JP2009065070A - レベルシフト回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】レベルシフト回路において、回路面積の増加やプロセスコストの増大を招くことなく、入力信号の電源電圧を低電圧化した場合にも、レベルシフト動作を確実に実行可能にする。
【解決手段】入力信号およびその反転信号を一対の相補信号としてゲートに受ける一対のN型トランジスタについて、単位ゲート幅サイズを小さくすることが可能なレイアウトを採用する。このレイアウト構成は、ドレイン4およびソース5を構成する、分割された複数の長方形の拡散領域1A,1Bと、各拡散領域1A,1Bの短辺の方向をゲート幅方向として、ゲート長方向に並べて配置された、複数のゲート3とを備え、各ゲート3同士、各ドレイン4同士、および各ソース5同士が電気的に接続されている。
【選択図】図4

Description

本発明は、論理レベルを変換するレベルシフト回路に関し、特に、低消費電力でありかつ低電圧動作を行う構成を有するものに関する。
従来のレベルシフト回路として、例えばラッチ型レベルシフト回路が知られている。このレベルシフト回路を図1に示す。
図1のレベルシフト回路は、2個のN型トランジスタN51,N52と、ゲートが互いに双方のドレインに接続されたクロスカップル型の2個のP型トランジスタP51,P52と、インバータINV50とを備えている。インバータINV50は入力信号INを反転し、例えば1.5V等の低電圧源VDDで動作する。インバータINV50以外の素子は、例えば3.3V等の高電圧源VDD3で動作する高電圧側の素子である。N型トランジスタN51,N52は、ソースが接地されると共に、互いに相補の信号、すなわち入力信号INおよびインバータINV50から出力された入力信号INの反転信号XINを受ける。P型トランジスタP51,P52は、ソースが高電圧源VDD3に接続され、ゲートは互いに相手方のドレインにクロスカップル接続され、ドレインが各々N型トランジスタN51,N52のドレインに接続されている。一方のP型トランジスタP51とN型トランジスタN51との接続点をノードW51とし、他方のP型トランジスタP52とN型トランジスタN52との接続点をノードW52とする。ノードW52から出力信号OUTが出力される。
図1のレベルシフト回路の動作を説明する。定常時では、例えば入力信号INがH(VDD)レベル、その反転信号XINがL(VSS)レベルのとき、N型トランジスタN51はON、N型トランジスタ52はOFF、P型トランジスタP51はOFF、P型トランジスタP52はONの状態にある。また、一方のノードW51はL(VSS)レベル、他方のノードW52はH(VDD3)レベルにある。N型トランジスタN51とP型トランジスタP51、N型トランジスタN52とP型トランジスタP52は、各々相補的な関係にあるので、この定常時では電流は流れない。
その後、入力信号INがL(VSS)レベルに変化し、状態遷移時になると、N型トランジスタN51がOFF、N型トランジスタN52はONする。従って、高電圧源VDD3からON状態のP型トランジスタP52及びN型トランジスタN52を経て接地へ貫通電流が流れ、ノードW52の電位はH(VDD3)レベルから低下し始める。ノードW52の電位がVDD3−Vtp(VtpはP型トランジスタP51,P52の閾値電圧)以下に低下すると、P型トランジスタP51がONし始め、ノードW51の電位(P型トランジスタP52のゲートの電位)は上昇して、P型トランジスタP52のドレイン電流は少なくなり、ノードW52の電位は一層低くなる。
最終的に、ノードW51の電位はH(VDD3)レベル、ノードW52の電位はL(VSS)レベルになり、貫通電流は流れなくなって、出力論理が反転し、次の入力信号INの変化待ち状態となる。以上、入力信号INがHレベル(VDD)からLレベル(VSS)に変化した場合について説明したが、その逆の場合も同様である。
その他のレベルシフト回路としては、例えば、特許文献1に記載されたものがある。
特許第3477448号公報
