JP2005340340A - Semiconductor simulation apparatus and method therefor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor simulation apparatus and a semiconductor simulation method capable of calculating, with high accuracy, a gate-drain capacitance when source-drain voltage of a MOS transistor is not 0 V. <P>SOLUTION: A process simulator 21 executes process simulation to calculate a shape/impurity distribution 23. A device simulator 22 executes device simulation to calculate gate-drain capacitance (C-V characteristic 5) when source-drain voltage is not 0 V. A calibration part 13 changes a model parameter used for the simulation such that a simulation result is coincident with a previously given actual measured value. Consequently, it is possible to calculate the gate to drain capacitance of the MOS transistor. As a result, it is possible to accurately estimate delay time of circuit elements of an LSI. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、半導体シミュレーション装置および半導体シミュレーション方法に関し、特に、MOSトランジスタのゲートとドレインの間の容量を算出する半導体シミュレーション装置および半導体シミュレーション方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor simulation apparatus and a semiconductor simulation method, and more particularly to a semiconductor simulation apparatus and a semiconductor simulation method for calculating a capacitance between a gate and a drain of a MOS transistor.

微細化の進むLSI(Large Scale Integration:大規模集積回路)設計において、レイアウト設計技術として位相シフトやOPC(Optical Proximity Correction:光近接効果補正)などの新技術が導入され、マスクコストは1億円を超えるレベルに達している。このため、マスクの作り直しは容易には許されず、マスクを作成する前段階における回路動作の検証が非常に重要である。回路動作を検証するためには、回路を構成している各要素の遅延時間を正確に知る必要がある。通常、米国のカリフォルニア大学バークレー校において開発されたSPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)等の回路シミュレータを用いて、各回路要素の遅延時間が算出される。   In LSI (Large Scale Integration) design, where miniaturization is progressing, new technologies such as phase shift and OPC (Optical Proximity Correction) are introduced as layout design technologies, and the mask cost is 100 million yen. The level has been exceeded. For this reason, it is not easy to remake the mask, and it is very important to verify the circuit operation before the mask is made. In order to verify the circuit operation, it is necessary to accurately know the delay time of each element constituting the circuit. Usually, the delay time of each circuit element is calculated using a circuit simulator such as SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) developed at the University of California, Berkeley, USA.

遅延時間を正確に算出するためには、MOSトランジスタのゲート容量を正確に知る必要がある。ゲート容量にはいくつかの種類が存在するが、ここでは特にMOSトランジスタのゲートとドレインの間の容量(以下、単にゲート・ドレイン間容量とも称する)を対象とする。   In order to accurately calculate the delay time, it is necessary to accurately know the gate capacitance of the MOS transistor. There are several types of gate capacitances, but here, in particular, the capacitance between the gate and drain of a MOS transistor (hereinafter also simply referred to as gate-drain capacitance) is targeted.

従来は、半導体パラメータアナライザおよびインピーダンスアナライザを用いて、MOSトランジスタのゲート・ドレイン間容量を実際に測定していた。この場合、半導体パラメータアナライザによってMOSトランジスタの基板に一定の電位を与える。また、インピーダンスアナライザの一方端子をMOSトランジスタのソースおよびドレインに接続し、他方端子をMOSトランジスタのゲートに接続し、これらの2つの端子間に交流バイアスを印加してMOSトランジスタのゲート・ドレイン間容量を測定する。   Conventionally, the gate-drain capacitance of a MOS transistor was actually measured using a semiconductor parameter analyzer and an impedance analyzer. In this case, a constant potential is applied to the substrate of the MOS transistor by the semiconductor parameter analyzer. Also, one terminal of the impedance analyzer is connected to the source and drain of the MOS transistor, the other terminal is connected to the gate of the MOS transistor, and an AC bias is applied between these two terminals so that the capacitance between the gate and drain of the MOS transistor Measure.

下記の特許文献1には、MOSトランジスタのゲート電極とソース/ドレイン領域の重なり部分の寄生容量(オーバーラップ容量値)を小面積のテストパターンにより高精度に抽出して回路シミュレーション精度を向上させる方法が開示されている。
特開2002−261272号公報
Patent Document 1 below discloses a method for improving circuit simulation accuracy by extracting a parasitic capacitance (overlap capacitance value) of an overlapping portion of a gate electrode and a source / drain region of a MOS transistor with a small area test pattern with high accuracy. Is disclosed.
JP 2002-261272 A

上述したように、MOSトランジスタのゲート・ドレイン間容量を測定する従来の方法においては、ソース・ドレイン間電圧を0Vに固定して測定する。この場合は、ゲート・ドレイン間容量を高精度に測定することができる。   As described above, in the conventional method for measuring the gate-drain capacitance of the MOS transistor, the measurement is performed with the source-drain voltage fixed at 0V. In this case, the gate-drain capacitance can be measured with high accuracy.

しかし、実際の回路でMOSトランジスタが動作する際には、ソース・ドレイン間電圧は0Vではない。ゲート容量の特性はソース・ドレイン間電圧に依存して変化するため、各回路要素の遅延時間を正確に見積もるためには、ソース・ドレイン間電圧が0Vでない場合のゲート容量を知る必要がある。   However, when the MOS transistor operates in an actual circuit, the source-drain voltage is not 0V. Since the characteristics of the gate capacitance change depending on the source-drain voltage, it is necessary to know the gate capacitance when the source-drain voltage is not 0 V in order to accurately estimate the delay time of each circuit element.

そこで、半導体パラメータアナライザによってMOSトランジスタの基板およびソースに一定の電位を与え、インピーダンスアナライザの一方端子をMOSトランジスタのドレインに接続し、他方端子をMOSトランジスタのゲートに接続し、これらの2つの端子間に交流バイアスを印加してMOSトランジスタのゲート・ドレイン間容量を測定する方法がある。しかし、この場合、測定用の交流バイアスの影響によってソース・ドレイン間電圧が正確に一定値に固定されないことに起因して、ゲート・ドレイン間容量が正確に測定されないという問題があった。これは、ゲート長が短い微細なMOSトランジスタにおいて特に顕著となる。   Therefore, a constant potential is applied to the substrate and source of the MOS transistor by the semiconductor parameter analyzer, one terminal of the impedance analyzer is connected to the drain of the MOS transistor, the other terminal is connected to the gate of the MOS transistor, and between these two terminals. There is a method of measuring the gate-drain capacitance of a MOS transistor by applying an AC bias to the MOS transistor. However, in this case, there is a problem that the gate-drain capacitance is not accurately measured because the source-drain voltage is not accurately fixed at a constant value due to the influence of the AC bias for measurement. This is particularly noticeable in a fine MOS transistor having a short gate length.

それゆえに、この発明の主たる目的は、MOSトランジスタのソース・ドレイン間電圧が0Vでない場合のゲート・ドレイン間容量を高精度に算出することができる半導体シミュレーション装置および半導体シミュレーション方法を提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, a main object of the present invention is to provide a semiconductor simulation apparatus and a semiconductor simulation method capable of calculating with high accuracy the gate-drain capacitance when the source-drain voltage of the MOS transistor is not 0V. .

この発明に係る半導体シミュレーション装置は、トランジスタのゲートとドレインの間の容量を算出する半導体シミュレーション装置であって、トランジスタの構造を定める幾何学的な寸法と、トランジスタの製造プロセスを規定するプロセスフローと、シミュレーションに必要な第1のパラメータとを用いてプロセスシミュレーションを実行し、トランジスタの不純物分布を算出するプロセスシミュレータと、プロセスシミュレータによって算出された不純物分布と、トランジスタの電極に印加するバイアスを示すバイアス条件と、シミュレーションに必要な第2のパラメータとを用いてデバイスシミュレーションを実行し、トランジスタのソースとドレインの間の電圧がゼロでない場合におけるゲートとドレインの間の容量を算出するデバイスシミュレータとを備えたものである。   A semiconductor simulation apparatus according to the present invention is a semiconductor simulation apparatus for calculating a capacitance between a gate and a drain of a transistor, a geometric dimension that defines the structure of the transistor, and a process flow that defines a manufacturing process of the transistor, The process simulation is executed using the first parameter necessary for the simulation, the process simulator for calculating the impurity distribution of the transistor, the impurity distribution calculated by the process simulator, and the bias indicating the bias applied to the electrode of the transistor A device simulation is performed using the conditions and the second parameter necessary for the simulation, and a capacitance for calculating the capacitance between the gate and the drain when the voltage between the source and the drain of the transistor is not zero is calculated. It is that a chair simulator.

