JP3643044B2 - LSI calculation device for deterioration over time of LSI - Google Patents

LSI calculation device for deterioration over time of LSI Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホットキャリア現象(劣化)などに起因する大規模半導体集積回路(以下「LSI」と略す。)の経時的な特性劣化を予測し、LSIの設計時またはLSIの検査時に見込むべき適切な経時劣化マージン量を求める技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
LSIは、近年、さまざまな機能をワンチップ上に実現するために数千万以上のMOSトランジスタを集積するに至っている。このようなLSIにおいては、電源電圧や使用温度などの変動、特性のばらつきなどがあっても適切に動作し得るようにするために、設計段階において、種々の特性に余裕すなわちマージン量を持たせておく必要がある。以下、上記マージン量として、信号の遅延に関するものを例に挙げて説明する。
【0003】
LSIは、一般的に、図1に示すように、例えばフリップフロップ21・21の間に回路22が何段か(図1ではN段)含まれるような複数の基本単位、すなわち複数の信号パス20に分解できる。上記各回路22は、多くの場合、論理回路と、これらの論理回路を接続する配線とから構成される。上記信号パス20中の一連の回路22を信号が伝搬するときの信号の遅延は、下記式(1)に示すように、所定の期間内、すなわちフリップフロップ21・21に供給されるクロック信号23のサイクルタイム(多くの場合、動作周波数またはクロック周波数の逆数)以内に収まっていることが必要とされる。
【0004】
tcycle ≧ Σti+K (i=1〜N) (1)
ここで、tcycleは設計目標特性であるサイクルタイム、ΣtiはLSIにおけるフリップフロップ21間の各回路i(22)の入出力端子間の信号伝搬遅延の総和すなわち信号パス遅延、Kはフリップフロップ21のセットアップ時間やクロック信号23のスキューなどの和である。
【0005】
上記Σtiの最大値(最悪値)は、回路動作における遅延変動のシミュレーションによって求めることもできるが、種々の遅延変動要因の影響をそれぞれ係数化したディレイティングファクタ(derating factors)を用いて設計の省力化を図る手法が知られている。これは、より詳しくは、下記式(2)のように標準の遅延から最悪条件の遅延を簡易的に見積もって設計する方法である。
【0006】
tworst = ttyp×P×V×T (2)
ここで、tworstは各信号パス遅延の最大値(最悪値)、ttypは各信号パス遅延の標準値、Pは製造ばらつきに応じた遅延変動係数、Vは電源電圧変動幅に応じた遅延変動係数、Tは温度変動幅に応じた遅延変動係数であり、上記tworstとttypとの差が、遅延変動に対するマージン量となる。
【0007】
上記信号パス遅延の標準値ttypは、遅延変動の最大値を求めるのに比べるとかなり小規模なシミュレーションによって求めることができる。すなわち、LSIの全信号パス遅延の標準値をシミュレーションで求めれば、それらにディレイティングファクタP、V、Tを単に掛け合わせるだけで、最悪値が効率的に求められる。このような手法は、特に、マイクロプロセッサのようなカスタム設計が多用されている品種に比べてASICなどの特定用途のLSIの設計に多く用いられている。
【0008】
ところで、LSIには、他の製品と同様に寿命があり、製造後ある期間動作した後に、故障や動作不良を起こす。LSIの故障や動作不良の主な原因としては、ホットキャリア現象に起因する特性劣化や、エレクトロマイグレーションによる配線の断線、短絡などが知られている。特に、最近のLSIにおいては、製造技術の発達とともにトランジスタの微細化が急速に進み、LSI内の各部の電界が高くなりがちである。このため、ドレイン近傍に発生する高電界によってキャリアのインパクトイオン化が起こり、高エネルギーをもつホットキャリアが生じやすくなっている。このホットキャリアは、ゲート酸化膜にダメージを与え、トランジスタのしきい値電圧やドレイン電流の経時的な変化、すなわち特性の劣化を生じさせる。これは、結果的に、トランジスタの集合体であるLSIの動作周波数特性などを変化させて、いずれ誤動作に至らしめる可能性がある。そこで、LSIの設計においては、所望の製品寿命に応じた信頼性確保が不可欠であるため、通常、LSIの劣化をも考慮した設計余裕すなわち経時劣化マージン量が設けられている。
【0009】
より具体的には、前記式(1)に示した信号パス遅延は、上記のようにLSIの動作時間の経過を通じて一定ではなく、ホットキャリア現象などに起因して変化する。このホットキャリア現象などによる遅延変化の程度は、回路の種類、回路の動作条件(例えば電源電圧や、温度、動作回数、入力信号のスルーレート、信号遷移の向きが立上りか立下りか、出力信号負荷等)、および回路特性の製造ばらつきなどによって異なり、通常は増加する。このような経時劣化を考慮すると、LSIの製品寿命を通じての動作を保証するためには、前記式(1)を満足させるだけでは足らず、下記式(3)を満足させる必要がある。
【0010】
tcycle ≧ Σ(ti+Δti)+K (i=1〜N) (3)
ここで、ΣΔtiは劣化による信号パス遅延の変化分である。このように、劣化による遅延増分の影響をあらかじめ考慮し、上記式(3)を満足するように設計余裕、すなわち経時劣化マージン量を見込んで、LSIを設計する必要がある。
【0011】
上記LSIの設計時に設けられる経時劣化マージン量は、小さすぎると信頼性が不足し、将来的に目標製品寿命に満たずに誤動作を起こす危険性を有することになる。一方、経時劣化マージン量が大きすぎると、LSIの信頼性が過剰となってしまう。そして、通常、LSIの信頼性と性能とはトレードオフの関係にあるため、過剰な信頼性を持たせることは、LSIの性能(例えば動作周波数)を低下させる結果になる。したがって、適切な経時劣化マージン量が設定できないと、例えばマイクロプロセッサのように、高い性能と信頼性とを共に要求されるLSIを開発することが困難である。
【0012】
そこで、上記のような経時劣化を考慮したLSIの設計検証方法としては、例えば米国特許第5,634,001号に示されるような手法が知られている。これは、米国特許第5,533,197号に示されるシミュレーション技術を用いて、設計過程におけるLSIの設計情報に基づき、所望の製品寿命の期間だけ動作した後のLSIの動作タイミング特性、すなわち上記式(3)に示したLSIの劣化後の全ての信号パス遅延を予測し、最も遅い信号パス(クリティカルパス)の劣化後遅延がサイクルタイムに収まるように、シミュレーションで確認しながら設計するというものである。これにより、過不足のない経時劣化マージン量の折り込みを図っている。
【0013】
しかしながら、上記のようなシミュレーション技術を用いてLSIの劣化後の全ての信号パス遅延を予測する方法は、計算量が多大なものとなるために、計算時間がかなりかかるうえ、大規模な装置を必要とするという問題点を有している。
【0014】
一方、劣化前のマージン量について前記式(2)で説明したのと同様に、経時劣化を考慮した経時劣化マージン量についても、ディレイティングファクタを用いて簡便に求めることは考えられるかも知れないが、そのためには、適切なディレイティングファクタの値を設定する必要がある。ところが、そのようなディレイティングファクタの大きさには、劣化前のマージン量を求めるためのディレイティングファクタに比べて、回路の種類や動作条件の履歴、劣化程度のばらつきなど、より多くの種々の要因が影響するため、容易に求めることは困難であると考えられる。また、上記米国特許によって示される従来の設計方法は、LSIの設計時のシミュレーションによって全ての信号パスにおける劣化前と劣化後の両方の最悪遅延を直接求める方法であるため、ディレイティングファクタを用いる前記式(2)を前提とした設計手法への適用は考慮されていない。
【0015】
上記経時劣化マージン量は、また、上記のようにLSIの設計段階での考慮が必要であることに加えて、製造段階における検査においても考慮する必要がある。すなわち、LSIの所望の製品寿命(例えば10年間)を保証するためには、単に、LSIの製造直後(出荷前)である劣化前の時点で正常に動作することを試験するだけでなく、上記製品寿命の期間にわたって正常に動作するかどうか、つまり経時劣化マージン量が必要十分であるかどうかを確認しなければならない。そのような確認をするためには、例えば米国特許第5,634,001号に示されるように、動作を保証する電源電圧よりも低い電圧で検査する技術が知られている。
【0016】
より詳しくは、LSIの動作が可能なサイクルタイムは、通常、電源電圧によって異なり、図2に実線で示すように、電源電圧が高いと動作可能サイクルタイムは短く(動作可能周波数は高く)なり、電源電圧が低いと動作可能サイクルタイムは長く(動作可能周波数は低く)なる。また、信号パス遅延が経時劣化すると、上記電源電圧と動作可能サイクルタイムとの関係は、同図に破線で示すようになる。すなわち、例えば劣化前後で同一の電源電圧を印加する場合、劣化後の動作可能サイクルタイムは、劣化前よりも長くなる。
【0017】
そこで、まず、ターゲットとしているLSIについて、経時劣化前(beginning-of-life)の電源電圧と動作可能サイクルタイムとの関係(図2の実線)を実測する。また、経時劣化のシミュレーションによって、経時劣化前に信号パス遅延が最も大きなパス(クリティカルパス)での遅延tBOLと、経時劣化後(所望の製品寿命だけ動作し続けた後:end-of-life)のクリティカルパスでの遅延tEOLとを求める。次に、これらに基づいて、経時劣化前のLSIについての、上記遅延tBOLおよびtEOLにそれぞれ相当するサイクルタイムで動作可能な電源電圧VBOLおよびVEOLを求め、その差分ΔV=VBOL−VEOLを計算する。そして、動作保証最低電圧VDDminよりも、上記差分ΔVだけ低い電圧(VDDmin−ΔV)を劣化前のLSIに印加して、上記遅延tBOLに相当するサイクルタイムで動作すれば良品、動作しなければ不良品と判定する。すなわち、経時劣化前後の遅延の増分Δt=tEOL−tBOLを電源電圧の差分ΔVに換算することにより、経時劣化後に動作可能かどうかを推定していた。
【0018】
しかしながら、上記のように、ターゲットとしているLSIの製造後に実測で求めた電源電圧差分ΔVを用いてLSIを検査する方法は、以下のような問題点を有している。すなわち、確かに、図3に示すように、ある信号パスAがクリティカルパスであるとすると、そのパスに注目して、上記のように電源電圧差分ΔVをシミュレーションおよび実測により求め、これに基づき電源電圧を制御して、信号パスAの経年劣化に相当する見掛け上の遅延増分Δtを確認することは可能ではある。(それゆえ、上記文献の方法では、初期状態のLSIについて、図3(1)のように電源電圧をVDDminにして検査するのではなく、図3(2)のように(VDDmin−ΔV)に低下させて遅延を増やすことにより、図3(3)の劣化後の遅延を模して検査している。)しかし、実際には電源電圧対遅延も動作時間対遅延も非線形関係であり、しかも、これらの関係は信号パスによって異なる。それゆえ、信号パスAで設定した電源電圧差分ΔVを用いた検査で良品と判定されたとしても、必ずしも劣化時に正常に動作するとは限らないし、また、その逆もあり得る。具体的には、例えば図3(4)のように、初期状態で電源電圧VDDminのときに上記信号パスAと同じ信号パス遅延である別の信号パスBについて、図3(5)のように電源電圧(VDDmin−ΔV)による検査では設計目標遅延以内に入っており問題ないと判定されたとしても、実際に劣化後の遅延は図3(6)のように設計目標遅延を上回ることが起こる可能性がある。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のLSIの設計手法は、経時劣化を考慮した経時劣化マージン量を簡便に求めることができないという問題点を有していた。また、経時劣化マージン量が必要十分かどうかを確認するために、検査時の電源電圧を調整して検査する方法、すなわち、電源電圧を低く設定して検査する検査方法では、実際の回路の劣化特性を反映できず、適切な検査をできない危険性があるという問題点を有していた。
【0020】
上記のような問題点に鑑み、本発明は、例えばディレイティングファクタを用いるなどして、経時劣化を考慮した経時劣化マージン量を簡便に求めることができるLSIの経時劣化マージン量の計算装置および計算方法の提供を目的としている。また、経時劣化を考慮した適切な検査を行うことのできるLSIの検査方法の提供を目的としている。
