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JPH0524670B2 - - Google Patents
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JPH0524670B2 - - Google Patents

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JPH0524670B2
JPH0524670B2 JP58037937A JP3793783A JPH0524670B2 JP H0524670 B2 JPH0524670 B2 JP H0524670B2 JP 58037937 A JP58037937 A JP 58037937A JP 3793783 A JP3793783 A JP 3793783A JP H0524670 B2 JPH0524670 B2 JP H0524670B2
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JP
Japan
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voltage
power supply
circuit
internal power
supply line
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JP58037937A
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Inventor
Yukimasa Uchida
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10Regulating voltage or current 
    • G05F1/46Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/462Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC as a function of the requirements of the load, e.g. delay, temperature, specific voltage/current characteristic
    • G05F1/467Sources with noise compensation

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Continuous-Control Power Sources That Use Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明はMISトランジスタたとえばMOSト
ランジスタによつて構成された半導体集積回路に
関し、特に実効チヤネル長が1μm以下のMOSト
ランジスタを含む半導体集積回路に関する。 〔発明の技術的背景〕 MOSトランジスタを含む半導体集積回路の発
展にはめざましいものであり、1960年代の後半で
は実効チヤネル長が約10μmのMOSトランジスタ
による集積度が数十ないし数百素子のものが実現
されている。さらに微細加工化、高集積化が進
み、近年では実効チヤネル長が1.5μm程度で素子
数も数十万素子のVLSIへと発展を続け、将来は
実効チヤネル長が1μm以下のサブミクロンMOS
トランジスタによるサブミクロン半導体集積回路
の出現が予想される。 ところで、従来のMOS形の半導体集積回路で
は、外部供給電源で直接に内部機能回路を動作さ
せていて、供給電源電圧も内部機能回路を構成す
るMOSトランジスタの実効チヤネル長の縮小と
ともに低減されてきている。たとえば、現在の
1.5μmの実効チヤネル長のものでは、5V単一電
源下で動作させている。 〔背景技術の問題点〕 MOSトランジスタの実効チヤネル長の縮小に
伴い、電源電圧を一定にした場合の条件下では素
子内の電界は上昇しており、この電界の上昇によ
つて次のような不都合が発生する。 インパクトイオン化によるホツトエレクトロ
ンやホツトホールの発生 基板電流の増大 パンチスルー耐量の低下 ソース、ドレイン各接合におけるブレークダ
ウンの発生 ホツトキヤリアのゲート絶縁膜へのトラツプ
によるMOSトランジスタの閾値電圧の経時変
化 このような不都合の発生により、外部供給電源
の電圧範囲には厳しい制限が与えられるという欠
点がある。 さらに将来のサブミクロン半導体集積回路で
は、電源電圧を現在までの標準電源である5V単
一電源よりも低いものにする必要が出てくると思
われる。これは前記したようなからの不都合
の発生を防止するためであるが、この中でも特に
ホツトキヤリアのゲート絶縁膜中へのトラツプに
よるMOSトランジスタの閾値電圧の経時変化は、
サブミクロン半導体集積回路の速度性能の著しい
劣化や、不良動作の発生を引き起こす原因とな
る。 第1図は一般的なエンハンスメント形MOSト
ランジスタの構成を示す断面図である。図におい
て1はたとえば導電型がp型のシリコン基板であ
り、この基板1の内表面にはn+型の一対のソー
ス領域2及びドレイン領域3が形成されている。
さらに上記ソース、ドレイン領域間のチヤネル上
にはゲート絶縁膜4を介して多結晶シリコンから
なるゲート電極5が形成されている。 第2図は上記構成でなるMOSトランジスタの
エネルギーバンド状態を示す図である。 いま第2図に示すように、シリコン基板1とゲ
ート絶縁膜4の表面との間に形成される、エレク
