JP2001339052A - Method of simulating protective circuit against electrostatic destruction - Google Patents
Method of simulating protective circuit against electrostatic destructionInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は静電破壊保護回路の
シミュレーション方法に関するものであり、特に、半導
体メモリ素子や半導体論理回路素子を静電破壊(ES
D:Electrostatic Discharg
e)から保護するための保護回路のESD耐性を回路シ
ミュレータを用いてシミュレーションする際の、等価回
路構成に特徴のある静電破壊保護回路のシミュレーショ
ン方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for simulating an electrostatic discharge protection circuit, and more particularly, to a method for electrostatic discharge (ES) of a semiconductor memory device or a semiconductor logic circuit device.
D: Electrostatic Discharge
The present invention relates to a method for simulating an electrostatic discharge protection circuit having an equivalent circuit configuration when simulating the ESD resistance of a protection circuit for protecting from e) using a circuit simulator.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年の半導体集積回路装置を構成する半
導体デバイスの微細化に伴って、外部の摩擦等で発生す
る静電気を無視することができなくなるとともに、静電
破壊保護素子(ESD保護素子)の面積も縮小し、ES
D耐性の確保が困難になりつつあるので、ESD保護回
路の高性能化が求められている。2. Description of the Related Art With the recent miniaturization of semiconductor devices constituting a semiconductor integrated circuit device, static electricity generated by external friction and the like cannot be ignored, and an electrostatic discharge protection element (ESD protection element). Area is reduced, and ES
Since it is becoming difficult to secure D resistance, higher performance of the ESD protection circuit is required.
【0003】しかし、ESD保護回路を設計しても、プ
ロセス条件の変更があった場合、再度ESD耐性の測定
及びESD保護回路の設計をやり直すという手順は半導
体集積回路装置開発の所要時間(TAT:Turn A
round Time)の大きなロスになるので、この
ESD耐性をシミュレーションによって予め評価するこ
とは重要となる。また、この様なESD耐性は、配線抵
抗やレイアウトに依存することが分かっているので、E
SD耐性を向上する場合には、プロセスの変更よりも設
計段階でのレイアウト変更が現実的である。However, even if the ESD protection circuit is designed, if the process conditions are changed, the procedure of measuring the ESD resistance and redesigning the ESD protection circuit is the time required for semiconductor integrated circuit device development (TAT: Turn A
Therefore, it is important to evaluate the ESD resistance by simulation in advance because a large loss is caused in the round time. Since it is known that such ESD resistance depends on wiring resistance and layout, E
To improve the SD tolerance, a layout change at the design stage is more realistic than a process change.
【0004】なお、静電放電による破壊現象はいくつか
のモデルに分類され、人体帯電モデル(HBM)、機械
モデル(MM)、デバイス帯電モデル(CDM)、パッ
ケージ帯電モデル(CPM)等のモデルがあり、ESD
保護素子を構成するMOSFET(金属−絶縁体−半導
体電界効果トランジスタ)、即ち、IGFET(絶縁ゲ
ート型電界効果トランジスタ)の応答特性はスナップバ
ック特性と呼ばれる特性によって決定されることにな
る。[0004] Destruction phenomena due to electrostatic discharge are classified into several models, and models such as a human body charging model (HBM), a mechanical model (MM), a device charging model (CDM), and a package charging model (CPM) are available. Yes, ESD
The response characteristics of a MOSFET (metal-insulator-semiconductor field effect transistor) constituting a protection element, that is, an IGFET (insulated gate type field effect transistor) is determined by a characteristic called snapback characteristic.
【0005】この場合、ESD耐性の良非は、概ねスナ
ップバック特性に依存し、スナップバック特性における
傾斜角度が大きく、且つ、スナップバック電圧Vsbが低
いほどESD耐性が高いことになる。これは、ESD素
子にサージ印加によって同じ電流が流れても電力として
は小さくなり、電力による発熱量が少なくなるので熱的
な破壊耐性が大きくなるためである(必要ならば、電子
情報通信学会,信学技報,VLD98−95,ED98
−120,SDM98−156,ICD98−226,
pp.67−72,1998−10参照)。[0005] In this case, Yohi the ESD tolerance is largely dependent on the snapback characteristics, large inclination angle in the snapback characteristics, and, ESD tolerance is higher that about snapback voltage V sb is low. This is because even if the same current flows through the ESD element due to the application of a surge, the power is reduced, and the amount of heat generated by the power is reduced, so that the thermal destruction resistance is increased. IEICE Technical Report, VLD98-95, ED98
−120, SDM98-156, ICD98-226,
pp. 67-72, 1998-10).
【0006】従来、この様なESD耐性をシミュレーシ
ョンする場合、例えば、ゲート幅が数100μmのMO
SFET等で構成されているESD保護回路の一部をF
LAPS等のデバイスシミュレータを用いてデバイスシ
ミュレーションを行うか、ESD保護回路のレイアウト
図と断面構造図の構造データから等価回路を作成して回
路シミュレーションすることによって、蓄積されるエネ
ルギーを求めてESD耐性を評価していた。Conventionally, when simulating such ESD resistance, for example, an MO having a gate width of several hundred μm is used.
A part of the ESD protection circuit composed of SFET etc.
A device simulation is performed using a device simulator such as LAPS, or an equivalent circuit is created from structural data of a layout diagram and a sectional structure diagram of an ESD protection circuit, and the circuit is simulated, thereby obtaining stored energy to obtain ESD resistance. I was evaluating.
【0007】この内、前者のデバイスシミュレーション
を用いた手法の場合には、解析できるトランジスタの個
数に制限があるとともに、計算に多くの時間を要すると
いう欠点がある。Among them, the former method using device simulation has a drawback that the number of transistors that can be analyzed is limited and that much time is required for calculation.
【0008】一方、後者の回路シミュレーションを用い
た手法の場合には、レイアウトデータを取り入れること
が可能で、計算時間が数分と短いというメリットがあ
る。また、MOSFETが規則正しく並んでいるレイア
ウトで且つバルクの場合に対しては本計算手法がそのま
ま適応できる。なお、不規則なレイアウトやSOI(S
ilicon on Insulator)素子の場合
に対しては等価回路モデルの検討を要する。On the other hand, the latter method using circuit simulation has the merit that layout data can be incorporated and the calculation time is as short as several minutes. Also, the present calculation method can be directly applied to a bulk layout in which MOSFETs are regularly arranged. Note that an irregular layout or SOI (S
An equivalent circuit model needs to be considered for the case of an icon-on-insulator element.
【0009】ここで、図20を用いて、従来の回路シミ
ュレータSPICEを用いたESD保護素子のシミュレ
ーション方法の一例を説明する(必要ならば、Char
vaka Duvvury et.al.,IRPS,
pp.318−326,1996参照)。 図20(a)参照 図20(a)は、従来のESD保護回路を構成する一個
のMOSFETの等価回路を示す図であり、ESD保護
素子全体をMOSFET、ラテラルバイポーラトランジ
スタ、基板抵抗Rsub 、電流電源Igen で置き換えてい
る。この場合のESD保護素子の動作は、MOSFET
のソースSに電圧0V、ゲートGに電圧がかけられてい
て、ドレインDに電圧をかけるとドレインDから基板に
インパクトイオン化電流Igen が流れ、このインパクト
イオン化電流Igenを電流電源として表している。な
お、図におけるIdsはゲート下を流れる電流、Id はド
レイン電流、IS はソース電流、Isub は基板電流、I
c はコレクタ電流、Ib はベース電流、Ieはエミッタ
電流、Vb はベース電圧を表し、また、図示を省略する
ものの、ドレインDはPad(パッド)に接続し、この
Padは人や機械等の静電気源を表す。Here, an example of a method of simulating an ESD protection element using a conventional circuit simulator SPICE will be described with reference to FIG.
vaka Duvury et. al. , IRPS,
pp. 318-326, 1996). FIG. 20A is a diagram showing an equivalent circuit of one MOSFET constituting a conventional ESD protection circuit. The entire ESD protection element includes a MOSFET, a lateral bipolar transistor, a substrate resistance R sub , and a current. Replaced by power supply Igen . The operation of the ESD protection element in this case is based on MOSFET
A voltage of 0 V is applied to the source S, and a voltage is applied to the gate G. When a voltage is applied to the drain D, an impact ionization current I gen flows from the drain D to the substrate, and this impact ionization current I gen is represented as a current power supply. . In the figure, I ds is the current flowing under the gate, I d is the drain current, I S is the source current, I sub is the substrate current,
c is a collector current, Ib is a base current, Ie is an emitter current, and Vb is a base voltage. Although not shown, the drain D is connected to a pad (pad), and this pad is a person or a machine. And so on.
【0010】ここで、静電電圧、したがって、ドレイン
電圧を印加した場合、ソースSからドレインDに向かっ
て流れる電子がドレインDと基板との界面に拡がる空乏
層における強電界によってイオンインパクト化されてア
バランシェを起こし、等価的にコレクタとして作用する
ドレインDから等価的にベースとして作用する基板に向
かってインパクトイオン化電流Igen が流れる。なお、
バイポーラトランジスタがターン・オンしない状態にお
いては、Igen=Isub となる。Here, when an electrostatic voltage, that is, a drain voltage is applied, electrons flowing from the source S toward the drain D are ion-impacted by a strong electric field in a depletion layer extending to an interface between the drain D and the substrate. Avalanche occurs, and an impact ionization current Igen flows from the drain D equivalently acting as a collector toward the substrate equivalently equivalently acting as a base. In addition,
When the bipolar transistor is not turned on, I gen = I sub .
【0011】このドレイン電圧を上げていくと、Igen
(=Isub )が基板抵抗Rsub に流れることによって電
圧降下Vb を生じ、この電圧降下Vb によって等価的に
ベースとなる基板と、等価的にエミッタとなるソースS
との間の接合が順バイアスされることによってバイポー
ラトランジスタがターン・オンし、エミッタから電子が
ベースに注入され、一部がコレクタに流れ込んでコレク
タ電流Ic となる。この場合の寄生バイポーラトランジ
スタの効率は、エミッタ注入効率γと、MOSFETの
実効チャネル長Leff に依存する到達率αT に依存す
る。As the drain voltage is increased, I gen
(= I sub) cause voltage drop V b by the flows in the substrate resistance R sub, a substrate made of an equivalently base by the voltage drop V b, the source S to be equivalent to the emitter
Bipolar transistor turns on, electrons from the emitter are injected into the base part is a collector current I c flowing into the collector by the junction between is forward biased with. In this case, the efficiency of the parasitic bipolar transistor depends on the emitter injection efficiency γ and the arrival rate α T depending on the effective channel length L eff of the MOSFET.
【0012】図20(b)参照 図20(b)は、この様なESD保護素子のID −VD
特性を示したもので、さらにドレインDに印加される静
電電圧が上昇すると、ゲート電圧Vg に依存するもの
の、ドレイン電圧VD は減少して、ID −VD 特性にお
いてスナップバック特性が現れることが示される。[0012] Figure 20 (b) see FIG. 20 (b), I D -V D of such ESD protection elements
Shows the characteristic, if the electrostatic voltage applied to the further drain D rises, although depending on the gate voltage V g, the drain voltage V D is decreased, the snapback characteristic in I D -V D characteristic It is shown to appear.
【0013】[0013]
【発明が解決しようとする課題】しかし、Charva
ka等による従来の回路シミュレーションの手法におい
ては、電流電源をイオンインパクト化によるインパクト
イオン化電流Igen しか考慮していないので、ESD耐
圧を多く見積もってしまい、ESD素子の動作を正しく
表すことができないという問題がある。However, Charva
In the conventional circuit simulation method by Ka et al., only the impact ionization current I gen due to ion impact is considered as the current power source, so that the ESD withstand voltage is largely estimated, and the operation of the ESD element cannot be correctly represented. There's a problem.