【0021】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、LSIにおける所定の特性について、上記特性が劣化したときでも上記LSIが動作し得るように、設計余裕として見込むための経時劣化マージン量を計算するLSIの経時劣化マージン量の計算装置であって、上記LSIを構成する少なくとも一部の複数の信号パスについて、上記LSIの初期状態における上記特性の劣化前の特性を求める劣化前特性生成手段と、上記LSIを構成する少なくとも一部の複数の信号パスについて、所定の動作条件で所定の動作期間が経過した時における上記特性の劣化後の特性を求める劣化後特性生成手段と、上記複数の信号パスのうち、上記LSIが動作し得るために必要な特性に対する上記劣化後の特性の余裕が最も小さい信号パスにおける、上記劣化前の特性に対する上記劣化後の特性の割合である特性劣化度合を求める特性劣化度合生成手段と、上記劣化前の特性と、上記特性劣化度合とに基づいて、実質的に経時劣化マージン量を求める経時劣化マージン量生成手段と、を備えたことを特徴としている。
【0022】
これにより、一般に劣化前の特性は、劣化後の特性に比べて、求めることが比較的容易であるため、一旦、あるLSIについて特性劣化度合を求めれば、他のLSIなどについて、その都度劣化後の特性を求めることなく、容易に経時劣化マージン量を求めることができる。なお、上記のようにして経時劣化マージン量を求めるのは、他のLSIに限らず、例えば同じLSIであっても設計変更後のもや、同じLSIにおける上記劣化後の特性を求めなかった信号パスなどであってもよい。ここで、実際に求められる値は経時劣化マージンそのものでなくても、例えば基準となる特性量と経時劣化マージン量とを合計したものや逆数をとったものなど、その値を用いる設計状況などに応じた形式のものでもよく、実質的に上記のような経時劣化マージン量を含む値であれば、本発明を適用でき、同じ効果を得ることができる。
【0023】
また、上記のようにして求められる経時劣化マージン量に、さらに所定の余裕を含めるようにしてもよい。すなわち、例えば上記劣化後の特性を求めるのに考慮することが困難な要因の影響に対しても信頼性を高め得るようにしたり、または信頼性の許容範囲を広げたり(ある程度の信頼性の低下を許容したり)するために、経時劣化マージン量を増減するなどしてもよい。
【0024】
また、上記劣化後の特性は、必ずしも全ての信号パスについて求めるのに限らず、上記LSIを構成する複数の信号パスを複数のグループに分けたグループのうち、上記LSIが動作し得るために必要な特性に対する上記劣化前の特性の余裕が小さいグループの信号パスについて、上記劣化後の特性を求めるようにしてもよい。すなわち、劣化前の特性にに十分な余裕がある信号パスを除いて、劣化後の特性を特性劣化度合を求めるために用いられる可能性が高いような信号パスについてだけ劣化後の特性を求めることにより、演算量を低減して全体の処理効率を高めることができる。
【0025】
また、本発明は、例えば信号パスの遅延に対して適用することができる。この場合、例えば、上記特性劣化度合を上記特性の経時劣化に対応するディレイティングファクタとし、少なくとも、製造ばらつき、電源電圧変動、および温度変動にそれぞれ対応するディレイティングファクタとともに上記劣化前遅延に乗ずれば、上記経時劣化マージン量を含む最大遅延を容易に算出することができる。
【0026】
また、さらに、上記劣化後特性生成手段が上記劣化後の特性を求める際の上記所定の動作条件における電源電圧条件と、上記劣化前特性生成手段、および上記劣化後特性生成手段が上記劣化前の特性、および上記劣化後の特性を求めるための電源電圧条件とが、互いに異なる電源電圧条件になるようにしたり、上記劣化前特性生成手段、および上記劣化後特性生成手段は、それぞれ、上記LSIを構成する素子の特性のばらつきの範囲で、上記劣化前遅延、および上記劣化後遅延が最も大きくなる上記素子の特性(例えば上記素子の応答性が最も低い特性)を用いて、上記劣化前遅延、および上記劣化後遅延を求めるようにしたりして、LSIの信頼性をより高め得るようにしてもよい。
【0027】
また、上記のように特性劣化度合を求める装置とは別に、実質的に経時劣化マージン量を求める経時劣化マージン量生成手段を備えた、LSIの経時劣化マージン量の計算装置を構成してもよい。この場合には、その装置には上記特性劣化度合を求めるための劣化後の特性を求める機能を持たせる必要がないので、規模の小さな装置で経時劣化マージン量を求めることができるようになる。
【0028】
また、上記経時劣化マージン量を求める場合と同様にして求めた特性劣化度合を所定の周波数に乗じることによって得られた周波数を動作周波数として、上記LSIの動作を検査することにより、例えば劣化前後の遅延の差分を電源電圧差分に変換して低くした電源電圧で検査する場合に比べて、電源電圧対遅延が非線形関係であることなどによる誤差は生じ得ず、経時劣化マージン値の過小評価や過大評価を確実に回避することができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、経時劣化の対象として着目する所定の特性を遅延とし、上記特性の劣化度合を遅延劣化率とする場合を例に挙げて説明する。
【0030】
(実施の形態1)
図4は本発明の実施の形態1に係る、LSIの設計時および検査時に用いられる経時劣化マージン量の計算装置の全体構成を示すブロック図である。図4の構成において、
遅延劣化率予測部101は、LSI設計情報301に基づいて、LSIを構成する各信号パスの劣化前(初期)の遅延(劣化前特性)を計算して劣化前信号パス遅延情報302を出力するとともに、各信号パスが製品寿命の目標期間にわたって動作した場合の遅延劣化率(特性劣化度合)を計算して信号パス遅延劣化率情報303を出力するものである。上記LSI設計情報301は、例えば図1に示す信号パス20に対応して、内蔵される論理回路の種類、論理回路の接続関係を表すネットリスト、論理回路の接続配線の寄生素子情報、マスク形状情報、製造情報、動作条件(電源電圧、温度、動作頻度、および動作周波数など)、および製品寿命目標などのLSIの設計に必要な全ての情報を含むものである。上記LSI設計情報301および以下の各情報は、図示しない記憶部に保持される。
【0031】
遅延対遅延劣化率解析部102は、上記劣化前信号パス遅延情報302と信号パス遅延劣化率情報303とを読み込み、遅延と遅延劣化率との相関関係に関する情報である遅延対遅延劣化率関係情報304を出力するものである。
【0032】
遅延劣化率抽出部103(特性劣化度合生成手段)は、上記遅延対遅延劣化率関係情報304に基づいて、後述する所定の信号パスの遅延劣化率を抽出し、遅延劣化マージン305として出力するものである。
【0033】
ディレイティングファクタを用いた遅延劣化マージン量計算部104(経時劣化マージン量生成手段)は、上記遅延劣化マージン305をディレイティングファクタGとして、遅延劣化マージン量を計算するものである。
【0034】
検査用動作周波数計算部105は、遅延劣化マージン量計算部104と同様に上記遅延劣化マージン305をディレイティングファクタGとして、検査用動作周波数を計算するものである。
【0035】
また、上記遅延劣化率予測部101は、より詳しくは例えば図5に示すように、劣化前信号パス遅延情報302を出力する信号パス遅延算出部111a(劣化前特性生成手段)、およびトランジスタ等の単位回路が受けるストレスを算出する単位回路ストレス算出部111bを備えた劣化前回路解析部111と、上記単位回路ストレス算出部111bから出力された情報に基づいて電流対電圧特性を解析する単位回路劣化度合解析部112と、その解析結果に基づいて劣化後の遅延を求める劣化後回路解析部113(劣化後特性生成手段)と、求められた劣化後の遅延と上記信号パス遅延算出部111aから出力された劣化前信号パス遅延情報302とに基づいて、信号パス遅延劣化率情報303を出力する遅延劣化率算出部114(特性劣化度合生成手段)とが設けられて構成されている。
【0036】
次に、上記のように構成された経時劣化マージン量の計算装置の動作を説明する。この計算装置の動作には、大きく分けて、あらかじめ、あるLSIについて解析し、遅延劣化マージン305を求める動作と、求められた遅延劣化マージン305を用いて、設計対象の他のLSI(または設計変更した場合の上記LSI)について遅延劣化マージン量と検査用動作周波数とを求める動作とがある。前者の動作は、遅延劣化率予測部101と、遅延対遅延劣化率解析部102と、遅延劣化率抽出部103とによって行われる。また、後者の動作は、遅延劣化率予測部101の一部(信号パス遅延算出部111a)と、遅延劣化マージン量計算部104と、検査用動作周波数計算部105と(図4において破線で囲んだ構成要素)によって行われる。以下、上記2つの動作について具体的に説明する。
(遅延劣化マージンを求める動作)
遅延劣化率予測部101は、例えば米国特許5974247や特開平10−124565に示されたゲートレベルタイミング劣化シミュレーション方法や、BTABERT User’s Manual(BTA Technology Inc.,USA)、米国特許5533197などに示されたトランジスタレベル信頼性シミュレーション方法に基づいて、LSIに含まれる各信号パスの劣化前の遅延を計算するとともに、各信号パスが製品寿命の目標期間にわたって所定の動作条件(電源電圧や動作周波数など)で動作した場合の遅延劣化率を計算する。
【0037】
より詳しくは、遅延劣化率予測部101の劣化前回路解析部111では、信号パス遅延算出部111aが各信号パスの劣化前の特性を解析して劣化前の信号パス遅延を計算し、劣化前信号パス遅延情報302として出力する。また、単位回路ストレス算出部111bは、信号パス遅延算出部111aと同様に各信号パスの劣化前の特性を解析した後、各信号パスに含まれる単位回路、例えば各々のトランジスタが受けるストレスをバイアス条件等から計算する。次に、単位回路劣化度合解析部112は、上記ストレスに応じたトランジスタの電圧対電流特性の劣化程度を解析する。劣化後回路解析部113は、劣化したトランジスタの電圧対電流特性を用いて劣化後の回路特性を解析し、劣化後の信号パス遅延を求める。遅延劣化率算出部114は、上記劣化後の信号パス遅延と、前記信号パス遅延算出部111aから出力された劣化前信号パス遅延情報302とに基づいて遅延劣化率を計算し、信号パス遅延劣化率情報303として出力する。この遅延劣化率は、次式(4)で定義される。
【0038】
R=taged/tfresh (4)
ここで、tfresh、tagedはそれぞれ劣化前と劣化後の信号パス遅延である。上記劣化前の信号パス遅延、劣化後の信号パス遅延、および信号パス遅延劣化率の具体例(例えば信号パス1〜Mについてのもの)を図6にテーブル形式で示す。
【0039】
次に、遅延対遅延劣化率解析部102は、上記劣化前信号パス遅延情報302と信号パス遅延劣化率情報303との相関関係を求め、遅延対遅延劣化率関係情報304を出力する。上記遅延対遅延劣化率関係情報304の一例を図7にグラフ形式で示す。同図中の各プロットは、それぞれ1つの信号パスについての劣化前の信号パス遅延と信号パス遅延劣化率との関係を表している。本発明者らが実際に種々のLSIについて上記計算を行ったところ、概ね、同図に示すように劣化前の信号パス遅延が大きいほど、信号パス遅延劣化率は小さくなる傾向があることが判った。このような相関関係が得られるのは、次のような理由によると考えられる。すなわち、遅延の大きい信号パスは、一般に論理回路段数が多いことを意味し、この場合、通常、各論理回路はバイアス電圧を高くするなどして応答性が高くなるように、すなわち出力信号波形の変化が比較的急峻になるように構成される。一方、論理回路段数が少ない信号パスでは、元々遅延が小さいため、特に応答性を高める必要はあまりなく、それゆえ、出力信号波形は比較的なまったものとなる。ところで、ホットキャリア劣化は、論理回路の入力波形がなまっているほど大きくなることが知られている。これらを考慮すると、結果的に上記相関関係が図7に示すような分布になることは定性的に説明付けることができる。
【0040】
ここで、説明の便宜上、図7を簡単化するために、信号パス遅延劣化率の上限の包絡線(envelope)を示すと図8のようになり、信号パス遅延劣化率は同図の斜線の領域に分布していることになる。この分布における劣化前の信号パス遅延が最も大きい、すなわち設計目標遅延(例えばサイクルタイム:この例では5[ns])近傍にプロットされる信号パスがクリティカルパスである。
【0041】
遅延劣化率抽出部103は、遅延対遅延劣化率関係情報304に基づいて、図8に記号Pで示すポイントの信号パス遅延劣化率αを抽出し、遅延劣化マージン305として出力する。ここで、図8では、信号パス遅延劣化率自体は上記ポイントPよりも大きな信号パスが存在するが、これらの信号パスは、劣化前の信号パス遅延が小さいため劣化後の信号パス遅延(劣化前の信号パス遅延×信号パス遅延劣化率)も小さく、動作上十分余裕があるので無視できる。
(遅延劣化マージン量および検査用動作周波数を求める動作)
