JP5674171B2 - Semiconductor integrated circuit and semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は外部電源電圧を降圧するレギュレータが内蔵された半導体集積回路、更にはレギュレータのレイアウト方法に関し、例えば、半導体チップの小型化及び低消費電力が求められる携帯情報端末等のデータ処理システムに適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor integrated circuit incorporating a regulator for stepping down an external power supply voltage, and further relates to a regulator layout method. For example, the present invention is applied to a data processing system such as a portable information terminal requiring miniaturization and low power consumption of a semiconductor chip. And effective technology.
外部電源電圧(Vext:例えば3.3V、5V等)よりも低い内部電源電圧(Vint:例えば1.8V、1.5V等)で動作する内部回路を有する半導体集積回路において、外部電源電圧を降圧して内部電源電圧を生成する降圧電源回路を有するものがある。従来は、この降圧電源回路から内部回路までの配線の寄生抵抗に起因する内部電源電圧の不所望な電圧低下を抑えるために、複数の降圧電源回路をオンチップ化すると共に、それらの降圧電源回路を電源パッドの近傍に配置して電源パッドから降圧電源回路までの配線の寄生抵抗に起因する外部電源電圧の不所望な電圧低下も低減するという技術が知られている。そのような技術について記載された文献の例として、特開平9−289288号公報、特開平2−224267号公報がある。 In a semiconductor integrated circuit having an internal circuit that operates at an internal power supply voltage (Vint: for example, 1.8 V, 1.5 V, etc.) lower than the external power supply voltage (for example, 3.3 V, 5 V, etc.), the external power supply voltage is stepped down. Some have a step-down power supply circuit that generates an internal power supply voltage. Conventionally, in order to suppress undesired voltage drop of the internal power supply voltage due to the parasitic resistance of the wiring from the step-down power supply circuit to the internal circuit, a plurality of step-down power supply circuits are made on-chip, and those step-down power supply circuits Is known in the art to reduce undesired voltage drop of the external power supply voltage caused by the parasitic resistance of the wiring from the power supply pad to the step-down power supply circuit. Examples of documents describing such techniques include JP-A-9-289288 and JP-A-2-224267.
本発明者はそれら技術について検討した。これによれば、従来技術では、降圧電源回路から内部回路までの配線の寄生抵抗に起因する内部電源電圧の不所望な電圧低下及び電源パッドから降圧電源回路までの外部電源電圧の不所望な低下を抑えるために複数の降圧電源回路を電源パッドの近傍に配置しているが、複数の降圧電源回路をオンチップ化することによるチップ占有面積の増大については特に考慮されておらず、この面積オーバーヘッドを低減する手段について、明確な解決策は示されていない。 The present inventor examined these techniques. According to this, in the prior art, the undesired voltage drop of the internal power supply voltage due to the parasitic resistance of the wiring from the step-down power supply circuit to the internal circuit and the undesired drop of the external power supply voltage from the power supply pad to the step-down power supply circuit. Although multiple step-down power supply circuits are arranged in the vicinity of the power supply pad in order to suppress this, the area occupied by the chip by increasing the number of step-down power supply circuits on-chip is not particularly considered. No clear solution has been shown for the means to reduce this.
更に本発明者は、そもそも降圧電圧を用いることによって企図する低消費電力を促進することについて検討し、その結果、半導体集積回路の内部状態に応じて降圧電圧のレベルを制御すること、降圧電圧で動作される回路のサブスレッショルドリーク電流低減のために基板電圧を変えて閾値電圧を制御しようとするとき降圧電圧及び外部電源電圧などを使い分けることの有用性を見出した。 Furthermore, the present inventor has studied the promotion of the low power consumption intended by using the step-down voltage in the first place, and as a result, the level of the step-down voltage is controlled according to the internal state of the semiconductor integrated circuit. In order to reduce the subthreshold leakage current of the circuit to be operated, the usefulness of using the step-down voltage and the external power supply voltage properly when the threshold voltage is controlled by changing the substrate voltage has been found.
本発明の目的は、外部電源電圧を降圧するレギュレータを内蔵することによるチップ面積の増大を抑え、且つ降圧電圧の安定化を実現できる半導体集積回路を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit capable of suppressing an increase in chip area due to a built-in regulator for stepping down an external power supply voltage and realizing stabilization of the stepped down voltage.
本発明の別の目的は、降圧電圧を用いることによる低消費電力を更に促進することができる半導体集積回路を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit that can further promote low power consumption by using a step-down voltage.
本発明のその他の目的は、外部電源電圧を降圧するレギュレータを内蔵することによるチップ面積の増大を抑え、且つ降圧電圧の安定化を実現できる半導体集積回路の設計を容易化することができる半導体集積回路の設計方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit capable of facilitating the design of a semiconductor integrated circuit capable of suppressing an increase in chip area due to the incorporation of a regulator for stepping down an external power supply voltage and realizing stabilization of the stepped down voltage. It is to provide a circuit design method.
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。 The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
〔1〕《バッファ及び保護回路領域》本発明に係る半導体集積回路は、半導体チップに、信号や電源の入出力に関係する複数のパッド電極などの外部端子(20)を配置するために設けられた第1の領域(1)を有し、その第1の領域(1)の隣には信号や電源の入出力に関係するバッファ及び保護素子を配置するための第2の領域(2)が配置され、この第2の領域を用いて、半導体チップ(10)の外部から供給される第1の電源電圧(Vext)をこれより低い少なくとも1種類の内部電源電圧(Vint)に降圧するための複数のレギュレータ(150〜157)が配置される。詳しくは、レギュレータは、前記バッファ及び保護回路が形成され且つそれらのレイアウトの幅で大凡決まる幅の領域を用いて、前記第1の電源電圧を受ける外部端子及び回路の接地電圧を受ける外部端子の近傍に配置される。第3の領域には前記内部電源電圧を受けて動作する第1の内部回路が配置される。 [1] << Buffer and Protection Circuit Area >> A semiconductor integrated circuit according to the present invention is provided for disposing external terminals (20) such as a plurality of pad electrodes related to input / output of signals and power on a semiconductor chip. The first region (1) has a second region (2) for arranging a buffer and a protection element related to input / output of a signal and a power source next to the first region (1). The second region is used to step down the first power supply voltage (Vext) supplied from the outside of the semiconductor chip (10) to at least one internal power supply voltage (Vint) lower than the first power supply voltage (Vint). A plurality of regulators (150 to 157) are arranged. Specifically, the regulator uses an area having a width in which the buffer and the protection circuit are formed and roughly determined by the width of the layout of the external terminal receiving the first power supply voltage and the external terminal receiving the circuit ground voltage. Located in the vicinity. A first internal circuit that operates in response to the internal power supply voltage is disposed in the third region.
第2の領域において、前記第1の電源電圧を受ける外部端子及び回路の接地電圧を受ける外部端子の近傍は、信号用の外部端子とは異なってバッファが不要であるから、本来的に空きがあり、レギュレータのレイアウトは比較的容易である。前記バッファや保護回路は基本的に外部端子毎に配置されれば十分であり、その数は半導体集積回路全体における実装回路の数に比べて少なく、前記第2の領域に代表される領域は実質的に空地率の高い領域とされている。 In the second region, the external terminal that receives the first power supply voltage and the vicinity of the external terminal that receives the circuit ground voltage do not require a buffer unlike the signal external terminal, so that there is essentially no space. Yes, the layout of the regulator is relatively easy. It is sufficient that the buffer and the protection circuit are basically arranged for each external terminal, the number thereof is smaller than the number of mounting circuits in the entire semiconductor integrated circuit, and the region represented by the second region is substantially the same. It is considered an area with a high vacancy rate.
第2の領域に代表されるように、バッファ及び保護回路が形成され且つそれらのレイアウトの幅で大凡決まる幅の領域に、複数個のレギュレータを配置することにより、レギュレータを比較的容易に増やせ、また、増やしても、それに比例してチップ面積を大きくする必要性は殆どない。したがって、外部電源電圧を降圧するレギュレータを内蔵することによるチップ面積の増大を抑え、且つ第1の内部回路に必要な最大電流を確保することが簡単であるから、降圧電圧の安定化の実現も容易である。 As represented by the second region, by arranging a plurality of regulators in a region where a buffer and a protection circuit are formed and whose width is roughly determined by the width of the layout, the number of regulators can be increased relatively easily. Moreover, even if it is increased, there is almost no need to increase the chip area in proportion thereto. Therefore, it is easy to suppress the increase of the chip area due to the incorporation of the regulator for stepping down the external power supply voltage and to secure the maximum current required for the first internal circuit. Easy.
〔2〕《電源幹線》半導体集積回路は、前記複数個のレギュレータの出力が結合され前記第1の内部回路に前記内部電源電圧を供給する電源幹線などの電源配線(L20)を有する。望ましい態様では、前記電源配線を閉ループ状に形成するとよい。これは、電源配線上で内部電源電圧を容易に均一化することを達成させ、半導体チップに広範に分散する多くの回路に一定の安定した内部電源電圧の供給を可能にする。 [2] << Power Supply Main Line >> The semiconductor integrated circuit has a power supply line (L20) such as a power supply main line for connecting the outputs of the plurality of regulators to supply the internal power supply voltage to the first internal circuit. In a desirable mode, the power supply wiring may be formed in a closed loop shape. This makes it possible to easily equalize the internal power supply voltage on the power supply wiring, and to supply a constant and stable internal power supply voltage to many circuits widely distributed in the semiconductor chip.
前記電源配線上において前記レギュレータの出力結合点の間の寄生抵抗が相互に大凡等しくなるようにする。これにより、内部電源電圧は更にレベルが均一化する。見方を変えれば、前記電源配線上において前記レギュレータの出力結合点の間の距離を相互に大凡等しくすればよい。 Parasitic resistance between the output coupling points of the regulator is made approximately equal to each other on the power supply wiring. As a result, the level of the internal power supply voltage is further uniformed. In other words, the distance between the output coupling points of the regulator on the power supply wiring may be approximately equal to each other.
半導体集積回路化されるべきレギュレータという点では、レギュレータであってもチップ占有面積には制限を受けるから、レギュレータにシリーズレギュレータを採用することが得策である。このとき、チップ占有面積の増大防止の観点よりすれば、安定化容量を半導体集積回路の外付け部品とするのがよい。そのために、前記電源配線に接続する外部端子(20A−2)を設け、この外部端子に安定化容量(C10)を外付けで接続すればよい。 In terms of a regulator to be integrated into a semiconductor integrated circuit, even if it is a regulator, the chip occupying area is limited, so it is a good idea to employ a series regulator as the regulator. At this time, from the viewpoint of preventing an increase in the area occupied by the chip, the stabilizing capacitor is preferably an external component of the semiconductor integrated circuit. For this purpose, an external terminal (20A-2) connected to the power supply wiring is provided, and a stabilization capacitor (C10) may be externally connected to the external terminal.
