JP2013004628A - Method for designing semiconductor integrated circuit - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately predict characteristic variation due to transistor deterioration caused by analog circuit operation.SOLUTION: After transistors included in a semiconductor integrated circuit are extracted, stress bias conditions to be applied to the transistors are classified on the basis of levels of electric field strength applied to gate insulating films of the extracted transistors. Next, deteriorated characteristics of the transistors are determined in accordance with classification of the stress bias conditions. Thereafter, circuit simulation of the semiconductor integrated circuit is performed using the deteriorated transistor characteristics.

Description

本発明は、半導体集積回路の設計方法、特に、アナログ回路の構成要素であるトランジスタの劣化による特性変動を考慮した半導体集積回路の設計方法に関するものである。   The present invention relates to a method for designing a semiconductor integrated circuit, and more particularly to a method for designing a semiconductor integrated circuit in consideration of characteristic variation due to deterioration of a transistor that is a component of an analog circuit.

半導体集積回路の高集積化及び高密度化に伴い、集積回路を構成する素子パターンの微細化は著しい進展を見せてきた。このような状況下で、回路構成素子であるトランジスタの劣化による特性の経時変動が信頼性上の大きな問題となってきた。   Along with higher integration and higher density of semiconductor integrated circuits, miniaturization of element patterns constituting the integrated circuit has made remarkable progress. Under such circumstances, a change in characteristics over time due to deterioration of a transistor which is a circuit constituent element has become a serious problem in reliability.

トランジスタ劣化により、例えば、しきい値電圧(絶対値)は回路動作時間の増大に従って増大する一方、ドレイン電流(絶対値)は回路動作時間の増大に従って減少する。その結果、回路の遅延時間は動作時間の増大に従って増大するので、半導体集積回路内又は外部との間での入出力信号に動作タイミングエラーが生じ、さらには、半導体集積回路が組み込まれているシステム全体に誤動作が生じてしまう。   Due to transistor deterioration, for example, the threshold voltage (absolute value) increases as the circuit operation time increases, while the drain current (absolute value) decreases as the circuit operation time increases. As a result, the delay time of the circuit increases as the operation time increases, so that an operation timing error occurs in an input / output signal within or outside the semiconductor integrated circuit, and further, a system in which the semiconductor integrated circuit is incorporated A malfunction occurs in the whole.

そこで、半導体集積回路の設計においては、トランジスタ劣化による特性変動が生じても、回路の入出力信号の動作速度やタイミングに問題が起こらないように、設計マージンを確保する必要がある。   Therefore, in designing a semiconductor integrated circuit, it is necessary to secure a design margin so that a problem does not occur in the operation speed and timing of the input / output signals of the circuit even if the characteristics change due to transistor deterioration.

しかしながら、最近の半導体集積回路の素子パターンの微細化に伴い、トランジスタ劣化による特性変動は生じやすくなってきていると共に、設計マージンについては減少を強いられている。従って、トランジスタ劣化による特性変動の予測を組み込んだ回路設計技術が非常に重要になってきた。   However, with the recent miniaturization of element patterns of semiconductor integrated circuits, characteristic fluctuations due to transistor deterioration are likely to occur, and the design margin is forced to decrease. Therefore, circuit design technology incorporating prediction of characteristic fluctuation due to transistor deterioration has become very important.

従来、トランジスタ劣化による特性変動を組み込んだ半導体集積回路の設計方法は、主にロジック回路動作を想定していた。ロジック回路動作では、トランジスタの動作バイアス電圧は一義的に決まり、当該動作バイアス電圧に応じて、トランジスタ劣化は、例えばNBTI(Negative Bias Temperature Instability )劣化及びHC(Hot Carrier )劣化(例えばChannel Hot Carrier 劣化、Isubmax 劣化(最大基板電流となるストレス条件でのトランジスタ劣化)等に類別される。このようなロジック回路動作を想定したトランジスタ劣化による特性変動については、従来、多くの研究がなされており、様々なモデルも提案されている。   Conventionally, a method for designing a semiconductor integrated circuit incorporating a characteristic variation due to transistor degradation has mainly assumed a logic circuit operation. In the logic circuit operation, the operation bias voltage of the transistor is uniquely determined, and depending on the operation bias voltage, the transistor deterioration includes, for example, NBTI (Negative Bias Temperature Instability) deterioration and HC (Hot Carrier) deterioration (for example, Channel Hot Carrier deterioration). , Isubmax degradation (transistor degradation under stress conditions that result in maximum substrate current), etc. Many studies have been conducted on the characteristic fluctuation due to transistor degradation assuming such logic circuit operation. Models have also been proposed.

例えば特許文献1には、トランジスタ劣化の1つであるPMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor )トランジスタでのNBTI劣化による特性変動を予測に組み込んだ回路設計方法として、トランジスタのAC(交流)動作におけるパルス休止中のゲート電圧非印加時に発生するNBTI回復現象を考慮に入れて、トランジスタ特性変動のシミュレーションを行う方法が提案されている。   For example, Patent Document 1 discloses a pulse in AC (alternating current) operation of a transistor as a circuit design method that incorporates characteristic variation due to NBTI degradation in a PMOS (P-channel Metal Oxide Semiconductor) transistor, which is one of transistor degradation. A method for simulating transistor characteristic fluctuations has been proposed taking into account the NBTI recovery phenomenon that occurs when the gate voltage is not applied during the pause.

特開2004−200461号公報JP 2004-200461 A

しかしながら、アナログ回路に使用されるトランジスタでは、ロジック回路とは異なり、動作バイアス電圧は一義的に決まらない。ロジック回路のトランジスタが主に飽和領域で動作するのに対して、アナログ回路のトランジスタは線形領域で動作する。そのため、アナログ回路で動作するトランジスタには中間的なバイアスが印加されるので、ゲート、ソース、ドレイン及び基板の各端子の電位が互いに異なる状態で動作するモードが支配的になる。また、アナログ回路には多種多様なサイズのトランジスタが組み込まれていると共に、アナログ回路動作は、トランジスタの線形領域特性やノイズ等の影響を受け易い。   However, in a transistor used for an analog circuit, unlike a logic circuit, an operation bias voltage is not uniquely determined. While logic circuit transistors operate primarily in the saturation region, analog circuit transistors operate in the linear region. For this reason, an intermediate bias is applied to a transistor that operates in an analog circuit, so that a mode in which the potentials of the gate, source, drain, and substrate terminals are different from each other is dominant. In addition, transistors of various sizes are incorporated in the analog circuit, and the operation of the analog circuit is easily affected by the linear region characteristics of the transistor and noise.