上記のようにして一旦遅延劣化マージン305が求められた後は、これをディレイティングファクタGとして用いて、他のLSIを設計する際や同じLSIを設計変更した際の遅延劣化マージン量、および検査のための動作周波数を簡易に算出することができる。すなわち、まず、遅延劣化率予測部101における劣化前回路解析部111の信号パス遅延算出部111aが、上記遅延劣化マージンを求める動作で説明したのと同様に、LSIに含まれる各信号パスの劣化前の特性を解析して劣化前の信号パス遅延を計算し、劣化前信号パス遅延情報302として出力する。そこで、遅延劣化マージン量計算部104は、上記劣化前信号パス遅延情報302と、ディレイティングファクタGとしての遅延劣化マージン305とに基づいて、劣化後の最悪条件の遅延を下記式(5)によって求める。そして、この最悪条件の遅延が設計目標遅延に収まるよう設計することにより、寿命期間を通じて動作を保証し得るLSIを製作することができる。
【0042】
tworst=ttyp×P×V×T×G (5)
ここで、tworstは各信号パス遅延の最大値(最悪値)、ttypは各信号パス遅延の標準値(劣化前信号パス遅延情報302)、Pは製造ばらつきに応じた遅延変動係数、Vは電源電圧変動幅に応じた遅延変動係数、Tは温度変動幅に応じた遅延変動係数であり、上記Gをかけた場合とかけない場合との差、すなわち、ttyp×P×V×T×(G−1)が、遅延劣化マージン量となる。
【0043】
また、検査用動作周波数fagedについては、検査用動作周波数計算部105が、下記式(6)のように、目標とする動作周波数ffreshにディレイティングファクタGをかけることによって求める。
【0044】
faged=ffresh×G (6)
上記のようにして求めた検査用動作周波数をLSIに供給して適正に動作するかどうかを検査することにより、正確な検査を行うことができる。すなわち、ある動作周波数(サイクルタイム)に対して遅延が劣化によりG倍になって余裕が減少するということと、劣化前の遅延に対して動作周波数がG倍(サイクルタイムが1/G倍)になって余裕が減少するということとは等価なので、従来のように劣化前後の遅延の差分を電源電圧差分に変換して低くした電源電圧で検査する場合に比べて、電源電圧対遅延が非線形関係であることなどによる誤差は生じ得ず、経時劣化マージン値の過小評価や過大評価を確実に回避することができる。
【0045】
上記のように、本実施の形態の経時劣化マージン量の計算装置によれば、ディレイティングファクタを用いた設計手法を適用して、経時劣化マージン量(またはこれに直接対応する劣化後の信号パス遅延の最大値など)を容易に求めることができるとともに、適切な検査用動作周波数を用いて正確な検査を行うことができる。
なお、上記の例では、クリティカルパスにおける最大の信号パス遅延劣化率(図8のポイントPの信号パス遅延劣化率α)を遅延劣化マージン305とする例を示したが、さらに信頼性を高めるために、所定の1より大きな倍率をかけるなどした値(例えば図9に記号Qで示すポイントの信号パス遅延劣化率β)を用いるようにしてもよい。すなわち、遅延劣化の程度は、例えば、回路を構成するトランジスタの特性や配線の寄生容量などによって生じる信号のオーバシュートの影響によっても異なることがある。このような遅延劣化の程度を異ならせる要因を考慮して安全率を高めるために、経験的な統計値などに基づいて、上記のような余裕率をかけるなどしてもよい。また、逆に、信頼性の許容範囲を広げて、より小さな値を用いるようにしてもよい。このように遅延劣化マージン305の値を増減させる場合でも、その基準となる値が上記のように適切に求められたものなので、得られるLSIの信頼性は確率的に管理されたものとすることができる。
【0046】
また、劣化前の信号パス遅延と信号パス遅延劣化率のシミュレーション結果に基づく図8の包絡線が劣化前の信号パス遅延に対して単調減少している例を示したが、図10に示すように包絡線に凹凸があるような場合でも、同様に適切な遅延劣化マージン量を求めることはできる。この場合には、例えば同図に記号Rで示すポイントのように、劣化後の信号パス遅延が最も大きくなるポイントの遅延劣化率γを用いるようにすればよい。
【0047】
また、劣化前の信号パス遅延、および信号パス遅延劣化率は、図8の包絡線が劣化前の信号パス遅延に対して単調減少することを確認するなどのために、一旦全ての信号パスについて計算するようにしてもよいが、すでに一度計算している場合などで、単調減少することがあらかじめわかっているような場合は、常に設計目標遅延近辺の信号パスが、必要な信号パス遅延劣化率を与えるため、クリティカルパス付近の信号パスだけ計算して処理を効率化するようにしてもよい。
【0048】
また、あるLSIを設計する場合に、別の複数のLSIから求めた遅延劣化マージン305を参照するようにしてもよい。この場合、図11に示すように、各LSIから図8と同様にして求めた包絡線A、B、Cに基づいて、例えば劣化前の信号パス遅延が最大となる信号パスの信号パス遅延劣化率のうち最も大きな信号パス遅延劣化率(α:ポイントP)を代表させて遅延劣化マージンとして用いるようにすればよい。
【0049】
また、上記の例では経時劣化の対象として着目する特性を遅延とした例を示したが、その他、例えば周波数特性など、種々の経時劣化する特性に適用してもよい。例えば周波数特性に適用する場合には、図7の横軸を(1/周波数)で表せば、同様に扱えることは明らかである。
【0050】
なお、上記の例では、説明の便宜上、一旦、図7に示すような劣化前信号パス遅延と信号パス遅延劣化率との関係を求める例を示したが、実際には、劣化後回路解析部113によって求められた劣化後の信号パス遅延のうち最大のものを抽出し、これについての信号パス遅延劣化率を遅延劣化マージン305とするようにしてもよい(特性劣化度合生成手段)。また、劣化後の信号パス遅延は、全ての信号パスについて求めず、信号パスをグループ化して、劣化後の信号パス遅延が最大になる可能性のある、劣化前信号パス遅延が大きい信号パス(劣化前の余裕が小さい信号パス)についてだけ劣化後の信号パス遅延を求めるようにしてもよい。すなわち、一般に、劣化前信号パス遅延の算出に比べて劣化後信号パス遅延の算出は回路動作に応じた繰り返しのために大規模な演算となりがちであるが、上記のような絞り込みをすることによって処理効率を向上させることができる。
【0051】
また、上記式(5)において、ディレイティングファクタに回路遅延用と配線遅延用の区別を設けて計算するようにしてもよい。すなわち、一般に遅延は配線自体による遅延とその他の素子等による遅延との合計となるので、それぞれについて別個のディレイティングファクタを用いて最大遅延を求めるようにしてもよく、その場合には、配線自体による遅延については劣化を考慮しないようにしてもよい。
【0052】
また、あらかじめ求められた遅延劣化マージンに基づいて、遅延劣化マージン量、または検査用動作周波数を求めるためには、図4において破線で囲んだ構成要素だけを含む装置を構成するなどしてもよい。すなわち、小規模な構成で上記遅延劣化マージンが与えられることによって簡易かつ高速に経時劣化マージン量を求めることのできる装置を構成することができる。
(実施の形態2)
LSIの電源電圧は、出荷後の初期状態から製品寿命までの動作期間中、その仕様範囲内でさまざまな値を取り得るものであり、ホットキャリア劣化の程度は上記動作期間中に印加される電源電圧に応じて異なったものとなる。そこで、実施の形態2として、劣化前信号パス遅延情報302、および信号パス遅延劣化率情報303を求める際に、動作条件としての電源電圧を適切に設定することによって、LSIの信頼性をより高くするための経時劣化マージン量を求めることができる経時劣化マージン量の計算装置について説明する。なお、本実施の形態において、前記実施の形態1と同様の機能を有する構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。
【0053】
この実施の形態2の経時劣化マージン量の計算装置は、前記実施の形態1(図4、5)と比べて、図12に示すように、遅延劣化率予測部101に代えて遅延劣化率予測部201を備えている点が異なる。この遅延劣化率予測部201を構成する劣化前回路解析部211、単位回路劣化度合解析部212、および劣化後回路解析部213は、それぞれ概ね実施の形態1の遅延劣化率予測部101を構成するものと同様の機能を有しているが、劣化前信号パス遅延情報302および信号パス遅延劣化率情報303を求める際に用いる電源電圧がVDDminまたはVDDmaxである点が異なる。すなわち、劣化前回路解析部211の信号パス遅延算出部211a、および劣化後回路解析部213は、最低電源電圧VDDminを用いて、劣化前信号パス遅延情報302を求めるようになっている。また、単位回路ストレス算出部211b、および単位回路劣化度合解析部212は、最高電源電圧VDDmaxを用いて、各信号パスの劣化状態を解析するようになっている。
【0054】
上記のように電源電圧を設定することは、図13に示すように、製品寿命に至るまでの間に動作させる電圧として、信号パス遅延劣化率情報303が最も大きくなる最高電源電圧VDDmax、および劣化前信号パス遅延が最も大きくなる最低電源電圧VDDminを用いて遅延劣化マージン量を求めることになる。より具体的には、図14に示すように、劣化後の信号パス遅延は、劣化する際に印加された電源電圧が高いほど大きくなり、また、劣化の前後を問わず、電源電圧が低いほど信号パス遅延は大きくなるので(例えばb>a)、最高電源電圧VDDmaxを印加して動作させることにより劣化したLSIに、最低電源電圧VDDminを印加して動作させた時の信号パス遅延(同図のc)が最も大きな信号パス遅延となり、劣化後遅延の最悪値が求められる。この値は、単に全ての場合において最高電源電圧VDDmaxを用いる場合よりも大きく、かつ、実際に起こり得る値である。
【0055】
それゆえ、上記のように図4の遅延劣化率予測部101に代えて遅延劣化率予測部201を備えた経時劣化マージン量の計算装置を用い、電源電圧を上記のように設定することによって、最悪の条件での遅延劣化マージン量および検査用動作周波数を簡易に決定でき、したがって、より高い信頼性のLSIを得ることができる。
(実施の形態3)
トランジスタの特性は、一般に製造工程でのさまざまな要因によりばらつき、ホットキャリア劣化の影響もばらつく。具体的には、ドレイン電流および応答性が代表的にばらつく特性である。そこで、実施の形態3として、トランジスタの特性のばらつきも考慮することによって、すなわち製造ばらつき条件の設定を適切にすることによって、さらにLSIの信頼性を高くするための経時劣化マージン量を求め得る経時劣化マージン量の計算装置について説明する。
【0056】
この実施の形態3の経時劣化マージン量の計算装置は、概ね前記実施の形態2と同じ構成を有している(図4の遅延劣化率予測部101に代えて図12の遅延劣化率予測部201を備えている。)。ただし、劣化前回路解析部211、単位回路劣化度合解析部212、および劣化後回路解析部213は、劣化前信号パス遅延情報302および信号パス遅延劣化率情報303を求める際に、実施の形態2で説明した電源電圧の設定を用いるとともに、トランジスタの特性について、そのばらつきの範囲で信号パス遅延が最も大きくなる特性を用いるようになっている。すなわち、例えばMOSトランジスタのドレイン電流の大きさ、および応答性は、pチャネル、nチャネルともに所定の範囲でばらつくため、その特性の組み合わせは、図15の白丸(コーナー条件)を結ぶ実線で囲まれた範囲になる。(上記コーナー条件は、具体的には例えばシミュレーションの際に用いるSPICEパラメータやBTABERTパラメータ(BTABERT User’sManual,BTA Technology Inc.,USA)によって表すことができる。)また、pチャネルMOSトランジスタの特性の劣化はnチャネルMOSトランジスタに比べて一般に小さい一方、nチャネルMOSトランジスタの特性は同図に黒丸で示すように劣化するので、特性の組み合わせは2点鎖線で囲まれた範囲になる。そこで、劣化前回路解析部211、単位回路劣化度合解析部212、および劣化後回路解析部213で行われるシミュレーションにおいて図15に記号Sで示すコーナー条件を用いたばらつき条件を設定することによって、トランジスタの特性のばらつきを考慮したうえで、実際の動作上起こり得る最悪の条件での遅延劣化マージン量および検査用動作周波数を簡易に決定でき、したがって、図15の2点鎖線で囲まれた範囲でトランジスタの特性変動があっても確実に動作するような、より信頼性の高いLSIを得ることができる。
【0057】
なお、例えばトランジスタの特性のばらつきの影響の方が電源電圧の設定の影響よりも大きい場合などには、電源電圧の設定は標準値にして、ばらつきの影響だけを考慮するようにしてもよい。
以上の各実施の形態は、あくまでも一例を紹介、説明したものであり、これだけに限定するものではない。すなわち、本発明の実質的な範囲においての種々の別の実施形態や、本実施形態からの変更もあり得る。
【0058】
【発明の効果】
以上のように本発明によると、一旦、あるLSIについて特性劣化度合を求めておいて、他のLSIなどについて、その都度劣化後の特性を求めることなく、容易に経時劣化マージン量を求めることができる。すなわち、例えばディレイティングファクタを用いた設計手法に遅延の経時劣化への考慮を取り入れることができ、劣化後の遅延を容易に求めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】信号パスの一般的な構成を示す回路図である。
【図2】従来の検査方法を説明するためのサイクルタイムと検査電圧との関係を示すグラフである。