〔3〕《レベル変換回路》第1の電源電圧で動作する回路と内部電源電圧で動作する回路との間で信号の受け渡しを行なうとき、前者から後者への信号入力はそのまま行えばよい。逆の場合には、動作電源よりも振幅の小さな信号を入力することになり、例えばCMOS入力回路において入力信号の論理レベルが中間レベルになって不所望な貫通電流を生じたりする虞がある。そのような虞を未然に防止するには、前記第1の電源電圧を利用する第2の内部回路として、前記第1の内部回路から出力される信号を第1の電源電圧で規定される信号振幅に変換して出力するレベル変換回路(G3)を利用すればよい。例えば、第1の論理回路の出力を前記第2の領域のバッファに供給するとき、その出力信号を前記レベル変換回路を通してバッファに供給する。 [3] << Level conversion circuit >> When a signal is transferred between a circuit operating at the first power supply voltage and a circuit operating at the internal power supply voltage, the signal input from the former to the latter may be performed as it is. In the opposite case, a signal having a smaller amplitude than that of the operating power supply is input, and for example, the logic level of the input signal may become an intermediate level in a CMOS input circuit, which may cause an undesired through current. In order to prevent such a risk, a signal output from the first internal circuit as a second internal circuit using the first power supply voltage is defined by the first power supply voltage. A level conversion circuit (G3) that converts the amplitude into an output may be used. For example, when the output of the first logic circuit is supplied to the buffer in the second area, the output signal is supplied to the buffer through the level conversion circuit.
〔4〕《参照電圧発生回路》レギュレータで降圧電圧を生成するとき、目的とする電圧を規定するのに参照電圧を必要とする場合、前記第1の電源電圧を利用する第2の内部回路として、降圧電圧の参照電圧を形成して前記レギュレータに供給する参照電圧発生回路(60)を設ければよい。 [4] << Reference voltage generation circuit >> When the reference voltage is required to define the target voltage when the step-down voltage is generated by the regulator, as a second internal circuit using the first power supply voltage A reference voltage generation circuit (60) for generating a reference voltage for the step-down voltage and supplying the reference voltage to the regulator may be provided.
前記参照電圧を各レギュレータに供給するとき、参照電圧配線によるアンテナ効果を抑制するには、途中で分断されて開ループを成す参照電圧配線(L10)を採用すればよい。 When the reference voltage is supplied to each regulator, in order to suppress the antenna effect due to the reference voltage wiring, the reference voltage wiring (L10) that is divided in the middle to form an open loop may be employed.
前記参照電圧配線は大凡前記レギュレータの配置に沿って配置し、回路の接地電圧が供給されるシールド配線を同一配線層に並設し、また、その上下には更に別のシールド配線又はシールド領域を並設してもよい。クロストークなどの影響で参照電圧が変動するのを抑制若しくは低減することができる。 The reference voltage wiring is arranged approximately along the arrangement of the regulator, and shield wiring to which the ground voltage of the circuit is supplied is arranged in parallel in the same wiring layer, and further another shield wiring or shield area is provided above and below the reference wiring. You may install in parallel. It is possible to suppress or reduce the fluctuation of the reference voltage due to the influence of crosstalk or the like.
半導体集積回路のプロセスばらつきの影響を考慮すると、前記参照電圧発生回路は、トリミング情報によって回路特性が決定される基準電圧発生回路(100)の出力電圧に基づいて参照電圧を生成し、前記トリミング情報を保持する電気的に書き込み可能な不揮発性メモリを有する構成を採用してよい。ウェーハプローブテストの一環として基準電圧発生回路の特性を測定し、プロセスばらつきの影響による特性変動分をキャンセルするトリミング情報を取得し、これを不揮発性メモリ(135)に初期書き込みしておく。半導体集積回路に対するリセット処理の一環等として不揮発性メモリから前記トリミング情報を読み出して基準電圧発生回路にラッチさせ、ラッチされたトリミング情報に従って基準電圧を発生させればよい。 Considering the influence of process variations of the semiconductor integrated circuit, the reference voltage generation circuit generates a reference voltage based on the output voltage of the reference voltage generation circuit (100) whose circuit characteristics are determined by the trimming information, and the trimming information A configuration having an electrically writable nonvolatile memory that holds the memory may be employed. As a part of the wafer probe test, the characteristics of the reference voltage generation circuit are measured, trimming information for canceling the characteristic fluctuation due to the influence of process variation is acquired, and this is initially written in the nonvolatile memory (135). The trimming information may be read from the nonvolatile memory and latched in the reference voltage generation circuit as part of the reset process for the semiconductor integrated circuit, and the reference voltage may be generated according to the latched trimming information.
前記参照電圧発生回路は、複数種類の参照電圧の中から選ばれた参照電圧を出力可能に構成してよい。例えば半導体集積回路がクロック同期動作される場合、クロック周波数を低くして低速動作させる場合には参照電圧を低くして第1の回路を低速動作させ、クロック周波数を高くして高速動作させる場合には参照電圧を高くして第1の回路を高速動作させることができる。 The reference voltage generation circuit may be configured to output a reference voltage selected from a plurality of types of reference voltages. For example, when a semiconductor integrated circuit is operated in a clock synchronous manner, when the clock frequency is lowered to operate at a low speed, the reference voltage is lowered to operate the first circuit at a low speed, and the clock frequency is increased to operate at a high speed. Can increase the reference voltage and operate the first circuit at high speed.
そのような参照電圧の選択制御は、動作モードに応じてCPUなどの制御手段(120)から参照電圧発生回路に与えられる指示に応答して行なうようにしてよい。例えば、マイクロプロセッサ若しくはデータプロセッサなどの半導体集積回路において、スタンバイモード若しくはスリープモードにおいてレベルの低い参照電圧を選択させ、アクティブモードにおいてレベルの高い参照電圧を選択させる。 Such reference voltage selection control may be performed in response to an instruction given to the reference voltage generation circuit from the control means (120) such as a CPU according to the operation mode. For example, in a semiconductor integrated circuit such as a microprocessor or a data processor, a low-level reference voltage is selected in a standby mode or a sleep mode, and a high-level reference voltage is selected in an active mode.
〔5〕《活性化制御》半導体集積回路の低消費電力化を進める場合、前記第1の電源電圧を利用する第2の内部回路として、レギュレータの活性・非活性を制御する活性化制御手段(70)を採用するとよい。 [5] << Activation control >> When the power consumption of the semiconductor integrated circuit is reduced, an activation control means for controlling activation / deactivation of the regulator as the second internal circuit using the first power supply voltage ( 70) may be employed.
前記活性化制御手段は単数又は複数のレギュレータ毎に別々に活性化制御可能である。例えば、アクティブモードでは全てのレギュレータを動作させ、スタンバイモード若しくはスリープモードでは一部のレギュレータだけを動作させる制御が可能になる。また、一部のレギュレータを電流駆動能力若しくは消費電流の小さな回路で構成し、スタンバイモード若しくはスリープモードではそのような一部のレギュレータだけを動作させてもよい。 The activation control means can perform activation control separately for each of the single or plural regulators. For example, it is possible to control to operate all regulators in the active mode and operate only some regulators in the standby mode or the sleep mode. Alternatively, some of the regulators may be configured with a circuit having a small current driving capability or current consumption, and only such some of the regulators may be operated in the standby mode or the sleep mode.
また、電流駆動能力若しくは消費電流の小さな1個若しくは少数のサブレギュレータ(80)を第1の電源電圧利用の第2の内部回路として第4の領域に形成し、活性化制御手段(70)には、半導体集積回路のアクティブモードのような第1の動作モードに応答して第2の領域に形成されたレギュレータを活性状態とし、半導体集積回路のスタンバイモード若しくはスリープモードのような第2の動作モードに応答して前記サブレギュレータを活性状態とすればよい。 In addition, one or a small number of sub-regulators (80) having a small current driving capability or current consumption are formed in the fourth region as a second internal circuit using the first power supply voltage, and are provided as activation control means (70). Activates the regulator formed in the second region in response to the first operation mode such as the active mode of the semiconductor integrated circuit, and performs the second operation such as the standby mode or the sleep mode of the semiconductor integrated circuit. The sub regulator may be activated in response to the mode.
〔6〕《スイッチングレギュレータ制御》半導体集積回路に内蔵するレギュレータだけでは必要な電流供給能力を十二分に得ることができない場合がある。そこで、予めこれに対処し易くするために、スイッチングレギュレータの外付け利用を想定し、前記複数個のレギュレータを有する前記半導体チップに、前記第2の回路として、スイッチングレギュレータのドライバ制御回路(90)を予め設けておき、ドライバ制御回路で生成されるドライブ制御信号の外部出力端子に幾つかの外部端子(20B−1,20B−2)を割り当てる。 [6] << Switching regulator control >> In some cases, a sufficient current supply capability cannot be obtained with only a regulator built in a semiconductor integrated circuit. Therefore, in order to easily cope with this in advance, a switching regulator driver control circuit (90) is used as the second circuit in the semiconductor chip having the plurality of regulators, assuming the use of an external switching regulator. Are assigned in advance, and several external terminals (20B-1, 20B-2) are assigned to the external output terminals of the drive control signals generated by the driver control circuit.
外付けスイッチングレギュレータを用いる場合、その電圧出力端子を所定の外部端子(20B−3)に結合する。当該所定の外部端子は、前記複数個のレギュレータの出力が結合されていて前記第1の内部回路に内部電源電圧を供給する電源配線に接続している。この場合には半導体集積回路内蔵のレギュレータの動作は必要ない。前記レギュレータ又は前記ドライバ制御回路のいずれか一方を固定的に非活性状態に制御する非活性化制御手段(70,135)を採用するとよい。例えば、電気ヒューズ若しくは電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ素子を用いたフラッシュメモリヒューズを非活性化制御手段に用いればよい。 When an external switching regulator is used, its voltage output terminal is coupled to a predetermined external terminal (20B-3). The predetermined external terminal is connected to a power supply wiring to which outputs of the plurality of regulators are coupled and supplies an internal power supply voltage to the first internal circuit. In this case, the operation of the regulator built in the semiconductor integrated circuit is not necessary. Deactivation control means (70, 135) for controlling one of the regulator and the driver control circuit in a fixed inactive state may be employed. For example, an electric fuse or a flash memory fuse using an electrically rewritable nonvolatile memory element may be used as the deactivation control means.
スイッチングレギュレータのドライバ制御回路を内蔵しておけば、必要な電流駆動能力に応じたパワートランジスタを持つスイッチングレギュレータを自由に選べ、その反面、半導体集積回路に内蔵するのはロジック回路としてのドライバ制御回路だけであるから、それによるチップ占有面積の増大を比較的小さく抑えることができる。 If a driver control circuit for a switching regulator is built in, a switching regulator with a power transistor can be selected according to the required current drive capability. On the other hand, a driver control circuit as a logic circuit is built in a semiconductor integrated circuit. Therefore, the increase of the chip occupation area due to this can be suppressed relatively small.