トロンに対するポテンシヨンバリヤφeは約3.1eV
有り、またホールに対するポテンシヨンバリヤ
φhは約3.8eV有る。ここで、素子が微細化され、
第1図中、Leffで示されるMOSトランジスタの実
効チヤネル長が1μm以下に短縮された状態におい
て電源電圧が5Vに設定されているならば、イン
パクトイオン化によつて発生したホツトエレクト
ロンやホツトホールがそれぞれ上記ポテンシヨン
バリヤφe,φhを越えてゲート絶縁膜4中に放出
される確率は高くなる。するとエレクトロンある
いはホールがトラツプされて、閾値電圧の経時変
化が大きなものになつてしまう。他方、システム
応用上からは、システムを構成する各集積回路の
電源が共通化されることが小型化、低コスト化の
面から好ましく、またTTLコンパチビリテイ等
も考慮した場合、サブミクロン半導体集積回路も
現在の標準化電源である5V電源下で動作するの
が好ましい。しかしながら、従来のように外部供
給電源で直接に内部機能回路を動作させる方式の
半導体集積回路では、5V電源下で動作させるこ
とは上記したように特性の劣化を招き、不良の発
生を引き起すという欠点がある。 また、従来方式の半導体集積回路では、その性
能たとえば動作速度、消費電流等が外部供給電圧
に対し大きく依存して変化してしまう。このた
め、集積回路の設計上の困難度が増したり、シス
テム応用上使いにくくなる欠点がある。 またさらに、従来方式の半導体集積回路では、
応用上精度のよい電源の下で動作させなければな
らない。すなわち、精度の低い電源を用いる場
合、過大電圧が印加されると劣化したりして信頼
性上の問題を引き起し、また電源スパイクや電源
ノイズによる劣化や誤動作を伴う。 〔発明の目的〕 この発明は上記のような事情を考慮してなされ
たものであり、その第1の目的は、広い範囲の外
部供給電源電圧の下で劣化なく、高い信頼性で動
作する半導体集積回路を提供することにある。 この発明の第2の目的は、広い範囲の外部供給
電源電圧に対して、一定した性能で動作する半導
体集積回路を提供することにある。 この発明の第3の目的は、電源スパイクによる
劣化のない半導体集積回路を提供することにあ
る。 この発明の第4の目的は、電源ノイズや変動に
対して安定に動作する半導体集積回路を提供する
ことにある。 〔発明の概要〕 上記目的を達成するためこの発明にあつては、
相互間に電源電圧が供給される第1、第2の端子
のうちいずれか一方の端子の電圧をシフトして内
部電源線に供給するトランジスタ素子、内部電源
線の電圧を所定の閾値電圧で検出し、その検出出
力を上記トランジスタ素子の制御端子に供給する
電圧検出回路とで、上記第1あるいは第2の端子
の電圧からシフトされた一定電圧を得る内部電源
回路を構成し、この内部電源回路で得られる電圧
と第1、あるいは第2の端子の電圧との下で、
MOSトランジスタにより構成される内部機能回
路を動作させるようにしている。 〔発明の実施例〕 以下図面を参照してこの発明の一実施例を説明
する。第3図はこの発明に係る半導体集積回路の
構成を示すブロツク図である。 図において10は外部から電源電圧VCC(たと
えば5V)が供給される電源端子、20は接地電
圧VSS(0V)が外部から与えられる接地端子、
0は上記端子10に供給される電圧を降圧してシ
フトし一定電圧VINTを得る内部電源回路、40は
この内部電源回路30で得られる電圧VINTが供給
されこの電圧により充電される内部電源線、50
はこの内部電源線40における電圧を電源電圧と
して用いて動作する、MOSトランジスタによつ
て構成されたたとえばダイナミツクRAM、スタ
テイツクRAM、ROM、EPROM、E2PROM等
のメモリあるいはマイクロプロセツサ、マイクロ
コンピユータ等の論理回路からなる内部機能回
路、60はこの内部機能回路50に入力信号を供
給するために設けられた入力端子、70は内部機
能回路50からの信号を外部に出力するために設
けられた出力端子である。 上記内部電源回路30は、制御端子31を有す
る降圧回路32と、上記内部電源線40の電圧を
所定の閾値電圧で検出し、この検出出力が上記降
圧回路32の制御端子31に供給される電圧検出
回路33とから構成されている。 上記構成でなる半導体集積回路では、電源端子
10に供給される電圧VCCから内部電源回路30
でこの電圧VCCよりも低い一定電圧VINTを作りこ
れを内部機能回路50の電源電圧として使用する
ようにしたものである。また、内部電源回路30
では次のようにして電圧VCCから電圧VINTを得て
いる。すなわち、降圧回路32ではその制御端子
31に供給される電圧検出回路33からの出力に
応じて電圧VCCを降圧し電圧VINTを得る。一方、
電圧検出回路33は、上記内部電源40における
電圧VINTを所定の閾値電圧VTHで検出する。この
検出出力は上記降圧回路32の制御端子31に供
給されるため、この降圧回路32からの出力電圧
VINTは、降圧回路32及び電圧検出回路33から
なる閉ループでVTHと一致するように制御され
る。 第4図ないし第7図はそれぞれ、上記第3図の
実施例回路における内部電源回路30の具体的な
回路図である。 第4図において、降圧回路32はエンハンスメ
ント形のPチヤネルMOSトランジスタ101に
より構成され、このMOSトランジスタ101の
ソースが端子10に、ドレインが内部電源線40
にそれぞれ接続され、さらにゲートが制御端子3
1に接続されている。電圧検出回路33は、Pチ
ヤネルMOSトランジスタ301とNチヤネル
MOSトランジスタ302とからなるCMOSイン
バータ303と、これと同様の構成をもう1つの
CMOSインバータ304を縦続接続して構成さ
れる。この電圧検出回路33の閾値電圧VTHは、
