(57)【要約】【課題】動作モードに応じて、ウエル電位を制御可能な構成を有する半導体装置において、モード遷移の高速化および低消費電力化を図る。【解決手段】ＣＭＯＳ論理回路を構成するトランジスタが形成されるＮウエルとＰウエルとの間を、モード遷移に応答して、電気的に結合可能な電荷転送部が設けられる。電荷転送部は、Ｎウエルの電位を低下させ、かつＰウエルの電位を上昇させることが必要なモード遷移時に、Ｎウエルの余剰電荷をＰウエルへ送るので、電荷を無駄に消費することなく、高速にモード遷移を行なえる。【選択図】　　　　図１
2004031411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のモードを有する半導体装置であって、
ＮウエルおよびＰウエル上にそれぞれ形成された複数のトランジスタを有するＣＭＯＳ論理回路と、
各前記モードにおいて、前記複数のモードごとに予め設定された第１の目標電位へ、前記Ｎウエルの電位を制御するための第１の電位制御部と、
各前記モードにおいて、前記複数のモードごとに予め設定された第２の目標電位へ、前記Ｐウエルの電位を制御するための第２の電位制御部と、
前記複数のモード間の所定のモード遷移に応答して、
前記Ｎウエルと前記Ｐウエルとの間を電気的に結合する電荷転送部とを備える、半導体装置。
【請求項２】
前記所定のモード遷移に応答して、前記半導体装置は動作モードから待機モードに移行し、これに伴って、前記Ｎウエルの前記第１の目標電位は、前記待機モード時に前記動作モード時より高く設定され、前記Ｐウエルの前記第２の目標電位は、前記待機モード時に前記動作モード時より低く設定される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電荷転送部は、前記ＮウエルおよびＰウエルの少なくとも一方の電位の検知結果に基づいて動作する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の電位制御部と前記第２の電位制御部の少なくとも一方はウエル電位制御回路を含み、
前記ウエル電位制御回路は、前記電荷転送部が前記Ｎウエルと前記Ｐウエルとの間を電気的に非結合とする期間において、前記Ｎウエルの電位または前記Ｐウエルの電位のうち一方が所定値に達していない場合、前記所定値に達していない方のウエル電位を前記所定値に達するまで変化させる、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記電荷転送部は、前記所定のモード遷移の際、必要に応じて、前記Ｎウエルからの余剰電荷を前記Ｐウエルに放出する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記電荷転送部は、
前記Ｎウエルおよび前記Ｐウエルの間に直列に接続されたスイッチ回路と、
抵抗部とを含み、
前記スイッチ回路は、前記所定のモード遷移に応答して、前記Ｎウエルと前記抵抗部との間を電気的に結合し、
前記抵抗部は、前記スイッチ回路を介して伝達された前記Ｎウエルからの余剰電荷を、電圧降下を伴って前記Ｐウエルへ送る、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体装置は、安定的に制御された所定電圧を供給する電源配線をさらに備え、
前記電荷転送部は、前記Ｎウエルと前記電源配線との間に接続され、前記所定のモード遷移に応答して、前記Ｎウエルの余剰電荷を前記電源配線へ放出する電荷放電回路と、
前記電源配線と前記Ｐウエルとの間に接続され、前記所定のモード遷移に応答して、前記電源配線から前記Ｐウエルへ電荷を注入する電荷注入回路とを含む、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記ＮウエルおよびＰウエルの各々は、複数のブロックに仮想的に分割され、
前記Ｎウエルの各々は、前記複数のブロックにそれぞれ対応する複数の第１の接続部と、
前記Ｐウエルの各々は、前記複数のブロックにそれぞれ対応する複数の第２の接続部とを含み、
前記電荷転送部は、複数の第１および第２の接続部の対応する１つずつの間にそれぞれ配置される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１の電位制御部および前記第２の電位制御部は、前記モードに関わらず、電位が一定に制御される他のＰウエルおよびＮウエルに形成される、請求項８に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低消費電力で高速動作する半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯機器に用いられる集積回路は電池駆動が基本であり、集積回路は、長時間の電池駆動を実現させるために低消費電力で動作することが要求される。そのためには、集積回路に供給される電源電圧も低くする必要があるので、集積回路内部で使用する電源電位も低くしなければならない。一方で、近年、携帯機器で動画などを大量に扱うようになりつつあり、その携帯機器に組み込まれている集積回路は、より高速に動作することも要求されている。
【０００３】
これらの要求を満たすには、集積回路内で一般的に使用されている、ＣＭＯＳ論理回路を構成するＰチャネルＭＯＳトランジスタおよびＮチャネルＭＯＳトランジスタが低電圧動作時でも十分な駆動能力を持つ必要がある。ＣＭＯＳ論理回路のトランジスタを高速動作させるには、ＰチャネルＭＯＳトランジスタおよびＮチャネルＭＯＳトランジスタのしきい値電圧の絶対値｜Ｖｔｈｐ｜およびＶｔｈｎをできるだけ低く設定する必要がある。しかし、しきい値電圧の低いトランジスタを使用すると、トランジスタのソースとドレインとの間でオフリーク電流が発生してしまう。この結果、特にスタンバイモードにおいて、十分に消費電力を削減することができなくなることから、携帯機器の電池駆動時間が短くなってしまう。
【０００４】
上記問題点を改善するために、トランジスタの電流駆動能力を上げつつオフリークを低減することを可能にする回路方式がいくつか提案されている。例えば、異なるしきい値電圧をもつトランジスタを組み合わせるＭＴ（ｍｕｌｔｉ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｖｏｌｔａｇｅ）−ＣＭＯＳ方式や動作モードに応じてウエル電位を変化させるＶＴ（ｖａｒｉａｂｌｅ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｖｏｌａｔａｇｅ）方式などである。
【０００５】
ＭＴ−ＣＭＯＳ方式は、Ｓ．Ｍｕｔｏｈらにより、ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ、　ｖｏｌ．３０，　ｐｐ．８４７−８５４（１９９５）で紹介されている。ＶＴ方式は、Ｔ．Ｋｕｒｏｄａらにより、ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ、　ｖｏｌ．３１，ｐｐ．１７７０−１７７８（１９９６）で紹介されている。
【０００６】
ここで、高速動作が要求される動作モード（アクティブモード）と回路の内部状態を保持するのみで低消費電力を最優先した待機モード（スタンバイモード）との間で、ＭＯＳトランジスタのウエル電位を切替えることにより、しきい値電圧を等価的に異なるレベルに設定するＶＴ方式を説明する。
【０００７】
より具体的には、ＶＴ方式は、スタンバイモード時に、｜Ｖｔｈｐ｜およびＶｔｈｎを高く設定することによりトランジスタのオフリーク電流を低減し、アクティブモード時には、｜Ｖｔｈｐ｜およびＶｔｈｎを低く設定することによりトランジスタの高速動作を実現する。
【０００８】
図１２は、ＶＴ方式の構成図である。図１２に示すように、トランジスタの高速動作および低消費電力化の両立を実現したＶＴ方式を採用した半導体装置２１０は、ＣＭＯＳ論理回路を構成するＰチャネルＭＯＳトランジスタ４およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ５と、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ４が形成されたＮウエルの電位を制御するＮウエル電位制御部１ｅと、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ５が形成されたＰウエルの電位を制御するＰウエル電位制御部２ｅとを備える。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ４およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ５は、電源電圧Ｖｃｃと接地電圧ＧＮＤとの間に直列に接続される。
【０００９】
Ｎウエル電位制御部１ｅは、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ４が形成されるＮウエル部分に接続される。Ｐウエル電位制御部２ｅは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ５が形成されるＰウエル部分に接続される。
【００１０】
以下、本明細書においては、ＰチャネルＭＯＳトランジスタが形成されるＮウエルの電位を単にＶｂｎ、ＮチャネルＭＯＳトランジスタが形成されるＰウエルの電位を単にＶｂｐとも称する。
【００１１】
図１３を参照して、Ｎウエル電位制御部１ｅは、Ｖｂｎを監視するためのウエル電位検知回路４５と、ＡＮＤ回路４６と、ＡＮＤ回路の出力信号により活性化するリングオシレータ４７と、リングオシレータ４７の出力信号により活性化されるチャージポンプ回路４８と、Ｖｂｎを下げるための電荷放電回路７０とを含む。
【００１２】