〔7〕《基板バイアス制御回路》MOS(Metal Oxide Semiconductor)又はMIS(Metal Insulated Semiconductor)トランジスタなどのスイッチング素子の動作速度とサブスレッショルドリーク電流はその閾値電圧に依存する。動作周波数を向上する為には、閾値電圧を下げればよいが、閾値電圧をあまり低く設定すると、トランジスタのサブスレッショルド特性によってMOSトランジスタを完全にオフすることができなくなり、サブスレッショルドリーク電流が増大し、半導体集積回路の消費電力が非常に大きくなる。スイッチングトランジスタに順方向の基板バイアスを与えるようにすれば、閾値電圧が小さくなって、動作は一層高速化する。トランジスタに逆方向の基板バイアスを与えるようにすれば、閾値電圧が大きくなって、非導通時のサブスレッショルドリーク電流も少なくなり、低電力動作を促進する。 [7] << Substrate Bias Control Circuit >> The operating speed and subthreshold leakage current of a switching element such as a MOS (Metal Oxide Semiconductor) or MIS (Metal Insulated Semiconductor) transistor depend on the threshold voltage. In order to improve the operating frequency, the threshold voltage may be lowered. However, if the threshold voltage is set too low, the MOS transistor cannot be completely turned off due to the subthreshold characteristic of the transistor, and the subthreshold leakage current increases. The power consumption of the semiconductor integrated circuit becomes very large. If a forward substrate bias is applied to the switching transistor, the threshold voltage is reduced and the operation is further speeded up. If a reverse substrate bias is applied to the transistor, the threshold voltage increases and the subthreshold leakage current at the time of non-conduction decreases, which promotes low power operation.
基板バイアスとはスイッチングトランジスタの基板電位をソース電位と異なる電位にすることを意味する。nチャネル型MOSトランジスタの基板電位をソース電位よりも低く(逆方向バイアス状態)すれば閾値電圧はバイアスをかけない場合に比べて増加し、ソース電位よりも高く(順方向バイアス状態)すれば閾値電圧はバイアスをかけない場合に比べて減少する。pチャンネル型MOSトランジスタの基板電位をソース電位よりも高く(逆方向バイアス状態)すれば閾値電圧はバイアスをかけない場合に比べて増加し、ソース電位よりも低く(順方向バイアス状態)すれば閾値電圧はバイアスをかけない場合に比べて減少する。 The substrate bias means that the substrate potential of the switching transistor is different from the source potential. If the substrate potential of the n-channel MOS transistor is lower than the source potential (reverse bias state), the threshold voltage increases as compared with the case where no bias is applied, and if the substrate potential is higher than the source potential (forward bias state), the threshold value is increased. The voltage is reduced compared to when no bias is applied. If the substrate potential of the p-channel MOS transistor is set higher than the source potential (reverse bias state), the threshold voltage increases compared to the case where no bias is applied, and if the substrate potential is lower than the source potential (forward bias state), the threshold value is increased. The voltage is reduced compared to when no bias is applied.
前記レギュレータを有する半導体集積回路に、前記第1の電源電圧で動作する第2の内部回路として、前記第1の内部回路を構成するスイッチング素子の基板電位を制御する基板バイアス制御回路(71)を設け、この基板バイアス制御回路には、前記第1の電源電圧及び前記内部電源電圧を利用し、半導体集積回路の動作モードに応じて基板電位を制御させる。例えば、第1の内部回路のスタンバイ状態若しくはスリープ状態においてスイッチング素子に逆方向基板バイアス状態を与える。これにより、スタンバイ状態若しくはスリープ状態のように殆どの内部回路が実質的に動作しなくてもよいとき、スイッチングトランジスタの閾値電圧が大きくなってサブスレッショルドリーク電流が減少する。アクティブモードでは基板バイアスをかけなくてもよく、スイッチングトランジスタのソースと基板を同電位にしておけばよい。 A substrate bias control circuit (71) for controlling a substrate potential of a switching element constituting the first internal circuit is provided as a second internal circuit that operates at the first power supply voltage in the semiconductor integrated circuit having the regulator. The substrate bias control circuit uses the first power supply voltage and the internal power supply voltage to control the substrate potential according to the operation mode of the semiconductor integrated circuit. For example, the reverse substrate bias state is given to the switching element in the standby state or sleep state of the first internal circuit. As a result, when most of the internal circuits do not have to operate substantially as in the standby state or the sleep state, the threshold voltage of the switching transistor increases and the subthreshold leakage current decreases. In the active mode, it is not necessary to apply a substrate bias, and the source of the switching transistor and the substrate need only be at the same potential.
具体的な態様として、前記基板バイアス制御回路は、半導体集積回路のアクティブモードのような第1の動作モードに応じて第1の内部回路の基板電位を前記内部電源電圧及び接地電圧で規定し、半導体集積回路のスタンバイモードなどの第2の動作モードに応じて第1の内部回路の基板電位を前記第1の電源電圧及び前記接地電圧を降圧した回路の負電圧で規定する。 As a specific aspect, the substrate bias control circuit defines the substrate potential of the first internal circuit by the internal power supply voltage and the ground voltage according to a first operation mode such as an active mode of a semiconductor integrated circuit, The substrate potential of the first internal circuit is defined by the first power supply voltage and the negative voltage of the circuit obtained by stepping down the ground voltage in accordance with a second operation mode such as a standby mode of the semiconductor integrated circuit.
〔8〕《設計方法》前記レギュレータを有する半導体集積回路の設計では、前記バッファのレイアウトで決まる幅に大凡等しい幅で、前記レギュレータを、前記第1の電源電圧を受ける外部端子及び回路の接地電圧を受ける外部端子の近傍に配置するステップを含めばよい。このステップにおいて、前記第1の内部回路に必要な供給電流に応じてセルライブラリから選択したレギュレータを配置すれば、前記半導体集積回路の設計を比較的容易に行なうことが可能である。 [8] << Design Method >> In designing a semiconductor integrated circuit having the regulator, the regulator has a width approximately equal to the width determined by the layout of the buffer, and the regulator has an external terminal for receiving the first power supply voltage and a ground voltage of the circuit. It is sufficient to include a step of arranging in the vicinity of the external terminal receiving the signal. In this step, if a regulator selected from the cell library according to the supply current required for the first internal circuit is arranged, the semiconductor integrated circuit can be designed relatively easily.
〔9〕本発明の更に別の観点による半導体集積回路は、前記レギュレータをアンプ部とトランジスタ回路部とにより構成し、前記アンプ部を、外部端子に接続されるバッファ及び保護回路が形成される領域内に配置し、前記トランジスタ部を前記バッファ及び保護回路が形成される領域よりも内側の領域に配置する。例えば、半導体チップに、外部との接続に利用される端子が複数個配置される端子領域(1)と、前記端子に接続されるバッファ及び保護回路が配置され、且つ外部から所定の端子に供給される第1電源電圧をこれより低い少なくとも1種類の内部電源電圧に降圧する複数個のレギュレータの配置に利用される第1の回路領域(領域2の外側の部分領域)と、前記内部電源電圧を受けて動作する第1の内部回路が配置される第2の回路領域(3)と、前記第1の電源電圧を用いる第2の内部回路が配置される第3の回路領域(4)とを有し、前記前記アンプ部は前記第1の回路領域内に配置する。前記トランジスタ回路部は、前記第1の回路領域と前記第2の回路領域との間又は前記第1の回路御領域と前記第3の回路領域との間の領域(領域2の内側の部分領域)に配置する。これにより、前記レギュレータの配置に対する自由度を増すことができる。 [9] In a semiconductor integrated circuit according to still another aspect of the present invention, the regulator is composed of an amplifier section and a transistor circuit section, and the amplifier section is formed with a buffer connected to an external terminal and a protection circuit. The transistor portion is arranged in a region inside the region where the buffer and the protection circuit are formed. For example, a terminal area (1) in which a plurality of terminals used for connection to the outside are arranged on a semiconductor chip, and a buffer and a protection circuit connected to the terminals are arranged and supplied to predetermined terminals from the outside. A first circuit region (partial region outside region 2) used for arranging a plurality of regulators for stepping down the first power supply voltage to be at least one type of internal power supply voltage lower than the first power supply voltage, and the internal power supply voltage A second circuit region (3) in which a first internal circuit that operates in response to the second power supply voltage is disposed, and a third circuit region (4) in which a second internal circuit using the first power supply voltage is disposed. The amplifier unit is disposed in the first circuit region. The transistor circuit portion includes a region between the first circuit region and the second circuit region or a region between the first circuit control region and the third circuit region (a partial region inside the region 2). ). Thereby, the freedom degree with respect to arrangement | positioning of the said regulator can be increased.
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。 The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
すなわち、外部電源電圧よりも低い内部電源電圧で動作する内部回路を持つ半導体集積回路において、内部電源電圧を生成するレギュレータを、バッファ及び保護素子を配置するための領域、或いはバッファのレイアウトの幅で大凡決まる幅のバッファレイアウト領域を用いて配置することにより、降圧電源回路のオンチップ化による面積オーバヘッドを低減することができる。 In other words, in a semiconductor integrated circuit having an internal circuit that operates with an internal power supply voltage lower than the external power supply voltage, a regulator that generates the internal power supply voltage can be arranged within the area for arranging the buffer and the protection element, or the width of the buffer layout. By arranging the buffer layout region with a roughly determined width, it is possible to reduce the area overhead due to the on-chip implementation of the step-down power supply circuit.
さらに、降圧電圧を伝達するループ状の電源幹線を用い、電源幹線に外付け安定化容量を接続するための電極パッドを設け、動作モードに応じて降圧のための参照電位を切り換えたりレギュレータの活性・非活性化を制御したり、或いは外部電源電圧及び降圧電圧を利用して基板バイアス制御を行なうこと等により、低消費電力を更に促進することができる。 In addition, a loop-shaped power supply trunk that transmits the step-down voltage is used, and an electrode pad is provided for connecting an external stabilization capacitor to the power supply trunk. Low power consumption can be further promoted by controlling deactivation or performing substrate bias control using an external power supply voltage and a step-down voltage.
また、前記レギュレータを有する半導体集積回路の設計では、前記バッファのレイアウトで決まる幅に大凡等しい幅で、前記レギュレータを、前記第1の電源電圧を受けるパッド電極及び回路の接地電圧を受けるパッド電極の近傍に配置すればよく、このとき、前記第1の内部回路に必要な供給電流に応じてセルライブラリから選択したレギュレータを配置すれば、そのような半導体集積回路の設計も比較的容易に行なうことが可能になる。 In designing a semiconductor integrated circuit having the regulator, the regulator has a width approximately equal to a width determined by the layout of the buffer, and includes a pad electrode that receives the first power supply voltage and a pad electrode that receives the ground voltage of the circuit. In this case, if a regulator selected from the cell library according to the supply current required for the first internal circuit is arranged, such a semiconductor integrated circuit can be designed relatively easily. Is possible.
