JP4617832B2 - Semiconductor integrated circuit design method - Google Patents
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Description
本発明は、接合分離(JI;Junction-Isolation)もしくは自己分離(SI;Self-Isolation)を用いた半導体集積回路の設計方法に関する。 The present invention relates to a method for designing a semiconductor integrated circuit using junction isolation (JI) or self-isolation (SI).
JIもしくはSIを用いて、p導電型半導体基板の表層部に複数の半導体素子がレイアウトされた半導体集積回路においては、外部端子に繋がる半導体素子のn導電型領域に負入力などのサージが印加されると、n導電型領域がp導電型半導体基板に対して順バイアスされる。このため、電子が、n導電型領域からp導電型の半導体基板に注入される。通常、p導電型半導体基板は不純物濃度が1×1015/cm3程度と低いため、p導電型の半導体基板基板に注入された電子は、ホールと再結合することなく、電子電流となって基板内部まで拡散していく。 In a semiconductor integrated circuit in which a plurality of semiconductor elements are laid out on the surface layer portion of a p-conductivity type semiconductor substrate using JI or SI, a surge such as a negative input is applied to the n-conductivity type region of the semiconductor element connected to the external terminal. Then, the n conductivity type region is forward biased with respect to the p conductivity type semiconductor substrate. For this reason, electrons are injected from the n conductivity type region into the p conductivity type semiconductor substrate. Usually, since the p-conductivity type semiconductor substrate has a low impurity concentration of about 1 × 10 15 / cm 3 , electrons injected into the p-conductivity type semiconductor substrate substrate become an electron current without recombining with holes. It diffuses into the substrate.
ここで、集積回路を構成する半導体素子として、前記外部端子に隣接して正規のNPNトランジスタがある場合を考察する。前記サージによって基板内部に拡散した電子電流が、JIもしくはSIを用いた半導体集積回路おいて必然的に発生する寄生バイポーラトランジスタを介して正規トランジスタに到達すると、正規トランジスタがオフ状態であっても正規トランジスタのコレクタに電流が流れる。この電子電流が流入して発生するコレクタ電流が大きい場合には、コレクタに繋がる外部抵抗による電位降下が起き、正規トランジスタはオフ状態からオン状態に変わってしまい、正規トランジスタを含んだ回路が誤動作する。また、正規トランジスタがオフ状態からオン状態に完全に反転しないまでも、正規トランジスタの出力電流が変動することで次段のトランジスタの入力に影響を与え、さらにそれが増幅されることでノイズが伝播して回路全体に悪影響が及ぶ。 Here, consider the case where there is a regular NPN transistor adjacent to the external terminal as the semiconductor element constituting the integrated circuit. When the electron current diffused into the substrate by the surge reaches the normal transistor via a parasitic bipolar transistor that is inevitably generated in a semiconductor integrated circuit using JI or SI, the normal current is normal even if the normal transistor is in an off state. Current flows through the collector of the transistor. When the collector current generated by the inflow of the electron current is large, a potential drop due to an external resistance connected to the collector occurs, the normal transistor changes from the off state to the on state, and the circuit including the normal transistor malfunctions. . Even if the normal transistor does not completely reverse from the off state to the on state, the output current of the normal transistor fluctuates, affecting the input of the next-stage transistor and further amplifying it to propagate noise. As a result, the entire circuit is adversely affected.
こうした回路誤動作を防止する手段として、例えば、Proceedings of 2004 ISPSD & ICs, pp.423-426(非特許文献1)では、外部端子に繋がる正規の半導体素子の周囲に、n導電型ウェルなどの寄生防止のガードリングを形成する方法が開示されている。このn導電型ウェルを高電位に固定することで、サージによって半導体基板に注入された電子電流を吸収させることができる。また、特開平11−145308号公報(特許文献1)では、CAD(Computer Aided Design)データをもとにデザインルールチェック(DRC)を行い、ガードリングを隙間なくレイアウトする方法が開示されている。
上記したサージによる電子電流をガードリングに吸収させる方法は、サージの影響をある程度低減することはできるものの、必ずしも上記集積回路の誤動作防止を保証するものではない。これは、寄生バイポーラトランジスタの解析手法がまだ確立されていないためである。従って、これまでガードリングは入出力部など経験的に起こりやすい個所に配置し、ガードリングを入れた効果の検証は製品チップを試作して評価してきた。しかしながら、この方法は、誤動作がまだ解消されなければ半導体素子間の距離をさらに離すなどマスクの全層設計変更を伴うレイアウト修正を繰り返す必要があり、非常に非効率的で、これが製品コスト低減の障害となっている。 Although the above-described method of absorbing the electron current due to the surge in the guard ring can reduce the influence of the surge to some extent, it does not necessarily guarantee the prevention of malfunction of the integrated circuit. This is because the analysis method of the parasitic bipolar transistor has not been established yet. Therefore, until now, the guard ring has been placed at places where it is likely to occur empirically, such as the input / output section, and the verification of the effect of including the guard ring has been evaluated by making a trial product chip. However, this method is very inefficient, because it is necessary to repeat layout correction that involves changing the design of all layers of the mask, such as further increasing the distance between the semiconductor elements if the malfunction is still not resolved, and this reduces the product cost. It is an obstacle.