ウエル電位検知回路４５は、Ｖｂｎの変位に応答して、制御信号ＤＥＴ２およびＤＥＴ３をＬｏｗからＨｉｇｈに設定する。ＡＮＤ回路４６は、当該ＣＭＯＳ論理回路の動作モードを判定する信号ＰＤＥおよびウエル電位検知回路４５からの制御信号ＤＥＴ２のＡＮＤ論理演算に基づいて、出力信号をＨｉｇｈに設定する。リングオシレータ４７は、Ｈｉｇｈの信号が入力されると活性化され、周期的なクロックを出力する。チャージポンプ回路４８は、Ｎウエルに接続され、所定のモードに応じて、当該クロックを入力されるとＮウエルへ正電荷を注入する。電荷放電回路７０は、ウエル電位検知回路４５からの制御信号ＤＥＴ３と信号ＰＤＥに応じて、Ｎウエルから正の電荷を放出し、Ｖｂｎを下げる。
【００１３】
図１４を参照して、Ｐウエル電位制御部２ｅは、Ｖｂｐを監視するためのウエル電位検知回路４５ａと、ＡＮＤ回路４６ａと、ＡＮＤ回路の出力信号により活性化するリングオシレータ４７ａと、リングオシレータ４７ａの出力信号により活性化されるチャージポンプ回路４８ａと、Ｖｂｐを上げる電荷注入回路４９とを含む。
【００１４】
ウエル電位検知回路４５ａは、Ｖｂｐの変位に応答して、制御信号ＤＥＴ０、ＤＥＴ１をＬｏｗからＨｉｇｈに設定する。ＡＮＤ回路４６ａは、信号ＰＤＥおよびウエル電位検知回路４５ａからの制御信号ＤＥＴ０のＡＮＤ論理演算に基づいて出力信号をＨｉｇｈに設定する。リングオシレータ４７ａは、Ｈｉｇｈの信号が入力されると活性化され、周期的なクロックを出力する。チャージポンプ回路４８ａは、Ｐウエルに接続され、所定のモードに応じて、当該クロックを入力されると、Ｐウエルの電荷を汲みとる。電荷注入回路４９は、ウエル電位検知回路４５ａからの制御信号ＤＥＴ１と信号ＰＤＥに応じて、Ｐウエルに正の電荷を注入し、Ｖｂｐを上げる。
【００１５】
図１５を参照して、電荷注入回路４９は、ウエル電位検知回路４５ａからの制御信号ＤＥＴ１および信号ＰＤＥ信号を受けるＮＯＲ回路５０と、ＮＯＲ回路５０の出力ノードＮ１とＰウエルとの間に直列に接続されたＰチャネルＭＯＳトランジスタ５１およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ５２とを含む。
【００１６】
従来のＶＴ方式において、図１２のＰチャネルＭＯＳトランジスタ４とＮチャネルＭＯＳトランジスタ５とから構成されるＣＭＯＳ論理回路は、スタンバイモードとアクティブモードと呼ばれる２つのモードで動作する。スタンバイモードとアクティブモードにおいて、信号ＰＤＥはそれぞれＨｉｇｈ、Ｌｏｗに設定される。
【００１７】
スタンバイモード時は、トランジスタのオフリーク電流低減を目的として、｜Ｖｔｈｐ｜およびＶｔｈｎが高くなるように、Ｎウエル電位制御部１ｅがＶｂｎを制御し、Ｐウエル電位制御部２ｅがＶｂｐを制御する。
【００１８】
これに対して、アクティブモード時は、トランジスタを高速で動作させることを目的として、｜Ｖｔｈｐ｜およびＶｔｈｎが低くなるように、Ｎウエル電位制御部１ｅがＶｂｎを制御し、Ｐウエル電位制御部２ｅがＶｂｐを制御する。
【００１９】
図１６は、ＶＴ方式におけるスタンバイモードおよびアクティブモード時の、ウエル電位と信号ＰＤＥとの関係の一例を示す。期間１、３は、アクティブモードであり、期間２は、スタンバイモードである。スタンバイモード時において、Ｖｂｎの目標電位はＶｂｎＨである。Ｖｂｐの目標電位はＶｂｐＤである。アクティブモード時において、Ｖｂｎの目標電位はＶｂｎＬである。Ｖｂｐの目標電位はＶｂｐＳである。ただし、ＶｂｎＬは接地電圧ＧＮＤ以上であればよく、ＶｂｐＳは接地電圧ＧＮＤ以下であればよい。
【００２０】
次に、この動作を説明する。再び図１３を参照して、Ｎウエル電位制御部１ｅは、Ｎウエル電位Ｖｂｎの変化に応じて動作する。スタンバイモード時、信号ＰＤＥはＨｉｇｈに設定される。ウエル電位検知回路４５は、ＶｂｎがＶｂｎＨより低ければ信号ＤＥＴ２をＨｉｇｈに設定する。このとき、ＡＮＤ回路４６は、信号ＤＥＴ２および信号ＰＤＥのＡＮＤ論理演算に基づいて、出力信号をＨｉｇｈに設定し、リングオシレータ４７を活性化させる。リングオシレータ４７の活性化に伴い、チャージポンプ回路４８は動作して、ＶｂｎがＶｂｎＨになるまでＶｂｎを上げる。
【００２１】
アクティブモード時、信号ＰＤＥはＬｏｗに設定される。ウエル電位検知回路４５はＶｂｎがＶｂｎＬより高ければ信号ＤＥＴ３をＬｏｗに設定する。電荷放電回路７０は、入力される信号ＰＤＥおよび信号ＤＥＴ３が共にＬｏｗに設定されると動作して、Ｎウエルの正の電荷を放電することによって、ＶｂｎがＶｂｎＬになるまでＶｂｎを下げる。
【００２２】
再び図１４を参照して、Ｐウエル電位制御部２ｅは、Ｐウエル電位Ｖｂｐの変化に応じて動作する。スタンバイモード時、信号ＰＤＥはＨｉｇｈに設定される。ウエル電位検知回路４５ａは、ＶｂｐがＶｂｐＤより高ければ、信号ＤＥＴ０をＨｉｇｈに設定する。ＡＮＤ回路４６ａは、信号ＤＥＴ０およびＰＤＥのＡＮＤ論理演算に基づいて、出力信号をＨｉｇｈに設定し、リングオシレータ４７ａを活性化させる。リングオシレータ４７ａの活性化に伴い、チャージポンプ回路４８ａは動作して、ＶｂｐがＶｂｐＤになるまでＶｂｐを上げる。
【００２３】
アクティブモード時、信号ＰＤＥはＬｏｗに設定され、ウエル電位検知回路４５ａはＶｂｐがＶｂｐＳより低ければ信号ＤＥＴ１をＬｏｗに設定する。電荷注入回路４９は、入力される信号ＰＤＥおよび信号ＤＥＴ１が共にＬｏｗに設定されると動作して、Ｐウエルに正の電荷を注入することにより、ＶｂｐがＶｂｐＳになるまでＶｂｐを上げる。
【００２４】
再び図１６を参照して、一例として、スタンバイモードからアクティブモードへ遷移する際の、Ｐウエル電位制御部２ｅの動作を説明する。時刻ｔ１で信号ＰＤＥはＬｏｗに遷移したと認識される。
【００２５】
このとき、ＶｂｐはＶｂｐＳより低いので、信号ＤＥＴ１はＬｏｗである。電荷注入回路４９において、ともにＬｏｗレベルの信号ＰＤＥおよびＤＥＴ１が入力されると、ノードＮ１の電位はＮＯＲ回路５０に供給されるＶｃｃ２となる。
【００２６】
このときＰウエルには、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ５１とＮチャネルＭＯＳトランジスタ５２を介して、Ｖｃｃ２からＰウエルへ電荷が流れ込むのでＶｂｐの電位はさらに上がりはじめる。
【００２７】
そして、時刻ｔ２でＶｂｐが目標電位ＶｂｐＳになる。Ｐウエルに電荷がさらに送り込まれ、ＶｂｐがＶｂｐＳよりも高くなると、信号ＤＥＴ１は、ＬｏｗからＨｉｇｈに変わる。信号ＤＥＴ１がＨｉｇｈに設定されると、電荷注入回路４９は非活性状態となるのでＶｂｐの電位の上昇は止まる。
【００２８】
Ｎウエル電位制御部１ｅの動作もＰウエル電位制御部２ｅと同様であるので詳細な説明は繰り返さない。
【００２９】
これらの動作により、ＣＭＯＳ論理回路のウエル電位はスタンバイモード時、Ｖｂｎ＝ＶｂｎＨ、Ｖｂｐ＝ＶｂｐＤとなるように制御される。この結果、Ｖｔｈｎおよび｜Ｖｔｈｐ｜が大きくなるので、ＣＭＯＳ論理回路のオフリーク電流を低減させることができる。一方、ＣＭＯＳ論理回路のウエル電位はアクティブモード時、Ｖｂｎ＝ＶｂｎＬ、Ｖｂｐ＝ＶｂｐＳとなるように制御される。この結果、｜Ｖｔｈｐ｜およびＶｔｈｎが低くなり、半導体装置２１０の高速動作を実現できる。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来のＶＴ方式の半導体装置２１０において、例えば、Ｖｂｐの電位を上昇させるための電荷注入回路４９で使用される電源電圧Ｖｃｃ２は、外部から供給される電位か、あるいはそれを内部降圧した電位を用いることが一般的である。そのため、電源電圧Ｖｃｃ２がウエル電位の制御のみに設けられた専用電源ではない場合、スタンバイモードからアクティブモードへ遷移する過程で、電源電圧Ｖｃｃ２の電荷を消費するため、Ｖｃｃ２のレベルが大きく変動する。そのため、アクティブモードの初期の間に、他の回路動作に影響を与える可能性がある。
【００３１】
また、携帯機器では、消費電力をできる限り抑えるために、頻繁にスタンバイモードとアクティブモードの切替えを行う。スタンバイモードからアクティブモードに遷移する際、Ｎウエル電位制御部１ｅ内の電荷放電回路７０は、例えば、Ｖｂｎを下げるために、Ｎウエルの電荷を放電させる。また、Ｐウエル電位制御部２ｅ内の電荷注入回路４９は、例えば、負の電位であるＶｂｐを上げるために、ＰウエルにＶｃｃ２から電荷が注入され、電源電圧Ｖｃｃ２の電荷が消費される。逆に、アクティブモードからスタンバイモードに遷移する際、チャージポンプ回路４８ａは、Ｐウエルからポンプで電荷を汲み上げる動作をするので負電位Ｖｂｐは上がる。いずれのモード遷移においても、電荷が無駄に消費されるので、低消費電力化の妨げとなる。
【００３２】
さらに、携帯機器では、スタンバイモードからアクティブモードへの切替所要時間は、できるだけ短いことが要求される。しかし、一般にＰウエルおよびＮウエルの寄生抵抗Ｒｗおよび寄生容量Ｃｗは非常に大きい。そのため電荷の移動が速やかにいかず、モード遷移の切替え所要時間が長いという問題がある。この問題を解決するために、例えば、電荷注入回路４９のＰチャネルＭＯＳトランジスタ５１およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ５２のチャネル幅を大きくするなどして、電流駆動能力を上げる方策が考えられる。しかし、このような方策を扱ってＶｃｃからＮチャネルＭＯＳトランジスタ５２のソースまでのインピーダンスを低くしても、Ｐウエル固有の伝搬遅延がスタンバイモードからアクティブモードへの遷移時間を決定するので大きな効果は得られない。
【００３３】