図1のレベルシフト回路において、N型トランジスタN51,N52のON動作時の電流が、クロスカップル接続されたP型トランジスタP51,P52のON動作時の電流よりも小さくなった場合、仮に入力信号INが“H”から“L”に変化したとき、出力信号OUTを“L”にすることができなくなる。したがって、レベルシフト回路が動作しなくなる。特に、低電圧源VDDが低電圧になるとN型トランジスタN51,N52の駆動能力が小さくなるので、低電圧でのレベルシフト回路の動作の確保が非常に厳しくなっている。
このようなレベルシフト回路において低電圧動作を確保するためには、例えば以下のような方法が考えられる。
I.チャージポンプ回路などの付加回路により、N型トランジスタN51,N52に入力される電圧を上げる。
II.N型トランジスタN51,N52に対し、注入条件などを変えて閾値電圧を下げる。
III.N型トランジスタN51,N52のゲート幅サイズを大きくする。
まず、Iについては、付加回路によりN型トランジスタN51,N52に入力される電圧を上げることによって、N型トランジスタN51,N52の駆動電流能力の低下を防ぐことができ、レベルシフタ回路の動作下限電圧を下げることが可能になる。しかし、付加回路を設けることによって、回路面積の増加を招くというデメリットが生じる。
次に、IIについては、N型トランジスタN51,N52の閾値電圧を下げることによって、N型トランジスタN51,N52の駆動電流能力を大きくすることができ、レベルシフト回路の動作下限電圧を下げることが可能になる。しかし、注入条件などを変更する必要があり、プロセスコストが大きくなるというデメリットがある。
最後に、IIIについては、ゲート幅サイズを大きくすることによって、N型トランジスタN51,N52の駆動電流能力を大きくすることができ、レベルシフト回路の動作下限電圧を下げることが可能になる。しかし、トランジスタサイズを大きくすることによって、回路面積の増加を招くというデメリットが生じる。
上述した問題は、図1の構成のようなレベルシフト回路に限られるものではなく、特許文献1に記載されたフリップフロップ型レベルシフト回路やその他(チャージポンプ型やカレントミラー型)のレベルシフト回路など、入力信号およびその反転信号からなる一対の相補信号をゲートに受けるN型トランジスタを有する構成であれば、同様の問題が生じる。
前記の問題に鑑み、本発明は、レベルシフト回路において、回路面積の増加やプロセスコストの増大を招くことなく、入力信号の電源電圧を低電圧化した場合にも、レベルシフト動作を確実に実行可能にすることを目的とする。
図8はN型トランジスタのゲート幅サイズと閾値電圧との関係を表すグラフである。N型トランジスタのゲート幅がWn1のとき、閾値電圧はVt1である。ここで、上述したように、低電圧源VDDがN型トランジスタN51,N52の閾値電圧(Vt1)近辺まで低電圧になった場合には、N型トランジスタN51,N52のドレイン電流が減少してしまい、この結果、レベルシフト回路の動作が厳しくなる。
ところが、図8に示すように、N型トランジスタのゲート幅サイズをさらに小さくしていくと、閾値電圧が低くなるという現象が生じる。これは一般的に、逆ナロー特性あるいは逆ナロー効果と呼ばれるものである。この逆ナロー特性は、ゲート幅サイズが1〜2μm程度以下になると顕著に現れる。
そこで本発明では、この逆ナロー特性を利用し、一対の相補信号が入力されるN型トランジスタのゲート幅サイズを分割し、単位ゲート幅サイズを小さくすることによって、N型トランジスタの閾値電圧を下げることを行った。これにより、回路面積の増加やプロセスコストの増大を招くことなく、レベルシフト回路の低電圧動作が可能となる。
すなわち、本発明は、入力信号を受け、この入力信号の論理レベルを変換した出力信号を出力するレベルシフト回路として、第1の電源電圧によって動作し、前記入力信号およびその反転信号を一対の相補信号として出力する低電圧側回路部と、前記第1の電源電圧よりも高い第2の電源電圧によって動作し、前記低電圧側回路部から出力された前記一対の相補信号をゲートに受ける一対のN型トランジスタを有し、前記出力信号を出力する高電圧側回路部とを備えたものを前提とする。