【0014】即ち、ドレインDに電圧を印加した場合、
ドレインDから基板に流れる電流は、ドレインDの近傍
の空乏層中の強電界によるインパクトイオン化電流I
gen 以外に、ドレインDの近傍の空乏層中において熱的
に発生する電子・正孔対によって流れる電流が存在し、
Charvaka等による従来の回路シミュレーション
の手法においては、この空乏層中において熱的に発生す
る電子・正孔対によって流れる電流が考慮されていない
という問題がある。That is, when a voltage is applied to the drain D,
The current flowing from the drain D to the substrate is the impact ionization current I due to the strong electric field in the depletion layer near the drain D.
In addition to gen, there is a current flowing by a thermally generated electron-hole pair in the depletion layer near the drain D,
In the conventional circuit simulation method by Charvaka et al., There is a problem that the current flowing due to the electron-hole pairs thermally generated in the depletion layer is not considered.
【0015】また、上記の従来の回路シミュレーション
の手法においては、ESD保護素子自体の動作特性をシ
ミュレーションしているだけであるので、ESD保護回
路全体としてのESD耐性の正確な解析ができないとい
う問題もある。Further, in the above-described conventional circuit simulation method, since only the operation characteristics of the ESD protection element itself are simulated, there is also a problem that accurate analysis of the ESD resistance of the entire ESD protection circuit cannot be performed. is there.
【0016】したがって、本発明は、ESD保護素子を
より正確な等価回路に置き換えるとともに、ESD保護
回路全体のESD耐性を迅速に且つ正確に解析すること
を目的とする。Accordingly, an object of the present invention is to replace the ESD protection element with a more accurate equivalent circuit and to quickly and accurately analyze the ESD resistance of the entire ESD protection circuit.
【0017】[0017]
【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図1を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。 図1参照 (1)本発明は、静電破壊保護回路のシミュレーション
方法において、絶縁ゲート型電界効果トランジスタによ
って構成される静電破壊保護素子を、バイポーラトラン
ジスタを用いた等価回路に置き換え、コレクタから基板
に流れる電流とエミッタから基板に流れる電流の内の少
なくともコレクタから基板に流れる電流を2つの電流電
源によって表し、静電破壊保護耐性を回路シミュレーシ
ョンすることを特徴とする。FIG. 1 is an explanatory view of the principle configuration of the present invention. Referring to FIG. 1, means for solving the problems in the present invention will be described. See FIG. 1 (1) In the present invention, in a method for simulating an electrostatic discharge protection circuit, an electrostatic discharge protection element constituted by an insulated gate field effect transistor is replaced with an equivalent circuit using a bipolar transistor, and a collector is replaced by a substrate. The current flowing from the emitter to the substrate and the current flowing from the collector to the substrate are represented by two current power sources, and the circuit is simulated for electrostatic breakdown protection resistance.
【0018】静電破壊を保護するためにはスナップバッ
ク特性を利用することになるので、絶縁ゲート型電界効
果トランジスタ(IGFET)によって構成される静電
破壊保護素子(ESD保護素子)を、バイポーラトラン
ジスタ、即ち、寄生ラテラルバイポーラトランジスタを
用いた等価回路に置き換えることによって、スナップバ
ック特性を再現することができる。特に、電流電源とし
て、コレクタから基板に流れる電流とエミッタから基板
に流れる電流の内の少なくともコレクタから基板に流れ
る電流を2つの電流電源、即ち、インパクトイオン化電
流による電流電源Imcと、空乏層において熱的に発生す
る電子・正孔対に基づく電流による電流電源Ipnc によ
って表すことによって、ESD耐性を過大に評価するこ
となく正確に評価することができる。Since snapback characteristics are used to protect against electrostatic damage, an electrostatic discharge protection element (ESD protection element) composed of an insulated gate field effect transistor (IGFET) is replaced with a bipolar transistor. That is, the snapback characteristic can be reproduced by replacing the equivalent circuit using a parasitic lateral bipolar transistor. In particular, as a current power source, at least a current flowing from the collector to the substrate and a current flowing from the emitter to the substrate out of the current flowing from the collector to the substrate are two current power sources, that is, a current power source Imc due to impact ionization current, and a depletion layer. By expressing the current power supply I pnc based on a current based on thermally generated electron-hole pairs, the ESD resistance can be accurately evaluated without overestimating.
【0019】(2)また、本発明は、静電破壊保護回路
のシミュレーション方法において、絶縁ゲート型電界効
果トランジスタによって構成される静電破壊保護素子
を、バイポーラトランジスタと絶縁ゲート型電界効果ト
ランジスタとを用いた等価回路に置き換え、ドレインか
ら基板に流れる電流とソースから基板に流れる電流の内
の少なくともドレインから基板に流れる電流を2つの電
流電源によって表し、静電破壊保護耐性を回路シミュレ
ーションすることを特徴とする。(2) Further, according to the present invention, in the method for simulating an electrostatic discharge protection circuit, an electrostatic discharge protection element constituted by an insulated gate type field effect transistor comprises a bipolar transistor and an insulated gate type field effect transistor. The circuit is simulated by expressing the current flowing from the drain to the substrate and the current flowing from the source to the substrate at least out of the current flowing from the drain to the substrate by using two current power supplies, replacing the equivalent circuit used. And
【0020】この様に、絶縁ゲート型電界効果トランジ
スタによって構成される静電破壊保護素子を、バイポー
ラトランジスタと絶縁ゲート型電界効果トランジスタと
を用いた等価回路に置き換えることによって、より精度
良く等価回路に置き換えることが可能になり、より正確
なESD耐性を見積もることが可能になる。As described above, by replacing the electrostatic discharge protection element constituted by the insulated gate type field effect transistor with an equivalent circuit using the bipolar transistor and the insulated gate type field effect transistor, the equivalent circuit can be more accurately formed. This makes it possible to substitute, and it becomes possible to estimate more accurate ESD resistance.
【0021】(3)また、本発明は、上記(1)または
(2)において、静電破壊保護回路全体のレイアウトデ
ータをコンピュータ支援設計レイアウトデータから取り
込んで回路シミュレータの入力データを発生させること
を特徴とする。(3) Further, according to the present invention, in the above (1) or (2), inputting layout data of the entire electrostatic discharge protection circuit from computer-aided design layout data to generate input data of a circuit simulator. Features.
【0022】この様に、HSPICE等の回路シミュレ
ータを用いてシミュレーションする場合、静電破壊保護
回路全体のレイアウトデータをコンピュータ支援設計
(CAD)レイアウトデータから直接取り込むことが可
能であるので、この様なCADレイアウトデータを入力
データとして取り込むことによって、静電破壊保護回路
全体のESD耐性を精度良く、且つ、迅速に解析するこ
とが可能になる。As described above, when a simulation is performed using a circuit simulator such as HSPICE, the layout data of the entire ESD protection circuit can be directly fetched from computer-aided design (CAD) layout data. By taking in the CAD layout data as input data, it becomes possible to analyze the ESD resistance of the entire ESD protection circuit accurately and quickly.
【0023】(4)また、本発明は、上記(1)乃至
(3)のいずれかにおいて、等価回路のコレクタ或いは
ドレインから基板に流れる電流を表す2つの電流電源の
内のインパクトイオン化電流による電流電源を表すため
の増倍係数mを抽出する際に、基板からエミッタ或いは
ドレインに流れる電流の基板電圧依存性を取り入れたこ
とを特徴とする。(4) The invention according to any one of (1) to (3) above, wherein the current due to the impact ionization current of the two current power supplies representing the current flowing from the collector or drain of the equivalent circuit to the substrate. When the multiplication coefficient m for representing the power supply is extracted, the substrate voltage dependence of the current flowing from the substrate to the emitter or drain is taken into account.
【0024】この様に、インパクトイオン化電流による
電流電源Imcを表すための増倍係数mを抽出する際に、
基板からエミッタ或いはドレインに流れる電流Ih の基
板電圧Vsub 依存性を取り入れることによって、低ドレ
イン電圧Vd 領域においてソース電圧Vs 、即ち、エミ
ッタ電圧Ve に依存しない物理的に矛盾のない増倍係数
mを取得することができる。As described above, when extracting the multiplication coefficient m for representing the current power supply Imc based on the impact ionization current,
By incorporating the substrate voltage V sub dependence of current I h flowing from the substrate to the emitter or drain, low drain voltage V d source voltage in the region V s, i.e., increasing no physical contradiction does not depend on the emitter voltage V e The multiplication factor m can be obtained.
【0025】(5)また、本発明は、上記(4)におい
て、インパクトイオン化電流による電流電源を表すため
の増倍係数mを抽出する際に、インパクトイオン化現象
を取り入れない場合のコレクタ電流或いはドレイン電流
を、エミッタ電流或いはソース電流と基板からエミッタ
或いはドレインに流れる電流との差で表したことを特徴
とする。(5) According to the present invention, in the above (4), when the multiplication coefficient m for representing the current power supply by the impact ionization current is extracted, the collector current or the drain when the impact ionization phenomenon is not taken in The current is represented by a difference between an emitter current or a source current and a current flowing from the substrate to the emitter or the drain.
【0026】この様に、インパクトイオン化現象を取り
入れない場合のコレクタ電流Ic 、即ち、Id を、エミ
ッタ電流Ie 、即ち、Isii と、基板からエミッタ或い
はドレインに流れる電流Ih との差、即ち、 Id =Isii −Ih で表すことにより、インパクトイオン化現象を取り入れ
ない場合のコレクタ電流Ic 、即ち、Id を実測データ
であるIsii を用いて置き換えることができるので、迅
速で且つ正確なシミュレーションが可能になる。As described above, when the impact ionization phenomenon is not taken, the collector current I c , ie, I d , is calculated by calculating the difference between the emitter current I e , ie, I sii, and the current I h flowing from the substrate to the emitter or drain. That is, by expressing by I d = I sii −I h , the collector current I c when the impact ionization phenomenon is not taken, that is, I d can be replaced by using the actual measurement data I sii , so that And accurate simulation is possible.
【0027】なお、インパクトイオン化電流による電流
電源を表すための増倍係数mを抽出する際に、ソース電
圧依存性を反映させることが望ましい。即ち、ドレイン
電圧Vd がある程度大きい領域においては、増倍係数m
はソース電圧Vs 依存性を有しているので、このような
ソース電圧Vs 依存性を反映させることによって、より
精度の高いシミュレーションが可能になる。When extracting the multiplication coefficient m for representing the current power supply based on the impact ionization current, it is desirable to reflect the source voltage dependency. That is, in the drain voltage V d is large to some extent region, multiplication factor m
Has a source voltage V s dependency, so that a more accurate simulation can be performed by reflecting such a source voltage V s dependency.
【0028】また、ソース電圧依存性を反映させた増倍
係数mを用いて回路シミュレータの入力データを発生さ
せる際に、入力データに重み関数を取り入れることが望
まし。デバイスシミュレータによって取得した増倍係数
mをテーブル化するとともに、入力データに重み関数を
取り入れることによって、回路シミュレータの入力デー
タをより正確に発生させることができる。When generating the input data of the circuit simulator using the multiplication coefficient m reflecting the source voltage dependence, it is desirable to incorporate a weight function into the input data. By tabulating the multiplication coefficient m obtained by the device simulator and incorporating a weight function into the input data, the input data of the circuit simulator can be generated more accurately.
【0029】また、等価回路のベース抵抗に、ソース或
いはドレインから基板に注入される少数キャリアに起因
して発生する多数キャリアによる抵抗の変動を反映させ
ることが望ましい。ベース抵抗は、ソース或いはドレイ
ンから注入する少数キャリアがある数より多くなった場
合、電荷中性を保つために多数キャリアが発生して変動
するので、このような変動を組み込むことによってより
精度の高いシミュレーションが可能になる。It is desirable that the base resistance of the equivalent circuit reflects a change in resistance due to majority carriers generated by minority carriers injected from the source or drain into the substrate. If the number of minority carriers injected from the source or the drain exceeds a certain number, the base resistance fluctuates due to the generation of majority carriers to maintain charge neutrality. Simulation becomes possible.