この発明は、この様な問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、スタンバイモードからアクティブモードへの遷移時に、Ｎウエルの余剰電荷をＰウエルに移動させることで、電荷の無駄な消費をさけて、ウエル電位制御に伴う消費電力の低減を図るとともに、スタンバイモードからアクティブモードへの遷移時間を短縮した半導体装置を提供することである。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の半導体装置は、複数のモードを有する半導体装置であって、ＮウエルおよびＰウエル上にそれぞれ形成された複数のトランジスタを有するＣＭＯＳ論理回路と、各モードにおいて、複数のモードごとに予め設定された第１の目標電位へ、Ｎウエルの電位を制御するための第１の電位制御部と、各モードにおいて、複数のモードごとに予め設定された第２の目標電位へ、Ｐウエルの電位を制御するための第２の電位制御部と、複数のモード間の所定のモード遷移に応答して、ＮウエルとＰウエルとの間を電気的に結合する電荷転送部とを備える。
【００３５】
請求項２に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置において、所定のモード遷移に応答して、半導体装置は動作モードから待機モードに移行し、これに伴って、Ｎウエルの第１の目標電位は待機モード時に動作モード時より高く設定され、Ｐウエルの第２の目標電位は、待機モード時に動作モード時より低く設定される。
【００３６】
請求項３に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置において、電荷転送部は、ＮウエルおよびＰウエルの少なくとも一方の電位の検知結果に基づいて動作する。
【００３７】
請求項４に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置において、第１の電位制御部と第２の電位制御部の少なくとも一方はウエル電位制御回路を含み、ウエル電位制御回路は、電荷転送部がＮウエルとＰウエルとの間を電気的に非結合とする期間において、Ｎウエルの電位またはＰウエルの電位のうち一方が所定値に達していない場合、所定値に達していない方のウエル電位を所定値に達するまで変化させる。
【００３８】
請求項５に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置において、電荷転送部は、所定のモード遷移の際、必要に応じて、Ｎウエルからの余剰電荷をＰウエルに放出する。
【００３９】
請求項６に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置において、電荷転送部は、ＮウエルおよびＰウエルの間に直列に接続されたスイッチ回路と、抵抗部とを含み、スイッチ回路は、所定のモード遷移に応答して、Ｎウエルと抵抗部との間を電気的に結合し、抵抗部は、スイッチ回路を介して伝達されたＮウエルからの余剰電荷を、電圧降下を伴ってＰウエルへ送る。
【００４０】
請求項７に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置の構成に加えて、安定的に制御された所定電圧を供給する電源配線をさらに備え、電荷転送部は、Ｎウエルと電源配線との間に接続され、所定のモード遷移に応答して、Ｎウエルの余剰電荷を電源配線へ放出する電荷放電回路と、電源配線とＰウエルとの間に接続され、所定のモード遷移に応答して、電源配線から前記Ｐウエルへ電荷を注入する電荷注入回路とを含む。
【００４１】
請求項８に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置において、ＮウエルおよびＰウエルの各々は、複数のブロックに仮想的に分割され、Ｎウエルの各々は、複数のブロックにそれぞれ対応する複数の第１の接続部と、Ｐウエルの各々は、複数のブロックにそれぞれ対応する複数の第２の接続部とを含み、電荷転送部は、複数の第１および第２の接続部の対応する１つずつの間にそれぞれ配置される。
【００４２】
請求項９に記載の半導体装置は、請求項８に記載の半導体装置において、モードに関わらず、電位が一定に制御される他のＰウエルおよびＮウエルに形成される。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４４】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に従う半導体装置２０１ａの構成図である。
【００４５】
図１を参照して、実施の形態１に従う半導体装置２０１ａは、図１２に示した従来の技術に従うＶＴ方式を用いた半導体装置２１０と比較して、Ｎウエル電位制御部１ｅおよびＰウエル電位制御部２ｅにそれぞれ代えて、Ｎウエル電位制御部１およびＰウエル電位制御部２を備える点と、スイッチ３をさらに備える点とが異なる。
【００４６】
Ｎウエル電位制御部１はＮウエル電位制御部１ｅと比較して、Ｎウエルの正の電荷を放出する電荷放電回路を含まない点で異なるが、複数のモード（スタンバイモード／アクティブモード）ごとに予め設定された目標電位へＮウエル電位を制御する点ではＮウエル電位制御部１ｅと同様である。Ｐウエル電位制御部２はＰウエル電位制御部２ｅと比較して、Ｐウエルに正の電荷を注入する電荷注入回路を含まない点で異なり、複数のモード（スタンバイモード／アクティブモード）ごとに予め設定された目標電位へＰウエル電位を制御する点ではＰウエル電位制御部２ｅと同様である。スイッチ３は、Ｎウエル電位制御部１とＰウエル電位制御部２との間に設けられ、スタンバイモードからアクティブモードへの遷移に応答して、ＮウエルとＰウエルとの間を電気的に結合する。
【００４７】
図２は、本発明の実施の形態１に従う半導体装置２０１ａの断面図である。
図２を参照して、実施の形態１に従う半導体装置２０１ａは、Ｐ型基板１５と、Ｎウエル電位制御部１と、Ｐウエル電位制御部２と、Ｎウエル電位制御部１とＰウエル電位制御部２との間に設けられたスイッチ３とを備える。Ｐ型基板１５は、表層面に形成されているＮウエル１６と、Ｐウエル１４と、Ｐウエル１４を囲み、Ｐ型基板１５と電気的に切り離すように形成されるボトムＮウエル１３とを含む。Ｎウエル１６には、Ｎウエル接続部９が表面に形成される。Ｐウエル１４には、Ｐウエル接続部１０が表面に形成される。
【００４８】
ＰチャネルＭＯＳトランジスタ４は、Ｎウエル１６上に形成される。Ｎウエル電位制御部１は、Ｎウエル接続部９によって、Ｎウエル１６と接続される。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ５は、Ｐウエル１４上に形成される。Ｐウエル電位制御部２は、Ｐウエル接続部１０によって、Ｐウエル１４と接続される。
【００４９】
ボトムＮウエル１３の表面には、Ｎウエル接続部１１が形成される。Ｎウエル接続部１１は、Ｐウエル電位制御部２およびＰウエル接続部１０に接続される。ボトムＮウエル１３の電位は、Ｐウエル接続部１０と同電位のＶｂｐとしているが、常時Ｖｂｐ以上の電位であれば、独立したほかの電位に設定してもよい。
【００５０】
図６は、ＶｂｎおよびＶｂｐの電位と、信号ＤＥＴＮ０、ＤＥＴＮ１、ＤＥＴＰ０およびＤＥＴＰ１の状態との関係図の１例を示す。すでに説明したようにこの関係図において、Ｎウエル電位ＶｂｎＬは接地電圧ＧＮＤ以上の電位であればよく、Ｐウエル電位ＶｂｐＳは接地電圧ＧＮＤ以下の電位であればよい。ＶｂｎがＶｂｎＨ以下の電位になると、信号ＤＥＴＮ０は、ＬｏｗからＨｉｇｈに変わる。ＶｂｎがＶｂｎＬ以下の電位になると、信号ＤＥＴＮ１は、ＬｏｗからＨｉｇｈに変わる。ＶｂｐがＶｂｐＤ以上の電位になると、信号ＤＥＴＰ０は、ＬｏｗからＨｉｇｈに変わる。ＶｂｐがＶｂｐＳ以上の電位になると、信号ＤＥＴＰ１は、ＬｏｗからＨｉｇｈに変わる。
【００５１】
次に、スタンバイモードからアクティブモードへの遷移時における、半導体装置２０１ａの動作を簡単に説明する。再び図２を参照して、アクティブモードに遷移した後、ＶｂｎがＶｂｎＬより高い期間、つまりＰチャネルＭＯＳトランジスタが形成されるＮウエル１６に余剰電荷が存在する期間、制御信号ＷＳがＨｉｇｈとなって、スイッチ３はオンする。その結果、余剰電荷をＮチャネルＭＯＳトランジスタが形成されるＰウエル１４に送ることにより、Ｖｂｎを下げるとともにＶｂｐを上昇させる。そのため、ウエル電位を所定値にするための消費電力を抑えることが可能となる。
【００５２】
図３は、本発明の実施の形態１に従う図１および図２に示した半導体装置２０１ａ内のＮウエル電位制御部１およびＰウエル電位制御２の構成を詳細に説明する図である。図３には、スタンバイモードからアクティブモードへ遷移する際、Ｎウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷以上である場合に対応した半導体装置２０１ａの構成が示される。このとき、以下の（１）および（２）式が成立する。
【００５３】
Ｃｗｎ×（ＶｂｎＨ−ＶｂｎＬ）＝Ｃｗｐ×（ＶｂｐＳ−ＶｂｐＤ）…（１）
Ｃｗｎ×（ＶｂｎＨ−ＶｂｎＬ）＞Ｃｗｐ×（ＶｂｐＳ−ＶｂｐＤ）…（２）
（１）および（２）式において、ＣｗｐはＰウエルの平均的な寄生容量、ＣｗｎはＮウエルの平均的な寄生容量を示す。
【００５４】
（１）式は、Ｎウエルから放電されるべきＮウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷と等しい場合に成立する。（２）式は、Ｎウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷より多い場合に成立する。
【００５５】
図３を参照して、実施の形態１に従う半導体装置２０１ａは、Ｎウエル電位制御部１と、Ｐウエル電位制御部２と、Ｎウエル電位制御部１およびＰウエル電位制御部２の間に設けられる、スイッチ３と同様な働きをする電荷転送部３ａとを備える。
【００５６】
Ｎウエル電位制御部１は、ウエル電位検知回路２０と、スタンバイモード時、Ｎウエルへ電荷を供給する電圧生成部１８と、ＲＳフリップフロップ回路２８と、ＲＳフリップフロップ回路２８からの出力信号を反転させて、信号ＡＣＴＮを出力する反転回路２９と、アクティブモード時においてＮウエルの電荷を放電またはＮウエルに電荷を供給するＮウエル電位発生回路２３とを含む。