そして、前記一対のN型トランジスタは、それぞれ、ドレインおよびソースを構成する長方形の拡散領域と、前記拡散領域に、当該拡散領域の短辺の方向をゲート幅方向として、ゲート長方向に並べて配置された複数のゲートとを備え、各ゲート同士、各ドレイン同士および各ソース同士が電気的に接続されており、前記拡散領域およびゲートをこれらに接するように包含する長方形領域を想定した場合に、ゲート長、拡散領域からのゲート突き出し長さ、ゲートからの拡散領域突き出し長さ、およびゲート間隔が同一であるとの条件下で、前記長方形領域において拡散領域の長辺の方向をゲート幅方向として配置されたレイアウトに比べて、総ゲート幅が小さいものとする。
または、前記N型トランジスタは、それぞれ、ドレインおよびソースを構成する分割された複数の長方形の拡散領域と、前記各拡散領域に、それぞれ、当該拡散領域の短辺の方向をゲート幅方向として、ゲート長方向に並べて配置された、複数のゲートとを備え、各ゲート同士、各ドレイン同士および各ソース同士が電気的に接続されているものとする。
本発明によると、複数のゲートが、長方形の拡散領域に、当該拡散領域の短辺の方向をゲート幅方向として、ゲート長方向に並べて配置されている。または、複数のゲートが、分割された長方形の各拡散領域に、当該拡散領域の短辺の方向をゲート幅方向として、ゲート長方向に並べて配置されている。このようなレイアウトを採用することによって、N型トランジスタの単位ゲート幅サイズを小さくすることが可能となり、上述した逆ナロー特性によって、N型トランジスタの閾値電圧を下げることができる。
したがって、入力信号およびその反転信号を一対の相補信号としてゲートに受ける一対のN型トランジスタが、閾値電圧の低いトランジスタによって構成されているので、入力信号の電源電圧をより一層低い電圧に設定した場合であっても、このN型トランジスタは所期通りに動作し、レベルシフト動作が確実に行われる。しかも、このN型トランジスタのゲート幅サイズを大きくしたり、付加回路を追加したりする必要がないため、レイアウト面積が大きくなることもなく、また、注入条件などのプロセス変更も必要がないため、プロセスコストの増加も抑えられる。
本発明によると、回路面積の増加やプロセスコストの増大を招くことなく、入力信号の電源電圧をより一層低く設定した場合であっても、安定したレベルシフト動作を確実に実行可能なレベルシフト回路を実現することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
(第1の実施形態)
図1は本発明が適用可能なレベルシフト回路の構成の一例である。図1のレベルシフト回路は、入力信号INを受け、この入力信号INの論理レベルを変換した出力信号OUTを出力する。低電圧側回路部は、第1の電源電圧VDDによって動作し、入力信号INおよび、インバータINV50によって得られたその反転信号XINを、一対の相補信号として出力する。高電圧側回路部は、第1の電源電圧VDDよりも高い第2の電圧VDD3によって動作し、低電圧側回路部から出力された一対の相補信号IN,XINをゲートに受けるN型トランジスタN51,N52を有する。動作の詳細については、背景技術の項で説明したとおりであり、ここでは省略する。
なお、本発明は、図1の構成のようなレベルシフト回路に限られず、特許文献1に記載されたフリップフロップ型レベルシフト回路やその他(チャージポンプ型やカレントミラー型)のレベルシフト回路などにも、適用可能である。すなわち、入力信号を受け、この入力信号の論理レベルを変換した出力信号を出力するレベルシフト回路であって、第1の電源電圧によって動作し、入力信号およびその反転信号を一対の相補信号として出力する低電圧側回路部と、第1の電源電圧よりも高い第2の電源電圧によって動作し、低電圧側回路部から出力された一対の相補信号をゲートに受ける一対のN型トランジスタを有し、出力信号を出力する高電圧側回路部とを備えた構成のものであれば、本発明は適用可能である。
図2は、例えば図1のレベルシフト回路におけるN型トランジスタN51,N52のような、入力信号およびその反転信号である一対の相補信号をゲートに受ける一対のN型トランジスタの、本実施形態に係る具体的なレイアウト構成を示す図である。