このようなアナログ回路に使用されるトランジスタにおいては、ロジック回路での一義的なバイアス電圧を想定した従来の劣化モデルを用いた特性変動の予測方法を単純に適用することはできない。例えば特許文献1に開示された方法を使用したとしても、アナログ回路に使用されるトランジスタの劣化による特性変動を正確に予測することは困難である。トランジスタの劣化による特性変動を正確に予測できないと、トランジスタ劣化による特性変動に対して、回路動作を保証する設計マージンを適正に確保できなくなる危険性がある。   In a transistor used in such an analog circuit, it is not possible to simply apply a characteristic variation prediction method using a conventional degradation model assuming a unique bias voltage in a logic circuit. For example, even if the method disclosed in Patent Document 1 is used, it is difficult to accurately predict characteristic fluctuation due to deterioration of a transistor used in an analog circuit. If characteristic variation due to transistor degradation cannot be accurately predicted, there is a risk that a design margin that guarantees circuit operation cannot be properly secured against characteristic variation due to transistor degradation.

具体的には、トランジスタ劣化による特性変動を過大に評価してしまった場合、必要以上に大きい設計マージンを確保しようとして、トランジスタ寸法の増大、さらには、チップ面積の増大を引き起こしてしまう。一方、トランジスタ劣化による特性変動を過小に評価してしまった場合、本来必要とされるマージンよりも小さい設計マージンで回路設計を行ってしまい、半導体集積回路装置の寿命の短縮又は歩留まりの低下を引き起こしてしまう。   Specifically, if the characteristic variation due to transistor deterioration is overestimated, an attempt to secure a design margin that is larger than necessary will cause an increase in transistor dimensions and an increase in chip area. On the other hand, if the characteristic variation due to transistor deterioration is underestimated, circuit design is performed with a design margin smaller than the originally required margin, which shortens the life of the semiconductor integrated circuit device or decreases the yield. End up.

前記に鑑み、本発明は、アナログ回路動作で発生するトランジスタ劣化による特性変動を正確に予測できる半導体集積回路の設計方法を提供することを目的とする。   In view of the above, an object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit design method capable of accurately predicting a characteristic variation due to transistor degradation that occurs in an analog circuit operation.

前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体集積回路の設計方法は、半導体集積回路に含まれるトランジスタを抽出するステップ(a)と、前記ステップ(a)で抽出されたトランジスタのゲート絶縁膜に印加される電界強度の大きさに基づいて、当該トランジスタに適用するストレスバイアス条件を分類するステップ(b)と、前記ステップ(b)での前記ストレスバイアス条件の分類に応じて、前記トランジスタの劣化後の特性を求めるステップ(c)と、前記ステップ(c)で求めた劣化後のトランジスタ特性を用いて、前記半導体集積回路の回路シミュレーションを行うステップ(d)とを備えている。   In order to achieve the above object, a method for designing a semiconductor integrated circuit according to the present invention includes a step (a) of extracting a transistor included in the semiconductor integrated circuit, and a gate insulation of the transistor extracted in the step (a). (B) classifying stress bias conditions to be applied to the transistor based on the magnitude of the electric field strength applied to the film, and depending on the classification of the stress bias conditions in the step (b) The step (c) for obtaining the characteristics after degradation of the semiconductor integrated circuit and the step (d) for performing a circuit simulation of the semiconductor integrated circuit using the transistor characteristics after degradation obtained in the step (c) are provided.

本発明に係る半導体集積回路の設計方法において、前記ステップ(b)において、前記ゲート絶縁膜に印加される電界強度の大きさの指標として、第1の電界強度領域、前記第1の電界強度領域よりも小さい第2の電界強度領域、及び前記第2の電界強度領域よりも小さい第3の電界強度領域を設定し、当該各電界強度領域毎に前記ストレスバイアス条件を分類してもよい。   In the method of designing a semiconductor integrated circuit according to the present invention, in the step (b), the first electric field strength region and the first electric field strength region are used as an index of the electric field strength applied to the gate insulating film. A second electric field strength region smaller than the second electric field strength region and a third electric field strength region smaller than the second electric field strength region may be set, and the stress bias conditions may be classified for each electric field strength region.

本発明に係る半導体集積回路の設計方法において、前記ステップ(c)において、前記トランジスタの特性劣化の実測データを用いて、前記劣化後のトランジスタ特性を求めてもよい。   In the method of designing a semiconductor integrated circuit according to the present invention, in the step (c), the transistor characteristics after the deterioration may be obtained using measured data of the transistor characteristics deterioration.

本発明に係る半導体集積回路の設計方法において、前記ステップ(c)において、前記トランジスタの特性劣化のモデル式を用いて、前記劣化後のトランジスタ特性を求めてもよい。ここで、前記モデル式は、前記トランジスタに前記ストレスバイアス条件の適用を開始してからの累積時間の関数であってもよい。   In the method of designing a semiconductor integrated circuit according to the present invention, in the step (c), the transistor characteristics after the deterioration may be obtained using a model expression for the transistor characteristics deterioration. Here, the model formula may be a function of an accumulated time after the application of the stress bias condition to the transistor is started.

本発明に係る半導体集積回路の設計方法において、前記ステップ(c)において、前記劣化後のトランジスタ特性として、前記トランジスタのしきい値電圧を求めてもよい。   In the method for designing a semiconductor integrated circuit according to the present invention, in the step (c), a threshold voltage of the transistor may be obtained as the transistor characteristics after the deterioration.

本発明に係る半導体集積回路の設計方法において、前記ステップ(c)において、前記劣化後のトランジスタ特性として、前記トランジスタに流れる電流値を求めてもよい。   In the method of designing a semiconductor integrated circuit according to the present invention, in the step (c), a value of a current flowing through the transistor may be obtained as the transistor characteristics after the deterioration.

本発明によれば、アナログ回路に含まれるトランジスタのゲート絶縁膜に印加される電界強度の大きさに基づいて、当該トランジスタに適用するストレスバイアス条件を分類し、当該ストレスバイアス条件の分類に応じて、劣化後のトランジスタ特性を求めることが可能となる。このため、従来の一義的なバイアス電圧を想定したトランジスタ劣化による特性変動の予測を行う場合と比べて、劣化後のトランジスタ特性を正確に予測できるので、回路動作を保証する設計マージンを適正に確保することができる。従って、トランジスタ寸法の増大、つまりはチップ面積の増大を防止することができると共に、半導体集積回路装置の信頼性を向上させることができる。   According to the present invention, the stress bias condition applied to the transistor is classified based on the magnitude of the electric field strength applied to the gate insulating film of the transistor included in the analog circuit, and according to the classification of the stress bias condition. Thus, it is possible to obtain the transistor characteristics after deterioration. For this reason, compared to the conventional case of predicting characteristic fluctuations due to transistor degradation assuming a unique bias voltage, the transistor characteristics after degradation can be predicted more accurately, ensuring a design margin that guarantees circuit operation. can do. Therefore, an increase in transistor size, that is, an increase in chip area can be prevented, and the reliability of the semiconductor integrated circuit device can be improved.