主としてCMOSインバータ303を構成する2
つのMOSトランジスタ301と302それぞれ
のスレツシヨルド電圧Vthと相互コンダクタンス
の比により決められ、たとえば2.0Vとなるよう
に設定される。 このような構成でなる内部電源回路において、
内部電源線40の電圧VINTが電圧検出回路33
閾値電圧VTHよりも低いと、すなわち VINT<VTHならば、電圧検出回路33の出力信号
は低レベル(VSS電位)となり、これによつてP
チヤネルMOSトランジスタ101の導通度が上
がり、内部電源線40の電圧VINTが高められる。
これとは逆にVINT>VTHならば電圧検出回路33
の出力信号は高レベル(VCC電位)となり、これ
によつてPチヤネルMOSトランジスタ101の
導通度が下がり、内部電源線40の電位VINTは今
度は低くなる。以上の動作により、内部電源線4
0の電圧VINTは、 VINT=VTH に設定されることになる。すなわち、この回路で
は上記したようにVTHが2.0Vに設定されているた
め、VINTも2.0V一定に設定され、外部供給電源電
圧VCCの値が5V一定のときにも、あるいは電圧変
動、電源スパイクや電源ノイズによる変動に対し
ても、VINTの値は2.0V一定のままとなる。 なお、この具体回路では、電圧検出回路33が
縦続接続された2個のCMOSインバータ303
と304とから構成されているため、内部電源線
40の電圧を検出する際の増幅度を十分に大きく
することができ、これにより、内部電源線40の
電圧が変動したときに短時間で元に戻すことがで
きる。また、CMOSインバータを用いているた
めに閾値電圧VTHの制御を容易に行うことがで
き、内部電源線40の電圧を比較的自由に設定す
ることができる。 第5図の内部電源回路は、降圧回路32がエン
ハンスメント形のNチヤネルMOSトランジスタ
102で構成される場合の例を示す。そしてこの
MOSトランジスタ102のドレインが端子10
に、ソースが内部電源線40にそれぞれ接続さ
れ、ゲートが制御端子31に接続されている。こ
のとき電圧検出回路33は、NチヤネルのMOS
トランジスタ305と負荷抵抗306とからなる
インバータ回路307によつて構成される。すな
わち、この回路は第4図回路とくらべて、Pチヤ
ネルMOSトランジスタ101がNチヤネルMOS
トランジスタ102に置き変わつており、制御端
子31に供給される信号に対する動作が逆になる
ため、電圧検出回路33も2段インバータ構成の
ものから1段インバータ構成のものに置き替えら
れている。なお、この第5図回路内のNチヤネル
MOSトランジスタ102はデイプレツシヨン形
のものを用いるようにしても良い。 第6図の内部電源回路では、第4図の降圧回路
32としてのPチヤネルMOSトランジスタ10
1の代りにPNP形のバイポーラトランジスタ1
03を用いるようにしたものであり、このように
構成しても第4図回路と同様に動作する。このと
き、制御端子31はPNP形バイポーラトランジ
スタ103のベースに接続されている。この具体
回路の場合にも、電圧検出回路33が2個の
CMOSインバータ303と304とで構成され
ているので、第4図の場合と同様に、内部電源線
40の電圧が変動したときに短時間で元に戻すこ
とができる 第7図の内部電源回路では、第5図の降圧回路
32としてのNチヤネルMOSトランジスタ10
2の代りにNPN形のバイポーラトランジスタ1
04を用いるようにしたものであり、このように
構成しても第5図回路と同様に動作する。なおこ
のとき、電圧検出回路33はPチヤネルMOSト
ランジスタ301とNチヤネルMOSトランジス
タ302とからなる1段のCMOSインバータ
03で構成されている。これは第5図のインバー
タ回路307と同様に構成してもよいが、バイポ
ーラトランジスタ104により大きなベース電流
を供給するにはCMOS構成とした方が効果的で
ある。 ところで、第4図ないし第7図の各回路におい
て、内部電源線40における電圧設定は、内部電
源線40に付随している容量を降圧回路32の出
力電圧で充電することにより行なわれる。一方、
降圧回路32、内部電源線40および電圧検出回
33は閉ループを構成しており、条件によつて
はこの閉ループで発振現象が生じる恐れがある。
そこで、上記各実施例では、降圧回路32によつ
て内部電源線40を充電する際の時定数をTと
し、さらに電圧検出回路33の電圧検出時の時定
数(閾値検出時間)をTdとする場合に、td<Tの
関係を満足するように、トランジスタ101,1
02,103,104の大きさあるいは電圧検出
回路33内の各トランジスタの大きさ等を設定し
て発振を防止するようにしている。 第8図はこの発明の他の実施例の構成を示すブ
ロツク図である。この実施例回路では出力電圧の
異なる2つの内部電源回路30A,30Bを設
け、それぞれの出力電圧VINT1,VINT2で内部機能
回路50の異なる部分を動作させるようにしたも
のである。このように2つの内部電源回路30
A,30Bを設けることによつて、内部機能回路
50の一方部分では電源電圧を低くして消費電力
の節減化を図り、他方部分では電源電圧を高くし
て動作速度の高速化を図るという効果を得ること
ができる。 このように上記実施例では次のような効果が実
現される。まず、各実施例ではたとえば2.0Vか
ら8Vという広い範囲の外部供給電源電圧VCCに対
し、高い電流供給能力の、2.0V一定の電圧を出
力する内部電源回路をオンチツプに得ることがで
きる。そしてこの一定した、しかも降圧された内
部電源電圧の下で実効チヤネル長が1μm以下の
MOSトランジスタを含む内部機能回路50が動
作するので、背景技術で説明したからまでの