この発明に係る半導体シミュレーション方法は、トランジスタのゲートとドレインの間の容量を算出する半導体シミュレーション方法であって、トランジスタの構造を定める幾何学的な寸法と、トランジスタの製造プロセスを規定するプロセスフローと、シミュレーションに必要な第1のパラメータとを用いてプロセスシミュレーションを実行し、トランジスタの不純物分布を算出する第1のステップと、第1のステップによって算出された不純物分布と、トランジスタの電極に印加するバイアスを示すバイアス条件と、シミュレーションに必要な第2のパラメータとを用いてデバイスシミュレーションを実行し、トランジスタの電気的特性データを算出する第2のステップと、第1のステップによって算出された不純物分布が予め与えられた第1の実測値と許容範囲内で一致するように第1のパラメータを較正し、第2のステップによって算出された電気的特性データが予め与えられた第2の実測値と許容範囲内で一致するように第2のパラメータを較正する第3のステップと、第1のステップによって算出された不純物分布と、第2のステップによって算出された電気的特性データとがそれぞれ予め与えられた第1および第2の実測値と許容範囲内で一致した場合に、デバイスシミュレーションを実行してトランジスタのソースとドレインの間の電圧がゼロでない場合におけるゲートとドレインの間の容量を算出する第4のステップとを含む。   A semiconductor simulation method according to the present invention is a semiconductor simulation method for calculating a capacitance between a gate and a drain of a transistor, a geometric dimension that defines the structure of the transistor, and a process flow that defines a manufacturing process of the transistor, First, a process simulation is executed using the first parameter necessary for the simulation, and the first step of calculating the impurity distribution of the transistor, the impurity distribution calculated by the first step, and the application to the transistor electrode A device simulation is executed using a bias condition indicating a bias and a second parameter necessary for the simulation, and a second step of calculating electrical characteristic data of the transistor, and an impurity distribution calculated by the first step Is given in advance The first parameter is calibrated to match the first actual measurement value within the allowable range, and the electrical characteristic data calculated in the second step matches the second actual measurement value given in advance within the allowable range. A first step in which the third step for calibrating the second parameter, the impurity distribution calculated by the first step, and the electrical characteristic data calculated by the second step are respectively given in advance. A fourth step of performing device simulation to calculate the capacitance between the gate and the drain when the voltage between the source and the drain of the transistor is not zero when the second measured value is within an allowable range; including.

この発明に係る半導体シミュレーション装置では、トランジスタの構造を定める幾何学的な寸法と、トランジスタの製造プロセスを規定するプロセスフローと、シミュレーションに必要な第1のパラメータとを用いてプロセスシミュレーションを実行し、トランジスタの不純物分布を算出するプロセスシミュレータと、プロセスシミュレータによって算出された不純物分布と、トランジスタの電極に印加するバイアスを示すバイアス条件と、シミュレーションに必要な第2のパラメータとを用いてデバイスシミュレーションを実行し、トランジスタのソースとドレインの間の電圧がゼロでない場合におけるゲートとドレインの間の容量を算出するデバイスシミュレータとが設けられる。したがって、トランジスタのソース・ドレイン間電圧が0Vでない場合のゲートとドレインの間の容量を高精度に算出することができる。この結果、LSIの各回路要素の遅延時間を正確に見積もることができるため、マスクの作り直しを避けることができ、LSIの開発コストが安く抑えられるとともに、開発期間が短縮される。   In the semiconductor simulation apparatus according to the present invention, the process simulation is executed using the geometric dimension that defines the structure of the transistor, the process flow that defines the manufacturing process of the transistor, and the first parameter necessary for the simulation, Execute device simulation using the process simulator for calculating the impurity distribution of the transistor, the impurity distribution calculated by the process simulator, the bias condition indicating the bias applied to the electrode of the transistor, and the second parameter required for the simulation A device simulator for calculating the capacitance between the gate and the drain when the voltage between the source and the drain of the transistor is not zero is provided. Therefore, the capacitance between the gate and the drain when the voltage between the source and the drain of the transistor is not 0 V can be calculated with high accuracy. As a result, the delay time of each circuit element of the LSI can be accurately estimated, so that mask rework can be avoided, the development cost of the LSI can be kept low, and the development period can be shortened.

この発明に係る半導体シミュレーション方法では、トランジスタの構造を定める幾何学的な寸法と、トランジスタの製造プロセスを規定するプロセスフローと、シミュレーションに必要な第1のパラメータとを用いてプロセスシミュレーションを実行し、トランジスタの不純物分布を算出する第1のステップと、第1のステップによって算出された不純物分布と、トランジスタの電極に印加するバイアスを示すバイアス条件と、シミュレーションに必要な第2のパラメータとを用いてデバイスシミュレーションを実行し、トランジスタの電気的特性データを算出する第2のステップと、第1のステップによって算出された不純物分布が予め与えられた第1の実測値と許容範囲内で一致するように第1のパラメータを較正し、第2のステップによって算出された電気的特性データが予め与えられた第2の実測値と許容範囲内で一致するように第2のパラメータを較正する第3のステップと、第1のステップによって算出された不純物分布と、第2のステップによって算出された電気的特性データとがそれぞれ予め与えられた第1および第2の実測値と許容範囲内で一致した場合に、デバイスシミュレーションを実行してトランジスタのソースとドレインの間の電圧がゼロでない場合におけるゲートとドレインの間の容量を算出する第4のステップとが設けられる。したがって、トランジスタのソース・ドレイン間電圧が0Vでない場合のゲートとドレインの間の容量を高精度に算出することができる。この結果、LSIの各回路要素の遅延時間を正確に見積もることができるため、マスクの作り直しを避けることができ、LSIの開発コストが安く抑えられるとともに、開発期間が短縮される。   In the semiconductor simulation method according to the present invention, the process simulation is executed using the geometric dimensions that define the structure of the transistor, the process flow that defines the manufacturing process of the transistor, and the first parameter necessary for the simulation, Using the first step for calculating the impurity distribution of the transistor, the impurity distribution calculated by the first step, the bias condition indicating the bias applied to the electrode of the transistor, and the second parameter required for the simulation The device simulation is executed, and the second step of calculating the electrical characteristic data of the transistor and the impurity distribution calculated by the first step are matched with the first measured value given in advance within an allowable range. Calibrate the first parameter and go to the second step A third step of calibrating the second parameter so that the electrical characteristic data calculated in the above agrees with a second measured value given in advance within an allowable range, and the impurity calculated by the first step When the distribution and the electrical characteristic data calculated in the second step coincide with the first and second measured values given in advance within an allowable range, a device simulation is performed to determine the source of the transistor A fourth step is provided for calculating the capacitance between the gate and drain when the voltage across the drain is not zero. Therefore, the capacitance between the gate and the drain when the voltage between the source and the drain of the transistor is not 0 V can be calculated with high accuracy. As a result, the delay time of each circuit element of the LSI can be accurately estimated, so that mask rework can be avoided, the development cost of the LSI can be kept low, and the development period can be shortened.

実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による半導体シミュレーション装置1の概略構成を示すブロック図である。図1において、この半導体シミュレーション装置1は、入力部11、シミュレーション部12、較正部13および出力部14を備える。シミュレーション部12は、プロセスシミュレータ21およびデバイスシミュレータ22を含む。入力データ2、プロセスフロー3およびモデルパラメータ4は入力部11に与えられる。C−V特性5は、出力部14から出力される。形状・不純物分布23は、プロセスシミュレータ21によって算出され、デバイスシミュレータ22に与えられる。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a semiconductor simulation apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the semiconductor simulation apparatus 1 includes an input unit 11, a simulation unit 12, a calibration unit 13, and an output unit 14. The simulation unit 12 includes a process simulator 21 and a device simulator 22. Input data 2, process flow 3 and model parameter 4 are given to input unit 11. The CV characteristic 5 is output from the output unit 14. The shape / impurity distribution 23 is calculated by the process simulator 21 and given to the device simulator 22.

入力部11は、外部からMOSトランジスタのバイアス条件(ソース・ドレイン間電圧Vds、ゲート・ソース間電圧Vgs)および幾何学的寸法(ゲート長Lg)などの入力データ2と、集積回路の一連の製造プロセス(イオン注入プロセス、酸化プロセス、不純物拡散プロセスなど)を示すプロセスフロー3と、シミュレーションに必要な不純物拡散係数、偏析係数、点欠陥パラメータ、移動度パラメータなどのモデルパラメータ4とを読込む。ここで、バイアス条件として与えられるソース・ドレイン間電圧Vdsは、0Vでない電圧(たとえば、0.5V)である。   The input unit 11 includes external input data 2 such as a bias condition (source-drain voltage Vds, gate-source voltage Vgs) and a geometric dimension (gate length Lg) of the MOS transistor, and a series of integrated circuit manufacturing. A process flow 3 indicating a process (ion implantation process, oxidation process, impurity diffusion process, etc.) and model parameters 4 such as an impurity diffusion coefficient, a segregation coefficient, a point defect parameter, and a mobility parameter necessary for the simulation are read. Here, the source-drain voltage Vds given as the bias condition is a voltage other than 0 V (for example, 0.5 V).

プロセスシミュレータ21は、入力部11によって読込まれたプロセスフロー3の内容に従って、入力データ2とモデルパラメータ4とを用いてプロセスシミュレーションを実行し、MOSトランジスタの形状・不純物分布23を算出する。デバイスシミュレータ22は、プロセスシミュレータ21によって算出された形状・不純物分布23と、入力部11によって読込まれた入力データ2とモデルパラメータ4とを用いて、MOSトランジスタの電気的特性を求めるデバイスシミュレーションを実行し、MOSトランジスタのゲート・ドレイン間容量Cgdとゲート・ソース間電圧Vgsとの関係を表わすC−V特性5を算出する。   The process simulator 21 executes a process simulation using the input data 2 and the model parameter 4 according to the contents of the process flow 3 read by the input unit 11 to calculate the shape / impurity distribution 23 of the MOS transistor. The device simulator 22 executes a device simulation for obtaining the electrical characteristics of the MOS transistor by using the shape / impurity distribution 23 calculated by the process simulator 21, the input data 2 read by the input unit 11, and the model parameter 4. Then, a CV characteristic 5 representing the relationship between the gate-drain capacitance Cgd of the MOS transistor and the gate-source voltage Vgs is calculated.

