JP2006278360A - パワーｍｏｓトランジスタの評価方法，モデル抽出プログラム，および回路シミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パワーＭＯＳトランジスタの自己発熱特性を正確に反映した評価方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 ドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が低下し始める場合に（Ｓ１０２）、ドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が低下し始めるドレイン電圧ＶＤＡを測定し（Ｓ１０３）、ドレイン電圧＜（≦）ＶＤＡ領域ではＩｄ−Ｖｄ特性データを、ドレイン電圧≧（＞）ＶＤＡ領域ではパワーＭＯＳトランジスタの自己発熱を抑制して測定したＩｄ−Ｖｄ特性データを用いて自己発熱特性を正確に反映したパワートランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出することにより（Ｓ１０４，Ｓ１０５，Ｓ１０６）、パワーＭＯＳトランジスタの自己発熱特性を正確に反映した評価方法を提供することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体集積回路のシミュレーション用モデルパラメータを抽出するパワーＭＯＳトランジスタの評価方法に関するものである。

近年、半導体集積回路の設計、解析に用いられるプログラムの代表的なものにＳＰＩＣＥ（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｅｍｐｈａｓｉｓ）があり、シミュレーションモデルとしてＢＳＩＭ（Ｂｅｒｋｌｅｙ Ｓｈｏｒｔ−ｃｈａｎｎｅｌ ＩＧＦＥＴ Ｍｏｄｅｌ）などのＭＯＳ型トランジスタモデルがある。これらのモデルのパラメータを抽出するためのデバイス特性は、例えば、半導体パラメータアナライザやモジュラＤＣソース／モニタ・ユニットなどの評価装置を用いて評価することが広く行われている。

図４，図５を参照して従来のパラメータ抽出方法を説明する。
図４は従来のパワーＭＯＳトランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出する方法を説明するフロー図、図５は従来のパワーＭＯＳトランジスタの評価構成図である。

図４において、まず、半導体パラメータアナライザやモジュラＤＣソース／モニタ・ユニットなどの評価装置を用いて、対象となるパワーＭＯＳトランジスタのＩｄ−Ｖｄ特性や、Ｉｄ−Ｖｇ特性などの電気的特性を測定する（Ｓ２０１）。次に、測定データから、このパワーＭＯＳトランジスタのパラメータデータを抽出する（Ｓ２０２）。最後に、抽出したパラメータデータを用いて、対象となるパワーＭＯＳトランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを作成する（Ｓ２０３）。

しかしながら、これらのＭＯＳ型トランジスタモデル及びその評価方法は、例えば、電源電圧５Ｖ以下で使用する従来の低電圧駆動用モデルをターゲットにしており、モータードライバなどのような比較的高い電圧及び電流で駆動されるパワーＭＯＳトランジスタを含む、高耐圧、大電流対応品種向けに開発されたデバイスの特性を精度良く記述できないという問題点があった。

そこで、上記のような比較的高い電圧及び電流で駆動されるパワーＭＯＳトランジスタのモデルパラメータを抽出する方法として、デバイスのドレイン電圧−ドレイン電流特性において、ゲートに印加される電圧領域を複数の電圧領域に分割して、それぞれの電圧領域ごとにモデルパラメータを抽出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

従来の評価における装置構成は、図５に示すように、評価対象となるパワーＭＯＳトランジスタ１にモジュラＤＣソース／モニタ・ユニット２より高電位を印加した状態で、ゲートに定電圧を印加する構成となっている。
特開２０００−３０７０９６号公報

しかしながら、デバイスのドレイン電圧−ドレイン電流特性を評価する場合、従来の測定装置を用いた評価方法では、図６の従来のパラメータを用いて行ったシミュレーション結果を例示する特性図に示すように、特定のドレイン電圧以上になると、ドレイン電流がシミュレーション結果に比べて低く測定されるという現象が起こる。これは、高い電圧及び電流を長時間印加することにより、デバイス自身の発熱（自己発熱）でパワーＭＯＳトランジスタの電気的特性が変化するからであり、そのために、高電圧，高電流領域では、自己発熱特性を正確に反映したパワーＭＯＳトランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを精度良く抽出することができなくなるという問題点があった。