MOSトランジスタの微細化による電源電圧制限
の問題点がすべて解消でき、これによつて劣化現
象のないサブミクロンオーダーの半導体集積回路
が実現できる。 さらに外部供給電源電圧が変化しても、降圧さ
れた一定の内部電源電圧の下で内部機能回路が動
作するので、外部供給電源電圧の変化に対して動
作速度や消費電流等の性能が一定で安定したサブ
ミクロンオーダーの半導体集積回路が実現でき
る。同様に、電源ノイズに対しても強い半導体集
積回路が実現できるとともに、電源スパイクが入
つても劣化しない半導体集積回路が実現できる。
これによつて1μm以下の実効チヤネル長のMOS
トランジスタを含む半導体集積回路を従来の標準
化電源である5V単一電源でかつTTLインターフ
エースで動作させることが可能であり、また、将
来の低電圧化されたたとえば3.5V電源の下でも
同様な性能で動作させることもできる。 ところで、上記第3図に示す実施例回路では、
電源端子10に供給される電源電圧VCCを用いて
内部電源回路50でこれをシフトして低い一定電
圧VINTを作り、内部機能回路50は接地電位VSS
とこの一定電圧VINTとの間で動作させるように構
成されているが、これは第9図の実施例に示すよ
うに降圧回路31の代りに電圧シフト回路34
設けられた内部電源回路30′によつて接地端子
20における電圧を0Vからシフトさせて内部電
源線40に供給するようにしてもよい。この実施
例の場合、内部機能回路50は内部電源線40で
得られるシフトされた電圧VINTと電源電圧VCC
下で動作することになる。 第10図ないし第13図はそれぞれ、上記第9
図の実施例回路における内部電源回路30′の具
体的な回路図であり、前記第4図ないし第7図の
ものとそれぞれ対応している。そしてこれら第1
0図ないし第13図の回路では、出力電圧として
接地電圧VSSをシフトしてこれよりも高い電圧を
出力するために、第4図ないし第7図中のPチヤ
ネルMOSトランジスタ101、NチヤネルMOS
トランジスタ102、PNP形のバイポーラトラ
ンジスタ103、NPN形のバイポーラトランジ
スタ104の代りに、NチヤネルMOSトランジ
スタ401、PチヤネルMOSトランジスタ40
2、NPN形のバイポーラトランジスタ403、
PNP形のバイポーラトランジスタ404それぞ
れで電圧シフト回路34が構成される。 なお、前記第8図と同様に、上記第9図に示す
内部電源回路30′を2つ設け、それぞれの出力
電圧で内部機能回路50の異なる部分を動作させ
るように構成してもよい。 なお、この発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく種々の変形が可能である。たとえば降圧
回路32はあるいは電圧シフト回路34はそれぞ
れ単一のMOSトランジスタあるいはバイポーラ
トランジスタで構成する場合について説明した
が、これは2つあるいはそれ以上のトランジスタ
を並列接続もしくは直列接続して構成するように
してもよい。また第4図ないし第7図あるいは第
10図ないし第13図に示す内部電源回路の出力
電圧が2.0Vに設定される場合について説明した
が、これは電圧検出回路33における閾値電圧
VTHの設定によつて、MOSトランジスタの実効チ
ヤネル長が1μm、0.5μm、0.1μmと縮小されるに
従つてたとえば2.0Vから0.5V等と変化させるこ
とができるのはいうまでもない。 〔発明の効果〕 以上説明したようにこの発明によれば、広い範
囲の外部供給電源電圧の下で劣化なく、高い信頼
性でしかも一定した性能で動作し、電源スパイク
による劣化もなく、電源ノイズや変動に対して安
定に動作する半導体集積回路を提供することがで
きる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a semiconductor integrated circuit configured with MIS transistors, such as MOS transistors, and particularly relates to a semiconductor integrated circuit including MOS transistors with an effective channel length of 1 μm or less. [Technical Background of the Invention] The development of semiconductor integrated circuits including MOS transistors has been remarkable, and in the late 1960s, MOS transistors with an effective channel length of approximately 10 μm were being integrated with tens to hundreds of elements. It has been realized. Furthermore, microfabrication and high integration have progressed, and in recent years, VLSI has continued to develop with an effective channel length of about 1.5 μm and hundreds of thousands of elements, and in the future submicron MOS with an effective channel length of 1 μm or less.
