JP2004071957A - Methods for developing and manufacturing semiconductor integrated circuit - Google Patents

Methods for developing and manufacturing semiconductor integrated circuit Download PDF

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Takashi Saito
斉藤 隆
Toshiko Kobayashi
小林 才子
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide methods for attaining the development/manufacture of semiconductor integrated circuits in a short period by easily reflecting an element model devised by a user of a circuit simulator to the circuit simulator and performing accurate circuit verification suited to an integrated circuit in developing. <P>SOLUTION: In performing the circuit verification of a power IC having a PNP bipolar transistor Q1 comprising lateral structure, the transistor Q1 is defined as a circuit block obtained by connecting a main transistor Tr0 to parasitic transistors Tr1, Tr2 by using a circuit block definition function included in a simulation device to simulate the transistor Q1. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回路シミュレータを用いた半導体集積回路の開発技術に関し、例えば自動車電装品や様々な電動機器の電力制御に使用される大出力の半導体集積回路の開発・生産に適用して有用な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路の開発においては、設計した回路が正常に動作するかシミュレーションにより動作検証が行われる。回路シミュレータは、例えばワークステーションなどのコンピュータと該コンピュータ上で動作するソフトウェアとからなり、ユーザが回路の情報とシミュレーション条件などを入力して回路シミュレータに計算を行わせることで、例えば注目する素子や節点の電流・電圧の特性を出力表示するなど、さまざまな動作検証を行うことが出来る。回路シミュレータに入力される回路の情報には、回路を構成する各素子の情報や各素子の接続関係を表わすネットリストなどがある。
【0003】
回路シミュレータのプログラムには、各素子の特性を数式等で表現した素子モデル式が予め記述されており、この素子モデル式に含まれるパラメータをユーザが設定することで素子モデル式により表わされる特性を調整して実際の素子特定に近づけることが出来る。素子モデルのパラメータの値は、例えば、製品で使用するのと同じ半導体プロセス条件で先ず素子のサンプルを形成するとともにその素子の特性を実測して、この実測値と合うように定められる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
回路シミュレーションで使用されるトランジスタのモデルとしては、従来、何種類ものモデルが考案され、様々な回路シミュレータにおいて採用されている。しかしながら、現在使用されている素子モデルは実際の素子と完全に合致するように特性を表わすことができるものはないので、回路シミュレータに備わっている素子モデルを用いると必要としている特性がシミュレーションに反映されない場合がある。
【0005】
例えば、自動車の電装品や各種の電動装置の電力制御などを行うパワーIC(半導体集積回路)にあっては、100V以上の高い電圧が入力されることもあって、トランジスタが飽和領域で動作する際に流れる基板電流を正確に検証したいという要求があるが、従来のトランジスタのモデルではこのような飽和領域での動作特性を正確に表わすものは存在しなかった。例えば、高周波動作を伴わないパワー半導体ICにおいては、安価に形成することの出来るラテラル構造のPNPトランジスタが多く用いられるが、従来の回路シミュレータに採用されている素子モデルでは、このPNPトランジスタに生じる寄生トランジスタの効果が考慮されておらず、その結果、このような素子を用いた集積回路の動作を正確にシミュレーションすることが出来ないという問題があった。
【0006】
回路シミュレータにおいては、通常、シミュレーションで使用される素子モデルが予め定められており、回路シミュレータのユーザである設計者がこの素子モデルの変更を行うことは出来ないようになっている。従って、設計者が開発中の集積回路に適した素子モデルを考案した場合でも、この素子モデルを回路シミュレータに組み込んで使用するには、例えば、回路シミュレータの開発元に依頼してソフトウェアを改変してもらう必要があり、このような処理は時間やコストがかかるため容易に行える手段ではなかった。
【0007】
この発明の目的は、回路シミュレータのユーザが考案した素子モデルを回路シミュレータに容易に反映させて、開発中の集積回路に適した正確な回路検証を行うことを可能とし、それにより、短い期間で半導体集積回路の開発・生産を達成することを可能とする方法を提供することにある。
この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添附図面から明らかになるであろう。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、シミュレーション装置に備わる回路ブロック定義機能を用いて1個の素子を複数の素子を接続した回路ブロックとして定義してシミュレーションを行い、設計回路の検証を行うようにする。
これにより、シミュレータ装置に備わっている回路モデルを使用して必要な特性を表現することが出来ないような素子であっても、必要な特性が表わされる回路ブロックとして定義して、設計回路の正確な検証を行うことができ、それにより半導体集積回路のトータルな開発期間の短縮を図ることが出来る。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。
図1には、本実施例の半導体集積回路の開発段階で使用される回路シミュレータを説明する図を示す。
本発明の実施例で使用される回路シミュレータ10は、従来の一般的な回路シミュレータと同様のものであり、回路を構成する素子の内容や接続情報が記された回路接続情報(ネットリスト)と、回路の動作条件やどの素子の或いはどの接点における何の特性を結果出力させるかと云ったシミュレーションの実行に必要な制御情報と、各素子の特性を表わす素子モデルのパラータなどが記されたモデル情報とを入力して、これらの情報に従って設計回路のシミュレーションを行うものである。そして、シミュレーションの出力結果がデータファイルF4又は特性グラフ等の表示により出力される。
【0010】
なお、上記の回路接続情報、制御情報およびモデル情報は、所定のフォーマットに従って1つのデータファイルとして入力することも出来るし、別々のデータファイルF1〜F3として別個に入力することも出来る。上記の回路接続情報が記述されたデータファイルは一般に回路記述データファイルF1と呼ばれている。
【0011】
回路シミュレータ10には、種々の素子の特性を表わす素子モデル式が予め備わっており、ユーザは使用する素子モデル式を選択しその素子モデル式に含まれるモデルパラメータの値を決めてやることで、シミュレータ装置上での素子の特性を決定することが出来る。モデルパラメータは、例えば、設計回路を製造する際の製造プロセスと同一の条件で各素子を試作し、これら素子の特性を実測して、素子モデル式により示される特性値と一致するように定めてやることで、実際に製造される素子に近い特性を有する素子モデルを得ることが出来る。
【0012】
このモデルパラメータの値は、一般にモデル情報を格納したデータファイルF3の中に素子モデルの名称(モデル名と呼ぶ)を付けてまとめて記述されるが、その他、上記の回路記述データファイルF1の中で各素子の内容を表わす記述の中に含めて回路の各素子ごとに指定することも出来る。前者の場合、シミュレーションを行う回路の内容を表わす回路記述データファイルF1において、各素子の内容を表わす記述の中に上記モデル名を記すことで、この素子のモデルパラメータの値が上記モデル情報のデータファイルF3の中から呼び出されて使用されることになる。