【００５７】
ＰチャネルＭＯＳトランジスタが形成されるＮウエルに接続されたウエル電位検知回路２０は、Ｖｂｎを常に監視するとともに、Ｖｂｎの変位に応答して、制御信号ＤＥＴＮ１およびＤＥＴＮ０をＬｏｗからＨｉｇｈに設定する。電圧生成部１８は、当該Ｎウエルに接続され、信号ＤＥＴＮ０および信号ＰＤＥに応じて当該Ｎウエルに電荷を供給する。ＲＳフリップフロップ回路２８へは、Ｐウエル電位制御部２内のウエル電位検知回路２０ａからの制御信号ＤＥＴＰ１および信号ＰＤＥが入力される。Ｎウエルに接続されるＮウエル電位発生回路２３は、反転回路２９から入力される信号ＡＣＴＮがＨｉｇｈに設定されると活性化され、ウエル電位検知回路２０からの信号ＤＥＴＮ１の信号を監視するようになり、ＶｂｎがＶｂｎＬより高いときに、Ｎウエルの電荷を放電しＶｂｎの電位を下げる役割をする。また、Ｎウエル電位発生回路２３は、ＶｂｎがＶｂｎＬより低いときには、Ｎウエルに電荷を注入し、Ｖｂｎの電位を上げる役割をする。すなわち、Ｖｂｎ＝ＶｂｎＬを維持するよう動作する。
【００５８】
電圧生成部１８は、信号ＰＤＥおよび信号ＤＥＴＮ０が入力されるＡＮＤ回路３３と、ＡＮＤ回路３３からの出力信号がＨｉｇｈに設定されると活性化され、周期的なクロックを出力するリングオシレータ２１と、リングオシレータ２１とＮウエルとの間に接続され、当該クロックを入力されると、Ｎウエルに電荷を供給するチャージポンプ回路２２とを有し、スタンバイモード時にのみ動作する。
【００５９】
Ｐウエル電位制御部２は、ウエル電位検知回路２０ａと、スタンバイモード時、電荷を放出させ、負の電圧を生成する電圧生成部１８ａと、アクティブモード時、電荷を放出させ、負の電圧を生成する電圧生成部１９とを含む。
【００６０】
ＮチャネルＭＯＳトランジスタが形成されるＰウエルに接続されたウエル電位検知回路２０ａは、Ｖｂｐを常に監視するとともに、Ｖｂｐの変位に応答して、制御信号ＤＥＴＰ１およびＤＥＴＰ０を出力する。電圧生成部１８ａは、電圧生成部１８と同じ構成であり、スタンバイモード時に動作する。そして、電圧生成部１８ａは信号ＤＥＴＰ０と信号ＰＤＥとに応じて当該Ｐウエルの電荷を放出させることにより、Ｐウエルに負の電圧を生成する。電圧生成部１９も、電圧生成部１８と同じ構成であり、アクティブモード時に動作する。そして、電圧生成部１９は信号ＤＥＴＰ１と信号ＰＤＥとに応じて当該Ｐウエルの電荷を放出させることにより、Ｐウエルへ負の電圧を生成する。
【００６１】
電荷転送部３ａは、ＮＯＲ回路３０と、ＮＯＲ回路３０の出力信号の振幅を増大させて、信号ＺＯＵＴを出力するレベル変換回路２４と、Ｎウエル電位制御部１とＰウエル電位制御部２との間に直列に接続され、スタンバイモードからアクティブモードへの遷移時に応答して、スイッチ回路として動作するＰチャネルＭＯＳトランジスタ２５および抵抗回路３４とを含む。抵抗回路３４は、直列に接続されたＰチャネルＭＯＳトランジスタ２６とＮチャネルＭＯＳトランジスタ２７とを有する。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ２６およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ２７は、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ２５を介して伝達されたＮウエルからの余剰電荷を、電圧降下を伴って、Ｐウエルへ注入する。
【００６２】
このように電荷を転送させる役割をもつトランジスタを１つではなく、３つ直列に接続することにより、トランジスタ１つあたりに加わる電圧を抵抗分割によって下げることができる。従って、ホットキャリアによる信頼性の悪化やパンチスルーなどの問題の発生を低減させることができる。
【００６３】
ＮＯＲ回路３０は、Ｎウエル電位制御部１内の反転回路２９からの出力信号ＡＣＴＮと信号ＰＤＥが共にＬｏｗである時、信号ＩＮをＨｉｇｈに設定する。直列に接続されたＰチャネルＭＯＳトランジスタ２５、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ２６およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ２７は、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ２５に信号ＺＯＵＴが入力される時、Ｎウエル電位制御部１とＰウエル電位制御部２との間で電荷の移動ができるよう、ＮウエルとＰウエルとの間を電気的に結合する。
【００６４】
図４は、レベル変換回路２４の第１の構成例である。動作電圧Ｖｂｎと接地電圧ＧＮＤとの間に直列に接続されたＰチャネルＭＯＳトランジスタ１０１、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１０２およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０３と、動作電圧Ｖｂｎと接地電圧ＧＮＤとの間に直列に接続されたＰチャネルＭＯＳトランジスタ１０１ａ、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１０２ａおよびＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０３ａと、反転回路１１０と、反転回路１１１とを有する。なお、この構成において、Ｖｂｎと周辺回路（例えば、ＮＯＲ回路３０）で使用される内部の電源電圧Ｖｃｃとの間に、Ｖｂｎ＞Ｖｃｃの関係が成り立つ。
【００６５】
ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１０１のゲートは、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１０２ａおよびＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０３ａの接続ノードと接続される。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１０１ａのゲートは、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１０２およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０３の接続ノードと接続される。信号ＩＮは、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１０２およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０３のゲートに直接入力される。反転回路１１０は、ＩＮを反転してＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０３およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０３ａの各ゲートへ入力する。
【００６６】
反転回路１１１は、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１０２ａおよびＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０３ａの接続ノードを入力として、その電圧レベルを反転して、信号ＺＯＵＴを生成する。信号ＺＯＵＴは、Ｈｉｇｈの電圧がＶｂｎであり、Ｌｏｗの電圧が接地電圧ＧＮＤである。すなわち、ＺＯＵＴはＩＮ（ＧＮＤ〜Ｖｃｃ）の振幅を増大させた（ＧＮＤ〜Ｖｂｎ）ものである。この結果、Ｈｉｇｈの出力信号ＺＯＵＴによって、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ２５をターンオフすることができる。
【００６７】
しかし、この回路構成では、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ２５のターンオン時（すなわち、出力信号ＺＯＵＴのＬｏｗレベル時）における、当該トランジスタのゲート酸化膜への印が電圧（ゲート−ソース間電圧）が大きくなるので、動作信頼性を損ねるおそれが生じる。対策としては、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ２５のゲート酸化膜を厚くしたり、信号ＺＯＵＴのＬｏｗの電圧を接地電圧ＧＮＤより少し高くすることなどが考えられる。
【００６８】
図５は、ゲート酸化膜の信頼性をより確保するために、信号ＺＯＵＴのＬｏｗの電圧を接地電圧ＧＮＤより少し高くしたレベル変換回路２４の第２の構成例である。
【００６９】
図５のレベル変換回路２４は、図４に示した第１の構成例に従うレベル変換回路２４と比較して、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０３およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０３ａのソースが接地電圧ＧＮＤに直接接続されておらず、かつ、反転回路１１２〜１１４をさらに含む点が異なる。反転回路１１２は、信号ＩＮを反転した信号を反転回路１１３に入力する。反転回路１１３は、反転回路１１２から出力された信号を反転し、さらにＨｉｇｈのレベルをＶｄｄ２として、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０３のソースおよび反転回路１１４に入力する。反転回路１１４は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０３ソースおよび反転回路１１３の接続ノードからの信号を反転し、さらにＨｉｇｈのレベルをＶｄｄ２として、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０３ａのソースに入力する。