そこで本発明は、JIもしくはSIを用いた半導体集積回路の設計方法であって、寄生バイポーラトランジスタの影響やサージに対するガードリングを入れた効果等をシミュレーションにより予め解析することができ、製品コストを低減することの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している。 Therefore, the present invention is a method for designing a semiconductor integrated circuit using JI or SI, which can analyze in advance the effects of a parasitic bipolar transistor, the effect of putting a guard ring against surges, etc. by simulation, thereby reducing the product cost. It is an object of the present invention to provide a method for designing a semiconductor integrated circuit that can be used.
請求項1に記載の発明は、接合分離もしくは自己分離を用いた半導体集積回路の設計方法であって、半導体基板の表層部において前記集積回路を構成する複数の半導体素子を、CAD上でレイアウトする第1ステップと、前記CAD上のレイアウト図から、前記複数の半導体素子の中で外部端子に直接繋がる入出力保護素子と該入出力保護素子に隣接する第2の半導体素子を解析対象とし、前記入出力保護素子と前記第2の半導体素子の中から、前記入出力保護素子のn電型領域をエミッタとし、前記第2の半導体素子におけるn導電型領域をコレクタとし、前記入出力保護素子と前記第2の半導体素子の間にあるp導電型領域をベースとする寄生のNPNバイポーラトランジスタを抽出する第2ステップと、前記寄生のNPNバイポーラトランジスタの回路パラメータを、デバイスシミュレータにより抽出する第3ステップと、前記寄生のNPNバイポーラトランジスタを前記集積回路に組み入れて、回路シミュレータにより前記外部端子にサージを入力した時の前記寄生のNPNバイポーラトランジスタのラッチアップによる誤動作解析を行う第4ステップとを有することを特徴とした半導体集積回路の設計方法としている。 The invention according to claim 1 is a method for designing a semiconductor integrated circuit using junction isolation or self-isolation , wherein a plurality of semiconductor elements constituting the integrated circuit are laid out on a CAD in a surface layer portion of a semiconductor substrate. From the first step and the layout diagram on the CAD, the input / output protection element directly connected to the external terminal and the second semiconductor element adjacent to the input / output protection element among the plurality of semiconductor elements are analyzed. Of the write output protection element and the second semiconductor element, an n-type region of the input / output protection element is used as an emitter, an n-conductivity type region of the second semiconductor element is used as a collector, and the input / output protection element a second step of extracting the p conductivity type region parasitic NPN bipolar transistor based on the between the second semiconductor element, the parasitic NPN bipolar bets The circuit parameters of Njisuta, a third step of further extracting the device simulator, incorporates NPN bipolar transistor of the parasitic to the integrated circuit, the parasitic NPN bipolar when inputting a surge more the external terminals to the circuit simulator and a method of designing a semiconductor integrated circuit; and a fourth step of performing a motion analysis error due to latch-up transistor.
