JP2005191301A - Model parameter sampling method, and circuit simulation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モデルパラメータ抽出方法および回路シミュレーションシステムに関し、より特定的には、半導体チップ等の統計的なモデルパラメータを抽出する技術およびそのモデルパラメータを用いた回路シミュレーションシステムに関する。 The present invention relates to a model parameter extraction method and a circuit simulation system, and more particularly to a technique for extracting a statistical model parameter such as a semiconductor chip and a circuit simulation system using the model parameter.
従来、一般的に半導体分野において、半導体チップ内に作り込む集積回路を設計する際には、その集積回路の電気的特性をコンピュータ上で模擬的に再現する回路シミュレータが用いられる。上記集積回路の設計者は、回路シミュレータを用いて種々の回路をコンピュータ上で設計し、電気特性を予測し所望の特性が得られることの目処を立ててから実際の回路を製造する。近年、半導体の製造プロセスが複雑化して製造工程が長くなり、製造コストが増大しており、集積回路の試作を繰り返して所望の特性を得るというやり方は、製品開発にかかる時間と費用を増大させる要因となっている。したがって、回路シミュレータを用いることは、試作の回数を減らし製品開発にかかる時間と費用とを削減できるため、重要性が増大してきた。 Conventionally, when designing an integrated circuit to be built in a semiconductor chip, generally in the semiconductor field, a circuit simulator that simulates the electrical characteristics of the integrated circuit on a computer is used. The designer of the integrated circuit manufactures an actual circuit after designing various circuits on a computer using a circuit simulator and predicting electrical characteristics to obtain desired characteristics. In recent years, the manufacturing process of semiconductors has become complicated, the manufacturing process has become longer, and the manufacturing cost has increased, and the method of obtaining a desired characteristic by repeating trial manufacture of an integrated circuit increases the time and cost for product development. It is a factor. Therefore, the use of a circuit simulator has increased in importance because the number of trial productions can be reduced and the time and cost required for product development can be reduced.
回路シミュレータにおいては、CRT等に表示される図面上に素子を配置し、それら素子を電気的に結線することによる回路図によって設計が行われるが、その際に使われる素子は、現実の電気特性を模擬的に表わすようにモデル化されている。例えば、モデル化された素子は、抵抗、容量、インダクタ、およびダイオード等の非線形素子や特性を記述した数式等を組合せることにより生成される。例えば、バイポーラトランジスタのような素子に対しては、Gummel−Poon、VBICといったような素子モデルが提唱され、上記回路シミュレータの中で使用される。 In the circuit simulator, elements are arranged on a drawing displayed on a CRT or the like, and the design is performed by a circuit diagram by electrically connecting these elements. The elements used at that time are actual electric characteristics. Is modeled so that For example, the modeled element is generated by combining nonlinear elements such as resistors, capacitors, inductors, and diodes, and mathematical expressions describing characteristics. For example, for devices such as bipolar transistors, device models such as Gummel-Poon and VBIC are proposed and used in the circuit simulator.
一方、現実に製造される素子は、電気特性等の規格を設け、その規格を満たすように素子断面や素子平面の製造プロセス的な構造設計がなされたのち製造される。したがって、電気特性等に定められる規格が異なれば素子の特性も異なり、上記回路シミュレータ上の素子モデルに予め設定されたデフォルト値等をそのまま使ったのでは素子特性が現実と合わない。そのため、素子モデルは、いくつかの内蔵されているモデルパラメータを用いて、素子モデルの回路シミュレータ上での特性が現実の素子特性に合うようにフィッティングして、この素子モデルを使って回路設計を行う。このことは、モデルパラメータの抽出と呼ばれる。 On the other hand, an element that is actually manufactured is manufactured after setting a standard for electrical characteristics and the like, and designing the structure of the element cross section and element plane so as to satisfy the standard. Therefore, if the standard defined for the electrical characteristics and the like is different, the characteristics of the elements are also different. If the default values set in advance in the element model on the circuit simulator are used as they are, the element characteristics do not match reality. Therefore, the device model is fitted using some built-in model parameters so that the characteristics of the device model on the circuit simulator match the actual device characteristics, and circuit design can be performed using this device model. Do. This is called model parameter extraction.