較正部13は、プロセスシミュレーションおよびデバイスシミュレーションの実行結果が予め与えられた実測値に一致するように、シミュレーションに用いられるモデルパラメータを変更する。プロセスシミュレータ21およびデバイスシミュレータ22は、変更されたモデルパラメータを用いて再度シミュレーションを実行する。この動作は、シミュレーション結果と実測値との間に十分な一致がみられるまで繰返される。プロセスシミュレーションおよびデバイスシミュレーションの精度は十分ではないため、このようにモデルパラメータを変更する必要がある。   The calibration unit 13 changes the model parameters used for the simulation so that the execution results of the process simulation and the device simulation coincide with the actually measured values given in advance. The process simulator 21 and the device simulator 22 execute simulation again using the changed model parameter. This operation is repeated until a sufficient match is found between the simulation result and the actually measured value. Since the accuracy of process simulation and device simulation is not sufficient, it is necessary to change the model parameters in this way.

出力部14は、デバイスシミュレータ22によって算出されたC−V特性5を外部に出力する。このC−V特性5は、たとえば、グラフや数値データとしてモニタ上に表示されるか、ファイルで出力される。   The output unit 14 outputs the CV characteristic 5 calculated by the device simulator 22 to the outside. This CV characteristic 5 is displayed on a monitor as a graph or numerical data, or output as a file, for example.

図2は、MOSトランジスタのゲート・ドレイン間容量Cgdを説明するための概念図である。図2を参照して、MOSトランジスタの容量には、ゲート・ドレイン間容量Cgd、ゲート・ソース間容量Cgs、ゲート・基板間容量Cgb、ドレイン・基板間容量Cjd、ソース・基板間容量Cjsなどが存在する。回路要素の遅延時間を正確に算出するためには、MOSトランジスタのソース・ドレイン間電圧が0Vでない場合のゲート・ドレイン間容量Cgdを正確に知る必要がある。   FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the gate-drain capacitance Cgd of the MOS transistor. Referring to FIG. 2, the MOS transistor capacitance includes gate-drain capacitance Cgd, gate-source capacitance Cgs, gate-substrate capacitance Cgb, drain-substrate capacitance Cjd, source-substrate capacitance Cjs, and the like. Exists. In order to accurately calculate the delay time of the circuit element, it is necessary to accurately know the gate-drain capacitance Cgd when the source-drain voltage of the MOS transistor is not 0V.

図3は、図1に示したシミュレーション部12の動作を詳細に説明するためのブロック図である。図3を参照して、デバイスシミュレータ22は、副シミュレータ24,25を含む。   FIG. 3 is a block diagram for explaining the operation of the simulation unit 12 shown in FIG. 1 in detail. Referring to FIG. 3, device simulator 22 includes sub simulators 24 and 25.

プロセスシミュレータ21は、MOSトランジスタの幾何学的寸法(ゲート長Lg)などの入力データと、集積回路の一連の製造プロセス(イオン注入プロセス、不純物拡散プロセス、酸化プロセス、エッチングプロセスなど)を示すプロセスフローと、プロセスシミュレーションに必要な不純物拡散係数、偏析係数、点欠陥パラメータなどのモデルパラメータとを用いて、プロセスシミュレーションを実行する。これにより、実際にデバイスを試作しなくても、デバイスの加工形状やデバイス内部の不純物分布を予測することができる。   The process simulator 21 is a process flow showing input data such as a MOS transistor geometric dimension (gate length Lg) and a series of integrated circuit manufacturing processes (ion implantation process, impurity diffusion process, oxidation process, etching process, etc.). And a process simulation is executed using model parameters such as an impurity diffusion coefficient, a segregation coefficient, and a point defect parameter necessary for the process simulation. This makes it possible to predict the processed shape of the device and the impurity distribution inside the device without actually making a prototype of the device.

ここで、プロセスシミュレータ21によって実行される製造プロセスのうちの不純物拡散プロセスについて説明する。不純物拡散プロセスのシミュレーションに用いられるモデルには、様々なモデルが提案されている。たとえば、文献(T.Uchida,゛Simulation of Dopant Redistribution During Gate Oxidation Including Transient-Enhanced Diffusion Caused by Implantation Damage",Jpn.J.Appl.Phys.Vol.39(2000),pp.2565-2576)に記載されているMulvaneyモデルでは、下記の基本方程式(1)〜(4)が用いられる。   Here, the impurity diffusion process in the manufacturing process executed by the process simulator 21 will be described. Various models have been proposed as models used for the simulation of the impurity diffusion process. For example, it is described in the literature (T. Uchida, “Simulation of Dopant Redistribution During Gate Oxidation Including Transient-Enhanced Diffusion Caused by Implantation Damage”, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 39 (2000), pp. 2565-2576). In the Mulvaney model, the following basic equations (1) to (4) are used.

Figure 2005340340
Figure 2005340340

ここで、CA,NAは、それぞれドーパント不純物Aの化学的濃度および活性化濃度である。CI,CV,C311は、それぞれ自由な格子間シリコン、空孔、およびクラスターにトラップされた格子間シリコンの濃度である。aSiはシリコンの平均原子間距離、αは捕獲半径、Kdeclusterは格子間シリコンクラスターのデクラスター率である。また、JA↑,JI↑,JV↑は、それぞれドーパント不純物、格子間シリコンおよび空孔の流束を示し、下記の数式(5)〜(7)で表わされる。なお、矢印↑はベクトルを表わす。 Here, C A and N A are the chemical concentration and the activation concentration of the dopant impurity A, respectively. C I , C V , and C 311 are the concentrations of free interstitial silicon, vacancies, and interstitial silicon trapped in clusters. a Si is the average interatomic distance of silicon, α is the capture radius, and K decluster is the decluster rate of the interstitial silicon cluster. J A ↑, J I ↑, and J V ↑ indicate the fluxes of dopant impurities, interstitial silicon, and vacancies, respectively, and are expressed by the following formulas (5) to (7). The arrow ↑ represents a vector.

Figure 2005340340
Figure 2005340340

ここで、DI,DVは、それぞれ格子間シリコンおよび空孔の拡散係数である。C* I,C* Vは、それぞれ格子間シリコンおよび空孔の熱平衡濃度である。fI.Aは、ドーパント拡散のうち格子間機構による部分の比率である。KAI,KAVは、それぞれドーパント不純物と点欠陥(格子間シリコン、空孔)の間のペア反応係数である。KRは、格子間シリコンと空孔の再結合速度である。ZAはドーパント不純物Aの電荷、nは電子密度である。 Here, D I and D V are the diffusion coefficients of interstitial silicon and holes, respectively. C * I and C * V are thermal equilibrium concentrations of interstitial silicon and vacancies, respectively. f IA is the ratio of the portion due to the interstitial mechanism in the dopant diffusion. K AI and K AV are pair reaction coefficients between dopant impurities and point defects (interstitial silicon, vacancies), respectively. K R is the recombination velocity between interstitial silicon and vacancies. Z A is the charge of the dopant impurity A, and n is the electron density.

また、D* Aは、熱平衡状態におけるドーパント不純物Aの不純物拡散係数である。空孔には、V+、V0、V-、V2-という荷電状態の異なった4つの種類が存在する。それぞれの空孔による拡散係数は、D+ A、D0 A、D- A、D2- Aで表わされる。各種の荷電状態にある空孔の寄与を含む不純物拡散係数D* Aは、下記の数式(8)で表わされる。 D * A is the impurity diffusion coefficient of the dopant impurity A in the thermal equilibrium state. There are four types of vacancies with different charge states : V + , V 0 , V and V 2− . Diffusion coefficient by each cavity is, D + A, D 0 A , D - A, represented by D 2-A. The impurity diffusion coefficient D * A including the contribution of vacancies in various charged states is expressed by the following formula (8).

Figure 2005340340
Figure 2005340340

ここで、nは真性キャリア濃度である。また、不純物拡散プロセスでは境界条件の設定が重要である。シリコン/酸化膜界面の点欠陥の境界条件は、下記の数式(9)〜(11)で表わされる。 Here, n i is the intrinsic carrier concentration. In addition, it is important to set boundary conditions in the impurity diffusion process. Boundary conditions for point defects at the silicon / oxide film interface are expressed by the following mathematical formulas (9) to (11).

Figure 2005340340
Figure 2005340340

ここで、n↑はシリコン領域から外向きの単位法線ベクトル、KI,KVはそれぞれ格子間シリコンおよび空孔の表面結合速度である。gIは酸化によって界面で発生する格子間シリコンの流束、|vinterfacesは酸化中におけるシリコン/酸化膜界面の移動速度、NSiはシリコンの数密度、θは消費されたシリコンのうち基板シリコンに注入されるものの比率である。 Here, n ↑ is the unit normal vector outward from the silicon region, and K I and K V are the surface coupling rates of interstitial silicon and holes, respectively. g I is the flux of interstitial silicon generated at the interface due to oxidation, | v interface | s is the moving speed of the silicon / oxide interface during oxidation, N Si is the number density of silicon, and θ is the consumed silicon It is the ratio of what is injected into the substrate silicon.