【0030】また、等価回路のベース抵抗を、導電型決
定不純物によって発生する多数キャリアによる抵抗成
分、ソースから基板に注入される少数キャリアに起因し
て発生する多数キャリアによる抵抗成分、及び、ドレイ
ンから基板に注入される少数キャリアに起因して発生す
る多数キャリアによる抵抗成分の三つの抵抗成分の並列
回路で表すことが望ましい。基板にある程度以上の数の
少数キャリアが注入された場合、電荷中性を保つために
多数キャリアが発生するので、この様な三つの抵抗成分
の並列回路で表すことによって、ベース抵抗の変動を正
確に反映させることができる。Further, the base resistance of the equivalent circuit includes a resistance component due to majority carriers generated by impurities determining conductivity type, a resistance component due to majority carriers generated due to minority carriers injected from a source to a substrate, and a resistance component due to a drain. It is desirable that the resistance component is represented by a parallel circuit of three resistance components of a resistance component due to majority carriers generated due to minority carriers injected into the substrate. When more than a small number of minority carriers are injected into the substrate, majority carriers are generated to maintain charge neutrality.Thus, by expressing such a parallel circuit of three resistance components, the fluctuation of the base resistance can be accurately determined. Can be reflected.
【0031】[0031]
【発明の実施の形態】ここで、図2乃至図4を参照し
て、本発明の第1の実施の形態のシミュレーション方法
を説明する。 図2参照 図2は、MOSFETからなるESD保護素子をラテラ
ルバイポーラトランジスタに置き換えた保護素子側の等
価回路、及び、静電気源となる人体や機械等の外部側の
等価回路を示した図であり、保護素子側の等価回路と外
部側の等価回路とはパッド(Pad)を介して接続され
る。なお、図においては、対称性を考慮してエミッタ側
にも電流電源Ime,Ipne、及び、接合容量Cpne を設
けている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A simulation method according to a first embodiment of the present invention will now be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit on the protection element side in which the ESD protection element composed of a MOSFET is replaced with a lateral bipolar transistor, and an equivalent circuit on the external side such as a human body or a machine serving as a static electricity source. The equivalent circuit on the protection element side and the equivalent circuit on the external side are connected via a pad (Pad). In the figure, current power sources I me and I pne and a junction capacitance C pne are provided on the emitter side in consideration of symmetry.
【0032】この場合のIpn,Im ,Cpn等のパラメー
タはデバイスシミュレータ(FLAPS)を用いて抽出
したので、この様子を図3を参照して説明する。 図3参照 図3は、デバイスシミュレータ(FLAPS)を用いて
作成したモデル構造図であり、ESD保護素子を構成す
るnチャネル型MOSFETをn型ソース領域13をエ
ミッタとし、p型基板11とベースとし、n型ドレイン
領域12をコレクタとしたnpn型ラテラルバイポーラ
トランジスタとしたものであり、ゲート電極を無いもの
としている。なお、この場合には、p型基板11は、図
2の等価回路におけるp型ウエル領域に相当する。In this case, parameters such as I pn , I m , and C pn are extracted by using a device simulator (FLAPS), and this state will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a model structure diagram created by using a device simulator (FLAPS). An n-channel type MOSFET constituting an ESD protection element has an n-type source region 13 as an emitter, a p-type substrate 11 and a base. , An npn-type lateral bipolar transistor having the n-type drain region 12 as a collector and no gate electrode. In this case, the p-type substrate 11 corresponds to a p-type well region in the equivalent circuit of FIG.
【0033】n型ドレイン領域12の近傍の空乏層にお
いて熱的に発生する電子・正孔対に基づくコレクタ電流
Ipnc は、エミッタ電圧Ve 及びベース電圧Vb を0V
とし、コレクタ電圧Vc として、0〜8Vの電圧を印加
することによって求めたコレクタ電流で表し、このコレ
クタ電流Ipnc が第1の電流電源として回路シミュレー
タ(HSPICE)の入力データとする。The collector current I pnc based on the electron-hole pair thermally generated in the depletion layer near the n-type drain region 12 is such that the emitter voltage V e and the base voltage V b are 0 V
And then, as the collector voltage V c, represents the collector current obtained by applying a voltage of 0~8V, the collector current I pnc is to input data circuit simulator (HSPICE) as a first current source.
【0034】一方、インパクトイオン化電流に基づくコ
レクタ電流Imcは、エミッタ電圧V e を−0.7Vに
し、ベース電圧Vb を0Vにし、コレクタ電圧Vc とし
て、0〜8Vの電圧を印加することによって求めたイン
パクトイオン化のない場合のコレクタ電流Ic に、イン
パクトイオン化に伴う増倍係数mを掛けた積、即ち、 Imc=Ic ×m で表し、このコレクタ電流Imcを第2の電流電源として
回路シミュレータ(HSPICE)の入力データとす
る。なお、この場合の増倍係数mは、インパクトイオン
化がある場合のコレクタ電流をIicとした場合、 m=Iic/Ic −1 で表す。On the other hand, the core based on the impact ionization current
Lector current ImcIs the emitter voltage V eTo -0.7V
And the base voltage VbTo 0V and the collector voltage Vcage
And by applying a voltage of 0 to 8 V
Collector current I without pact ionizationcIn
The product multiplied by the multiplication factor m associated with pact ionization, that is, Imc= Ic× m and the collector current ImcAs the second current power supply
Input data of circuit simulator (HSPICE)
You. In this case, the multiplication coefficient m is the impact ion
The collector current whenI cWhere m = II c/ IcRepresented by -1.
【0035】また、ソース・ドレイン領域に伴う接合容
量Cpnは、Ipn(Ipnc )を求めた時の電圧条件を用い
て求めるが、Vc が負の値で、且つ、値が急激に変化す
る付近では容量値をデバイスシミュレータ(FLAP
S)では求められないので、Vc<0.98V以下の接
合容量Cpnは外挿値を用いる。Further, the junction capacitance C pn with the source-drain region is determined using the voltage conditions at the time of seeking I pn (I pnc), with V c is negative, and the value abruptly In the vicinity of the change, the capacitance value is set in the device simulator (FLAP
Since S) in not required, Vc <0.98 V below the junction capacitance C pn uses extrapolated value.
【0036】次に、回路シミュレータ(HSPICE)
で用いるバイポーラパラメータを求めるために、デバイ
スシミュレータ(FLAPS)を用いて、Vc =2V,
Ve=0Vの条件で、Vb として0〜−1.5Vの電圧
を印加して、Vb −Ic の特性曲線及びVb −Ib の特
性曲線を求める。Next, a circuit simulator (HSPICE)
In order to obtain the bipolar parameters used in the above, V c = 2 V, using a device simulator (FLAPS)
Under the condition of V e = 0V, and applying a voltage of 0 to-1.5V as V b, determine the characteristic curve of V b -I c characteristic curve and V b -I b.
【0037】次に、回路シミュレータ(HSPICE)
の中で使用されているDCモデル式を利用してバイポー
ラパラメータIbe(eff) 及びIb /Ic =BF(増幅
率)を抽出する。因に、Vbe=0.7Vの時に対して、
Ibe(eff) =2.3e-1A、BF=0.9となる。Next, a circuit simulator (HSPICE)
The bipolar parameters I be (eff) and I b / I c = BF (amplification factor) are extracted using the DC model formula used in the above. By the way, when V be = 0.7V,
Ibe (eff) = 2.3e -1 A and BF = 0.9.
【0038】また、n型ソース領域13とn型ドレイン
領域12とは通常対称であるので、等価的なエミッタと
コレクタも左右対称となり、したがって、 Ibe(eff) =Ibe(eff) BF=BR=Ib /Ie となるが、デバイスシミュレータ(FLAPS)と回路
シミュレータ(HSPICE)においてはベース電圧V
b が大きな値になるにつれて計算値に大きな違いが生ず
るので、図2の等価回路における様にベース抵抗Rb を
考慮する。因に、Vbe=1.0V、Ib =2.1211
×10-4Aとした場合には、Rb=98Ωとなる。Also, since the n-type source region 13 and the n-type drain region 12 are usually symmetric, the equivalent emitter and collector are also symmetrical, so that I be (eff) = I be (eff) BF = BR = I b / I e , but in the device simulator (FLAPS) and the circuit simulator (HSPICE), the base voltage V
Since a large difference occurs in the calculated value as b becomes a large value, the base resistance Rb is considered as in the equivalent circuit of FIG. Incidentally, V be = 1.0 V, I b = 2.1211
In the case of × 10 −4 A, R b = 98Ω.
【0039】再び、図2参照 以上のバイポーラパラメータを用いて回路シミュレータ
(HSPICE)によって、ESD耐性を計算するが、
この場合の外部回路の静電破壊モデルをHBMモデルと
同様のTIモデルとし、電源電圧Vcc=4000V、容
量C1 =100pF、抵抗R1 =1500Ω、インダク
タンスL1 =7.5μH、容量C2 及びC3 を0pFと
する。この時、保護回路側の抵抗値Rcm1 及びR
em2 は、夫々0.3Ωに設定し、基板抵抗に相当するウ
エル抵抗Rwellは10000Ωに設定し、ベース抵抗R
b としては0.49Ωとする。なお、ウエル抵抗Rwell
は、プロセスやレイアウトに大きく依存するが、ここで
は、バイポーラトランジスタの奥行きWを200μmと
している。Again referring to FIG. 2, the ESD resistance is calculated by a circuit simulator (HSPICE) using the above bipolar parameters.
Electrostatic breakdown model of an external circuit in this case is the HBM model similar to TI model, the power supply voltage V cc = 4000V, capacitance C 1 = 100 pF, resistor R 1 = 1500 ohms, the inductance L 1 = 7.5μH, capacitance C 2 and C 3 to 0 pF. At this time, the resistance values R cm1 and R
em2 is set to 0.3Ω, the well resistance R well corresponding to the substrate resistance is set to 10,000Ω, and the base resistance R well is set to 10,000Ω.
b is 0.49Ω. The well resistance R well
Depends greatly on the process and layout, but here, the depth W of the bipolar transistor is set to 200 μm.
【0040】図4参照 図4は、上記の様にして抽出したバイポーラパラメータ
を回路シミュレータ(HSPICE)に入力して計算し
た結果得られたIc −Vc 特性図であり、図から明らか
なようにスナップバック特性が出ていることが理解され
る。FIG. 4 is a graph showing I c -V c characteristics obtained as a result of calculation by inputting the bipolar parameters extracted as described above to a circuit simulator (HSPICE). It is understood that the snapback characteristic is exhibited in FIG.
【0041】以上、説明したように、本発明の第1の実
施の形態においては、回路シミュレータを用いるととも
に、少なくともコレクタ側の電流電源を2つのインパク
トイオン化電流による電流電源Imcと、熱的に励起され
た電子・正孔対に基づく電流Ipnc (=Igen )による
電流電源の2つの電流電源を仮定して計算しているの
で、ESD耐性を過大に評価することなく精度良く解析
することができる。As described above, in the first embodiment of the present invention, a circuit simulator is used, and at least the collector-side current power supply is thermally connected to the current power supply Imc by two impact ionization currents. Since the calculation is performed assuming two current power supplies, that is, a current power supply based on the current I pnc (= I gen ) based on the excited electron-hole pairs, it is necessary to accurately analyze the ESD resistance without overestimating it. Can be.
【0042】また、解析に際しては、回路シミュレータ
を用いているので、短時間での解析が可能になり、新た
なESD保護回路の設計・評価に要する所要時間(TA
T)を大幅に短縮することができる。なお、事前のバイ
ポーラパラメータの抽出等に当たっては、デバイスシミ
ュレータを用いている。Since the circuit simulator is used for the analysis, the analysis can be performed in a short time, and the time required for designing and evaluating a new ESD protection circuit (TA
T) can be significantly reduced. Note that a device simulator is used for extracting bipolar parameters in advance.