上記半導体集積回路の設計方法は、JIもしくはSIを用いた半導体集積回路おいて必然的に発生する寄生バイポーラトランジスタの中で、外部端子へのサージ入力に対して影響の大きな寄生のバイポーラトランジスタ、すなわち前記集積回路を構成する前記複数の半導体素子の中で外部端子に直接繋がる入出力保護素子と該入出力保護素子に隣接する第2の半導体素子を解析対象とし、前記入出力保護素子と前記第2の半導体素子の中から、前記入出力保護素子のn電型領域をエミッタとし、前記第2の半導体素子におけるn導電型領域をコレクタとし、前記入出力保護素子と前記第2の半導体素子の間にあるp導電型領域をベースとする寄生のNPNバイポーラトランジスタに限定して、その影響を定量的に把握し、該寄生のNPNバイポーラトランジスタが組み込まれた前記集積回路において外部端子に負入力やESD(Electro Static Discharge)といったサージを入力した時の当該寄生のNPNバイポーラトランジスタのラッチアップによる誤動作を、製品チップの試作前に予め評価する。
上記半導体集積回路の設計方法によれば、製品チップの試作評価を繰り返すことなく当該半導体集積回路の動作検証を効率的に行うことができ、集積回路を構成する複数の半導体素子を効率的にレイアウトすることができるため、これによって製品コストを低減することができる。
The method of designing a semiconductor integrated circuit, in a parasitic bipolar transistor which inevitably occur in advance semiconductor integrated circuit using a JI or SI, large parasitic bipolar transistor effect against a surge input to the external terminals, namely Among the plurality of semiconductor elements constituting the integrated circuit, an input / output protection element directly connected to an external terminal and a second semiconductor element adjacent to the input / output protection element are analyzed, and the input / output protection element and the first Among the two semiconductor elements, an n-type region of the input / output protection element is used as an emitter, an n-conductivity type region of the second semiconductor element is used as a collector, and the input / output protection element and the second semiconductor element the p-type conductivity region between and limited to a parasitic NPN bipolar transistor based quantitatively grasp the impact, the parasitic NPN bi The operation error due to latch-up of the parasitic NPN bipolar transistor when the input surge like negative input and ESD (Electro Static Discharge) to the external terminal at the integrated circuit over La transistor is incorporated, before the product chip prototype Evaluate in advance .
According to the above-described semiconductor integrated circuit design method, it is possible to efficiently perform the operation verification of the semiconductor integrated circuit without repeating prototype evaluation of a product chip, and to efficiently lay out a plurality of semiconductor elements constituting the integrated circuit. because it can be, thereby making it possible to reduce the product cost.
上記半導体集積回路の設計方法では、回路動作に影響を与える寄生のバイポーラトランジスタを上記のように限定することで、解析時間を短縮することが可能である。また、上記半導体集積回路の設計方法では、寄生のNPNバイポーラトランジスタを組み入れた誤動作解析に関して、デバイスシミュレータではなく、より短時間に行える回路シミュレータを用いている。従って、これによっても評価時間を短縮することができ、製品コストを低減することができる。 In the semiconductor integrated circuit design method, the analysis time can be shortened by limiting the parasitic bipolar transistors that affect the circuit operation as described above. Further, in the method of designing a semiconductor integrated circuit, with respect to malfunction analysis incorporating parasitic NPN bipolar transistor, the device simulator rather uses a circuit simulator that can be done more quickly. Therefore, the evaluation time can be shortened also by this, and the product cost can be reduced.
上記半導体集積回路の設計方法において、例えば請求項2に記載のように、前記第2の半導体素子が、PチャンネルMOSトランジスタおよびNチャンネルMOSトランジスタからなるロジック素子であり、前記ロジック素子が、電源の外部端子に直接繋がるp導電型領域を有してなる場合には、前記第2ステップにおいて、前記入出力保護素子と前記ロジック素子の中から、前記ロジック素子における前記p導電型領域をエミッタとし、前記入出力保護素子におけるp導電型領域をコレクタとし、前記ロジック素子と前記入出力保護素子の間にあるn導電型領域をベースとする寄生のPNPバイポーラトランジスタをさらに抽出し、前記第3ステップにおいて、前記寄生のPNPバイポーラトランジスタの回路パラメータを、デバイスシミュレータにより抽出し、前記第4ステップにおいて、前記寄生のNPNバイポーラトランジスタに加えて、前記寄生のPNPバイポーラトランジスタを前記集積回路にさらに組み入れて、回路シミュレータにより前記外部端子にサージを入力した時の前記寄生のNPNバイポーラトランジスタ及び前記寄生のPNPバイポーラトランジスタのラッチアップによる誤動作解析を行うことができる。
In the semiconductor integrated circuit design method, for example, as described in
上記半導体集積回路においては、前述の寄生のNPNバイポーラトランジスタと上記寄生のPNPバイポーラトランジスタは、外部端子にサージを入力した誤動作解析において、JIもしくはSIを用いた半導体集積回路おいて必然的に発生する寄生バイポーラトランジスタの中で、外部端子に隣接する影響の大きな寄生バイポーラトランジスタである。このように回路動作に影響を与える寄生バイポーラトランジスタを限定することで、解析時間を短縮することができ、これによって製品コストを低減することができる。In the semiconductor integrated circuit, the parasitic NPN bipolar transistor and the parasitic PNP bipolar transistor are inevitably generated in a semiconductor integrated circuit using JI or SI in a malfunction analysis in which a surge is input to an external terminal. Among the parasitic bipolar transistors, it is a parasitic bipolar transistor having a large influence adjacent to the external terminal. By limiting the parasitic bipolar transistors that affect the circuit operation in this way, the analysis time can be shortened, thereby reducing the product cost.
