバックゲートに連なるウェルNWは電源VDDに接続されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記ゲートアレイの動作電力を低消費電力にするためには、動作電圧(VDD)を下げると大きな効果が得られる。ところが、上記動作電圧を下げるとMOSトランジスタ4〜7の駆動電流が小さくなり、上記ゲートアレイ上に実現された回路の遅延時間が大きくなって動作速度が低下してしまう。そこで、低電圧でもMOSトランジスタ4〜7の駆動電流が余り小さくならないように、MOSトランジスタ4〜7のスレショルド電圧Vthを低くすることが考えられる。しかしながら、スレッショルド電圧Vthを低くするとMOSトランジスタ4〜7のリーク電流が増大してしまい、上記回路がスタンバイモードであってもリーク電流のために消費電力が大きくなる。そのために、動作電圧を下げたにも拘わらず消費電力はあまり低くはならないという問題がある。
【0010】
また、図12および図13に示す基本セルでは、ソースまたはドレインND2は、第1,第2NMOSトランジスタ4,5の共通ノードになっている。また、ソースまたはドレインPD2は、第1,第2PMOSトランジスタ6,7の共通ノードになっている。したがって、上記基本セルを用いてインバータ回路を構成する場合には、図14に示すように、第2NMOSトランジスタ5および第2PMOSトランジスタ7は全く使用されず、ゲートアレイ上に効率的に回路を形成できないという問題もある。
【0011】
そこで、この発明の目的は、上述のような問題を解決し、低消費電力で高速動作でき、且つ、無駄なく効率的に回路を形成できるゲートアレイを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に係る発明は、
互いに電気的に独立したゲート,ソースおよびドレインを有するMOSトランジスタを含む基本セルが配列されたゲートアレイであって、
上記ゲート,ソースおよびドレインは、各トランジスタ毎に電気的に独立しており、
上記MOSトランジスタにおけるオン時にチャネルが形成される半導体領域は、各MOSトランジスタ毎に電気的に独立しており、
上記半導体領域の電圧を上記ソースの電圧とは独立して設定する電圧設定手段を備えたことを特徴とするゲートアレイにおいて、
上記オン時にチャネルが形成される半導体領域は、該当するMOSトランジスタの上記ゲートと電気的に接続されている
ことを特徴としている。
【0013】
上記構成によれば、互いに且つトランジスタ毎に電気的に独立しているゲート,ソースおよびドレインを有するMOSトランジスタは、単独で本ゲートアレイ上に形成する回路の構成要素と成り得る。したがって、本ゲートアレイ上に回路を形成する場合に上記MOSトランジスタが無駄なく使用される。
【0014】
さらに、オン時にチャネルが形成される半導体領域の電圧が、個々のMOSトランジスタ毎にソース電圧とは独立して設定される。こうして、上記半導体領域の電圧を、従来ゲートアレイの制御電圧としてよく用いられている電源電圧(VDD)や接地電圧(GND)以外の電圧に設定可能となる。したがって、本ゲートアレイ上に形成されている回路に属する各MOSトランジスタのスレッショルド電圧を、上記回路の動作時には下げる一方、スタンバイ時には上げることができる。すなわち、上記回路の動作電圧を低くして低消費電力化を図った場合の上記MOSトランジスタの動作速度の低下が防止される。さらに、スタンバイ時における各MOSトランジスタのリーク電流が抑制される。
【0015】
さらに、上記各MOSトランジスタにおけるオン時にチャネルが形成される半導体領域には、上記ゲートと同じ電圧が印加される。こうして、個々のMOSトランジスタが、オン時にはスレッショルド電圧が低下する一方、オフ時には上記スレッショルド電圧が高くなるように制御される。その結果、本ゲートアレイ上に形成された回路が動作中であっても電源VDDからGNDへの電流の経路中にオフ状態のMOSトランジスタが在れば、そのオフ状態のMOSトランジスタによって貫通電流が抑制される。
【0016】
また、請求項2に係る発明は、
請求項1に係る発明のゲートアレイにおいて、
上記電圧設定手段は、各MOSトランジスタ毎に個別に上記半導体領域の電圧を制御可能になっている
ことを特徴としている。
【0017】
上記構成によれば、上記基本セルを構成する個々のMOSトランジスタ毎にスレッショルド電圧が制御される。こうして、各MOSトランジスタのスレッショルド電圧が、個々に、動作電圧等に応じた所望の値に設定される。
【0018】
また、請求項3に係る発明は、
ゲートおよびソースを有するMOSトランジスタを含む基本セルが配列されたゲートアレイであって、
上記MOSトランジスタにおけるオン時にチャネルが形成される半導体領域が、複数のMOSトランジスタ毎に電気的に独立しており、
上記複数のMOSトランジスタ毎に電気的に独立している上記半導体領域の夫々は、各半導体領域に属している個々の上記MOSトランジスタの上記ゲートと電気的に接続されており、
上記半導体領域の電圧を、各上記MOSトランジスタの上記ソースの電圧とは独立して設定する電圧設定手段を備えた
ことを特徴としている。
【0019】
上記構成によれば、オン時にチャネルが形成される半導体領域を共有する複数のMOSトランジスタ毎に、上記半導体領域の電圧が上記ソースの電圧とは独立して設定される。こうして、各MOSトランジスタのスレッショルド電圧が、上記複数のMOSトランジスタ単位で所望の値に設定される。その場合、上記複数のMOSトランジスタの間には、上記MOSトランジスタを分離する分離帯を形成する必要がなく、その分だけ上記ゲートアレイの面積が小さくなる。
【0020】
さらに、上記複数のMOSトランジスタ毎に電気的に独立している上記半導体領域の夫々には、各半導体領域に属している個々の上記MOSトランジスタのゲートと同じ電圧が印加される。こうして、個々のMOSトランジスタが、オン時にはスレッショルド電圧が低下する一方、オフ時には上記スレッショルド電圧が高くなるように制御される。その結果、本ゲートアレイ上に形成された回路が動作中であっても電源VDDからGNDへの電流の経路中にオフ状態のMOSトランジスタが在れば、そのオフ状態のMOSトランジスタによって貫通電流が抑制される。
【0021】
また、請求項4に係る発明のゲートアレイは、
互いに電気的に独立したゲート , ソースおよびドレインを有する複数のMOSトランジスタを備え、
上記MOSトランジスタにおけるオン時にチャネルが形成される半導体領域は、該当するMOSトランジスタの上記ゲートと電気的に接続されており、
上記複数のMOSトランジスタは、
上記オン時にチャネルが形成される半導体領域が各上記MOSトランジスタ毎に電気的に独立している第1のMOSトランジスタと、
上記オン時にチャネルが形成される半導体領域が複数の上記MOSトランジスタ毎に電気的に独立している第2のMOSトランジスタと
を含み、
上記第1のMOSトランジスタにおける上記半導体領域の電圧を、当該第1のMOSトランジスタの上記ソースの電圧とは独立して設定する第1の電圧設定手段と、
上記第2のMOSトランジスタにおける上記半導体領域の電圧を、当該第2のMOSトランジスタの上記ソースの電圧とは独立して設定する第2の電圧設定手段と
を備えたことを特徴としている。
【0022】
上記構成によれば、1個毎にスレッショルド電圧の制御が可能な上記第1のMOSトランジスタと、複数個毎に素子分離を行うことで1個当たりの面積が小さい上記第2のMOSトランジスタとを備えると共に、上記MOSトランジスタにおけるオン時にチャネルが形成される半導体領域を該当するMOSトランジスタの上記ゲートに電気的に接続しているので、上記第1のMOSトランジスタを配置した第1領域と、上記第2のMOSトランジスタを配置した第2領域と、上記第1の電圧設定手段および上記第2の電圧設定手段を含む第3領域と、を混在させたゲートアレイを構成することによって、制御性と面積効率とがよく、且つ、動作時における貫通電流を押さえることができるゲートアレイを実現することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。図1は、第1実施の形態のゲートアレイを構成する基本セルを示す等価回路図である。また、図2は、上記基本セル11のレイアウトパターンを示す。