不純物拡散プロセスにおける主変数はCA,CI,CVである。DI,DV,C* I,C* V,KR,KI,KVは点欠陥パラメータと呼ばれる。 The main variables in the impurity diffusion process are C A , C I and C V. D I , D V , C * I , C * V , K R , K I and K V are called point defect parameters.

また、文献(壇良編著、「プロセス・デバイス・シミュレーション技術」産業図書、1988、p.43−45)に記載されているように、プロセスシミュレーションにおいて、酸化プロセスに関連する現象の1つであるシリコン/酸化膜界面におけるドーパント不純物の再分布が重要である。熱平衡状態では、不純物はシリコン/酸化膜界面の両側で化学ポテンシャルが一致するように再分布する。この現象は偏析と呼ばれる。   In addition, as described in the literature (edited by Dan Ryo, “Process, Device, and Simulation Technology” Industrial Book, 1988, p. 43-45), it is one of the phenomena related to the oxidation process in process simulation. The redistribution of dopant impurities at the silicon / oxide interface is important. In the thermal equilibrium state, the impurities redistribute so that the chemical potentials coincide on both sides of the silicon / oxide interface. This phenomenon is called segregation.

熱平衡状態での不純物の偏析を説明するために現象論的なモデルを用いると、シリコン/酸化膜界面における不純物流束Js↑は、下記の数式(12)で表わされる。 When a phenomenological model is used to explain the segregation of impurities in the thermal equilibrium state, the impurity flux J s ↑ at the silicon / oxide film interface is expressed by the following equation (12).

Figure 2005340340
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ここで、meqは偏析係数、hは質量輸送係数である。CA[Si],CA[SiO2]は、それぞれシリコン側および酸化膜側におけるドーパント不純物Aの濃度である。 Here, m eq is a segregation coefficient, and h is a mass transport coefficient. C A [Si] and C A [SiO 2 ] are the concentrations of the dopant impurity A on the silicon side and the oxide film side, respectively.

図4および図5は、プロセスシミュレーションによって得られる形状・不純物分布を示す図である。図4はドナー濃度分布を示し、図5はアクセプタ濃度分布を示す。図6は、離散化してシミュレーションを実行するためのメッシュ分割の様子を示す図である。図6を参照して、解析領域はメッシュによって複数の領域に分割され、各メッシュ点において方程式を解くことによって、図4および図5に示すような形状・不純物分布が得られる。   4 and 5 are diagrams showing the shape and impurity distribution obtained by the process simulation. FIG. 4 shows the donor concentration distribution, and FIG. 5 shows the acceptor concentration distribution. FIG. 6 is a diagram showing a state of mesh division for discretization and executing a simulation. Referring to FIG. 6, the analysis region is divided into a plurality of regions by the mesh, and the shape / impurity distribution as shown in FIGS. 4 and 5 is obtained by solving the equation at each mesh point.

再び図3を参照して、デバイスシミュレータ22は、プロセスシミュレータ21によって算出されたトランジスタの形状・不純物分布23、MOSトランジスタのバイアス条件(ソース・ドレイン間電圧Vds、ゲート・ソース間電圧Vgs)などの入力データ、および移動度パラメータなどのモデルパラメータを用いて、MOSトランジスタの電気的特性を求めるデバイスシミュレーションを実行する。副シミュレータ24は、電位分布、電子密度分布、正孔密度分布、MOSトランジスタの電流とバイアスとの関係を示すI−V特性、およびMOSトランジスタが導通するしきい値電圧VthとMOSトランジスタのゲート長Lgとの関係を示すVth−Lg特性を算出する。副シミュレータ25は、MOSトランジスタのゲート容量とバイアスとの関係を示すC−V特性を算出する。ここで、バイアス条件として与えられるソース・ドレイン間電圧Vdsは0Vでない電圧(たとえば、0.5V)である。このデバイスシミュレーションによって、現在の技術では測定不可能な事柄や過渡的な現象でも電気的、物理的に詳細に把握することができる。デバイスシミュレーションにおいては、下記の基本方程式(13)〜(15)が用いられる。   Referring to FIG. 3 again, the device simulator 22 includes the transistor shape / impurity distribution 23 calculated by the process simulator 21, the MOS transistor bias conditions (source-drain voltage Vds, gate-source voltage Vgs), and the like. A device simulation for obtaining the electrical characteristics of the MOS transistor is executed using model parameters such as input data and mobility parameters. The sub-simulator 24 includes a potential distribution, an electron density distribution, a hole density distribution, an IV characteristic indicating a relationship between the current and bias of the MOS transistor, a threshold voltage Vth at which the MOS transistor conducts, and a gate length of the MOS transistor. A Vth-Lg characteristic indicating a relationship with Lg is calculated. The sub simulator 25 calculates a CV characteristic indicating the relationship between the gate capacitance of the MOS transistor and the bias. Here, the source-drain voltage Vds given as the bias condition is a voltage other than 0 V (for example, 0.5 V). With this device simulation, it is possible to grasp in detail electrically and physically even matters that cannot be measured with current technology and transient phenomena. In the device simulation, the following basic equations (13) to (15) are used.

Figure 2005340340
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ここで、φは電位、nは電子密度、pは正孔密度、εはシリコンの誘電率、qは電子の電荷量である。NDはドナー濃度、NAはアクセプタ濃度、Gは単位時間・単位体積当たりに発生する電子数(または正孔数)である。また、Jn↑,Jp↑は、それぞれ電子電流および正孔電流であり、下記の数式(16)(17)で表わされる。 Here, φ is a potential, n is an electron density, p is a hole density, ε is a dielectric constant of silicon, and q is a charge amount of electrons. N D is the donor concentration, N A is the acceptor concentration, and G is the number of electrons (or the number of holes) generated per unit time and unit volume. J n ↑ and J p ↑ are an electron current and a hole current, respectively, and are expressed by the following equations (16) and (17).

Figure 2005340340
Figure 2005340340

ここで、μn,μpはそれぞれ電子および正孔の移動度、Dn,Dpはそれぞれ電子および正孔の拡散係数である。数式(13)はポアソンの方程式、数式(14)は電子電流の連続の式、数式(15)は正孔電流の連続の式と呼ばれる。デバイスシミュレーションにおける主変数は、φ,n,pである。 Here, μ n and μ p are the mobility of electrons and holes, respectively, and D n and D p are the diffusion coefficients of electrons and holes, respectively. Equation (13) is called Poisson's equation, Equation (14) is called the continuity equation of electron current, and Equation (15) is called the continuity equation of hole current. The main variables in device simulation are φ, n, and p.

デバイスシミュレータ22は、プロセスシミュレータ21からのドナー濃度分布およびアクセプタ濃度分布(図4および図5参照)を読込んで、図6に示したメッシュ上にマッピングし、指定されたすべてのバイアス条件に対して基本方程式(13)〜(15)を解く。その結果、電位分布、電子密度分布および正孔密度分布が求められる。さらに、各電極(ゲート、ドレイン、ソース)上の電流密度を積分することによって、各電極の電流が算出され、それらを指定されバイアス条件に対してプロットすることによってI−V特性が得られる。   The device simulator 22 reads the donor concentration distribution and the acceptor concentration distribution (see FIGS. 4 and 5) from the process simulator 21 and maps them on the mesh shown in FIG. 6 for all the specified bias conditions. Solve basic equations (13)-(15). As a result, a potential distribution, an electron density distribution, and a hole density distribution are required. Further, by integrating the current density on each electrode (gate, drain, source), the current of each electrode is calculated and plotted against specified bias conditions to obtain IV characteristics.

また、入力データとして与えられた幾何学的寸法(ゲート長Lg)に対してプロセスシミュレーションによって形状・不純物分布が算出され、算出された形状・不純物分布に基づいてデバイスシミュレーションによってI−V特性が得られる。このI−V特性からMOSトランジスタのしきい値電圧Vthが得られ、Vth−Lg特性が求められる。   Also, the shape / impurity distribution is calculated by process simulation for the geometric dimension (gate length Lg) given as input data, and IV characteristics are obtained by device simulation based on the calculated shape / impurity distribution. It is done. The threshold voltage Vth of the MOS transistor is obtained from this IV characteristic, and the Vth-Lg characteristic is obtained.

また、下記の数式(18)に示すように、ガウスの法則によると、電極を取り囲む閉局面に沿って電界ベクトルE↑を積分したものは、電極電荷Qを誘電率εで割ったものに等しい。   Further, as shown in the following formula (18), according to Gauss's law, the integration of the electric field vector E ↑ along the closed phase surrounding the electrode is equal to the electrode charge Q divided by the dielectric constant ε. .