図2に示すように、本実施形態に係るN型トランジスタは、ドレイン4およびソース5を構成する長方形の拡散領域1と、拡散領域1の短辺の方向をゲート幅方向として、ゲート長方向に並べて配置された複数のゲート3とを備えている。各ドレイン4およびソース5には、配線と接続するためのコンタクト2が形成されている。各ドレイン4同士は配線により接続されており、各ゲート3同士も配線により接続されており、また、各ソース5同士も配線により接続されている。単位ゲート幅サイズはWn2である。
ここで、拡散領域1およびゲート3をこれらに接するように包含する長方形領域Xを想定する。長方形領域Xの幅をW、高さをH(H>W)とする。図2のレイアウトでは、長方形領域Xの短辺の方向(幅方向)がゲート幅方向になっている。
図7は、本実施形態の比較例としてのN型トランジスタのレイアウト構成を示す図である。図2と同様に幅W、高さHの長方形領域Xが与えられた場合、通常は、ゲート幅サイズをできるだけ大きく確保するために、図7に示すように、長方形領域Xの高さ方向にゲートが延びるようにレイアウトを構成する。すなわち、図7のレイアウトでは、長方形領域Xの長辺の方向(高さ方向)がゲート幅方向になっている。単位ゲート幅サイズはWn1である。
これに対して本実施形態では、幅W、高さH(H>W)の長方形領域Xが与えられた場合に、単位ゲート幅サイズをより小さくするために、図2に示すように、たとえ総ゲート幅サイズが小さくなっても、長方形領域Xの幅方向にゲートが延びるようにレイアウトを構成する。
ここで、ゲート長をL、拡散領域からのゲート突き出し長さをGO、ゲートからの拡散領域突き出し長さをDO、ゲート間隔をGSとする。
図2のレイアウトにおいて、ゲート本数をmとすると、N型トランジスタの総ゲート幅は、Wn×mであり、
Wn2=W−2×GO
m=(H−2×DO−L)÷(L+GS)の整数項である。
一方、図7のレイアウトにおいて、ゲート本数をnとすると、N型トランジスタの総ゲート幅は、Wn1×nであり、
Wn1=H−2×GO
n=(W−2×DO−L)÷(L+GS)の整数項である。
ゲート長L、拡散領域からのゲート突き出し長さGO、ゲートからの拡散領域突き出し長さDO、ゲート間隔GSが同一である条件下で、図7のレイアウトに比べて、図2のレイアウトの方が総ゲート幅が小さくなる場合がある。すなわち、
Wn1×n ≧ Wn2×m
ところが、この場合でも、図8に示した逆ナロー特性によって、図7のレイアウトに比べて閾値電圧を下げることができる。総ゲート幅が小さくても、閾値電圧が下がる方が、N型トランジスタの電流能力が上がるため、動作下限電圧をより下げることが可能になる。すなわち、図2のレイアウトの方が、低電圧時のN型トランジスタの駆動電流能力が大きくなり、レベルシフト回路の動作下限電圧を下げることが可能になる。また、総ゲート幅が小さくなっても動作下限電圧を下げることが可能ということは、N型トランジスタに必要な面積そのものも小さくすることが可能ということになる。
よって、本実施形態に係るレイアウトを一対の相補信号が入力されるN型トランジスタに適用することによって、低電圧源の電圧をより低く設定した場合であっても、このN型トランジスタは閾値電圧が低いため所期通りに動作し、したがって、レベルシフト動作が確実に行われる。しかも、N型トランジスタのゲート幅サイズを大きくしたり付加回路を追加したりする必要がないため、レイアウト面積が大きくなることもなく、また、注入条件などのプロセス変更も必要がないため、プロセスコストの増加も抑えられる。
図3は本実施形態に係るレイアウトの他の例を示す図である。図3のレイアウトは図2とほぼ同様であるが、図2と比べて単位ゲート幅サイズWn3がさらに小さくなっている。単位ゲート幅サイズWn3は、製造工程上で特性が保証される最小ゲート幅サイズまで小さくすることが可能である。この場合、各ドレイン4およびソース5に形成されたコンタクト2の個数は、それぞれ、2個以下であるのが好ましい。単位ゲート幅サイズWn3をさらに小さくすることによって、N型トランジスタの閾値電圧をさらに下げることが可能になり、したがって、より低電圧での動作が可能になる。
(第2の実施形態)
図4は、レベルシフト回路における、一対の相補信号をゲートに受ける一対のN型トランジスタの、本実施形態に係る具体的なレイアウト構成を示す図である。