【図3】電源電圧と劣化前後の遅延の例を示す説明図である。
【図4】本発明の実施の形態1に係る経時劣化マージン量の計算装置の全体構成を示すブロック図である。
【図5】同、遅延劣化率予測部101の詳細な構成を示すブロック図である。
【図6】同、劣化前後の信号パス遅延および信号パス遅延劣化率の例を示す表である。
【図7】同、劣化前信号パス遅延と信号パス遅延劣化率との関係の例を示すグラフである。
【図8】同、劣化前信号パス遅延と信号パス遅延劣化率との関係の例を包絡線を用いて示すグラフである。
【図9】同、遅延劣化率を求める例を説明するためのグラフである。
【図10】同、遅延劣化率を求める他の例を説明するためのグラフである。
【図11】同、遅延劣化率を求めるさらに他の例を説明するためのグラフである。
【図12】本発明の実施の形態2、3に係る経時劣化マージン量の計算装置における遅延劣化率予測部201の詳細な構成を示すブロック図である。
【図13】本発明の実施の形態2の劣化後遅延を求めるための電源電圧の例を説明するためのグラフである。
【図14】同、電源電圧の例を説明するための他のグラフである。
【図15】LSIを構成するトランジスタの特性のばらつきの例を示すグラフである。
【符号の説明】
20 信号パス
21 フリップフロップ
22 回路
23 クロック信号
101 遅延劣化率予測部
102 遅延対遅延劣化率解析部
103 遅延劣化率抽出部
104 ディレイティングファクタを用いた遅延劣化マージン量計算部
105 検査用動作周波数計算部
111 劣化前回路解析部
111a 信号パス遅延算出部
111b 単位回路ストレス算出部
112 単位回路劣化度合解析部
113 劣化後回路解析部
114 遅延劣化率算出部
201 遅延劣化率予測部
211 劣化前回路解析部
211a 信号パス遅延算出部
211b 単位回路ストレス算出部
212 単位回路劣化度合解析部
213 劣化後回路解析部
301 LSI設計情報
302 劣化前信号パス遅延情報
303 信号パス遅延劣化率情報
304 遅延対遅延劣化率関係情報
305 遅延劣化マージン
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention predicts characteristic deterioration over time of a large-scale semiconductor integrated circuit (hereinafter abbreviated as “LSI”) due to a hot carrier phenomenon (degradation) and the like and should be expected at the time of LSI design or LSI inspection. The present invention relates to a technique for obtaining a aging deterioration margin amount.
[0002]
[Prior art]
In recent years, LSIs have been integrated with tens of millions or more of MOS transistors in order to realize various functions on one chip. In such an LSI, in order to be able to operate properly even if there are fluctuations in the power supply voltage, operating temperature, etc., and fluctuations in characteristics, a margin, that is, a margin amount is given to various characteristics in the design stage. It is necessary to keep. Hereinafter, the margin amount will be described by taking a signal delay as an example.
[0003]
As shown in FIG. 1, an LSI generally has a plurality of basic units, for example, a plurality of signal paths, each including several stages 22 (N stages in FIG. 1) between flip-flops 21 and 21, for example. It can be decomposed into 20. In many cases, each of the circuits 22 includes a logic circuit and a wiring for connecting these logic circuits. The signal delay when the signal propagates through the series of circuits 22 in the signal path 20 is within a predetermined period, that is, the clock signal 23 supplied to the flip-flops 21 and 21 as shown in the following equation (1). Within the cycle time (often the reciprocal of the operating frequency or clock frequency).
[0004]
tcycle ≧ Σti + K (i = 1 to N) (1)
Here, tcycle is a cycle time which is a design target characteristic, Σti is a total signal propagation delay between input / output terminals of each circuit i (22) between flip-flops 21 in the LSI, that is, a signal path delay, and K is a flip-flop 21 This is the sum of the setup time and the skew of the clock signal 23.
[0005]
The maximum value (worst value) of Σti can be obtained by simulation of delay variation in circuit operation. However, design labor can be saved by using derating factors obtained by coefficientizing the effects of various delay variation factors. There are known techniques for achieving this. More specifically, this is a method of designing by simply estimating the worst-case delay from the standard delay as shown in the following equation (2).
[0006]
tworst = ttyp x P x V x T (2)
Here, tworst is the maximum value (worst value) of each signal path delay, ttyp is a standard value of each signal path delay, P is a delay variation coefficient according to manufacturing variation, and V is a delay variation coefficient according to a power supply voltage variation range. , T is a delay variation coefficient corresponding to the temperature variation range, and a difference between the above two and ttyp is a margin amount with respect to the delay variation.
[0007]
The standard value ttyp of the signal path delay can be obtained by a considerably small simulation compared with obtaining the maximum value of the delay variation. That is, if the standard values of the total signal path delay of the LSI are obtained by simulation, the worst value can be obtained efficiently by simply multiplying them by the derating factors P, V, and T. Such a technique is used more often in designing LSIs for specific applications such as ASICs, compared to the types of custom designs that are frequently used, such as microprocessors.
[0008]
By the way, LSIs have a lifetime similar to other products, and cause malfunctions and malfunctions after operating for a certain period after manufacture. Known main causes of failure and malfunction of LSI are characteristic deterioration due to hot carrier phenomenon, wiring disconnection and short circuit due to electromigration. In particular, in recent LSIs, miniaturization of transistors progresses rapidly with the development of manufacturing technology, and the electric field of each part in the LSI tends to increase. For this reason, impact ionization of carriers occurs due to a high electric field generated in the vicinity of the drain, and hot carriers having high energy are likely to be generated. This hot carrier damages the gate oxide film and causes a change in the threshold voltage and drain current of the transistor with time, that is, deterioration of characteristics. As a result, there is a possibility that an operation frequency characteristic of an LSI that is an aggregate of transistors is changed and eventually a malfunction is caused. Therefore, in designing an LSI, it is indispensable to ensure reliability according to a desired product life. Therefore, a design margin that takes into account LSI degradation, that is, a time-dependent degradation margin amount is usually provided.
