JP2002329840A - 回路シミュレーション方法及び装置 - Google Patents
回路シミュレーション方法及び装置Info
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Abstract
シミュレーションを行うための回路シミュレーション方
法及び装置に関し、キャパシタを含む回路を正確にシミ
ュレーションできる回路シミュレーション方法及び装置
を提供することを目的とする。 【解決手段】 回路を構成するキャパシタを構成する複
数キャパシタ要素毎に分極変化の時間依存性及び電圧依
存性を予め設定し、キャパシタを含む回路の動作を再現
する。
Description
ン方法及び装置に係り、特に、キャパシタを含む回路動
作素を再現する回路シミュレーションを行うための回路
シミュレーション方法及び装置に関する。
極応答(マイナーループ)をシミュレーションにより再現
するためのモデルは、例えば、Bo Jiangらによって、並
列キャパシタモデル(Bo Jiang et al., Integrated Fer
roelectrics,Vol.16, pp.199-208,1997)で示されてい
る。
タを、異なる抗電圧と分極反転電荷を持つ複数の強誘電
体キャパシタの並列接続と仮定してシミュレーションを
行う。
パラメータ抽出の方法を示す。
2Ta2O9膜を用いたキャパシタ(Pt/SrBi2Ta2O9(175nm)/P
t, 3.1×10-4 cm2)に対して、図2に示すような履歴の
電圧を印加したときの分極変化である。
引したときのマイナーループ(−1.5〔V〕→2
〔V〕、−1〔V〕→2〔V〕等)について、各曲線の
始点を基準とした分極変化量を電圧に対してプロットす
ると図3のようになる。図3からキャパシタ要素を求め
る。キャパシタ要素を求める手順を説明するため、一部
分を拡大して図4に示す。
0.5〔V〕、0〔V〕、+0.5〔V〕より始まるマ
イナーループである。同図中の斜線の部分は上部の曲線
とその一つ下の曲線との差分を示す。
と、このマイナーループは始点が0〔V〕であるため、
−Vcが0〔V〕、0.5〔V〕のキャパシタの寄与を
含む。このうち、−Vc/+Vc=0〔V〕/0.5
〔V〕のキャパシタは曲線の0.5〔V〕〜1〔V〕の
部分には寄与がなく、さらに差分をとることで、−Vc
/+Vc=0.5〔V〕/1〔V〕のキャパシタの寄与
も差し引かれる。このため、斜線部分Aは、−Vc/+
Vc=0.5〔V〕/1〔V〕のキャパシタの大きさを
示すことになる。
転分極量が決定されていた。
によるモデルをSPICEシミュレータで用いるための方法
は、「SPICEモデルへの応用 (A. Sheikholeslami et a
l. IEEE trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Fr
eq. Control,47(2000)p.784」に示されている。
は図6に示すように電圧制御抵抗(Voltage-Controlled
Resistor;以下、VCR)による双方向スイッチと、
抗電圧においてのみ「0」でない容量をもつ電圧制御キ
ャパシタ(Voltage-Controlled Capacitor;(以下、V
CC)とから構成される。
オン電圧がVDで、図6に示すようにVCCが電圧Vcで
「0」でない容量を持つとすると、この回路素子は図6
に示すように+Vcおよび−Vcがそれぞれ(Vc+VD)、
(Vc−VD)のヒステリシス特性を表すことができる。こ
れを複数個並列接続することにより、強誘電体キャパシ
タのヒステリシス特性を、マイナーループを含めて表す
ことができる。
極反転速度が無限大であると仮定しシミュレーションを
行なっていた。分極反転速度が無限大の場合であると仮
定した場合には、印加電圧が抗電圧を超えると自発分極
は瞬時に反転する。
図7に示すように有限の時間を要し、この傾向は印加電
圧が低いときに顕著である。
デバイスは、10nsのオーダーで動作している。この
ような、動作速度では、強誘電体キャパシタに常に十分
な電圧がかかるとは限らない。このため、このような半