【００７０】
また、図４のレベル変換回路２４の反転回路１１１がＶｂｎと接地電圧ＧＮＤとの間に接続されているのに対し、図５のレベル変換回路２４の反転回路１１１ａは、Ｖｂｎと接地電圧ＧＮＤより電位が少し高いＶｄｄ２との間に接続されている。それ以外の構成は、図４に示した第１の構成例であるレベル変換回路２４と同じであるので詳細な説明は繰り返さない。
【００７１】
このとき、反転回路１１３を構成するＰチャネルＭＯＳトランジスタのしきい値電圧をＶｔｈｐ０，ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０３、１０３ａのしきい値電圧をＶｔｈｎ０として、
Ｖｄｄ２＞Ｖｔｈｐ０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…　（３）
かつ
Ｖｃｃ＞Ｖｄｄ２＋Ｖｔｈｎ０　　　　　　　　　　　　　　　　…　（４）
が成立していれば、出力信号ＺＯＵＴのＬｏｗレベルがＶｄｄ２となる。これにより、出力信号ＺＯＵＴの振幅を小さくすることができる。そのため、電荷転送部３ａのＰチャネルＭＯＳトランジスタ２５のゲート酸化膜に加わる最大電圧をＶｄｄ２だけ下げることができ、ゲート酸化膜を厚くすることなく動作の信頼性を確保することができる。
【００７２】
次に、Ｎウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷以上である場合において、スタンバイモードからアクティブモードへ遷移する際の半導体装置２０１ａの動作を説明する。
【００７３】
再び図３を参照して、電荷転送部３ａは、スタンバイモードからアクティブモードに遷移した直後の一定期間活性化される。そして、当該余剰電荷をＮチャネルＭＯＳトランジスタが形成されるＰウエル部分に送るために、Ｎウエル電位制御部１とＰウエル電位制御部２を電気的に結合する。Ｐウエルへの電荷の注入が終わると、電荷転送部３ａは電荷の転送をやめ、Ｎウエル電位制御部１とＰウエル電位制御部２は電気的に切り離される。このとき、（２）式が成立し、まだＮウエルに放電すべき電荷が残留している場合、Ｎウエル電位制御部１内のＮウエル電位発生回路２３がＮウエルの余剰電荷を放電することにより、Ｖｂｎは平衡状態になる。
【００７４】
Ｎウエル電位制御部１において、スタンバイモード時、ＶｂｎがＶｂｎＨより低い電位であると信号ＤＥＴＮ０はＨｉｇｈに設定される。そして、ＡＮＤ回路３３に、Ｈｉｇｈの信号ＤＥＴＮ０およびＨｉｇｈの信号ＰＤＥが入力されるため、ＡＮＤ回路３３は、リングオシレータ２１を活性化させる。リングオシレータ２１は、周期的なクロックをチャージポンプ回路２２に出力する。チャージポンプ回路２２は、リングオシレータ２１からのクロックを受けて、ＶｂｎをＶｂｎＨにする。
【００７５】
Ｐウエル電位制御部２において、スタンバイモード時、ＶｂｐがＶｂｐＤより高い電位であると信号ＤＥＴＰ０はＨｉｇｈに設定される。そして、ＡＮＤ回路３２に、Ｈｉｇｈの信号ＤＥＴＰ０およびＨｉｇｈの信号ＰＤＥが入力されるので、ＡＮＤ回路３２は、リングオシレータ２１ａを活性化させる。リングオシレータ２１ａは、周期的なクロックをチャージポンプ回路２２ａに出力する。チャージポンプ回路２２ａは、リングオシレータ２１ａからのクロックを受けて、ＶｂｐをＶｂｐＤにする。
【００７６】
スタンバイモード時には、ＮＯＲ回路３０にＨｉｇｈの信号ＰＤＥが入力され、信号ＩＮはＬｏｗに設定されるので、電荷転送部３ａは活性化されない。
【００７７】
電荷転送部３ａにおいて、スタンバイモードからアクティブモードに遷移すると、信号ＰＤＥはＨｉｇｈからＬｏｗに設定される。このとき、信号ＤＥＴＰ１がＨｉｇｈに設定されるまで、ＲＳフリップフロップ回路２８の出力信号ＺＡＣＴＮはＨｉｇｈを維持する。そのため、Ｖｂｐ＝ＶｂｐＳが成立しＰウエルの充電が完了するまでの間、Ｈｉｇｈの信号ＺＡＣＴＮの反転信号とＬｏｗの信号の信号ＰＤＥが入力されるＮＯＲ回路３０は信号ＩＮをＨｉｇｈに設定する。レベル変換回路は、信号ＩＮの電位を変換して、信号ＺＯＵＴをＰチャネルＭＯＳトランジスタ２５のゲートに出力する。そのとき、直列に接続されたＰチャネルＭＯＳトランジスタ２５、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ２６およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ２７は、Ｎウエル電位制御部１からＰウエル電位制御部２に電荷が移動できるよう、ＮウエルとＰウエルとの間を電気的に結合する。
【００７８】
そして、Ｐウエルの充電が完了したのに応じて、Ｖｂｐ＝ＶｂｐＳとなり、信号ＤＥＴＰ１がＬｏｗからＨｉｇｈに設定されると、ＮＯＲ回路３０に入力される信号ＡＣＴＮは、Ｈｉｇｈに設定される。Ｈｉｇｈの信号ＡＣＴＮがＮＯＲ回路３０に入力されると、電荷転送部３ａは非活性状態となり、Ｎウエル電位制御部１とＰウエル電位制御部２は電気的に切り離され電荷の移動は終わる。
【００７９】
Ｎウエル電位制御部１では、スタンバイモードからアクティブモードに遷移後、信号ＰＤＥがＨｉｇｈからＬｏｗに設定される。信号ＡＣＴＮは、Ｐウエルの電位Ｖｂｐ＝ＶｂｐＳとなり、信号ＤＥＴＰ１がＨｉｇｈに設定されるまで、ＲＳフリップフロップ回路２８の出力信号ＺＡＣＴＮはＨｉｇｈを維持されるので、電荷転送部３ａは活性化され、Ｎウエルの余剰電荷が必要電荷が不足しているＰウエルに移動する。
【００８０】
（１）式が成立する場合、すなわち、Ｎウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷と等しい場合は、スタンバイモードからアクティブモードに遷移後にＶｂｎ＝ＶｂｎＬとなるまでの時間とＶｂｐ＝ＶｂｐＳとなるまでの時間は等しい。このときは、Ｎウエルの放電とＰウエルの充電は同時に終わる。よって、同時に、Ｖｂｎ＝ＶｂｎＬ、Ｖｂｐ＝ＶｂｐＳとなるので、電荷転送部３ａも同時に非活性状態となる。
【００８１】
（２）式が成立する場合、すなわち、Ｎウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷より多い場合は、スタンバイモードからアクティブモードに遷移後にＶｂｎ＝ＶｂｎＬとなるまでの時間が、Ｖｂｐ＝ＶｂｐＳとなるまでの時間より長くなる。そのため、Ｐウエルへの充電が先に終わる。
【００８２】
このとき、Ｎウエルに放電すべき電荷が残留しているので、Ｎウエルの電荷を放電させＶｂｎの電位を下げるＮウエル電位発生回路２３を活性化させなければならない。そのため、先にＰウエルの充電が完了し、Ｖｂｐ＝ＶｂｐＳとなる。そして、信号ＤＥＴＰ１がＬｏｗからＨｉｇｈに設定され、信号ＺＡＣＴＮはＨｉｇｈからＬｏｗに設定される。そのため、信号ＡＣＴＮはＬｏｗからＨｉｇｈに設定される。信号ＡＣＴＮがＨｉｇｈに設定されると、電荷転送部３ａは非活性状態となり電荷の転送が止まる。しかし、信号ＡＣＴＮがＨｉｇｈに設定されるとＮウエル電位発生回路２３が活性化され、Ｎウエルの電荷の放電を開始するので、Ｖｂｎの電位はさらに下がり続ける。また、Ｎウエル電位発生回路２３は、活性化されると、信号ＤＥＴＮ１の信号を参照するようにもなる。
【００８３】
そして、Ｖｂｎ＝ＶｂｎＬが成立すると、信号ＤＥＴＮ１は、ＬｏｗからＨｉｇｈに設定される。その後、Ｎウエル電位発生回路２３は信号ＤＥＴＮ１を参照して動作する。ＶｂｎがＶｂｎＬより低くなった場合、Ｎウエル電位発生回路２３はＶｂｎ＝ＶｂｎＬになるまでＮウエルに電荷を供給する。すなわち、Ｖｂｎ＝ＶｂｎＬを保持するようにＮウエル電位発生回路２３は動作する。
【００８４】
Ｐウエル電位制御部２において、スタンバイモードからアクティブモードに遷移後、Ｐウエルの充電が完了し、Ｖｂｐ＝ＶｂｐＳとなる。そして、信号ＤＥＴＰ１はＬｏｗからＨｉｇｈに設定される。このとき、電荷転送部３ａのＮＯＲ回路３０にＨｉｇｈの信号ＡＣＴＮが入力される。従って、電荷転送部３ａは非活性状態となりＮウエル電位制御部１とＰウエル電位制御部２は電気的に切り離された状態となる。論理回路３１は、Ｌｏｗの信号ＰＤＥおよびＨｉｇｈの信号ＤＥＴＰ１が入力されると、リングオシレータ２１ｂを活性化させる。
【００８５】
リングオシレータ２１ｂは、周期的なクロックをチャージポンプ回路２２ｂに出力する。チャージポンプ回路２２ｂは、リングオシレータ２１ｂからのクロックを受けて、ＶｂｐがＶｂｐＳを維持するために、必要に応じてＰウエルの電荷を放電する。
【００８６】
以上説明したように、実施の形態１に従うＮウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷以上である場合に対応した半導体装置２０１ａにおいては、スタンバイモードからアクティブモードへの遷移時、Ｎウエルの余剰電荷をＰウエルに移動させることで、電荷の無駄な消費をさけ、ウエル電位制御に伴う消費電力の低減を図ることができる。
【００８７】
［実施の形態１の変形例］
次に、本発明の実施の形態１に従い、スタンバイモードからアクティブモードへ遷移する際、Ｎウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷以下である場合に対応した半導体装置２０１ｂの構成を説明する。このとき、以下の（５）式が成立する。
【００８８】
Ｃｗｎ×（ＶｂｎＨ−ＶｂｎＬ）＜Ｃｗｐ×（ＶｂｐＳ−ＶｂｐＤ）…（５）
図７を参照して、実施の形態１の変形例に従う半導体装置２０１ｂは、半導体装置２０１ａと比較して、Ｎウエル電位制御部１、Ｐウエル電位制御部２および電荷転送部３ａにそれぞれ代えて、Ｎウエル電位制御部１ｂ、Ｐウエル電位制御部２ｂおよび電荷転送部３ｂを備える点が異なる。
【００８９】