図1は、一実施形態に係る半導体集積回路の設計方法のフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart of a method for designing a semiconductor integrated circuit according to an embodiment. 図2は、一実施形態に係る半導体集積回路の設計方法において、アナログ回路内のトランジスタに適用されるストレスバイアス条件をゲート絶縁膜電界強度の大きさに基づいて分類した様子の一例を模式的に示す図である。FIG. 2 schematically shows an example of how the stress bias conditions applied to the transistors in the analog circuit are classified based on the magnitude of the electric field strength of the gate insulating film in the semiconductor integrated circuit design method according to the embodiment. FIG. 図3は、一実施形態に係る半導体集積回路の設計方法において考慮した、中間電界領域のストレスバイアス条件でのトランジスタ特性変動を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating transistor characteristic variation under a stress bias condition in an intermediate electric field region, which is considered in the method for designing a semiconductor integrated circuit according to the embodiment. 図4(a)は、一実施形態に係る半導体集積回路の設計方法の適用対象となる、PMOSトランジスタを用いた差動対回路の等価回路図であり、図4(b)は、図4(a)に示すトランジスタM1及びM2の入力電圧とトランジスタM1及びM2に流れる電流との関係を示す図であり、図4(c)は、トランジスタM1及びM2の入力電圧と図4(a)に示す点Pでの電圧Vpとの関係を示す図であり、図4(d)は、トランジスタM1及びM2の入力電圧と図4(a)に示す差動対回路の出力電圧との関係を示す図である。FIG. 4A is an equivalent circuit diagram of a differential pair circuit using a PMOS transistor, to which the method for designing a semiconductor integrated circuit according to one embodiment is applied, and FIG. FIG. 4C is a diagram showing the relationship between the input voltage of the transistors M1 and M2 shown in a) and the current flowing in the transistors M1 and M2, and FIG. 4C shows the input voltage of the transistors M1 and M2 and FIG. FIG. 4D is a diagram showing the relationship between the voltage Vp at the point P, and FIG. 4D is a diagram showing the relationship between the input voltages of the transistors M1 and M2 and the output voltage of the differential pair circuit shown in FIG. It is. 図5は、比較例に係る半導体集積回路の設計方法のフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart of a method for designing a semiconductor integrated circuit according to a comparative example. 図6は、比較例に係る半導体集積回路の設計方法において考慮した、ロジック回路動作でトランジスタに印加されるストレスバイアス電圧とトランジスタ劣化との関係を模式的に示す図である。FIG. 6 is a diagram schematically illustrating the relationship between the stress bias voltage applied to the transistor in the logic circuit operation and the transistor degradation, which is taken into consideration in the method for designing a semiconductor integrated circuit according to the comparative example. 図7は、比較例に係る半導体集積回路の設計方法において考慮した、ロジック回路のDC(直流)動作におけるトランジスタ劣化の一例であるNBTI劣化による特性変動を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a characteristic variation due to NBTI degradation, which is an example of transistor degradation in a DC (direct current) operation of a logic circuit, which is taken into consideration in the method for designing a semiconductor integrated circuit according to the comparative example. 図8は、一実施形態に係る半導体集積回路の設計方法の実施に用いられるコンピュータシステムの一例の概略構成を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of an example of a computer system used for carrying out a method for designing a semiconductor integrated circuit according to an embodiment.

以下、本発明の一実施形態に係る半導体集積回路の設計方法について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a method for designing a semiconductor integrated circuit according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本実施形態に係る半導体集積回路の設計方法のフローチャートを示している。また、図8は、本実施形態に係る半導体集積回路の設計方法の実施に用いられるコンピュータシステムの一例の概略構成を示している。ここで、図8に示すコンピュータシステムは、例えば回路シミュレーション等の演算や制御を行う中央演算処理装置(CPU)1と、各種シミュレーションモデル及び当該モデルに必要なデータ等を格納したメモリ2と、シミュレーションに必要な条件等のデータを入力する入力部3と、シミュレーションの結果等を出力する出力部4と、CPU1、メモリ2、入力部3及び出力部4を相互に接続するバス5とを含む。   FIG. 1 shows a flowchart of a method for designing a semiconductor integrated circuit according to the present embodiment. FIG. 8 shows a schematic configuration of an example of a computer system used for carrying out the semiconductor integrated circuit design method according to the present embodiment. Here, the computer system shown in FIG. 8 includes, for example, a central processing unit (CPU) 1 that performs calculation and control such as circuit simulation, a memory 2 that stores various simulation models and data necessary for the model, and a simulation. 2 includes an input unit 3 for inputting data such as necessary conditions, an output unit 4 for outputting simulation results, and a bus 5 for connecting the CPU 1, the memory 2, the input unit 3 and the output unit 4 to each other.

まず、ステップS11において、半導体集積回路(以下、対象回路という)の設計を行うと共に対象回路のネットリストを生成し、当該ネットリストを入力部3に入力する。また、対象回路の入出力信号に基づいて対象回路の使用条件を設定し、当該使用条件を入力部3に入力する。   First, in step S11, a semiconductor integrated circuit (hereinafter referred to as a target circuit) is designed, a net list of the target circuit is generated, and the net list is input to the input unit 3. Further, the use conditions of the target circuit are set based on the input / output signals of the target circuit, and the use conditions are input to the input unit 3.

続いて、ステップS12において、半導体集積回路内に組み込まれるトランジスタの検索及び抽出を行う。具体的には、ステップS11で入力したネットリストからトランジスタを検索して抽出する。   Subsequently, in step S12, a transistor incorporated in the semiconductor integrated circuit is searched and extracted. Specifically, the transistor is searched and extracted from the net list input in step S11.

次に、ステップS13において、ステップS11で入力した回路使用条件に基づいて、各トランジスタのストレスバイアス条件を抽出する。具体的には、回路使用条件に基づいて、例えばSPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis )シミュレーションを行って、各トランジスタに適用されるストレスバイアス条件を求める。   Next, in step S13, the stress bias condition of each transistor is extracted based on the circuit use condition input in step S11. Specifically, for example, a SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) simulation is performed based on the circuit use conditions to obtain the stress bias condition applied to each transistor.

次に、ステップS14において、トランジスタ劣化による特性変動が無い状態で、対象回路の回路シミュレーションを実施する。   Next, in step S14, a circuit simulation of the target circuit is performed in a state where there is no characteristic variation due to transistor deterioration.

ここで、ステップS14とは並列に、ステップS15において、各トランジスタのゲート絶縁膜に印加される電界強度の大きさ(以下、ゲート絶縁膜電界強度という)に基づいて、各トランジスタに適用されるストレスバイアス条件を分類する。ここで、電界強度の大きさについては、例えばTCAD(Technology Computer Aided Design)シミュレーション技術を用いて算出してもよい。   Here, in parallel with step S14, the stress applied to each transistor in step S15 based on the magnitude of the electric field strength applied to the gate insulating film of each transistor (hereinafter referred to as the gate insulating film electric field strength). Classify bias conditions. Here, the magnitude of the electric field strength may be calculated using, for example, a TCAD (Technology Computer Aided Design) simulation technique.

次に、ステップS16において、ゲート絶縁膜電界強度に基づくストレスバイアス条件の分類に応じて、トランジスタ劣化による特性変動のモデル(以下、特性変動モデルという)を入力部3に入力する。このとき、予めメモリ2に記憶されている複数のモデルの中から、ストレスバイアス条件の分類に応じたモデルを選択してもよい。   Next, in step S <b> 16, a characteristic variation model due to transistor degradation (hereinafter referred to as a characteristic variation model) is input to the input unit 3 in accordance with the classification of the stress bias condition based on the gate insulating film electric field strength. At this time, a model corresponding to the classification of the stress bias condition may be selected from a plurality of models stored in the memory 2 in advance.