【0043】次に、図5及び図6を参照して、等価回路
にMOSFETを組み込んだ本発明の第2の実施の形態
のシミュレーション方法を簡単に説明する。 図5参照 図5は、MOSFETからなるESD保護素子をラテラ
ルバイポーラトランジスタとMOSFETとに置き換え
た保護素子側の等価回路、及び、静電気源となる人体や
機械等の外部側の等価回路を示した図であり、図2に示
した第1の実施の形態におけるラテラルバイポーラトラ
ンジスタのコレクタとエミッタとの間に、MOSFET
のドレインとソースとを接続させたものである。この場
合も対称性を考慮してエミッタ側にも電流電源Ime,I
pne 、及び、接合容量Cpne を設けている。Next, a simulation method according to the second embodiment of the present invention, in which a MOSFET is incorporated in an equivalent circuit, will be briefly described with reference to FIGS. FIG. 5 is a diagram showing an equivalent circuit on the protection element side in which an ESD protection element composed of a MOSFET is replaced with a lateral bipolar transistor and a MOSFET, and an equivalent circuit on the external side such as a human body or a machine serving as a static electricity source. And a MOSFET between the collector and the emitter of the lateral bipolar transistor in the first embodiment shown in FIG.
Is connected to the drain and source of the semiconductor device. In this case, too, the current power supplies I me and I me
pne and a junction capacitance C pne are provided.
【0044】この場合のシミュレーション手法は、バイ
ポーラトランジスタの動作特性と、通常のMOSFET
の動作特性とを別個に計算して、その計算結果を重ね合
わせてESD耐性を解析するものである。この場合の各
動作特性は、パッドから印加される静電電圧に起因して
流れる電流を、バイポーラトランジスタを流れるコレク
タ電流と、MOSFETを流れるドレイン電流に配分し
て求めるものであり、バイポーラトランジスタの動作特
性については、分配されたコレクタ電流に基づいて上記
の第1の実施の形態において説明したバイポーラトラン
ジスタの動作特性と同様にして解析するものであり、一
方、MOSFETの動作特性については、分配されたド
レイン電流に基づいて動作特性を解析するものである。The simulation method in this case is based on the operating characteristics of the bipolar transistor and the normal MOSFET.
Are separately calculated, and the calculation results are superimposed to analyze the ESD resistance. The respective operating characteristics in this case are obtained by distributing the current flowing due to the electrostatic voltage applied from the pad to the collector current flowing through the bipolar transistor and the drain current flowing through the MOSFET. The characteristics are analyzed in the same manner as the operation characteristics of the bipolar transistor described in the first embodiment on the basis of the distributed collector current, while the operation characteristics of the MOSFET are distributed. The operation characteristics are analyzed based on the drain current.
【0045】図6参照 図6は、上記の様に等価回路にMOSFETを組み込ん
で回路シミュレータ(HSPICE)に入力して計算し
た結果得られたId −Vd 特性図であり、図から明らか
なように図4と同様なスナップバック特性が出ているこ
とが理解される。なお、この場合のドレイン電流I
d は、等価回路上のMOSFETのドレイン電流ではな
く、等価回路上のMOSFETのドレイン電流と、等価
回路上のバイポーラトランジスタのコレクタ電流を合わ
せた電流を表す。FIG. 6 is an I d -V d characteristic diagram obtained as a result of calculation by incorporating a MOSFET into an equivalent circuit and inputting it to a circuit simulator (HSPICE) as described above. Thus, it is understood that a snapback characteristic similar to that of FIG. 4 is obtained. In this case, the drain current I
d represents not the drain current of the MOSFET on the equivalent circuit, but the current obtained by adding the drain current of the MOSFET on the equivalent circuit and the collector current of the bipolar transistor on the equivalent circuit.
【0046】この様に、本発明の第2の実施の形態にお
いては、ESD保護素子を構成するMOSFETを、等
価回路の中に組み込んで解析しているので、実体をより
正確に反映した等価回路となり、その結果、より精度の
高いESD耐性の解析が可能になる。As described above, in the second embodiment of the present invention, since the MOSFET constituting the ESD protection element is analyzed by being incorporated in the equivalent circuit, the equivalent circuit reflecting the substance more accurately is analyzed. As a result, more accurate analysis of ESD resistance becomes possible.
【0047】次に、図7乃至図10を参照して、本発明
の第3の実施の形態のシミュレーション方法を説明す
る。 図7参照 図7は、ESD保護回路を4行×6列に24個配置した
nチャネル型のMOSFET21によって構成した場合
の等価回路図であり、ESD保護回路を構成する個々の
ESD保護素子であるMOSFET21は、上記第2の
実施の形態と同様にMOSFET21と寄生素子22で
あるラテラルバイポーラトランジスタとに置き換えるこ
とができる。なお、このESD保護回路のレイアウトデ
ータは、CADレイアウトデータから取り込むものであ
り、また、外部回路側の構成要素の入力データとして
は、上記の第1の実施の形態と同様に、電源電圧Vcc=
4000V、容量C1 =100pF、抵抗R1 =150
0Ω、インダクタンスL1 =7.5μH、容量C2 及び
C3 を0pFとする。Next, a simulation method according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is an equivalent circuit diagram in the case where 24 ESD protection circuits are arranged in 4 rows × 6 columns by 24 n-channel MOSFETs 21. Each ESD protection element is included in the ESD protection circuit. The MOSFET 21 can be replaced by a MOSFET 21 and a lateral bipolar transistor, which is a parasitic element 22, as in the second embodiment. Note that the layout data of the ESD protection circuit is obtained from CAD layout data, and the input data of the components on the external circuit side is the power supply voltage V cc , as in the first embodiment. =
4000 V, capacitance C 1 = 100 pF, resistance R 1 = 150
0Ω, inductance L 1 = 7.5 μH, capacitances C 2 and C 3 are 0 pF.
【0048】図8参照 図8は、この様なESD保護回路のレイアウトの一例を
模式的に示したものであり、1行6個のMOSFETが
4行配置されて24個のMOSFETから構成されてお
り、この左端の列のMOSFETをパッドに近い順に、
Tr3 、Tr4、Tr5 、Tr6 とし、次の列のMOS
FETをTr7 、Tr8 、Tr9 、Tr 10とし、Tr26
まである。FIG. 8 shows an example of the layout of such an ESD protection circuit.
This is schematically shown, and six MOSFETs in one row
It is composed of 24 MOSFETs arranged in 4 rows.
The MOSFETs in the leftmost column are arranged in the
TrThree, TrFour, TrFive, Tr6And the MOS in the next column
FET to Tr7, Tr8, Tr9, Tr TenAnd Tr26
Up to.
【0049】この場合、例えば、隣接するゲート長Lg
=0.24μmのゲート電極31間に配置されるソース
領域33とドレイン領域34とは、長さL=4.96μ
mの拡散領域を共用するものであり、個々のソース・ド
レイン領域33,34としては、長さLd =L/2=
2.48μm、幅Wg =19.66μmの矩形領域(面
積=48.7568μm2 )とする。なお、左右両側の
共用しない拡散領域からなるソース・ドレイン領域32
の長さは、4.21μmとする。In this case, for example, the adjacent gate length L g
= 0.24 μm, the source region 33 and the drain region 34 arranged between the gate electrodes 31 have a length L = 4.96 μm.
m are shared, and each source / drain region 33, 34 has a length L d = L / 2 =
A rectangular region (area = 48.7568 μm 2 ) having a width of 2.48 μm and a width W g of 19.66 μm is set. It should be noted that the source / drain regions 32 made of diffusion regions not shared on both the left and right sides.
Is 4.21 μm.
【0050】一方、ゲート電極31のシート抵抗値及び
配線層のシート抵抗値としては、夫々5Ω/□と0.0
5Ω/□と仮定し、ゲート抵抗Rg は、ゲート長をLg
(=0.24μm)とし場合、 Rg =(5Ω/□)×(Lg /Wg ) とすることによって、Rg =410Ω/20μmとな
る。また、配線抵抗Rは、配線層幅をLw とした場合、 R=(0.05Ω/□)×(Wg /Lw ) で表されるが、ここでは、動作特性の配線抵抗依存性を
調べるために、0.1Ωと1.0Ωの2種類の抵抗値を
入力データとした。On the other hand, the sheet resistance of the gate electrode 31 and the sheet resistance of the wiring layer are 5 Ω / □ and 0.0, respectively.
Assuming 5Ω / □, the gate resistance R g is determined by setting the gate length to L g
(= 0.24 μm), R g = 410 Ω / 20 μm by setting R g = (5Ω / □) × (L g / W g ). The wiring resistance R is represented by R = (0.05Ω / □) × (W g / L w ) where the wiring layer width is L w . Here, the dependence of the operating characteristics on the wiring resistance is shown. In order to check the resistance, two kinds of resistance values of 0.1Ω and 1.0Ω were used as input data.
【0051】図9参照 図9(a)は、配線抵抗Rを0.1Ωとした場合のId
−Vd 特性図であり、また、図9(b)は、配線抵抗R
を1.0Ωとした場合のId −Vd 特性図である。図か
ら明らかなように、スナップバック特性に違いが見ら
れ、配線抵抗Rが大きいほど、スナップバックのピーク
電圧が大きくなることが理解される。FIG. 9A shows I d when the wiring resistance R is 0.1Ω.
A -V d characteristic diagram, FIG. 9 (b), the wiring resistance R
Which is the I d -V d characteristic diagram in the case of a 1.0 [Omega]. As is clear from the figure, there is a difference in the snapback characteristics, and it is understood that the peak voltage of the snapback increases as the wiring resistance R increases.
【0052】図10参照 図10(a)は、配線抵抗Rを0.1Ωとした場合の時
間tと消費電力Pとの相関を示す図であり、図10
(b)は、配線抵抗Rを1.0Ωとした場合の時間tと
消費電力Pとの相関を示す図である。図から明らかなよ
うに、配線抵抗Rが大きいほど消費電力Pが大きくなる
ことが理解されるとともに、パッドから距離が近いほど
消費電力Pが大きくなること、即ち、図8のレイアウト
における左側の列のTrの場合、P(Tr3 )>P(T
r4 )>P(Tr5 )>P(Tr6 )となることが理解
され、この傾向は配線抵抗Rの増大とともに顕著にな
る。FIG. 10A is a diagram showing the correlation between the time t and the power consumption P when the wiring resistance R is 0.1 Ω.
(B) is a diagram showing the correlation between the time t and the power consumption P when the wiring resistance R is 1.0Ω. As is clear from the figure, it is understood that the power consumption P increases as the wiring resistance R increases, and the power consumption P increases as the distance from the pad decreases, that is, the left column in the layout of FIG. In the case of Tr, P (Tr 3 )> P (T
It is understood that r 4 )> P (Tr 5 )> P (Tr 6 ), and this tendency becomes remarkable as the wiring resistance R increases.
【0053】したがって、この様な解析を行うことによ
って、配線抵抗Rが大きいほど、また、入力パッドに近
いほど保護用MOSFETの消費電力が大きくなるの
で、熱的に破壊されやすいことが理解され、この結果を
用いることによって、レイアウトの最適化が可能にな
る。Therefore, by performing such an analysis, it is understood that the larger the wiring resistance R and the closer to the input pad, the higher the power consumption of the protection MOSFET, and thus the more easily the MOSFET is thermally damaged. By using this result, the layout can be optimized.
【0054】以上、説明したように、本発明の第3の実
施の形態においては、ESD保護回路全体の構成をCA
Dレイアウトデータをネットリストに取り入れて回路シ
ミュレータによってシミュレーションしているので、E
SD保護回路全体のESD耐圧特性を迅速に且つ正確に
シミュレーションすることができる。As described above, in the third embodiment of the present invention, the configuration of the entire ESD protection circuit is CA
Since the D layout data is incorporated into the netlist and simulated by a circuit simulator,
The ESD withstand voltage characteristics of the entire SD protection circuit can be quickly and accurately simulated.