請求項3に記載のように、上記半導体集積回路の設計方法においては、例えば、前記半導体基板が、p導電型である構成とすることができる。 As described in claim 3, in the method of designing a semiconductor integrated circuit, for example, the semiconductor substrate may be a p-type conductivity der Ru configuration.
請求項4に記載のように、上記外部端子にサージを入力した誤動作解析では、例えば、前記入出力保護素子が、MOS型トランジスタであり、前記外部端子が、前記MOS型トランジスタのドレインとすることができる。
As described in
請求項5〜7に記載のように、前記第4ステップにおいて誤動作が発生した場合には、前記入出力保護素子と第2の半導体素子の間で電位固定を行う、前記入出力保護素子と第2の半導体素子の間隔を広げる、および前記入出力保護素子と第2の半導体素子の間にn導電型のガードリングを挿入する等のレイアウト変更により、誤動作を解消することができる。
As claimed in
この場合には、上記いずれかのレイアウト変更を組み入れて再び請求項1に記載の解析を行うことで、製品チップを試作することなく、サージに対する上記レイアウト変更の効果をシミュレーションすることができる。従って、上記半導体集積回路の設計方法によれば、製品チップを試作することなく当該半導体集積回路のサージに対する誤動作防止を保証することができると共に、製品コストを低減することができる。 In this case, by incorporating any one of the layout changes described above and performing the analysis according to claim 1 again, the effect of the layout change on the surge can be simulated without making a product chip as a prototype. Therefore, according to the above-mentioned semiconductor integrated circuit design method, it is possible to guarantee the prevention of malfunction of the semiconductor integrated circuit against a surge without producing a trial product chip, and to reduce the product cost.
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の半導体集積回路の設計方法に関する設計フロー図である。 FIG. 1 is a design flowchart relating to a method for designing a semiconductor integrated circuit according to the present invention.
図1に示す半導体集積回路の設計方法は、基本的に、4つのステップS1〜S4を有している。第1ステップS1では、半導体基板の表層部において集積回路を構成する複数の半導体素子をCAD上でレイアウトする。すなわち、集積回路を構成する複数の半導体素子について、各導電型領域のCADデータ(位置、サイズ、形状)を入力し、複数の半導体素子をCAD上でレイアウトする。また、各導電型領域の属性(表面濃度、拡散深さ)も入力して、デバイスシミュレータ(TCAD)上で3次元のチップモデルを作成する。尚、外部端子に繋がる半導体素子には、その属性を表わすダミーレイヤー(外部ダミー)をCAD上で入れる。第2ステップS2では、CAD上のレイアウト図から正規の半導体素子以外の寄生バイポーラトランジスタを抽出する。第3ステップS3では、寄生バイポーラトランジスタの回路パラメータを、TCADにより抽出する。すなわち、寄生バイポーラトランジスタのデバイス計算(例えば、Ic−Ib特性)を実施し、得られた波形から、回路シミュレータ(SPICE)に用いる回路パラメータを抽出する。第4ステップS4では、寄生バイポーラトランジスタを集積回路に組み入れて、SPICEにより回路動作解析を行う。すなわち、抽出した寄生バイポーラトランジスタを正規回路に組み込み、通常の回路動作検証、および外部端子に負入力を想定したサージ波形を入力して、回路の動作検証を行う。 The semiconductor integrated circuit design method shown in FIG. 1 basically includes four steps S1 to S4. In the first step S1, a plurality of semiconductor elements constituting the integrated circuit are laid out on the CAD in the surface layer portion of the semiconductor substrate. That is, CAD data (position, size, shape) of each conductivity type region is input to a plurality of semiconductor elements constituting the integrated circuit, and the plurality of semiconductor elements are laid out on the CAD. In addition, the attributes (surface concentration, diffusion depth) of each conductivity type region are also input, and a three-dimensional chip model is created on the device simulator (TCAD). Note that a dummy layer (external dummy) representing the attribute is inserted on the CAD in the semiconductor element connected to the external terminal. In the second step S2, parasitic bipolar transistors other than normal semiconductor elements are extracted from the layout diagram on the CAD. In the third step S3, circuit parameters of the parasitic bipolar transistor are extracted by TCAD. That is, device calculation (for example, Ic-Ib characteristics) of a parasitic bipolar transistor is performed, and circuit parameters used for a circuit simulator (SPICE) are extracted from the obtained waveform. In the fourth step S4, the parasitic bipolar transistor is incorporated in the integrated circuit, and the circuit operation analysis is performed by SPICE. That is, the extracted parasitic bipolar transistor is incorporated into a normal circuit, and normal circuit operation verification is performed, and a surge waveform assuming a negative input is input to an external terminal, and circuit operation verification is performed.