[0009]
More specifically, the signal path delay shown in the equation (1) is not constant over the LSI operation time as described above, but changes due to a hot carrier phenomenon or the like. The degree of delay change due to this hot carrier phenomenon depends on the circuit type, circuit operating conditions (for example, power supply voltage, temperature, number of operations, input signal slew rate, signal transition direction rising or falling, output signal Load), and variations due to manufacturing variations in circuit characteristics. Considering such deterioration over time, it is necessary not only to satisfy the above formula (1) but also to satisfy the following formula (3) in order to guarantee the operation of the LSI throughout the product life.
[0010]
tcycle ≧ Σ (ti + Δti) + K (i = 1 to N) (3)
Here, ΣΔti is a change in signal path delay due to deterioration. In this way, it is necessary to consider the influence of delay increment due to deterioration in advance, and to design an LSI in consideration of a design margin, that is, a temporal deterioration margin amount so as to satisfy the above formula (3).
[0011]
If the time degradation margin amount provided at the time of designing the LSI is too small, the reliability is insufficient, and there is a risk of malfunctioning in the future without reaching the target product life. On the other hand, if the amount of deterioration over time is too large, the reliability of the LSI becomes excessive. In general, since the reliability and performance of an LSI are in a trade-off relationship, providing excessive reliability results in a reduction in performance (for example, operating frequency) of the LSI. Therefore, if an appropriate aging deterioration margin amount cannot be set, it is difficult to develop an LSI that requires both high performance and reliability, such as a microprocessor.
[0012]
Therefore, as an LSI design verification method considering the above-described deterioration over time, a method as shown in, for example, US Pat. No. 5,634,001 is known. This is based on the LSI design information in the design process using the simulation technique shown in US Pat. No. 5,533,197, and the operation timing characteristics of the LSI after operating for a desired product lifetime, that is, All signal path delays after degradation of the LSI shown in Equation (3) are predicted, and design is performed while confirming by simulation so that the delay after degradation of the slowest signal path (critical path) is within the cycle time. It is. As a result, the aging deterioration margin amount without excess or deficiency is folded.
[0013]
However, the method of predicting all signal path delays after LSI degradation using the simulation technique as described above requires a large amount of calculation, which requires a considerable amount of calculation time, and requires a large-scale apparatus. It has the problem that it is necessary.
[0014]
On the other hand, in the same way as described in the above equation (2) for the margin amount before deterioration, it may be considered that the aging deterioration margin amount considering aging deterioration can be easily obtained using a derating factor. Therefore, it is necessary to set an appropriate derating factor value. However, the size of such a derating factor is more varied than the derating factor for determining the margin amount before deterioration, such as circuit type, history of operating conditions, variation in deterioration degree, etc. It is considered difficult to find easily because of the influence of factors. Further, the conventional design method shown by the above-mentioned US patent is a method for directly obtaining the worst delay before and after degradation in all signal paths by simulation at the time of LSI design. Application to the design method based on Equation (2) is not considered.
[0015]
In addition to the need for consideration at the LSI design stage as described above, the aging deterioration margin amount must also be taken into consideration at the inspection in the manufacturing stage. In other words, in order to guarantee a desired product life (for example, 10 years) of LSI, not only testing that it operates normally at the time before deterioration immediately after the manufacture of LSI (before shipment), It is necessary to check whether the product operates normally over the life of the product, that is, whether the aging deterioration margin is necessary and sufficient. In order to make such a confirmation, for example, as shown in US Pat. No. 5,634,001, a technique for inspecting at a voltage lower than a power supply voltage that guarantees operation is known.
[0016]
More specifically, the cycle time in which the LSI can operate normally varies depending on the power supply voltage, and as shown by the solid line in FIG. 2, when the power supply voltage is high, the operable cycle time is short (the operable frequency is high), When the power supply voltage is low, the operable cycle time is long (operable frequency is low). When the signal path delay deteriorates with time, the relationship between the power supply voltage and the operable cycle time becomes as shown by a broken line in FIG. That is, for example, when the same power supply voltage is applied before and after deterioration, the operable cycle time after deterioration becomes longer than before deterioration.
[0017]
Therefore, first, for the target LSI, the relationship between the power supply voltage before beginning-of-life and the operable cycle time (solid line in FIG. 2) is measured. In addition, by the simulation of deterioration over time, the delay tBOL in the path (critical path) with the largest signal path delay before deterioration over time and after deterioration over time (after continuing the desired product life: end-of-life) The delay tEOL in the critical path is obtained. Next, based on these, power supply voltages VBOL and VEOL operable at cycle times corresponding to the delays tBOL and tEOL for the LSI before deterioration with time are obtained, and a difference ΔV = VBOL−VEOL is calculated. A voltage (VDDmin−ΔV) lower than the guaranteed minimum voltage VDDmin by the difference ΔV is applied to the pre-degraded LSI, and if it operates at a cycle time corresponding to the delay tBOL, it is non-defective. Judge as good. That is, the delay increment before and after deterioration with time Δt = tEOL−tBOL is converted into the power supply voltage difference ΔV to estimate whether or not operation is possible after deterioration with time.
[0018]
However, as described above, the method of inspecting an LSI using the power supply voltage difference ΔV obtained by actual measurement after manufacturing the target LSI has the following problems. That is, as shown in FIG. 3, if a certain signal path A is a critical path, paying attention to the path, the power supply voltage difference ΔV is obtained by simulation and actual measurement as described above, and the power supply is based on this. It is possible to check the apparent delay increment Δt corresponding to the aging of the signal path A by controlling the voltage. (Therefore, in the method described in the above document, the LSI in the initial state is not inspected with the power supply voltage set to VDDmin as shown in FIG. 3 (1), but is changed to (VDDmin−ΔV) as shown in FIG. 3 (2). By increasing the delay and reducing the delay, the delay after the deterioration in FIG. 3 (3) is inspected.) However, the power supply voltage vs. delay and the operating time vs. delay are in a non-linear relationship. These relationships differ depending on the signal path. Therefore, even if the inspection using the power supply voltage difference ΔV set in the signal path A is determined to be non-defective, it does not always operate normally at the time of deterioration, and vice versa. Specifically, for example, as shown in FIG. 3 (4), another signal path B having the same signal path delay as the signal path A when the power supply voltage VDDmin is in the initial state as shown in FIG. 3 (5). Even if it is determined that there is no problem in the inspection with the power supply voltage (VDDmin−ΔV) within the design target delay, the delay after the degradation actually exceeds the design target delay as shown in FIG. there is a possibility.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional LSI design method has a problem in that it is not possible to easily obtain a deterioration margin with time in consideration of deterioration with time. In addition, in order to confirm whether the deterioration margin amount with time is necessary and sufficient, the method of adjusting and inspecting the power supply voltage at the time of inspection, that is, the inspection method of setting the power supply voltage to be low and inspecting, actual circuit deterioration There was a problem that the characteristics could not be reflected and there was a risk that proper inspection could not be performed.
[0020]
In view of the above-described problems, the present invention provides a time-dependent deterioration margin amount calculation apparatus and calculation for LSIs that can easily determine a time-dependent deterioration margin amount considering deterioration over time by using, for example, a derating factor. The purpose is to provide a method. It is another object of the present invention to provide an LSI inspection method capable of performing an appropriate inspection in consideration of deterioration over time.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides an LSI for calculating a time-dependent degradation margin amount for a design margin so that the LSI can operate even when the above characteristics are deteriorated with respect to a predetermined characteristic in the LSI. An apparatus for calculating a deterioration margin amount over time, a pre-deterioration characteristic generation means for obtaining a characteristic before deterioration of the characteristic in an initial state of the LSI for at least a part of a plurality of signal paths constituting the LSI; For at least some of the plurality of signal paths constituting the LSI, after-deterioration characteristic generation means for obtaining the characteristic after deterioration of the characteristic when a predetermined operation period has passed under a predetermined operation condition, and the plurality of signal paths Among these, the signal path before the deterioration in the signal path having the smallest margin of the characteristic after the deterioration with respect to the characteristic necessary for the LSI to operate. Characteristic deterioration degree generating means for obtaining a characteristic deterioration degree that is a ratio of the characteristic after deterioration to the property, deterioration over time that substantially determines a time deterioration margin amount based on the characteristic before deterioration and the characteristic deterioration degree Margin amount generating means.
[0022]
As a result, the characteristics before deterioration are generally easier to obtain than the characteristics after deterioration. Therefore, once the degree of characteristic deterioration is obtained for a certain LSI, the characteristics of other LSIs are deteriorated each time. The time-dependent deterioration margin amount can be easily obtained without obtaining the above characteristics. Note that the time-dependent deterioration margin amount is not limited to other LSIs as described above. For example, even if the same LSI is used, the signal after the design change is not obtained for the same LSI. It may be a path. Here, the actual value required is not the time-dependent deterioration margin itself, but for example, the sum of the reference characteristic amount and the time-dependent deterioration margin amount or the reciprocal value, etc. The present invention can be applied and the same effect can be obtained as long as it is a value that substantially includes the aging deterioration margin amount as described above.
[0023]
In addition, a predetermined margin may be further included in the amount of time-dependent deterioration margin obtained as described above. In other words, for example, the reliability can be improved even for the influence of factors that are difficult to consider in obtaining the above-described characteristics, or the allowable range of reliability is expanded (a certain degree of decrease in reliability) Or the like, the deterioration margin amount with time may be increased or decreased.
[0024]
In addition, the characteristics after degradation are not necessarily obtained for all signal paths, but are necessary for the LSI to be able to operate in a group in which a plurality of signal paths constituting the LSI are divided into a plurality of groups. The characteristics after degradation may be obtained for a signal path of a group having a small margin of characteristics before degradation with respect to various characteristics. In other words, except for signal paths that have a sufficient margin in the characteristics before degradation, obtain the characteristics after degradation only for signal paths that are likely to be used to determine the degree of characteristic degradation. Thus, the amount of calculation can be reduced and the overall processing efficiency can be increased.
[0025]
The present invention can be applied to signal path delays, for example. In this case, for example, the degree of characteristic deterioration is set as a derating factor corresponding to the deterioration of the characteristic over time, and at least the delay before deterioration together with the derating factor corresponding to manufacturing variation, power supply voltage fluctuation, and temperature fluctuation is shifted. For example, it is possible to easily calculate the maximum delay including the amount of deterioration with time.
[0026]
Further, the power supply voltage condition in the predetermined operating condition when the post-degradation characteristic generation unit obtains the post-degradation characteristic, the pre-deterioration characteristic generation unit, and the post-degradation characteristic generation unit The power supply voltage condition for obtaining the characteristic and the characteristic after the deterioration is different from each other, or the pre-deterioration characteristic generation unit and the post-degradation characteristic generation unit respectively The pre-deterioration delay, and the pre-degradation delay, and the post-degradation delay characteristic of the element (for example, the characteristic of the element having the lowest responsiveness), Further, the reliability of the LSI may be further improved by obtaining the post-deterioration delay.
[0027]
In addition to the device for determining the degree of characteristic deterioration as described above, an LSI device for calculating the time degradation margin amount may be provided, which includes a time degradation margin amount generating means for substantially obtaining the time degradation margin amount. . In this case, since it is not necessary for the apparatus to have a function for obtaining the characteristic after deterioration for obtaining the characteristic deterioration degree, it is possible to obtain the deterioration margin amount with time with a small-scale apparatus.