【0013】
なお、素子サイズは頻繁に変わるので、上記モデル情報のデータファイルF3には、素子サイズを単位面積とした場合の特性を表わすモデルパラメータを登録しておく一方、回路記述データファイルF1の中で各素子を表わすときにはモデル名と素子サイズとを指定して、素子サイズに応じた特性が演算されるようにするのが一般的である。
【0014】
この実施例で使用される回路シミュレータ10には、複数の素子を接続した回路ブロックを登録して1単位のものとして扱うことが可能な回路ブロック登録機能が備わっている。ここで、回路ブロックとは一般にサブ回路と呼ばれるものであり、上記の回路接続情報が記述された回路記述データファイルF1の中で定義することも出来るし、上記モデル情報のデータファイルF3の中に記述して定義することも出来る。また、別途サブ回路の定義記述のみをまとめて1個のデータファイルとすることも出来る。
【0015】
サブ回路の定義記述の形式は、シミュレーションを行う回路を記述する場合とほぼ同様の形式であるが、例えばその先頭行の記述に、サブ回路であることを示す表記とサブ回路の名称(サブ回路名と呼ぶ)とが付加される。サブ回路を構成する各素子のモデルパラメータは、サブ回路の定義文の中に全て記述しておくことも出来るし、或いは定義文の中でユーザ定義のパラメータの関数として記述しておき、回路記述データファイルF1の回路接続情報の中でサブ回路を呼び出す際にこのユーザ定義のパラメータの値を参照することで、サブ回路を構成する各素子のモデルパラメータが決まるようにすることも出来る。
【0016】
本発明においては、本来は回路を構成する1個の素子であるが、この素子に寄生するトランジスタやダイオードなどの寄生素子も考慮すると1個の素子として扱うよりも回路ブロックとして扱う方が妥当である素子があると判断した。
【0017】
次に、この実施例の半導体集積回路の開発段階で行われる設計回路のシミュレーション過程において回路ブロックとして扱われる素子について幾つか例示する。
図2には、回路ブロックを構成するラテラル構造のPNPバイポーラトランジスタの素子構造を示す縦断面図を、図3には、このバイポーラトランジスタをサブ回路として定義する場合の回路構成図を示す。
【0018】
ラテラル構造のPNPバイポーラトランジスタQ1の特性は、回路シミュレータに備わるバイポーラトランジスタの素子モデルを用いた場合、モデルパラメータにどのような値を設定しようとも飽和領域での特性は実際の素子特性と大きなずれが生じてしまう。本発明者らは、その原因は、ラテラル構造のPNPバイポーラトランジスタQ1に付随する寄生トランジスタの作用が考慮されていないためであると考えた。
【0019】
ラテラル構造のPNPバイポーラトランジスタQ1は、n型ベース領域BAとその表面に形成されたp形のコレクタ領域CAおよびエミッタ領域EAからなるPNP形のメイントランジスタTr0の他にPNP形の寄生トランジスタTr1,Tr2を含んでいる。寄生トランジスタTr1は、メイントランジスタTr0のエミッタ領域EAとベース領域BAと基板SUBとの間に存在し、一方の寄生トランジスタTr2はメイントランジスタTr0のコレクタ領域CAとベース領域BAと基板SUBとの間に存在する。
【0020】
そこで、この実施例の半導体集積回路の開発方法では、シミュレーションでの設計回路の取り扱いとして、1個のラテラル構造のPNPバイポーラトランジスタQ1を、図3に示すような寄生トランジスタTr1,Tr2を構成素子とした回路ブロックと見なし、これをサブ回路として定義して取り扱うようにした。
サブ回路を構成するメイントランジスタTr0と寄生トランジスタTr1,Tr2は、回路シミュレータに備わっているバイポーラトランジスタの素子モデルを用いて表わすことが出来る。
【0021】
次に、各素子のモデルパラメータの扱い方について説明する。
メイントランジスタTr0や寄生トランジスタTr1,Tr2は、個々に切り離して素子ごとに測定を行うことは出来ないので、通常の素子モデルに適用されるモデルパラメータ値の抽出方法はそのままでは利用できない。また、必要以上に実際の素子特性と合致するように正確なパラメータ値を抽出しようとすると、パラメータ値の抽出が非常に複雑になってしまうので、シミュレーションに必要な特性が表れる範囲で抽出するパラメータを最低限必要なものに絞ったほうが良い。次に示すモデルパラメータの抽出方法は、トランジスタの基本特性と、この基本特性では表わされない基板電流特性とをシミュレーションに最低限必要な特性として、これらの2つの特性に焦点を当ててパラメータを絞ったものである。
【0022】
上記サブ回路の各素子のモデルパラメータの抽出方法は次の(1)〜(5)に示すごとくである。
(1)ラテラル構造PNPバイポーラトランジスタQ1の基本特性はメイントランジスタTr0により表わされるように、従来と同様の方法で基本特性の測定値に基づきメイントランジスタTr0の全てのモデルパラメータの値を抽出する。但し、後述の(5)で説明するようにコレクタ・基板間の容量に関するパラメータ“CJS,VJS,MJS”については、寄生トランジスタTr1,Tr2により表わすことが出来るので、ここでは無視できる値に設定する。
モデルパラメータは、素子モデルによっても異なるが、例えば、トランスポート飽和電流、理想最大順方向β、順方向電流発光係数、順方向アーリー電圧など、その他40個から50個のパラメータが予め定められている。
【0023】
(2)メイントランジスタTr0のエミッタ端子Eから基板端子Subに流れる順方向基板電流を寄生トランジスタTr1の順方向電流特性のパラメータにより表わす。
すなわち、図4に示すラテラル構造PNPバイポーラトランジスタQ1のベース・エミッタ間電圧Vbe−順方向基板電流ISubの測定結果を表わしたグラフに基づき、寄生トランジスタTr1のトランスポート飽和電流“IS”、順方向電流発光係数“NF”、特性線の第1の屈曲点が位置する電流値を表わす順方向β高電流ロールオフのコーナ“IKF”、および、エミッタ抵抗“RE”を決定する。
【0024】
(3)コレクタ端子Cから基板端子Subに流れる逆方向基板電流を寄生トランジスタTr2の順方向電流特性のパラメータにより表わす。具体的には上記(2)の方法を逆方向基板電流について行えば良い。
【0025】
(4)順方向ベース電流はメイントランジスタTr0および寄生トランジスタTr1,Tr2の各ベース電流の合計となるが、(1)においてメイントランジスタTr0のモデルパラメータにより既に表わしているので、寄生トランジスタTr1,Tr2のベース電流が無視できるように、寄生トランジスタTr1,Tr2の理想最大順方向βの値を抽出する。例えば、寄生トランジスタTr1,Tr2の理想最大順方向β=10000程度に設定する。
【0026】
(5)ベース・基板間容量を2個の寄生トランジスタTr1,Tr2に等分されるようにそれに関するパラメータの値を抽出する。ここで、実施例の回路シミュレータに備わっているトランジスタモデルは、基板容量がコレクタとの間に設けられる素子モデル(例えばGummel−Poonモデル)としている。しかしながら、ラテラル構造PNPバイポーラトランジスタでは基板容量がベース端子Bとの間に生じることから、測定したベース・基板間容量を寄生トランジスタTr1,Tr2のベース・コレクタゼロバイアス空乏容量“CJC”により合わせる。
【0027】
すなわち、図5に示すラテラル構造PNPバイポーラトランジスタQ1のベース・基板間電圧Vbs−ベース・基板間容量Cbsの測定結果を表わすグラフに基づき、次式(1)〜(3)のように寄生トランジスタTr1,Tr2のパラメータ値を設定する。
CJC(ベース・コレクタゼロバイアス空乏容量)=CJS(ゼロバイアスコレクタ基板容量)/2    …(1)
VJC(ベース・コレクタ内部拡散電位)=VJS(基板接合内部拡散電位)     …(2)
MJC(ベース・コレクタ接合指数係数)=MJS(基板接合指数係数)       …(3)
【0028】
ここで、左辺のCJC,VJC,MJCは寄生トランジスタTr1,Tr2のモデルパラメータであり、右辺のCJS,VJC,MJCは図5のグラフから得られる値である。
なお、回路シミュレータで使用されるトランジスタモデルによっては、メイントランジスタTr0のコレクタ基板容量に関するパラメータ“CJS,VJS,MJS”を実測値に基づき設定し、寄生トランジスタTr1,Tr2のベース・コレクタ容量に関するパラメータ“CJC,VJC,MJC”を無視できる値に設定することもある。
【0029】
図6には、ラテラル構造PNPバイポーラトランジスタの特性についてシミュレーション結果と実測値との比較を表わしたグラフを示す。同図(a)は図2のサブ回路としてシミュレーションしたもの、(b)は単独の素子モデルとしてシミュレーションしたものである。