上記モデルパラメータの抽出を行う測定用の素子パターンの一例は、モデルパラメータをフィッティングするための一連の電気的特性が測定できるように、素子の各端子から配線が引き出される。そして、各端子から延びる配線は、測定器側の電気的プローブを当てることができるようなアルミ製のパッドで終端される。このようなモデルパラメータ抽出用の素子パターンは、TEG(Test Element Group)等の中の1パターンとして、半導体チップ上のある位置に配置される。それによって抽出されたモデルパラメータの一式は、以降、回路シミュレータ上の回路のモデルパラメータを抽出した素子モデルに用いられる。 In the example of the element pattern for measurement for extracting the model parameter, wiring is drawn from each terminal of the element so that a series of electrical characteristics for fitting the model parameter can be measured. The wiring extending from each terminal is terminated with an aluminum pad that can be contacted with the electrical probe on the measuring instrument side. Such an element pattern for model parameter extraction is arranged at a certain position on the semiconductor chip as one pattern in TEG (Test Element Group) or the like. The set of model parameters extracted thereby is used for the element model from which the circuit model parameters on the circuit simulator are extracted.
最も簡単なモデルパラメータの抽出手法の例としては、電気特性を最も代表していると考えられるような素子を、製造終了後のウェハ等から1個選び出して抽出することである。しかしながら、製造工程には常に変動が伴い、現実に製造された半導体チップ上における集積回路中の素子の拡散層深さやコンタクト窓の開口の大きさといった工程パラメータは、半導体チップを搭載したウェハを製造する時期、ウェハのロットの違い、ウェハ内での半導体チップの占める位置等によって変動する。その結果、素子特性とそれを使った集積回路の特性も変動することになる。したがって、製造工程の変動が大きいと、回路の電気特性が製品規格から外れることがある。つまり、規格から外れた半導体チップは製品にできないので廃棄されることになり、製造工程の変動が大きいほど廃棄される半導体チップも増え、ロスが大きくなる。このようなロスを低減するために、現実の製品を作る前に回路シミュレータ上で回路の構成や回路定数を予め検討しておくことにより、回路シミュレータ上で製造工程の変動による回路特性の変動量を予測することできる。回路シミュレータでは、回路特性の変動の幅や変動の中心値を制御することが可能で、それ以後の試作で回路特性が製品規格から外れたときに、思考錯誤的に試作を繰り返すことを防いだり、規格から電気特性が外れたときに回路定数等の調整方法の指針を与えてくれたりする。 An example of the simplest model parameter extraction method is to select and extract one element, which is considered to be most representative of electrical characteristics, from a wafer or the like after the completion of manufacture. However, the manufacturing process always varies, and process parameters such as the diffusion layer depth of the elements in the integrated circuit and the size of the opening of the contact window on the actually manufactured semiconductor chip are used to manufacture the wafer on which the semiconductor chip is mounted. It varies depending on the timing of the wafer, the lot of the wafer, the position occupied by the semiconductor chip in the wafer, and the like. As a result, the element characteristics and the characteristics of the integrated circuit using the element characteristics also vary. Therefore, if the manufacturing process varies greatly, the electrical characteristics of the circuit may deviate from the product standard. In other words, a semiconductor chip that is out of the standard cannot be made into a product and is discarded. As the manufacturing process fluctuates, more semiconductor chips are discarded and the loss increases. In order to reduce such loss, circuit characteristics and circuit constants should be examined in advance on the circuit simulator before making an actual product, so that the amount of fluctuation in circuit characteristics due to fluctuations in the manufacturing process on the circuit simulator. Can be predicted. In the circuit simulator, it is possible to control the fluctuation range and the center value of the fluctuation of the circuit characteristics, and when the circuit characteristics deviate from the product standards in subsequent prototypes, it is possible to prevent trial and trial repetition. When the electrical characteristics deviate from the standard, it gives a guideline for adjusting the circuit constants.