【0024】
上記基本セル11は、PMOSトランジスタ12とNMOSトランジスタ13とで構成される。尚、PSはPMOSトランジスタ12のソースまたはドレインであり、PGはゲートであり、PDはドレインまたはソースであり、NWはバックゲートに連なるウェルである。同様に、NSはNMOSトランジスタ13のソースまたはドレインであり、NGはゲートであり、NDはドレインまたはソースであり、PWはバックゲートに連なるウェルである。そして、PMOSトランジスタ12のソース(ドレイン)PS,ゲートPG,ドレイン(ソース)PDおよびウェルPWの夫々、NMOSトランジスタ13のソース(ドレイン)NS,ゲートNG,ドレイン(ソース)NSおよびウェルPWの夫々は、別々のノードとして電気的に独立している。また、個々のMOSトランジスタ12,13は、図2に示すように、隣接するMOSトランジスタからトレンチTによって分離されている。
【0025】
図3は、図2に示すレイアウトパターンを有する基本セルを規則的に配列して成るゲートアレイ部16を矩形の基板17の中央部に配置し、周縁に入出力インタフェース部18を配置して構成されたゲートアレイ15である。
【0026】
図4は、図1および図2に示す基本セル11を2個用いて、2個のNMOSトランジスタと2個のPMOSトランジスタを一組にした2入力NAND回路の等価回路図である。また、図5は、図4のレイアウトパターンである。尚、個々のMOSトランジスタ12,13,12',13'はトレンチTにより素子分離されている。
【0027】
図4および図5に示す2入力NAND回路は、図2に示すような基本セル11と、この基本セル11のソース側とドレイン側を反転したレイアウトパターンを有する基本セル11'とを併設した構造を有している。そして、上記基本セル11を構成する第1PMOSトランジスタ12のゲート端子PAと第1NMOSトランジスタ13のゲート端子NAには,第1メタル配線19が接続されている。一方、基本セル11'を構成する第2PMOSトランジスタ12'のゲート端子PB'と第2NMOSトランジスタ13'のゲート端子NB'には,第2メタル配線20が接続されている。
【0028】
上記第2NMOSトランジスタ13'のソースNS'は、GNDに接続されている。また、第1NMOSトランジスタ13のソースNSと第2NMOSトランジスタ13'のドレインND'は接続されている。また、第1PMOSトランジスタ12のドレインPDと第2PMOSトランジスタ12'のドレインPD'と第1NMOSトランジスタ13のドレインNDとは接続されている。また、第1PMOSトランジスタ12のソースPSと第2PMOSトランジスタ12'のソースPS'は電源VDDに接続されている。また、第1NMOSトランジスタ13のウェルPWと第2NMOSトランジスタ13'のウェルPW'は制御電源VPWに接続されている。また、第1PMOSトランジスタ12のウェルNWと第2PMOSトランジスタ12'のウェルNW'とは制御電源VNWに接続されている。ここで、制御電圧VPW=0V、制御電圧VNW=VDDの場合には、第1,第2PMOSトランジスタ12,12'のスレッショルド電圧Vthpは−0.3Vであり、第1,第2NMOSトランジスタ13,13'のスレッショルド電圧Vthnは0.3Vであるとする。
【0029】
次に、上記構成を有する2入力NAND回路の動作について説明する。上記第1PMOSトランジスタ12のゲート端子PAと第1NMOSトランジスタ13のゲート端子NAとに接続された第1メタル配線19に入力される入力信号Aのレベルが「H(電源電圧VDDレベル)」になると、第1PMOSトランジスタ12はオフする一方、第1NMOSトランジスタ13はオンする。また、第2PMOSトランジスタ12'のゲート端子PB'と第2NMOSトランジスタ13'のゲート端子NB'とに接続された第2メタル配線20に入力される入力信号Bのレベルが「H」になると、第2PMOSトランジスタ12'はオフする一方、第2NMOSトランジスタ13'はオンする。こうして、第1,第2NMOSトランジスタ13,13'がオンすると、第1NMOSトランジスタ13のドレインNDにはGNDレベル(レベル「L」)の出力信号Yが導出される。
【0030】
また、上記入力信号Aのレベルが「L(GNDレベル)」になると、第1NMOSトランジスタ13はオフする一方、第1PMOSトランジスタ12はオンする。その結果、第1PMOSトランジスタ12のドレインPDにはVDDレベル(レベル「H」)の出力信号Yが導出される。尚、入力信号Bのレベルが「L」の場合も同様にして、第2PMOSトランジスタ12'のドレインPD'にレベル「H」の出力信号Yが導出される。さらに、両入力信号A,Bのレベルが「L」の場合には、両PMOSトランジスタ12,12'がオンして、両ドレインPD,PD'にレベル「H」の出力信号Yが導出される。
【0031】
ここで、上記NAND回路が電源電圧VDD=1Vで動作中の場合には、制御電圧VPW=0.5V程度、制御電圧VNW=0.5V程度にしておくと、第1,第2PMOSトランジスタ12,12'のスレッショルド電圧Vthpは−0.1V程度に小さくなる。同様に、第1,第2NMOSトランジスタ13,13'のスレッショルド電圧Vthnは0.1V程度に小さくなる。その結果、上記スレッショルド電圧Vthpが−0.3V,スレッショルド電圧Vthnが0.3Vである場合に比べて駆動電流は大きくなり、より高速動作が可能になる。すなわち、電源電圧VDDを従来の3V程度から1V程度にして低消費電力化を図る際の動作速度の低下を防止できるのである。
【0032】
また、上記NAND回路が停止中の場合には、制御電圧VPW=0Vとする一方、制御電圧源VNW=VDDとすることによって、第1,第2PMOSトランジスタ12,12'のスレッショルド電圧Vthpは−0.3Vとなり、第1,第2NMOSトランジスタ13,13'のスレッショルド電圧Vthnは0.3Vとなる。そのために、NAND回路が停止時のリーク電流を、スレッショルド電圧Vthp=−0.1V,Vthn=0.1Vである動作中の場合に比べて小さく抑えることができる。ここで、停止中のリーク電流を更に抑えたければ、制御電源VPW=−0.5Vとし、制御電源VNW=(VDD+0.5V)とすることによって、スレッショルド電圧Vthpを−0.5V程度に、スレッショルド電圧Vthnを0.5V程度に大きくでき、停止中のリーク電流をより抑えることができる。
【0033】
このように、本実施の形態におけるゲートアレイは、上記ゲートG,ソース(ドレイン)S,ドレイン(ソース)DおよびウェルWを互いに電気的に独立させると共にトレンチTによって他のMOSトランジスタと分離されたP型,N型の2つのMOSトランジスタ12,13で成る基本セル11を用いて構成している。そして、各基本セル11のPMOSトランジスタ12のバックゲートに連なるウェルNWを制御電源VNWに接続する一方、NMOSトランジスタ13のバックゲートに連なるウェルPWを制御電源VPWに接続している。
【0034】
したがって、上記制御電源VNWの電圧および制御電源VPWの電圧を制御して上記バックゲートのウェル電位を制御することによって、PMOSトランジスタ12のスレッショルド電圧VthpとNMOSトランジスタ13のスレッショルド電圧Vthnとを制御できる。すなわち、本実施の形態においては、上記基本セル11で形成された回路の動作時の各スレッショルド電圧Vthp,Vthnをスタンバイ時(停止時)の各スレッショルド電圧Vthp,Vthnよりも低く設定することによって、低電圧動作時における各MOSトランジスタをより高速に動作させることができる。したがって、動作周波数が一定であれば動作電圧を下げて低消費電力化を図ることが可能となる。また、上記回路のスタンバイ時(停止時)の各スレッショルド電圧Vthp,Vthnをリーク電流を十分抑えることが可能な電圧に設定することによって、上記スタンバイ時における各MOSトランジスタ12,13のリーク電流を抑えることができる。