図6(b)に示すように、ラテラル構造PNPバイポーラトランジスタQ1を単独の素子モデルにより表わしてシミュレーションを行った場合には、モデルパラメータをどのように設定しようとも、寄生トランジスタの作用が考慮されていないため、飽和領域での特性が実測値と大きく異なってしまうが、図6(a)に示すように、サブ回路として寄生トランジスタの作用を付加することで、飽和領域での特性を実測値に近づけられるのが分かる。
【0030】
次に、回路ブロックとして定義することで正確なシミュレーションが可能になる素子の第2の例について説明する。
図7には、この回路ブロックを構成する縦型構造のNPNバイポーラトランジスタの素子構造を示す縦断面図を、図8には、このバイポーラトランジスタをサブ回路として定義する場合の回路構成図を示す。
図7に示すように、縦型バイポーラトランジスタQ2には、n形コレクタ領域CA2、p形ベース領域BA2およびn形エミッタ領域EA2からなるNPN形のメイントランジスタTr10の他に、ベース領域BA2、コレクタ領域CA2および基板SUBからなる寄生PNPトランジスタTr11が存在する。
【0031】
例えば、パワーICの分野では回路に流れる電流が大きくなることから、縦型構造のNPNバイポーラトランジスタQ2についても寄生トランジスタTr11の影響を精度よく解析する必要がある。しかしながら、寄生トランジスタTr11の作用が考慮されていない素子モデルでは、そのような解析を行うことは出来ない。
【0032】
そこで、この実施例ではシミュレーション工程での設計回路の取り扱いとして、NPNバイポーラトランジスタQ2を、図8に示すような寄生トランジスタTr11や抵抗RCX,RBXを構成素子とする回路ブロックと見なし、これをサブ回路として定義して取り扱う。
サブ回路を構成するメイントランジスタTr10と寄生トランジスタTr11とは回路シミュレータに備わっているバイポーラトランジスタの素子モデルを用いて表わすことができる。
【0033】
次に、各素子のモデルパラメータの抽出方法について説明する。この抽出方法も、基板電流の特性がシミュレーションで表れるように抽出するパラメータを最低限必要なものに絞ったものであり、その抽出方法は次の(1)〜(5)に示すごとくである。
【0034】
(1)NPNバイポーラトランジスタQ2の基本特性はメイントランジスタTr10により表わされるように、従来の手法で基本特性の測定値に基づきメイントランジスタTr10の全てのモデルパラメータの値を抽出する。モデルパラメータは、上述した図3のラテラル構造PNPトランジスタを構成するメイントランジスタTr0のものと同じである。但し、(3)〜(5)においてメイントランジスタTr10のモデルパラメータは幾つか変更される。
【0035】
(2)NPNバイポーラトランジスタQ2の基板端子Subに流れる基板電流を寄生トランジスタTr11の順方向直流特性のパラメータにより表わす。
具体的には、図9のベース・コレクタ間電圧Vbc−基板電流Isubの測定結果を表わしたグラフから寄生トランジスタTr11のトランスポート飽和電流“IS”、順方向電流発光係数“NF”、順方向β高電流ロールオフのコーナ“IKF”をそれぞれ抽出する。
【0036】
(3)NPNバイポーラトランジスタQ2のコレクタ・基板間容量のバイアス特性から寄生トランジスタTr11のベース・コレクタ間容量に関するパラメータ“CJC,VJC,MJC”を抽出する。その際、メイントランジスタTr10の基板容量に関するパラメータ“CJS,VJS,MJS”は無視できる値に変更する。
具体的な方法は、上述のラテラル構造PNPバイポーラトランジスタのパラメータ抽出方法の(5)で示した方法と、使用する実測値のグラフをベース・基板間容量のバイアス特性曲線からコレクタ・基板間容量のバイアス特性曲線に変更するだけで、その他はほぼ同様である。
【0037】
(4)寄生トランジスタTr11の順方向電流利得を無限大(寄生トランジスタTr11のエミッタ注入効率γ=1)と仮定して、メイントランジスタTr10の逆方向直流特性に関するパラメータを変更する。
具体的には、先ず、寄生トランジスタTr11の理想最大順方向β“BF”を無限大と見なせる程度の値(10000程度)に設定するとともに、この設定で寄生トランジスタTr11が動作するとして、メイントランジスタTr10へ流れるベース電流Ib_intを算出する。つまり、上記設定により寄生トランジスタTr11のベース電流は無視できる値と見なせるので、メイントランジスタTr10へ流れるベース電流Ib_intは、ベース端子Bに流れる電流Ibの測定値から基板端子Subに流れる電流Isの測定値を減算した値となる。
【0038】
図10にメイントランジスタTr10のベース電流Ib_intを表わしたグラフを示す。
そして、このベース電流Ib_intのグラフからメイントランジスタTr10の逆方向直流特性に関する理想最大逆方向β“BR”、逆方向β高電流ロールオフのコーナ“IKR”、逆方向電流発光係数“NR”、ベース−コレクタ漏れ飽和電流“ISC”、ベース−コレクタ漏れ発光係数“NC”などのパラメータをそれぞれ抽出する。
【0039】
(5)コレクタ抵抗およびベース抵抗による電圧降下特性により外部コレクタ抵抗RCXと外部ベース抵抗RBXの抵抗値を抽出する。
具体的には、図11に示すようなベース・エミッタ間電圧Vbe−ベース電流Ibおよび基板電流Isubの測定結果を表わしたグラフから、先ず、順方向の基板電流が流れ始める点に合わせて外部コレクタ抵抗RCXを抽出する。つまり、基板電流が流れ始める電圧点においてノードN1(図8参照)とベース端子Bの電圧が等しくなるという条件が成立するはずなので、この電圧点における外部コレクタ抵抗RCXの電圧降下量が上記条件に合致するようにその抵抗値を抽出する。
また、このときメイントランジスタTr10のモデルパラメータであるコレクタ抵抗RCは“0”に変更して上記の外部コレクタ抵抗RCXに置き換えられたものとする。
【0040】
次に、図11のグラフにおいて基板電流Isubが一定量流れて飽和動作となった領域の特性線の勾配から外部ベース抵抗RBXを抽出する。また、このときメイントランジスタTr10のモデルパラメータであるベース抵抗RBは、上記外部ベース抵抗RBXが追加されることを考慮して次のように変更する。すなわち、(1)で設定したベース抵抗をRB0、変更後のベース抵抗をRBとして、次式(4)のように変更する。
RB=RB0−RBX    …(4)
【0041】
図12には、縦型構造のNPNバイポーラトランジスタQ2の特性についてシミュレーション結果と実測値との比較を表わしたグラフを示す。同図(a)は図8のサブ回路としてシミュレーションしたもの、(b)は単独の素子モデルとしてシミュレーションしたものである。
図12(b)に示すように、NPNバイポーラトランジスタQ2を単独の素子モデルにより表わしてシミュレーションを行った場合には、モデルパラメータをどのように設定しようとも、寄生トランジスタの作用が考慮されていないため、飽和領域で流れる基板電流Isubをシミュレーションすることが出来ないが、図12(a)に示すように、サブ回路として寄生トランジスタTr11の作用を付加することで、飽和領域で流れる基板電流Isubの特性を実測値に近づけられるのが分かる。
【0042】
次に、上記のシミュレーション工程を含んだパワーICの開発から製造までの作業の流れについて説明する。
図13には、パワーICの開発から製造までのフローチャートを示す。
パワーICを開発する場合、先ず、パワーICの機能設計や論理設計などを行うシステム設計の工程S1から開始し、システム設計が完了したら回路設計工程S2に移行する。また、システム設計とは並行して、どのような半導体製造プロセスを製造工程で用いるかプロセス設計(工程S4)を行う。そして、決定された半導体製造プロセスで実際に種々の素子を形成し、その特性を計測してシミュレーションで用いるモデルパラメータの抽出を行っておく(工程S5)。また、このモデルパラメータの抽出工程S5において、ラテラル構造PNPバイポーラトランジスタQ1や縦型構造NPNバイポーラトランジスタQ2などは上述したようにサブ回路として表わしそのモデルパラメータを抽出する。
【0043】
回路設計工程S2では、パワーICの分野では論理制御系の低い電圧や電力制御用の高い電圧が入力され、且つ、アナログ回路も含まれるので、論理設計の結果から回路設計ツールを用いて回路設計までを自動的に完了させることは出来ず、適宜、回路の動作特性のほか各素子の耐圧やリーク電流量などに問題がないか様々な要求を満たすように、シミュレーション工程S3における回路検証を行いながら回路設計が進められる。シミュレーション工程S3において、設計回路のデータにあるラテラル構造PNPバイポーラトランジスタQ1や縦型構造NPNバイポーラトランジスタQ2等は素子は、上述したサブ回路として置き換えられるように設定しておく。