Ｎウエル電位制御部１ｂは、Ｎウエル電位制御部１と比較して、ＲＳフリップフロップ回路２８の入力信号がＶｂｐの電位を検知する信号ＤＥＴＰ１に代えてＶｂｎの電位を検知する信号ＤＥＴＮ１である点が異なる。この構成において、Ｎウエル電位制御部１ｂは、Ｖｂｐの電位に関係なく制御される。それ以外の構成は、図３に示したＮウエル電位制御部１と同じであるので詳細な説明は繰り返さない。
【００９０】
Ｐウエル電位制御部２ｂは、Ｐウエル電位制御部２と比較して、信号ＰＤＥ、信号ＺＡＣＴＮおよび信号ＺＡＣＴＰが入力される論理回路３５ｂと、論理回路３５ｂの出力信号ＣＩＥＮによって活性化される電荷注入回路３６とをさらに含む点が異なる。論理回路３５ｂに信号ＺＡＣＴＮおよび信号ＺＡＣＴＰが入力されるので、論理回路３５ｂからの出力信号ＣＩＥＮを受ける電荷注入回路３６は、アクティブモード時、ＶｂｎおよびＶｂｐの電位に応じて活性化される。それ以外の構成は、図３に示したＰウエル電位制御部２と同じであるので詳細な説明は繰り返さない。
【００９１】
電荷転送部３ｂは、電荷転送部３ａと比較して、ＮＯＲ回路３０に代えて論理回路３５を含む点と、ＲＳフリップフロップ回路２８ｂをさらに含む点とが異なる。ＲＳフリップフロップ回路２８ｂは、信号ＰＤＥおよび信号ＤＥＴＰ１が入力され、出力信号ＺＡＣＴＰを論理回路３５に出力する。論理回路３５は、信号ＰＤＥ、信号ＺＡＣＴＰおよび信号ＺＡＣＴＮにより出力信号ＩＮをＨｉｇｈまたはＬｏｗに設定する。すなわち、電荷転送部３ｂは、信号ＤＥＴＰ１および信号ＤＥＴＮ１により活性化される。それ以外の構成は、図３に示した電荷転送部３ａと同じであるので詳細な説明は繰り返さない。
【００９２】
次に、半導体装置２０１ｂのスタンバイモードからアクティブモードへ遷移する際における動作を説明する。再び図７を参照して、電荷転送部３ｂは、スタンバイモードからアクティブモードに遷移した直後の一定期間活性化される。そして、当該余剰電荷をＮチャネルＭＯＳトランジスタが形成されるＰウエル部分に送るために、Ｎウエル電位制御部１ｂとＰウエル電位制御部２ｂを電気的に結合する。Ｎウエルの当該余剰電荷の放電が終わると、電荷転送部３ｂは電荷の転送をやめ、Ｎウエル電位制御部１ｂとＰウエル電位制御部２ｂは電気的に切り離される。
【００９３】
このとき、（５）式が成立するので、Ｎウエルの余剰電荷の放電が終わっても、Ｐウエルの充電に必要な電荷は不足している。そこで、Ｐウエル電位制御部２ｂ内の電荷注入回路３６がＰウエルに不足している電荷を注入することによりＶｂｐは平衡状態になる。
【００９４】
Ｎウエル電位制御部１ｂは、スタンバイモード時、Ｎウエル電位制御部１と同様に動作し、チャージポンプ回路２２がＶｂｎをＶｂｎＨにする。Ｐウエル電位制御部２ｂは、スタンバイモード時、Ｐウエル電位制御部２と同様な動作をし、チャージポンプ回路２２ａがＶｂｐをＶｂｐＤにする。電荷転送部３ｂは、スタンバイモード時、論理回路３５にＨｉｇｈの信号ＰＤＥが入力され、信号ＩＮはＬｏｗに設定されるので活性化されない。
【００９５】
電荷転送部３ｂにおいて、スタンバイモードからアクティブモードに遷移すると、信号ＰＤＥはＨｉｇｈからＬｏｗに設定される。このとき、Ｖｂｎ＝ＶｂｎＬとなり、信号ＤＥＴＮ１がＨｉｇｈに設定されるまで、ＲＳフリップフロップ回路２８の出力信号ＺＡＣＴＮはＨｉｇｈを維持する。また、Ｖｂｐ＝ＶｂｐＳとなり、信号ＤＥＴＰ１がＨｉｇｈに設定されるまで、ＲＳフリップフロップ回路２８ｂの出力信号ＺＡＣＴＰはＨｉｇｈを維持する。そのため、Ｖｂｎ＝ＶｂｎＬおよびＶｂｐ＝ＶｂｐＳが成立し、Ｎウエルの余剰電荷の放電およびＰウエルの充電が完了するまでの間、Ｌｏｗの信号ＰＤＥとＨｉｇｈの信号ＺＡＣＴＮおよびＺＡＣＴＰが入力される論理回路３５は活性化され、信号ＩＮをＨｉｇｈに設定する。以降の動作は、半導体装置２０１ａの電荷転送部３ａと同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
【００９６】
Ｎウエル電位制御部１ｂでは、アクティブモード時、信号ＰＤＥがＨｉｇｈからＬｏｗに設定された後、Ｖｂｎ＝ＶｂｎＬとなり、信号ＤＥＴＮ１がＬｏｗからＨｉｇｈに設定される。そして、Ｈｉｇｈの信号ＤＥＴＮ１が入力されるＲＳフリップフロップ回路２８の出力信号ＺＡＣＴＮはＨｉｇｈからＬｏｗに設定される。そして、反転回路２９の出力信号ＡＣＴＮはＨｉｇｈに設定され、Ｎウエル電位発生回路２３を活性化させる。その後、電荷転送部３ｂが非活性状態となり、Ｎウエル電位制御部１ｂとＰウエル電位制御部２ｂが電気的に切り離されても、Ｎウエル電位発生回路２３は、Ｖｂｎが正の電位ＶｂｎＬを維持するよう動作する。すなわち、Ｎウエル電位発生回路２３は、アクティブモードに遷移後、Ｎウエルに余剰に電荷が充電されても、ウエル電位検知回路２０がＶｂｎの電位を常に監視しているので、その余剰電荷を放電させることによりＶｂｎの電位を一定に保つ機能を有する。
【００９７】
Ｐウエル電位制御部２ｂでは、スタンバイモードからアクティブモードに遷移後、Ｐウエルの充電が完了し、Ｖｂｐ＝ＶｂｐＳとなる前に、電荷転送部３ｂは非活性状態となる。なぜなら、（５）式が成立し、Ｎウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷より少ないからである。
【００９８】
そのため、スタンバイモードからアクティブモードに遷移後、まず、Ｎウエル電位制御部１ｂにおいて、Ｖｂｎ＝ＶｂｎＬとなり、信号ＤＥＴＮ１はＬｏｗからＨｉｇｈに設定される。Ｈｉｇｈの信号ＤＥＴＮ１がＲＳフリップフロップ回路２８に入力されると、出力信号ＺＡＣＴＮはＬｏｗに設定される。そして、電荷転送部３ｂ内の論理回路３５にＬｏｗの信号ＺＡＣＴＮが入力されると、電荷転送部３ｂは非活性状態となる。この結果、Ｎウエル電位制御部１ｂとＰウエル電位制御部２ｂは電気的に切り離され、電荷の転送は停止される。
【００９９】
Ｐウエル電位制御部２ｂでは、その後、Ｌｏｗの信号ＰＤＥ、Ｌｏｗの信号ＺＡＣＴＮおよびＨｉｇｈの信号ＺＡＣＴＰが論理回路３５ｂに入力されるので、信号ＣＩＥＮがＬｏｗからＨｉｇｈに設定され、電荷注入回路３６は活性化する。電荷注入回路３６は、Ｖｂｐ＝ＶｂｐＳとなるまで、Ｐウエルに電荷を注入する。
【０１００】
Ｖｂｐ＝ＶｂｐＳとなると、信号ＤＥＴＰ１が、ＬｏｗからＨｉｇｈに設定されるので、電荷転送部３ｂ内のＲＳフリップフロップ回路２８ｂの出力信号ＺＡＣＴＰはＬｏｗに設定される。それに伴い、Ｌｏｗの信号ＺＡＣＴＰが入力される論理回路３５ｂも非活性状態となり、電荷注入回路３６の動作は止まる。
【０１０１】
同時に、Ｌｏｗの信号ＰＤＥとＨｉｇｈの信号ＤＥＴＰ１が入力される論理回路３１は、リングオシレータ２１ｂを活性化させる。リングオシレータ２１ｂは、周期的なクロックをチャージポンプ回路２２ｂに出力する。チャージポンプ回路２２ｂは、リングオシレータ２１ｂからのクロックを受けて、ＶｂｐがＶｂｐＳを維持するために、必要に応じてＰウエルの電荷を放電する。
【０１０２】
以上説明したように、実施の形態１の変形例に従う半導体装置２０１ｂにおいては、Ｎウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷より少ない場合、スタンバイモードからアクティブモードへの遷移時、Ｎウエルの余剰電荷をＰウエルに移動させることで、電荷の無駄な消費をさけ、ウエル電位制御に伴う消費電力の低減を図ることができる。
【０１０３】
［実施の形態２］
図８は、本発明の実施の形態２に従う半導体装置２０１ｃの構成図である。
【０１０４】
図８を参照して、実施の形態２に従う半導体装置２０１ｃは、実施の形態１に従う図３の半導体装置２０１ａと比較して、Ｎウエル電位制御部１および電荷転送部３ａにそれぞれ代えて、Ｎウエル電位制御部１ｂおよび電荷転送部３ｃを備える点が異なる。それ以外の構成は、図３に示した半導体装置２０１ａと同じであるので詳細な説明は繰り返さない。
【０１０５】
Ｎウエル電位制御部１ｂは、Ｎウエル電位制御部１と比較して、ＲＳフリップフロップ回路２８の入力信号がＶｂｐの電位を検知するＤＥＴＰ１に代えてＶｂｎの電位を検知する信号ＤＥＴＮ１である点とが異なる。この構成において、Ｎウエル電位制御部１ｂは、Ｖｂｐの電位に関係なく制御される。それ以外の構成は、図３に示したＮウエル電位制御部１と同じであるので詳細な説明は繰り返さない。
【０１０６】
電荷転送部３ｃは、電荷転送部３ａと比較して、信号ＩＮを出力するＮＯＲ回路３０と、レベル変換回路２４と、直列に接続されたＰチャネルＭＯＳトランジスタ２５、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ２６およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ２７とに代えて、論理回路３８ａと、Ｎウエルの電位を放電させる電荷放電回路３７と、Ｐウエルに電荷を注入する電荷注入回路３９とを含む点と、信号ＰＤＥおよび信号ＤＥＴＰ１が入力されるＲＳフリップフロップ回路２８ｃと、信号ＰＤＥおよびＲＳフリップフロップ回路２８ｃの出力信号ＺＡＣＴＰが入力される論理回路３８と、電荷放電回路３７と電荷注入回路３９との間に設けられた電源配線８０をさらに含む点とが異なる。
【０１０７】
電荷放電回路３７および電荷注入回路３９は、電源配線８０を介して接続されている。電源配線８０は、安定的に制御された所定電圧Ｖｃｃ３を供給する。所定電圧Ｖｃｃ３は、例えば、半導体装置内部で発生し、消費され、そのレベルは、別途専用に設けられた電位制御回路（図示せず）によって制御されている。
【０１０８】
図９は、実施の形態２に従う、半導体装置２０１ｃのウエル電位制御動作を説明するためのＶｂｎと、Ｖｂｐと、信号ＰＤＥと、信号ＤＥＴＮ１と、信号ＤＥＴＰ１と、信号ＺＡＣＴＮと、信号ＺＡＣＴＰと、信号ＩＮと、信号ＣＩＥＮとの動作波形の１例である。この図において、期間１はスタンバイモードであり、期間２はアクティブモードである。ただし、Ｐウエル電位ＶｂｐＳは接地電圧ＧＮＤ以下の電圧であればよく、ＶｂｎＬは接地電圧ＧＮＤ以上の電圧であればよい。