次に、ステップS17において、ステップS14での回路シミュレーション結果(トランジスタ劣化による特性変動が無い状態での回路シミュレーションの結果)、及び、ステップS16で選択した特性変動モデルを用いて、各トランジスタの特性劣化シミュレーションを行う。ここで、トランジスタの特性を示すパラメータとして、例えば、トランジスタのしきい値電圧、又はトランジスタに流れる電流値等を用いることができる。   Next, in step S17, using the circuit simulation result in step S14 (result of circuit simulation in the absence of characteristic variation due to transistor degradation) and the characteristic variation model selected in step S16, the characteristic degradation of each transistor. Perform a simulation. Here, as a parameter indicating the characteristics of the transistor, for example, a threshold voltage of the transistor, a current value flowing through the transistor, or the like can be used.

次に、ステップS18において、ステップS17で求めた劣化後のトランジスタ特性を用いて、対象回路(トランジスタ劣化による特性変動後の対象回路)の回路シミュレーションを実施する。   Next, in step S18, circuit simulation of the target circuit (target circuit after characteristic change due to transistor deterioration) is performed using the transistor characteristics after deterioration obtained in step S17.

次に、ステップS19において、初期のトランジスタ特性及び劣化後のトランジスタ特性のそれぞれについて、回路動作マージンが確保できているかどうかを判定し、判定がOKであれば、対象回路は問題無しとして回路設計を終了する。一方、ステップS19での判定がNGであれば、回路設計をやり直す。   Next, in step S19, it is determined whether a circuit operation margin can be secured for each of the initial transistor characteristics and the deteriorated transistor characteristics. If the determination is OK, the target circuit is designed as having no problem. finish. On the other hand, if the determination in step S19 is NG, the circuit design is performed again.

回路設計をやり直す場合、ステップS20において、信頼性設計余裕度(設計マージン)の修正が可能かどうかを判断し、当該修正が可能であれば、修正後の信頼性設計余裕度に基づいて、初期のトランジスタ特性及び劣化後のトランジスタ特性のそれぞれ(つまりステップS14、S17、S18のシミュレーション結果)について、ステップS19の回路動作判定をやり直す。一方、ステップS20で信頼性設計余裕度の修正が不可能であると判断された場合には、ステップS21において、回路構成及びトランジスタ寸法等の見直しを行い、その後、ステップS11から再度回路設計をやり直す。   When redoing the circuit design, it is determined in step S20 whether or not the reliability design margin (design margin) can be corrected. If the correction is possible, the initial design is performed based on the reliability design margin after the correction. The circuit operation determination in step S19 is performed again for each of the transistor characteristics and the transistor characteristics after deterioration (that is, the simulation results of steps S14, S17, and S18). On the other hand, if it is determined in step S20 that the reliability design margin cannot be corrected, in step S21, the circuit configuration, transistor dimensions, etc. are reviewed, and then the circuit design is restarted from step S11. .

尚、本実施形態においては、ステップS16で、ゲート絶縁膜電界強度に基づくストレスバイアス条件の分類に応じて、トランジスタ劣化による特性変動のモデル(特性変動モデル)を選択し、選択した特性変動モデルを用いて、各トランジスタの特性劣化シミュレーションを行って劣化後のトランジスタ特性を求めた。しかし、これに代えて、ゲート絶縁膜電界強度に基づくストレスバイアス条件の分類に応じて、予め、トランジスタの特性劣化の実測データを求めておき、当該実測データを用いて劣化後のトランジスタ特性を求めてもよい。   In this embodiment, in step S16, a characteristic variation model (characteristic variation model) due to transistor degradation is selected according to the classification of the stress bias condition based on the electric field strength of the gate insulating film, and the selected characteristic variation model is selected. Thus, the characteristic deterioration simulation of each transistor was performed to determine the transistor characteristics after deterioration. However, instead of this, in accordance with the classification of the stress bias condition based on the electric field strength of the gate insulating film, actual measurement data of transistor characteristic degradation is obtained in advance, and the transistor characteristics after degradation are obtained using the actual measurement data. May be.

以下、前述の図1のフローチャートに示す本実施形態に係る半導体集積回路の設計方法と、図5のフローチャートに示す比較例に係る半導体集積回路の設計方法との相違点について説明する。   The difference between the semiconductor integrated circuit design method according to this embodiment shown in the flowchart of FIG. 1 and the semiconductor integrated circuit design method according to the comparative example shown in the flowchart of FIG. 5 will be described below.

図5に示す比較例のフローチャートにおけるステップS51〜S54、S56〜S61では、図1に示す本実施形態のフローチャートにおけるステップS11〜S14、S16〜S21と同様の処理を行う。   In steps S51 to S54 and S56 to S61 in the flowchart of the comparative example shown in FIG. 5, the same processes as steps S11 to S14 and S16 to S21 in the flowchart of the present embodiment shown in FIG.

すなわち、図1に示す本実施形態のフローチャートと、図5に示す比較例のフローチャートとの相違点は、図5に示す比較例のフローチャートにおいては、図1に示す本実施形態のフローチャートのステップS15、つまり、ゲート絶縁膜電界強度に基づいてストレスバイアス条件を分類する処理が存在しないことである。   That is, the difference between the flowchart of this embodiment shown in FIG. 1 and the flowchart of the comparative example shown in FIG. 5 is that, in the flowchart of the comparative example shown in FIG. 5, step S15 of the flowchart of this embodiment shown in FIG. That is, there is no processing for classifying stress bias conditions based on the electric field strength of the gate insulating film.

具体的には、比較例では、ステップS53で各トランジスタのストレスバイアス条件を抽出した後、ステップS56でトランジスタ劣化による特性変動モデルを入力する際に、当該ストレスバイアス条件の内容に関わらず特性変動モデルを一義的に決める。すなわち、比較例では、ロジック回路動作を想定したトランジスタ劣化による特性変動モデルを入力する。   Specifically, in the comparative example, after extracting the stress bias condition of each transistor in step S53, when inputting the characteristic variation model due to transistor deterioration in step S56, the characteristic variation model is used regardless of the content of the stress bias condition. Determine unambiguously. That is, in the comparative example, a characteristic variation model due to transistor deterioration assuming a logic circuit operation is input.