導体デバイスに対して正確なシミュレーションを行うた
めには分極反転速度を考慮したモデルが必要となる。
で、キャパシタを含む回路を正確にシミュレーションで
きる回路シミュレーション方法及び装置を提供すること
を目的とする。
るキャパシタを構成する複数キャパシタ要素毎に分極変
化の時間依存性及び電圧依存性を予め設定し、キャパシ
タを含む回路の動作を再現するようにする。
び印加電圧依存性を含めて回路動作を再現できるので、
キャパシタの時間依存性及び電圧依存性を忠実に再現で
きるので、キャパシタを含む回路を正確に解析できる。
数Q(Vi / Vj ,Vk) を(-Vc/+Vc)=(Vi / Vj)と
されたキャパシタ要素に電圧 Vkを印加したときの分極
変化の時間に対する応答関数、及びQM(Vl、Vm、 Vn)を
測定対象の要素に電圧Vl ,Vm ,Vnの順に電圧を印
加したときの、印加電圧が電圧Vm から電圧Vn に変化
するときの分極の時間に対する応答関数としたとき、応
答関数Q(Vi / Vj ,Vk)を Q(Vi / Vj ,Vk)=QM(Vi,Vj-1,Vk)−QM(Vi,Vj
,Vk)−QM(Vi+1,Vj-1,Vk)+QM(Vi+1,Vj,Vk) から抽出する。
て時間依存性及び印加電圧依存性を設定できる。
方向スイッチおよび、キャパシタ、抵抗からなる等価回
路で表し、双方向スイッチのスイッチング電圧によりヒ
ステリシスループの幅を設定し、キャパシタによりヒス
テリシスループの中心電圧および反転分極量を設定し、
抵抗により分極反転の時間依存を設定する。
モデルで時間依存性及び印加電圧依存性の設定を行なう
ことができる。
シタ要素にかかる電圧の関数、他方はその電圧および電
圧の時間変化の関数である電流を発生することにより、
前記キャパシタの分極変化の時間依存性および印加電圧
依存性を再現、例えば、一方の電流源は、それを流れる
電流がかかる電圧の絶対値が所定の電圧以上では電圧に
対して単調増加し、該所定の電圧以下では0となるよう
な抵抗を等価的に表し、2番目の電流源についてはある
一つの電圧区間でのみ有限の容量を持ち、それ以外では
0となるキャパシタを表すし、回路シミュレーションを
行なう。
タのシミュレーションを行なうことにより、キャパシタ
を表す等価回路を構成する素子数を減らすことができ、
安定で速く計算を行える。
電成分を、キャパシタ要素とは別のキャパシタで表し、
キャパシタ要素に並列回路に配置する。
要素とは別にキャパシタによってのみモデル化を行うこ
とにより、常誘電成分を含めた正確なシミュレーション
を行える。
って説明する。
シタ要素で表現するための並列キャパシタモデルにおけ
るキャパシタ要素毎の分極反転時間の抽出方法について
説明する。
(-Vc / +Vc)=(Vi / Vj)のキャパシタ要素に電圧 V
kを印加したときの分極応答を示しており、QM(Vl, Vm,
Vn)は、図9に示すように測定対象の強誘電体キャパシ
タにVl → Vm → Vnの順に電圧を印加したときの、Vm
→ Vn に対する分極応答を示しており、どちらも時間t
の関数である。
る。
キャパシタ要素のヒステリシスループを図10に示す
(実線・点線とも含む)。
パシタ要素を考えると、上の全要素のうち、(+Vc≦V
j)であるものは電圧を電圧Vjで保持する間に分極反転
が完了してしまうので、QM(Vi, Vj, Vk)の測定値には
寄与しない。従って、QM(Vi, Vj, Vk)は残りの、図1
0中の実線で示した部分の総和となる。
シタ要素を求めると、上記の条件から
式により各Q(Vi / Vj,Vk)が求められる。
より、式(5)より各キャパシタ要素の分極反転時間と
各々の印加電圧依存を得ることができる。
Vkがそれぞれ接近している場合、すなわち、j=i+
1の場合及びk=jの場合とでは、関数QMに対して特
別な取扱いが必要となる。それらの扱いを以下に説明す
る。
る。ここでは、例えば、j=i+1,k=i+2,Vi=
0〔V〕,Vi+1 =0.5〔V〕,Vi+2 =1〔V〕であ
る場合について説明する。 Q(Vi / Vj, Vk)=QM(Vi, Vj-1, Vk)−QM(Vi, Vj, V