第4ステップS4において誤動作が発生しないことが確認できれば、製品チップの試作に移行する。また、第4ステップにおいて誤動作が発生した場合には、第1ステップS1に戻って、基板電位の固定、素子間隔の拡大およびガードリング挿入等のレイアウト修正を行い、誤動作が解消するまでステップを繰り返す。 If it is confirmed in the fourth step S4 that no malfunction occurs, the process proceeds to a trial production of the product chip. If a malfunction occurs in the fourth step, the process returns to the first step S1, and layout corrections such as fixing the substrate potential, expanding the element spacing, and inserting a guard ring are performed, and the steps are repeated until the malfunction is resolved. .
図1に示す半導体集積回路の設計方法によれば、JIもしくはSIを用いた半導体集積回路おいて必然的に発生する寄生バイポーラトランジスタについて、その影響を定量的に把握し、寄生バイポーラトランジスタが組み込まれた回路動作を、製品チップの試作前に予め評価することができる。従って、製品チップの試作評価を繰り返すことなく、集積回路を構成する複数の半導体素子を効率的にレイアウトすることができ、これによって製品コストを低減することができる。 According to the design method of the semiconductor integrated circuit shown in FIG. 1, the influence of the parasitic bipolar transistor inevitably generated in the semiconductor integrated circuit using JI or SI is quantitatively grasped, and the parasitic bipolar transistor is incorporated. The circuit operation can be evaluated in advance before trial production of the product chip. Therefore, a plurality of semiconductor elements constituting an integrated circuit can be efficiently laid out without repeating trial evaluation of product chips, thereby reducing product costs.
また、上記半導体集積回路の設計方法では、寄生バイポーラトランジスタを組み入れた回路動作解析に関して、TCADではなく、より短時間に行えるSPICEを用いている。従って、これによっても評価時間を短縮することができ、製品コストを低減することができる。 In the above-mentioned semiconductor integrated circuit design method, SPICE that can be performed in a shorter time is used instead of TCAD for circuit operation analysis incorporating a parasitic bipolar transistor. Therefore, the evaluation time can be shortened also by this, and the product cost can be reduced.
次に、図1に示す半導体集積回路の設計方法について、具体的な実施例を示す。 Next, specific examples of the method for designing the semiconductor integrated circuit shown in FIG. 1 will be described.
図2は、図1における第1ステップS1と第2ステップの一例である。図2(a)は、CAD上にレイアウトされた半導体集積回路101を示す模式的な平面図であり、図2(b)は、図2(a)における一点鎖線A−Aでの断面図である。
FIG. 2 is an example of the first step S1 and the second step in FIG. 2A is a schematic plan view showing the semiconductor integrated
図2(a)の半導体集積回路101では、集積回路を構成する半導体素子として、破線で囲った外部素子ダミー(入出力保護ダイオード)11、MOSトランジスタダミー(PチャンネルおよびNチャンネルMOSトランジスタ)12、パワー素子ダミー13およびバイポーラトランジスタダミー(NPNトランジスタ)14が示されている。尚、図2(a)における斜線の網目部分は、n導電型領域およびp導電型領域へのコンタクトコンタクトを示し、パワー素子ダミー13における四角の網目部分は、パワー素子の各セルが形成された領域を示している。
In the semiconductor integrated
図2(a)に示す半導体集積回路101からは、多数の寄生バイポーラトランジスタを抽出することができる。図2(a)の半導体集積回路101は半導体基板がp導電型であるが、寄生のNPNトランジスタを例にとると、例えば、外部端子に直接繋がる外部素子ダミー11におけるn導電型領域をエミッタとし、外部素子ダミー11に隣接するバイポーラトランジスタダミー14におけるn導電型領域をコレクタとし、外部素子ダミー11のp導電型領域(p導電型半導体基板)をベースとする図2(b)のNPNトランジスタQ1が抽出される。この寄生のNPNトランジスタQ1以外にも、図2(a)の半導体集積回路101からは、パワー素子ダミー13のn導電型領域をエミッタとする寄生のNPNトランジスタや、MOSトランジスタダミー12におけるn導電型領域をコレクタとする寄生のNPNトランジスタを抽出することができる。
A large number of parasitic bipolar transistors can be extracted from the semiconductor integrated
図3と図4に、別の半導体集積回路102を示す。図3は、CAD上にレイアウトされた半導体集積回路102を示す模式的な平面図であり、図4は、図3における一点鎖線B−Bでの断面図である。
3 and 4 show another semiconductor integrated