図6は、ロジック回路動作でトランジスタに印加されるストレスバイアス電圧とトランジスタ劣化との関係を模式的に示している。尚、図6における3つの軸はそれぞれ、ゲート−基板間電圧Vgb、ドレイン−基板間電圧Vdb、ソース−基板間電圧Vsbである。また、図6の各軸における「Vrat」は、最大定格電圧(Rating Voltage)を表している。図6に示すように、ロジック回路動作でのトランジスタ劣化は、トランジスタに印加されるストレスバイアス電圧に応じて、NBTI劣化及びHC劣化(具体的にはChannel Hot Carrier (HC−CHC)劣化及びIsubmax (HC−Isubmax )劣化)に限定される。   FIG. 6 schematically shows the relationship between the stress bias voltage applied to the transistor in the logic circuit operation and the transistor deterioration. The three axes in FIG. 6 are the gate-substrate voltage Vgb, the drain-substrate voltage Vdb, and the source-substrate voltage Vsb, respectively. Further, “Vrat” on each axis in FIG. 6 represents a maximum rated voltage (Rating Voltage). As shown in FIG. 6, the transistor degradation in the logic circuit operation includes NBTI degradation and HC degradation (specifically, Channel Hot Carrier (HC-CHC) degradation and Isubmax (Isubmax)) depending on the stress bias voltage applied to the transistor. HC-Isubmax) degradation).

図7は、ロジック回路のDC(直流)動作におけるトランジスタ劣化による特性変動の例として、NBTI劣化による特性変動を示している。図7に示すように、PMOSトランジスタのNBTI劣化によるしきい値電圧の変動(絶対値(−ΔVth))には、ストレス時間(Time)の指数関数依存性が強く現れている。この依存性は、下記(式1)のようにモデル化することができる。   FIG. 7 shows characteristic variation due to NBTI degradation as an example of characteristic variation due to transistor degradation in the DC (direct current) operation of the logic circuit. As shown in FIG. 7, the dependence of the stress time (Time) on the exponential function strongly appears in the threshold voltage fluctuation (absolute value (−ΔVth)) due to the NBTI degradation of the PMOS transistor. This dependence can be modeled as (Equation 1) below.

ΔVth(t)=C1 ×tn ・・・(式1)
但し、C1 及びnは定数であり、tはストレス時間(トランジスタにストレスバイアス電圧の印加を開始してからの累積時間)である。
ΔVth (t) = C 1 × t n (Equation 1)
Here, C 1 and n are constants, and t is a stress time (accumulated time since the start of applying a stress bias voltage to the transistor).

しかしながら、前述の比較例に係る半導体集積回路の設計方法をアナログ回路設計に適用すると、中間的なゲート絶縁膜電界強度領域(図2の中間電界領域参照)では、トランジスタ劣化による特性変動を過大評価してしまうことになる。このため、過大な劣化量予測に基づいて信頼性を確保することになるので、実際の回路動作に必要とされるよりも過剰な劣化マージンを設定することになり、結果的に、必要以上に大きいトランジスタを配置することになってチップ面積の増大を招いてしまう。   However, if the semiconductor integrated circuit design method according to the comparative example described above is applied to analog circuit design, the characteristic fluctuation due to transistor deterioration is overestimated in the intermediate gate insulating film field strength region (see the intermediate field region in FIG. 2). Will end up. For this reason, reliability is ensured based on an excessive amount of deterioration prediction, so an excessive deterioration margin is set more than necessary for actual circuit operation. A large transistor is arranged to increase the chip area.

それに対して、本実施形態では、ステップS16でトランジスタ劣化による特性変動モデルを入力する前に、予めステップS13で各トランジスタのストレスバイアス条件を抽出した後、ステップS15でゲート絶縁膜電界強度に基づいてストレスバイアス条件を分類する。このとき、ステップS15でストレスバイアス条件を分類する際に、前もってストレスバイアス条件とゲート絶縁膜電界強度との関係を求めておくと効率的である。例えばMOS型トランジスタの場合、ゲート絶縁膜電界強度は、ゲートチャネル下不純物濃度(ゲート電極下側のチャネル領域の不純物濃度)、ゲート酸化膜厚さ、ストレスバイアス条件(ゲート電圧、ソース電圧、ドレイン電圧、基板電圧)等によって決まる。通常のMOS型トランジスタでは、ゲートチャネル下不純物濃度の不均一性等のために、モデル式を用いてゲート絶縁膜電界強度を解析的に求めることは難しいが、例えばTCADシミュレーション技術を用いてゲート絶縁膜電界強度を数値解析的に求めることは可能である。   In contrast, in this embodiment, before inputting the characteristic variation model due to transistor degradation in step S16, the stress bias condition of each transistor is extracted in step S13 in advance, and then in step S15 based on the gate insulating film electric field strength. Classify stress bias conditions. At this time, when classifying the stress bias conditions in step S15, it is efficient to obtain the relationship between the stress bias conditions and the gate insulating film electric field strength in advance. For example, in the case of a MOS type transistor, the gate insulating film electric field strength is the gate channel impurity concentration (impurity concentration of the channel region below the gate electrode), gate oxide film thickness, stress bias conditions (gate voltage, source voltage, drain voltage). , Substrate voltage) and the like. In a normal MOS transistor, it is difficult to analytically determine the gate insulating film electric field strength using a model formula due to non-uniformity of the impurity concentration under the gate channel, but gate insulation using, for example, TCAD simulation technology. It is possible to obtain the film electric field strength numerically.

図2は、アナログ回路内のトランジスタに適用されるストレスバイアス条件をゲート絶縁膜電界強度の大きさに基づいて分類した様子の一例を模式的に示している。尚、図2における3つの軸はそれぞれ、ゲート−基板間電圧Vgb、ドレイン−基板間電圧Vdb、ソース−基板間電圧Vsbである。また、図2の各軸における「Vrat」は、最大定格電圧を表している。各トランジスタに適用されるストレスバイアス条件に応じてゲート絶縁膜電界強度は変化するが、図2に示すように、本実施形態においては、ゲート絶縁膜電界強度の大きさに基づいて、ストレスバイアス条件を、例えば、(1)高電界領域、(2)中間電界領域、及び(3)低電界領域の3つに分類し、当該各分類毎にトランジスタ劣化による特性変動モデルを定義する。尚、ストレスバイアス条件の分類の仕方(つまり各電界領域の範囲)は、プロセス条件、デバイス構造、回路動作時の周辺温度等に応じて変わる。   FIG. 2 schematically shows an example of a state in which the stress bias conditions applied to the transistors in the analog circuit are classified based on the magnitude of the electric field strength of the gate insulating film. The three axes in FIG. 2 are the gate-substrate voltage Vgb, the drain-substrate voltage Vdb, and the source-substrate voltage Vsb, respectively. Further, “Vrat” in each axis in FIG. 2 represents the maximum rated voltage. Although the gate insulating film electric field strength changes depending on the stress bias condition applied to each transistor, as shown in FIG. 2, in this embodiment, the stress bias condition is based on the magnitude of the gate insulating film electric field strength. Are classified into, for example, (1) a high electric field region, (2) an intermediate electric field region, and (3) a low electric field region, and a characteristic variation model due to transistor degradation is defined for each of the classifications. Note that the stress bias condition classification method (that is, the range of each electric field region) varies depending on process conditions, device structure, ambient temperature during circuit operation, and the like.