この問題を解決するためには、高い電圧及び電流を長時間印加することを避けるために、モジュラＤＣソース／モニタ・ユニット２より印加する電圧をパルス状にして印加時間を抑制することが効果的であるが、モジュラＤＣソース／モニタ・ユニット２の性能の制限により、一定以上の高周波数のパルスを印加することができないと言う問題点があった。

なお、ドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が低下し始めるドレイン電圧をＶＤＡ、その時のドレイン電流をＩＤＡとよび、これらは、特定の条件下で一定となる。
本発明は上記従来の問題を解決するものであり、パワーＭＯＳトランジスタの自己発熱特性を正確に反映した評価方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明における請求項１記載のパワーＭＯＳトランジスタの評価方法は、パワーＭＯＳトランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出するパワーＭＯＳトランジスタの評価方法であって、通常のドレイン電流のドレイン電圧依存特性を測定する工程と、ドレイン電圧の上昇に伴うドレイン電流の減少があるかどうかを判定する工程と、ドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が減少するドレイン電圧ＶＤＡを求める工程と、ドレイン電圧≧ＶＤＡの領域で自己発熱を抑制したドレイン電流のドレイン電圧依存特性を測定する工程と、ドレイン電圧の上昇に伴うドレイン電流の減少がない場合およびドレイン電圧＜ＶＤＡの領域では前記通常のドレイン電流のドレイン電圧依存特性を用い、ドレイン電圧≧ＶＤＡの領域では前記自己発熱を抑制したドレイン電流のドレイン電圧依存特性を用いてパワーＭＯＳトランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出する工程とを有することを特徴とする。

請求項２記載のパワーＭＯＳトランジスタの評価方法は、請求項１記載のパワーＭＯＳトランジスタの評価方法において、ドレイン電圧印加パルスのリーディングエッジでトリガして、ドレインへの印加パルス幅より短いパルスをゲートへ印加して、自己発熱を抑制したドレイン電流のドレイン電圧依存特性を測定することを特徴とする。

請求項３記載のパワーＭＯＳトランジスタの評価方法は、請求項２記載のパワーＭＯＳトランジスタの評価方法において、前記ゲートに印加するパルス幅は１０μｓｅｃ以下であることを特徴とする。

請求項４記載のモデル抽出プログラムは、パワーＭＯＳトランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出するモデル抽出プログラムであって、通常のドレイン電流のドレイン電圧依存特性を測定するステップと、ドレイン電圧の上昇に伴うドレイン電流の減少があるかどうかを判定するステップと、ドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が減少するドレイン電圧ＶＤＡを求めるステップと、ドレイン電圧≧ＶＤＡの領域で自己発熱を抑制したドレイン電流のドレイン電圧依存特性を測定するステップと、ドレイン電圧の上昇に伴うドレイン電流の減少がない場合およびドレイン電圧＜ＶＤＡの領域では前記通常のドレイン電流のドレイン電圧依存特性を用い、ドレイン電圧≧ＶＤＡの領域では前記自己発熱を抑制したドレイン電流のドレイン電圧依存特性を用いてパワーＭＯＳトランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出するステップとを有することを特徴とする。

請求項５記載の回路シミュレーション方法は、請求項１または請求項２または請求項３記載のパワーＭＯＳトランジスタの評価方法で抽出したモデルパラメータを用いて、回路シミュレーションを行うことを特徴とする。

本構成により、デバイスの自己発熱特性を抑制したドレイン電圧−ドレイン電流特性を精度良く評価することができ、自己発熱特性を正確に反映したパワートランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出し、高信頼性および高精度の回路シミュレーションを実現することができる。

以上のように、ドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が低下し始める場合に、ドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が低下し始めるドレイン電圧ＶＤＡを測定し、ドレイン電圧＜（≦）ＶＤＡ領域ではＩｄ−Ｖｄ特性データを、ドレイン電圧≧（＞）ＶＤＡ領域ではパワーＭＯＳトランジスタの自己発熱を抑制して測定したＩｄ−Ｖｄ特性データを用いて自己発熱特性を正確に反映したパワートランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出することにより、パワーＭＯＳトランジスタの自己発熱特性を正確に反映した評価方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明のパワーＭＯＳトランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出する方法を説明するフロー図、図２は本発明のパワーＭＯＳトランジスタの評価構成図である。