図1には本発明に係る半導体集積回路の第1の例が示される。半導体チップ10には、信号や電源などその外部との入出力に関係する複数個の外部端子例えばパッド電極20を配置するための第1の領域1が周回されている。第2の領域2は、前記第1の領域1に接しており、半導体チップ10の外部との間で信号又は電源を入出力するのに関係するバッファ及び保護素子を配置するための領域である。この第2の領域2は、入出力に関係するバッファ及び保護素子の大きさでほぼ規定される一定の幅でチップ上を周回している。第3の領域3は、半導体チップ10の間のインターフェースに用いられる外部電源電圧としての第1の電源電圧(単に外部電源電圧とも称する)Vextより低い内部電源電圧Vintで動作する内部回路を配置するための領域である。第4の領域4は、外部電源電圧Vextを利用する内部回路が配置される領域である。
FIG. 1 shows a first example of a semiconductor integrated circuit according to the present invention. In the
降圧電源回路のオンチップ化によるチップ占有面積のオーバーヘッドを低減するため、前記第2の領域2を利用して複数個のレギュレータ150〜157を配置する。ここで第2の領域2は、入出力に関係するバッファや保護素子が専ら配置される領域であり、前記第3の領域及び第4の領域と比べて、もともと隙間(空地)の多い領域である。この例では、前記複数のレギュレータ150〜157は、シリーズレギュレータであり、それらをシリーズレギュレータ150〜157とも称する。前記シリーズレギュレータ150〜157は、第4の領域4の参照電圧発生回路60で生成された参照電位を参照電圧配線L10を介して入力し、参照電位で規定される内部電圧を電源配線例えば電源幹線L20に出力する。参照電位配線L10は第2の領域2又はその境界付近に配置されていればよい。
In order to reduce the overhead of the chip occupation area due to the on-chip step-down power supply circuit, a plurality of
参照電圧配線L10は、配線上の1部分を切断した、開ループとなっている。これにより、参照電圧配線のアンテナ効果を抑制することができる。シリーズレギュレータ150〜157は、参照電圧発生回路60で規定される電圧をもとに、チップ外部から供給される電源電圧Vextを降圧し、内部電源電圧Vintを生成する。内部電源電圧Vintは、第2の領域2又はその境界付近を周回する電源幹線L20により、第3の領域3内の内部回路に供給される。シリーズレギュレータ150〜157は、第4の領域4内に配置された制御回路70から供給される制御信号S1により、活性・非活性の選択が行なわれる。図1では電極パッドに対する外部電源電圧Vext及び回路の接地電圧Vssの供給経路は代表的に一つ示されている。
The reference voltage wiring L10 is an open loop in which one part on the wiring is cut. Thereby, the antenna effect of a reference voltage wiring can be suppressed. The
図1の例では、前記電源幹線L20上において前記レギュレータの150〜157出力結合点の間の寄生抵抗が相互に大凡等しくなるようにしてある。例えば、前記電源幹線L20上において前記レギュレータ150〜157の出力結合点の間の距離が相互に大凡等しくされている。これにより、前記電源幹線L20上で内部電源電圧は更にレベルが均一化する。
In the example of FIG. 1, parasitic resistances between 150 to 157 output coupling points of the regulator on the power supply trunk line L20 are made approximately equal to each other. For example, the distance between the output coupling points of the
図2には前記シリーズレギュレータ150の一例が示される。他のシリーズレギュレータ151〜157も同じ回路構成を有する。シリーズレギュレータ150は、図2の(A)、(B)に例示されるように差動増幅器41と、ドライバMOSトランジスタ40から成る。ドライバMOSトランジスタ40は、(A)ではソースが外部電源電圧Vextに接続され、ドレインが電源幹線L20に接続されたpチャネル型MOSトランジスタで構成され、(B)ではドレインが外部電源電圧Vextに接続され、ソースが電源幹線L20に接続されたnチャネル型MOSトランジスタで構成される。(A)、(B)において差動増幅器41は非反転入力端子A2、反転入力端子A1、及び出力端子G1を有し、非反転入力端子は電源幹線L20に、反転入力端子は参照電圧配線L10に、出力端子はドライバMOSトランジスタのゲートに接続される。差動増幅器41は信号S1で活性・非活性化制御される。差動増幅器41が非活性化されるとき、出力端子G1は、(A)の場合にはハイレベル(“1”)に、(B)の場合にはローレベル(“0”)にリセットされ、ドライバMOSトランジスタ40をカットオフする。
FIG. 2 shows an example of the
図3には前記差動増幅器が例示される。同図(A)に例示される差動増幅器41は図2の(A)の回路構成に対応される。図3の(A)に従えば、前記差動増幅器41は、nチャネル型の差動入力MOSトランジスタT6,T5にpチャンネル型MOSトランジスタT3,T4から成るカレントミラー負荷が接続される。MOSトランジスタT5,T6のコモンソースには定電流源を構成するnチャネル型のパワースイッチMOSトランジスタT8が接続され、信号S1でスイッチ制御される。MOSトランジスタT3とT6のコモンドレインには前記信号S1でスイッチ制御されるpチャネル型のプルアップMOSトランジスタT9のソースが結合され、このソースが前記出力端子G1とされる。この差動増幅器は41は、信号S1のハイレベルによって活性化され、信号S1のローレベルによって非活性にされ、非活性状態においてドライバMOSトランジスタ40をカットオフする。特に図示はしないが、図2の(B)に対応する差動増幅器41は、図3の(A)に対し、プルアップMOSトランジスタに代わりに、信号S1に反転信号でスイッチ制御されるプルダウンMOSトランジスタを有する点が相違する。
FIG. 3 illustrates the differential amplifier. The
図3の(A)では差動入力MOSトランジスタT6,T5はエンハンスメント型である。差動増幅器41の別の例を示す(B)において、反転入力端子A1を構成するにMOSトランジスタT7にはデプレッション型を採用する。エンハンスメント型のMOSトランジスタT6を使用する場合は、参照電圧発生回路60で規定される電圧を入力端子A1に印加する必要があるが、デプレッション型のMOSトランジスタT7を使用する場合は、簡略的に入力端子A1を接地電位Vssに接続するだけでも出力端子G1に所望のレベルを得ることができ、参照電圧発生回路60を設けなくても済む。但し、その場合には端子G1の出力電圧を正確に制御すること、換言すれば、ドライバMOSトランジスタ40のコンダクタンス制御、即ち、内部電源電圧Vintを正確に制御する能力は劣る。
In FIG. 3A, the differential input MOS transistors T6 and T5 are of the enhancement type. In (B) showing another example of the
図4にはシリーズレギュレータ150の詳細な配置例が示される。特に図示はしないが他のシリーズレギュレータ152〜157も同様である。第2の領域2内の電源パッド20Aの近傍は、入出力に関係するバッファ30及び31を配置する必要がなくレイアウト面積の小さい保護素子32しか配置されていないため、空き領域とすることが可能である。この点に着目して、複数個の電源パッド20Aを半導体チップ10の4辺の数箇所に一括して配置し、それによって確保できる空き領域を利用してシリーズレギュレータ150を配置する。ここで、前記電源パッド20Aは、外部電源電圧Vextの入力パッド電極、回路の接地電圧Vssのパッド電極を含んでいる。20Bで示されるパッド電極は信号などのその他のパッド電極を表している。
FIG. 4 shows a detailed arrangement example of the
このレイアウトにより、シリーズレギュレータ150を設けても、それによってチップ面積を大きくする必要はない。要するに、シリーズレギュレータを追加することに対して面積のオーバーヘッドを低減することが可能である。シリーズレギュレータ150は、その近傍の電源パッド20Aを使用するため、シリーズレギュレータ150と電源パッド20Aとの間の配線抵抗及び寄生容量により外部電源電圧Vextが不所望に電圧低下することも抑えられる。
With this layout, even if the
図5にはシリーズレギュレータ150の別の配置例が示される。例えば、半導体チップ10の4隅の近傍にパッド電極が配置されない場合、半導体チップ10の4隅に位置する第2の領域2上に空き領域が存在することになる。ここにシリーズレギュレータ150を配置する。シリーズレギュレータ150が使用する電源パッド20Aは、半導体チップ10の4隅で交差する2つの辺の両側において、シリーズレギュレータ150近傍のパッド電極を電源パッド20Aとして割り当てる。この配置方法を採用することにより、電源パッド20A近傍の空き領域だけでなく、半導体チップ10の4隅の近傍でパッド電極を配置しないことにより生ずる空き領域もシリーズレギュレータ150の配置に利用することができる。なお、他のシリーズレギュレータ152〜157に関して、いくつかのシリーズレギュレータについては図5と同様のレイアウトを採用し、残りを図4の形態でレイアウトすることができる。
FIG. 5 shows another arrangement example of the
図6にはシリーズレギュレータ150の更に別の配置例が示される。半導体チップ10の4隅の近傍にパッド電極が配置されない場合に、半導体チップ10の4隅における第2の領域2で確保可能な空き領域にシリーズレギュレータ150を配置し、シリーズレギュレータ150が使用する電源パッド20Aを、半導体チップ10の4隅で交差する2つの辺のどちらか一方のパッド電極に割当てる。
FIG. 6 shows still another arrangement example of the
図7には参照電圧配線L10のレイアウトが例示される。参照電圧配線L10は、第2の領域2又はその境界付近に置かれている。参照電圧配線L10に並行して両側に、換言すれば同一配線層に、接地電位Vssに接続されたシールド配線L30を設ける。参照電圧配線L10は、内部電源電圧Vintの基準となる電圧を伝達しているため、クロストークノイズ等の影響を低減する必要があり、シールド配線L30は、このノイズ低減に効果がある。
FIG. 7 illustrates a layout of the reference voltage wiring L10. The reference voltage line L10 is placed near the
図8には参照電圧配線L10近傍の断面構造を例示する。図7の例では参照電圧配線L10に沿って、両側にシールド配線L30を配置したが、更にノイズ低減効果を高めるには、参照電圧配線L10の上側の上層配線層を利用してシールド配線L31を設け、下側の基板SUB内にシールド領域としてのウェルWELLを形成する。シールド配線L31とウェルWELLはシールド配線L30と同様に接地電位接地電位Vssに導通させる。特に図示はしないが、参照電圧配線L10が第2層目以上の金属配線層に形成されている場合は前記ウェルWELLに代えて下層配線層に形成したシールド配線を利用してよい。尚、INSは層間絶縁層を意味する。 FIG. 8 illustrates a cross-sectional structure near the reference voltage wiring L10. In the example of FIG. 7, the shield lines L30 are arranged on both sides along the reference voltage line L10. However, in order to further improve the noise reduction effect, the shield line L31 is formed using the upper layer wiring layer above the reference voltage line L10. A well WELL as a shield region is formed in the lower substrate SUB. The shield wiring L31 and the well WELL are made conductive to the ground potential Vss similarly to the shield wiring L30. Although not particularly illustrated, when the reference voltage wiring L10 is formed in the second or higher metal wiring layer, a shield wiring formed in the lower wiring layer may be used instead of the well WELL. Note that INS means an interlayer insulating layer.