【0055】また、ESD保護回路を構成する個々のE
SD保護素子のレイアウト位置による特性の違い、配線
層の抵抗値による違いも評価することができるので、個
々のESD保護素子の素子構造だけではなく、ESD保
護回路全体のレイアウトの最適化が可能になる。The individual Es constituting the ESD protection circuit
Since differences in characteristics depending on the layout position of the SD protection element and differences in the resistance value of the wiring layers can be evaluated, not only the element structure of each ESD protection element but also the layout of the entire ESD protection circuit can be optimized. Become.
【0056】次に、上記の第1の実施の形態或いは第2
の実施の形態の改良に関する第4の実施の形態を説明す
る。上記の第1の実施の形態においては、インパクトイ
オン化現象でコレクタ近傍から基板に流れる電流源Imc
は、インパクトイオン化に伴う増倍係数mとコレクタ電
圧Vc との関係として数値テーブルで与えている。Next, the first embodiment or the second embodiment will be described.
A fourth embodiment related to the improvement of the fourth embodiment will be described. In the first embodiment, the current source I mc flowing from the vicinity of the collector to the substrate due to the impact ionization phenomenon.
It is given a numerical value table as a relationship between the multiplication factor m and the collector voltage V c caused by impact ionization.
【0057】この場合における増倍係数mは、インパク
トイオン化がある場合のコレクタ電流をIic、インパク
トイオン化がない場合のコレクタ電流をIc とした場
合、 m=(Iic−IC )/IC =Iic/IC −1 で表している。The multiplication coefficient m in this case is as follows: when the collector current when there is impact ionization is I ic and when the collector current when there is no impact ionization is I c , m = (I ic −I c ) / I c It is represented by C = I ic / I C -1 .
【0058】ここで、電流及び電圧の表記をIic→I
dii ,Ic →Id ,Vc →Vd 等に置き換えて説明する
が、実質的には同等である。したがって、上記の増倍係
数mに関する式は、 m=(Idii −Id )/Id で表され、この関係を回路シミュレータ(HSPIC
E)で計算した結果が、図11である。Here, the notation of current and voltage is expressed as I ic → I
dii , I c → I d , V c → V d, etc., but they are substantially equivalent. Thus, the expression relates to the multiplication coefficient of the m, m = is represented by (I dii -I d) / I d, circuit simulator this relationship (HSPIC
FIG. 11 shows the result calculated in E).
【0059】図11参照 図から明らかなように、ゲート幅Wが1.0μmのnチ
ャネル型MOSFETの場合、ソース電圧Vを、−0.
4V〜−0.7Vとした場合に、増倍係数mにソース電
圧Vs 依存性は見られず、ドレイン電圧Vd に対してほ
ぼ線型の関係式が得られた。Referring to FIG. 11, as is apparent from FIG. 11, in the case of an n-channel MOSFET having a gate width W of 1.0 μm, the source voltage V is set to −0.
When a 4V to-0.7 V, the source voltage V s dependence was not observed in the multiplication factor m, substantially linear relation is obtained with respect to the drain voltage V d.
【0060】この様なシミュレーション結果を評価する
ためには、実験データと対比させる必要があるが、上記
の増倍係数mに関する式におけるインパクトイオン化現
象を取り入れない場合のドレイン電流Id を実験データ
として求めることは不可能であり、したがって、増倍係
数mに関する式を直ちに実験データに対応させることは
できない。即ち、実際には、程度の差はあれ必ずインパ
クトイオン化現象が生じているので、インパクトイオン
化現象の生じていない場合のドレイン電流Id を実測す
ることができないためである。In order to evaluate such a simulation result, it is necessary to compare with the experimental data. However, the drain current I d in the case where the impact ionization phenomenon in the above-mentioned expression relating to the multiplication coefficient m is not taken in is taken as experimental data. It is impossible to determine, and therefore, the equation for the multiplication factor m cannot be immediately associated with experimental data. That, in fact, since the varying degrees occurs always impact ionization any, is because it is impossible to actually measure the drain current I d in the case where there is no impact ionization.
【0061】そこで、この様な寄生素子のパラメータを
求める場合、とりあえず、実験データとして取得したイ
ンパクトイオン化現象が生じている場合のソース電流I
siiをインパクトイオン化現象の生じていない場合のド
レイン電流Id の代わりに用いて、 m=(Idii −Isii )/Isii として増倍係数mとドレイン電圧Vd との関係式を求め
た結果を示したのが、図12である。Therefore, when the parameters of such a parasitic element are obtained, the source current I in the case where the impact ionization phenomenon obtained as experimental data has occurred is obtained.
The sii used in place of the drain current I d in the case where there is no impact ionization was determined m = (I dii -I sii) / I relationship between multiplication coefficient m and the drain voltage V d as sii FIG. 12 shows the results.
【0062】図12参照 図に示されているように、この場合の増倍係数mに、ド
レイン電圧Vd が低い領域においてもソース電圧Vs 依
存性が現れ、増倍係数mは物理的に不合理なパラメータ
となる問題がある。即ち、インパクトイオン化による増
倍係数mは、ドレイン近傍の電界に依存するのでドレイ
ン電圧Vd に依存することになるが、ドレイン近傍に達
する電流(≒Isii )の値には依存せず一定であるはず
であり、ソース電圧Vs はドレイン近傍に達する電流の
値に反映されるだけであるにも拘わらず、増倍係数mが
ソース電圧Vs 依存性を有することは不合理となる。[0062] As shown in Figure 12 reference figures, the multiplication factor m in this case, the source voltage V s dependence appears even at a drain voltage V d is lower region, the multiplication factor m is physically There is a problem of unreasonable parameters. That is, multiplication factor m by impact ionization, will depend on the drain voltage V d because it depends on the electric field near the drain, the value of the current (≒ I sii) reaching the vicinity of the drain in the constant independently and should there, the source voltage V s even though only be reflected in the value of the current that reaches the vicinity of the drain, it becomes unreasonable multiplication factor m has a source voltage V s dependence.
【0063】そこで、nチャネル型MOSFETの場
合、実際のソース電流、即ち、インパクトイオン化現象
が生じている場合のソース電流Isii が、ソース領域か
らドレイン領域に向かって流れる電子電流Isii ′と基
板からソース領域に流れる正孔電流Ih とからなるこ
と、即ち、 Isii =Isii ′+Ih であることに着目し、鋭意検討の結果、上記の増倍係数
mに関する式 m=(Idii −Id )/Id におけるId は、Isii ではなく、Isii ′に相当する
との結論に至った。Therefore, in the case of an n-channel MOSFET, the actual source current, that is, the source current I sii when the impact ionization phenomenon occurs, is equal to the electron current I sii ′ flowing from the source region to the drain region and the substrate current. it consists of a hole current I h flowing through the source region from, i.e., I sii = I sii '+ focuses on the fact is I h, a result of intensive studies, the equation for the multiplication coefficient of the m m = (I dii I d in -I d) / I d is the I sii rather was concluded that correspond to I sii '.
【0064】したがって、増倍係数mに関する式は、 m=(Idii −Isii ′)/Isii ′ =(Idii −Isii +Ih )/(Isii −Ih ) で表されることになる。この式における基板からソース
領域に流れる正孔電流Ih は、回路シミュレータ(HS
PICE)におけるバイポーラモデルを使用しパラメー
タをフィッティングすることによって求めることができ
る。[0064] Thus, equation relates the multiplication factor m, m = (I dii -I sii ') / I sii' = (I dii -I sii + I h) / can be expressed by (I sii -I h) become. The hole current Ih flowing from the substrate to the source region in this equation is calculated by the circuit simulator (HS
(PICE) using a bipolar model and fitting parameters.
【0065】図13参照 図13は、基板の電圧Vsub 、即ち、Vb をVb =0V
とし、ドレイン電圧V d 、即ち、コレクタ電圧Vc を1
V以下の定電圧、例えば、Vc =0.05Vとし、ソー
ス電圧Vs 、即ち、エミッタ電圧Ve を変動させて基板
からソース領域に流れる正孔電流Ih 、即ち、ベース電
流Ib を評価したものである。FIG. 13 shows the substrate voltage VsubThat is, VbTo Vb= 0V
And the drain voltage V dThat is, the collector voltage Vc1
V or lower constant voltage, for example, Vc= 0.05V and saw
Voltage VsThat is, the emitter voltage VeFluctuating the substrate
Current I flowing from the source region to the source regionhThat is, the base
Style IbWas evaluated.
【0066】この様に求めたIh と実験データIsii を
用いて増倍係数mとドレイン電圧V d との関係を二次元
デバイスシミュレータ(Medici)を用いて求めた
結果が図14である。 図14参照 図から明らかなように、ドレイン電圧VD が低い領域に
おいては増倍係数mにはソース電圧Vs 依存性が現れて
おらず、物理的に不合理性のない結果が得られており、
且つ、図11に示したシミュレーション結果とも矛盾の
ない結果が得られた。The I obtained as described abovehAnd experimental data IsiiTo
Multiplication coefficient m and drain voltage V dTwo dimensional relationship
Determined using a device simulator (Medici)
FIG. 14 shows the result. As shown in FIG. 14, the drain voltage VDIn low areas
The source voltage VsDependencies emerge
Without physical irrationality,
Moreover, the simulation result shown in FIG.
No results were obtained.
【0067】したがって、インパクトイオン化に伴う増
倍係数mの計算に、Isii =Isii′+Ih の関係、即
ち、基板からソース領域に流れる正孔電流Ih を考慮す
ることによって、Id を計算によって求めるのではな
く、実測データIsii を用いることができるので、より
正確に且つ迅速にESD耐性をシミュレーションするこ
とが可能になる。Therefore, in the calculation of the multiplication coefficient m accompanying impact ionization, I d is obtained by considering the relationship of I sii = I sii ′ + I h , that is, the hole current I h flowing from the substrate to the source region. Since the actual measurement data I sii can be used instead of being obtained by calculation, it is possible to more accurately and quickly simulate the ESD resistance.
【0068】この様にして、ソース電圧依存性を有さな
い増倍係数m、即ち、Vs =0Vとした増倍係数mによ
ってスナップバック特性を回路シミュレータ(HSPI
CE)を用いて求めたので、図15を参照して説明す
る。 図15参照 図15において、破線で示す曲線が増倍係数m(Vs =
0V)を用いたスナップバック特性である。しかし、図
において黒丸のみによって示すデバイスシミュレータ
(Medici)を用いて求めたスナップバック特性曲
線との間に差が見られる。As described above, the snapback characteristic is changed by the circuit simulator (HSPI) by the multiplication coefficient m having no source voltage dependency, that is, the multiplication coefficient m when V s = 0 V.
CE), and will be described with reference to FIG. See FIG. 15. In FIG. 15, a curve shown by a broken line is a multiplication coefficient m (V s =
0V). However, a difference is seen from the snapback characteristic curve obtained by using a device simulator (Medici) indicated only by a black circle in the figure.
【0069】これは、図14に示すように、実際には、
ドレイン電圧Vd がある程度大きい領域において、増倍
係数mにソース電圧Vs 依存性が現れることを無視した
結果と考えられる。即ち、スナップバック特性を測る場
合には、ソースは接地されているが、電流駆動すること
になり、特に、スナップバックが発生する状況において
は、ソース電位Vs は固定されず電流によって変動する
ので、より正確なスナップバック特性を回路シミュレー
タ上で再現するためには、ドレイン電圧Vd がある程度
大きい領域における増倍係数mのソース電圧Vs 依存性
を反映させる必要がある。This is because, as shown in FIG.