図2に示す高電界領域のストレスバイアス条件には、ロジック回路動作におけるNBTI劣化が生じる条件(NBTI条件)及びHC−CHC劣化が生じる条件(HC−CHC条件)が含まれている(図6参照)。この高電界領域のストレスバイアス条件でのトランジスタ劣化による特性変動においては、図7及び(式1)に示すストレス時間の指数関数依存性が強く現れる。   The stress bias condition in the high electric field region shown in FIG. 2 includes a condition that causes NBTI degradation (NBTI condition) and a condition that causes HC-CHC degradation (HC-CHC condition) in logic circuit operation (see FIG. 6). ). In the characteristic variation due to transistor deterioration under the stress bias condition in the high electric field region, the exponential function dependence of the stress time shown in FIG. 7 and (Equation 1) appears strongly.

一方、図2に示す低電界領域のストレスバイアス条件では、トランジスタ劣化による特性変動は小さく、無視できるレベルである。   On the other hand, under the stress bias condition in the low electric field region shown in FIG. 2, the characteristic fluctuation due to transistor degradation is small and can be ignored.

また、図2に示す中間電界領域のストレスバイアス条件でのトランジスタ特性変動においては、例えば図3に示すように、特性の劣化と良化とがストレス時間に対して変極して現れる。ここで、図3は、中間電界領域のストレスバイアス条件でのアナログ回路動作で発生するトランジスタ特性変動の一例を示している。   In addition, in the transistor characteristic fluctuation under the stress bias condition in the intermediate electric field region shown in FIG. 2, for example, as shown in FIG. Here, FIG. 3 shows an example of transistor characteristic fluctuation that occurs in an analog circuit operation under a stress bias condition in an intermediate electric field region.

以下、前述の中間電界領域のストレスバイアス条件でのトランジスタ特性変動のメカニズムについて説明する。まず、中間電界領域のストレスバイアス条件が適用された直後のトランジスタにおいては、図3に示すように、通常のNBTI劣化による特性変動が現れる。その後、ストレス時間(Time)の経過に伴い、PMOSトランジスタの場合は電子トラッピングの影響が現れ始めてトランジスタ特性は良化に転じる。この電子トラッピングの発生は、以下に述べるようにゲート電流の影響によるものと考えられている。ゲート電流は、ゲート電極からチャネル領域(基板)へ流れる電子電流成分と、基板側反転層(チャネル領域)からゲート電極へ流れるホール電流成分とからなる。このうち電子電流成分により、ゲート絶縁膜のプロセス工程で予め形成されていたトラップサイトに対して電子トラッピングが発生し、その結果、トランジスタ特性が良化すると考えられている。その後、ストレス時間がさらに経過すると、電子トラッピングは飽和して再びNBTI劣化による特性変動が現れる。   Hereinafter, a mechanism of transistor characteristic variation under the above-described stress bias condition in the intermediate electric field region will be described. First, in the transistor immediately after the stress bias condition in the intermediate electric field region is applied, as shown in FIG. 3, characteristic fluctuation due to normal NBTI degradation appears. Thereafter, with the passage of stress time (Time), in the case of a PMOS transistor, the influence of electron trapping starts to appear, and the transistor characteristics turn to be improved. The occurrence of this electron trapping is considered to be due to the influence of the gate current as described below. The gate current is composed of an electron current component that flows from the gate electrode to the channel region (substrate) and a hole current component that flows from the substrate-side inversion layer (channel region) to the gate electrode. Among these, the electron current component causes electron trapping to occur at a trap site previously formed in the process step of the gate insulating film, and as a result, transistor characteristics are considered to be improved. Thereafter, when the stress time further elapses, the electron trapping is saturated and characteristic fluctuation due to NBTI degradation appears again.

前述の中間電界領域のストレスバイアス条件でのトランジスタ特性変動のメカニズムを考慮して、本実施形態においては、中間電界領域のストレスバイアス条件でのトランジスタのしきい値電圧の変動を下記(式2)のようにモデル化する。   In consideration of the above-described mechanism of variation in transistor characteristics under the stress bias condition in the intermediate electric field region, in this embodiment, the variation in the threshold voltage of the transistor under the stress bias condition in the intermediate electric field region is expressed by the following (Equation 2). Model as follows.

ΔVth(t)=C1 ×tn1(但しt≦t1
2 ×exp(C3 ×(log(t)−log(t1 )))−C20(但しt1 ≦t≦t2
4×tn2−C40(但しt2 ≦t)・・・(式2)
ここで、C1 、n1、C2 、C3 、C20、C4、n2、C40、t1 、t2 は定数であり、tはストレス時間(トランジスタにストレスバイアス条件の適用を開始してからの累積時間)である。
ΔVth (t) = C 1 × t n1 (where t ≦ t 1 )
C 2 × exp (C 3 × (log (t) −log (t 1 ))) − C 20 (where t 1 ≦ t ≦ t 2 )
C 4 × t n2 −C 40 (where t 2 ≦ t) (Formula 2)
Here, C 1 , n 1, C 2 , C 3 , C 20 , C 4 , n 2, C 40 , t 1 , t 2 are constants, and t is a stress time (starting to apply a stress bias condition to the transistor). Accumulated time).

(式2)では、トランジスタ特性変動の支配的劣化要因に応じて、ストレス時間tの範囲を分割している。具体的には、t≦t1 では、(式1)と同様に、NBTI劣化によるトランジスタ特性変動の成分が支配的である。また、t1 ≦t≦t2 では、電子トラッピングによるトランジスタ特性変動の成分が支配的である。さらに、t2 ≦tでは、電子トラッピングの成分は飽和して、再びNBTI劣化によるトランジスタ特性変動の成分が支配的になる。 In (Expression 2), the range of the stress time t is divided according to the dominant deterioration factor of the transistor characteristic fluctuation. Specifically, when t ≦ t 1 , the transistor characteristic fluctuation component due to NBTI degradation is dominant as in (Formula 1). In addition, in t 1 ≦ t ≦ t 2 , the transistor characteristic fluctuation component due to electron trapping is dominant. Further, when t 2 ≦ t, the electron trapping component is saturated, and the transistor characteristic fluctuation component due to NBTI degradation becomes dominant again.

また、(式2)の各定数は、プロセス条件、デバイス構造、回路動作時の周辺温度、ストレスバイアス条件(ゲート絶縁膜電界強度)等で決まる。これらの各定数は、プロセス条件、デバイス構造、周辺温度、ゲート絶縁膜電界強度等の各条件毎に測定したデータに対してフィッティングを行うことによって求めることができる。これにより、電子トラッピングによるトランジスタ特性良化の影響を表すことができるので、中間電界領域でのトランジスタ特性変動を正確に表すことができる。   Each constant of (Equation 2) is determined by process conditions, device structure, ambient temperature during circuit operation, stress bias conditions (gate insulating film electric field strength), and the like. Each of these constants can be obtained by fitting data measured for each condition such as process conditions, device structure, ambient temperature, and gate insulating film electric field strength. As a result, it is possible to express the influence of transistor characteristic improvement due to electron trapping, and thus it is possible to accurately represent transistor characteristic fluctuations in the intermediate electric field region.