【0035】
すなわち、本実施の形態によれば、上記ゲートアレイチップ内において、各MOSトランジスタ毎にスレッショルド電圧Vthを制御することができ、上記ゲートアレイ全体としての消費電力をより低くできるのである。また、本実施の形態における基本セル11は、一つのPMOSトランジスタ12と一つのNMOSトランジスタ13とで形成されている。したがって、基本セル11を用いてインバータ回路を形成する場合に、基本セル11中に未使用のMOSトランジスタは生じず、無駄なく効率的に回路を形成できるのである。
【0036】
尚、上記実施の形態においては、基本セル11を構成するPMOSトランジスタ12とNMOSトランジスタ13との両方におけるソース(ドレイン)S,ゲートG,ドレイン(ソース)SおよびウェルWの夫々を、別々のノードとして電気的に独立させている。しかしながら、何れか一方のMOSトランジスタのみのソース(ドレイン)S,ゲートG,ドレイン(ソース)SおよびウェルWの夫々を、別々のノードとして電気的に独立させても上記効果は得られる。また、基本セル11を構成するPMOSトランジスタ12のウェルNWおよびNMOSトランジスタ13のウェルPWの電圧を、基本セル11が属する回路(2入力NAND回路)の動作中の電圧とスンバイ(停止)中の電圧との2レベルの所定電圧に切り替えるようにしている。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、電源電圧VDDの切換等に応じて2つの任意レベルの電圧に制御可能にしても差し支えない。
【0037】
次に、この発明のゲートアレイの第2実施の形態について説明する。図6は、本実施の形態のゲートアレイにおける基本セルを示す等価回路図である。また、図7は、上記基本セル21のレイアウトパターンを示す。
【0038】
本実施の形態においては、ゲートアレイを複数の基本セル21で構成する。この基本セル21は、P型のMOSトランジスタ回路とN型のMOSトランジスタ回路とから構成されている。上記P型のMOSトランジスタ回路は、第1PMOSトランジスタ22と、この第1PMOSトランジスタ22のソース側とドレイン側とを反転したレイアウトパターンを有する第2PMOSトランジスタ23とを併設し、周囲にトレンチTを形成して隣接するMOSトランジスタと分離している。同様に、上記N型のMOSトランジスタ回路は、第1NMOSトランジスタ24と、この第1NMOSトランジスタ24のソース側とドレイン側とを反転したレイアウトパターンを有する第2NMOSトランジスタ25とを併設し、周囲にトレンチTを形成して隣接するMOSトランジスタと分離している。
【0039】
上記第1,第2PMOSトランジスタ22,23のバックゲートには、ウェルNWが連通している。同様に、第1,第2NMOSトランジスタ24,25のバックゲートには、ウェルPWが連通している。尚、PD1,PD2,PD3は第1,第2PMOSトランジスタ22,23のドレインまたはソースであり、そのうちのPD2は共通ノードになっている。また、PG1は第1PMOSトランジスタ22のゲートであり、PG2は第2PMOSトランジスタ23のゲートである。さらに、ND1,ND2,ND3は第1,第2NMOSトランジスタ24,25のドレインまたはソースであり、そのうちのND2は共通ノードになっている。また、NG1は第1NMOSトランジスタ24のゲートであり、NG2は第2NMOSトランジスタ25のゲートである。
【0040】
上述の第1実施の形態では図1及び図2に示すようにMOSトランジスタ1個ごとにウェル電位(バックゲート電位)の制御が可能であるのに対して、本実施の形態においては、2つのMOSトランジスタ毎にウェル電位(バックゲート電位)の制御を可能にしている。つまり、第1,第2PMOSトランジスタ22,23および第1,第2NMOSトランジスタ24,25毎にスレッショルド電圧Vthpあるいはスレッショルド電圧Vthnを制御可能にするのである。
【0041】
したがって、本実施の形態によれば、上記第1実施の形態のようにMOSトランジスタ1個毎に細かくスレッショルド電圧Vthを制御することはできない。しかしながら、本実施の形態においては、MOSトランジスタ1個毎にトレンチTによって素子分離を行う必要がないので、基本セル21を基板上に規則的に配列して図3に示すようなゲートアレイを形成する場合に、MOSトランジスタ1個毎に素子分離を行う必要が無い分、上記ゲートアレイの面積を小さくできるという利点がある。
【0042】
尚、上記第2実施の形態における基本セル21では、2つのPMOSトランジスタ22,23のウェルNWおよびドレイン(ソース)PD2を共通化させ、2つのNMOSトランジスタ24,25のウェルPWおよびドレイン(ソース)ND2を共通化させしている。しかしながら、この発明におけるウェルW及びドレイン(ソース)Dを共通化させるMOSトランジスタの数は、「2」に限定されるものではなく、ゲートアレイ上に実現する回路構成に応じて適宜決定すればよい。
【0043】
ところで、上記基本セルを基板上に規則的に配列して上述したようなゲートアレイを形成する場合には、図8に示すように、ゲートアレイ部26に、MOSトランジスタ1個毎にスレッショルド電圧Vthの制御が可能な図1および図2に示す基本セル11を配置した第1領域26aと、MOSトランジスタ2個毎に素子分離を行うのでMOSトランジスタ1個当たりの面積が小さい図6および図7に示す基本セル21を配置した第2領域26bと、メモリやCPU(中央演算処理装置)等を配置した第3領域27を混在させるようにする。こうして、1つのウェルにバックゲートが連通しているMOSトランジスタの数が異なる何種類かの基本セルを混在させて配置することによって、制御性と面積効率のよいゲートアレイを実現できるのである。尚、28は基板であり、29は入出力インターフェース部である。
【0044】
ところが、図8に示すようなゲートアレイにおける基本セル11,21は、上述のように、MOSトランジスタのスレッショルド電圧Vthを当該MOSトランジスタが属する回路が動作中の場合とスタンバイ中の場合とで2段に切り替えるようにしている。そして、上記回路が動作中の場合にはMOSトランジスタのスレッショルド電圧Vthを小さくするようにしている。そのために、上記回路中のオフ状態にあるMOSトランジスタのスレッショルド電圧Vthも小さくなっており、電源VDDから各MOSトランジスタを介してGNDに流れる貫通電流が大きくなるという欠点がある。
【0045】
図9は、上述の欠点を改善した第3実施の形態における2入力NAND回路の等価回路図である。また、図10は、図9のレイアウトパターンである。本実施の形態における2入力NAND回路は、図4および図5に示す2入力NAND回路の場合と同様に、図1および図2に示す基本セル11を2個用いて、2個のNMOSトランジスタと2個のPMOSトランジスタを一組にして構成している。
【0046】
但し、本実施の形態における2入力NAND回路の構成は、図4および図5に示す2入力NAND回路の構成と、第1,第2PMOSトランジスタ31,31'のバックゲートの夫々がウェルNW,NW'を介して同じPMOSトランジスタ31,31'のゲートPG,PG'に接続されている点、および、第1,第2NMOSトランジスタ32,32'のバックゲートの夫々がウェルPW,PW'を介して同じNMOSトランジスタ32,32'のゲートNG,NG'に接続されている点で異なり、その他の点では同様である。このことによって、以下に述べるようにして、0.5V程度の低い電源電圧VDDでも動作可能になり、リーク電流および貫通電流が抑えられるのである。