しかしながら、上述のように1つの素子を選んでモデルパラメータを抽出していたのでは、製造工程の変動をモデルパラメータに反映させることができない。したがって、製造工程の全体変動を反映できるように、いろいろな抽出手法が考えられている。その抽出手法として、ワーストケースモデルやコーナーモデルがある。これらは、PCM(Process Control Module)等によって管理された製造工程の規格内の変動範囲で製造された素子に対して、変動の最大値および最小値に対応するような素子を選び出して抽出したモデルパラメータを用いたり、製造工程変動から変動幅を予測して計算で求めたモデルパラメータの最大値および最小値を用いたりして、回路シミュレーションを行う。しかし、一般的に半導体製造プロセスの製造工程は長く複雑で、管理する工程パラメータも多く、そのような複雑な工程が、製造の完了した素子のどの特性にどのように影響しているのかというような因果関係に関してはわからないことが多い。したがって、どのような工程の変動に着目してモデルパラメータを用意すれば、工程変動を十分に反映した素子モデルをつくることができるのか不明なことが多い。また、ワーストケースモデルやコーナーモデルを用いて回路シミュレーションを行う際には、各種のモデルパラメータは独立に自由に変動できると仮定して、最大値および最小値の組み合わせを任意に選んで行われる。しかしながら、現実のモデルパラメータに関しては、素子数を増やして抽出したデータの解析結果から、一般的には互いに相関を持って変動している。したがって、ワーストケースモデルやコーナーモデルのように最大値と最小値の組み合わせを任意に用いると、現実のモデルパラメータの相関を持った変動では起こり得ないような値の組み合わせも必然的に用いることになる。つまり、そのようなモデルパラメータを用いて回路特性の変動範囲を予測することは過大評価することになり、回路特性の変動範囲を現実よりかなり広く見積もりかねないことになり、現実には規格範囲内の特性を満たすような回路でも規格範囲外の特性を持つというような誤った判断がなされてしまう可能性があった。 However, if one model is selected and model parameters are extracted as described above, variations in the manufacturing process cannot be reflected in the model parameters. Therefore, various extraction methods are considered so as to reflect the entire variation of the manufacturing process. The extraction method includes a worst case model and a corner model. These are models that select and extract elements that correspond to the maximum and minimum values of fluctuations with respect to the elements manufactured within the fluctuation range within the standard of the manufacturing process managed by PCM (Process Control Module). A circuit simulation is performed by using parameters, or by using the maximum and minimum values of model parameters obtained by calculation by predicting the fluctuation range from the manufacturing process fluctuation. However, in general, the manufacturing process of a semiconductor manufacturing process is long and complicated, and there are many process parameters to be controlled. How such a complex process affects which characteristics of a completed device. Often there is no telling about the causal relationship. Therefore, it is often unclear whether the process model can be created by sufficiently reflecting the process variation if model parameters are prepared by focusing on the process variation. Further, when performing a circuit simulation using the worst case model or the corner model, it is assumed that various model parameters can be freely and independently varied, and a combination of the maximum value and the minimum value is arbitrarily selected. However, the actual model parameters generally vary in correlation with each other from the analysis result of data extracted by increasing the number of elements. Therefore, if the combination of the maximum and minimum values is arbitrarily used, such as the worst case model or corner model, the combination of values that cannot occur by fluctuations with the correlation of the actual model parameters is inevitably used. Become. In other words, predicting the fluctuation range of circuit characteristics using such model parameters would be an overestimation, and the fluctuation range of circuit characteristics could be estimated to be considerably wider than the actual range. There is a possibility that an erroneous determination is made that even a circuit that satisfies the above characteristics has characteristics outside the standard range.