まず、図１において、Ｓ１０１でモジュラＤＣソース／モニタ・ユニットを用いてドレイン電流のドレイン電圧依存性（以下、Ｉｄ−Ｖｄ特性とする）とゲート電圧依存性（以下、Ｉｄ−Ｖｇ特性とする）を測定する。次に、Ｓ１０２でドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が低下し始めるかどうかを判定し、該当する場合にはＳ１０３でドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が低下し始めるドレイン電圧ＶＤＡを求める。

ここで、図２に示す構成にて評価を行うわけであるが、図２の１は評価するパワーＭＯＳトランジスタ、２はモジュラＤＣソース／モニタ・ユニット、３はパルスジェネレータである。モジュラＤＣソース／モニタ・ユニット２から印加する電圧をパルス状にしてパワーＭＯＳトランジスタ１に印加しているが、モジュラＤＣソース／モニタ・ユニット２の性能に限界があるため、一定以上周波数を高くすることができない。そのために、さらに、パワーＭＯＳトランジスタ１のゲートにパルスジェネレータ３からパルスを印加し、パワーＭＯＳトランジスタ１のスイッチング時間を抑制することにより、パワーＭＯＳトランジスタ１の自己発熱を抑制する構成としている。

次に、図１のＳ１０４にて図２に示す構成で、モジュラＤＣソース／モニタ・ユニットとパルスジェネレータを組み合わせて、ドレイン電圧印加パルスのリーディングエッジでトリガして、前記ドレインへの印加パルス幅より短いパルス（例えばドレイン電圧の印加パルス幅１００μｓｅｃに対してゲート電圧の印加パルス幅１０μｓｅｃ以下）をゲートへ印加して、ゲートへの印加時間を短くすることにより、パワーＭＯＳトランジスタの自己発熱を抑制し、パワーＭＯＳトランジスタの電気的特性が変化しない状態で、ドレイン電圧≧ＶＤＡの領域のＩｄ−Ｖｄ特性を測定する。次に、Ｓ１０５にてＳ１０１で測定したＩｄ−Ｖｄ特性データのドレイン電圧＜（≦）ＶＤＡ部データとＳ１０４で測定したＩｄ−Ｖｄ特性データのドレイン電圧≧（＞）ＶＤＡ部データとを合成し、ドレイン電圧ＶＤＡを境界としたＩｄ−Ｖｄ特性測定合成データを作成する。

そして、Ｓ１０６にて、Ｓ１０２での判定がｙｅｓの場合（即ちＩｄ−Ｖｄ特性においてドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が減少する領域がある場合）にはＳ１０５で作成したＩｄ−Ｖｄ特性測定合成データを、Ｓ１０２での判定がｎｏの場合（即ちＩｄ−Ｖｄ特性においてドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が減少しない場合）にはＳ１０１で測定したＩｄ−Ｖｄ特性データを、Ｓ１０１で測定したＩｄ−Ｖｇ特性測定データとともに用いて、パラメータデータを抽出し、更に、Ｓ１０７にてＳ１０６で抽出したパラメータデータを用いて回路シミュレーション用モデルパラメータを作成する。

図３は本発明により抽出したパラメータを用いて行ったシミュレーション結果を例示する特性図であり、Ｓ１０５で作成したドレイン電圧ＶＤＡを境界とした測定合成データと、前記データをもとにＳ１０６で抽出したパラメータデータを用いてＳ１０７にて作成した回路シミュレーション用モデルパラメータでのシミュレーション結果の一例を示す特性図である。図からわかるように、測定データとシミュレーション結果が全てのドレイン電圧でほぼ一致している。

以上のように本発明によれば、ドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が低下し始める場合に、ドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が低下し始めるドレイン電圧ＶＤＡを測定し、ドレイン電圧＜（≦）ＶＤＡ領域ではＩｄ−Ｖｄ特性データを、ドレイン電圧≧（＞）ＶＤＡ領域ではパワーＭＯＳトランジスタの自己発熱を抑制して測定したＩｄ−Ｖｄ特性データを用いて自己発熱特性を正確に反映したパワートランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出することができるため、高信頼性および高精度の回路シミュレーションを実現して、パワーＭＯＳトランジスタの自己発熱特性を正確に反映した評価方法を提供することができる。