図4に示すように、本実施形態に係るN型トランジスタは、ドレイン4およびソース5を構成する、分割された複数(図4では2個)の長方形の拡散領域1A,1Bと、拡散領域1A,1Bの短辺の方向をゲート幅方向として、ゲート長方向に並べて配置された複数のゲート3とを備えている。各ドレイン4およびソース5には、配線と接続するためのコンタクト2が形成されている。各ドレイン4同士は配線により接続されており、各ゲート3同士も配線により接続されており、また、各ソース5同士も配線により接続されている。単位ゲート幅サイズはWn2である。
図4のレイアウトにおいて、ゲート本数をm、拡散領域の個数をlとすると、N型トランジスタの総ゲート幅は、
Wn2×m×l
となる。
図4のレイアウトのように拡散領域を分割することによって、単位ゲート幅サイズWn2を十分に小さくすることができる。これにより、図8に示した逆ナロー特性によって、図7のレイアウトに比べて閾値電圧を下げることができる。これにより、N型トランジスタの電流能力が上がるため、動作下限電圧をより下げることが可能になる。すなわち、図3のレイアウトの方が、低電圧時のN型トランジスタの駆動電流能力が大きくなり、レベルシフト回路の動作下限電圧を下げることが可能になる。
よって、本実施形態に係るレイアウトを一対の相補信号が入力されるN型トランジスタに適用することによって、低電圧源の電圧をより低く設定した場合であっても、このN型トランジスタは閾値電圧が低いため所期通りに動作し、したがって、レベルシフト動作が確実に行われる。
なお、図4のレイアウトでは、拡散領域は2個に分割されているが、拡散領域を3個以上に分割してもかまわない。また、図4のレイアウトでは、拡散領域1Aに配置された各ゲートと拡散領域1Bに配置された各ゲートとは、同一直線上に形成され、ゲート3として一体化しているが、それぞれの拡散領域上の各ゲートは、同一直線上に形成されていなくてもかまわない。また、図4のレイアウトでは、拡散領域1A,1Bはその短辺の方向に並べて配置されているが、これと異なる配置であってもかまわない。
図5は本実施形態に係るレイアウトの他の例を示す図である。図5のレイアウトは図4とほぼ同様であるが、図4と比べて単位ゲート幅サイズWn3がさらに小さくなっている。単位ゲート幅サイズWn3は、製造工程上で特性が保証される最小ゲート幅サイズまで小さくすることが可能である。この場合、各ドレイン4およびソース5に形成されたコンタクト2の個数は、それぞれ、2個以下であるのが好ましい。単位ゲート幅サイズWn3をさらに小さくすることによって、N型トランジスタの閾値電圧をさらに下げることが可能になり、したがって、より低電圧での動作が可能になる。
なお、上述の各実施形態で示したレイアウトを適用することによって、N型トランジスタのリーク電流が増加する可能性がある。このため、図6に示すように、レベルシフト回路において、リーク電流遮断回路11を設けることが好ましい。リーク電流遮断回路11は、N型トランジスタN51,N52のいずれか一方がオフになるとき、そのN型トランジスタのリーク電流を遮断する働きをする。なお、図6の構成では、リーク電流遮断回路11はN型トランジスタN51,N52の接地側に設けられているが、N型トランジスタN51,N52の電源側に設けてもかまわない。
なお、上述した各実施形態は、あくまでも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。例えば、各実施形態で示したレイアウトは、図1の構成のようなレベルシフト回路に限られず、特許文献1に記載されたフリップフロップ型レベルシフト回路やその他(チャージポンプ型やカレントミラー型)のレベルシフト回路などにも、適用可能である。
本発明は、入力信号側の低電圧源を低電圧化した場合であっても、低消費電力化を図りつつ、動作を確保できるレベルシフト回路を実現するのに有用である。
本発明が適用できるレベルシフト回路の一例の構成を示す図である。 本発明の第1の実施形態に係る、N型トランジスタのレイアウト構成を示す図である。 本発明の第1の実施形態に係る、N型トランジスタのレイアウト構成の他の例を示す図である。 本発明の第2の実施形態に係る、N型トランジスタのレイアウト構成を示す図である。 本発明の第2の実施形態に係る、N型トランジスタのレイアウト構成の他の例を示す図である。 本発明を適用したレベルシフト回路の改良例の構成を示す図である。 比較例としての、N型トランジスタのレイアウト構成を示す図である。 トランジスタのゲート幅サイズと閾値電圧との関係を示す図である。