図9には第2の領域2におけるシリーズレギュレータと配線との接続状態の詳細が例示される。図10乃至図13には図9の各部の回路構成が夫々例示される。
FIG. 9 illustrates details of the connection state between the series regulator and the wiring in the
レギュレータ150に接続する電源パッド20Aは、図10より明らかのように、外部電源電圧Vextの入力端子20A−1、回路の接地電圧Vssの入力端子20A−3、及び電源幹線L20の接続端子20A−2としての機能が割当てられる。前記接続端子20A−2は例えば安定化容量を外付けで接続するのに利用することができる。このような接続端子20A−2はシリーズレギュレータ毎に設ける必要はなく、半導体集積回路に1個設けるだけでもよい。
As is clear from FIG. 10, the
夫々の電源パッド20Aには保護素子32aが結合される。前記保護素子32aは、特に制限されないが、図11に例示されるように、ゲートが接地電位Vssに接続された高耐圧のnチャネル型MOSトランジスタと、ゲートが外部電源電位Vextに接続された高耐圧のpチャネル型MOSトランジスタとによって構成され、これらのMOSトランジスタは通常動作時は逆方向接続状態、パッド電極20Aに過大な負電圧サージが印加されたときは前記nチャンネル型高耐圧MOSトランジスタが順方向接続状態になってサージを接地電位Vssに逃がし、パッド電極20Aに過大な正電圧サージが印加されたときは前記pチャンネル型高耐圧MOSトランジスタが順方向接続状態になってサージを外部電源電圧Vextに逃がす。
A
信号出力用のパッド電極20Bb、信号入力用のパッド電極20Baにも、図12及び図13に例示されるようにダイオード接続されたpチャンネル型高耐圧MOSトランジスタ及びnチャンネル型高耐圧MOSトランジスタから成る保護素子32bが設けられている。
The signal output pad electrode 20Bb and the signal input pad electrode 20Ba are also composed of a diode-connected p-channel high-voltage MOS transistor and n-channel high-voltage MOS transistor as illustrated in FIGS. A
特に図示はしないが、第2の領域2には外部電源電圧Vextの電源幹線及び接地電位の電源幹線が設けられており、第2の領域に配置された入力バッファ31及び出力バッファ30等に動作電源が供給されるようになっている。
Although not particularly shown, the
図13に例示されるように、外部電源電圧Vextで動作する回路と内部電源電圧Vintで動作する回路との間で信号の受け渡しを行なうとき、前者から後者への信号入力はそのまま行なえばよい。図13の例に従えば、第3の領域3において内部電源電圧Vintを動作電源とするゲート回路G1は、入力バッファ31の出力をそのまま受けて動作することができる。
As illustrated in FIG. 13, when signals are transferred between a circuit that operates at the external power supply voltage Vext and a circuit that operates at the internal power supply voltage Vint, signal input from the former to the latter may be performed as it is. According to the example of FIG. 13, the gate circuit G1 using the internal power supply voltage Vint as the operation power supply in the
一方、内部電源電圧Vintで動作する回路から外部電源電圧Vextで動作する回路に信号を与えるとき、後者の回路は動作電源よりも振幅の小さな信号を入力することになり、例えばCMOS入力回路において入力信号の論理レベルが中間レベルになって不所望な貫通電流を生じたりする虞がある。そのような虞を未然に防止するには、図12に例示されるように、前記第3の領域3で内部電源電圧Vintを動作電源とするゲートG2から出力される信号を、外部電源電圧Vextで規定される信号振幅に変換して出力するレベル変換回路G3を第4の領域4に形成する。図12の例ではレベル変換回路G3の出力は第2の領域2の出力バッファ30に与えられる。
On the other hand, when a signal is supplied from a circuit operating at the internal power supply voltage Vint to a circuit operating at the external power supply voltage Vext, the latter circuit inputs a signal having a smaller amplitude than that of the operating power supply. There is a possibility that the logic level of the signal becomes an intermediate level and an undesirable through current is generated. In order to prevent such a risk, as illustrated in FIG. 12, the signal output from the gate G2 having the internal power supply voltage Vint as the operation power supply in the
図14には前記レベル変換回路G3の一例が示される。同図に示されるレベル変換回路G3は、第3の領域3のゲートG2から相補信号を受けるnチャネル型の差動入力MOSトランジスタT10,T11を有し、当該トランジスタT10,T11のドレインに、相互に一方のゲートが他方のドレインに交差結合されたpチャンネル型の負荷MOSトランジスタT12,T13のドレインを接続し、MOSトランジスタT11とT13のコモンドレインをインバータINVで増幅して出力する様に構成される。尚、第4領域4のゲートG4の出力は第3領域3のゲートG5で直接受けてよい。
FIG. 14 shows an example of the level conversion circuit G3. The level conversion circuit G3 shown in the figure has n-channel differential input MOS transistors T10 and T11 that receive complementary signals from the gate G2 of the
図15には本発明に係る半導体集積回路の別の例を示す。同図に示される半導体集積回路にはシリーズレギュレータ150〜157として図3の(B)で説明した差動増幅器を備えた構成を採用する。これにより、第4の領域4には参照電圧発生回路60を設ける必要がない。
FIG. 15 shows another example of a semiconductor integrated circuit according to the present invention. The semiconductor integrated circuit shown in the figure employs a configuration including the differential amplifier described in FIG. 3B as the
図16には本発明に係る半導体集積回路の更に別の例を示す。同図において制御回路70は夫々のシリーズレギュレータ150〜157を別々に活性・非活性化制御できるように、個別の活性・非活性化制御信号S10〜S17を出力する。制御回路70は、内部回路に必要な供給電流に応じて、必要な数のシリーズレギュレータを活性化させる。供給電流に応じて必要な数のシリーズレギュレータのみを活性化することで、無駄な電力の供給を断つことができる。そのような制御は、例えば半導体集積回路の外部端子からのモード設定に応じて制御回路70で行なうことができる。その他の構成は図1と同様であるのでその詳細な説明は省略する。
FIG. 16 shows still another example of the semiconductor integrated circuit according to the present invention. In the figure, the
図17には本発明に係る半導体集積回路の更に別の例を示す。同図に示される半導体集積回路は、半導体チップ10上に、同等の電流駆動能力を持つ複数のシリーズレギュレータ150〜156と、それらの電流駆動能力より小さい電流駆動能力を持つシリーズレギュレータ158とを有する。制御信号S2は同等の駆動能力をもつ複数のシリーズレギュレータ150〜156をまとめて活性・非活性化制御する。一方、駆動能力の小さいシリーズレギュレータ158は、制御信号S3により、活性・非活性化制御される。制御回路70は、大きな電流駆動能力が必要な場合は、電流駆動能力の大きな複数のシリーズレギュレータ150〜156のみ、またはそれらのシリーズレギュレータ150〜156に加えて、電流駆動能力の小さいシリーズレギュレータ158を活性化する。また、少ない電流駆動能力で良い時は、電流駆動能力の小さいシリーズレギュレータ158のみを活性化する。これにより、例えば半導体集積回路の外部端子の状態に応答して設定されるスタンバイ時には、シリーズレギュレータ158を活性化し、その他のシリーズレギュレータ150〜156を非活性にして、無駄な電力消費を低減することができる。
FIG. 17 shows still another example of the semiconductor integrated circuit according to the present invention. The semiconductor integrated circuit shown in the figure has a plurality of
図18には本発明に係る半導体集積回路の更に別の例を示す。図18の例では半導体チップ10には、第3の領域3に配置される内部回路に供給されるいくつかの異なる内部電源電圧が存在している。仮に、その内部電源電圧をVintA、VintBとすると、これらの電圧を生成するシリーズレギュレータをグループA、Bに分けることができる。例えば、内部電源電圧VintAを生成するグループAのシリーズレギュレータ150A、152A、154A、156Aは夫々同等の電流駆動能力を持っている。一方、内部電源電圧VintBを生成するグループBのシリーズレギュレータ151B、153B、155B、157Bは夫々グループAのシリーズレギュレータと同等又は異なる電流駆動能力を持っている。グループAのシリーズレギュレータ150A、152A、154A、156Aは、参照電圧配線L10Aと電源幹線L20Aを使用し、グループBのシリーズレギュレータ151B、153B、155B、157Bは、参照電圧配線L10Bと電源幹線L20Bを使用する。シリーズレギュレータの活性・非活性化制御は、グループ毎に一括して行なう。例えば、グループAのシリーズレギュレータ150A、152A、154A、156Aは、制御信号S18に制御され、グループBのシリーズレギュレータ151B、153B、155B、157Bは制御信号S19により活性・非活性化が制御される。これにより、半導体チップ10の中にいくつかの異なる内部電源電圧で動作する内部回路を混在させて使用することが可能となる。そのほかの構成は図1と同様であるのでその詳細な説明は省略する。
FIG. 18 shows still another example of the semiconductor integrated circuit according to the present invention. In the example of FIG. 18, the
図19には本発明に係る半導体集積回路の更に別の例を示す。同図に示される半導体集積回路において、電源幹線L20は、第1の領域1内のパッド電極20のどれか一つのパッド電極20A−2を介し、半導体チップ10に外付けされた1個の安定化容量C10に接続する。これにより、電源幹線L20上の内部電源電圧Vintの変動や低下を抑制する。その他の構成は図1と同じであるからその詳細な説明は省略する。
FIG. 19 shows still another example of the semiconductor integrated circuit according to the present invention. In the semiconductor integrated circuit shown in the figure, the power supply trunk line L20 is one stable externally attached to the
図20には本発明に係る半導体集積回路の更に別の例を示す。同図に示される半導体集積回路において、電源幹線L20は、第1の領域1内のパッド電極20の内の複数個、例えば2個のパッド電極20A−2a,20A−2bを介して半導体チップ外部の安定化容量C10a,C10bに接続される。これにより、内部電源電圧Vintを更に安定化させることも可能になる。
FIG. 20 shows still another example of the semiconductor integrated circuit according to the present invention. In the semiconductor integrated circuit shown in the figure, the power supply trunk line L20 is connected to the outside of the semiconductor chip via a plurality of, for example, two
図21には本発明に係る半導体集積回路の更に別の例を示す。同図に示される半導体集積回路は、半導体チップ10の内部だけでなく、外部にも内部電源電圧Vint用の電源幹線L21を周回可能になっている。即ち、電源幹線L20は、第1の領域1に配置されたパッド電極20の内の複数個、例えば4個20A−2a,20A−2b,20A−2c,20A−2dを介して電源幹線L21と接続されている。電源幹線L21には、少なくとも1つの安定化容量C10を接続する。前記電源幹線L21は半導体集積回路のパッケージ内部に形成し、或いは半導体集積回路が実装される実装基板上に形成される。これによって、内部電源電圧Vintを更に安定化させることも可能になる。