k)−QM(Vi+1, Vj-1, Vk)+QM(Vi+1, Vj, Vk) であるので、 となる。
が0.5〔V〕→0〔V〕→1〔V〕となっている。ここ
で、QM(Vi+1, Vj-1, Vk)は本来、(−Vc>Vi+1)の
キャパシタ要素の寄与を表すので、この場合は電圧をV
j-1までは下げずにこれをVi+1で置き換える。ここで、
j=i+1であるので、式(6)第2式第3項[1]と第
4項[2]とが打ち消し合うため、第3式が得られる。
こでは、例えば、 j=k=i+2,Vi=0〔V〕,Vi+
1=0.5〔V〕,Vi+2 =1〔V〕とした場合とすると、 となる。
および第4項[4]は電圧履歴が1〔V〕 → 1〔V〕
で、分極反転は起こらない。従って、第2項[3]と第4
項[4]が打ち消され、「0」となり、第3式が得られ
る。
ャパシタ要素の分極反転速度の印加電圧依存を求めた結
果を図11、12に示す。a、bはそれぞれ、(−Vc
/+Vc)=(−1〔V〕/0.5〔V〕)、(−1
〔V〕/+1〔V〕)のキャパシタ要素についての結果
である。いずれも印加電圧が小さいときには分極反転が
遅く、電圧が上がるとともに速くなる。
+Vcが小さい、aのキャパシタの方が+Vcが大きい、
bのキャパシタよりも反転が速い。また、十分長い時間
の後には分極は印加電圧に依らず、キャパシタ要素によ
って決まる一定値となる。
て分極反転応答速度の印加電圧依存性を求めることがで
きる。
みについて説明する。
めに用いられた回路素子に抵抗素子を導入したものであ
る。また、これまで図6に示すキャパシタ要素では、図
8に示すような矩形のヒステリシスループを持つと仮定
したが、測定を有限の電圧間隔で行っているので、実際
にはその間に抗電圧を持つキャパシタ要素が分布してい
る。これを考慮して、一つの区間では抗電圧の分布を一
様と仮定し、一つのキャパシタ要素は図14のようなヒ
ステリシスループを持つと考える。なお、図13に示す
キャパシタ要素C0〜Cnは、図6に示す構成とされて
いる。
〜Rnとの対が分極反転応答を再現するようにするた
め、抵抗R0〜Rnの値すなわち、電圧依存性を以下のよ
うにして測定結果から計算する。
き、キャパシタにかかる電圧は分極反転の開始時はVj-
1、完了時はVjである。従って、抵抗R0〜Rnにかかる
電圧はキャパシタの分極値Pを用いて、
電流密度は(dP/dt)で表せるので、抵抗値R(R0〜
Rn)は、
/+0.5〔V〕)と(−1〔V〕/+1〔V〕)のキ
ャパシタ要素について、図11の結果から求めた分極値
の時間変化率(dP/dt)と電圧VRとの関係を示す。
極値の時間変化率(dP/dt)が「0」となる部分を除い
て、分極反転中の電流の電圧依存は一つの曲線で表され
る。
ル中の各抵抗R0〜Rnについて、図15に示すような電
圧に対する分極変化量の特性を計算し、それに対応した
電圧−電流特性を設定をすれば、分極反転応答を忠実に
再現することができる。
場合の詳細について説明する。
示す。
ュレーションを実行すると、計算値が収束せずプログラ
ムが中断するか、計算に非常に時間がかかるという問題
が生じる。これはこの回路が図中n1, n2と2つのノード
を持ち、さらにVCCS、VCRとも特性が電圧に対して急激
に変化するためと考えられる。
の取扱いについても触れられていない。
誘電体の分極反転による成分と、常誘電成分による分極
変化とが含まれる。しかし、式(5)の項Aと項Cにつ
いて考えると、どちらも印加電圧が(Vj-1)からVkまで
変化する際の分極変化を表すので、常誘電成分について
は両者の間で打ち消し合う。式(5)項Bと項Dとにつ
いても同様である。
電圧区間に等しい、すなわちj = i+ 1の場合は次のよう
になる。
中で逆転しているが、QM( )の定義からこれは-Vc≦Vi+1
のヒステリシスの分極変化を表すので、項Fと等しいと
考えると、項Eと項Fとは打ち消し合う。
なるために常誘電成分は打ち消し合わず、(Vi - Vi+
1)間の値が強誘電成分とともに分極値Q( )に含まれ
る。常誘電成分による分極変化の速度は強誘電成分のよ
うに大きな電圧依存を示さないため、両者を一つのモデ
ルで表すとシミュレーション結果が実際と合わなくな
る。
なうために、並列キャパシタの各特性を実際のモデル化