The emergence of submicron semiconductor integrated circuits using transistors is expected. By the way, in conventional MOS type semiconductor integrated circuits, internal functional circuits are operated directly by external power supply, and the supply voltage has been reduced as the effective channel length of the MOS transistors that make up the internal functional circuits has been reduced. There is. For example, the current
The one with an effective channel length of 1.5μm is operated under a single 5V power supply. [Problems in the background art] As the effective channel length of MOS transistors decreases, the electric field inside the device increases under the condition that the power supply voltage is constant, and this increase in electric field causes the following problems. An inconvenience will occur. Generation of hot electrons and hot holes due to impact ionization Increase in substrate current Decreased punch-through resistance Occurrence of breakdown at source and drain junctions Change in threshold voltage of MOS transistor over time due to trapping of hot carriers in the gate insulating film This has the disadvantage that the voltage range of the externally supplied power source is severely limited. Furthermore, future submicron semiconductor integrated circuits will likely require a lower power supply voltage than the current standard 5V single power supply. This is to prevent the occurrence of the above-mentioned disadvantages, but in particular, changes over time in the threshold voltage of the MOS transistor due to trapping of hot carriers into the gate insulating film are
This causes a significant deterioration in the speed performance of submicron semiconductor integrated circuits and causes malfunctions. FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a general enhancement type MOS transistor. In the figure, reference numeral 1 denotes a silicon substrate of p-type conductivity, for example, and a pair of n + type source region 2 and drain region 3 are formed on the inner surface of this substrate 1 .
Furthermore, a gate electrode 5 made of polycrystalline silicon is formed on the channel between the source and drain regions with a gate insulating film 4 interposed therebetween. FIG. 2 is a diagram showing the energy band state of the MOS transistor having the above configuration. As shown in FIG. 2, the potential barrier φ e for electrons formed between the silicon substrate 1 and the surface of the gate insulating film 4 is approximately 3.1 eV.
Yes, and the potential barrier φ h for the hole is about 3.8eV. Here, the element is miniaturized,
In Figure 1, if the effective channel length of the MOS transistor, indicated by L eff , is shortened to 1 μm or less and the power supply voltage is set to 5 V, the hot electrons and hot holes generated by impact ionization are The probability of being emitted into the gate insulating film 4 increases beyond the potential barriers φ e and φ h . Then, electrons or holes are trapped, resulting in a large change in threshold voltage over time. On the other hand, from a system application point of view, it is preferable to share the power supply for each integrated circuit that makes up the system from the standpoint of miniaturization and cost reduction. Preferably, the circuit also operates under a 5V power supply, which is the current standardized power supply. However, in conventional semiconductor integrated circuits in which the internal functional circuits are operated directly by an external power supply, operating them under a 5V power supply causes the characteristics to deteriorate as described above, leading to the occurrence of defects. There are drawbacks. Furthermore, in conventional semiconductor integrated circuits, their performance, such as operating speed, current consumption, etc., vary greatly depending on externally supplied voltage. For this reason, there are disadvantages in that the degree of difficulty in designing the integrated circuit increases and that it becomes difficult to use in system applications. Furthermore, in conventional semiconductor integrated circuits,
For application purposes, it must be operated under a highly accurate power source. That is, when using a power supply with low precision, application of an excessive voltage causes deterioration and reliability problems, and deterioration and malfunctions occur due to power supply spikes and power supply noise. [Objective of the Invention] This invention was made in consideration of the above circumstances, and its first purpose is to provide a semiconductor that operates with high reliability without deterioration under a wide range of externally supplied power supply voltages. The purpose is to provide integrated circuits. A second object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit that operates with constant performance over a wide range of externally supplied power supply voltages. A third object of the invention is to provide a semiconductor integrated circuit that does not deteriorate due to power supply spikes. A fourth object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit that operates stably against power supply noise and fluctuations. [Summary of the invention] In order to achieve the above object, this invention has the following features:
A transistor element that shifts the voltage of either one of the first and second terminals to which power supply voltage is supplied to the internal power line, and detects the voltage of the internal power line at a predetermined threshold voltage. and a voltage detection circuit that supplies the detection output to the control terminal of the transistor element, forming an internal power supply circuit that obtains a constant voltage shifted from the voltage of the first or second terminal, and this internal power supply circuit Under the voltage obtained at and the voltage at the first or second terminal,
An internal functional circuit made up of MOS transistors is operated. [Embodiment of the Invention] An embodiment of the invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 3 is a block diagram showing the structure of a semiconductor integrated circuit according to the present invention. In the figure, 10 is a power supply terminal to which a power supply voltage V CC (for example, 5V) is supplied from the outside, 20 is a ground terminal to which a ground voltage V SS (0V) is supplied from the outside, 3
0 is an internal power supply circuit that steps down and shifts the voltage supplied to the terminal 10 to obtain a constant voltage V INT , and 40 is an internal power supply that is supplied with the voltage V INT obtained by this internal power supply circuit 30 and is charged by this voltage. line, 50
is a memory such as dynamic RAM, static RAM, ROM, EPROM, E 2 PROM, etc., or a microprocessor, microcomputer, etc., which is configured with MOS transistors and operates using the voltage on the internal power supply line 40 as a power supply voltage. 60 is an input terminal provided for supplying an input signal to this internal functional circuit 50 , and 70 is an output provided for outputting a signal from the internal functional circuit 50 to the outside. It is a terminal. The internal power supply circuit 30 detects the voltage of the voltage reduction circuit 32 having a control terminal 31 and the internal power supply line 40 at a predetermined threshold voltage, and the detected output is a voltage supplied to the control terminal 31 of the voltage reduction circuit 32 . It is composed of a detection circuit 33 . In the semiconductor integrated circuit having the above configuration, the internal power supply circuit 30 is connected to the voltage V CC supplied to the power supply terminal 10.