【0047】
すなわち、上記第1PMOSトランジスタ31のゲート端子PAと第1NMOSトランジスタ32のゲート端子NAとに接続された第1メタル配線33に入力される入力信号Aのレベルが「H(電源電圧VDDレベル)」になると、第1NMOSトランジスタ32のゲート電圧のレベルが「H」になってオンする。その場合、上記バックゲートに連なるウェルPWのレベルも電源電圧VDDレベルになり、第1NMOSトランジスタ32のスレショルド電圧VthnはウェルPWのレベルがGNDレベルである場合に比べて低くなる。したがって、第1NMOSトランジスタ32は電源電圧VDDが0.5Vであっても高速に動作できるのである。
【0048】
同様に、上記第2PMOSトランジスタ31'のゲート端子PB'と第2NMOSトランジスタ32'のゲート端子NB'とに接続された第2メタル配線34に入力される入力信号Bのレベルが「H」になると、第2NMOSトランジスタ32'のゲート電圧のレベルが「H」になってオンする。その場合、バックゲートに連なるウェルPW'のレベルも電源電圧VDDレベルになり、第2NMOSトランジスタ32'のスレショルド電圧Vthn'はウェルPW'のレベルがGNDレベルである場合に比べて低くなる。したがって、第2NMOSトランジスタ32'は電源電圧VDDが0.5Vであっても高速に動作できる。こうして、第1,第2NMOSトランジスタ32,32'がオンすると、第1NMOSトランジスタ32のドレインNDにはGNDレベルの出力信号Yが導出される。
【0049】
一方、上記入力信号A,Bのレベルは「H」であるから、第1,第2PMOSトランジスタ31,31'のゲート電圧のレベルが「H」となってオフする。その場合、第1,第2PMOSトランジスタ31,31'のバックゲートに連なるウェルNW,NW'のレベルは、ゲート電圧と同じ電源電圧VDDレベルになっている。したがって、両スレッショルド電圧Vthp,Vthp'は、ウェルNW,NW'のレベルがGNDレベルである場合と比べて低くはならない。したがって、オフ状態の第1,第2PMOSトランジスタ31,31'のリーク電流、および、電源VDDから各MOSトランジスタを介してGNDに流れる貫通電流が抑えられる。
【0050】
次に、上記入力信号Aのレベルが「L(GNDレベル)」である場合には、第1NMOSトランジスタ32はオフすると共に、ウェルPWのレベルはゲートNGのレベルと同じGNDレベルになる。したがって、第1NMOSトランジスタ32のスレショルド電圧Vhtnは、ウェルPWのレベルが電源電圧VDDレベルである場合に比べて低くはならない。一方、第1PMOSトランジスタ31はオンしてドレインPDにはVDDレベルの出力信号Yが導出される。その場合、ウェルNWのレベルはゲートPGのレベルと同じGNDレベルになり、第1PMOSトランジスタ31のスレッショルド電圧VthpはウェルNWのレベルが電源電圧VDDレベルである場合に比べて低くなる。したがって、第1PMOSトランジスタ31は電源電圧VDDが0.5Vであっても高速に動作できるのである。
【0051】
このとき、上述のごとく上記第1NMOSトランジスタ32のスレッショルド電圧Vthnは高くなっているので、オフ状態の第1NMOSトランジスタ32のリーク電流、及び、電源VDDから各MOSトランジスタを介してGNDに流れる貫通電流が抑えられる。
【0052】
尚、上記入力信号Bのレベルが「L」の場合、および、両入力信号A,Bのレベルが「L」の場合も、第1実施の形態の場合と同様に動作して、VDDレベルの出力信号Yが導出される。その場合にも、上述の同じ理由によってオフ状態のNMOSトランジスタのリーク電流、及び、電源VDDから各MOSトランジスタを介してGNDに流れる貫通電流が抑えられる。
【0053】
上述のように、本実施の形態におけるゲートアレイは、第1実施の形態の場合と同様に、図1及び図2に示す基本セル11を用いて構成している。そして、各基本セル11のPMOSトランジスタ31およびNMOSトランジスタ32のバックゲートの夫々を、ウェルPW,NWを介して同じMOSトランジスタ31,32のゲートPG,NGに接続している。したがって、PMOSトランジスタ31のスレッショルド電圧Vthpは、オン時にはウェル電位が電源電圧VDDである場合よりも低くなる一方、オフ時にはウェル電位がGNDである場合よりも低くはならない。また、NMOSトランジスタ32のスレッショルド電圧Vthnは、オン時にはウェル電位がGNDである場合よりも低くなる一方、オフ時にはウェル電位が電源電圧VDDである場合よりも低くはならない。
【0054】
したがって、上記基本セル11を用いて形成された回路が動作中であっても、オフ状態のMOSトランジスタのスレッショルド電圧Vthを可能な限り高くして上記リーク電流および貫通電流を抑えることができる。さらに、オン状態のMOSトランジスタのスレッショルド電圧Vthを可能な限り低くして、0.5Vの低い電源電圧VDDであっても高速に動作可能にできる。すなわち、本実施の形態によれば、さらに低消費電力なゲートアレイを実現できるのである。
【0055】
すなわち、上記バックゲートがウェルを介してゲートに接続されている本実施の形態におけるMOSトランジスタを用いて、MOSトランジスタ1個毎にスレッショルド電圧Vthの制御が可能な図1および図2に示すような第1の基本セルを形成する。また、バックゲートがウェルを介してゲートに接続されている本実施の形態におけるMOSトランジスタを用いて、MOSトランジスタ複数個毎に素子分離を行うことでMOSトランジスタ1個当たりの面積が小さい図6および図7に示すような第2の基本セルを形成する。そして、上記第1の基本セルを配置した第1領域と、上記第2の基本セルを配置した第2領域と、メモリやCPU等を配置した第3領域とを混在させた、図8に示すようなゲートアレイを形成することによって、制御性と面積効率とがよく、且つ、動作時における上記貫通電流を抑えることができるゲートアレイを実現できるのである。
【0056】
尚、上記各実施の形態においては、各MOSトランジスタがウェル上に形成されており、バックゲートが上記ウェルに連なっている場合を例に説明している。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、各MOSトランジスタが半導体基板上に形成されている場合でも適用可能である。但し、その場合には、個々のMOSトランジスタがオンした場合にチャネルが形成される半導体領域が、他のMOSトランジスタの上記チャネルが形成される半導体領域と電気的に独立している必要がある。
【0057】
また、上記基本セルの構成は、上記各実施の形態における基本セルの構成(等価回路,レイアウトパターン)に限定されるものではない。
【0058】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項1に係る発明のゲートアレイは、互いに電気的に独立したゲート,ソースおよびドレインを有するMOSトランジスタを含む基本セルが配列されて形成され、上記ゲート,ソースおよびドレインは各トランジスタ毎に電気的に独立しているので、上記MOSトランジスタは、単独で本ゲートアレイ上に形成する回路の構成要素と成る得る。したがって、本ゲートアレイ上に回路を形成する場合に各MOSトランジスタを無駄なく使用でき、効率よく回路を形成できる。
【0059】
さらに、上記MOSトランジスタにおけるオン時にチャネルが形成される半導体領域が各MOSトランジスタ毎に電気的に独立しており、電圧設定手段によって上記半導体領域の電圧を上記ソースの電圧とは独立して設定するので、個々のMOSトランジスタ毎に、上記半導体領域の電圧を、従来ゲートアレイの制御電圧としてよく用いられている電源電圧VDDやGND以外の電圧に設定できる。したがって、各MOSトランジスタのスレッショルド電圧を、このMOSトランジスタが属する回路の動作時には低く、スタンバイ(停止)時には高く設定して、動作電圧を低くして低消費電力化を図る際のMOSトランジスタの高速動作を可能にすると共に、スタンバイ時のリーク電流を抑えて低消費電力化を図ることができる。