回路設計が完了したら、順次、半導体ウエハ上に形成する素子の配置や配線レイアウトの設計(工程S6)、設計回路が形成された半導体チップの試作(工程S7)、該半導体チップの特性評価(工程S8)を順に行う。
【0044】
また、レイアウト設計でチップ面積や入出力パッドの配置が決まったら、半導体チップの試作(工程S7)や特性評価(工程S8)と並行してICのパッケージング設計(工程S9)を行う。パワーICのパッケージングには半導体チップを冷却するための放熱板が設けられるが、このパッケージング設計(工程S9)においてこの放熱板の設計も行われる。半導体チップの発熱量は基板へのリーク電流が大きく関係してくるので、先のシミュレーション工程S3で検証されたリーク電流特性がここで参考にされて放熱板の設計を行うことが出来る。
そして、パッケージング設計が完了したら、パッケージングを含めた試作(工程S10)と特性評価(工程S11)とを行って所望の特性が得られたら、上記の工程で得られた設計内容に従った製造工程へと移行される。
【0045】
以上のように、上記実施例で説明したシミュレーション手法によれば、回路シミュレータに備わっている素子モデルでは必要な特性を正確に表わすことが出来ない素子がある場合でも、この素子を回路ブロックとみなして扱うことで適宜必要な特性を正確に表わしてシミュレーションすることが出来る。また、この場合、1個の素子をサブ回路として取り扱うだけなので、素子モデルを追加したり変更するのと違って回路シミュレータのプログラム改変等を必要とせず、ユーザレベルで簡単に操作することが出来る。また、サブ回路を定義する機能はほとんどの回路シミュレータに備わっているので、回路シミュレータを選ばずにこのような操作を行うことが出来る。
【0046】
従って、このようなシミュレーション手法を用いることで、回路設計段階でのシミュレーション精度を高めることができ、シミュレーション精度が低くて試作と設計修正とを何度も繰り返すといった不手際が少なくなるため、集積回路のトータルの開発期間を大幅に短縮することが出来る。
【0047】
特に、トランジスタの飽和領域における動作で主に発生する基板電流が半導体チップの発熱量に大きな影響を与え、この発熱量に応じてパッケージングの放熱設計を行う必要のあるパワーICの開発においては、従来、回路シミュレータに備わる素子モデルではバイポーラトランジスタ等の飽和領域での特性を正確に表わせられなかったため、シミュレーションにより基板電流の回路検証を行うことが出来なかったのに対して、上記実施例のシミュレーション手法によれば、基板電流の回路検証も十分な精度で行うことが出来るので、パッケージング設計や放熱設計を含めたトータルの開発期間を大幅に短縮することが出来る。
【0048】
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
例えば、サブ回路として定義しなおすことで正確な特性を表わすことが可能となる素子として、寄生トランジスタが付随されるバイポーラトランジスタQ1,Q2を例示したが、このような素子に限られず、標準的な素子モデルでは正確な特性を表わすことの出来ない様々な素子に対して同様の手法を適用することで正確な特性を表わすことが可能となる。
【0049】
図14には、同様の手法を適用して好適な素子の例としてLD(Laterally diffused)MOSFETの素子構造を示す縦断面図を、図15には、このLD−MOSFETをサブ回路として定義する場合の回路構成図を示す。図14のLD−MOSFET Q3は、n形ウェル領域WNの表面にp形バックゲート領域BGAとn形ソース領域SAとを形成し、さらに、個々の素子間を絶縁する目的で比較的厚く形成されるフィールド酸化膜と同一の酸化膜LSをゲート層PSと高濃度n形ドレイン領域DAとの間に設けたものである。
【0050】
シミュレーション装置に、図14の構造のLD−MOSFET Q3に対応する素子モデルが備わっていない場合には、図15に示すような主に本来の特性を表わすメインMOSトランジスタM0とドレイン端子Dとゲート端子Gの間に付随されるデプレッション形の負荷MOSトランジスタM1とからなるサブ回路を定義し、このサブ回路をLD−MOSFET Q3のモデルとしてシミュレーション装置で扱うことで、LD−MOSFET Q3を含んだ回路の正確なシミュレーションを行うことが可能となる。
【0051】
また、サブ回路を構成する各素子のモデルパラメータの抽出方法は、上記実施例で示したものに限られず、シミュレーションで精度よく表わす必要のある特性が変われば、パラメータの抽出方法を適宜変更してそれに対応することも出来る。
【0052】
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野であるパワーICの開発に関して説明したがこの発明はそれに限定されるものでなく、様々な半導体集積回路の開発に際して広く利用することができる。
【0053】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
すなわち、本発明に従うと、シミュレーション装置に備わっている素子モデルでは必要な特性を正確に表わすことが出来ない場合でも、素子を回路ブロックとして表わすことで容易に精度の高いシミュレーションを行うことが出来るという効果がある。
また、高精度なシミュレーションにより、半導体集積回路、特にパワーICの開発・製造期間を大幅に短縮できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例の半導体集積回路の開発段階で使用される回路シミュレータの説明図である。
【図2】本発明の実施例において回路ブロックとして扱われるラテラル構造のPNPバイポーラトランジスタを示す縦断面図である。
【図3】図2のバイポーラトランジスタとして定義されるサブ回路の回路構成を示す図である。
【図4】図2のバイポーラトランジスタにおけるベース・エミッタ間電圧Vbe−順方向基板電流ISubの測定結果を表わしたグラフである。
【図5】図2のバイポーラトランジスタにおけるベース・基板間電圧Vbs−ベース・基板間容量Cbsの測定結果を表わしたグラフである。
【図6】図6(a)はラテラル構造PNPバイポーラトランジスタをサブ回路として扱った場合のシミュレーション結果と実測値との比較を表わしたグラフ、図6(b)は標準的な素子モデルを用いた場合のシミュレーション結果と実測値との比較を表わしたグラフである。
【図7】回路ブロックとして扱われる素子の第2例である縦型構造のNPNバイポーラトランジスタの素子構造を示す縦断面図である。
【図8】図7のバイポーラトランジスタとして定義されるサブ回路の回路構成を示す図である。
【図9】図7のバイポーラトランジスタにおけるベース・コレクタ間電圧Vbc−基板電流Isubの測定結果を表わしたグラフである。
【図10】図8のメイントランジスタTr10のベース電流Ib_intの算出結果を示すグラフである。
【図11】図7のバイポーラトランジスタにおけるベース・エミッタ間電圧Vbe−ベース電流Ibおよび基板電流Isubの測定結果を表わしたグラフである。
【図12】図12(a)は縦型NPNバイポーラトランジスタをサブ回路として扱った場合のシミュレーション結果と実測値との比較を表わしたグラフ、図6(b)は標準的な素子モデルを用いた場合のシミュレーション結果と実測値との比較を表わしたグラフである。
【図13】パワーICの開発から製造までの作業の流れを示すフローチャートである。
【図14】回路ブロックとして扱うことで正確なシミュレーションが可能となる素子のその他の例を示す素子構造図である。
【図15】図14の素子として定義されるサブ回路の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
10   回路シミュレータ
F1   回路記述データファイル
F2   制御情報ファイル
F3   モデル情報ファイル
Q1   ラテラル構造PNPバイポーラトランジスタ
Tr0  メイントランジスタ
Tr1,Tr2 寄生トランジスタ
Q2   縦型構造NPNバイポーラトランジスタ
Tr10 メイントランジスタ
Tr11 寄生トランジスタ
RCX  外部コレクタ抵抗
RBX  外部ベース抵抗
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology for developing a semiconductor integrated circuit using a circuit simulator, for example, a technology useful for application to the development and production of a high-output semiconductor integrated circuit used for power control of automobile electric components and various electric devices. About.