FIG. 21 shows still another example of the semiconductor integrated circuit according to the present invention. The semiconductor integrated circuit shown in the figure can circulate the power supply trunk line L21 for the internal power supply voltage Vint not only inside the
図22には本発明に係る半導体集積回路の更に別の例を示す。同図に示される半導体集積回路は、図1の構成に対して、第4の領域4に自己消費電流の少ないサブシリーズレギュレータ80及び第3の領域3のための基板バイアス制御回路71を追加した点が相違される。サブシリーズレギュレータ80の電圧出力端子は前記電源幹線L20に結合される。基板バイアス制御回路71はpチャネル型MOSトランジスタの基板電圧Vbp、nチャネル型MOSトランジスタの基板電圧Vbnを出力する。第3の領域以外の領域の基板電圧は、特に制限されないが、pチャネル型MOSトランジスタは電源電圧、nチャンネル型MOSトランジスタは回路の接地電圧にされ、特に基板バイアスされていない。
FIG. 22 shows still another example of the semiconductor integrated circuit according to the present invention. In the semiconductor integrated circuit shown in the figure, a
図22の半導体集積回路の動作モードとして、特に制限されないが、第3の領域3に配置される内部回路の動作を考慮して、図23に例示されるように、アクティブモード、スタンバイモード、データ保持モード(スリープモード)、シャットダウンの4状態を考える。
The operation mode of the semiconductor integrated circuit of FIG. 22 is not particularly limited, but considering the operation of the internal circuit arranged in the
前記アクティブモードは半導体集積回路を最大限の能力で動作可能にする動作モードである。アクティブモード時には、参照電圧発生回路60及び複数のシリーズレギュレータ150〜157を活性化し、小型シリーズレギュレータ80と基板バイアス制御回路71による基板バイアス制御を非活性にしておく。例えばこの状態において第3の領域のpチャネル型MOSトランジスタの基板電位は内部電源電圧Vintにされ、nチャンネル型MOSトランジスタの基板電位は回路の接地電圧Vssにされる。
The active mode is an operation mode that enables the semiconductor integrated circuit to operate with the maximum capability. In the active mode, the reference
スタンバイモードは低消費電力モードであり、割り込みの受付など必要最小限の要求に対して応答できる動作モードである。スタンバイモード時は、参照電圧発生回路60及びサブシリーズレギュレータ80は活性化され、複数のシリーズレギュレータ150〜157は非活性にされる。このシリーズレギュレータの切り替えによりシリーズレギュレータの自己消費電流が低減される。更に、基板バイアス制御回路71による基板バイアス制御が活性化され、第3の領域3の内部回路の基板電位Vbp,Vbnとして基板バイアス電圧が与えられる。ここでは低消費電力を目的とする基板バイアス制御を行なおうとするものであり、MOSトランジスタの閾値電圧が大きくなるように、逆方向の基板バイアスを与えるようにされる。例えば、pチンネル型MOSトランジスタの基板電圧Vbpとして外部電源電圧Vextを与え、nチャネル型MOSトランジスタの基板電圧Vbnとして回路の接地電位Vssに対する負電位を与える。負電位の生成は例えば基板バイアス制御回路71内のチャージポンプ回路で行なう。これにより、スタンバイモードにおいて、第3の領域3の内部回路におけるサブスレッショルドリーク電流を低減することができる。
The standby mode is a low power consumption mode, and is an operation mode that can respond to a minimum required request such as acceptance of an interrupt. In the standby mode, the reference
データ保持モードは半導体集積回路の内部状態をスタティックに保持させる動作である。このデータ保持モード時には、スタンバイ時に行ったシリーズレギュレータの切り替えと基板バイアス制御に加え、内部電源電圧Vintのレベルを下げることにより、サブスレッショルドリーク電流を更に低減することができる。 The data holding mode is an operation for statically holding the internal state of the semiconductor integrated circuit. In this data retention mode, the subthreshold leakage current can be further reduced by lowering the level of the internal power supply voltage Vint in addition to the switching of the series regulator and the substrate bias control performed during standby.
図24にはアクティブモードからスタンバイモードを経てデータ保持モードに至るときに利用される基板電圧Vbp、Vbn及び内部電源電圧Vintの状態が示される。第3の領域3に含まれる回路として例えばCMOSインバータ等の回路において、pチャネル型MOSトランジスタの基板電圧Vbp、nチャンネル型MOSトランジスタの基板電圧Vbn、及び内部電源電圧Vintを図24のように変化させる。アクティブ時には基板電圧Vbpを内部電圧Vintとし、基板電圧Vbnを回路の接地電圧Vssとすることにより、MOSトランジスタに基板バイアスをかけない。スタンバイ時は基板電圧Vbpを外部電圧Vextとし、基板電圧Vbnを−1.5Vのような負電圧とする。データ保持時は内部電源電圧Vintを下げ、これに応答してnチャンネル型MOSトランジスタの基板電圧も−2.3Vのような負電圧に変更する。半導体集積回路の動作モード若しくは動作状態に応じた基板電圧制御において、正側の逆バイアス用基板電圧には外部電源電圧Vextをそのまま流用し、負側の逆バイアス用基板電圧だけをチャージポンプ回路で生成すればよい。要するに、基板バイアス制御のために専用の電圧を半導体集積回路の外部から入力する必要はない。
FIG. 24 shows the states of the substrate voltages Vbp and Vbn and the internal power supply voltage Vint that are used when the active mode, the standby mode, and the data holding mode are reached. As a circuit included in the
負の基板電圧は図25のチャージポンプ回路で生成することができる。このチャージポンプ回路は、リングオシレータ72を動作させることにより、MOS容量T20、T21のゲートに逆位相のクロック信号が供給され、これに同期するpチャネル型MOSトランジスタT22〜T25のチャージポンプ作用によってトランジスタT22とT23の結合点に負電圧を得ることができる。この時の負電圧は、−Vint+Vth1+Vth2(Vth1:T22の閾値電圧、Vth2:T23の閾値電圧)まで下げることができる。複数種類の負電圧が必要なときは負電圧が目的電圧になるようにリングオシレータの発振動作若しくは発振周波数を負帰還制御すればよい。これにより、図24に例示されるスタンバイ時における−1.5Vの基板バイアス電圧Vbnと、データ保持時における−2.3Vの基板バイアス電圧Vbnを得ることができる。
The negative substrate voltage can be generated by the charge pump circuit of FIG. In this charge pump circuit, by operating the
シャットダウン時は、参照電圧発生回路60、シリーズレギュレータ150〜157、サブシリーズレギュレータ80、及び基板バイアス制御回路71を非活性とする。シリーズレギュレータ150〜157の活性・非活性の選択は制御信号S1により行い、小型シリーズレギュレータ80の活性・非活性の選択は制御信号S4を使用、基板バイアス制御回路71の活性・非活性化制御は制御信号S8により行なう。
At the time of shutdown, the reference
図26には本発明に係る半導体集積回路の更に別の例を示す。同図に示される半導体集積回路は、半導体チップ10の第4の領域4にスイッチングレギュレータのドライバ制御回路90を配置した点が図1と相違される。前記ドライバ制御回路90は、半導体チップ10の外部にある外付け部品、例えばパワーMOSトランジスタから成るドライバMOSトランジスタPM1及びPM2のゲートを駆動することにより、外部電源電圧Vextから方形波を生成し、それを、外付け部品、例えばインダクタンスL1、容量C1、及びショットキーダイオードD1から成るローパスフィルタを介して、第3の領域3に配置された内部回路に供給する内部電源電圧Vintを生成する。スイッチングレギュレータのドライバ制御回路90のみオンチップ化し、オンチップ化したとすれば大きなレイアウト面積を占めることになるドライバMOSトランジスタ等を外付け部品とすることで、シリーズレギュレータ150〜157を内蔵しながらスイッチングレギュレータの使用も簡単に選択できるにもかかわらず、大きな面積オーバーヘッドとならない。更に、ドライバMOSトランジスタをオンチップ化した場合、内部回路に供給する電流に応じて3つの電源Vext、Vint、及びVssのパッド電極を一組として増加させていかなくてはならないため、多数の電源パッドが必要になるが、ドライバMOSトランジスタを外付け部品で構成することでその問題が回避される。電極パッド20B−1,20B−2はドライバMOSトランジスタのスイッチング制御信号GS1,GS2の出力用パッド電極、電極パッド20B−3は外部のスイッチングレギュレータで生成される内部電圧Vintを入力する電源パッドである。
FIG. 26 shows still another example of the semiconductor integrated circuit according to the present invention. The semiconductor integrated circuit shown in the figure is different from FIG. 1 in that a switching regulator
なお、シリーズレギュレータ150〜157とドライバ制御回路90の活性化制御は、制御回路70が制御信号S1及びS5を用いて行うが、この半導体集積回路の使用時には、一般にどちらか一方のレギュレータしか使用しないため、制御信号S1、S5の何れか一方は非活性化レベルに固定されてよい。そのような非活性化制御手段として、制御回路70内の電気ヒューズプログラム回路、レーザヒューズプログラム回路、或いは不揮発性メモリセルを用いたフラッシュメモリヒューズを用いてよい。
The activation control of the
図27には本発明に係る半導体集積回路の更に別の例を示す。同図に示される半導体集積回路は、図22と図26の構成を組み合わせた例である。半導体チップ10は、スタンバイ時に使用するサブシリーズレギュレータ80、基板バイアス制御回路71、及びスイッチングレギュレータのドライバ制御回路90を有する。ここでは、第3の領域3の具体例として、CPU120、レジスタ130、不揮発性メモリ135、及びその他周辺回路140が図示されている。不揮発性メモリ135には電気ヒューズ或いはフラッシュメモリ等が使用される。S50は周辺回路140とCPU120が入出力する信号を例示し、S51はレジスタ130が出力する信号を意味し、S52は不揮発性メモリ135が出力する信号を意味し、S20はCPUが制御回路70に出力する信号を示す。L50は基板バイアス制御回路71が出力する基板電圧Vbn,Vbpの供給配線を総称する。
FIG. 27 shows still another example of the semiconductor integrated circuit according to the present invention. The semiconductor integrated circuit shown in the figure is an example in which the configurations of FIGS. 22 and 26 are combined. The
図27の例ではスイッチングレギュレータの利用が選択され、内蔵シリーズレギュレータ150〜157,80の利用は選択されていない。シリーズレギュレータ150〜157,80を利用する場合は、電極パッド20B−1,20B−2へのパワーMOSトランジスタPM1,PM2の接続を止め、代わりに、電極パッド20A−2aに安定化容量C10を接続すればよい。
In the example of FIG. 27, the use of the switching regulator is selected, and the use of the built-in
図28には図27の構成を回路接続と電源接続を主体に示してある。前記参照電圧発生回路60は基準電圧発生回路100と参照電圧用バッファ110とに分けて図示しある。電圧用外部電源電圧Vextで動作する回路は、制御回路70、基板バイアス制御回路71、基準電圧発生回路100、参照電圧発生回路110、スタンバイ時用のサブシリーズレギュレータ80、シリーズレギュレータ150〜157、入出力用バッファ30,31、保護素子32、及びスイッチングレギュレータのドライバ制御回路90である。一方、内部電源電圧Vintで動作する回路は、CPU120、レジスタ130、不揮発性メモリ135、及びその他周辺回路140である。