このような、ワーストケースモデルやコーナーモデルのこのような欠点を解決するために、統計モデルという素子モデルを用いる方法もある(例えば、非特許文献1参照)。以下、図面を参照して、非特許文献1に記載されたモデルパラメータの抽出手法について説明する。なお、図10は従来の統計モデルの抽出手法を適用するための測定パターンの例であり、図11は従来の統計モデルの抽出手法を適用するための回路シミュレーションシステムのブロック図であり、図12は従来の統計モデルのモデルパラメータを抽出する方法の手順を示している。
In order to solve such disadvantages of the worst case model and the corner model, there is a method using an element model called a statistical model (for example, refer to Non-Patent Document 1). The model parameter extraction method described in
図10において、半導体チップS1の境界内に、トランジスタA〜Cが配置されている。トランジスタAは、モデルパラメータを抽出しようとしているトランジスタである。トランジスタBは、上記半導体チップ内の配置ルールに基づいてトランジスタAから最近接距離程度に配置されており、トランジスタAと同一の製造プロセス的な断面構造および製造プロセス的な平面構造を持つトランジスタである。トランジスタCは、トランジスタAからの距離がトランジスタBより離れた場所に配置され、トランジスタAと同一の製造プロセス的な断面構造および製造プロセス的な平面構造を持つトランジスタである。そして、素子モデルのモデルパラメータをフィッティングするための一連の電気的特性が測定できるように、トランジスタA〜Cの各端子からそれぞれ配線(図示せず)が引き出され、各端子から延びる配線は、測定器の電気的なプローブを当てることができるようなアルミ製のパッド等で終端されている。 In FIG. 10, transistors A to C are arranged in the boundary of the semiconductor chip S1. The transistor A is a transistor from which model parameters are to be extracted. The transistor B is arranged at the nearest distance from the transistor A based on the arrangement rule in the semiconductor chip, and has the same manufacturing process sectional structure and manufacturing process planar structure as the transistor A. . The transistor C is a transistor which is disposed at a distance from the transistor A away from the transistor B and has the same manufacturing process sectional structure and manufacturing process planar structure as the transistor A. Then, wirings (not shown) are drawn from the respective terminals of the transistors A to C so that a series of electrical characteristics for fitting the model parameters of the element model can be measured, and the wirings extending from the respective terminals are measured. It is terminated with an aluminum pad that can be contacted with the electrical probe of the instrument.
図11において、統計モデルの抽出手法を適用するための回路シミュレーションシステムは、被測定系111、測定系112、抽出系113、データ処理系114、および回路シミュレータ115を備えている。被測定系111は、素子モデルのモデルパラメータを抽出したい素子そのもの、そのような素子が搭載されている半導体チップ、またはそのような半導体チップが搭載されている半導体ウェハ等を示す。測定系112は、モデルパラメータを抽出するために必要な一連の電気的測定等を被測定系111に対して行う。抽出系113は、測定系112から得られるモデルパラメータを抽出するために一連の電気的測定等の結果を用いて、それらから得られる特性曲線とシミュレータの回路図上で現実の測定と同一の測定条件に設定した上でモデルパラメータを様々に変えて実施した素子特性のシミュレーション結果から得られる特性曲線とを比較する。そして、抽出系113は、最小2乗法を用いたフィッティング手法等を用いて、それらがある設定した誤差の範囲に収まるようにモデルパラメータを決定、すなわち抽出する。データ処理系114は、抽出系113により抽出されたモデルパラメータを統計的に処理し、統計モデルを表わすモデルパラメータを数式による表現に変更する。回路シミュレータ115は、データ処理系114から与えられる統計モデルを表わすモデルパラメータの数式による表現を、素子モデルのモデルパラメータに組み込む。そして、回路シミュレータは、これらのモデルパラメータを使ってモンテカルロ・シミュレーション等を行って、製造工程の変動を素子と回路の電気特性の変動に反映させる。また、回路シミュレータ115は、抽出系113が上記それぞれの特性曲線をモデルパラメータでフィッティングする際の、素子特性のシミュレーションも行う。
In FIG. 11, the circuit simulation system for applying the statistical model extraction method includes a measured
図12において、測定系112は、半導体チップS1上に形成されたトランジスタA(図10参照)の電気特性を測定する(ステップS121)。このとき、この半導体チップS1を搭載したウェハを製造した時期、ウェハの製造ロットの違い、製造ウェハ内での半導体チップS1の占める位置等による統計的な変動を十分反映するように標本を選んでそれぞれ測定する。上記ステップS121では、被測定系111をトランジスタA、トランジスタAを搭載した半導体チップS1、またはその半導体チップS1を搭載したウェハに選び、測定系112によってトランジスタAを多数測定している。
In FIG. 12, the