する際に、キャパシタ要素を表す回路を構成する素子数
を減らすことにより、安定で速く計算を行えるようにす
る。また、常誘電成分を測定値から分離してモデル化を
行うことにより、正確なシミュレーションを行えるよう
にする。
詳細に説明する。
法を説明するための図を示す。図17(A)は強誘電体
コンデンサの等価回路図、図17(B)はヒステリシス
ループを表すための電圧VCRと反転速度を表すための電
圧VCCSとを一つの電圧VCCSにまとめて表した図、図17
(C)はコンデンサの電圧に対する容量変化を示す図、
図17(D)は図17(A)に示す等価回路を図17
(B)に示す特性に基づいて単純化した等価回路図を示
す。
ステリシスループの電圧幅と分極変化(I=dP/dt)と電圧V
Rとの関係を示すものである。図17(A)に示す等価
回路は、ノードn1, n2の2つのノードを持ち、さらに電
圧VCCS、VCRとも特性が電圧に対して急激に変化するた
めに計算値が収束しないのに対し、図17(D)に示す
等価回路では単一のノードn1だけで済むので、短時間
でシミュレーション結果を得ることができる。次に、常
誘電成分の取扱いについて詳細に説明する。図18は最
小電圧区間での分極変化Q(Vi / Vi+1, Vk) のVkに対す
る依存を示す。
に依らず速い応答を示すので、この部分を常誘電成分の
値とし、これを差し引いた分が強誘電成分となる。ま
た、常誘電成分だけを微小電圧振幅により別に測定し
て、差し引いても同じ結果が得られる。
抵抗を持たないキャパシタ要素Cap10として、キャ
パシタC0〜Cnと抵抗R0〜Rnとから構成されるキ
ャパシタ要素Cap0〜Capnと並列に配置する。
ュレーションの結果を詳細に説明する。
ャパシタのシミュレーション結果と実測値とを示すもの
である。
→ 0V → Vapplyと変化させたときの分極反転応答であ
り、図20において実線は実測値、破線はシミュレーシ
ョン結果を示す。
リシスループの周波数依存性を示すもので、図21
(A)はシミュレーション結果、図21(B)は実測値
を示す。
と実測値とが近似しており、正確にシミュレーションが
行なえることがわかる。このように、本実施例の回路シ
ミュレーション方法によれば、強誘電体キャパシタの動
的な特性を正しく再現できる。
対する強誘電体キャパシタの分極変化を正確に再現する
ことができ、強誘電体キャパシタを使用した半導体デバ
イスの動作解析の精度の向上に寄与するところが大き
い。
タに用意されているVCCSとVCCとを組合せて用いたが、
これを他のプログラムで直接記述することも可能であ
る。例えば、2つの電流源を直列に接続した等価回路で
表すことが可能である。1番目の電流源は、それを流れ
る電流を電圧VD以上では電圧に対して単調増加し、VD以
下では0となるように制御して、抵抗を等価的に表し、2
番目の電流源は、電流をある一つの電圧区間でのみ有限
の容量を持ち、それ以外では0となるように制御してキ
ャパシタを等価的に表す。上記2つの電流源により、1
つのキャパシタ要素を表すことができる。
処理は、コンピュータシステムにインストールされたプ
ログラムによって実行される。コンピュータシステムが
特許請求の範囲の回路シミュレーション装置に相当し、
各機能は、回路シュミレーションを実行するためのプロ
グラムによって実現されている。
ールされるプログラムは、例えば、CD−ROM、フロ
ッピー(登録商標)ディスクなどの記録媒体によって提
供される。さらに、プログラムは、サーバから通信によ
って提供されるようにしてもよい。
はなく、請求の範囲を逸脱することなく種々の変形例が
可能である。
タの分極変化を時間依存性及び電圧依存性を簡易なシミ
ュレーションモデルによって付加することができるた
め、キャパシタを含む回路を正確にシミュレーションす
ることが可能となるなどの特長を有する。
ャパシタのシミュレーションを行なうことにより、キャ
パシタを表す等価回路を構成する素子数を減らすことが
でき、安定で速く計算を行える等の特長を有する。
電成分を、キャパシタ要素とは別のキャパシタで表し、
キャパシタ要素に並列回路に配置することにより、常誘