【０１０９】
図１０は、電荷放電回路３７および電荷注入回路３９の構成例を示す。
電荷放電回路３７は、入力される信号の振幅を増大させるレベル変換回路２４と、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ４０とを含む。
【０１１０】
レベル変換回路２４は、図４または図５に示したものと同じなので、詳細な説明は繰り返さない。レベル変換回路２４は、Ｎウエルに余剰電荷がある時に入力される信号ＤＣＥＮのＨｉｇｈの電位を、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ４０がオンするＬｏｗ電位に変換する。ＰチャネルＭＯＳトランジスタがオンすると、Ｎウエルの余剰電荷は、ＮウエルからＰチャネルＭＯＳトランジスタを介して電源配線８０に放電される。
【０１１１】
電荷注入回路３９は、反転回路４３と、電源配線８０とＰウエルとの間に直列に接続されたＰチャネルＭＯＳトランジスタ４１およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ４２とを含む。反転回路４３は、信号ＣＩＥＮの反転信号を、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ４１のゲートに送る。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４２のゲートは、接地電圧ＧＮＤに接続される。
【０１１２】
電荷注入回路３９は、Ｐウエルの充電に電荷が不足しており、信号ＣＩＥＮがＨｉｇｈに設定された時、活性化される。信号ＣＩＥＮのＨｉｇｈ電位は反転回路４３でＬｏｗに設定され、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ４１をオンさせる。そして、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ４１、および常時オンしているＮチャネルＭＯＳトランジスタ４２を介して、電源配線８０とＰウエルが電気的に結合される。その後、Ｐウエルに電源配線８０から電荷が流れこみ、Ｐウエルの充電を完了させる。
【０１１３】
次に、スタンバイモードからアクティブモードへ遷移する際の、半導体装置２０１ｃの動作を説明する。
【０１１４】
再び図８を参照して，電荷転送部３ｃは、アクティブモード時に、ＰチャネルＭＯＳトランジスタが形成されるＮウエル部分に余剰電荷が存在する場合、またはＮチャネルＭＯＳトランジスタが形成されるＰウエルの必要電荷が不足している場合に活性化される。Ｎウエルに余剰電荷が存在する場合、電荷は、電荷放電回路３７を介して電源配線８０に流れ込む。Ｐウエルに必要電荷が不足している場合、電荷は、電源配線８０から電荷注入回路３９を介してＰウエルに流れこむ。
【０１１５】
Ｎウエル電位制御部１ｂは、スタンバイモード時、半導体装置２０１ｂのＮウエル電位制御部１ｂと同じ動作をし、ＶｂｎをＶｂｎＨにする。Ｐウエル電位制御部２は、スタンバイモード時、図３の半導体装置２０１ａのＰウエル電位制御部２と同様に動作し、ＶｂｐをＶｂｐＤにする。
【０１１６】
電荷転送部３ｃは、スタンバイモード時、論理回路３８ａ、３８にＨｉｇｈの信号ＰＤＥが入力され、信号ＤＣＥＮおよび信号ＣＩＥＮが共にＬｏｗに設定されるので活性化されない。
【０１１７】
Ｎウエル電位制御部１ｂでは、アクティブモード時、実施の形態２で説明した半導体装置２０１ｂのＮウエル電位制御部１ｂと同じ動作をするので、詳細な説明は繰り返さない。Ｐウエル電位制御部２では、アクティブモード時、実施の形態１で説明した半導体装置２０１ａのＰウエル電位制御部２と同じ動作をするので、詳細な説明は繰り返さない。
【０１１８】
再び図９を参照して、電荷転送部３ｂにおいて、スタンバイモードからアクティブモードに遷移すると、信号ＰＤＥはＨｉｇｈからＬｏｗに設定される。このとき、Ｖｂｎ＝ＶｂｎＬとなり、信号ＤＥＴＮ１がＨｉｇｈに設定されるまで、ＲＳフリップフロップ回路２８の出力信号ＺＡＣＴＮはＨｉｇｈを維持する。また、Ｖｂｐ＝ＶｂｐＳとなり、信号ＤＥＴＰ１がＨｉｇｈに設定されるまで、ＲＳフリップフロップ回路２８ｃの出力信号ＺＡＣＴＰはＨｉｇｈを維持する。
【０１１９】
アクティブモードに遷移した直後、Ｖｂｎ＞ＶｂｎＬなので信号ＤＥＴＮ１はＬｏｗに設定されている。したがって、ＲＳフリップフロップ回路２８の状態は保持される。つまり、出力信号ＺＡＣＴＮはＨｉｇｈのままである。そして、論理回路３８ａにＬｏｗの信号ＰＤＥおよびＨｉｇｈの信号ＺＡＣＴＮが入力され、信号ＤＣＥＮをＨｉｇｈに設定する。従って、電荷放電回路３７がＨｉｇｈの信号ＤＣＥＮによって活性化される。その時、Ｎウエルに余剰電荷が存在する場合、Ｎウエルの余剰電荷は電荷放電回路３７を介して、電源配線８０に放電される。そして、初めてＶｂｎ≦ＶｂｎＬが成立すると、ＺＡＣＴＮはＨｉｇｈからＬｏｗに設定され、電荷放電回路３７は非活性状態となる。
【０１２０】
また、アクティブモードに遷移した直後、Ｖｂｐ＜ＶｂｐＳなので、信号ＤＥＴＰ１はＬｏｗに設定されている。したがって、ＲＳフリップフロップ回路２８ｃの状態は保持される。つまり、出力信号ＺＡＣＴＰはＨｉｇｈのままである。そして、論理回路３８にＬｏｗの信号ＰＤＥおよびＨｉｇｈの信号ＺＡＣＴＰが入力され、信号ＣＩＥＮをＨｉｇｈに設定する。従って、電荷注入回路３９がＨｉｇｈの信号ＣＩＥＮによって活性化される。その時、Ｐウエルの電荷が不足している場合、Ｐウエルの不足電荷を、電源配線８０から電荷注入回路３９を介して取りだし、Ｐウエルを充電させる。そして、初めてＶｂｐ≧ＶｂｐＳが成立すると、信号ＺＡＣＴＰはＨｉｇｈからＬｏｗに設定され、電荷注入回路３９は非活性状態となる。
【０１２１】
電源配線８０は、Ｎウエルから余剰電荷が入力され、その電荷をＰウエルへ放出している。そのため、従来例の電荷注入回路４９のように、電源電位Ｖｃｃ２から一方的に電荷を消費する構成ではないので、電源電位の過渡的な電位の変動を抑制することができる。さらに、Ｎウエルの余剰電荷を電源配線８０に放電しつつ、電源配線８０から電荷をＰウエルに放出するので、無駄な電荷の消費がなく、消費電力が低減できる。
【０１２２】
そのうえ、電源配線８０は安定的に制御された所定電圧を供給するので、多少の電荷の注入または放電があっても無視できる。そのため、（２）式または（５）式が成立する場合、すなわち、Ｎウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷より多い場合、または、Ｎウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷より少ない場合のどちらにおいても、多少の電荷の注入または放電は、電源配線８０でまかなうことができる。例えば、Ｎウエルに多少の余剰電荷があっても電源配線８０に放電することで、Ｖｂｎ＝ＶｂｎＬとすることができる。Ｐウエルの必要電荷が少し足りなくても、電源配線８０から注入することでＶｂｐ＝ＶｂｐＳとすることができる。
【０１２３】
さらに、電源配線８０を太い低インピーダンスの金属線とすれば、電荷放電回路３７と電荷注入回路３９を互いに離れた場所に配置しても、ＮウエルからＰウエルに電荷が移動する際、電荷の移動速度が遅くなることがない。そのため、実施の形態１の図３の半導体装置２０１ａの電荷転送部３ａ、半導体装置２０１ｂの電荷転送部３ｂよりも電荷転送部の回路の配置の自由度は高くなる。
【０１２４】
以上説明したように、実施の形態２に従う半導体装置２０１ｃにおいては、スタンバイモードからアクティブモード遷移時に、Ｎウエルから放電される電荷量がＰウエルの必要電荷より多い場合、あるいは少ない場合のいずれにおいても、共通の構成によって、ＮウエルからＰウエルへの電荷の移動を実現できる。
【０１２５】
また、Ｎウエルの余剰電荷を安定的に制御された所定電圧を供給する電源配線８０を介して、充電の必要な電荷が不足しているＰウエルに送ることで、ウエル電位を所定の電位にするための動作に起因する消費電力を低減できる。また、電源配線８０に太い低インピーダンスの金属線を用いれば電荷転送部の内部回路の配置の自由度を高くすることができる。
【０１２６】
［実施の形態３］
図１１は、本発明の実施の形態３に従う、Ｎウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷より少ない場合に対応した半導体装置２０２の構成例である。
【０１２７】
図１１を参照して、半導体装置２０２は、電位が一定であるウエル９１上に形成されるＮウエル電位制御部１と、電位が一定であるウエル９２上に形成されるＰウエル電位制御部２と、Ｐ型基板の表層面に形成されたＮウエル１６と、Ｐ型基板の表層面に形成されたＰウエル１４と、Ｐウエル１４を囲み、Ｐ型基板と電気的に切り離すように形成されるボトムＮウエルと、Ｎウエル接続部７１，７２，７３，７４とＰウエル接続部７５，７６，７７，７８をそれぞれ接続する電荷転送部６３、６４、６５、６６とを備える。
【０１２８】
このとき、Ｎウエル１６とＰウエル１４を均一な面積のブロックに仮想的に分割する。また、仮想的に分割された１つのブロックのＮウエルおよびＰウエル上に、ウエル電位検知回路２０に接続され、Ｎウエルの電位を検知するためのＮウエル接続部６１、およびウエル電位検知回路２０ａに接続され、Ｐウエルの電位を検知するためのＰウエル接続部６２が形成される。当該ブロックごとに、ウエル１６とＰウエル１４との間に電荷転送部６３、６４、６５、６６がそれぞれ設けられる。
【０１２９】
このように、複数の電荷転送部を分割配置することで、１つの電荷転送部あたりのウエルの寄生抵抗と寄生容量を低減することができる。本実施の形態３においては、電荷転送部を４つ設けているので、Ｎウエル１６およびＰウエル１４の寄生抵抗および寄生容量は、仮想的なブロック１つにおいて、４分の１となる。寄生抵抗および寄生容量による電荷移動の遅延時間はそれらの積で決まるため、Ｎウエル１６からＰウエル１４への電荷移動の遅延時間は１６分の１にまで短縮できる。もちろん、電荷転送部の数をさらに増やせば電荷移動の遅延時間もさらに短縮できる。