[0028]
Further, by inspecting the operation of the LSI using the frequency obtained by multiplying the predetermined frequency by the characteristic deterioration degree obtained in the same manner as the case of obtaining the time degradation margin amount, for example, before and after the deterioration. Compared to testing with a lower power supply voltage by converting the delay difference into a power supply voltage difference, errors due to the nonlinear relationship between power supply voltage and delay, etc. cannot occur. Evaluation can be avoided reliably.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described by taking as an example a case where a predetermined characteristic of interest as an object of deterioration with time is a delay and the deterioration degree of the characteristic is a delay deterioration rate.
[0030]
(Embodiment 1)
FIG. 4 is a block diagram showing the overall configuration of a time-dependent deterioration margin amount calculation apparatus used during LSI design and inspection according to Embodiment 1 of the present invention. In the configuration of FIG.
Based on the LSI design information 301, the delay deterioration rate predicting unit 101 calculates a delay (pre-deterioration characteristic) of each signal path constituting the LSI before deterioration (characteristic before deterioration) and outputs pre-deterioration signal path delay information 302. At the same time, the delay degradation rate (characteristic degradation degree) when each signal path operates over the target period of the product life is calculated and the signal path delay degradation rate information 303 is output. The LSI design information 301 corresponds to, for example, the signal path 20 shown in FIG. 1, the type of the built-in logic circuit, the net list representing the connection relationship of the logic circuit, the parasitic element information of the connection wiring of the logic circuit, the mask shape It includes all information necessary for LSI design, such as information, manufacturing information, operating conditions (power supply voltage, temperature, operating frequency, operating frequency, etc.), and product life target. The LSI design information 301 and the following information are held in a storage unit (not shown).
[0031]
The delay-to-delay degradation rate analysis unit 102 reads the pre-degradation signal path delay information 302 and the signal path delay degradation rate information 303, and delay-to-delay degradation rate relationship information that is information relating to the correlation between delay and delay degradation rate. 304 is output.
[0032]
The delay deterioration rate extraction unit 103 (characteristic deterioration degree generation means) extracts a delay deterioration rate of a predetermined signal path to be described later based on the delay-to-delay deterioration rate relationship information 304 and outputs it as a delay deterioration margin 305. It is.
[0033]
A delay deterioration margin amount calculation unit 104 (deterioration deterioration margin amount generation means) using a derating factor calculates a delay deterioration margin amount using the delay deterioration margin 305 as a derating factor G.
[0034]
The inspection operating frequency calculation unit 105 calculates the inspection operating frequency using the delay deterioration margin 305 as the derating factor G, similarly to the delay deterioration margin amount calculation unit 104.
[0035]
More specifically, the delay deterioration rate prediction unit 101 includes, as shown in FIG. 5, for example, a signal path delay calculation unit 111a (pre-deterioration characteristic generation unit) that outputs pre-deterioration signal path delay information 302, a transistor, and the like. A pre-degradation circuit analysis unit 111 including a unit circuit stress calculation unit 111b that calculates stress received by the unit circuit, and unit circuit degradation that analyzes current-voltage characteristics based on information output from the unit circuit stress calculation unit 111b Degree analysis unit 112, post-degradation circuit analysis unit 113 (post-degradation characteristic generation means) for obtaining a post-degradation delay based on the analysis result, and the obtained post-degradation delay and signal path delay calculation unit 111a Based on the signal path delay information 302 before degradation, the delay degradation rate calculator 114 (characteristic degradation) that outputs the signal path delay degradation rate information 303 is output. Degree generating means) and are configured provided.
[0036]
Next, the operation of the time-dependent deterioration margin calculation apparatus configured as described above will be described. The operation of this computing device is roughly divided into an operation for analyzing a certain LSI in advance and obtaining a delay degradation margin 305, and another LSI (or design change) to be designed using the obtained delay degradation margin 305. In this case, there is an operation for obtaining the delay deterioration margin amount and the inspection operating frequency. The former operation is performed by the delay deterioration rate prediction unit 101, the delay versus delay deterioration rate analysis unit 102, and the delay deterioration rate extraction unit 103. Further, the latter operation is performed by a part of the delay deterioration rate prediction unit 101 (signal path delay calculation unit 111a), a delay deterioration margin amount calculation unit 104, and a test operation frequency calculation unit 105 (indicated by a broken line in FIG. 4). Component). Hereinafter, the two operations will be specifically described.
(Operation to obtain delay degradation margin)
The delay deterioration rate prediction unit 101 is disclosed in, for example, a gate level timing deterioration simulation method disclosed in US Pat. No. 5,974,247 and Japanese Patent Laid-Open No. 10-124565, BTABERT User's Manual (BTA Technology Inc., USA), US Pat. No. 5,533,197, and the like. Based on the calculated transistor level reliability simulation method, the delay before deterioration of each signal path included in the LSI is calculated, and each signal path is subjected to a predetermined operating condition (power supply voltage, operating frequency, etc.) over the target period of product life. ) Calculate the delay degradation rate when operating in).
[0037]
More specifically, in the pre-degradation circuit analysis unit 111 of the delay degradation rate prediction unit 101, the signal path delay calculation unit 111a analyzes characteristics before degradation of each signal path to calculate a signal path delay before degradation, and before degradation. Output as signal path delay information 302. Similarly to the signal path delay calculation unit 111a, the unit circuit stress calculation unit 111b analyzes the characteristics of each signal path before deterioration, and then biases the unit circuit included in each signal path, for example, the stress received by each transistor. Calculate from conditions. Next, the unit circuit deterioration degree analysis unit 112 analyzes the degree of deterioration of the voltage-current characteristics of the transistor according to the stress. The post-degradation circuit analysis unit 113 analyzes the post-degradation circuit characteristics using the voltage-current characteristics of the degraded transistor, and obtains the signal path delay after the degradation. The delay degradation rate calculation unit 114 calculates a delay degradation rate based on the signal path delay after the degradation and the pre-degradation signal path delay information 302 output from the signal path delay calculation unit 111a, and the signal path delay degradation Output as rate information 303. This delay deterioration rate is defined by the following equation (4).
[0038]
R = taged / tfresh (4)
Here, tfresh and taged are signal path delays before and after deterioration, respectively. Specific examples of the signal path delay before deterioration, the signal path delay after deterioration, and the signal path delay deterioration rate (for example, for signal paths 1 to M) are shown in a table format in FIG.
[0039]
Next, the delay-to-delay degradation rate analysis unit 102 obtains a correlation between the pre-degradation signal path delay information 302 and the signal path delay degradation rate information 303, and outputs delay-to-delay degradation rate relationship information 304. An example of the delay-to-delay deterioration rate relationship information 304 is shown in a graph form in FIG. Each plot in the figure represents the relationship between the signal path delay before deterioration and the signal path delay deterioration rate for each signal path. When the present inventors actually performed the above calculation for various LSIs, it was found that the signal path delay deterioration rate tends to decrease as the signal path delay before deterioration increases as shown in FIG. It was. The reason why such a correlation is obtained is considered to be as follows. That is, a signal path with a large delay generally means that there are a large number of logic circuit stages. In this case, normally, each logic circuit has a high response such as by increasing a bias voltage, that is, an output signal waveform. The change is configured to be relatively steep. On the other hand, in a signal path with a small number of logic circuit stages, since the delay is originally small, there is not much need to improve the responsiveness in particular, and therefore the output signal waveform is comparative. By the way, it is known that the hot carrier deterioration becomes larger as the input waveform of the logic circuit is rounded. Taking these into account, it can be qualitatively explained that the above correlation results in a distribution as shown in FIG.
[0040]
Here, for the sake of convenience of explanation, in order to simplify FIG. 7, an upper limit envelope of the signal path delay deterioration rate is shown in FIG. 8, and the signal path delay deterioration rate is indicated by the hatched line in FIG. It will be distributed in the area. The signal path delay before degradation in this distribution is the largest, that is, the signal path plotted in the vicinity of the design target delay (for example, cycle time: 5 [ns] in this example) is the critical path.
[0041]
The delay deterioration rate extraction unit 103 extracts the signal path delay deterioration rate α at the point indicated by the symbol P in FIG. 8 based on the delay-to-delay deterioration rate relationship information 304 and outputs it as a delay deterioration margin 305. Here, in FIG. 8, there are signal paths whose signal path delay deterioration rate itself is larger than the point P. However, since these signal paths have a small signal path delay before deterioration, the signal path delay after deterioration (deterioration) (Previous signal path delay × signal path delay deterioration rate) is also small and can be ignored because there is a sufficient margin in operation.
(Operation to obtain delay deterioration margin and inspection operating frequency)
Once the delay deterioration margin 305 is obtained as described above, it is used as the derating factor G, and the delay deterioration margin amount when the other LSI is designed or the same LSI is redesigned, and the inspection is performed. Therefore, the operating frequency can be easily calculated. That is, first, the signal path delay calculation unit 111a of the pre-degradation circuit analysis unit 111 in the delay deterioration rate prediction unit 101 performs the degradation of each signal path included in the LSI, as described in the operation for obtaining the delay degradation margin. The previous characteristic is analyzed to calculate the signal path delay before degradation, and the signal path delay information 302 before degradation is output. Therefore, the delay degradation margin amount calculation unit 104 calculates the worst-case delay after degradation based on the pre-degradation signal path delay information 302 and the delay degradation margin 305 as the derating factor G by the following equation (5). Ask. By designing such that the worst-case delay falls within the design target delay, an LSI capable of guaranteeing the operation throughout the lifetime can be manufactured.
[0042]
tworst = ttyp × P × V × T × G (5)
Here, tworst is the maximum value (worst value) of each signal path delay, ttyp is the standard value of each signal path delay (pre-degradation signal path delay information 302), P is a delay variation coefficient corresponding to manufacturing variation, and V is a power supply The delay variation coefficient according to the voltage variation range, T is the delay variation coefficient according to the temperature variation range, and the difference between the case where G is applied and the case where it is not applied, that is, ttyp × P × V × T × (G -1) is the delay deterioration margin amount.
[0043]
Further, the inspection operating frequency faded is obtained by multiplying the target operating frequency ffresh by the derating factor G as shown in the following equation (6).
[0044]
faged = ffresh × G (6)
An accurate inspection can be performed by supplying the inspection operating frequency obtained as described above to the LSI and inspecting whether or not the LSI operates properly. That is, the delay becomes G times due to deterioration with respect to a certain operating frequency (cycle time) and the margin is reduced, and the operating frequency is G times (cycle time is 1 / G times) the delay before deterioration. This is equivalent to reducing the margin and reducing the delay before and after deterioration into a power supply voltage difference and inspecting with a lower power supply voltage compared to the conventional method. An error due to the relationship cannot occur, and underestimation and overestimation of the aging deterioration margin value can be surely avoided.
[0045]
As described above, according to the time degradation margin amount calculation apparatus of the present embodiment, a design method using a derating factor is applied, and a time degradation margin amount (or a signal path after degradation corresponding directly thereto). (Maximum value of delay, etc.) can be easily obtained, and accurate inspection can be performed using an appropriate inspection operating frequency.