電成分を含めた正確なシミュレーションを行える。
ある。
図である。
を示す図である。
ある。
示す図である。
図である。
テリシス特性を示す図である。
化量の変化を示す図である。
化量の変化を示す図である。
である。
極量のヒステリシス特性を示す図である。
極変化量の変化を示す図である。
ある。
るための図である。
のVkに対する依存性を示す図である。
図である。
applyと変化させたときの分極反転応答を示す図であ
る。
プの周波数依存性を示す図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 キャパシタを複数のキャパシタ要素を並
列接続した等価回路で表現し、回路動作を再現する回路
シミュレーション方法において、 前記キャパシタを構成する複数キャパシタ要素毎に分極
変化の時間依存性及び電圧依存性を設定し、 前記キャパシタを含む回路の動作を再現することを特徴
とする回路シミュレーション方法。 - 【請求項2】 前記複数キャパシタ要素の分極変化の時
間依存性及び電圧依存性を関数Q(Vi/Vj,Vk) を(-Vc
/+Vc)=(Vi / Vj)とされたキャパシタ要素に電圧
Vkを印加したときの分極変化の時間に対する応答関数、 関数QM(Vl, Vm, Vn)を測定対象のキャパシタ要素に電
圧Vl,Vm,Vnの順に電圧を印加したときに、電圧Vm
から電圧Vn に変化するときの分極の時間に対する応答
関数としたとき、 前記応答関数Q(Vi/Vj,Vk)を Q(Vi/Vj,Vk)=QM(Vi,Vj-1,Vk)−QM(Vi,Vj,Vk)
−QM(Vi+1,Vj-1,Vk)+QM(Vi+1,Vj,Vk) から抽出することを特徴とする請求項1記載の回路シミ
ュレーション方法。 - 【請求項3】 前記各キャパシタ要素を、双方向スイッ
チ、キャパシタ及び抵抗からなる等価回路で表現し、 前記双方向スイッチのスイッチング電圧によりヒステリ
シスループの幅を設定し、 前記キャパシタによりヒステリシスループの中心電圧お
よび反転分極量を設定し、 前記抵抗により分極反転の時間依存を設定することを特
徴とする請求項1又は2記載の回路シミュレーション方
法。 - 【請求項4】 前記各キャパシタ要素を、電圧によって
制御される2つの電流源の直列回路によって表し、 一方の電流源は該キャパシタ要素にかかる電圧の関数、
他方はその電圧および電圧の時間変化の関数である電流
を発生することにより、前記キャパシタの分極変化の時
間依存性および印加電圧依存性を再現することを特徴と
する請求項1乃至3のいずれか一項記載の回路シミュレ
ーション方法。 - 【請求項5】 一方の電流源は、それを流れる電流がか
かる電圧の絶対値が所定の電圧以上では電圧に対して単
調増加し、該所定の電圧以下では0となるような抵抗を
等価的に表し、 2番目の電流源についてはある一つの電圧区間でのみ有
限の容量を持ち、それ以外では0となるキャパシタを表
すことを特徴とする請求項4記載の回路シミュレーショ
ン方法。 - 【請求項6】 前記キャパシタの持つ常誘電成分を、前
記キャパシタ要素とは別のキャパシタで表し、 前記キャパシタ要素に並列回路に配置することを特徴と
する請求項1乃至5のいずれか一項記載の回路シミュレ
ーション方法。 - 【請求項7】 キャパシタを複数のキャパシタ要素を並
列接続した等価回路で表現し、回路動作を再現する回路
シミュレーション装置において、 前記キャパシタを構成する複数キャパシタ要素毎に分極
変化の時間依存性及び電圧依存性を設定し、 前記キャパシタを含む回路の動作を再現することを特徴
とする回路シミュレーション装置。 - 【請求項8】 前記各キャパシタ要素を、電圧によって
制御される2つの電流源の直列回路によって表し、 一方の電流源は該キャパシタ要素にかかる電圧の関数、
他方はその電圧および電圧の時間変化の関数である電流
を発生することにより、前記キャパシタの分極変化の時
間依存性および印加電圧依存性を再現することを特徴と
する請求項7記載の回路シミュレーション装置。
Priority Applications (1)
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