[0002]
[Prior art]
Generally, in the development of a semiconductor integrated circuit, operation verification is performed by simulation to determine whether a designed circuit operates normally. A circuit simulator is composed of, for example, a computer such as a workstation and software operating on the computer.A user inputs circuit information and simulation conditions and causes the circuit simulator to perform calculations. Various operations can be verified, such as displaying the current / voltage characteristics of the nodes. The circuit information input to the circuit simulator includes information on each element constituting the circuit and a netlist indicating a connection relationship between the elements.
[0003]
In the program of the circuit simulator, an element model expression expressing the characteristic of each element by a mathematical expression or the like is described in advance. By setting parameters included in this element model expression by a user, the characteristic represented by the element model expression is set. Adjustment can be made closer to actual element specification. The values of the parameters of the element model are determined, for example, by first forming a sample of the element under the same semiconductor process conditions as those used in the product, measuring the characteristics of the element, and matching the measured values.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, many types of models have been devised as models of transistors used in circuit simulation, and have been adopted in various circuit simulators. However, none of the currently used device models can express characteristics so as to completely match the actual device, so using the device model provided in the circuit simulator reflects the required characteristics in the simulation. May not be.
[0005]
For example, in a power IC (semiconductor integrated circuit) that performs power control of electric components of an automobile or various electric devices, a transistor operates in a saturation region because a high voltage of 100 V or more may be input. There is a demand to accurately verify the substrate current flowing at this time, but there is no conventional transistor model that accurately represents the operating characteristics in such a saturation region. For example, in a power semiconductor IC that does not involve high-frequency operation, a PNP transistor having a lateral structure that can be formed at low cost is often used. However, in an element model used in a conventional circuit simulator, a parasitic element generated in the PNP transistor is used. The effect of the transistor is not considered, and as a result, there is a problem that the operation of an integrated circuit using such an element cannot be accurately simulated.
[0006]
In a circuit simulator, an element model used in a simulation is usually predetermined, and a designer who is a user of the circuit simulator cannot change the element model. Therefore, even if the designer has devised an element model suitable for the integrated circuit under development, in order to incorporate this element model into the circuit simulator and use it, for example, request the circuit simulator developer to modify the software. Such a process requires time and cost, and is not an easy means to perform.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to make it possible to easily reflect an element model devised by a user of a circuit simulator in a circuit simulator and to perform accurate circuit verification suitable for an integrated circuit under development, thereby shortening a period of time. It is an object of the present invention to provide a method capable of achieving development and production of a semiconductor integrated circuit.
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The outline of a representative invention among the inventions disclosed in the present application will be described as follows.
That is, one element is defined as a circuit block in which a plurality of elements are connected using a circuit block definition function provided in the simulation apparatus, a simulation is performed, and a design circuit is verified.
As a result, even if an element whose necessary characteristics cannot be expressed using the circuit model provided in the simulator device is defined as a circuit block in which the required characteristics are expressed, an accurate design circuit can be obtained. Verification can be performed, thereby shortening the total development period of the semiconductor integrated circuit.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a circuit simulator used in the development stage of the semiconductor integrated circuit according to the present embodiment.
The circuit simulator 10 used in the embodiment of the present invention is similar to a conventional general circuit simulator, and includes circuit connection information (net list) in which the contents and connection information of elements constituting a circuit are described. , Control information necessary for executing a simulation such as operating conditions of the circuit and what characteristics of which element or at which contact point are to be output, and model information in which parameters of an element model representing the characteristics of each element are described. And simulates the design circuit in accordance with the information. Then, the output result of the simulation is output by displaying a data file F4 or a characteristic graph.
[0010]
The above-described circuit connection information, control information, and model information can be input as one data file according to a predetermined format, or can be input separately as separate data files F1 to F3. The data file in which the circuit connection information is described is generally called a circuit description data file F1.
[0011]
The circuit simulator 10 is provided in advance with element model expressions representing the characteristics of various elements, and the user selects an element model expression to be used and determines values of model parameters included in the element model expression. The characteristics of the element on the simulator device can be determined. Model parameters are, for example, prototype each element under the same conditions as the manufacturing process when manufacturing a design circuit, measure the characteristics of these elements, and determine to match the characteristic values indicated by the element model formula By doing so, an element model having characteristics close to those of an element actually manufactured can be obtained.
[0012]
The values of the model parameters are generally described together with the name of the element model (called a model name) in a data file F3 storing model information. Can be specified for each element of the circuit by including it in the description representing the content of each element. In the former case, in the circuit description data file F1 representing the content of the circuit to be simulated, the model name is described in the description representing the content of each element, so that the value of the model parameter of this element becomes the data of the model information. It will be called and used from the file F3.
[0013]
Since the element size changes frequently, the model information data file F3 registers model parameters representing characteristics when the element size is defined as a unit area, while each of the circuit parameters in the circuit description data file F1 is registered. In general, when representing an element, a model name and an element size are designated so that characteristics according to the element size are calculated.
[0014]
The circuit simulator 10 used in this embodiment has a circuit block registration function capable of registering a circuit block in which a plurality of elements are connected and treating the circuit block as one unit. Here, the circuit block is generally called a sub-circuit, and can be defined in the circuit description data file F1 in which the circuit connection information is described, or in the data file F3 of the model information. It can also be described and defined. Alternatively, only the definition description of the sub-circuit may be combined into one data file.
[0015]
The format of the definition description of the sub-circuit is almost the same as that of the description of the circuit to be simulated. For example, in the description of the first row, the notation indicating the sub-circuit and the name of the sub-circuit (sub-circuit Is called). The model parameters of each element constituting the sub-circuit can be all described in the definition statement of the sub-circuit, or can be described as a function of a user-defined parameter in the definition statement, and the circuit description By referring to the value of the user-defined parameter when calling the sub-circuit in the circuit connection information of the data file F1, the model parameter of each element constituting the sub-circuit can be determined.
[0016]
In the present invention, although it is originally one element constituting a circuit, it is more appropriate to treat it as a circuit block than to treat it as a single element in consideration of parasitic elements such as transistors and diodes that are parasitic on this element. It was determined that there was a certain element.
[0017]
Next, some examples of elements which are treated as circuit blocks in a simulation process of a design circuit performed in a development stage of the semiconductor integrated circuit of this embodiment will be described.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the element structure of a lateral PNP bipolar transistor constituting a circuit block, and FIG. 3 is a circuit configuration diagram in a case where the bipolar transistor is defined as a sub-circuit.
[0018]
Regarding the characteristics of the lateral structure PNP bipolar transistor Q1, when the element model of the bipolar transistor provided in the circuit simulator is used, the characteristic in the saturation region greatly deviates from the actual element characteristic no matter what value is set to the model parameter. Will happen. The present inventors have considered that the reason is that the action of the parasitic transistor accompanying the PNP bipolar transistor Q1 having the lateral structure is not considered.
[0019]
The PNP bipolar transistor Q1 having a lateral structure includes a PNP-type main transistor Tr0 including an n-type base region BA and a p-type collector region CA and an emitter region EA formed on the surface thereof, as well as PNP-type parasitic transistors Tr1 and Tr2. Contains. The parasitic transistor Tr1 exists between the emitter region EA and the base region BA of the main transistor Tr0 and the substrate SUB, while the parasitic transistor Tr2 exists between the collector region CA and the base region BA of the main transistor Tr0 and the substrate SUB. Exists.