Figure 2005340340
Figure 2005340340

バイアス条件に指定されたあるドレイン電圧Vdに対応したゲート電極の電荷Qg、微小な電圧分だけ変化させたドレイン電圧(Vd+dVd)に対応したゲート電極の電荷(Qg+dQg)について計算すると、下記の数式(19)に示すゲート・ドレイン間容量Cgdが算出される。 The gate electrode charge Q g corresponding to a certain drain voltage V d specified in the bias condition, and the gate electrode charge (Q g + dQ g ) corresponding to the drain voltage (V d + dV d ) changed by a minute voltage. Is calculated, the gate-drain capacitance Cgd shown in the following formula (19) is calculated.

Figure 2005340340
Figure 2005340340

この数式(19)によるゲート・ドレイン間容量Cgdの計算を、バイアス条件に指定された複数の値のゲート・ソース間電圧Vgsに対して行なうことによってC−V特性が得られる。   The calculation of the gate-drain capacitance Cgd according to the equation (19) is performed on the gate-source voltage Vgs having a plurality of values specified in the bias condition, thereby obtaining the CV characteristic.

また、デバイスシミュレーションにおいては、移動度μをモデル化する必要がある。この移動度μには多くのモデルが提案されており、たとえば下記の数式(20)で表わされる。   In the device simulation, it is necessary to model the mobility μ. Many models have been proposed for the mobility μ, and is represented by, for example, the following formula (20).

Figure 2005340340
Figure 2005340340

図7は、半導体シミュレーション装置1によってゲート・ドレイン間容量(Cgd−Vgs特性)が算出される手順を示すフローチャートである。図1および図7を参照して、ステップS1において、プロセスシミュレータ21によってプロセスシミュレーションが実行され、MOSトランジスタの形状・不純物分布23が算出される。   FIG. 7 is a flowchart showing a procedure for calculating the gate-drain capacitance (Cgd-Vgs characteristic) by the semiconductor simulation apparatus 1. Referring to FIGS. 1 and 7, in step S <b> 1, a process simulation is executed by process simulator 21 to calculate MOS transistor shape / impurity distribution 23.

ステップS2において、プロセスシミュレータ21によって算出された形状・不純物分布23を用いて、副シミュレータ24によるデバイスシミュレーションが実行され、線形領域におけるIds−Vgs特性、飽和領域におけるIds−Vgs特性、Ids−Vds特性およびVth−Lg特性が算出される。   In step S2, device simulation by the sub simulator 24 is executed using the shape / impurity distribution 23 calculated by the process simulator 21, and the Ids-Vgs characteristic in the linear region, the Ids-Vgs characteristic, and the Ids-Vds characteristic in the saturation region. And the Vth-Lg characteristic is calculated.

ステップS3において、較正部13によって、プロセスシミュレーションおよびデバイスシミュレーションの実行結果と、対応する予め与えられた実測値とが比較され、許容範囲内で一致していない場合(NO)はステップS4に進む。ステップS4において、較正部13によって、プロセスシミュレーションおよびデバイスシミュレーションの実行結果がそれぞれ対応する予め与えられた実測値に一致するようにモデルパラメータ(点欠陥パラメータ、不純物拡散係数、偏析係数、移動度パラメータなど)が変更される。   In step S3, the calibration unit 13 compares the execution results of the process simulation and the device simulation with the corresponding previously measured values, and if they do not match within the allowable range (NO), the process proceeds to step S4. In step S4, model parameters (point defect parameters, impurity diffusion coefficients, segregation coefficients, mobility parameters, etc.) are obtained by the calibration unit 13 so that the execution results of the process simulation and the device simulation coincide with the corresponding predetermined actual measurement values. ) Is changed.

再びステップS1に戻って、プロセスシミュレータ21は変更されたモデルパラメータ(点欠陥パラメータ、不純物拡散係数、偏析係数など)を用いて再度シミュレーションを行なう。また、ステップS2において、副シミュレータ24は変更されたモデルパラメータ(移動度パラメータなど)を用いて再度シミュレーションを行なう。この一連の動作は、シミュレーション結果と予め与えられた実測値とが許容範囲内で一致するまで繰返される。   Returning to step S1 again, the process simulator 21 performs a simulation again using the changed model parameters (point defect parameters, impurity diffusion coefficients, segregation coefficients, etc.). In step S2, the sub-simulator 24 performs the simulation again using the changed model parameter (such as mobility parameter). This series of operations is repeated until the simulation result and the actually measured value given in advance match within an allowable range.

図8は、点欠陥パラメータC* I(格子間シリコンの熱平衡濃度)を変更することによって、プロセスシミュレーションにより算出されるドナー濃度が較正される様子を説明するための図である。図8を参照して、イオン注入プロセスのシミュレーションにおいてドーパント不純物が注入された直後のドナー濃度、および不純物拡散プロセスのシミュレーションにおいて点欠陥パラメータC* Iを4倍、2倍、1倍、1/2倍と変化させた場合のドナー濃度を示す。さらに、予め与えられた実測値を黒点で示す。この場合、プロセスシミュレーションにより算出されるドナー濃度を実測値と一致させるためには、点欠陥パラメータC* Iを約2倍に変更すればよい。このように点欠陥パラメータC* Iを変更することによって、プロセスシミュレータ21から算出されるドナー濃度分布およびアクセプタ濃度分布(図4および図5参照)が較正される。 FIG. 8 is a diagram for explaining how the donor concentration calculated by the process simulation is calibrated by changing the point defect parameter C * I (thermal equilibrium concentration of interstitial silicon). Referring to FIG. 8, the donor concentration immediately after the dopant impurity is implanted in the simulation of the ion implantation process, and the point defect parameter C * I in the simulation of the impurity diffusion process is 4 times, 2 times, 1 time, 1/2. It shows the donor concentration when changed to double. Further, the actually measured values given in advance are indicated by black dots. In this case, in order to make the donor concentration calculated by the process simulation coincide with the actually measured value, the point defect parameter C * I may be changed to about twice. By changing the point defect parameter C * I in this way, the donor concentration distribution and the acceptor concentration distribution (see FIGS. 4 and 5) calculated from the process simulator 21 are calibrated.

図9は、移動度パラメータαを変更することによって、デバイスシミュレーションにより算出されるIds−Vgs特性(線形領域)が較正される様子を説明するための図である。図9を参照して、較正部13による較正前および較正後の副シミュレータ24により算出される線形領域(低いドレイン・ソース間電圧Vdsに対応する領域)のIds−Vgs特性のシミュレーション結果を示す。さらに、予め与えられた実測値を黒点で示す。この場合、デバイスシミュレーションにより算出されるIds−Vgs特性(線形領域)を実測値と一致させるためには、移動度パラメータαを大きな値に変更すればよい。このように移動度パラメータαを変更することによって、副シミュレータ24から算出されるIds−Vgs特性(線形領域)が較正される。   FIG. 9 is a diagram for explaining how the Ids-Vgs characteristic (linear region) calculated by device simulation is calibrated by changing the mobility parameter α. Referring to FIG. 9, the simulation result of the Ids-Vgs characteristic in the linear region (region corresponding to the low drain-source voltage Vds) calculated by the sub-simulator 24 before and after calibration by the calibration unit 13 is shown. Further, the actually measured values given in advance are indicated by black dots. In this case, in order to make the Ids-Vgs characteristic (linear region) calculated by device simulation coincide with the actual measurement value, the mobility parameter α may be changed to a large value. Thus, by changing the mobility parameter α, the Ids-Vgs characteristic (linear region) calculated from the sub simulator 24 is calibrated.

図10は、移動度パラメータαを変更することによって、デバイスシミュレーションにより算出されるIds−Vgs特性(飽和領域)が較正される様子を説明するための図である。図10を参照して、較正部13による較正前および較正後において、副シミュレータ24によって算出される飽和領域(高いドレイン・ソース間電圧Vdsに対応する領域)のIds−Vgs特性のシミュレーション結果を示す。さらに、予め与えられた実測値を黒点で示す。この場合、デバイスシミュレーションにより算出されるIds−Vgs特性(飽和領域)を実測値と一致させるためには、移動度パラメータαを大きな値に変更すればよい。このように移動度パラメータαを変更することによって、副シミュレータ24から算出されるIds−Vgs特性(飽和領域)が較正される。   FIG. 10 is a diagram for explaining how the Ids-Vgs characteristic (saturation region) calculated by device simulation is calibrated by changing the mobility parameter α. Referring to FIG. 10, the simulation result of the Ids-Vgs characteristic in the saturation region (region corresponding to the high drain-source voltage Vds) calculated by the sub simulator 24 before and after calibration by the calibration unit 13 is shown. . Further, the actually measured values given in advance are indicated by black dots. In this case, in order to make the Ids-Vgs characteristic (saturation region) calculated by device simulation coincide with the actual measurement value, the mobility parameter α may be changed to a large value. Thus, by changing the mobility parameter α, the Ids-Vgs characteristic (saturation region) calculated from the sub simulator 24 is calibrated.