FIG. 28 shows the configuration of FIG. 27 mainly for circuit connection and power supply connection. The reference
制御信号S1はシリーズレギュレータ150〜157の活性・非活性化を制御する信号である。制御信号S4はスタンバイ時用のサブシリーズレギュレータ80の活性・非活性化を制御する信号である。制御信号S5はスイッチングレギュレータのドライバ制御回路90の活性・非活性化を選択するための信号である。制御信号S6は基準電圧発生回路100の活性・非活性化を制御するための信号である。制御信号S7は参照電圧用バッファ110の活性・非活性化を制御するための信号である。制御信号S8は基板バイアス制御回路71の活性・非活性化を制御するための信号である。制御信号S20はCPU120が制御回路70を制御する信号である。制御信号S22は参照電圧用バッファ110の出力電圧のレベルを切り替えるための信号である。制御信号S21は基準電圧発生回路100の出力電圧のレベルを切り替えるための信号である。S53はCPU120とバッファ30,31との間の入出力信号を意味する。
The control signal S1 is a signal for controlling activation / deactivation of the
図29には基準電圧発生回路100及びそのトリミング情報を設定する回路の一例が示される。図29の基準電圧発生回路100はバンドギャップレファレンス回路を使用した例である。この回路はVbeの異なるバイポーラトランジスタB2,B3を利用し、その差を電流と抵抗R14で補償するようにして、MOSトランジスタT38,T39、抵抗R10,R11,R12、及びバイポーラトランジスタB1の電流経路に所定の電流を流し、基準電圧を形成する。MOSトランジスタT36,T37、MOSトランジスタT40,T41、MOSトランジスタT42,T43の夫々のペアはカレントミラー負荷を構成する。この基準電圧発生回路100において、プロセスばらつきの影響をキャンセルする、即ちトリミング可能にするために、CMOSトランスファゲートSW0〜SW2によって基準電圧を選択可能になっている。その選択制御は制御回路70が選択信号S21a,S21b,S21cを用いて行なうことができる。選択のためのトリミング情報は不揮発性メモリ135が保有し、例えばリセット処理の一環で不揮発性メモリ135からそのトリミング情報が信号S52によってレジスタ130にロードされ、レジスタ130の出力が信号S51によって制御回路70に与えられてトリミングが行なわれるようになっている。
FIG. 29 shows an example of the reference
トリミングの動作を更に詳述する。例えば、出力電圧を設定する前は、制御信号S21bにより、スイッチSW1のみがオン状態になっており、出力電圧は電圧V1に等しくされる。この出力電圧V1は、配線L40を介して、参照電圧用バッファ110に伝達される。基準電圧発生回路100が正常動作を行うとき、温度依存性がもっとも少なくなる電圧は理論的に規定されるので、この電圧を基準として考えると、もし、製造ばらつき等の理由で、電圧V1のレベルがこの基準電圧よりも高くなっている場合、チップ外部から制御信号を制御回路70に与えると、制御信号S21cにより、スイッチSW2のみをオン状態にし、出力電圧のレベルを電圧V1よりも低い電圧V2に切り替える。また、製造ばらつき等の理由で、電圧V1のレベルがこの基準電圧よりも低くなっている場合、同様に、チップ外部から制御信号を制御回路70に与え、制御信号S21aにより、スイッチSW0だけをオン状態にし、出力電圧のレベルを電圧V1よりも高い電圧V0に切り替える。次に、この出力電圧の製造ばらつき等によるズレを補正した設定値を不揮発性メモリ135に保持させ、次回の電源投入時からは、そのデータを不揮発性メモリ135からレジスタ130に読み込ませ、その値に従ってスイッチSW0〜SW2の内から一つを選択させることが可能になる。
The trimming operation will be described in further detail. For example, before setting the output voltage, only the switch SW1 is turned on by the control signal S21b, and the output voltage is made equal to the voltage V1. The output voltage V1 is transmitted to the
図30には参照電圧用バッファ110を用いて第3の領域3に配置される内部回路の動作周波数に応じて内部電源電圧Vintを切り替える為の構成が例示される。
FIG. 30 illustrates a configuration for switching the internal power supply voltage Vint according to the operating frequency of the internal circuit arranged in the
参照電圧用バッファ110は、pチャネル型MOSトランジスタT44及び抵抗R20〜R24の直列回路から成る分圧回路と差動増幅器AMPを有し、差動増幅器AMPは基準電圧発生回路100の出力電圧に対する分圧回路のノードV12の電圧の差分に応ずる増幅動作を行なってMOSトランジスタT44のコンダクタンスを制御する。分圧回路のノードV10,V11,V12の電圧はスイッチSW10,SW11,SW12で一つが選択されて信号線L10−aに出力され、ノードV12,V13,V14の電圧はスイッチSW20,SW21,SW22で一つが選択されて信号線L10−bに出力される。スイッチSW10〜SW12、SW20〜SW22の選択制御信号はS22a〜S22fとされ、CPU120の指示に従って制御回路70から出力される。この例では、参照電位配線L10は、前記L10−a,L10−bの2系統に分けられている。
The
参照電圧発生回路60の出力電圧は、シリーズレギュレータ150〜157、自己消費電流の少ないサブシリーズレギュレータ80等のシリーズレギュレータの基準になる電圧だけでなく、スイッチングレギュレータのドライバ制御回路90のための基準になる電圧としても使用される。特に制限されないが、前者が信号線L10−aの電圧であり、後者が信号線L10−bの電圧である。それら信号線L10−a、L10−bの電圧が変更されると、その電圧レベルに応じて、上記シリーズレギュレータやスイッチングレギュレータによる出力電圧も変化される。
The output voltage of the reference
例えば、参照用電圧バッファ110による電圧可変制御前は、制御信号S22bによりスイッチSW11がオン状態にされ、配線L10−a上の出力電圧レベルは電圧V11と等しい。一方、配線L10−b上の出力電圧レベルは、制御信号S22eによりスイッチSW21がオン状態にされ、電圧V13と等しくなる。もし、CPU120の低速動作時には、制御信号S22c及びS22fによりスイッチSW12及びSW22がオン状態にされ、配線L11上の出力電圧レベルは電圧V11よりも低い電圧V12に切り替えられ、配線L12上の出力電圧レベルは電圧V13よりも低い電圧V14に切り替えられる。また、CPU120の高速動作時には、制御信号S22a及びS22dによりスイッチSW10及びSW20がオン状態にされ、配線L11上の出力電圧レベルは電圧V11よりも高い電圧V10に切り替えられ、配線L12上の出力電圧レベルは電圧V13よりも高い電圧V12に切り替えられる。この手法により、CPU120の動作状態に応じて低電力化が可能となる。なお、出力電圧のレベルは、更に多段階に切り替えることが可能である。
For example, before the voltage variable control by the
図31には前記半導体集積回路のレイアウト設計方法の概略が示される。半導体集積回路のレイアウト設計では、フロアプランによって回路ブロックの大凡の配置が決定され(S1)、その後に、前記フロアプランを参照しながら、論理設計された機能を実現するための回路パターンのレイアウトを決定するレイアウト設計が行なわれる(S2)。レイアウト設計の結果に対してはレイアウト検証が行なわれる(S3)。 FIG. 31 shows an outline of the layout design method of the semiconductor integrated circuit. In the layout design of a semiconductor integrated circuit, an approximate arrangement of circuit blocks is determined by a floor plan (S1), and then a layout of a circuit pattern for realizing a logically designed function is referred to with reference to the floor plan. The layout design to be determined is performed (S2). Layout verification is performed on the layout design result (S3).
レイアウト設計では、マクロセルライブラリLBRに登録されている検証済の回路パターン若しくはマスクパターンデータを利用して、効率化を図ることができる。マクロセルライブラリLBRには、ディジタル回路ライブラリDGT、アナログ回路ライブラリALG等があり、アナログ回路ライブラリALGには、前記シリーズレギュレータ150〜157等の降圧電源回路用の複数種類の回路レイアウトデータCKTが含まれている。
In layout design, efficiency can be improved by using verified circuit pattern or mask pattern data registered in the macro cell library LBR. The macro cell library LBR includes a digital circuit library DGT, an analog circuit library ALG, and the like. The analog circuit library ALG includes a plurality of types of circuit layout data CKT for step-down power supply circuits such as the
前記レギュレータ150〜157を有する半導体集積回路の設計では、前記バッファ30のレイアウトで決まる幅に大凡等しい幅で、前記レギュレータ150〜157を、前記第1の電源電圧Vextを受けるパッド電極及び回路の接地電圧Vssを受けるパッド電極の近傍に配置するステップをレイアウト設計(S2)に含めばよい。このステップにおいて、前記第3の領域3の第1の内部回路に必要な供給電流に応じてセルライブラリLBRから選択したレギュレータを配置すれば、降圧電源回路のレイアウト設計を比較的容易に行なうことが可能である。
In designing a semiconductor integrated circuit having the
図32には降圧電源回路のレイアウトデータ(即ちマスクパターンのデータ)によって規定される回路パターンの一つの例としてシリーズレギュレータの回路パターンPTN例示される。この回路パターンPTNのレイアウトデータは図33に示される回路接続データCNTD、図34に示される回路シンボルデータSBLDと1対1に対応してリンクされている。すなわち、それら3種類の電子データPTN、CNTD、SBLDの間において、結線、MOSサイズ等の情報が共有されている。図面上、MOSトランジスタに付した符号T50〜T56、信号A1,E1、及び電圧Vext,Vint,Vssによって図32のパターンと図33の回路とが対応され、図33の回路と図34のシンボルが対応されている。それらの電子データを利用することにより、降圧電源回路の回路設計、レイアウト設計等が容易に行えるようになると共に、情報の管理も容易となる。 FIG. 32 illustrates a circuit pattern PTN of a series regulator as an example of a circuit pattern defined by the layout data (that is, mask pattern data) of the step-down power supply circuit. The layout data of the circuit pattern PTN is linked with the circuit connection data CNTD shown in FIG. 33 and the circuit symbol data SBLD shown in FIG. 34 in one-to-one correspondence. That is, information such as connection and MOS size is shared among these three types of electronic data PTN, CNTD, and SBLD. In the drawing, the patterns shown in FIG. 32 correspond to the circuit shown in FIG. 33 according to symbols T50 to T56 attached to the MOS transistors, signals A1 and E1, and voltages Vext, Vint and Vss. The circuit shown in FIG. 33 and the symbol shown in FIG. It is supported. By utilizing such electronic data, circuit design and layout design of the step-down power supply circuit can be easily performed, and information management is also facilitated.