[0020]
Therefore, in the development method of the semiconductor integrated circuit of this embodiment, as a handling of the design circuit in the simulation, one lateral structure PNP bipolar transistor Q1 is used as the parasitic transistors Tr1 and Tr2 as shown in FIG. Circuit block, which is defined as a sub-circuit and handled.
The main transistor Tr0 and the parasitic transistors Tr1 and Tr2 constituting the sub-circuit can be represented by using a bipolar transistor element model provided in the circuit simulator.
[0021]
Next, how to handle model parameters of each element will be described.
Since the main transistor Tr0 and the parasitic transistors Tr1 and Tr2 cannot be individually measured for each element, a method of extracting a model parameter value applied to a normal element model cannot be used as it is. Also, if an attempt is made to extract an accurate parameter value more than necessary to match the actual device characteristics, the extraction of the parameter value becomes extremely complicated. It is better to narrow down to the minimum necessary. The following method of extracting model parameters focuses on the basic characteristics of the transistor and the substrate current characteristics not represented by the basic characteristics as the minimum necessary characteristics for the simulation, focusing on these two characteristics. It is a thing.
[0022]
The method of extracting the model parameters of each element of the sub-circuit is as shown in the following (1) to (5).
(1) As shown by the main transistor Tr0, the basic characteristics of the lateral structure PNP bipolar transistor Q1 are used to extract the values of all the model parameters of the main transistor Tr0 based on the measured values of the basic characteristics in the same manner as in the related art. However, as described in (5) below, the parameters “CJS, VJS, MJS” regarding the capacitance between the collector and the substrate can be represented by the parasitic transistors Tr1 and Tr2. .
The model parameters vary depending on the element model, but for example, 40 to 50 other parameters such as transport saturation current, ideal maximum forward β, forward current emission coefficient, forward early voltage, etc. are predetermined. .
[0023]
(2) A forward substrate current flowing from the emitter terminal E of the main transistor Tr0 to the substrate terminal Sub is represented by a parameter of a forward current characteristic of the parasitic transistor Tr1.
That is, based on the graph showing the measurement result of the base-emitter voltage Vbe-the forward substrate current ISub of the lateral structure PNP bipolar transistor Q1 shown in FIG. 4, the transport saturation current “IS” of the parasitic transistor Tr1 and the forward current The emission coefficient “NF”, the forward β high current roll-off corner “IKF” representing the current value at which the first inflection point of the characteristic line is located, and the emitter resistance “RE” are determined.
[0024]
(3) A reverse substrate current flowing from the collector terminal C to the substrate terminal Sub is represented by a parameter of a forward current characteristic of the parasitic transistor Tr2. Specifically, the method (2) may be performed for the reverse substrate current.
[0025]
(4) The forward base current is the sum of the respective base currents of the main transistor Tr0 and the parasitic transistors Tr1 and Tr2. Since the forward base current is already expressed by the model parameters of the main transistor Tr0 in (1), the forward base current of the parasitic transistors Tr1 and Tr2 is The value of the ideal maximum forward direction β of the parasitic transistors Tr1 and Tr2 is extracted so that the base current can be ignored. For example, the ideal maximum forward direction β of the parasitic transistors Tr1 and Tr2 is set to about 10,000.
[0026]
(5) Extract the value of a parameter related to the base-substrate capacitance so that the capacitance between the base and the substrate is equally divided into the two parasitic transistors Tr1 and Tr2. Here, the transistor model provided in the circuit simulator of the embodiment is an element model (for example, a Gummel-Poon model) in which the substrate capacitance is provided between the collector and the collector. However, in the lateral structure PNP bipolar transistor, since the substrate capacitance is generated between the base terminal B and the substrate capacitance, the measured base-substrate capacitance is adjusted by the base-collector zero bias depletion capacitance “CJC” of the parasitic transistors Tr1 and Tr2.
[0027]
That is, based on the graph showing the measurement result of the base-substrate voltage Vbs-base-substrate capacitance Cbs of the lateral structure PNP bipolar transistor Q1 shown in FIG. 5, the parasitic transistor Tr1 is expressed by the following equations (1) to (3). , Tr2 are set.
CJC (base-collector zero-bias depletion capacitance) = CJS (zero-bias collector substrate capacitance) / 2 (1)
VJC (base-collector internal diffusion potential) = VJS (substrate junction internal diffusion potential) (2)
MJC (base-collector junction index coefficient) = MJS (substrate junction index coefficient) (3)
[0028]
Here, CJC, VJC, and MJC on the left side are model parameters of the parasitic transistors Tr1 and Tr2, and CJS, VJC, and MJC on the right side are values obtained from the graph of FIG.
Note that, depending on the transistor model used in the circuit simulator, the parameters “CJS, VJS, MJS” relating to the collector substrate capacitance of the main transistor Tr0 are set based on the actually measured values, and the parameters “related to the base-collector capacitance of the parasitic transistors Tr1 and Tr2”. CJC, VJC, MJC "may be set to a value that can be ignored.
[0029]
FIG. 6 is a graph showing a comparison between a simulation result and an actually measured value of the characteristic of the lateral structure PNP bipolar transistor. 2A shows a simulation performed as the sub-circuit of FIG. 2, and FIG. 2B shows a simulation performed as a single element model.
As shown in FIG. 6B, when the simulation is performed with the lateral structure PNP bipolar transistor Q1 represented by a single element model, the effect of the parasitic transistor is considered regardless of how the model parameters are set. Therefore, the characteristics in the saturation region are greatly different from the measured values. However, as shown in FIG. 6A, by adding the action of the parasitic transistor as a sub-circuit, the characteristics in the saturation region can be changed to the measured values. You can see they can be approached.
[0030]
Next, a description will be given of a second example of an element that enables accurate simulation by defining it as a circuit block.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing the element structure of an NPN bipolar transistor having a vertical structure constituting this circuit block, and FIG. 8 is a circuit configuration diagram in a case where the bipolar transistor is defined as a sub-circuit.
As shown in FIG. 7, the vertical bipolar transistor Q2 includes an NPN-type main transistor Tr10 including an n-type collector region CA2, a p-type base region BA2, and an n-type emitter region EA2, a base region BA2, and a collector region. There is a parasitic PNP transistor Tr11 composed of CA2 and substrate SUB.
[0031]
For example, in the field of power ICs, since the current flowing through the circuit increases, it is necessary to accurately analyze the influence of the parasitic transistor Tr11 on the NPN bipolar transistor Q2 having a vertical structure. However, such an analysis cannot be performed with an element model in which the action of the parasitic transistor Tr11 is not considered.
[0032]
Therefore, in this embodiment, as the handling of the design circuit in the simulation process, the NPN bipolar transistor Q2 is regarded as a circuit block having the parasitic transistor Tr11 and the resistors RCX and RBX as constituent elements as shown in FIG. Treated as defined.
The main transistor Tr10 and the parasitic transistor Tr11 constituting the sub-circuit can be represented by using an element model of a bipolar transistor provided in the circuit simulator.
[0033]
Next, a method of extracting model parameters of each element will be described. In this extraction method as well, the parameters to be extracted are narrowed down to the minimum necessary parameters so that the characteristics of the substrate current appear in the simulation. The extraction method is as shown in the following (1) to (5).
[0034]
(1) As shown by the main transistor Tr10, the basic characteristics of the NPN bipolar transistor Q2 extract all model parameter values of the main transistor Tr10 based on the measured values of the basic characteristics by a conventional method. The model parameters are the same as those of the main transistor Tr0 constituting the lateral structure PNP transistor of FIG. However, in (3) to (5), some model parameters of the main transistor Tr10 are changed.
[0035]
(2) A substrate current flowing through the substrate terminal Sub of the NPN bipolar transistor Q2 is represented by a parameter of a forward DC characteristic of the parasitic transistor Tr11.