図11は、移動度パラメータvsを変更することによって、デバイスシミュレーションにより算出されるIds−Vds特性が較正される様子を説明するための図である。図11を参照して、較正部13による較正前および較正後において、副シミュレータ24によって算出されるIds−Vds特性のシミュレーション結果を示す。さらに、予め与えられた実測値を黒点で示す。この場合、デバイスシミュレーションにより算出されるIds−Vds特性を実測値と一致させるためには、移動度パラメータvsを小さな値に変更すればよい。このように移動度パラメータvsを変更することによって、副シミュレータ24から算出されるIds−Vds特性が較正される。 11, by changing the mobility parameter v s, is a diagram for explaining how the Ids-Vds characteristics calculated by device simulation is calibrated. Referring to FIG. 11, the simulation result of the Ids-Vds characteristic calculated by the sub simulator 24 before and after calibration by the calibration unit 13 is shown. Further, the actually measured values given in advance are indicated by black dots. In this case, in order to match the Ids-Vds characteristics calculated by device simulation and the measured values may be changed mobility parameter v s to a smaller value. By changing the way the mobility parameter v s, Ids-Vds characteristics calculated from the sub-simulator 24 is calibrated.

図12は、点欠陥パラメータDI,KIを変更することによって、デバイスシミュレーションにより算出されるVth−Lg特性が較正される様子を説明するための図である。図12を参照して、較正部13による較正前および較正後において、副シミュレータ24によって算出されるVth−Lg特性のシミュレーション結果を示す。さらに、予め与えられた実測値を黒点で示す。この場合、デバイスシミュレーションにより算出されるVth−Lg特性を実測値と一致させるためには、点欠陥パラメータ(DI/KI)を大きな値に変更すればよい。このように点欠陥パラメータ(DI/KI)を変更することによって、副シミュレータ24から算出されるVth−Lg特性が較正される。 FIG. 12 is a diagram for explaining how the Vth-Lg characteristics calculated by device simulation are calibrated by changing the point defect parameters D I and K I. With reference to FIG. 12, the simulation result of the Vth-Lg characteristic calculated by the sub simulator 24 before and after calibration by the calibration unit 13 is shown. Further, the actually measured values given in advance are indicated by black dots. In this case, in order to make the Vth-Lg characteristic calculated by the device simulation coincide with the actual measurement value, the point defect parameter (D I / K I ) may be changed to a large value. In this way, by changing the point defect parameter (D I / K I ), the Vth-Lg characteristic calculated from the sub simulator 24 is calibrated.

なお、図示しないが、プロセスシミュレーションにおいて、他の点欠陥パラメータDI,DV,C* V,KR,KI,KV、不純物拡散係数D* A、偏析係数meqなどのモデルパラメータや、他の製造プロセスに用いられるモデルパラメータ(たとえば、イオン注入プロセスにおける飛程など)を変更してもよい。 Although not shown, the process simulation, Ya model parameters, such as other point defect parameters D I, D V, C * V, K R, K I, K V, the impurity diffusion coefficient D * A, the segregation coefficient m eq The model parameters used in other manufacturing processes (for example, the range in the ion implantation process) may be changed.

また、デバイスシミュレーションにおいて、移動度パラメータα,vs以外のモデルパラメータを変更してもよい。   In the device simulation, model parameters other than the mobility parameters α and vs may be changed.

図7に戻って、ステップS3において、プロセスシミュレーションおよびデバイスシミュレーションの実行結果がそれぞれ対応する実測値と許容範囲内で一致した場合(YES)はステップS5に進む。ステップS5において、副シミュレータ25によるデバイスシミュレーションが実行され、Cgd−Vgs特性が算出される。   Returning to FIG. 7, in step S3, if the execution results of the process simulation and the device simulation coincide with the corresponding measured values within the allowable range (YES), the process proceeds to step S5. In step S5, a device simulation is executed by the sub simulator 25, and a Cgd-Vgs characteristic is calculated.

図13(A)〜(E)は、それぞれ入力データとして与えられた幾何学的寸法(ゲート長Lg=0.10μm,0.20μm,0.50μm,1.0μm,10.0μm)に対するデバイスシミュレーションによって算出されたCgd−Vgs特性を示す図である。図13(A)〜(E)において、入力データとして与えられたバイアス条件(ソース・ドレイン間電圧Vds=0.0V)に対するシミュレーション結果が点線で示され、バイアス条件(ソース・ドレイン間電圧Vds=0.5V)に対するシミュレーション結果が実線で示される。この場合、ソース・ドレイン間電圧Vds=0.5Vの場合のゲート・ドレイン間容量Cgdは、ソース・ドレイン間電圧Vds=0.0Vの場合のゲート・ドレイン間容量Cgdよりも小さい。このように、ソース・ドレイン間電圧Vdsが高くなると、チャネル空乏層幅が拡大するためゲート・ドレイン間容量Cgdが小さくなる。   FIGS. 13A to 13E are device simulations for geometric dimensions (gate lengths Lg = 0.10 μm, 0.20 μm, 0.50 μm, 1.0 μm, 10.0 μm) given as input data, respectively. It is a figure which shows the Cgd-Vgs characteristic calculated by these. 13A to 13E, simulation results for the bias condition (source-drain voltage Vds = 0.0 V) given as input data are indicated by dotted lines, and the bias condition (source-drain voltage Vds = The simulation results for 0.5V) are indicated by solid lines. In this case, the gate-drain capacitance Cgd when the source-drain voltage Vds = 0.5V is smaller than the gate-drain capacitance Cgd when the source-drain voltage Vds = 0.0V. Thus, when the source-drain voltage Vds is increased, the channel depletion layer width is increased, so that the gate-drain capacitance Cgd is decreased.

図14は、従来の方法によるCgd−Vgs特性の実測結果を示す図である。図14において、幾何学的寸法(ゲート長Lg=0.20μm)に対する実測結果が示される。バイアス条件(ソース・ドレイン間電圧Vds=0.0V)における実測結果が点線で示され、バイアス条件(ソース・ドレイン間電圧Vds=0.5V)における実測結果が実線で示される。この場合、ソース・ドレイン間電圧Vds=0.5Vの場合のゲート・ドレイン間容量Cgdは、ソース・ドレイン間電圧Vds=0.0Vの場合のゲート・ドレイン間容量Cgdよりも大きい。   FIG. 14 is a diagram showing a measurement result of Cgd-Vgs characteristics by a conventional method. FIG. 14 shows the actual measurement results for the geometric dimension (gate length Lg = 0.20 μm). The actual measurement result under the bias condition (source-drain voltage Vds = 0.0 V) is indicated by a dotted line, and the actual measurement result under the bias condition (source-drain voltage Vds = 0.5 V) is indicated by a solid line. In this case, the gate-drain capacitance Cgd when the source-drain voltage Vds = 0.5V is larger than the gate-drain capacitance Cgd when the source-drain voltage Vds = 0.0V.

図13(B)と図14とを比較して、入力データとして与えられたゲート長Lgが0.20μmの場合、ソース・ドレイン間電圧Vds=0.0Vに対応するCgd−Vgs特性はほぼ一致するが、ソース・ドレイン間電圧Vds=0.5Vに対応するCgd−Vgs特性は異なる。図14に示した実測によるCgd−Vgs特性では、ソース・ドレイン間電圧Vdsが高くなるとゲート・ドレイン間容量Cgdが小さくなるという理論に矛盾する。このように、従来の実測による方法では、ゲート・ドレイン間容量Cgdが正確に測定されないという問題があった。しかし、図13に示したシミュレーションによって算出されるCgd−Vgs特性は、ソース・ドレイン間電圧Vdsが高くなるとゲート・ドレイン間容量Cgdが小さくなるという理論と一致する。   Comparing FIG. 13B and FIG. 14, when the gate length Lg given as input data is 0.20 μm, the Cgd-Vgs characteristics corresponding to the source-drain voltage Vds = 0.0 V are almost the same. However, the Cgd-Vgs characteristics corresponding to the source-drain voltage Vds = 0.5 V are different. The measured Cgd-Vgs characteristic shown in FIG. 14 contradicts the theory that the gate-drain capacitance Cgd decreases as the source-drain voltage Vds increases. As described above, the conventional method based on actual measurement has a problem that the gate-drain capacitance Cgd cannot be accurately measured. However, the Cgd-Vgs characteristic calculated by the simulation shown in FIG. 13 is consistent with the theory that the gate-drain capacitance Cgd decreases as the source-drain voltage Vds increases.

図15は、図1に示した半導体シミュレーション装置1のハードウェア構成を示す図である。図15を参照して、半導体シミュレーション装置1は、CPU(中央処理装置)31、バス32、磁気記憶装置33、外部装置接続部34、モニタ35、キーボード36、マウス37、通信部38およびプリンタ出力部39を含む。   FIG. 15 is a diagram showing a hardware configuration of the semiconductor simulation apparatus 1 shown in FIG. Referring to FIG. 15, the semiconductor simulation apparatus 1 includes a CPU (central processing unit) 31, a bus 32, a magnetic storage device 33, an external device connection unit 34, a monitor 35, a keyboard 36, a mouse 37, a communication unit 38, and a printer output. Part 39 is included.