In the above example, the maximum signal path delay deterioration rate in the critical path (the signal path delay deterioration rate α at the point P in FIG. 8) is set as the delay deterioration margin 305. However, in order to further improve reliability. In addition, a value obtained by multiplying a predetermined factor larger than 1 (for example, a signal path delay deterioration rate β at a point indicated by a symbol Q in FIG. 9) may be used. That is, the degree of delay degradation may differ depending on the influence of signal overshoot caused by, for example, the characteristics of the transistors constituting the circuit and the parasitic capacitance of the wiring. In order to increase the safety factor in consideration of such factors that cause the degree of delay deterioration, the above margin rate may be applied based on empirical statistical values. Conversely, a smaller value may be used by expanding the allowable range of reliability. Even when the value of the delay deterioration margin 305 is increased / decreased in this way, since the reference value is obtained appropriately as described above, the reliability of the obtained LSI shall be managed probabilistically. Can do.
[0046]
Further, an example in which the envelope in FIG. 8 based on the simulation result of the signal path delay before deterioration and the signal path delay deterioration rate is monotonously decreased with respect to the signal path delay before deterioration is shown, as shown in FIG. Even when the envelope has irregularities, an appropriate delay deterioration margin amount can be obtained similarly. In this case, for example, the delay degradation rate γ at the point where the signal path delay after degradation becomes the largest may be used as indicated by the symbol R in FIG.
[0047]
In addition, the signal path delay before deterioration and the signal path delay deterioration rate are temporarily set for all signal paths in order to confirm that the envelope in FIG. 8 monotonously decreases with respect to the signal path delay before deterioration. It may be calculated, but when it is already calculated once, and it is known beforehand that it decreases monotonously, the signal path near the design target delay is always the required signal path delay deterioration rate. Therefore, only the signal path near the critical path may be calculated to improve the processing efficiency.
[0048]
Further, when designing a certain LSI, the delay deterioration margin 305 obtained from another plurality of LSIs may be referred to. In this case, as shown in FIG. 11, based on the envelopes A, B, and C obtained from each LSI in the same manner as in FIG. 8, for example, the signal path delay degradation of the signal path having the maximum signal path delay before degradation. The largest signal path delay deterioration rate (α: point P) among the rates may be used as a delay deterioration margin.
[0049]
Further, in the above example, an example is shown in which the characteristic of interest as a target of deterioration with time is set as a delay. However, the present invention may be applied to various characteristics that deteriorate with time, such as frequency characteristics. For example, when applied to frequency characteristics, it is obvious that the horizontal axis in FIG.
[0050]
In the above example, for the sake of convenience of explanation, the example in which the relationship between the pre-degradation signal path delay and the signal path delay degradation rate as shown in FIG. 7 is once shown is shown. It is also possible to extract the maximum signal path delay after degradation obtained in step 113 and set the signal path delay degradation rate for this to the delay degradation margin 305 (characteristic degradation degree generation means). In addition, the signal path delay after degradation is not obtained for all the signal paths, but the signal paths are grouped so that the signal path delay after degradation may be maximized. The signal path delay after degradation may be obtained only for a signal path with a small margin before degradation. That is, in general, the calculation of the post-degradation signal path delay tends to be a large-scale operation due to the repetition according to the circuit operation, compared to the calculation of the pre-degradation signal path delay. Processing efficiency can be improved.
[0051]
Further, in the above equation (5), the derating factor may be calculated by distinguishing between circuit delay and wiring delay. That is, since the delay is generally the sum of the delay due to the wiring itself and the delay due to other elements, the maximum delay may be obtained by using a separate derating factor for each, in which case the wiring itself The delay due to may not be considered degradation.
[0052]
Further, in order to obtain the delay degradation margin amount or the inspection operating frequency based on the delay degradation margin obtained in advance, an apparatus including only the components surrounded by the broken line in FIG. 4 may be configured. . That is, it is possible to configure a device that can easily and quickly obtain the deterioration margin with time by providing the delay deterioration margin with a small configuration.
(Embodiment 2)
The power supply voltage of the LSI can take various values within the specification range during the operation period from the initial state after shipment to the product life, and the degree of hot carrier deterioration depends on the power supply applied during the operation period. It depends on the voltage. Therefore, as the second embodiment, when determining the pre-degradation signal path delay information 302 and the signal path delay degradation rate information 303, the power supply voltage as an operating condition is appropriately set, so that the reliability of the LSI can be increased. An apparatus for calculating a time-dependent deterioration margin amount capable of obtaining a time-dependent deterioration margin amount for the purpose will be described. In the present embodiment, components having the same functions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0053]
Compared with the first embodiment (FIGS. 4 and 5), the time degradation margin amount calculation apparatus according to the second embodiment has a delay deterioration rate prediction instead of the delay deterioration rate prediction unit 101 as shown in FIG. The difference is that the unit 201 is provided. The pre-degradation circuit analysis unit 211, the unit circuit degradation degree analysis unit 212, and the post-degradation circuit analysis unit 213 that constitute the delay degradation rate prediction unit 201 generally constitute the delay degradation rate prediction unit 101 of the first embodiment. The power supply voltage used when obtaining the pre-degradation signal path delay information 302 and the signal path delay degradation rate information 303 is VDDmin or VDDmax. That is, the signal path delay calculation unit 211a and the post-degradation circuit analysis unit 213 of the pre-degradation circuit analysis unit 211 obtain the pre-degradation signal path delay information 302 using the minimum power supply voltage VDDmin. Further, the unit circuit stress calculation unit 211b and the unit circuit degradation degree analysis unit 212 analyze the degradation state of each signal path using the maximum power supply voltage VDDmax.
[0054]
Setting the power supply voltage as described above means that, as shown in FIG. 13, the maximum power supply voltage VDDmax at which the signal path delay deterioration rate information 303 is the largest and the deterioration as the voltage to be operated until the product lifetime is reached. The delay deterioration margin amount is obtained by using the lowest power supply voltage VDDmin at which the previous signal path delay becomes the largest. More specifically, as shown in FIG. 14, the signal path delay after deterioration becomes larger as the power supply voltage applied at the time of deterioration becomes higher, and the power supply voltage becomes lower regardless of before and after deterioration. Since the signal path delay becomes large (for example, b> a), the signal path delay when the LSI is deteriorated by applying the maximum power supply voltage VDDmax and operating by applying the minimum power supply voltage VDDmin (same figure). C) is the largest signal path delay, and the worst value of the post-degradation delay is obtained. This value is larger than the case where the maximum power supply voltage VDDmax is simply used in all cases, and is a value that can actually occur.
[0055]
Therefore, instead of using the delay deterioration rate prediction unit 101 shown in FIG. 4 as described above, the time degradation margin amount calculation device including the delay deterioration rate prediction unit 201 is used, and by setting the power supply voltage as described above, It is possible to easily determine the delay deterioration margin amount and the inspection operating frequency under the worst conditions, and thus it is possible to obtain an LSI with higher reliability.
(Embodiment 3)
Transistor characteristics generally vary due to various factors in the manufacturing process, and the influence of hot carrier deterioration also varies. Specifically, the drain current and responsiveness typically vary. Therefore, as the third embodiment, by taking into account the variation in transistor characteristics, that is, by appropriately setting the manufacturing variation condition, it is possible to obtain a time-dependent deterioration margin amount for further improving the reliability of the LSI. A deterioration margin amount calculation apparatus will be described.
[0056]
The temporal degradation margin amount calculation apparatus according to the third embodiment has substantially the same configuration as that of the second embodiment (the delay deterioration rate prediction unit in FIG. 12 instead of the delay deterioration rate prediction unit 101 in FIG. 4). 201.). However, the pre-degradation circuit analysis unit 211, the unit circuit degradation degree analysis unit 212, and the post-degradation circuit analysis unit 213 determine the pre-degradation signal path delay information 302 and the signal path delay degradation rate information 303 in the second embodiment. In addition to the setting of the power supply voltage described in the above item, the transistor characteristic is such that the signal path delay is maximized within the range of variation. That is, for example, the drain current magnitude and response of a MOS transistor vary within a predetermined range for both the p-channel and the n-channel, and the combination of characteristics is surrounded by a solid line connecting white circles (corner conditions) in FIG. Range. (Specifically, the corner condition can be expressed by, for example, a SPICE parameter or a BTABERT parameter (BTABERT User's Manual, BTA Technology Inc., USA) used in the simulation.) While the deterioration is generally smaller than that of the n-channel MOS transistor, the characteristic of the n-channel MOS transistor deteriorates as shown by a black circle in the figure, so that the combination of characteristics falls within a range surrounded by a two-dot chain line. Therefore, by setting a variation condition using a corner condition indicated by symbol S in FIG. 15 in a simulation performed by the pre-degradation circuit analysis unit 211, the unit circuit degradation degree analysis unit 212, and the post-degradation circuit analysis unit 213, the transistor The delay deterioration margin amount and the inspection operating frequency under the worst condition that can occur in actual operation can be easily determined in consideration of the variation in the characteristics of the above, and therefore, within the range surrounded by the two-dot chain line in FIG. It is possible to obtain an LSI with higher reliability that operates reliably even if the characteristics of the transistor vary.
[0057]
For example, when the influence of variation in transistor characteristics is greater than the influence of setting the power supply voltage, the power supply voltage setting may be set to a standard value, and only the influence of the variation may be considered.
Each of the above embodiments is merely an example of introduction and description, and is not limited to this. That is, various other embodiments within the substantial scope of the present invention, and modifications from the present embodiment can be made.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, once the degree of characteristic deterioration is obtained for a certain LSI, the time-dependent deterioration margin amount can be easily obtained for other LSIs without obtaining the characteristic after deterioration each time. it can. That is, for example, it is possible to incorporate consideration of delay deterioration with time into a design method using a derating factor, and the delay after deterioration can be easily obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a general configuration of a signal path.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a cycle time and an inspection voltage for explaining a conventional inspection method.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of a power supply voltage and a delay before and after deterioration.
FIG. 4 is a block diagram showing an overall configuration of a time-dependent deterioration margin amount calculation apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram showing a detailed configuration of a delay deterioration rate prediction unit 101. FIG.
FIG. 6 is a table showing an example of signal path delay before and after deterioration and a signal path delay deterioration rate.
FIG. 7 is a graph showing an example of a relationship between a signal path delay before deterioration and a signal path delay deterioration rate.
FIG. 8 is a graph showing an example of the relationship between a signal path delay before deterioration and a signal path delay deterioration rate using an envelope.
FIG. 9 is a graph for explaining an example of obtaining a delay deterioration rate.
FIG. 10 is a graph for explaining another example for obtaining the delay deterioration rate.
FIG. 11 is a graph for explaining still another example for obtaining the delay deterioration rate.
FIG. 12 is a block diagram showing a detailed configuration of a delay deterioration rate prediction unit 201 in the temporal deterioration margin amount calculation apparatus according to Embodiments 2 and 3 of the present invention.
FIG. 13 is a graph for explaining an example of a power supply voltage for obtaining a post-deterioration delay according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 14 is another graph for explaining an example of the power supply voltage.
FIG. 15 is a graph illustrating an example of variation in characteristics of transistors included in an LSI.