図3の半導体集積回路102では、集積回路を構成する半導体素子として、破線で囲った入出力保護素子21およびロジック素子(PチャンネルおよびNチャンネルMOSトランジスタ)22が示されている。尚、入出力保護素子21はMOS型トランジスタを用いたものであり、このMOS型トランジスタのドレインが外部端子に直接繋がっている。
In the semiconductor integrated
図3に示す半導体集積回路102からは、寄生バイポーラトランジスタとして、外部端子に直接繋がる入出力保護素子21におけるn導電型領域をエミッタとし、入出力保護素子21に隣接するロジック素子(PチャンネルMOSトランジスタ)22におけるn導電型領域をコレクタとし、入出力保護素子21のp導電型領域(p導電型半導体基板)をベースとする図4のNPNトランジスタQ2が抽出される。また、別の寄生バイポーラトランジスタとして、外部端子に直接繋がるロジック素子(PチャンネルMOSトランジスタ)22におけるp導電型領域をエミッタとし、ロジック素子(PチャンネルMOSトランジスタ)22に隣接する入出力保護素子21におけるp導電型領域をコレクタとし、ロジック素子(PチャンネルMOSトランジスタ)22のn導電型領域をベースとする図4のPNPトランジスタQ3を抽出することができる。
From the semiconductor integrated
この2つの寄生バイポーラトランジスタQ2,Q3は、外部端子にサージを入力した誤動作解析において、JIもしくはSIを用いた半導体集積回路おいて必然的に発生する寄生バイポーラトランジスタの中で、外部端子に隣接する影響の大きな寄生バイポーラトランジスタである。後で図3と図4に示す半導体集積回路102を用いて外部端子にサージを入力した時の誤動作解析を説明するが、このように回路動作に影響を与える寄生バイポーラトランジスタを限定することで、解析時間を短縮することができ、これによって製品コストを低減することができる。
The two parasitic bipolar transistors Q2 and Q3 are adjacent to the external terminal among the parasitic bipolar transistors inevitably generated in a semiconductor integrated circuit using JI or SI in a malfunction analysis in which a surge is input to the external terminal. It is a parasitic bipolar transistor that has a great influence. The malfunction analysis when a surge is input to the external terminal using the semiconductor integrated
以上示したように、寄生バイポーラトランジスタは、CAD上のレイアウト図から設計者の判断により抽出することができる。一方、この寄生バイポーラトランジスタに関する設計者の判断材料をデザインルールにデータベース化し、デザインルールチェック(DRC)を用いることで、図1の第2ステップS2における寄生バイポーラトランジスタの抽出を自動化することができる。これによって、半導体集積回路の設計時間をより短縮することができ、製品コストを低減することができる。 As described above, the parasitic bipolar transistor can be extracted from the layout diagram on the CAD according to the designer's judgment. On the other hand, the designer's judgment material regarding this parasitic bipolar transistor is made into a database of design rules, and by using the design rule check (DRC), the extraction of the parasitic bipolar transistors in the second step S2 of FIG. 1 can be automated. Thereby, the design time of the semiconductor integrated circuit can be further shortened, and the product cost can be reduced.
次に、図1の第3ステップS3以降について、図3の半導体集積回路102の外部端子にサージを入力した時の誤動作解析を例にして説明する。
Next, the third step S3 and subsequent steps in FIG. 1 will be described by taking, as an example, a malfunction analysis when a surge is input to the external terminal of the semiconductor integrated
外部端子にサージを入力して誤動作解析する場合には、図1の第1ステップS1において、外部端子に対して、外部ダミーレイヤーを割り当てておく。これにより、TCADを用いたシミュレーション解析が容易になる。 When a malfunction is analyzed by inputting a surge to the external terminal, an external dummy layer is assigned to the external terminal in the first step S1 of FIG. This facilitates simulation analysis using TCAD.
図5に、図1における第3ステップS3の実施結果の一例を示す。 FIG. 5 shows an example of the execution result of the third step S3 in FIG.
図5(a)は、TCADを用いてシミュレートした寄生PNPトランジスタの電流増幅特性(ガンメルプロット)である。また、図5(b)は、図5(a)のガンメルプロットから市販の汎用ソフトを用いて抽出した、寄生PNPトランジスタのSPICE回路パラメータである。 FIG. 5A is a current amplification characteristic (Gummel plot) of a parasitic PNP transistor simulated using TCAD. FIG. 5B shows SPICE circuit parameters of the parasitic PNP transistor extracted from the Gummel plot of FIG. 5A using commercially available general-purpose software.