CPU31は、バス32を介して磁気記憶装置33、外部装置接続部34、モニタ35、キーボード36、マウス37、通信部38およびプリンタ出力部39に接続され、半導体シミュレーション装置1全体を制御する。磁気記憶装置33には、基本ソフトウェアであるOS(オペレーション・システム)41、シミュレーションの動作を規定するプログラム群42、およびシミュレーションに用いられるデータ群43が格納される。光ディスクドライブ53は、外部装置接続部34に接続され、プログラム51およびデータ52を読込む。光ディスクドライブ53によって読込まれたプログラム51およびデータ52は、それぞれプログラム群42およびデータ群43に記憶される。   The CPU 31 is connected to the magnetic storage device 33, the external device connection unit 34, the monitor 35, the keyboard 36, the mouse 37, the communication unit 38, and the printer output unit 39 via the bus 32, and controls the entire semiconductor simulation device 1. The magnetic storage device 33 stores an operating system (OS) 41 that is basic software, a program group 42 that defines the operation of simulation, and a data group 43 that is used for simulation. The optical disk drive 53 is connected to the external device connection unit 34 and reads the program 51 and data 52. The program 51 and data 52 read by the optical disk drive 53 are stored in the program group 42 and the data group 43, respectively.

ユーザは、キーボード36およびマウス37を用いて半導体シミュレーション装置1を操作する。モニタ35には、シミュレーション結果などのユーザが必要な情報が表示される。通信部38は、外部機器との通信を行なう。プリンタ54は、プリンタ出力部39に接続され、半導体シミュレーション装置1からのデータをプリントする。   The user operates the semiconductor simulation apparatus 1 using the keyboard 36 and the mouse 37. The monitor 35 displays information necessary for the user such as a simulation result. The communication unit 38 communicates with an external device. The printer 54 is connected to the printer output unit 39 and prints data from the semiconductor simulation apparatus 1.

ここで、図1に示した入力データ2、プロセスフロー3およびモデルパラメータ4は、図15に示したデータ52またはキーボード36から与えられ、データ群43に記憶される。また、図1に示したプロセスシミュレータ21およびデバイスシミュレータ22の動作を規定するプログラムは、図15に示したプログラム51から与えられ、プログラム群42に記憶される。図1に示した入力部11、較正部13および出力部14の動作を規定するプログラムは、図15に示したプログラム群42に記憶される。図1に示した形状・不純物分布23は、図15に示したデータ群43に記憶される。図1に示したC−V特性5は、図15に示したモニタ35にグラフや数値データで表示される。   Here, the input data 2, the process flow 3, and the model parameter 4 shown in FIG. 1 are given from the data 52 shown in FIG. 15 or the keyboard 36 and stored in the data group 43. A program that defines the operations of the process simulator 21 and the device simulator 22 shown in FIG. 1 is given from the program 51 shown in FIG. 15 and stored in the program group 42. Programs that define the operations of the input unit 11, the calibration unit 13, and the output unit 14 illustrated in FIG. 1 are stored in the program group 42 illustrated in FIG. The shape / impurity distribution 23 shown in FIG. 1 is stored in the data group 43 shown in FIG. The CV characteristic 5 shown in FIG. 1 is displayed as a graph or numerical data on the monitor 35 shown in FIG.

以上のように、この実施の形態1では、MOSトランジスタのソース・ドレイン間電圧が0Vでない場合のゲート・ドレイン間容量Cgdを、実測ではなく高精度なシミュレーションによって算出する。したがって、実測が困難であったゲート・ドレイン間容量Cgdを高精度に算出することができる。この結果、LSIの各回路要素の遅延時間を正確に見積もることができるため、マスクの作り直しを避けることができ、LSIの開発コストが安く抑えられるとともに、開発期間が短縮される。   As described above, in the first embodiment, the gate-drain capacitance Cgd when the source-drain voltage of the MOS transistor is not 0 V is calculated not by actual measurement but by high-precision simulation. Therefore, the gate-drain capacitance Cgd, which has been difficult to measure, can be calculated with high accuracy. As a result, the delay time of each circuit element of the LSI can be accurately estimated, so that mask rework can be avoided, the development cost of the LSI can be kept low, and the development period can be shortened.

実施の形態2.
図16は、この発明の実施の形態2による半導体シミュレーション装置61の概略構成を示すブロック図であって、図1と対比される図である。図16の半導体シミュレーション装置61を参照して、図1の半導体シミュレーション装置1と異なる点は、出力部14が出力部62で置換されている点である。なお、図16において、図1と対応する部分においては同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 16 is a block diagram showing a schematic configuration of a semiconductor simulation apparatus 61 according to the second embodiment of the present invention, which is compared with FIG. Referring to the semiconductor simulation apparatus 61 in FIG. 16, the difference from the semiconductor simulation apparatus 1 in FIG. 1 is that the output unit 14 is replaced with an output unit 62. In FIG. 16, portions corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

出力部62は、デバイスシミュレータ22によって算出されたC−V特性5を外部に出力するとともに、デバイスシミュレータ22のシミュレーション結果からSPICEパラメータ63を抽出する。   The output unit 62 outputs the CV characteristic 5 calculated by the device simulator 22 to the outside and extracts the SPICE parameter 63 from the simulation result of the device simulator 22.

図17は、図16に示した出力部62に含まれるSPICEパラメータ抽出部71の構成を示すブロック図である。図17を参照して、SPICEパラメータ抽出部71は、デバイスシミュレータ22によって算出されたC−V特性(Cgd−Vgs特性)およびI−V特性(Ids−Vgs特性、Ids−Vds特性)からSPICEパラメータを抽出する。ここで、SPICEパラメータとは、回路シミュレータSPICEによる回路シミュレーションに必要なパラメータである。回路シミュレータSPICEは、回路を構成する節点網の各節点においてキルヒホッフの電流則と電圧則を解き、各節点における電位の時間的変化を計算する。回路シミュレーションでは、回路におけるデバイスの振舞いを示すモデルが必要となる。MOSトランジスタの振舞いを示すモデルとしては、たとえばBSIM(Berkley Short-channel IGFET Model)がある。回路シミュレータSPICEは、SPICEパラメータを用いて回路シミュレーションを行なうことによって、LSIの各回路要素の遅延時間を算出する。   FIG. 17 is a block diagram showing a configuration of the SPICE parameter extraction unit 71 included in the output unit 62 shown in FIG. Referring to FIG. 17, SPICE parameter extraction unit 71 calculates SPICE parameters from the CV characteristics (Cgd-Vgs characteristics) and IV characteristics (Ids-Vgs characteristics, Ids-Vds characteristics) calculated by device simulator 22. To extract. Here, the SPICE parameter is a parameter necessary for circuit simulation by the circuit simulator SPICE. The circuit simulator SPICE solves Kirchhoff's current law and voltage law at each node of the node network constituting the circuit, and calculates the temporal change in potential at each node. In circuit simulation, a model showing the behavior of a device in a circuit is required. As a model showing the behavior of a MOS transistor, for example, there is a BSIM (Berkley Short-channel IGFET Model). The circuit simulator SPICE calculates a delay time of each circuit element of the LSI by performing a circuit simulation using the SPICE parameter.

したがって、この実施の形態2では、MOSトランジスタのソース・ドレイン間電圧が0Vでない場合のゲート・ドレイン間容量Cgdを高精度に算出するとともに、SPICEパラメータを抽出することができる。この結果、回路シミュレータSPICEを用いてLSIの各回路要素の遅延時間を正確に見積もることができるため、マスクの作り直しを避けることができ、LSIの開発コストが安く抑えられるとともに、開発期間が短縮される。   Therefore, in the second embodiment, the gate-drain capacitance Cgd when the source-drain voltage of the MOS transistor is not 0 V can be calculated with high accuracy and the SPICE parameter can be extracted. As a result, the delay time of each circuit element of the LSI can be accurately estimated by using the circuit simulator SPICE, so that the re-creation of the mask can be avoided, the development cost of the LSI can be reduced, and the development period can be shortened. The