符号の説明
N51,N52 N型トランジスタ
1,1A,1B 拡散領域
2 コンタクト
3 ゲート
4 ドレイン
5 ソース
11 リーク電流遮断回路
IN 入力信号
XIN 反転信号
OUT 出力信号
X 長方形領域
L ゲート長
GO 拡散領域からのゲート突き出し長さ
DO ゲートからの拡散領域突き出し長さ
GS ゲート間隔

Claims (8)

  1. 入力信号を受け、この入力信号の論理レベルを変換した出力信号を出力するレベルシフト回路であって、
    第1の電源電圧によって動作し、前記入力信号およびその反転信号を、一対の相補信号として出力する低電圧側回路部と、
    前記第1の電源電圧よりも高い第2の電源電圧によって動作し、前記低電圧側回路部から出力された前記一対の相補信号をゲートに受ける一対のN型トランジスタを有し、前記出力信号を出力する高電圧側回路部とを備え、
    前記一対のN型トランジスタは、それぞれ、
    ドレインおよびソースを構成する、長方形の拡散領域と、
    前記拡散領域に、当該拡散領域の短辺の方向をゲート幅方向として、ゲート長方向に並べて配置された複数のゲートとを備え、
    各ゲート同士、各ドレイン同士、および各ソース同士が、電気的に接続されており、
    前記拡散領域およびゲートをこれらに接するように包含する長方形領域を想定した場合に、ゲート長、拡散領域からのゲート突き出し長さ、ゲートからの拡散領域突き出し長さ、およびゲート間隔が同一であるとの条件下で、前記長方形領域において拡散領域の長辺の方向をゲート幅方向として配置されたレイアウトに比べて、総ゲート幅が小さい
    ことを特徴とするレベルシフト回路。
  2. 請求項1において、
    各ドレインおよびソースに、コンタクトが形成されており、
    各ドレインおよびソースに形成されたコンタクトの個数は、それぞれ、2個以下である
    ことを特徴とするレベルシフト回路。
  3. 請求項1において、
    前記一対のN型トランジスタのいずれか一方がオフになるとき、当該N型トランジスタのリーク電流を遮断するリーク電流遮断回路を備えた
    ことを特徴とするレベルシフト回路。
  4. 入力信号を受け、この入力信号の論理レベルを変換した出力信号を出力するレベルシフト回路であって、
    第1の電源電圧によって動作し、前記入力信号およびその反転信号を、一対の相補信号として出力する低電圧側回路部と、
    前記第1の電源電圧よりも高い第2の電源電圧によって動作し、前記低電圧側回路部から出力された前記一対の相補信号をゲートに受ける一対のN型トランジスタを有し、前記出力信号を出力する高電圧側回路部とを備え、
    前記N型トランジスタは、それぞれ、
    ドレインおよびソースを構成する、分割された複数の長方形の拡散領域と、
    前記各拡散領域に、それぞれ、当該拡散領域の短辺の方向をゲート幅方向として、ゲート長方向に並べて配置された、複数のゲートとを備え、
    各ゲート同士、各ドレイン同士、および各ソース同士が、電気的に接続されている
    ことを特徴とするレベルシフト回路。
  5. 請求項4において、
    前記各拡散領域は、その短辺の方向に並べて、配置されている
    ことを特徴とするレベルシフト回路。
  6. 請求項5において、
    前記各拡散領域に配置された各ゲートは、隣り合う拡散領域に配置された各ゲートと、同一直線上に形成されている
    ことを特徴とするレベルシフト回路。
  7. 請求項4において、
    各ドレインおよびソースに、コンタクトが形成されており、
    各ドレインおよびソースに形成されたコンタクトの個数は、それぞれ、2個以下である
    ことを特徴とするレベルシフト回路。
  8. 請求項4において、
    前記一対のN型トランジスタのいずれか一方がオフになるとき、当該N型トランジスタのリーク電流を遮断するリーク電流遮断回路を備えた
    ことを特徴とするレベルシフト回路。
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