【0060】
さらに、上記オン時にチャネルが形成される半導体領域は、該当するMOSトランジスタの上記ゲートと電気的に接続されているので、上記各MOSトランジスタにおけるオン時にチャネルが形成される半導体領域には、上記ゲートと同じ電圧を印加できる。したがって、個々のMOSトランジスタのスレッショルド電圧を、オン時には低く、オフ時には高くなるように制御できる。すなわち、この発明によれば、本ゲートアレイ上に形成された回路が動作中であっても電源VDDからGNDへの電流の経路中にオフ状態のMOSトランジスタが在れば貫通電流を抑制でき、更なる低消費電力化を図ることができる。
【0061】
また、請求項2に係る発明のゲートアレイにおける上記電圧設定手段は、各MOSトランジスタ毎に個別に上記オン時にチャネルが形成される半導体領域の電圧を制御可能になっているので、各MOSトランジスタのスレッショルド電圧を個別に動作電圧等に応じて所望の値に設定できる。
【0062】
また、請求項3に係る発明のゲートアレイは、MOSトランジスタを含む基本セルが配列されて形成されて、上記MOSトランジスタにおけるオン時にチャネルが形成される半導体領域が複数のMOSトランジスタ毎に電気的に独立しており、電圧設定手段によって、上記半導体領域の電圧を各上記MOSトランジスタのソースの電圧とは独立して設定するので、各MOSトランジスタのスレッショルド電圧を、複数のMOSトランジスタ単位で所望の値に設定できる。したがって、動作電圧を低くして低消費電力化を図る際のMOSトランジスタの高速動作を可能にすると共に、スタンバイ時のリーク電流を抑えることができる。また、上記複数のMOSトランジスタの間には、上記MOSトランジスタを分離する分離帯を形成する必要がないので、その分だけ本ゲートアレイの面積を小さくできる。
【0063】
さらに、上記複数のMOSトランジスタ毎に電気的に独立している上記半導体領域の夫々を、各半導体領域に属している個々の上記MOSトランジスタの上記ゲートと電気的に接続しているので、上記半導体領域の夫々には上記ゲートと同じ電圧が印加される。したがって、個々のMOSトランジスタを、オン時にはスレッショルド電圧が低下する一方、オフ時には上記スレッショルド電圧が高くなるように制御することができる。その結果、本ゲートアレイ上に形成された回路が動作中であっても電源VDDからGNDへの電流の経路中にオフ状態のMOSトランジスタが在れば、そのオフ状態のMOSトランジスタによって貫通電流を抑制することができる。
【0064】
また、請求項4に係る発明のゲートアレイは、互いに電気的に独立したゲート , ソースおよびドレインを有する複数のMOSトランジスタにおけるオン時にチャネルが形成される半導体領域を、該当するMOSトランジスタの上記ゲートと電気的に接続し、上記複数のMOSトランジスタは、上記半導体領域が各上記MOSトランジスタ毎に電気的に独立している第1のMOSトランジスタと、上記半導体領域が複数の上記MOSトランジスタ毎に電気的に独立している第2のMOSトランジスタとを含み、第1 , 第2の電圧設定手段によって、上記第1 , 第2のMOSトランジスタにおける上記半導体領域の電圧を、当該第1 , 第2のMOSトランジスタの上記ソースの電圧とは独立して設定するので、1個毎にスレッショルド電圧の制御が可能な上記第1のMOSトランジスタを配置した第1領 域と、複数個毎に素子分離を行うことで1個当たりの面積が小さい上記第2のMOSトランジスタを配置した第2領域と、上記第1の電圧設定手段および上記第2の電圧設定手段を含む第3領域と、を混在させたゲートアレイを構成することによって、制御性と面積効率とがよく、且つ、動作時における貫通電流を押さえることができるゲートアレイを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明のゲートアレイを構成する基本セルの一実施の形態を示す等価回路図である。
【図2】 図1に示す基本セルのレイアウトパターンを示す図である。
【図3】 図1および図2に示す基本セルを用いたゲートアレイを示す図である。
【図4】 図1および図2に示す基本セルを用いて形成された2入力NAND回路の等価回路図である。
【図5】 図4に示す2入力NAND回路のレイアウトパターンを示す図である。
【図6】 図1とは異なる基本セルの等価回路図である。
【図7】 図6に示す基本セルのレイアウトパターンを示す図である。
【図8】 図1,図2に示す基本セルと図6,図7に示す基本セルとを用いたゲートアレイを示す図である。
【図9】 図1,図2に示す基本セルを用いて形成された図4,図5とは異なる2入力NAND回路の等価回路図である。
【図10】 図9に示す2入力NAND回路のレイアウトパターンを示す図である。
【図11】 従来の基本セルが搭載されたゲートアレイを示す図である。
【図12】 図11のゲートアレイに搭載された基本セルのレイアウトパターンを示す図である。
【図13】 図12に示す基本セルの等価回路図である。
【図14】 図12および図13に示す基本セル上に実現したインバータ回路のレイアウトパターンを示す図である。
【符号の説明】
11,11',21…基本セル、
12,12',22,23,31,31'…PMOSトランジスタ、
13,13',24,25,32,32'…NMOSトランジスタ、
15…ゲートアレイ、 16,26…ゲートアレイ部、
19,20,33,34…メタル配線、
PG,NG,PG1,NG1,PG',NG'…ゲート、
PS,PD,NS,ND,PS',PD',NS',ND'
,PD1〜PD3,ND1〜ND3…ソースまたはドレイン、
NW,PW,NW',PW'…ウェル、 T…トレンチ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gate array which is a semiconductor integrated circuit.
[0002]
[Prior art]
In recent years, LSIs (Large Scale Integrated Circuits) have been increased in speed and integration due to advances in microfabrication technology and the like. Accordingly, in order to put LSIs that operate at high speed into practical use, low power consumption of LSIs has become one of the important technologies.
[0003]
That is, when the LSI is operated at high speed, power consumption increases. Therefore, in order to stably operate the LSI, it is necessary to adopt a ceramic package, install heat radiating fins, and the like, resulting in an increase in cost. In addition, low power consumption is an important technology from the viewpoint of battery usage time in small and light portable devices that have been recently developed.