[Explanation of symbols]
20 signal path
21 Flip-flop
22 circuits
23 Clock signal
101 Delay deterioration rate prediction unit
102 Delay versus delay degradation rate analysis unit
103 Delay deterioration rate extraction unit
104 Delay degradation margin amount calculation unit using derating factor
105 Operating frequency calculator for inspection
111 Pre-degradation circuit analyzer
111a Signal path delay calculation unit
111b Unit circuit stress calculator
112 Unit circuit degradation analysis unit
113 Post-degradation circuit analyzer
114 Delay deterioration rate calculation unit
201 Delay degradation rate prediction unit
211 Pre-degradation circuit analysis unit
211a Signal path delay calculation unit
211b Unit circuit stress calculator
212 Unit circuit deterioration analysis unit
213 Post-degradation circuit analysis unit
301 LSI design information
302 Signal path delay information before deterioration
303 Signal path delay deterioration rate information
304 Relationship between delay and delay degradation rate
305 Delay degradation margin

Claims (12)

LSIにおける遅延である特性について、上記特性が劣化したときでも上記LSIが動作し得るように、設計余裕として見込むための経時劣化マージン量を計算するLSIの経時劣化マージン量の計算装置であって、
上記LSIを構成する少なくとも一部の複数の信号パスについて、上記LSIの初期状態における上記特性の劣化前の特性を求める劣化前特性生成手段と、
上記LSIを構成する少なくとも一部の複数の信号パスについて、所定の動作条件で所定の動作期間が経過した時における上記特性の劣化後の特性を求める劣化後特性生成手段と、
上記複数の信号パスのうち、上記LSIが動作し得るために必要な特性に対する上記劣化後の特性の余裕が最も小さい信号パスにおける、上記劣化前の特性に対する上記劣化後の特性の割合である特性劣化度合を求める特性劣化度合生成手段と、
上記劣化前の特性と、上記特性劣化度合とに基づいて、経時劣化マージン量を求める経時劣化マージン量生成手段と、
を備えたことを特徴とするLSIの経時劣化マージン量の計算装置。
An LSI aging deterioration amount calculation device for calculating a aging deterioration margin amount for estimating as a design margin so that the LSI can operate even when the characteristic is deteriorated with respect to a characteristic that is a delay in the LSI,
Pre-degradation characteristic generation means for obtaining characteristics before deterioration of the characteristic in the initial state of the LSI for at least some of the plurality of signal paths constituting the LSI;
For at least some of the plurality of signal paths constituting the LSI, after-degradation characteristic generation means for obtaining a characteristic after deterioration of the characteristic when a predetermined operation period has passed under a predetermined operation condition;
A characteristic that is a ratio of the characteristic after deterioration to the characteristic before deterioration in the signal path having the smallest margin of the characteristic after deterioration with respect to the characteristic necessary for the LSI to operate among the plurality of signal paths. A characteristic deterioration degree generation means for obtaining a deterioration degree;
A time-dependent deterioration margin amount generating means for obtaining a time-dependent deterioration margin amount based on the characteristic before deterioration and the characteristic deterioration degree;
A device for calculating an amount of margin for deterioration of LSI over time, comprising:
請求項1のLSIの経時劣化マージン量の計算装置であって、
上記経時劣化マージン量生成手段は、上記劣化前の特性と上記特性劣化度合との積と、上記劣化前の特性との差である経時劣化マージン量を求めることを特徴とするLSIの経時劣化マージン量の計算装置。
An apparatus for calculating an amount of deterioration over time of an LSI according to claim 1,
The time degradation margin amount generation means obtains a time degradation margin amount which is a difference between a product of the characteristic before degradation and the characteristic degradation degree and the characteristic before degradation. Quantity calculation device.
請求項1のLSIの経時劣化マージン量の計算装置であって、
上記経時劣化マージン量生成手段は、上記劣化前の特性と上記特性劣化度合との積を求めることにより、経時劣化マージン量を求めることを特徴とするLSIの経時劣化マージン量の計算装置。
An apparatus for calculating an amount of deterioration over time of an LSI according to claim 1,
A time degradation margin amount calculation device for an LSI, wherein the time degradation margin amount generation means obtains a time degradation margin amount by obtaining a product of the characteristic before deterioration and the characteristic deterioration degree.
請求項1のLSIの経時劣化マージン量の計算装置であって、
上記経時劣化マージン量生成手段は、上記劣化前の特性と、上記特性劣化度合とともに、さらに、所定の余裕率に基づいて、経時劣化マージン量を求めることを特徴とするLSIの経時劣化マージン量の計算装置。
An apparatus for calculating an amount of deterioration over time of an LSI according to claim 1,
The aging deterioration margin amount generation means obtains the aging deterioration margin amount based on a predetermined margin rate together with the characteristics before deterioration and the characteristic deterioration degree, and the aging deterioration margin amount of the LSI is characterized in that Computing device.
請求項1のLSIの経時劣化マージン量の計算装置であって、
上記劣化後特性生成手段は、上記LSIを構成する複数の信号パスを複数のグループに分けたグループのうち、上記LSIが動作し得るために必要な特性に対する上記劣化前の特性の余裕が小さいグループの信号パスについて、上記劣化後の特性を求めることを特徴とするLSIの経時劣化マージン量の計算装置。
An apparatus for calculating an amount of deterioration over time of an LSI according to claim 1,
The after-degradation characteristic generation means is a group in which a plurality of signal paths constituting the LSI are divided into a plurality of groups, and the margin of the characteristic before deterioration is small with respect to characteristics necessary for the LSI to operate. An apparatus for calculating the deterioration margin amount of LSI over time, characterized in that the characteristic after deterioration of the signal path is obtained.
請求項1のLSIの経時劣化マージン量の計算装置であって、
上記経時劣化マージン量生成手段は、上記特性劣化度合を求めた上記信号パスとは異なる信号パスについて、上記経時劣化マージン量を求めることを特徴とするLSIの経時劣化マージン量の計算装置。
An apparatus for calculating an amount of deterioration over time of an LSI according to claim 1,
A time degradation margin amount calculation apparatus for an LSI, wherein the time degradation margin amount generation means obtains the time degradation margin amount for a signal path different from the signal path for which the characteristic degradation degree is obtained.
請求項1のLSIの経時劣化マージン量の計算装置であって、
上記LSIが動作し得るために必要な特性は、設計目標遅延であることを特徴とするLSIの経時劣化マージン量の計算装置。
An apparatus for calculating an amount of deterioration over time of an LSI according to claim 1,
An apparatus for calculating an amount of deterioration with time of an LSI, wherein a characteristic necessary for the operation of the LSI is a design target delay.
請求項1のLSIの経時劣化マージン量の計算装置であって、
上記経時劣化マージン量生成手段は、上記特性劣化度合を上記特性の経時劣化に対応するディレイティングファクタとし、少なくとも、製造ばらつき、電源電圧変動、および温度変動にそれぞれ対応するディレイティングファクタとともに上記劣化前の特性に乗じて、上記経時劣化マージン量を含む最大遅延を算出するように構成されていることを特徴とするLSIの経時劣化マージン量の計算装置。
An apparatus for calculating an amount of deterioration over time of an LSI according to claim 1,
The aging deterioration margin amount generation means uses the degree of characteristic deterioration as a derating factor corresponding to the deterioration of the characteristic over time, and at least the derating factor corresponding to each of manufacturing variation, power supply voltage fluctuation, and temperature fluctuation before the deterioration. A device for calculating an amount of deterioration over time of an LSI, wherein the maximum delay including the amount of deterioration over time is calculated by multiplying the above characteristic.
請求項1のLSIの経時劣化マージン量の計算装置であって、
上記劣化後特性生成手段が上記劣化後の特性を求める際の上記所定の動作条件における電源電圧条件と、
上記劣化前特性生成手段、および上記劣化後特性生成手段が上記劣化前の特性、および上記劣化後の特性を求めるための電源電圧条件とが、互いに異なる電源電圧条件であることを特徴とするLSIの経時劣化マージン量の計算装置。
An apparatus for calculating an amount of deterioration over time of an LSI according to claim 1,
A power supply voltage condition in the predetermined operating condition when the post-degradation characteristic generation means obtains the post-degradation characteristic;
The LSI characterized in that the pre-deterioration characteristic generation means and the post-deterioration characteristic generation means determine the pre-degradation characteristic and the power supply voltage condition for obtaining the post-degradation characteristic are different from each other. For calculating the amount of deterioration over time.
請求項1のLSIの経時劣化マージン量の計算装置であって、
上記劣化前特性生成手段、および上記劣化後特性生成手段は、それぞれ、上記LSIを構成する素子の特性のばらつきの範囲で、上記劣化前の特性、および上記劣化後の特性が最も大きくなる上記素子の特性を用いて、上記劣化前の特性、および上記劣化後の特性を求めることを特徴とするLSIの経時劣化マージン量の計算装置。
An apparatus for calculating an amount of deterioration over time of an LSI according to claim 1,
The pre-degradation characteristic generation unit and the post-degradation characteristic generation unit are respectively the element in which the pre-deterioration characteristic and the post-degradation characteristic are the largest in the range of variations in the characteristics of the elements constituting the LSI. An apparatus for calculating a deterioration margin amount with time of an LSI, wherein the characteristic before deterioration and the characteristic after deterioration are obtained using the characteristic of
請求項10のLSIの経時劣化マージン量の計算装置であって、
上記劣化前の特性、および上記劣化後の特性が最も大きくなる上記素子の特性は、上記素子の応答性が最も低い特性であることを特徴とするLSIの経時劣化マージン量の計算装置。
An apparatus for calculating an amount of deterioration over time of an LSI according to claim 10,
A device for calculating an age deterioration margin of an LSI, wherein the characteristic before deterioration and the characteristic of the element having the largest characteristic after deterioration are characteristics with the lowest response of the element.
請求項1のLSIの経時劣化マージン量の計算装置であって、
上記劣化後特性生成手段が上記劣化後の特性を求める際の上記所定の動作条件における電源電圧条件と、
上記劣化前特性生成手段、および上記劣化後特性生成手段が上記劣化前の特性、および上記劣化後の特性を求めるための電源電圧条件とが、互いに異なる電源電圧条件であるとともに、
上記劣化前特性生成手段、および上記劣化後特性生成手段は、それぞれ、上記LSIを構成する素子の特性のばらつきの範囲で、上記劣化前の特性、および上記劣化後の特性が最も大きくなる上記素子の特性を用いて、上記劣化前の特性、および上記劣化後の特性を求めることを特徴とするLSIの経時劣化マージン量の計算装置。
An apparatus for calculating an amount of deterioration over time of an LSI according to claim 1,
A power supply voltage condition in the predetermined operating condition when the post-degradation characteristic generation means obtains the post-degradation characteristic;
The pre-degradation characteristic generation unit and the post-degradation characteristic generation unit are different from each other in power supply voltage conditions for obtaining the pre-degradation characteristic and the post-degradation characteristic.
The pre-degradation characteristic generation unit and the post-degradation characteristic generation unit are respectively the element in which the pre-deterioration characteristic and the post-degradation characteristic are the largest in the range of variations in the characteristics of the elements constituting the LSI. An apparatus for calculating a deterioration margin amount with time of an LSI, wherein the characteristic before deterioration and the characteristic after deterioration are obtained using the characteristic of
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