以下、図4(a)〜(d)を参照しながら、本実施形態に係る半導体集積回路の設計方法(特に本実施形態の特徴であるゲート絶縁膜電界強度に基づくストレスバイアス条件の分類(図1のステップS15))の一例について、その具体的な手順を説明する。図4(a)は、設計対象であるアナログ回路の一例として、PMOSトランジスタを用いた差動対回路の等価回路図を示している。   Hereinafter, referring to FIGS. 4A to 4D, the semiconductor integrated circuit design method according to this embodiment (particularly, the classification of stress bias conditions based on the electric field strength of the gate insulating film, which is a feature of this embodiment (FIG. A specific procedure of one example of step S15)) will be described. FIG. 4A shows an equivalent circuit diagram of a differential pair circuit using a PMOS transistor as an example of an analog circuit to be designed.

まず、図4(b)に示すように、図4(a)に示すトランジスタM1及びM2の入力電圧Vinが電源電圧Vdd付近にある場合、トランジスタM1及びM2はカットオフされて回路に電流は流れない。ここで、図4(b)の縦軸のId1及びId2は、トランジスタM1及びM2に流れる電流を示している。また、図4(a)に示すトランジスタM3の入力電圧Vbは入力電圧Vinとは独立しているが、入力電圧Vbが電源電圧Vdd付近にある場合には、トランジスタM3がカットオフされて回路に電流は流れない。一方、図4(b)に示すように、入力電圧Vin及びVbがそれぞれ、Vdd−|Vth3|以下になると、回路に電流が流れ始め、各トランジスタM1、M2及びM3にはストレスバイアス電圧が印加される。ここで、図4(c)に示すように、図4(a)に示す点Pでの電圧Vpは、Vin<Vdd−|Vth3|ではVinに対して線形に変化し、Vin>Vdd−|Vth3|ではVddで一定値となる。尚、図4(c)の|Vgs1|は、Vin=0VのときのVpの値であり、点Pでは、トランジスタM1に印加される電圧(Vgs1)の分だけ電位が上昇していることを意味している。また、図4(d)に示すように、トランジスタM3が飽和領域に入る電圧(Vdd−|Vth3|)以下では、図4(a)に示す各負荷抵抗Rdには定電流Iss/2が流れるので、出力電圧Vout1及びVout2は、Iss×Rd/2で一定値となる。   First, as shown in FIG. 4B, when the input voltage Vin of the transistors M1 and M2 shown in FIG. 4A is in the vicinity of the power supply voltage Vdd, the transistors M1 and M2 are cut off and current flows in the circuit. Absent. Here, Id1 and Id2 on the vertical axis in FIG. 4B indicate currents flowing through the transistors M1 and M2. The input voltage Vb of the transistor M3 shown in FIG. 4A is independent of the input voltage Vin. However, when the input voltage Vb is near the power supply voltage Vdd, the transistor M3 is cut off and the circuit is turned on. No current flows. On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the input voltages Vin and Vb become Vdd− | Vth3 | or less, current begins to flow through the circuit, and a stress bias voltage is applied to each of the transistors M1, M2, and M3. Is done. Here, as shown in FIG. 4C, the voltage Vp at the point P shown in FIG. 4A changes linearly with respect to Vin at Vin <Vdd− | Vth3 |, and Vin> Vdd− | At Vth3 |, Vdd becomes a constant value. Note that | Vgs1 | in FIG. 4C is the value of Vp when Vin = 0V, and that at point P, the potential increases by the amount of the voltage (Vgs1) applied to the transistor M1. I mean. Further, as shown in FIG. 4D, the constant current Iss / 2 flows through each load resistance Rd shown in FIG. 4A below the voltage (Vdd− | Vth3 |) where the transistor M3 enters the saturation region. Therefore, the output voltages Vout1 and Vout2 are Iss × Rd / 2 and have a constant value.

ここで、トランジスタM1及びM2のしきい値電圧をVth12とし、|Vth12|<Iss×Rd/2であるとすると、入力電圧Vinが接地点(0V)付近の電圧である場合には、トランジスタM1及びM2は線形領域で動作する。すなわち、|Vth12|<Iss×Rd/2であり且つ入力電圧Vinが接地点(0V)付近であるストレスバイアス条件では、トランジスタM3は飽和動作して前記ストレスバイアス条件は高電界領域のストレスバイアス条件に分類される一方、トランジスタM1及びM2は線形動作して前記ストレスバイアス条件は中間的電界領域のストレスバイアス条件に分類される。従って、トランジスタM3のしきい値電圧の変動モデルとしては、例えば(式1)を用いればよく、トランジスタM1及びM2のしきい値電圧の変動モデルとしては、例えば(式2)を用いればよい。   Here, assuming that the threshold voltage of the transistors M1 and M2 is Vth12 and | Vth12 | <Iss × Rd / 2, when the input voltage Vin is a voltage near the ground point (0 V), the transistor M1 And M2 operate in the linear region. That is, under a stress bias condition in which | Vth12 | <Iss × Rd / 2 and the input voltage Vin is near the ground point (0 V), the transistor M3 operates in saturation, and the stress bias condition is a stress bias condition in a high electric field region. On the other hand, the transistors M1 and M2 operate linearly, and the stress bias condition is classified as a stress bias condition in an intermediate electric field region. Therefore, for example, Equation 1 may be used as the threshold voltage variation model of the transistor M3, and Equation 2 may be used as the threshold voltage variation model of the transistors M1 and M2.

尚、以上の説明においては、PMOSトランジスタでのNBTI劣化による特性変動を想定していたが、NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor )トランジスタのPBTI(Positive Bias Temperature Instability )劣化による特性変動の場合でも同様の手法を適用することができる。この場合、中間電界領域のストレスバイアス条件でのトランジスタ特性変動においては、ゲート電流のうち、ゲート電極からチャネル領域(基板)へ流れるホール電流成分により、ゲート絶縁膜のトラップサイトに対してホールトラッピングが発生し、その結果、NMOSトランジスタの特性が良化する現象が起こる。   In the above description, the characteristic variation due to NBTI degradation in the PMOS transistor is assumed, but the same applies to the characteristic variation due to PBTI (Positive Bias Temperature Instability) degradation of the NMOS (N-channel Metal Oxide Semiconductor) transistor. Can be applied. In this case, in the transistor characteristic fluctuation under the stress bias condition in the intermediate electric field region, hole trapping is performed on the trap site of the gate insulating film due to the hole current component flowing from the gate electrode to the channel region (substrate) in the gate current. As a result, a phenomenon occurs in which the characteristics of the NMOS transistor are improved.