In the drain voltage V d is large to some extent region, it is considered the result of ignoring the source voltage V s dependence appears in the multiplication factor m. That is, when measuring the snapback characteristics, the source is grounded, but will be current driven, in particular, in a situation where the snap back occurs, the source potential V s varies by the current not fixed in order to reproduce a more accurate snapback characteristic in the circuit simulator, it is necessary to drain voltage V d is to reflect the source voltage V s dependence of the multiplication factor m in the region somewhat large.
【0070】そこで、上記の第4の実施の形態の改良に
関する第5の実施の形態を説明する。この第5の実施の
形態においては、回路シミュレータ(HSPICE)を
用いてスナップバック特性をシミュレーションする際
に、二次元デバイスシミュレータ(Medici)で得
た所定のソース電圧Vs 毎の増倍係数mの数値データを
テーブル化し、シミュレーションしなかったソース電圧
Vs における増倍係数mについでは、テーブル化した数
値データを重み付けして用いるようにする。なお、この
重み付けに関しては、使用する回路シミュレータ内のシ
ステムに依存するものであり、且つ、実態を正確に反映
するように重み付けの仕方を適宜変更するものである。Therefore, a fifth embodiment related to the improvement of the fourth embodiment will be described. In this fifth embodiment, when simulating the snapback characteristic using a circuit simulator (HSPICE), the multiplication factor m for each predetermined source voltage V s obtained by the two-dimensional device simulator (Medici) Numerical data is tabulated, and for the multiplication coefficient m at the source voltage V s not simulated, the tabulated numerical data is weighted and used. The weighting depends on the system in the circuit simulator used, and the way of weighting is appropriately changed so as to accurately reflect the actual situation.
【0071】再び、図15参照 図における実線の曲線は、この様にドレイン電圧Vd の
みならずソース電圧V s 依存性を有する増倍係数mを用
いて回路シミュレータ(HSPICE)によってスナッ
プバック特性をシミュレーションした結果を示すもので
あり、各パラメータを適当にフィッテイングにすること
によって、黒丸のみによって示すデバイスシミュレータ
(Medici)を用いて求めたスナップバック特性曲
線との間に良好な一致性が見られた。Referring again to FIG. 15, the solid line curve in FIG.dof
The source voltage V sUse dependent multiplication factor m
And snatched by a circuit simulator (HSPICE)
It shows the result of simulating the
Yes, fitting each parameter appropriately
, Device simulator indicated only by black circles
Snapback characteristic music obtained using (Medici)
Good agreement was found between the lines.
【0072】この様に、本発明の第5の実施の形態にお
いては、高ドレイン電圧Vd 領域における増倍係数mの
ソース電圧Vs 依存性を反映させて回路シミュレーショ
ンしているので、より正確なスナップバック特性を得る
ことができる。As described above, in the fifth embodiment of the present invention, the circuit simulation is performed by reflecting the source voltage V s dependence of the multiplication coefficient m in the high drain voltage V d region. Snapback characteristics can be obtained.
【0073】さて、上記の第1及び第2の実施の形態に
おいては、図2或いは図5に示すように、ベース抵抗R
b は、ベース端子とベース領域との間に挿入するように
等価回路を構成し、例えば、エミッタ側の接合容量C
pne をエミッタ領域とベース端子との間の容量で表して
いる。In the first and second embodiments, as shown in FIG. 2 or FIG.
b constitutes an equivalent circuit to be inserted between the base terminal and the base region.
pne is represented by the capacitance between the emitter region and the base terminal.
【0074】しかし、接合容量Cpne は、エミッタ領域
とベース領域との間の接合電圧にのみ依存し、ベース抵
抗Rb には本質的に依存しないものであるにも拘わら
ず、図2或いは図5の場合には、接合容量Cpne はベー
ス抵抗Rb 依存性を有することになる。したがって、フ
ィッティングの際に、接合容量Cpne 等のパラメータを
独立に設定することができないという問題がある。However, despite the fact that the junction capacitance C pne depends only on the junction voltage between the emitter region and the base region and does not essentially depend on the base resistance Rb , FIG. In the case of 5, the junction capacitance C pne has a base resistance R b dependency. Therefore, there is a problem that parameters such as the junction capacitance C pne cannot be set independently at the time of fitting.
【0075】図16参照 そこで、図16に示すように、ベース抵抗Rb の接続位
置を変更して、より正確なシミュレーションを可能にし
た。したがって、接合容量Cpnc ,Cpne 、第1の電流
源Ipnc ,Ipne 、及び、第2の電流源Imc,Ime、の
ベース抵抗Rb 依存性をなくすことができ、それによっ
て、上記の第1乃至第5の実施の形態においても、より
精度の高いシミュレーションが可能になる。Referring to FIG. 16, as shown in FIG. 16, the connection position of the base resistor Rb was changed to enable more accurate simulation. Therefore, the dependence of the junction capacitances C pnc , C pne , the first current sources I pnc , I pne , and the second current sources I mc , I me on the base resistance R b can be eliminated. Also in the first to fifth embodiments, a simulation with higher accuracy can be performed.
【0076】しかし、一般に、ベース抵抗Rb は、ベー
ス領域、即ち、基板表面のチャネル領域に注入される電
子に応じた正孔数の増加によって変動するので、ベース
抵抗Rb を固定値として与えてシミュレーションした場
合には、結果が不正確になるという問題がある。However, in general, the base resistance R b varies with an increase in the number of holes according to the electrons injected into the base region, that is, the channel region on the substrate surface. Therefore, the base resistance R b is given as a fixed value. When the simulation is performed by using the simulation, there is a problem that the result becomes inaccurate.
【0077】そこで、この様なベース抵抗Rb の変動を
考慮した本発明の第6の実施の形態を図17乃至図19
を参照して説明する。 図17参照 図17は、ベース抵抗Rb の変動を考慮した場合の等価
回路であり、従来のR b とRwellとの直列回路を、三つ
の抵抗Rbs,Rbd,Rb0の並列回路とRwellとの直列回
路で置き換えたものである。なお、この場合のベース抵
抗Rb はチャネル領域の抵抗であり、Rwellはチャネル
領域から基板端子までの間の抵抗成分である。Therefore, such a base resistor RbFluctuations
FIGS. 17 to 19 show a sixth embodiment of the present invention in consideration of FIGS.
This will be described with reference to FIG. Referring to FIG. 17, FIG.bEquivalent considering the fluctuation of
Circuit and the conventional R bAnd RwellAnd three series circuits
Resistance Rbs, Rbd, Rb0Parallel circuit and RwellSeries times with
Road. In this case, the base resistor
Anti-RbIs the resistance of the channel region and RwellIs the channel
This is a resistance component from the region to the substrate terminal.
【0078】即ち、上述のように、ドレインに電圧をか
けていくと、ソースから流れてきた電子がドレイン近傍
でインパクトイオン化現象を起こして電子・正孔対を発
生させて基板に正孔電流が流れる。次に、基板に正孔が
溜まるとソースと基板間が順バイアスになって正孔がソ
ースに流れ、一方、電子は基板に注入されるが、その一
部がドレインに流れ込んでインパクトイオン化現象を起
こしてさらにドレイン電流を増加することになる。That is, as described above, when a voltage is applied to the drain, electrons flowing from the source cause an impact ionization phenomenon near the drain to generate an electron-hole pair, and a hole current is generated in the substrate. Flows. Next, when holes accumulate in the substrate, a forward bias is applied between the source and the substrate, and holes flow to the source. On the other hand, electrons are injected into the substrate, but a part of the electrons flow into the drain to cause impact ionization. This will further increase the drain current.
【0079】この場合、ソースから基板に注入される電
子数が多くなって一定数を越えると、電荷中性を保つた
めに基板における正孔数が増加してベース抵抗Rb が変
動することになる。In this case, if the number of electrons injected from the source to the substrate increases and exceeds a certain number, the number of holes in the substrate increases to maintain charge neutrality, and the base resistance Rb varies. Become.
【0080】即ち、eを素電荷、μを正孔の移動度、p
を全正孔濃度とした場合、 Rb ∝1/(eμp) となり、pは、NA をアクセプタ数、nを電荷中性を保
つために発生した正孔数とすると、 p=NA +n で表され、このnは、ソースとドレインの対称性を考慮
して、回路動作上、ソースとドレインとが反対になって
駆動される場合を考慮すると、ソースから注入した電子
に起因して発生した正孔数をns 、ドレインから注入し
た電子に起因して発生した正孔数をnd とした場合、 n=ns +nd で表すことができる。That is, e is the elementary charge, μ is the hole mobility, p
If was the total hole concentration, R b α1 / (eμp) next, p is the number of acceptors N A, when the number of holes generated in order to maintain charge neutrality of the n, p = N A + n Where n is generated due to electrons injected from the source in consideration of the case where the source and the drain are driven on the opposite side in circuit operation in consideration of the symmetry of the source and the drain. was the number of holes n s, if the number of holes generated due to the electrons injected from the drain to the n d, can be expressed by n = n s + n d.
【0081】以上を纏めると、 Rb ∝1/(eμp) =1/〔eμ(NA +n)〕 =1/〔eμ(NA +ns +nd )〕 =1/(eμNA +eμns +eμnd ) =1/(1/Rb0+1/Rbs+1/Rbd) で表すことが可能になる。[0081] In summary of the above, R b α1 / (eμp) = 1 / [eμ (N A + n)] = 1 / [eμ (N A + n s + n d) ] = 1 / (eμN A + eμn s + eμn d ) = 1 / (1 / R b0 + 1 / R bs + 1 / R bd ).
【0082】即ち、ベース抵抗Rb は、図17に示した
ように、Rb0、Rbs、及び、Rbdの三つの抵抗の並列回
路で表されることになる。この場合、Rb0は、チャネル
領域のアクセプタ数NA による抵抗成分であるので、定
数で表されるものであり、ソース或いはドレインからの
電子の注入に起因して発生する正孔を考慮しない場合の
抵抗であるので、インパクトイオン化現象の起きない時
のチャネル領域の抵抗、即ち、ソース(ドレイン)−基
板間の順バイアスが低い場合の抵抗となる。That is, as shown in FIG. 17, the base resistor R b is represented by a parallel circuit of three resistors R b0 , R bs , and R bd . In this case, since R b0 is a resistance component due to the number of acceptors N A in the channel region, R b0 is expressed as a constant and does not consider holes generated due to injection of electrons from the source or the drain. The resistance of the channel region when the impact ionization phenomenon does not occur, that is, the resistance when the forward bias between the source (drain) and the substrate is low.
【0083】一方、Rbsは、ソースから注入した電子に
起因して発生した正孔数ns に起因して発生する抵抗成
分であり、また、Rbdは、ドレインから注入した電子に
起因して発生した正孔数nd に起因して発生する抵抗成
分であり、これらの抵抗成分が、ベース抵抗Rb の変調
成分となる。On the other hand, R bs is a resistance component generated by the number of holes n s generated by electrons injected from the source, and R bd is generated by electrons injected from the drain. the resistance component that occurs due to the number of holes n d generated Te, these resistance component, the modulated component of the base resistance R b.
【0084】図18参照 図18は、ベース抵抗Rb のソース電圧Vs 依存性を視
覚的に示したもので、チャネル領域のアクセプタ数NA
による抵抗成分Rb0は実線の一定値で示され、ソースか
ら注入した電子に起因して発生した正孔数ns に起因し
て発生する抵抗成分Rbsは、ソース電圧Vs とともに低
下する実線の曲線として示される。なお、ドレイン側か
ら注入される電子が寄与する場合には、RbsをRbdに置
き換え、ドレイン電圧Vd 依存性として見れば良い。[0084] Figure 18 Referring FIG. 18, which was visually indicates the source voltage V s dependence of the base resistance R b, an acceptor number of the channel region N A
The solid line resistance component by R b0 is indicated by a constant value of the solid line, the resistance component R bs caused by the number of holes n s generated due to the electrons injected from the source, which decreases with the source voltage V s Is shown as a curve. Note that when electrons injected from the drain side contributes replaces the R bs in R bd, may look as the drain voltage V d dependence.