なお、本実施の形態においてはＮチャネルパワーＭＯＳトランジスタを例に示したが、これはＰチャネルパワーＭＯＳトランジスタとしても良い。更に、図２で示す構成による測定を、ドレイン電圧≧ＶＤＡの領域としているが、ドレイン電圧＜ＶＤＡの領域でも、ドレイン電圧印加パルスのリーディングエッジでトリガがかけられる範囲であれば図２で示す構成による測定を行っても良い。

また、プログラムを用いて上記方法を実現させることもできる。
さらに、以上の方法を用いて抽出したモデルパラメータを用いて回路シミュレーションを行うことができることは言うまでもない。

以上のように本発明は、半導体集積回路のシミュレーション用モデルパラメータを抽出するパワーＭＯＳトランジスタの評価方法等に有用である。

本発明のパワーＭＯＳトランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出する方法を説明するフロー図 本発明のパワーＭＯＳトランジスタの評価構成図 本発明により抽出したパラメータを用いて行ったシミュレーション結果を例示する特性図 従来のパワーＭＯＳトランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出する方法を説明するフロー図 従来のパワーＭＯＳトランジスタの評価構成図 従来のパラメータを用いて行ったシミュレーション結果を例示する特性図

符号の説明

１ パワーＭＯＳトランジスタ
２ モジュラＤＣソース／モニタ・ユニット
３ パルスジェネレータ

Claims (5)

1. パワーＭＯＳトランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出するパワーＭＯＳトランジスタの評価方法であって、
   通常のドレイン電流のドレイン電圧依存特性を測定する工程と、
   ドレイン電圧の上昇に伴うドレイン電流の減少があるかどうかを判定する工程と、
   ドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が減少するドレイン電圧ＶＤＡを求める工程と、
   ドレイン電圧≧ＶＤＡの領域で自己発熱を抑制したドレイン電流のドレイン電圧依存特性を測定する工程と、
   ドレイン電圧の上昇に伴うドレイン電流の減少がない場合およびドレイン電圧＜ＶＤＡの領域では前記通常のドレイン電流のドレイン電圧依存特性を用い、ドレイン電圧≧ＶＤＡの領域では前記自己発熱を抑制したドレイン電流のドレイン電圧依存特性を用いてパワーＭＯＳトランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出する工程と
   を有することを特徴とするパワーＭＯＳトランジスタの評価方法。
2. ドレイン電圧印加パルスのリーディングエッジでトリガして、ドレインへの印加パルス幅より短いパルスをゲートへ印加して、自己発熱を抑制したドレイン電流のドレイン電圧依存特性を測定することを特徴とする請求項１記載のパワーＭＯＳトランジスタの評価方法。
3. 前記ゲートに印加するパルス幅は１０μｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項２記載のパワーＭＯＳトランジスタの評価方法。
4. パワーＭＯＳトランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出するモデル抽出プログラムであって、
   通常のドレイン電流のドレイン電圧依存特性を測定するステップと、
   ドレイン電圧の上昇に伴うドレイン電流の減少があるかどうかを判定するステップと、
   ドレイン電圧の上昇に伴いドレイン電流が減少するドレイン電圧ＶＤＡを求めるステップと、
   ドレイン電圧≧ＶＤＡの領域で自己発熱を抑制したドレイン電流のドレイン電圧依存特性を測定するステップと、
   ドレイン電圧の上昇に伴うドレイン電流の減少がない場合およびドレイン電圧＜ＶＤＡの領域では前記通常のドレイン電流のドレイン電圧依存特性を用い、ドレイン電圧≧ＶＤＡの領域では前記自己発熱を抑制したドレイン電流のドレイン電圧依存特性を用いてパワーＭＯＳトランジスタの回路シミュレーション用モデルパラメータを抽出するステップと
   を有することを特徴とするモデル抽出プログラム。
5. 請求項１または請求項２または請求項３記載のパワーＭＯＳトランジスタの評価方法で抽出したモデルパラメータを用いて、回路シミュレーションを行うことを特徴とする回路シミュレーション方法。

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