以上に説明したように、本実施形態によれば、アナログ回路に含まれるトランジスタのゲート絶縁膜に印加される電界強度の大きさに基づいて、当該トランジスタに適用するストレスバイアス条件を分類し、当該ストレスバイアス条件の分類に応じて、劣化後のトランジスタ特性を求めることが可能となる。このため、従来の一義的なバイアス電圧を想定したトランジスタ劣化による特性変動の予測を行う場合と比べて、劣化後のトランジスタ特性を正確に予測できるので、回路動作を保証する設計マージンを適正に確保することができる。従って、トランジスタ寸法の増大、つまりはチップ面積の増大を防止することができると共に、半導体集積回路装置の信頼性を向上させることができる。   As described above, according to the present embodiment, the stress bias conditions applied to the transistor are classified based on the magnitude of the electric field strength applied to the gate insulating film of the transistor included in the analog circuit. According to the classification of the stress bias condition, it becomes possible to obtain the transistor characteristics after deterioration. For this reason, compared to the conventional case of predicting characteristic fluctuations due to transistor degradation assuming a unique bias voltage, the transistor characteristics after degradation can be predicted more accurately, ensuring a design margin that guarantees circuit operation. can do. Therefore, an increase in transistor size, that is, an increase in chip area can be prevented, and the reliability of the semiconductor integrated circuit device can be improved.

以上に説明したように、本発明に係る半導体集積回路の設計方法は、アナログ回路動作で発生するトランジスタ劣化による特性変動を正確に予測できるものであり、特に、アナログ回路の構成要素であるトランジスタの劣化による特性変動を考慮した半導体集積回路の設計方法として有用である。   As described above, the semiconductor integrated circuit design method according to the present invention can accurately predict characteristic variation due to transistor degradation that occurs in analog circuit operation, and in particular, a transistor that is a component of an analog circuit. This is useful as a method for designing a semiconductor integrated circuit in consideration of characteristic variation due to deterioration.

1 中央演算処理装置(CPU)
2 メモリ
3 入力部
4 出力部
5 バス
S11、S51 回路ネットリスト及び回路使用条件の入力ステップ
S12、S52 回路内トランジスタの検索・抽出ステップ
S13、S53 回路内トランジスタのストレスバイアス条件の抽出ステップ
S14、S54 トランジスタ特性劣化無しでの回路シミュレーション実施ステップ
S15 ゲート絶縁膜電界強度に基づくストレスバイアス条件の分類ステップ
S16、S56 トランジスタ特性変動モデルの入力ステップ
S17、S57 トランジスタ特性の劣化シミュレーション実施ステップ
S18、S58 トランジスタ特性劣化後の回路シミュレーション実施ステップ
S19、S59 回路動作判定ステップ
S20、S60 信頼性設計余裕度の修正可否判定ステップ
S21、S61 回路・トランジスタの見直しステップ
1 Central processing unit (CPU)
2 Memory 3 Input unit 4 Output unit 5 Bus S11, S51 Circuit net list and circuit use condition input step S12, S52 In-circuit transistor search / extraction step S13, S53 In-circuit transistor stress bias condition extraction step S14, S54 Circuit simulation execution step without transistor characteristic deterioration S15 Stress bias condition classification step based on gate insulating film electric field strength S16, S56 Transistor characteristic variation model input step S17, S57 Transistor characteristic deterioration simulation execution step S18, S58 Transistor characteristic deterioration Subsequent circuit simulation execution step S19, S59 Circuit operation determination step S20, S60 Reliability design margin correction possibility determination step S21, S61 Review step of the transistor

Claims (7)

半導体集積回路に含まれるトランジスタを抽出するステップ(a)と、
前記ステップ(a)で抽出されたトランジスタのゲート絶縁膜に印加される電界強度の大きさに基づいて、当該トランジスタに適用するストレスバイアス条件を分類するステップ(b)と、
前記ステップ(b)での前記ストレスバイアス条件の分類に応じて、前記トランジスタの劣化後の特性を求めるステップ(c)と、
前記ステップ(c)で求めた劣化後のトランジスタ特性を用いて、前記半導体集積回路の回路シミュレーションを行うステップ(d)とを備えていることを特徴とする半導体集積回路の設計方法。
Extracting a transistor included in the semiconductor integrated circuit (a);
Classifying a stress bias condition to be applied to the transistor based on the magnitude of the electric field strength applied to the gate insulating film of the transistor extracted in the step (a);
(C) obtaining a post-degradation characteristic of the transistor according to the classification of the stress bias condition in the step (b);
And (d) performing circuit simulation of the semiconductor integrated circuit using the degraded transistor characteristics obtained in the step (c).
請求項1に記載の半導体集積回路の設計方法において、
前記ステップ(b)において、前記ゲート絶縁膜に印加される電界強度の大きさの指標として、第1の電界強度領域、前記第1の電界強度領域よりも小さい第2の電界強度領域、及び前記第2の電界強度領域よりも小さい第3の電界強度領域を設定し、当該各電界強度領域毎に前記ストレスバイアス条件を分類することを特徴とする半導体集積回路の設計方法。
The method for designing a semiconductor integrated circuit according to claim 1,
In the step (b), as an index of the magnitude of the electric field strength applied to the gate insulating film, a first electric field strength region, a second electric field strength region smaller than the first electric field strength region, and the A design method of a semiconductor integrated circuit, wherein a third electric field strength region smaller than the second electric field strength region is set, and the stress bias condition is classified for each electric field strength region.
請求項1又は2に記載の半導体集積回路の設計方法において、
前記ステップ(c)において、前記トランジスタの特性劣化の実測データを用いて、前記劣化後のトランジスタ特性を求めることを特徴とする半導体集積回路の設計方法。
The method for designing a semiconductor integrated circuit according to claim 1 or 2,
In the step (c), the transistor characteristic after the deterioration is obtained by using the measured data of the characteristic deterioration of the transistor.
請求項1又は2に記載の半導体集積回路の設計方法において、
前記ステップ(c)において、前記トランジスタの特性劣化のモデル式を用いて、前記劣化後のトランジスタ特性を求めることを特徴とする半導体集積回路の設計方法。
The method for designing a semiconductor integrated circuit according to claim 1 or 2,
A method for designing a semiconductor integrated circuit, wherein, in the step (c), a transistor characteristic after the deterioration is obtained using a model expression of the characteristic deterioration of the transistor.
請求項4に記載の半導体集積回路の設計方法において、
前記モデル式は、前記トランジスタに前記ストレスバイアス条件の適用を開始してからの累積時間の関数であることを特徴とする半導体集積回路の設計方法。
The method of designing a semiconductor integrated circuit according to claim 4,
The method of designing a semiconductor integrated circuit, wherein the model formula is a function of an accumulated time since the application of the stress bias condition to the transistor is started.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体集積回路の設計方法において、
前記ステップ(c)において、前記劣化後のトランジスタ特性として、前記トランジスタのしきい値電圧を求めることを特徴とする半導体集積回路の設計方法。
In the design method of the semiconductor integrated circuit of any one of Claims 1-5,
In the step (c), a threshold voltage of the transistor is obtained as the transistor characteristics after the deterioration.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体集積回路の設計方法において、
前記ステップ(c)において、前記劣化後のトランジスタ特性として、前記トランジスタに流れる電流値を求めることを特徴とする半導体集積回路の設計方法。
In the design method of the semiconductor integrated circuit of any one of Claims 1-5,
In the step (c), a value of a current flowing through the transistor is obtained as the transistor characteristics after the deterioration.
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CN115062571A (en) * 2022-05-06 2022-09-16 上海概伦电子股份有限公司 Dynamic selection method, system, equipment and computer readable storage medium for data area of integrated circuit device

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