A constant voltage V INT lower than this voltage V CC is created and used as the power supply voltage of the internal functional circuit 50 . In addition, the internal power supply circuit 30
Then, the voltage V INT is obtained from the voltage V CC as follows. That is, the step-down circuit 32 steps down the voltage V CC in accordance with the output from the voltage detection circuit 33 supplied to its control terminal 31 to obtain the voltage V INT . on the other hand,
The voltage detection circuit 33 detects the voltage V INT at the internal power supply 40 at a predetermined threshold voltage V TH . Since this detection output is supplied to the control terminal 31 of the step-down circuit 32 , the output voltage from this step-down circuit 32 is
V INT is controlled by a closed loop consisting of a voltage step-down circuit 32 and a voltage detection circuit 33 to match V TH . 4 to 7 are specific circuit diagrams of the internal power supply circuit 30 in the embodiment circuit of FIG. 3, respectively. In FIG. 4, the step-down circuit 32 is composed of an enhancement type P-channel MOS transistor 101, the source of which is connected to the terminal 10, and the drain connected to the internal power supply line 40.
are connected to the control terminal 3, and the gate is connected to the control terminal 3.
Connected to 1. The voltage detection circuit 33 includes a P-channel MOS transistor 301 and an N-channel MOS transistor 301.
A CMOS inverter 303 consisting of a MOS transistor 302 and another similar configuration
It is configured by cascading CMOS inverters 304 . The threshold voltage V TH of this voltage detection circuit 33 is
2 which mainly constitutes the CMOS inverter 303
It is determined by the ratio between the threshold voltage V th and the mutual conductance of each of the two MOS transistors 301 and 302, and is set to, for example, 2.0V. In an internal power supply circuit with such a configuration,
If the voltage V INT of the internal power supply line 40 is lower than the threshold voltage V TH of the voltage detection circuit 33 , that is, if V INT <V TH , the output signal of the voltage detection circuit 33 becomes a low level (V SS potential), and this By P
The degree of conductivity of the channel MOS transistor 101 is increased, and the voltage V INT of the internal power supply line 40 is increased.
On the other hand, if V INT > V TH , the voltage detection circuit 33
The output signal becomes high level (V CC potential), thereby the conductivity of P channel MOS transistor 101 decreases, and the potential V INT of internal power supply line 40 becomes low. By the above operation, internal power line 4
The voltage V INT of 0 will be set to V INT =V TH . In other words, in this circuit, since V TH is set to 2.0V as described above, V INT is also set to a constant 2.0V, and even when the external supply voltage V CC is constant 5V or due to voltage fluctuations. , the value of V INT remains constant at 2.0V even with fluctuations due to power supply spikes and power supply noise. Note that in this specific circuit, the voltage detection circuit 33 consists of two CMOS inverters 303 connected in cascade.
and 304, it is possible to sufficiently increase the degree of amplification when detecting the voltage of the internal power supply line 40, so that when the voltage of the internal power supply line 40 fluctuates, it can be restored in a short time. can be returned to. Further, since a CMOS inverter is used, the threshold voltage V TH can be easily controlled, and the voltage of the internal power supply line 40 can be set relatively freely. The internal power supply circuit in FIG. 5 shows an example in which the step-down circuit 32 is composed of an enhancement type N-channel MOS transistor 102. And this
The drain of the MOS transistor 102 is the terminal 10
The sources are connected to the internal power supply line 40, and the gates are connected to the control terminal 31. At this time, the voltage detection circuit 33 is an N-channel MOS
An inverter circuit 307 includes a transistor 305 and a load resistor 306. That is, in this circuit, compared to the circuit in FIG. 4, the P channel MOS transistor 101 is replaced by an N channel MOS transistor.
Since the transistor 102 is replaced and the operation for the signal supplied to the control terminal 31 is reversed, the voltage detection circuit 33 is also replaced from a two-stage inverter configuration to a one-stage inverter configuration. In addition, the N channel in this Figure 5 circuit
A depletion type MOS transistor 102 may be used. In the internal power supply circuit of FIG. 6, the P-channel MOS transistor 10 as the step-down circuit 32 of FIG.
PNP type bipolar transistor 1 instead of 1
03, and even with this configuration, it operates in the same way as the circuit shown in FIG. At this time, the control terminal 31 is connected to the base of the PNP type bipolar transistor 103. Also in the case of this specific circuit, the voltage detection circuit 33 has two
Since it is composed of CMOS inverters 303 and 304, when the voltage of the internal power supply line 40 fluctuates, it can be restored to the original state in a short time, as in the case of Fig. 4.The internal power supply circuit of Fig. 7 , an N-channel MOS transistor 10 as a step-down circuit 32 in FIG.