【０１３０】
Ｎウエル電位制御部１は、Ｎウエル１６のＶｂｎを監視するウエル電位検知回路２０と、ウエル電位検知回路２０ａからの信号ＤＥＴＰ１に応答して、信号ＺＡＣＴＮをＨｉｇｈまたはＬｏｗに設定するＲＳフリップフロップ回路２８と、信号ＺＡＣＴＮを反転させ信号ＡＣＴＮを出力する反転回路２９とを含む。それ以外の内部の構成は、実施の形態１の図３のＮウエル電位制御部１と同じであるので詳細な説明は繰り返さない。
【０１３１】
Ｐウエル電位制御部２は、Ｐウエル１４のＶｂｐを監視するウエル電位検知回路２０ａを含む。それ以外の内部の構成は、実施の形態１の図３のＰウエル電位制御部２と同じであるので詳細な説明は繰り返さない。
【０１３２】
ウエル電位検知回路２０およびウエル電位検知回路２０ａは、ウエル電位検知回路を構成するトランジスタのしきい値電圧が変動することなく、正確な動作を確保するために、ＶＴ方式が適用されず、モードにかかわらず、電位が一定に制御されるウエル９１、９２上に形成される。なお、ウエル９１、９２の各々は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタが形成されるＰウエルおよびＰチャネルＭＯＳトランジスタが形成されるＮウエルを総括的に表記している。
【０１３３】
次に、Ｎウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷より少ない場合における、スタンバイモードからアクティブモードへ遷移する際の、半導体装置２０２の動作を説明する。スタンバイモード時のＮウエル電位制御部１、Ｐウエル電位制御部２および電荷転送部６３、６４、６５、６６とアクティブモード時のＮウエル電位制御部１およびＰウエル電位制御部２の動作は、実施の形態１と同じであるので、詳細な説明は繰り返さない。
【０１３４】
アクティブモード時、並列に接続された電荷転送部６３、６４、６５、６６の各々は、制御信号ＰＤＥを受けて共通に活性化される。そして、Ｎウエル１６の余剰電荷は、並列に接続された電荷転送部６３、６４、６５、６６を介して、電荷が必要なＰウエル１４に送られる。その後、Ｖｂｐ＝ＶｂｐＳとなると、ＲＳフリップフロップ回路２８からＺＡＣＴＮ信号が出力される。そして、ＺＡＣＴＮ信号は、反転回路２９によりＡＣＴＮ信号となる。ＡＣＴＮ信号は、電荷転送部６３、６４、６５、６６を非活性状態とし、電荷の転送は終わる。
【０１３５】
以上説明したように、実施の形態３に従い、Ｎウエルの余剰電荷がＰウエルの必要電荷より少ない場合に対応した半導体装置２０２は、スタンバイモードからアクティブモードに遷移時、実施の形態１の図３の半導体装置２０１ａと比較して、電荷の移動の遅延時間を短縮することができる。従って、ウエル電位の制御時間が短縮され、スタンバイモードからアクティブモードに遷移する時間も短縮できる。
【０１３６】
また、各ブロックのウエル電位の変化は同様であると考えられるため、本実施の形態３のように、分割されたブロックの１ブロックをモニタするように構成すれば、制御系の小面積化を図ることができる。さらに、ウエルを分割して電荷転送を制御しているため、全体としてウエル内の電位分布も抑制できる。
【０１３７】
ウエル電位検知回路２０およびウエル電位検知回路２０ａは、ＶＴ方式が適用されないウエル９１、９２上に形成される。従って、ウエル電位検知回路を構成するトランジスタのしきい値電圧が変動しないので、正確なウエル電位制御を実行できる。
【０１３８】
本実施の形態３では、半導体装置２０２のＮウエル電位制御部１と、電荷転送部６３、６４、６５、６６と、Ｐウエル電位制御部２とは、図３の半導体装置２０１ａにおけるＮウエル電位制御部１と電荷転送部３ａとＰウエル電位制御部２とそれぞれ同じ構成である。しかし、Ｎウエル電位制御部１と、電荷転送部６３、６４、６５、６６と、Ｐウエル電位制御部２とを、図７の半導体装置２０１ｂまたは図８の半導体装置２０１ｃのそれぞれと同様の構成にすれば、電荷転送部６３、６４、６５、６６は、図７の電荷転送部３ｂまたは図８の電荷転送部３ｃとしても適用することが可能である。
【０１３９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０１４０】
【発明の効果】
請求項１、２および５に記載の半導体装置は、モード遷移に応答して、ＣＭＯＳ論理回路のＮウエルの電位およびＰウエルの電位を監視することにより、Ｎウエルの余剰電荷を電荷の不足しているＰウエルに移動させることができるので、電荷の無駄な消費をさけ、消費電力の低減を図ることができる。
【０１４１】
請求項３に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置の奏する効果に加えて、ＮウエルまたはＰウエルの電位に応じて、電荷転送部の動作を制御することができる。
【０１４２】
請求項４に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置の奏する効果に加えて、電荷転送部が機能しないときでも、Ｎウエルの電位およびＰウエルの電位を制御することができる。
【０１４３】
請求項６に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置の奏する効果に加えて、電荷転送部内の電荷のやり取りをする複数のトランジスタを直列に接続することで、トランジスタ１つあたりに加わる電圧を下げることができ、電荷転送部の信頼性の向上を図ることができる。
【０１４４】
請求項７に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置の奏する効果に加えて、電荷転送部を電荷放電回路と電荷注入回路との間に安定的に制御された所定電圧を供給する電源配線を設ける構成にすることにより、Ｎウエルから放電される電荷量がＰウエルの必要電荷より多い場合、あるいは少ない場合においても、共通の構成でＮウエルからＰウエルへの電荷の移動を実現できる。
【０１４５】
請求項８に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置の奏する効果に加えて、電荷の移動時間を短縮することができ、モード遷移の時間の短縮を図ることができる。
【０１４６】
請求項９に記載の半導体装置は、請求項８に記載の半導体装置の奏する効果に加えて、ウエル電位を検知する回路のトランジスタのしきい値電圧が変動しないので、正確なウエル電位制御を実行できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の半導体装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１の半導体装置の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１の半導体装置の詳細な構成図である。
【図４】レベル変換回路２４の第１の構成例を示した図である。
【図５】レベル変換回路２４の第２の構成例を示した図である。
【図６】ＶｂｎおよびＶｂｐの電位と、信号ＤＥＴＮ０、ＤＥＴＮ１、ＤＥＴＰ０およびＤＥＴＰ１の状態との関係を示す概念図である。
【図７】本発明の実施の形態１の変形例に従う半導体装置の構成図である。
【図８】本発明の実施の形態２の半導体装置の詳細な構成図である。
【図９】本発明の実施の形態２の半導体装置におけるウエル電位制御動作を説明する動作波形図である。
【図１０】電荷放電回路３７および電荷注入回路３９の構成を示した構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態３の半導体装置の構成図である。
【図１２】従来の半導体装置の構成図である。
【図１３】従来のＮウエル電位制御部１ｅの構成図である。
【図１４】従来のＰウエル電位制御部２ｅの構成図である。
【図１５】電荷注入回路４９の回路図である。
【図１６】ウエル電位と信号ＰＤＥとの関係を示した図である。
【符号の説明】
１，１ｂ，１ｅ　Ｎウエル電位制御部、２，２ｂ，２ｅ　Ｐウエル電位制御部、３　スイッチ、３ａ，３ｂ，３ｃ，６３，６４，６５，６６　電荷転送部、４，２５，２６，４０，４１，５１，１０１，１０１ａ，１０２，１０２ａ　ＰチャネルＭＯＳトランジスタ、５，２７，４２，５２，１０３，１０３ａ　ＮチャネルＭＯＳトランジスタ、９，１１，６１，７１，７２，７３，７４　Ｎウエル接続部、１０，６２，７５，７６，７７，７８　Ｐウエル接続部、１３　ボトムＮウエル、１４　Ｐウエル、１５　Ｐ型基板、１６　Ｎウエル、１８，１８ａ，１９　電圧生成部、２０，２０ａ　ウエル電位検知回路、２１，２１ａ，２１ｂリングオシレータ、２２，２２ａ，２２ｂ　チャージポンプ回路、２３　Ｎウエル電位発生回路、２４　レベル変換回路、２８，２８ｂ，２８ｃ　ＲＳフリップフロップ回路、２９　反転回路、３０，５０　ＮＯＲ回路、３１，３５，３５ｂ，３８，３８ａ　論理回路、３２，３３，４６，４６ａ　ＡＮＤ回路、３４　抵抗回路、３６，３９，４９　電荷注入回路、３７，７０　電荷放電回路、４３，１１０，１１１，１１１ａ，１１２，１１３，１１４　反転回路、４５，４５ａ　ウエル電位検知回路、４７，４７ａ　リングオシレータ、４８，４８ａ　チャージポンプ回路、８０　電源配線、９１，９２　ウエル、２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０２，２１０　半導体装置、Ｎ１　ノード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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