図6に、図3と図4に示す半導体集積回路102について、図1における第4ステップS4の実施結果の一例を示す。図6(a)は、図4の寄生バイポーラトランジスタを組み入れた等価回路図である。図中の破線で囲った部分は、ESDサージの等価回路を示している。
FIG. 6 shows an example of the implementation result of the fourth step S4 in FIG. 1 for the semiconductor integrated
図6(b)は、図6(a)の寄生バイポーラトランジスタを組み入れて、誤動作解析した結果である。ESDによるサージ印加時の影響は約200nsで収まるが、その後寄生バイポーラトランジスタがラッチアップして、定常的に1.4Aの電流が流れ続ける。 FIG. 6B shows the result of malfunction analysis incorporating the parasitic bipolar transistor of FIG. The influence of the surge applied by ESD is reduced to about 200 ns, but then the parasitic bipolar transistor latches up, and a current of 1.4 A constantly flows.
図1の第4ステップS4において、誤動作が発生しないことを確認できれば、製品チップの試作に移行する。しかしながら、図6(b)では寄生バイポーラトランジスタのラッチアップが発生しているので、再び図1の第1ステップS1に戻ってレイアウトを修正する。 If it can be confirmed in the fourth step S4 of FIG. 1 that no malfunction occurs, the process proceeds to a trial production of a product chip. However, in FIG. 6B, since the parasitic bipolar transistor is latched up, the layout is corrected again by returning to the first step S1 in FIG.
図7と図8に、レイアウト修正後の半導体集積回路103を示す。図7は、CAD上にレイアウトされた半導体集積回路103を示す模式的な平面図であり、図8は、図7における一点鎖線C−Cでの断面図である。
7 and 8 show the semiconductor integrated
図7と図8に示す半導体集積回路103では、図3と図4に示す半導体集積回路102に較べて、寄生バイポーラトランジスタのラッチアップを防止するために、入出力保護素子21とロジック素子(PチャンネルMOSトランジスタ)22の間で、図中の点線で囲った電位固定23が追加されている。
In the semiconductor integrated
図9に、図7と図8に示す半導体集積回路103について、図1における第4ステップS4の実施結果を示す。図9(a)は、図8の寄生バイポーラトランジスタを組み入れた等価回路図である。
FIG. 9 shows an implementation result of the fourth step S4 in FIG. 1 for the semiconductor integrated
図9(b)は、図9(a)の寄生バイポーラトランジスタを組み入れて、誤動作解析した結果である。入出力保護素子21とロジック素子(PチャンネルMOSトランジスタ)22の間で電位固定23し、ESDによるサージ電流が抜ける経路を追加したことで、図9(b)では図6(b)に較べて、寄生バイポーラトランジスタによる誤動作(ラッチアップ)の発生が防止されている。
FIG. 9 (b) shows the result of malfunction analysis incorporating the parasitic bipolar transistor of FIG. 9 (a). The potential is fixed 23 between the input /
尚、図7〜図9では、図1の第4ステップS4において誤動作が発生した場合に、外部端子に直接繋がる第1の半導体素子と第1の半導体素子に隣接する第2の半導体素子の間で電位固定23を行うレイアウト変更を示した。しかしながら、これに限らず、第1の半導体素子と第2の半導体素子の間隔を広げる、および第1の半導体素子と第2の半導体素子の間にn導電型のガードリングを挿入する等のレイアウト変更により、誤動作を解消することができる。 7 to 9, when a malfunction occurs in the fourth step S4 in FIG. 1, the first semiconductor element directly connected to the external terminal and the second semiconductor element adjacent to the first semiconductor element are not connected. The layout change to fix the potential 23 is shown. However, the present invention is not limited to this, and the layout is such that the interval between the first semiconductor element and the second semiconductor element is increased, and an n-conducting guard ring is inserted between the first semiconductor element and the second semiconductor element. The malfunction can be eliminated by the change.
以上示したように、図1に示す本発明の半導体集積回路の設計方法によれば、負入力やESD(Electro Static Discharge)といったサージによる誤動作の有無を、製品チップの試作前に予め評価することができる。従って、製品チップの試作評価を繰り返すことなく、当該半導体集積回路の動作検証を効率的に行うことができ、これによって製品コストを低減することができる。 As described above, according to the semiconductor integrated circuit design method of the present invention shown in FIG. 1, whether or not there is a malfunction due to a surge such as a negative input or ESD (Electro Static Discharge) is evaluated in advance before the trial production of the product chip. Can do. Therefore, it is possible to efficiently verify the operation of the semiconductor integrated circuit without repeating the trial evaluation of the product chip, thereby reducing the product cost.