【0085】したがって、ベース抵抗Rb は、Rb0の逆
数とRbSの逆数との和の逆数で表されるので、ソース電
圧VS が小さい領域では相対的に抵抗の小さなRb0で表
され、一方、ソース電圧Vs が大きい領域ではこの領域
において相対的に抵抗の小さなRbsで表され、中間領域
においては破線で示す曲線で表されることになる。Accordingly, the base resistance R b is represented by the reciprocal of the sum of the reciprocal of R b0 and the reciprocal of R bS. Therefore, in the region where the source voltage V S is small, the resistance R b0 is relatively small. , whereas, in the area source voltage V s is greater represented by small R bs relatively resistance in this region, it will be represented by a curve indicated by a broken line in the intermediate region.
【0086】また、Rwellは電子の注入の影響を受けな
い領域における抵抗値であるので、スナップバック特性
をシミュレーションする場合に、Rbs、Rbd、Rb0、及
び、Rwellの4つの抵抗値をテーブル化し、その内、R
b0及びRwellの二つを一定値とする。Since R well is a resistance value in a region which is not affected by electron injection, when simulating the snapback characteristic, four resistances of R bs , R bd , R b0 , and R well are used. Tabulate the values, among which R
Let b0 and R well be constant values.
【0087】図19参照 図19は、ベース抵抗Rb をRb0、Rbs、及び、Rbdの
三つの抵抗の並列回路からなる等価回路に置き換えて回
路シミュレータ(HSPICE)によってシミュレーシ
ョンした結果を実線で示したもので、黒丸で示すデバイ
スシミュレータ(Medici)によるシミュレーショ
ン結果と良好な一致性を示している。Referring to FIG. 19, FIG. 19 shows the result of a simulation performed by a circuit simulator (HSPICE) in which the base resistor R b is replaced by an equivalent circuit composed of a parallel circuit of three resistors R b0 , R bs , and R bd. And good agreement with the simulation results by the device simulator (Medici) indicated by black circles.
【0088】この様に、本発明の第6の実施の形態にお
いては、ベース抵抗Rb をRb0、R bs、及び、Rbdの三
つの抵抗の並列回路からなる等価回路に置き換えてチャ
ネル領域に注入された電子に起因して発生する正孔数の
増加によるベース抵抗Rb の変動を反映しているので、
より正確なシミュレーションが可能になる。なお、図1
5と図19は実質的に同じであり、図15においても、
既に、上述のベース抵抗Rb の変動を反映させてシミュ
レーションしている。As described above, according to the sixth embodiment of the present invention.
The base resistance RbTo Rb0, R bs, And RbdThree
Replace with an equivalent circuit consisting of a parallel circuit of two resistors.
Of the number of holes generated by electrons injected into the tunnel region
Base resistance R due to increasebIt reflects the fluctuation of
A more accurate simulation can be performed. FIG.
5 and FIG. 19 are substantially the same, and FIG.
The base resistance RbSimulation to reflect fluctuations in
Ration.
【0089】以上、本発明の各実施の形態を説明してき
たが、本発明は各実施の形態に記載された構成及び条件
に限られるものではなく、各種の変更が可能である。例
えば、上記の各実施の形態においては、ESD保護素子
として、nチャネル型MOSFETを用いて説明してい
るが、pチャネル型MOSFETを用いても良いもので
ある。The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in each embodiment, and various changes can be made. For example, in each of the above embodiments, an n-channel MOSFET has been described as the ESD protection element, but a p-channel MOSFET may be used.
【0090】また、上記各実施の形態の説明において
は、Si集積回路装置を前提に説明しているが、本発明
の基本的概念はGaAs集積回路装置等の化合物半導体
装置にも適用されるものであり、その場合には、ESD
保護回路は、通常はMESFET等で構成することにな
るので、MESFETをバイポーラトランジスタ、或い
は、バイポーラトランジスタとMESFETの等価回路
に置き換えて回路シミュレーションをすれば良い。Although the above embodiments have been described on the premise that a Si integrated circuit device is used, the basic concept of the present invention is also applied to a compound semiconductor device such as a GaAs integrated circuit device. And in that case, the ESD
Since the protection circuit is usually formed of a MESFET or the like, the circuit simulation may be performed by replacing the MESFET with a bipolar transistor or an equivalent circuit of a bipolar transistor and a MESFET.
【0091】また、上記の第3の実施の形態において
は、4行×6列に配置したMOSFETによってESD
保護回路を構成しているが、この様な構成は単なる一例
であり、第3の実施の形態の主要な特徴点は、ESD保
護回路全体の構成をCADレイアウトデータをネットリ
ストに取り入れて回路シミュレーションする点にあるの
で、上記の様なレイアウト及び回路構成に限られるもの
ではない。In the third embodiment, the ESD is controlled by MOSFETs arranged in 4 rows × 6 columns.
Although the protection circuit is configured, such a configuration is merely an example. The main feature of the third embodiment is that the configuration of the entire ESD protection circuit is obtained by incorporating CAD layout data into a netlist and performing circuit simulation. Therefore, the present invention is not limited to the above layout and circuit configuration.
【0092】また、上記の第4の実施の形態において
は、基板からソース領域に流れる電流Ih を評価する場
合、基板の電圧Vb をVb =0Vとし、コレクタ電圧V
c を1V以下の定電圧、例えば、Vc =0.05Vと
し、エミッタ電圧Ve を変動させて基板からソース領域
に流れる電流Ih 、即ち、ベース電流Ib を評価してい
るが、この様な評価方法に限られるものではない。[0092] In the fourth embodiment described above, when evaluating the current I h flowing from the substrate to the source region, and the voltage V b of the substrate and V b = 0V, the collector voltage V
c is set to a constant voltage of 1 V or less, for example, V c = 0.05 V, and the current I h flowing from the substrate to the source region by changing the emitter voltage V e , that is, the base current I b is evaluated. It is not limited to such an evaluation method.
【0093】例えば、エミッタ電圧Ve を、Ve =0
V、コレクタ電圧Vc を1V以下の定電圧とし、基板電
圧Vsub 、即ち、ベース電圧Vb を変動させて基板から
ソース領域に流れる電流Ih 、即ち、ベース電流Ib を
評価しても良いものである。但し、この場合には、基板
とドレインとの間に印加される電圧、即ち、Vbcが変動
して環境が変化するので多少不正確性が残ることにな
る。For example, when the emitter voltage V e is set to V e = 0
V, and the collector voltage V c is less than a constant voltage 1V, the substrate voltage V sub, i.e., current is varied the base voltage V b flowing from the substrate to the source region I h, i.e., be evaluated base current I b Good thing. However, in this case, the voltage applied between the substrate and the drain, that is, Vbc fluctuates and the environment changes, so that some inaccuracy remains.
【0094】(付記1) 絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタによって構成される静電破壊保護素子を、バイポ
ーラトランジスタを用いた等価回路に置き換え、コレク
タから基板に流れる電流とエミッタから基板に流れる電
流の内の少なくともコレクタから基板に流れる電流を2
つの電流電源によって表し、静電破壊保護耐性を回路シ
ミュレーションすることを特徴とする静電破壊保護回路
のシミュレーション方法。 (付記2) 絶縁ゲート型電界効果トランジスタによっ
て構成される静電破壊保護素子を、バイポーラトランジ
スタと絶縁ゲート型電界効果トランジスタとを用いた等
価回路に置き換え、ドレインから基板に流れる電流とソ
ースから基板に流れる電流の内の少なくともドレインか
ら基板に流れる電流を2つの電流電源によって表し、静
電破壊保護耐性を回路シミュレーションすることを特徴
とする静電破壊保護回路のシミュレーション方法。 (付記3) 上記静電破壊保護回路全体のレイアウトデ
ータを、コンピュータ支援設計レイアウトデータから取
り込んで回路シミュレータの入力データを発生させるこ
とを特徴とする付記1または2に記載の静電破壊保護回
路のシミュレーション方法。 (付記4) 上記等価回路のコレクタ或いはドレインか
ら基板に流れる電流を表す2つの電流電源の内のインパ
クトイオン化電流による電流電源を表すための増倍係数
mを抽出する際に、基板からエミッタ或いはドレインに
流れる電流の基板電圧依存性を取り入れたことを特徴と
する付記1乃至3のいずれか1に記載の静電破壊保護回
路のシミュレーション方法。 (付記5) 上記インパクトイオン化電流による電流電
源を表すための増倍係数mを抽出する際に、インパクト
イオン化現象を取り入れない場合のコレクタ電流或いは
ドレイン電流を、エミッタ電流或いはソース電流と基板
からエミッタ或いはドレインに流れる電流との差で表し
たことを特徴とする付記4記載の静電破壊保護回路のシ
ミュレーション方法。 (付記6) 上記インパクトイオン化電流による電流電
源を表すための増倍係数mを抽出する際に、ソース電圧
依存性を反映させることを特徴とする付記5記載の静電
破壊保護回路のシミュレーション方法。 (付記7) 上記ソース電圧依存性を反映させた増倍係
数mを用いて回路シミュレータの入力データを発生させ
る際に、前記入力データに重み関数を取り入れることを
特徴とする付記6記載の静電破壊保護回路のシミュレー
ション方法。 (付記8) 上記等価回路のベース抵抗に、ソース或い
はドレインから基板に注入される少数キャリアに起因し
て発生する多数キャリアによる抵抗の変動を反映させる
ことを特徴とする付記1乃至7のいずれか1に記載の静
電破壊保護回路のシミュレーション方法。 (付記9) 上記等価回路のベース抵抗を、不純物数に
よって発生する多数キャリアによる抵抗成分、ソースか
ら基板に注入される少数キャリアに起因して発生する多
数キャリアによる抵抗成分、及び、ドレインから基板に
注入される少数キャリアに起因して発生する多数キャリ
アによる抵抗成分の三つの抵抗成分の並列回路で表すこ
とを特徴とする付記8記載の静電破壊保護回路のシミュ
レーション方法。(Supplementary Note 1) The electrostatic discharge protection element constituted by the insulated gate field effect transistor is replaced with an equivalent circuit using a bipolar transistor, and the current flowing from the collector to the substrate and the current flowing from the emitter to the substrate are replaced by At least 2 currents flowing from the collector to the substrate
A method of simulating an electrostatic discharge protection circuit, wherein the circuit is simulated by expressing the resistance to electrostatic discharge protection by two current power supplies. (Supplementary Note 2) The electrostatic discharge protection element constituted by the insulated gate type field effect transistor is replaced with an equivalent circuit using a bipolar transistor and an insulated gate type field effect transistor. A method of simulating an electrostatic discharge protection circuit, wherein at least a current flowing from a drain to a substrate among the flowing currents is represented by two current power supplies, and a circuit simulation is performed on the resistance to electrostatic discharge protection. (Supplementary note 3) The electrostatic discharge protection circuit according to Supplementary note 1 or 2, wherein the layout data of the whole electrostatic discharge protection circuit is fetched from the computer-aided design layout data to generate input data of the circuit simulator. Simulation method. (Supplementary Note 4) When extracting a multiplication coefficient m for representing a current power supply due to an impact ionization current among two current power supplies representing a current flowing from the collector or the drain of the equivalent circuit to the substrate, an emitter or a drain from the substrate is extracted. 4. The method of simulating an electrostatic discharge protection circuit according to any one of appendices 1 to 3, wherein the dependence of a current flowing through the circuit on the substrate voltage is adopted. (Supplementary Note 5) When extracting the multiplication coefficient m for representing the current power supply based on the impact ionization current, the collector current or the drain current in the case where the impact ionization phenomenon is not taken in is extracted from the emitter current or the source current and the emitter or the source. 4. The method for simulating an electrostatic discharge protection circuit according to claim 4, wherein the method is represented by a difference from a current flowing through a drain. (Supplementary Note 6) The simulation method of the electrostatic discharge protection circuit according to Supplementary Note 5, wherein the source voltage dependency is reflected when the multiplication coefficient m for representing the current power supply by the impact ionization current is extracted. (Supplementary note 7) The electrostatic capacitance according to Supplementary note 6, wherein a weighting function is incorporated in the input data when generating the input data of the circuit simulator using the multiplication coefficient m reflecting the source voltage dependency. Simulation method of destruction protection circuit. (Supplementary note 8) Any one of supplementary notes 1 to 7, wherein the base resistance of the equivalent circuit reflects a change in resistance due to majority carriers generated due to minority carriers injected from the source or the drain into the substrate. 2. The method for simulating an electrostatic discharge protection circuit according to claim 1. (Supplementary Note 9) The base resistance of the equivalent circuit is defined as a resistance component due to majority carriers generated by the number of impurities, a resistance component due to majority carriers generated due to minority carriers injected from the source to the substrate, and a resistance component from the drain to the substrate. The method for simulating an electrostatic discharge protection circuit according to claim 8, wherein the circuit is represented by a parallel circuit of three resistance components of resistance components due to majority carriers generated due to the injected minority carriers.