Specifically, from the graph showing the measurement result of the base-collector voltage Vbc-substrate current Isub in FIG. 9, the transport saturation current “IS” of the parasitic transistor Tr11, the forward current emission coefficient “NF”, the forward β Each of the high current roll-off corners "IKF" is extracted.
[0036]
(3) Extract parameters “CJC, VJC, MJC” regarding the base-collector capacitance of the parasitic transistor Tr11 from the bias characteristics of the collector-substrate capacitance of the NPN bipolar transistor Q2. At this time, the parameters “CJS, VJS, MJS” relating to the substrate capacitance of the main transistor Tr10 are changed to negligible values.
Specifically, the method shown in (5) of the above-mentioned parameter extraction method of the lateral structure PNP bipolar transistor and the graph of the actually measured value to be used are obtained from the bias characteristic curve of the base-substrate capacitance based on the collector-substrate capacitance. Others are almost the same except for the change to the bias characteristic curve.
[0037]
(4) Assuming that the forward current gain of the parasitic transistor Tr11 is infinite (emitter injection efficiency γ = 1 of the parasitic transistor Tr11), the parameter relating to the reverse DC characteristics of the main transistor Tr10 is changed.
Specifically, first, the ideal maximum forward direction β “BF” of the parasitic transistor Tr11 is set to a value (about 10,000) that can be regarded as infinite, and the parasitic transistor Tr11 operates with this setting, and the main transistor Tr10 Is calculated. That is, since the base current of the parasitic transistor Tr11 can be regarded as a negligible value by the above setting, the base current Ib_int flowing to the main transistor Tr10 is calculated from the measured value of the current Ib flowing to the base terminal B to the measured value of the current Is flowing to the substrate terminal Sub. Is subtracted.
[0038]
FIG. 10 is a graph showing the base current Ib_int of the main transistor Tr10.
Then, from the graph of the base current Ib_int, the ideal maximum reverse direction β “BR” relating to the reverse DC characteristic of the main transistor Tr10, the corner “IKR” of the reverse β high current roll-off, the reverse current emission coefficient “NR”, Extract parameters such as collector leakage saturation current “ISC” and base-collector leakage emission coefficient “NC”.
[0039]
(5) The resistance values of the external collector resistance RCX and the external base resistance RBX are extracted from the voltage drop characteristics due to the collector resistance and the base resistance.
Specifically, from the graph showing the measurement results of the base-emitter voltage Vbe-base current Ib and substrate current Isub as shown in FIG. 11, first, the external collector is adjusted to the point where the forward substrate current starts to flow. Extract the resistance RCX. In other words, the condition that the voltage of the node N1 (see FIG. 8) and the voltage of the base terminal B become equal at the voltage point where the substrate current starts to flow should be satisfied. The resistance value is extracted so as to match.
At this time, it is assumed that the collector resistance RC, which is a model parameter of the main transistor Tr10, is changed to “0” and replaced with the external collector resistance RCX.
[0040]
Next, in the graph of FIG. 11, the external base resistance RBX is extracted from the gradient of the characteristic line in the region where the substrate current Isub has flown by a certain amount and the operation is saturated. At this time, the base resistance RB, which is a model parameter of the main transistor Tr10, is changed as follows in consideration of the addition of the external base resistance RBX. That is, the base resistance set in (1) is set as RB0, and the changed base resistance is set as RB, and the base resistance is changed as in the following equation (4).
RB = RB0−RBX (4)
[0041]
FIG. 12 is a graph showing a comparison between a simulation result and an actually measured value of the characteristic of the NPN bipolar transistor Q2 having the vertical structure. 8A illustrates a simulation performed as the sub-circuit in FIG. 8, and FIG. 8B illustrates a simulation performed as a single element model.
As shown in FIG. 12B, when the NPN bipolar transistor Q2 is represented by a single element model and simulated, no matter how the model parameters are set, the effect of the parasitic transistor is not considered. Although the substrate current Isub flowing in the saturation region cannot be simulated, the characteristic of the substrate current Isub flowing in the saturation region can be obtained by adding the action of the parasitic transistor Tr11 as a sub-circuit as shown in FIG. It can be seen that can be approximated to the measured value.
[0042]
Next, a flow of operations from the development to the manufacture of the power IC including the above-described simulation process will be described.
FIG. 13 shows a flowchart from development to manufacturing of the power IC.
When a power IC is developed, first, the process starts from a system design process S1 for performing functional design and logic design of the power IC, and then proceeds to a circuit design process S2 when the system design is completed. In parallel with the system design, a process design (process S4) is performed to determine what kind of semiconductor manufacturing process is used in the manufacturing process. Then, various elements are actually formed in the determined semiconductor manufacturing process, the characteristics thereof are measured, and model parameters used in the simulation are extracted (step S5). In the model parameter extraction step S5, the lateral structure PNP bipolar transistor Q1 and the vertical structure NPN bipolar transistor Q2 are represented as sub-circuits as described above, and the model parameters are extracted.
[0043]
In the circuit design process S2, in the field of power IC, a low voltage of a logic control system or a high voltage for power control is input, and an analog circuit is also included. Cannot be automatically completed, and the circuit verification in the simulation step S3 is appropriately performed so as to satisfy various requirements as to whether there is any problem in the operating characteristics of the circuit, the breakdown voltage of each element, the amount of leak current, and the like. The circuit design is advanced while doing so. In the simulation step S3, elements such as the lateral structure PNP bipolar transistor Q1 and the vertical structure NPN bipolar transistor Q2 in the design circuit data are set so as to be replaced as the above-described sub-circuits.
When the circuit design is completed, the layout of the elements to be formed on the semiconductor wafer and the wiring layout are designed (step S6), the semiconductor chip on which the design circuit is formed is prototyped (step S7), and the characteristics of the semiconductor chip are evaluated (step S7). S8) is performed in order.
[0044]
Further, when the chip area and the arrangement of the input / output pads are determined in the layout design, the packaging design of the IC (step S9) is performed in parallel with the trial manufacture of the semiconductor chip (step S7) and the characteristic evaluation (step S8). A radiator plate for cooling the semiconductor chip is provided in the packaging of the power IC, and the radiator plate is also designed in the packaging design (step S9). Since the amount of heat generated by the semiconductor chip is greatly related to the leakage current to the substrate, the design of the heat sink can be performed by referring to the leakage current characteristics verified in the previous simulation step S3.
When the packaging design is completed, a prototype including packaging (step S10) and characteristic evaluation (step S11) are performed, and when desired characteristics are obtained, the design contents obtained in the above steps are followed. It is shifted to the manufacturing process.
[0045]
As described above, according to the simulation method described in the above embodiment, even if an element model provided in a circuit simulator cannot accurately represent necessary characteristics, this element is regarded as a circuit block. The simulation can be performed by properly expressing necessary characteristics as appropriate. Further, in this case, since only one element is handled as a sub-circuit, unlike the case where an element model is added or changed, it is not necessary to modify a program of a circuit simulator or the like, and the operation can be easily performed at a user level. . Further, since most circuit simulators have a function of defining a sub-circuit, such operations can be performed without selecting a circuit simulator.
[0046]
Therefore, by using such a simulation method, the simulation accuracy at the circuit design stage can be improved, and the inaccuracies of repeating the trial production and design correction many times with low simulation accuracy are reduced. The total development time can be significantly reduced.
[0047]
In particular, in the development of a power IC that requires a heat dissipation design of a package in accordance with a substrate current mainly generated by an operation in a saturation region of a transistor, which greatly affects a heat generation amount of a semiconductor chip. Conventionally, the circuit model of the substrate current could not be verified by simulation because the device model provided in the circuit simulator could not accurately represent the characteristics in the saturation region of a bipolar transistor or the like. According to the method, the circuit verification of the substrate current can be performed with sufficient accuracy, so that the total development period including the packaging design and the heat radiation design can be significantly reduced.