図38には本発明に係る半導体集積回路の更に別の例が示される。同図に示される半導体集積回路は、同等の電流駆動能力を有する複数のシリーズレギュレータ300〜306と、それらと同等の電流駆動能力を有するシリーズレギュレータ150とを有して構成される。この態様の変形例として、前記シリーズレギュレータ150を、複数個配置し、或は全く配置しない構成を採用してもよい。
FIG. 38 shows still another example of the semiconductor integrated circuit according to the present invention. The semiconductor integrated circuit shown in the figure includes a plurality of
図39には前記シリーズレギュレータ300の詳細な一例が示される。特に図示はしないが、他のシリーズレギュレータ301〜306もそれと同様に構成してよい。シリーズレギュレータ300はドライバトランジスタ40及びアンプ41を有する。図4に基づいて説明したシリーズレギュレータ150の配置では、ドライバトランジスタ40とアンプ41を、入出力に関係するバッファ30,31が配置される領域(第2の領域2のうちの外側領域)に配置していたため、その近傍には電源パッド20Aがまとまって配置されている必要があった。図39の例では、バッファ30,31の配置される領域(第2の領域2の内の外側に位置する第1回路領域)にはシリーズレギュレータ300のうちアンプ41のみを配置可能な領域があれば足りる。その領域の内側の領域(第2の領域2のうちの内側領域)にドライバトランジスタ40を配置する。これにより、シリーズレギュレータ300〜306の配置に対する自由度が増す。尚、ドライバトランジスタは複数のより小さなトランジスタと電気的に接続し、全体として一定の駆動能力を有するようにしてもよい。
FIG. 39 shows a detailed example of the
図40にはシリーズレギュレータ300の別の配置例が示される。例えば、半導体チップ10の四隅の近傍にパッド電極が配置されない場合、半導体チップ10の四隅に位置する第2の領域2上に空き領域が存在することになる。ここにシリーズレギュレータ300のアンプ41を配置する。図40の配置例の場合、アンプ41は入出力に関係するバッファ30,31の配置される領域の四隅に配置されている。この場合、ドライバトランジスタ40は、図39に基づいて説明した直線的な配置ではなく、屈曲的な配置にすることも可能となる。尚、他のシリーズレギュレータについては図40と同様のレイアウトを採用し、残りを図39と同様の形態でレイアウトすることができる。
FIG. 40 shows another arrangement example of the
以上の説明より明らかなように、チップ間のインターフェースに使用される電源電圧Vextよりも低い内部電源電圧Vintで動作する内部回路をもつLSIにおいて、内部電源電圧Vintを生成するレギュレータを、バッファ及び保護素子を配置するための領域を用いて配置することにより、降圧電源回路のオンチップ化による面積オーバヘッドを低減することができる。 As is clear from the above description, in an LSI having an internal circuit that operates at an internal power supply voltage Vint lower than the power supply voltage Vext used for the interface between chips, a regulator that generates the internal power supply voltage Vint is provided with a buffer and protection. By arranging using the region for arranging the elements, the area overhead due to the on-chip implementation of the step-down power supply circuit can be reduced.
面積オーバーヘッドの低減について定量的な効果を例示する。図35には図1の回路構成による面積オーバーヘッド低減による効果を示す。図35において、シリーズレギュレータを第2の領域2に形成しない面積オーバーヘッドの低減前に比べ、図1の半導体集積回路の場合は、シリーズレギュレータ150〜157の面積オーバーヘッドがなくなり、例えばチップ面積の増加分は0.63mm2から0.34mm2に低減することができる。
Illustrates the quantitative effect of reducing area overhead. FIG. 35 shows the effect of area overhead reduction by the circuit configuration of FIG. In FIG. 35, the area overhead of the
不所望な電圧ドロップの抑制について定量的な効果を例示する。図36の(A)には半導体チップ10の駆動に対して、充分な電流供給能力を有した1個のシリーズレギュレータ200を配置した集中タイプの半導体集積回路が例示され、図36の(B)には図1のように複数個のシリーズレギュレータを分散配置した分散タイプの半導体集積回路が例示される。また、前記複数個のシリーズレギュレータの駆動能力の総和は上記シリーズレギュレータ200に比べて同等程度、若しくは少なくとも同等以上の駆動能力を有する。図37には図36の半導体集積回路の第3の領域3に配置された内部回路に供給すべき電流I1〜I7の和が相違する場合に電源幹線L20上に現れる内部電源電圧Vintの最大ドロップを示した。この例では、内部電源電圧Vintの目標とする電圧は1.8Vである。図37において、例えば内部回路に供給される電流が200mAの場合、図36(B)の分散タイプのでは内部電源電圧Vintのドロップは約0.1Vであるが、図36(A)の集中タイプでは約0.7Vも内部電源電圧Vintのドロップが発生する。このことから、図1に例示されるように周回する電源回線L20に複数個のシリーズレギュレータをほぼ等間隔に配置する構成を採用することにより、所要の電流量が多い場合にも内部電源電圧Vintのドロップを小さく抑えることが可能である。
Illustrate the quantitative effect of suppressing unwanted voltage drop. FIG. 36A illustrates a concentrated type semiconductor integrated circuit in which one
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited thereto and can be variously modified without departing from the gist thereof.
例えば、シリーズレギュレータの数、回路構成、第3領域に形成される具体的な回路の機能等は上記の例に限定されず、適宜変更可能である。本発明はCPUを有するマイクロコンピュータやマイクロプロセッサに限定されず、通信用のプロトコルコントローラ、エラー訂正等に特化したアクセラレータなどの各種半導体集積回路に適用することができる。電極パッドはボンディングパッドに限定されず、チップサイズパッケージなどに利用されるバンプ電極用のパッド電極であってもよい。さらに、パッド電極やバッファなどが配置される領域は半導体チップの周縁部分に限定されず、中央部分等であってよい。 For example, the number of series regulators, the circuit configuration, the functions of specific circuits formed in the third region, and the like are not limited to the above example, and can be changed as appropriate. The present invention is not limited to a microcomputer or a microprocessor having a CPU, but can be applied to various semiconductor integrated circuits such as a communication protocol controller and an accelerator specialized for error correction. The electrode pad is not limited to the bonding pad, and may be a pad electrode for a bump electrode used for a chip size package or the like. Furthermore, the region where the pad electrode, the buffer, and the like are disposed is not limited to the peripheral portion of the semiconductor chip, but may be the central portion or the like.
低消費電力という点において本発明の半導体集積回路は携帯電話などの携帯情報端末に最適であるが、それに限定されず、種種のロジックLSIに広く適用することができる。 In terms of low power consumption, the semiconductor integrated circuit of the present invention is optimal for a portable information terminal such as a cellular phone, but is not limited thereto and can be widely applied to various types of logic LSIs.
1 第1の領域
2 第2の領域
3 第3の領域
4 第4の領域
10 半導体チップ
20 パッド電極
20A シリーズレギュレータ利用の電源パッド
20A−1 Vextの入力端子
20A−2、20A−2a、20A−2b 電源幹線の接続端子
C10、C10a、C10b 安定化容量
20A−3 Vssの入力端子
20B−1、20B−2 スイッチングレギュレータ制御信号出力端子
20B−3 スイッチングレギュレータからのVint入力端子
Vint、VintA、VintB 内部電源電圧
Vext 外部電源電圧
Vss 回路の接地電圧
30、31 バッファ
32、32a、32b 保護素子
40 ドライバMOSトランジスタ
41 差動増幅器
60 参照電圧発生回路
L10、L10a、L10b 参照電位配線
L20、L20A、L20B 電源幹線
L21 チップ外電源幹線
L30、L31 シールド配線
WELL シールドウェル領域
G1、G2、G5 第3の領域のゲート回路
G3 レベル変換回路
G4 第4の領域のゲート回路
70 制御回路
71 基板バイアス制御回路
80 サブシリーズレギュレータ
150〜157 シリーズレギュレータ
158 自己消費電流の小さいシリーズレギュレータ
150A、152A、154A、156A シリーズレギュレータ
151B、153B、155B、157B シリーズレギュレータ
90 スイッチングレギュレータのドライバ制御回路
100 基準電圧発生回路
110 参照電圧用バッファ
120 CPU
130 レジスタ
135 不揮発性メモリ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記半導体チップに配置され、外部電源電圧が供給され、前記外部電源電圧より低い内部電源を生成する複数のレギュレータと、
前記外部電源電圧が供給され、前記複数のレギュレータの動作を制御する制御回路と、
前記内部電源が供給される内部回路とを有し、
前記複数のレギュレータは前記半導体チップのI/O部に配置され、
前記制御回路は、前記複数のレギュレータが前記内部回路に必要な供給電流を生成するよう動作可能とされ、
前記制御回路は複数の制御信号を前記複数のレギュレータに出力し、
前記複数の制御信号に従って、前記複数のレギュレータの動作が制御される
ことを特徴とする半導体集積回路。 To semiconductor chip,
A plurality of regulators arranged on the semiconductor chip, supplied with an external power supply voltage, and generating an internal power supply lower than the external power supply voltage ;
A control circuit that is supplied with the external power supply voltage and controls operations of the plurality of regulators;
An internal circuit to which the internal power is supplied,
The plurality of regulators are arranged in an I / O portion of the semiconductor chip,
The control circuit, the plurality of regulators is operable to generate a supply current necessary for the internal circuit,
The control circuit outputs a plurality of control signals to the plurality of regulators,
The semiconductor integrated circuit, wherein operations of the plurality of regulators are controlled in accordance with the plurality of control signals.
前記差動増幅器には前記複数の制御信号の内の一つが入力され、前記複数の制御信号の内の一つに応じて前記ドライバMOSトランジスタのオンあるいはオフが制御されることを特徴とする請求項1記載の半導体集積回路。 The plurality of regulators include a differential amplifier and a driver MOS transistor whose outputs are connected to a common power supply line to the internal circuit,
One of the plurality of control signals is input to the differential amplifier, and on or off of the driver MOS transistor is controlled according to one of the plurality of control signals. Item 14. A semiconductor integrated circuit according to Item 1.
前記端子に接続されるバッファ及び保護回路が配置され、且つ外部から供給される第1の電源電圧をこれより低い少なくとも1種類の内部電源電圧に降圧する複数個のレギュレータが配置される第2の領域と、
前記内部電源電圧を受けて動作する第1の内部回路が配置される第3の領域と、前記第1の電源電圧を用いる第2の内部回路が配置される第4の領域とを有し、
前記レギュレータは、前記端子のうち、前記第1の電源電圧を受ける第1の電源端子及び接地電圧を受ける接地電源端子の近傍に配置され、
前記複数個のレギュレータの出力が結合され前記第1の内部回路に前記内部電源電圧を供給する電源線を有し、
前記電源線は前記第2領域に含まれて配置され、前記端子に含まれる内部電源端子と接続され、
前記内部電源端子は前記第1の電源端子と前記接地電源端子との間に配置されていることを特徴とする半導体装置。 A first region in which a plurality of terminals used for connection to the outside are arranged on a semiconductor chip;
The buffer and the protection circuit is connected to the terminal disposed, and a plurality of regulator to step down the first lower than this power supply voltage of at least one of the internal power supply voltage to be externally et subjected sheet is placed Two regions,
A third region in which a first internal circuit that operates in response to the internal power supply voltage is disposed; and a fourth region in which a second internal circuit that uses the first power supply voltage is disposed;
The regulator is disposed in the vicinity of a first power supply terminal that receives the first power supply voltage and a ground power supply terminal that receives a ground voltage , among the terminals.
A power line for connecting the outputs of the plurality of regulators to supply the internal power supply voltage to the first internal circuit;
The power line is disposed and included in the second region, and is connected to an internal power terminal included in the terminal ,
The semiconductor device, wherein the internal power supply terminal is disposed between the first power supply terminal and the ground power supply terminal .
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