[0004]
Conventionally, as one of the above-mentioned LSIs, a gate array in which basic cells each composed of two NMOS (N-type metal oxide semiconductor) transistors and two PMOS (P-type metal oxide semiconductor) transistors are regularly arranged. Is commonly used. FIG. 11 shows an example of the gate array.
[0005]
In FIG. 11, 1 is a gate array, 2 is an input / output interface unit, and 3 is a gate array unit in which the basic cells composed of MOS transistors are spread. FIG. 12 is a layout pattern diagram of the basic cell, and FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of the basic cell.
[0006]
12 and 13,
[0007]
Similarly,
[0008]
The well PW connected to the back gate, which is a semiconductor region in which a channel is formed when the first and
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to reduce the operating power of the gate array, a great effect can be obtained by reducing the operating voltage (VDD). However, when the operating voltage is lowered, the driving currents of the MOS transistors 4 to 7 are reduced, the delay time of the circuit realized on the gate array is increased, and the operating speed is lowered. Therefore, it is conceivable to reduce the threshold voltage Vth of the MOS transistors 4 to 7 so that the drive current of the MOS transistors 4 to 7 does not become so small even at a low voltage. However, when the threshold voltage Vth is lowered, the leakage current of the MOS transistors 4 to 7 increases, and the power consumption increases due to the leakage current even when the circuit is in the standby mode. Therefore, there is a problem that the power consumption does not become so low even though the operating voltage is lowered.
[0010]
In the basic cell shown in FIGS. 12 and 13, the source or drain ND2 is a common node of the first and
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a gate array that can solve the above-described problems, can operate at high speed with low power consumption, and can efficiently form a circuit without waste.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to
A gate array in which basic cells including MOS transistors having gates, sources and drains that are electrically independent from each other are arranged,
The gate, source and drain are electrically independent for each transistor.And
The semiconductor region in which the channel is formed when the MOS transistor is turned on is electrically independent for each MOS transistor,
In the gate array comprising voltage setting means for setting the voltage of the semiconductor region independently of the voltage of the source,
A semiconductor region in which a channel is formed at the time of on is electrically connected to the gate of the corresponding MOS transistor.Have
It is characterized by that.
[0013]
According to the above configuration, a MOS transistor having a gate, a source, and a drain which are electrically independent from each other and for each transistor can be a component of a circuit formed on the gate array alone. Therefore, the MOS transistor is used without waste when a circuit is formed on the gate array..
[0014]
furtherThe voltage of the semiconductor region in which the channel is formed when turned on is set independently of the source voltage for each MOS transistor. In this manner, the voltage of the semiconductor region can be set to a voltage other than the power supply voltage (VDD) and the ground voltage (GND) that are often used as the control voltage of the conventional gate array. Therefore, the threshold voltage of each MOS transistor belonging to the circuit formed on the gate array can be lowered during the operation of the circuit and raised during standby. That is, a reduction in the operating speed of the MOS transistor when the operating voltage of the circuit is lowered to reduce power consumption is prevented. Further, the leakage current of each MOS transistor during standby is suppressed.
[0015]
Further, the same voltage as that of the gate is applied to a semiconductor region where a channel is formed when each MOS transistor is turned on. Thus, each MOS transistor is controlled so that the threshold voltage decreases when the MOS transistor is on, while the threshold voltage increases when it is off. As a result, even if the circuit formed on the gate array is in operation, if there is an off-state MOS transistor in the current path from the power source VDD to GND, the off-state MOS transistor causes a through current to flow. It is suppressed.
[0016]
Also,Claim 2The invention according to
Claim 1In the gate array of the invention according to
The voltage setting means can control the voltage of the semiconductor region individually for each MOS transistor.
It is characterized by that.
[0017]
According to the above configuration, the threshold voltage is controlled for each individual MOS transistor configuring the basic cell. Thus, the threshold voltage of each MOS transistor is individually set to a desired value according to the operating voltage or the like..
[0018]
MaTheClaim 3The invention according to
Having gate and sourceA gate array in which basic cells including MOS transistors are arranged,
A semiconductor region in which a channel is formed when the MOS transistor is turned on is electrically independent for each of the plurality of MOS transistors,
Each of the semiconductor regions that are electrically independent for each of the plurality of MOS transistors is electrically connected to the gate of each of the MOS transistors belonging to each semiconductor region,
The voltage of the semiconductor region isEach of the above MOS transistorsVoltage setting means for setting independently of the source voltage is provided.
It is characterized by that.
[0019]
According to the above configuration, the voltage of the semiconductor region is set independently of the voltage of the source for each of the plurality of MOS transistors sharing the semiconductor region in which a channel is formed when turned on. Thus, the threshold voltage of each MOS transistor is set to a desired value for each of the plurality of MOS transistors. In this case, it is not necessary to form a separation band for separating the MOS transistors between the plurality of MOS transistors, and the area of the gate array is reduced accordingly.
[0020]
Further, the same voltage as that of the gate of each MOS transistor belonging to each semiconductor region is applied to each of the semiconductor regions which are electrically independent for each of the plurality of MOS transistors. Thus, each MOS transistor is controlled so that the threshold voltage decreases when the MOS transistor is on, while the threshold voltage increases when it is off. As a result, even if the circuit formed on the gate array is in operation, if there is an off-state MOS transistor in the current path from the power source VDD to GND, the off-state MOS transistor causes a through current to flow. It is suppressed.
[0021]
Also,Claim 4Inventions related toThe gate arrayIs
Gates that are electrically independent of each other , Comprising a plurality of MOS transistors having a source and a drain;
In the MOS transistorSemiconductor region where channel is formed when onIs electrically connected to the gate of the corresponding MOS transistor,
The plurality of MOS transistors are
Each of the semiconductor regions in which a channel is formed at the time of the on-stateEach MOS transistor is electrically independentA first MOS transistor,
A second MOS transistor in which a semiconductor region in which a channel is formed at the time of ON is electrically independent for each of the plurality of MOS transistors;
Including
In the first MOS transistorThe voltage of the semiconductor region, Of the first MOS transistorSet independently of the source voltageFirstVoltage setting meansWhen,
Second voltage setting means for setting the voltage of the semiconductor region in the second MOS transistor independently of the voltage of the source of the second MOS transistor;
It is characterized by having.