[0048]
Although the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made without departing from the spirit of the invention. Nor.
For example, the bipolar transistors Q1 and Q2 accompanied by a parasitic transistor have been exemplified as elements that can exhibit accurate characteristics by being redefined as a sub-circuit. By applying the same method to various elements that cannot express accurate characteristics in the element model, accurate characteristics can be expressed.
[0049]
FIG. 14 is a longitudinal sectional view showing an element structure of an LD (Laterally diffused) MOSFET as an example of a preferable element to which the same method is applied. FIG. 15 shows a case where this LD-MOSFET is defined as a sub-circuit. FIG. The LD-MOSFET Q3 in FIG. 14 is formed with a p-type back gate region BGA and an n-type source region SA on the surface of an n-type well region WN, and is formed relatively thick for the purpose of insulating between individual elements. An oxide film LS identical to the field oxide film is provided between the gate layer PS and the high-concentration n-type drain region DA.
[0050]
If the simulation device does not have an element model corresponding to the LD-MOSFET Q3 having the structure of FIG. 14, the main MOS transistor M0, the drain terminal D, and the gate terminal mainly exhibiting the original characteristics as shown in FIG. A sub-circuit consisting of a depletion type load MOS transistor M1 attached between G is defined, and this sub-circuit is treated as a model of the LD-MOSFET Q3 by the simulation device, so that a circuit including the LD-MOSFET Q3 is formed. An accurate simulation can be performed.
[0051]
The method of extracting the model parameters of each element constituting the sub-circuit is not limited to the method described in the above embodiment. If the characteristic that needs to be accurately represented by the simulation changes, the parameter extraction method may be appropriately changed. We can respond to that.
[0052]
In the above description, the invention made by the present inventor has been mainly described with respect to the development of a power IC which is a utilization field as a background, but the invention is not limited thereto, and is widely used in the development of various semiconductor integrated circuits. Can be used.
[0053]
【The invention's effect】
The following is a brief description of an effect obtained by a representative one of the inventions disclosed in the present application.
That is, according to the present invention, even when the required characteristics cannot be accurately represented by the element model provided in the simulation apparatus, a highly accurate simulation can be easily performed by representing the elements as circuit blocks. effective.
In addition, the high-precision simulation has an effect that the development and manufacturing period of a semiconductor integrated circuit, particularly, a power IC can be significantly reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a circuit simulator used in a development stage of a semiconductor integrated circuit according to an embodiment.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a lateral structure PNP bipolar transistor treated as a circuit block in an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration of a sub-circuit defined as the bipolar transistor in FIG. 2;
FIG. 4 is a graph showing a measurement result of a base-emitter voltage Vbe-a forward substrate current ISub in the bipolar transistor of FIG. 2;
5 is a graph showing a measurement result of a base-substrate voltage Vbs-base-substrate capacitance Cbs in the bipolar transistor of FIG. 2;
6A is a graph showing a comparison between a simulation result and a measured value when a lateral structure PNP bipolar transistor is treated as a sub-circuit, and FIG. 6B is a graph using a standard device model; 9 is a graph showing a comparison between a simulation result and an actually measured value in the case.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing an element structure of an NPN bipolar transistor having a vertical structure, which is a second example of an element treated as a circuit block.
8 is a diagram showing a circuit configuration of a sub-circuit defined as the bipolar transistor in FIG.
9 is a graph showing a measurement result of a base-collector voltage Vbc-substrate current Isub in the bipolar transistor of FIG. 7;
FIG. 10 is a graph showing a calculation result of a base current Ib_int of the main transistor Tr10 of FIG.
11 is a graph showing measurement results of base-emitter voltage Vbe-base current Ib and substrate current Isub in the bipolar transistor of FIG.
FIG. 12A is a graph showing a comparison between a simulation result and a measured value when a vertical NPN bipolar transistor is treated as a sub-circuit, and FIG. 6B shows a standard element model. 9 is a graph showing a comparison between a simulation result and an actually measured value in the case.
FIG. 13 is a flowchart showing a work flow from development to manufacturing of the power IC.
FIG. 14 is an element structure diagram showing another example of an element capable of performing an accurate simulation by treating it as a circuit block.
FIG. 15 is a diagram showing a circuit configuration of a sub-circuit defined as an element in FIG.
[Explanation of symbols]
10. Circuit simulator
F1 Circuit description data file
F2 control information file
F3 model information file
Q1 Lateral structure PNP bipolar transistor
Tr0 main transistor
Tr1, Tr2 parasitic transistor
Q2 Vertical structure NPN bipolar transistor
Tr10 main transistor
Tr11 parasitic transistor
RCX External collector resistance
RBX external base resistance

Claims (5)

回路の設計と設計した回路のシミュレーションとを行って半導体集積回路の開発を行う半導体集積回路の開発方法であって、
上記シミュレーションの過程において、
上記設計回路を構成する特定の素子を複数の素子が接続されてなる回路ブロックとしてみなし、シミュレーション装置の回路ブロック定義機能により該回路ブロックを定義して上記特定の素子に代替させて上記設計回路のシミュレーションを行うことを特徴とする半導体集積回路の開発方法。
A semiconductor integrated circuit development method for developing a semiconductor integrated circuit by performing circuit design and simulation of the designed circuit,
In the process of the above simulation,
A specific element constituting the design circuit is regarded as a circuit block in which a plurality of elements are connected, and the circuit block is defined by a circuit block definition function of a simulation device, and is substituted for the specific element. A method for developing a semiconductor integrated circuit, comprising performing a simulation.
上記シミュレーション装置は、複数種の素子の各々について各素子の特性を表わした素子モデル式を備えており、該素子モデル式に従って回路のシミュレーションを行うように構成されるとともに、
上記特定の素子に定義づけられる上記回路ブロックは、上記素子モデル式がそれぞれ定義されている複数の素子が接続された回路で表わされることを特徴とする請求項1記載の半導体集積回路の開発方法。
The simulation device has an element model formula representing the characteristics of each element for each of the plurality of types of elements, and is configured to perform circuit simulation according to the element model equation.
2. The method according to claim 1, wherein the circuit block defined for the specific element is represented by a circuit in which a plurality of elements each of which defines the element model formula are connected. .
上記素子モデル式には素子特性を調整するユーザ設定可能なパラメータが含まれ、
上記回路ブロックを構成する複数の素子に関する上記パラメータを、該回路ブロックに定義づけられた上記特定の素子の特性に関連づけて扱うとともに、上記パラメータの値を当該特定の素子の特性値に基づき設定して、上記シミュレーションを行うことを特徴とする請求項2記載の半導体集積回路の開発方法。
The device model formula includes user-configurable parameters for adjusting device characteristics,
The parameters relating to the plurality of elements constituting the circuit block are handled in association with the characteristics of the specific element defined in the circuit block, and the values of the parameters are set based on the characteristic values of the specific element. 3. The method for developing a semiconductor integrated circuit according to claim 2, wherein the simulation is performed.
上記の特定の素子が寄生素子を有する場合に、当該特定の素子を該素子本来の素子と上記寄生素子を構成素子として組み合わせた回路ブロックとして扱うことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の半導体集積回路の開発方法。4. The method according to claim 1, wherein when the specific element has a parasitic element, the specific element is treated as a circuit block in which the element itself and the parasitic element are combined as constituent elements. 3. A method for developing a semiconductor integrated circuit according to claim 1. 請求項1〜4の何れかに記載の半導体集積回路の開発方法により回路設計およびシミュレーション並びにパッケージングの設計を行った後、これらの設計により得られたデータを用いて半導体集積回路の製造を行うことを特徴とする半導体集積回路の生産方法。After performing circuit design, simulation, and packaging design by the method for developing a semiconductor integrated circuit according to any one of claims 1 to 4, a semiconductor integrated circuit is manufactured using data obtained by these designs. A method for producing a semiconductor integrated circuit.
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