S1〜S4 設計フローにおけるステップ
101〜103 半導体集積回路
11〜14,21,22 (正規の)半導体素子
Q1〜Q3 寄生バイポーラトランジスタ
23 電位固定
S1 to S4 Steps in
Claims (7)
半導体基板の表層部において前記集積回路を構成する複数の半導体素子を、CAD上でレイアウトする第1ステップと、
前記CAD上のレイアウト図から、前記複数の半導体素子の中で外部端子に直接繋がる入出力保護素子と該入出力保護素子に隣接する第2の半導体素子を解析対象とし、
前記入出力保護素子と前記第2の半導体素子の中から、前記入出力保護素子のn電型領域をエミッタとし、前記第2の半導体素子におけるn導電型領域をコレクタとし、前記入出力保護素子と前記第2の半導体素子の間にあるp導電型領域をベースとする寄生のNPNバイポーラトランジスタを抽出する第2ステップと、
前記寄生のNPNバイポーラトランジスタの回路パラメータを、デバイスシミュレータにより抽出する第3ステップと、
前記寄生のNPNバイポーラトランジスタを前記集積回路に組み入れて、回路シミュレータにより前記外部端子にサージを入力した時の前記寄生のNPNバイポーラトランジスタのラッチアップによる誤動作解析を行う第4ステップとを有することを特徴とする半導体集積回路の設計方法。 A method of designing a semiconductor integrated circuit using junction isolation or self-isolation,
A plurality of semiconductor elements constituting the integrated circuit at the surface layer of a semiconductor substrate, a first step of laying on CAD,
From the layout diagram on the CAD, an input / output protection element directly connected to an external terminal among the plurality of semiconductor elements and a second semiconductor element adjacent to the input / output protection element are analyzed.
Of the input / output protection element and the second semiconductor element, an n-type region of the input / output protection element is used as an emitter, and an n-conductivity type region of the second semiconductor element is used as a collector. A second step of extracting a parasitic NPN bipolar transistor based on a p-conductivity type region between the first and second semiconductor elements ;
The circuit parameters of the NPN bipolar transistor of the parasitic, a third step of further extracting the device simulator,
Incorporating the NPN bipolar transistor of the parasitic to the integrated circuit, to a fourth step of performing a motion analysis error due to latch-up of the parasitic NPN bipolar transistor when the input surge more the external terminals to the circuit simulator A method of designing a semiconductor integrated circuit.
前記ロジック素子が、電源の外部端子に直接繋がるp導電型領域を有してなり、
前記第2ステップにおいて、前記入出力保護素子と前記ロジック素子の中から、前記ロジック素子における前記p導電型領域をエミッタとし、前記入出力保護素子におけるp導電型領域をコレクタとし、前記ロジック素子と前記入出力保護素子の間にあるn導電型領域をベースとする寄生のPNPバイポーラトランジスタをさらに抽出し、
前記第3ステップにおいて、前記寄生のPNPバイポーラトランジスタの回路パラメータを、デバイスシミュレータにより抽出し、
前記第4ステップにおいて、前記寄生のNPNバイポーラトランジスタに加えて、前記寄生のPNPバイポーラトランジスタを前記集積回路にさらに組み入れて、回路シミュレータにより前記外部端子にサージを入力した時の前記寄生のNPNバイポーラトランジスタ及び前記寄生のPNPバイポーラトランジスタのラッチアップによる誤動作解析を行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路の設計方法。 The second semiconductor element is a logic element including a P-channel MOS transistor and an N-channel MOS transistor;
The logic element has a p-conductivity type region directly connected to an external terminal of a power source;
In the second step, out of the input / output protection element and the logic element, the p conductivity type region in the logic element is used as an emitter, and the p conductivity type region in the input / output protection element is used as a collector, A parasitic PNP bipolar transistor based on an n-conductivity type region between the input / output protection elements is further extracted;
In the third step, circuit parameters of the parasitic PNP bipolar transistor are extracted by a device simulator,
In the fourth step, the parasitic NPN bipolar transistor when the parasitic PNP bipolar transistor is further incorporated in the integrated circuit in addition to the parasitic NPN bipolar transistor and a surge is input to the external terminal by a circuit simulator. 2. The method of designing a semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein malfunction analysis is performed by latch-up of the parasitic PNP bipolar transistor.
前記外部端子が、前記MOS型トランジスタのドレインであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体集積回路の設計方法。 The input / output protection element is a MOS transistor;
Said external terminals, a method of designing a semiconductor integrated circuit according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the drain of the MOS transistor.
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