[0022]
According to the above configuration,The MOS transistor includes the first MOS transistor capable of controlling a threshold voltage for each one and the second MOS transistor having a small area per element by performing element isolation for each plurality. InThe semiconductor region in which the channel is formed when onThe first MOS transistor is electrically connected to the gate of the corresponding MOS transistor.MOS transistor1st area whereWhen,SecondMOS transistorA second region, and a third region including the first voltage setting unit and the second voltage setting unit,By configuring a gate array that mixes, the controllability and area efficiency are good, andTo suppress the through current during operation.Possible gate arrayCan be realizedThe
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments. FIG. 1 is an equivalent circuit diagram showing a basic cell constituting the gate array of the first embodiment. FIG. 2 shows a layout pattern of the
[0024]
The
[0025]
FIG. 3 shows a configuration in which a
[0026]
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a two-input NAND circuit in which two
[0027]
The two-input NAND circuit shown in FIGS. 4 and 5 includes a
[0028]
The source NS ′ of the
[0029]
Next, the operation of the 2-input NAND circuit having the above configuration will be described. When the level of the input signal A input to the
[0030]
Further, when the level of the input signal A becomes “L (GND level)”, the
[0031]
Here, when the NAND circuit is operating at the power supply voltage VDD = 1V, if the control voltage VPW = about 0.5V and the control voltage VNW = about 0.5V, the first and
[0032]
When the NAND circuit is stopped, the threshold voltage Vthp of the first and
[0033]
As described above, in the gate array in the present embodiment, the gate G, source (drain) S, drain (source) D and well W are electrically isolated from each other and separated from other MOS transistors by the trench T. The
[0034]
Therefore, the threshold voltage Vthp of the
[0035]
That is, according to the present embodiment, the threshold voltage Vth can be controlled for each MOS transistor in the gate array chip, and the power consumption of the entire gate array can be further reduced. Further, the
[0036]
In the above embodiment, the source (drain) S, the gate G, the drain (source) S, and the well W in both the
[0037]
Next, a second embodiment of the gate array of the present invention will be described. FIG. 6 is an equivalent circuit diagram showing a basic cell in the gate array of the present embodiment. FIG. 7 shows a layout pattern of the
[0038]
In the present embodiment, the gate array is composed of a plurality of
[0039]
A well NW communicates with the back gates of the first and
[0040]
In the first embodiment described above, the well potential (back gate potential) can be controlled for each MOS transistor as shown in FIG. 1 and FIG. The well potential (back gate potential) can be controlled for each MOS transistor. That is, the threshold voltage Vthp or the threshold voltage Vthn can be controlled for each of the first and
[0041]
Therefore, according to the present embodiment, the threshold voltage Vth cannot be finely controlled for each MOS transistor as in the first embodiment. However, in this embodiment, since it is not necessary to isolate the elements by the trench T for each MOS transistor, the
[0042]
In the
[0043]
By the way, when the above-mentioned basic cells are regularly arranged on the substrate to form the gate array as described above, the threshold voltage Vth for each MOS transistor is provided in the
[0044]
However, in the
[0045]
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of a 2-input NAND circuit according to the third embodiment in which the above-described drawbacks are improved. FIG. 10 shows the layout pattern of FIG. As in the case of the 2-input NAND circuit shown in FIGS. 4 and 5, the 2-input NAND circuit according to the present embodiment uses two
[0046]
However, the configuration of the 2-input NAND circuit in the present embodiment is the same as that of the 2-input NAND circuit shown in FIGS. 4 and 5, and the back gates of the first and
[0047]
That is, the level of the input signal A input to the
[0048]
Similarly, when the level of the input signal B input to the
[0049]
On the other hand, since the levels of the input signals A and B are “H”, the gate voltages of the first and
[0050]
Next, when the level of the input signal A is “L (GND level)”, the
[0051]
At this time, since the threshold voltage Vthn of the
[0052]
Even when the level of the input signal B is “L” and when the levels of both the input signals A and B are “L”, the operation is the same as in the first embodiment, and the VDD level is low. An output signal Y is derived. Even in this case, for the same reason described above, the leakage current of the NMOS transistor in the off state and the through current flowing from the power supply VDD to the GND through each MOS transistor can be suppressed.
[0053]
As described above, the gate array in the present embodiment is configured using the
[0054]
Therefore, even when a circuit formed using the
[0055]
That is, as shown in FIGS. 1 and 2, the threshold voltage Vth can be controlled for each MOS transistor using the MOS transistor in the present embodiment in which the back gate is connected to the gate through the well. A first basic cell is formed. Further, by using the MOS transistor in the present embodiment in which the back gate is connected to the gate through the well, element isolation is performed for each of the plurality of MOS transistors, thereby reducing the area per MOS transistor. A second basic cell as shown in FIG. 7 is formed. FIG. 8 shows a mixture of the first area in which the first basic cells are arranged, the second area in which the second basic cells are arranged, and the third area in which a memory, a CPU, and the like are arranged. By forming such a gate array, it is possible to realize a gate array that has good controllability and area efficiency and can suppress the through current during operation.
[0056]
In each of the above embodiments, each MOS transistor is formed on a well and a back gate is connected to the well. However, the present invention is not limited to this, and can be applied even when each MOS transistor is formed on a semiconductor substrate. However, in that case, the semiconductor region in which the channel is formed when each MOS transistor is turned on needs to be electrically independent from the semiconductor region in which the channel of the other MOS transistor is formed.
[0057]
The configuration of the basic cell is not limited to the configuration of the basic cell (equivalent circuit, layout pattern) in each of the above embodiments.
[0058]
【The invention's effect】
As apparent from the above, the gate array of the invention according to
[0059]
furtherThe semiconductor region in which the channel is formed when the MOS transistor is turned on is electrically independent for each MOS transistor, and the voltage of the semiconductor region is set independently of the source voltage by the voltage setting means. For each MOS transistor, the voltage of the semiconductor region can be set to a voltage other than the power supply voltage VDD or GND, which has been conventionally used as a control voltage for the gate array. Therefore, the threshold voltage of each MOS transistor is set low during operation of the circuit to which the MOS transistor belongs, and set high during standby (stop), and the MOS transistor operates at high speed when the operating voltage is lowered to reduce power consumption. In addition, it is possible to reduce power consumption by suppressing leakage current during standby.
[0060]
Further, since the semiconductor region in which the channel is formed when the transistor is turned on is electrically connected to the gate of the corresponding MOS transistor, the semiconductor region in which the channel is formed when the MOS transistor is turned on includes the gate. The same voltage can be applied. Therefore, the threshold voltage of each MOS transistor can be controlled to be low when on and high when off. That is, according to the present invention, even if the circuit formed on the gate array is in operation, if there is an off-state MOS transistor in the current path from the power supply VDD to GND, the through current can be suppressed. Further reduction in power consumption can be achieved.
[0061]
Also,Claim 2The voltage setting means in the gate array according to the invention can control the voltage of the semiconductor region in which the channel is formed individually for each MOS transistor, so that the threshold voltage of each MOS transistor can be individually controlled. Can be set to a desired value according to the operating voltage.
[0062]
MaTheClaim 3The gate array of the invention according to the invention is formed by arranging basic cells including MOS transistors, and a semiconductor region in which a channel is formed when the MOS transistor is turned on is electrically independent for each of the plurality of MOS transistors. The voltage of the semiconductor region is set by voltage setting means.Each of the above MOS transistorsSince the voltage is set independently of the source voltage, the threshold voltage of each MOS transistor can be set to a desired value in units of a plurality of MOS transistors. Therefore, the MOS transistor can be operated at a high speed when the operating voltage is lowered to reduce the power consumption, and the leakage current during standby can be suppressed. Further, since it is not necessary to form a separation band for separating the MOS transistors between the plurality of MOS transistors, the area of the gate array can be reduced accordingly.
[0063]
Furthermore, since each of the semiconductor regions electrically independent for each of the plurality of MOS transistors is electrically connected to the gate of each of the MOS transistors belonging to each semiconductor region, the semiconductor The same voltage as that of the gate is applied to each of the regions. Therefore, each MOS transistor can be controlled such that the threshold voltage decreases when the MOS transistor is on, while the threshold voltage increases when it is off. As a result, even if the circuit formed on the gate array is in operation, if there is an off-state MOS transistor in the current path from the power source VDD to GND, the through-state current is reduced by the off-state MOS transistor. Can be suppressed.