【0095】[0095]
【発明の効果】本発明によれば、回路シミュレータを用
いて回路シミュレーションを行う際に、ESD保護回路
を構成するESD保護素子を少なくともバイポーラトラ
ンジスタを含む等価回路に置き換えるとともに、少なく
ともバイポーラトランジスタのコレクタ側に2つの電流
電源Ipnc ,Imcを設定してシミュレーションを行って
いるので、ESD耐性を過大に評価することなく、精度
の高いシミュレーションが可能になる。According to the present invention, when a circuit simulation is performed using a circuit simulator, the ESD protection elements constituting the ESD protection circuit are replaced with an equivalent circuit including at least a bipolar transistor, and at least the collector side of the bipolar transistor is used. two current source I pnc in, since the simulation by setting the I mc, without overestimate the ESD tolerance allows accurate simulation.
【0096】また、ESD保護回路全体のESD耐性を
評価する場合、ESD保護回路全体の構成をCADレイ
アウトデータをネットリストに取り入れて回路シミュレ
ーションしているので、シミュレーションを迅速に行う
ことができるとともに、個々のESD素子の消費電力の
レイアウト位置依存性を解析することができるので、レ
イアウトの最適化が可能になる。When evaluating the ESD resistance of the entire ESD protection circuit, the circuit configuration of the entire ESD protection circuit is simulated by incorporating the CAD layout data into the netlist, so that the simulation can be performed quickly. Since the layout position dependence of the power consumption of each ESD element can be analyzed, the layout can be optimized.
【0097】また、コレクタ側の2つの電流電源
Ipnc ,Imcの内、インパクトイオン化現象を取り入れ
た場合の電流源Imcを表すためのインパクトイオン化率
を表す増倍係数mを評価する際に、イオンインパクト化
現象を取り入れない場合のコレクタ電流Ic をソース電
流Isii と、基板からソース領域に流れる電流Ih との
差で表しているので、低ドレイン電圧Vd 領域において
ソース電圧依存性のない増倍係数mを得ることができ、
それによって、実測データからパラメータ抽出を行うこ
とができるので、シミュレーションが簡素化され、且
つ、より正確なシミュレーション結果を得ることができ
る。[0097] Also, two current source I pnc the collector side, among the I mc, when evaluating the multiplication factor m which represents the impact ionization ratio for representing a current source I mc when incorporating impact ionization a source current I sii the collector current I c when no incorporating ion impact phenomenon, since it represents the difference between the current I h flowing from the substrate to the source region, the source voltage dependence in the low drain voltage V d region Multiplication factor m without
As a result, parameters can be extracted from the actually measured data, so that the simulation is simplified and more accurate simulation results can be obtained.
【0098】また、コレクタ側の2つの電流電源
Ipnc ,Imcの内、インパクトイオン化現象を取り入れ
た場合の電流源Imcを表すためのインパクトイオン化率
を表す増倍係数mを抽出する際に、ソース電圧Vs 依存
性を反映させることによって、より精度の高いシミュレ
ーション結果を得ることができる。[0098] Also, two current source I pnc the collector side, among the I mc, when extracting the multiplication factor m which represents the impact ionization ratio for representing a current source I mc when incorporating impact ionization , by reflecting the source voltage V s dependence, it is possible to obtain a more accurate simulation results.
【0099】また、等価回路を構成するベース抵抗Rb
が、基板に注入された電子に起因して発生する正孔の増
加による抵抗の変動が反映されるようにすることによっ
て、より精度の高いシミュレーション結果を得ることが
できる。Further, the base resistor R b constituting the equivalent circuit
However, a simulation result with higher accuracy can be obtained by reflecting a change in resistance due to an increase in holes generated due to electrons injected into the substrate.
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
【図2】本発明の第1の実施の形態のESD保護回路の
等価回路図である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the ESD protection circuit according to the first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第1の実施の形態の等価回路を構成す
るバイポーラトランジスタのモデル構造図である。FIG. 3 is a model structure diagram of a bipolar transistor forming an equivalent circuit according to the first embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第1の実施の形態によるIc −Vc 特
性図である。FIG. 4 is an I c -V c characteristic diagram according to the first embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第2の実施の形態のESD保護回路の
等価回路図である。FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of an ESD protection circuit according to a second embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第2の実施の形態によるId −Vd 特
性図である。FIG. 6 is an I d -V d characteristic diagram according to the second embodiment of the present invention.
【図7】本発明の第3の実施の形態のESD保護回路の
等価回路図である。FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of an ESD protection circuit according to a third embodiment of the present invention.
【図8】本発明の第3の実施の形態のESD保護回路の
レイアウト図である。FIG. 8 is a layout diagram of an ESD protection circuit according to a third embodiment of the present invention.
【図9】本発明の第3の実施の形態によるId −Vd 特
性の配線抵抗R依存性の説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram of the dependence of the I d -V d characteristics on the wiring resistance R according to the third embodiment of the present invention.
【図10】本発明の第3の実施の形態による消費電力P
の配線抵抗R依存性及びレイアウト位置依存性の説明図
である。FIG. 10 shows power consumption P according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram of the wiring resistance R dependence and the layout position dependence of the present invention.
【図11】本発明の第1の実施の形態による増倍係数m
とドレイン電圧Vd との相関のシミュレーション結果を
示す図である。FIG. 11 shows a multiplication factor m according to the first embodiment of the present invention.
And is a diagram showing a simulation result of the correlation between the drain voltage V d.
【図12】ドレイン電流Id をソース電流Isii に置き
換えた場合の増倍係数mとドレイン電圧Vd との相関の
シミュレーション結果を示す図である。12 is a diagram showing a simulation result of the correlation between the multiplication factor m and the drain voltage V d when the drain current I d is replaced with the source current I sii.
【図13】基板からソースに流れる電流Ih のシミュレ
ーション結果を示す図である。13 is a diagram showing a simulation result of the current I h flowing from the substrate to the source.
【図14】基板からソースに流れる電流Ih を考慮した
場合の増倍係数mとドレイン電圧Vd との相関のシミュ
レーション結果を示す図である。14 is a diagram showing a simulation result of the correlation between the multiplication factor m and the drain voltage V d in the case of considering the current I h flowing from the substrate to the source.
【図15】本発明の第5の実施の形態によるId −Vd
特性図である。FIG. 15 shows I d −V d according to the fifth embodiment of the present invention.
It is a characteristic diagram.
【図16】ベース抵抗の寄与を正確に反映した等価回路
図である。FIG. 16 is an equivalent circuit diagram accurately reflecting the contribution of the base resistance.
【図17】ベース抵抗の変動を考慮した本発明の第6の
実施の形態の等価回路図である。FIG. 17 is an equivalent circuit diagram of the sixth embodiment of the present invention in which a change in base resistance is taken into account.
【図18】ベース抵抗Rb のソース電圧VS 依存性を示
す図である。FIG. 18 is a diagram showing the source voltage V S dependence of a base resistor Rb .
【図19】本発明の第6の実施の形態によるId −Vd
特性図である。FIG. 19 shows I d −V d according to the sixth embodiment of the present invention.
It is a characteristic diagram.
【図20】従来のESD保護回路の説明図である。FIG. 20 is an explanatory diagram of a conventional ESD protection circuit.
11 p型基板 12 n型ドレイン領域 13 n型ソース領域 21 MOSFET 22 寄生素子 23 配線抵抗 31 ゲート電極 32 ドレイン領域 33 ソース領域 34 ドレイン領域 Reference Signs List 11 p-type substrate 12 n-type drain region 13 n-type source region 21 MOSFET 22 parasitic element 23 wiring resistance 31 gate electrode 32 drain region 33 source region 34 drain region
Claims (5)
って構成される静電破壊保護素子を、バイポーラトラン
ジスタを用いた等価回路に置き換え、コレクタから基板
に流れる電流とエミッタから基板に流れる電流の内の少
なくともコレクタから基板に流れる電流を2つの電流電
源によって表し、静電破壊保護耐性を回路シミュレーシ
ョンすることを特徴とする静電破壊保護回路のシミュレ
ーション方法。1. An electrostatic discharge protection device comprising an insulated gate field effect transistor is replaced by an equivalent circuit using a bipolar transistor, and at least a collector current out of a current flowing from a collector to a substrate and a current flowing from an emitter to a substrate. Characterized in that a current flowing from the substrate to the substrate is represented by two current power supplies, and a circuit simulation is performed on the electrostatic breakdown protection resistance.
って構成される静電破壊保護素子を、バイポーラトラン
ジスタと絶縁ゲート型電界効果トランジスタとを用いた
等価回路に置き換え、ドレインから基板に流れる電流と
ソースから基板に流れる電流の内の少なくともドレイン
から基板に流れる電流を2つの電流電源によって表し、
静電破壊保護耐性を回路シミュレーションすることを特
徴とする静電破壊保護回路のシミュレーション方法。2. An electrostatic discharge protection device comprising an insulated gate type field effect transistor is replaced with an equivalent circuit using a bipolar transistor and an insulated gate type field effect transistor. And at least the current flowing from the drain to the substrate out of the current flowing through
A method for simulating an electrostatic discharge protection circuit, comprising: performing circuit simulation of resistance to electrostatic discharge protection.
データを、コンピュータ支援設計レイアウトデータから
取り込んで回路シミュレータの入力データを発生させる
ことを特徴とする請求項1または2に記載の静電破壊保
護回路のシミュレーション方法。3. The ESD protection circuit according to claim 1, wherein layout data of the entire ESD protection circuit is fetched from computer-aided design layout data to generate input data for a circuit simulator. Circuit simulation method.
から基板に流れる電流を表す2つの電流電源の内のイン
パクトイオン化電流による電流電源を表すための増倍係
数mを抽出する際に、基板からエミッタ或いはドレイン
に流れる電流の基板電圧依存性を取り入れたことを特徴
とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の静電破壊
保護回路のシミュレーション方法。4. A method for extracting a multiplication coefficient m for representing a current power supply by an impact ionization current from two current power supplies representing a current flowing from a collector or a drain of the equivalent circuit to a substrate. 4. The method for simulating an electrostatic discharge protection circuit according to claim 1, wherein the dependence of the current flowing through the drain on the substrate voltage is adopted.
電源を表すための増倍係数mを抽出する際に、インパク
トイオン化現象を取り入れない場合のコレクタ電流或い
はドレイン電流を、エミッタ電流或いはソース電流と基
板からエミッタ或いはドレインに流れる電流との差で表
したことを特徴とする請求項4項記載の静電破壊保護回
路のシミュレーション方法。5. When extracting a multiplication coefficient m for representing a current power supply based on the impact ionization current, a collector current or a drain current in a case where the impact ionization phenomenon is not taken in is extracted from an emitter current or a source current and an emitter from a substrate. 5. The method for simulating an electrostatic discharge protection circuit according to claim 4, wherein the difference is represented by a difference from a current flowing through the drain.
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