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

この発明の実施の形態1による半導体シミュレーション装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the semiconductor simulation apparatus by Embodiment 1 of this invention. MOSトランジスタのゲート・ドレイン間容量Cgdを説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the gate-drain capacity | capacitance Cgd of a MOS transistor. 図1に示したシミュレーション部の動作を詳細に説明するためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating in detail the operation | movement of the simulation part shown in FIG. プロセスシミュレーションによって得られる形状・不純物分布を示す図である。It is a figure which shows the shape and impurity distribution obtained by process simulation. プロセスシミュレーションによって得られる形状・不純物分布を示す図である。It is a figure which shows the shape and impurity distribution obtained by process simulation. 離散化してシミュレーションを実行するためのメッシュ分割の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the mesh division | segmentation for discretizing and performing a simulation. 半導体シミュレーション装置によってゲート・ドレイン間容量が算出される手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure in which the capacity | capacitance between gates and drains is calculated by the semiconductor simulation apparatus. 点欠陥パラメータC* Iを変更することによって、プロセスシミュレーションにより算出されるドナー濃度が較正される様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a mode that the donor density | concentration calculated by process simulation is calibrated by changing point defect parameter C * I. 移動度パラメータαを変更することによって、デバイスシミュレーションにより算出されるIds−Vgs特性(線形領域)が較正される様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a mode that the Ids-Vgs characteristic (linear area | region) calculated by device simulation is calibrated by changing the mobility parameter (alpha). 移動度パラメータαを変更することによって、デバイスシミュレーションにより算出されるIds−Vgs特性(飽和領域)が較正される様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a mode that the Ids-Vgs characteristic (saturation area | region) calculated by device simulation is calibrated by changing the mobility parameter (alpha). 移動度パラメータvsを変更することによって、デバイスシミュレーションにより算出されるIds−Vds特性が較正される様子を説明するための図である。By changing the mobility parameter v s, it is a diagram for explaining how the Ids-Vds characteristics calculated by device simulation is calibrated. 点欠陥パラメータDI,KIを変更することによって、デバイスシミュレーションにより算出されるVth−Lg特性が較正される様子を説明するための図である。Point defect parameter D I, by changing the K I, is a diagram for explaining how the Vth-Lg characteristics calculated by device simulation is calibrated. 入力データとして与えられた幾何学的寸法(ゲート長Lg)に対するデバイスシミュレーションによって算出されたCgd−Vgs特性を示す図である。It is a figure which shows the Cgd-Vgs characteristic calculated by the device simulation with respect to the geometric dimension (gate length Lg) given as input data. 従来の方法によるCgd−Vgs特性の実測結果を示す図である。It is a figure which shows the actual measurement result of the Cgd-Vgs characteristic by the conventional method. 図1に示した半導体シミュレーション装置のハードウェア構成を示す図である。It is a figure which shows the hardware constitutions of the semiconductor simulation apparatus shown in FIG. この発明の実施の形態2による半導体シミュレーション装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the semiconductor simulation apparatus by Embodiment 2 of this invention. 図16に示した出力部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the output part shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1,61 半導体シミュレーション装置、2 入力データ、3 プロセスフロー、4 モデルパラメータ、5 C−V特性、11 入力部、12 シミュレーション部、13 較正部、14,62 出力部、21 プロセスシミュレータ、22 デバイスシミュレータ、23 形状・不純物分布、24,25 副シミュレータ、31 CPU、32 バス、33 磁気記憶装置、34 外部装置接続部、35 モニタ、36 キーボード、37 マウス、38 通信部、39 プリンタ出力部、41 OS、42 プログラム群、43 データ群、51 プログラム、52 データ、53 光ディスクドライブ、54 プリンタ、63 SPICEパラメータ、71 SPICEパラメータ抽出部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,61 Semiconductor simulation apparatus, 2 input data, 3 process flow, 4 model parameter, 5 CV characteristic, 11 input part, 12 simulation part, 13 calibration part, 14, 62 output part, 21 process simulator, 22 device simulator , 23 Shape / impurity distribution, 24, 25 Sub simulator, 31 CPU, 32 bus, 33 Magnetic storage device, 34 External device connection part, 35 Monitor, 36 Keyboard, 37 Mouse, 38 Communication part, 39 Printer output part, 41 OS , 42 program group, 43 data group, 51 program, 52 data, 53 optical disc drive, 54 printer, 63 SPICE parameter, 71 SPICE parameter extraction unit.

Claims (4)

トランジスタのゲートとドレインの間の容量を算出する半導体シミュレーション装置であって、
トランジスタの構造を定める幾何学的な寸法と、トランジスタの製造プロセスを規定するプロセスフローと、シミュレーションに必要な第1のパラメータとを用いてプロセスシミュレーションを実行し、トランジスタの不純物分布を算出するプロセスシミュレータ、および
前記プロセスシミュレータによって算出された前記不純物分布と、トランジスタの電極に印加するバイアスを示すバイアス条件と、シミュレーションに必要な第2のパラメータとを用いてデバイスシミュレーションを実行し、トランジスタのソースとドレインの間の電圧がゼロでない場合における前記ゲートとドレインの間の容量を算出するデバイスシミュレータを備える、半導体シミュレーション装置。
A semiconductor simulation device for calculating a capacitance between a gate and a drain of a transistor,
A process simulator for calculating the impurity distribution of a transistor by executing a process simulation using a geometric dimension that defines the structure of the transistor, a process flow that defines a transistor manufacturing process, and a first parameter required for the simulation And a device simulation is performed using the impurity distribution calculated by the process simulator, a bias condition indicating a bias applied to the electrode of the transistor, and a second parameter necessary for the simulation, and the source and drain of the transistor A semiconductor simulation apparatus comprising a device simulator for calculating a capacitance between the gate and the drain when the voltage between is not zero.
前記デバイスシミュレータは、トランジスタの電気的特性データを算出する第1の副シミュレータと、前記ゲートとドレインの間の容量を算出する第2の副シミュレータとを含み、
前記半導体シミュレーション装置は、さらに、前記プロセスシミュレータによって算出された前記不純物分布が予め与えられた第1の実測値と許容範囲内で一致するように前記第1のパラメータを較正し、前記第1の副シミュレータによって算出された前記電気的特性データが予め与えられた第2の実測値と許容範囲内で一致するように前記第2のパラメータを較正する較正部を備え、
前記第2の副シミュレータは、前記プロセスシミュレータによって算出された前記不純物分布と、前記第1の副シミュレータによって算出された前記電気的特性データとがそれぞれ予め与えられた前記第1および第2の実測値と許容範囲内で一致した場合に、前記ゲートとドレインの間の容量を算出する、請求項1に記載の半導体シミュレーション装置。
The device simulator includes a first sub-simulator that calculates electrical characteristic data of a transistor, and a second sub-simulator that calculates a capacitance between the gate and the drain,
The semiconductor simulation apparatus further calibrates the first parameter so that the impurity distribution calculated by the process simulator matches a first measured value given in advance within an allowable range, and the first parameter A calibration unit that calibrates the second parameter so that the electrical characteristic data calculated by the sub-simulator matches a second actual measurement value given in advance within an allowable range;
In the second sub-simulator, the first and second actual measurements in which the impurity distribution calculated by the process simulator and the electrical characteristic data calculated by the first sub-simulator are respectively given in advance. The semiconductor simulation apparatus according to claim 1, wherein a capacitance between the gate and the drain is calculated when the value matches within an allowable range.
前記電気的特性データは、
トランジスタのドレインとソースの間の電流と、トランジスタのゲートとソースの間の電圧との関係を示す第1の特性データ、
トランジスタのドレインとソースの間の電流と、トランジスタのドレインとソースの間の電圧との関係を示す第2の特性データ、および
トランジスタが導通するしきい値電圧とトランジスタのゲート長との関係を示す第3の特性データを含む、請求項2に記載の半導体シミュレーション装置。
The electrical property data is
First characteristic data indicating a relationship between a current between the drain and the source of the transistor and a voltage between the gate and the source of the transistor;
Second characteristic data showing the relationship between the current between the drain and the source of the transistor and the voltage between the drain and the source of the transistor, and the relationship between the threshold voltage at which the transistor conducts and the gate length of the transistor The semiconductor simulation apparatus according to claim 2, comprising third characteristic data.
トランジスタのゲートとドレインの間の容量を算出する半導体シミュレーション方法であって、
トランジスタの構造を定める幾何学的な寸法と、トランジスタの製造プロセスを規定するプロセスフローと、シミュレーションに必要な第1のパラメータとを用いてプロセスシミュレーションを実行し、トランジスタの不純物分布を算出する第1のステップ、
前記第1のステップによって算出された前記不純物分布と、トランジスタの電極に印加するバイアスを示すバイアス条件と、シミュレーションに必要な第2のパラメータとを用いてデバイスシミュレーションを実行し、トランジスタの電気的特性データを算出する第2のステップ、
前記第1のステップによって算出された前記不純物分布が予め与えられた第1の実測値と許容範囲内で一致するように前記第1のパラメータを較正し、前記第2のステップによって算出された前記電気的特性データが予め与えられた第2の実測値と許容範囲内で一致するように前記第2のパラメータを較正する第3のステップ、および
前記第1のステップによって算出された前記不純物分布と、前記第2のステップによって算出された前記電気的特性データとがそれぞれ予め与えられた前記第1および第2の実測値と許容範囲内で一致した場合に、前記デバイスシミュレーションを実行してトランジスタのソースとドレインの間の電圧がゼロでない場合における前記ゲートとドレインの間の容量を算出する第4のステップを含む、半導体シミュレーション方法。
A semiconductor simulation method for calculating a capacitance between a gate and a drain of a transistor,
A process simulation is executed using a geometric dimension that defines the structure of the transistor, a process flow that defines the transistor manufacturing process, and a first parameter necessary for the simulation, and a first impurity distribution is calculated. Steps,
A device simulation is executed using the impurity distribution calculated in the first step, a bias condition indicating a bias applied to the electrode of the transistor, and a second parameter necessary for the simulation, and the electrical characteristics of the transistor A second step of calculating data,
The first parameter is calibrated so that the impurity distribution calculated in the first step matches a first actual measurement value given in advance within an allowable range, and the first parameter calculated in the second step is calculated. A third step of calibrating the second parameter so that electrical characteristic data agrees with a second measured value given in advance within an allowable range; and the impurity distribution calculated by the first step; When the electrical characteristic data calculated in the second step agrees with the first and second measured values given in advance within an allowable range, the device simulation is executed to perform the transistor simulation. Including a fourth step of calculating a capacitance between the gate and drain when the voltage between the source and drain is not zero. Simulation method.
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