[0064]
The gate array of the invention according to claim 4 isGates that are electrically independent of each other , Multiple with source and drainSemiconductor region in which channel is formed when MOS transistor is turned onIs electrically connected to the gate of the corresponding MOS transistor, and the plurality of MOS transistors have the semiconductor region in each of the above-described semiconductor regions.Each MOS transistor is electrically independentA first MOS transistor, and a second MOS transistor in which the semiconductor region is electrically independent for each of the plurality of MOS transistors. , SecondBy voltage setting meansThe first , In the second MOS transistorThe voltage of the semiconductor regionThe first , Of the second MOS transistorSince it is set independently from the source voltage,A first region in which the first MOS transistors capable of controlling the threshold voltage are arranged for each one. AreaWhen,By performing element isolation for each of the plurality, the second area is small.MOS transistorA second region, and a third region including the first voltage setting unit and the second voltage setting unit,MixedBy configuring a gate array, Good controllability and area efficiency,And it can suppress the through current during operation.A gate array that canRealizeCan.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram showing one embodiment of a basic cell constituting a gate array of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a layout pattern of the basic cell shown in FIG. 1;
3 is a diagram showing a gate array using the basic cell shown in FIGS. 1 and 2. FIG.
4 is an equivalent circuit diagram of a two-input NAND circuit formed using the basic cell shown in FIGS. 1 and 2. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a layout pattern of the 2-input NAND circuit shown in FIG. 4;
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a basic cell different from FIG.
7 is a diagram showing a layout pattern of the basic cell shown in FIG. 6. FIG.
8 is a diagram showing a gate array using the basic cell shown in FIGS. 1 and 2 and the basic cell shown in FIGS. 6 and 7. FIG.
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of a two-input NAND circuit different from FIGS. 4 and 5 formed using the basic cell shown in FIGS. 1 and 2;
10 is a diagram showing a layout pattern of the 2-input NAND circuit shown in FIG. 9; FIG.
FIG. 11 is a diagram showing a gate array on which a conventional basic cell is mounted.
12 is a diagram showing a layout pattern of basic cells mounted on the gate array of FIG. 11. FIG.
13 is an equivalent circuit diagram of the basic cell shown in FIG.
14 is a diagram showing a layout pattern of an inverter circuit realized on the basic cell shown in FIGS. 12 and 13. FIG.
[Explanation of symbols]
11, 11 ', 21 ... basic cells,
12,12 ', 22,23,31,31' ... PMOS transistor,
13,13 ', 24,25,32,32' ... NMOS transistor,
15 ... Gate array, 16, 26 ... Gate array part,
19, 20, 33, 34 ... metal wiring,
PG, NG, PG1, NG1, PG ', NG' ... Gate,
PS, PD, NS, ND, PS ', PD', NS ', ND'
, PD1 to PD3, ND1 to ND3 ... source or drain,
NW, PW, NW ', PW' ... well, T ... trench.
Claims (4)
上記ゲート,ソースおよびドレインは、各トランジスタ毎に電気的に独立しており、
上記金属酸化膜半導体トランジスタにおけるオン時にチャネルが形成される半導体領域は、各金属酸化膜半導体トランジスタ毎に電気的に独立しており、
上記半導体領域の電圧を上記ソースの電圧とは独立して設定する電圧設定手段を備えたことを特徴とするゲートアレイにおいて、
上記オン時にチャネルが形成される半導体領域は、該当する金属酸化膜半導体トランジスタの上記ゲートと電気的に接続されている
ことを特徴とするゲートアレイ。A gate array in which basic cells including metal oxide semiconductor transistors having gates, sources and drains that are electrically independent from each other are arranged,
The gate, source and drain are electrically independent for each transistor ,
The semiconductor region in which a channel is formed when the metal oxide semiconductor transistor is turned on is electrically independent for each metal oxide semiconductor transistor,
In the gate array comprising voltage setting means for setting the voltage of the semiconductor region independently of the voltage of the source,
A gate array , wherein a semiconductor region in which a channel is formed at the time of ON is electrically connected to the gate of the corresponding metal oxide semiconductor transistor .
上記電圧設定手段は、各金属酸化膜半導体トランジスタ毎に個別に上記半導体領域の電圧を制御可能になっている
ことを特徴とするゲートアレイ。The gate array of claim 1,
The gate array according to claim 1, wherein the voltage setting means is capable of controlling the voltage of the semiconductor region individually for each metal oxide semiconductor transistor.
上記金属酸化膜半導体トランジスタにおけるオン時にチャネルが形成される半導体領域が、複数の金属酸化膜半導体トランジスタ毎に電気的に独立しており、
上記複数の金属酸化膜半導体トランジスタ毎に電気的に独立している上記半導体領域の夫々は、各半導体領域に属している個々の上記金属酸化膜半導体トランジスタの上記ゲートと電気的に接続されており、
上記半導体領域の電圧を、各上記金属酸化膜半導体トランジスタの上記ソースの電圧とは独立して設定する電圧設定手段を備えた
ことを特徴とするゲートアレイ。 A gate array in which basic cells including a metal oxide semiconductor transistor having a gate and a source are arranged ,
A semiconductor region in which a channel is formed when the metal oxide semiconductor transistor is turned on is electrically independent for each of the plurality of metal oxide semiconductor transistors,
Electrically Independent husband of the semiconductor region s in each of the plurality of metal oxide semiconductor transistors, which is the gate electrically connected to each of the metal oxide semiconductor transistors belonging to each of the semiconductor regions ,
A gate array comprising voltage setting means for setting a voltage of the semiconductor region independently of a voltage of the source of each of the metal oxide semiconductor transistors .
上記金属酸化膜半導体トランジスタにおけるオン時にチャネルが形成される半導体領域は、該当する金属酸化膜半導体トランジスタの上記ゲートと電気的に接続されており、
上記複数の金属酸化膜半導体トランジスタは、
上記オン時にチャネルが形成される半導体領域が各上記金属酸化膜半導体トランジスタ毎に電気的に独立している第1の金属酸化膜半導体トランジスタと、
上記オン時にチャネルが形成される半導体領域が複数の上記金属酸化膜半導体トランジスタ毎に電気的に独立している第2の金属酸化膜半導体トランジスタと
を含み、
上記第1の金属酸化膜半導体トランジスタにおける上記半導体領域の電圧を、当該第1の金属酸化膜半導体トランジスタの上記ソースの電圧とは独立して設定する第1の電圧設定手段と、
上記第2の金属酸化膜半導体トランジスタにおける上記半導体領域の電圧を、当該第2の金属酸化膜半導体トランジスタの上記ソースの電圧とは独立して設定する第2の電圧設定手段と
を備えたことを特徴とするゲートアレイ。 Comprising a plurality of metal oxide semiconductor transistors having gates , sources and drains which are electrically independent from each other ;
A semiconductor region in which a channel is formed when the metal oxide semiconductor transistor is turned on is electrically connected to the gate of the corresponding metal oxide semiconductor transistor ,
The plurality of metal oxide semiconductor transistors are
A first metal oxide semiconductor transistor in which a semiconductor region in which a channel is formed at the time of ON is electrically independent for each of the metal oxide semiconductor transistors;
A second metal oxide semiconductor transistor in which a semiconductor region in which a channel is formed at the time of on is electrically independent for each of the plurality of metal oxide semiconductor transistors;
Including
First voltage setting means for setting a voltage of the semiconductor region in the first metal oxide semiconductor transistor independently of a voltage of the source of the first metal oxide semiconductor transistor;
Second voltage setting means for setting a voltage of the semiconductor region in the second metal oxide semiconductor transistor independently of a voltage of the source of the second metal oxide semiconductor transistor;
Gate array, comprising the.
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