NPN type bipolar transistor 1 instead of 2
04, and even with this configuration, it operates in the same way as the circuit shown in FIG. At this time, the voltage detection circuit 33 is a one-stage CMOS inverter 3 consisting of a P-channel MOS transistor 301 and an N-channel MOS transistor 302.
It consists of 03. Although this may be configured similarly to the inverter circuit 307 in FIG. 5, a CMOS configuration is more effective in supplying a larger base current to the bipolar transistor 104. Incidentally, in each of the circuits shown in FIGS. 4 to 7, the voltage setting on the internal power supply line 40 is performed by charging the capacitance associated with the internal power supply line 40 with the output voltage of the step-down circuit 32 . on the other hand,
The voltage step-down circuit 32 , the internal power supply line 40, and the voltage detection circuit 33 constitute a closed loop, and depending on the conditions, there is a possibility that an oscillation phenomenon may occur in this closed loop.
Therefore, in each of the above embodiments, the time constant when the internal power supply line 40 is charged by the step-down circuit 32 is T, and the time constant (threshold detection time) when the voltage detection circuit 33 detects the voltage is T d . In this case, the transistors 101 , 1
The sizes of transistors 02, 103, and 104 or the size of each transistor in the voltage detection circuit 33 are set to prevent oscillation. FIG. 8 is a block diagram showing the structure of another embodiment of the invention. In this embodiment circuit, two internal power supply circuits 30A and 30B having different output voltages are provided, and different parts of the internal functional circuit 50 are operated by the respective output voltages V INT1 and V INT2 . In this way, two internal power supply circuits 30
By providing A and 30B, the power supply voltage is lowered in one part of the internal functional circuit 50 to reduce power consumption, and the power supply voltage is raised in the other part to increase the operating speed. can be obtained. In this way, the following effects are achieved in the above embodiment. First, in each embodiment, it is possible to obtain on-chip an internal power supply circuit that outputs a constant voltage of 2.0V and has a high current supply capability for a wide range of externally supplied power supply voltage V CC from 2.0V to 8V, for example. Under this constant and stepped-down internal power supply voltage, the effective channel length is less than 1 μm.
Since the internal functional circuit 50 including the MOS transistor operates,
All problems related to power supply voltage limitations due to miniaturization of MOS transistors can be solved, and thereby a submicron-order semiconductor integrated circuit without deterioration phenomena can be realized. Furthermore, even if the external supply voltage changes, the internal functional circuits operate under a constant, stepped-down internal power supply voltage, so performance such as operating speed and current consumption remains constant despite changes in the external supply voltage. Stable submicron-order semiconductor integrated circuits can be realized. Similarly, a semiconductor integrated circuit that is resistant to power supply noise can be realized, and a semiconductor integrated circuit that does not deteriorate even when a power supply spike is applied can be realized.
This enables MOS with an effective channel length of less than 1 μm.
It is possible to operate semiconductor integrated circuits, including transistors, on a single 5V power supply, which is a conventional standardized power supply, and with a TTL interface, and it is also possible to operate a semiconductor integrated circuit including transistors with a TTL interface using a single 5V power supply, which is a conventional standardized power supply, and it will also be possible to maintain similar performance under a future low-voltage power supply, such as 3.5V. It can also be run with . By the way, in the example circuit shown in FIG. 3 above,
Using the power supply voltage V CC supplied to the power supply terminal 10, the internal power supply circuit 50 shifts this to create a low constant voltage V INT , and the internal functional circuit 50 is connected to the ground potential V SS
The internal power supply circuit 30 is configured to operate between this constant voltage V INT and the voltage shift circuit 34 in place of the step-down circuit 31 , as shown in the embodiment of FIG . ' may be used to shift the voltage at the ground terminal 20 from 0V and supply it to the internal power supply line 40. In this embodiment, the internal functional circuit 50 operates under the shifted voltage V INT obtained from the internal power supply line 40 and the power supply voltage V CC . Figures 10 to 13 respectively represent the above-mentioned figure 9.
This is a specific circuit diagram of the internal power supply circuit 30 ' in the embodiment circuit shown in the figure, and corresponds to those in FIGS. 4 to 7, respectively. And these first
In the circuits shown in FIGS. 0 to 13, in order to shift the ground voltage V SS as an output voltage and output a voltage higher than this, the P channel MOS transistor 101 and the N channel MOS transistor in FIGS. 4 to 7 are used.
In place of the transistor 102, the PNP type bipolar transistor 103, and the NPN type bipolar transistor 104, an N channel MOS transistor 401 and a P channel MOS transistor 40 are used.
2. NPN type bipolar transistor 403,
A voltage shift circuit 34 is configured by each PNP type bipolar transistor 404. Note that, similarly to FIG. 8, two internal power supply circuits 30 ' shown in FIG. 9 may be provided, and different parts of the internal functional circuit 50 may be operated with the respective output voltages. Note that this invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible. For example, the step-down circuit 32 or the voltage shift circuit 34 has been described as being composed of a single MOS transistor or a bipolar transistor, but it is also possible to construct it by connecting two or more transistors in parallel or in series. It's okay. In addition, although the case where the output voltage of the internal power supply circuit shown in FIGS. 4 to 7 or 10 to 13 is set to 2.0V has been described, this is the threshold voltage in the voltage detection circuit 33.
It goes without saying that by setting V TH , as the effective channel length of the MOS transistor is reduced to 1 μm, 0.5 μm, and 0.1 μm, it can be changed from 2.0 V to 0.5 V, for example. [Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, it operates with high reliability and constant performance without deterioration under a wide range of externally supplied power supply voltage, without deterioration due to power supply spikes, and with no power supply noise. Accordingly, it is possible to provide a semiconductor integrated circuit that operates stably against fluctuations.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図および第2図はそれぞれ一般的なMOS
トランジスタの断面図およびエネルギーバンド状
態図、第3図はこの発明の一実施例の構成を示す
ブロツク図、第4図ないし第7図はそれぞれ第3
図の実施例回路の一部分を具体的に示す回路図、
第8図はこの発明の他の実施例の構成を示すブロ
ツク図、第9図はこの発明の異なる他の実施例の
構成を示す図、第10図ないし第13図はそれぞ
れ第9図の実施例回路の一部分を具体的に示す回
路図である。 10…電源端子、20…接地端子、30…内部
電源回路、40…内部電源線、50…内部機能回
路、60…入力端子、70…出力端子、31…制
御端子、32…降圧回路、33…電圧検出回路、
34…電圧シフト回路、101,402…Pチヤ
ネルMOSトランジスタ、102,401…Nチ
ヤネルMOSトランジスタ、103,404…
PNP形バイポーラトランジスタ、104,40
3…NPN形バイポーラトランジスタ。
Figures 1 and 2 are typical MOS
A cross-sectional view and an energy band state diagram of a transistor, FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of an embodiment of the present invention, and FIGS.
A circuit diagram specifically showing a part of the example circuit shown in the figure;
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of another embodiment of the present invention, FIG. 9 is a diagram showing the configuration of another different embodiment of the invention, and FIGS. 10 to 13 are respectively implementations of FIG. 9. FIG. 2 is a circuit diagram specifically showing a part of the example circuit. DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Power supply terminal, 20... Ground terminal, 30... Internal power supply circuit, 40... Internal power supply line, 50... Internal functional circuit, 60... Input terminal, 70... Output terminal, 31... Control terminal, 32... Step-down circuit, 33... voltage detection circuit,
34...Voltage shift circuit, 101,402...P channel MOS transistor, 102,401...N channel MOS transistor, 103,404...
PNP type bipolar transistor, 104,40
3...NPN type bipolar transistor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 相互間に電源電圧が供給される第1、第2の
端子と、 制御端子を有し、上記第1、第2の端子のうち
一方の端子の電圧のシフトを行なう電圧シフト用
のトランジスタ素子と、 上記トランジスタ素子によつてシフトされた電
圧が供給され、この電圧により充電される内部電
源線と、 縦続接続された2個のCMOS反転回路からな
り、上記内部電源線における電圧を所定の閾値電
圧で検出して増幅し、その出力を上記トランジス
タ素子の制御端子に供給する電圧検出手段と、 上記内部電源線と上記第1、第2の端子のうち
他方の端子との間の電圧で動作し、MISトランジ
スタで構成された機能回路 とを具備したことを特徴とする半導体集積回路。 2 前記電圧シフト用のトランジスタ素子によつ
て前記内部電源線を充電する際の時定数をT、前
記電圧検出手段における電圧検出時の時定数をtd
とするときに、td<Tなる関係を満足するように
前記電圧シフト用のトランジスタ素子の大きさあ
るいは前記電圧検出手段における信号反転回路を
構成する素子の大きさが設定される特許請求の範
囲第1項に記載の半導体集積回路。
[Scope of Claims] 1. Has first and second terminals to which a power supply voltage is supplied to each other, and a control terminal, and shifts the voltage of one of the first and second terminals. It consists of a transistor element for voltage shifting, an internal power supply line to which the voltage shifted by the transistor element is supplied and charged by this voltage, and two CMOS inversion circuits connected in cascade, and the internal power supply line is connected to the internal power supply line. voltage detecting means that detects and amplifies the voltage at a predetermined threshold voltage and supplies the output to the control terminal of the transistor element; and the internal power supply line and the other of the first and second terminals. 1. A semiconductor integrated circuit, which operates at a voltage between 1 and 2, and includes a functional circuit composed of MIS transistors. 2. The time constant when charging the internal power supply line by the voltage shifting transistor element is T, and the time constant when detecting voltage in the voltage detecting means is td.
The size of the transistor element for voltage shifting or the size of the element constituting the signal inversion circuit in the voltage detection means is set so as to satisfy the relationship td<T. The semiconductor integrated circuit according to item 1.
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