次に、抽出系113は、上記ステップS121で得られたトランジスタAの測定結果からモデルパラメータを抽出する(ステップS122)。このステップS122は、抽出系113において、測定系112より得られるトランジスタAの電気的な特性曲線が回路シミュレータ115の回路図上で現実の測定条件と等しくなるように設定し、回路シミュレータ115で用いられる素子モデルにおいてモデルパラメータの値を様々に変えて行った回路シミュレーション結果より得られる特性曲線と比較され、両者が指定した誤差の範囲内で一致するようにモデルパラメータが定められることに相当する。また、測定系112で測定された多数のトランジスタAは、それらトランジスタAが搭載されたウェハを製造する時期、製造ウェハのロットの違い、製造ウェハ内での半導体チップの位置等による統計的な変動を十分反映するように選んであるから、製造工程の変動を反映する形で測定毎に異なる電気的な特性を示す。したがって、上記ステップS122で抽出された素子モデルのモデルパラメータは、製造工程の変動を反映した分布を持つことになる。
Next, the
次にデータ処理系114は、上記ステップS122で抽出されたトランジスタAのモデルパラメータの標本値を統計的に処理する(ステップS123)。
Next, the
例えば、モデルパラメータの標本値の分布から、各モデルパラメータの製造工程全体での母集団の分布が正規分布に従うものと統計学的に推定される場合、標本値の分布から正規分布に従う母集団の平均値、標準偏差が統計学的に推定され、これらを用いて統計学的に推定されるモデルパラメータの母集団の分布は、式(1)のように表現できる。
P=P_m+P_σ・N(1、0) …(1)
ここで、P:モデルパラメータ、P_m:モデルパラメータPの分布の平均値、P_σ:モデルパラメータPの分布の標準偏差、N(1、0):平均値0、標準偏差1の正規分布する量的変数を示している。
For example, if it is statistically estimated from the distribution of sample values of model parameters that the distribution of the population of each model parameter throughout the manufacturing process follows a normal distribution, the distribution of the population that follows the normal distribution from the distribution of sample values The average value and standard deviation are statistically estimated, and the distribution of the population of model parameters statistically estimated using these values can be expressed as Equation (1).
P = P_m + P_σ · N (1, 0) (1)
Where P: model parameter, P_m: average value of the distribution of model parameter P, P_σ: standard deviation of the distribution of model parameter P, N (1, 0): normal distribution of
一方、モデルパラメータの標本値の分布から、そのモデルパラメータの中に、製造工程全体での母集団の分布が正規分布に従わないものと統計学的に推定されるモデルパラメータP0がある場合でも、そのモデルパラメータP0の標本値を適当な関数fにより変換した値f(P0)の分布から統計学的に推定される母集団の分布が正規分布に従うのであれば、f(P0)の分布が式(2)のように表現できる。
f(P0)=f_m(P0)+f_σ(P0)・N(1、0) …(2)
ここで、f(P0):モデルパラメータP0の関数、f_m(P0):f(P0)の分布の平均値、f_σ(P0):f(P0)の分布の標準偏差を示している。また、上記式(2)に関しては、関数fをモデルパラメータP0に関して解くことにより、式(3)のようにモデルパラメータP0に工程変動による分布を反映させることができる。
P0=f-1{f_m(P0)+f_σ(P0)・N(1、0)} …(3)
ここで、f-1:関数fの逆関数である。
On the other hand, even if there is a model parameter P0 that is statistically estimated from the distribution of the sample values of the model parameter, that the distribution of the population in the entire manufacturing process does not follow the normal distribution among the model parameters. If the population distribution statistically estimated from the distribution of the value f (P0) obtained by converting the sample value of the model parameter P0 by an appropriate function f follows a normal distribution, the distribution of f (P0) is expressed by the equation It can be expressed as (2).
f (P0) = f_m (P0) + f_σ (P0) · N (1, 0) (2)
Here, f (P0): function of model parameter P0, f_m (P0): average value of distribution of f (P0), and standard deviation of distribution of f_σ (P0): f (P0) are shown. As for the above equation (2), by solving the function f with respect to the model parameter P0, the distribution due to process variation can be reflected in the model parameter P0 as in the equation (3).
P0 = f −1 {f_m (P0) + f_σ (P0) · N (1, 0)} (3)
Here, f −1 is an inverse function of the function f.
以下の説明においても、モデルパラメータの統計学的に推定される母集団の分布が正規分布に従わない場合には、上記式(2)のような関数fによりモデルパラメータを変換することにより変換後の値分布の母集団が正規分布に従うようにし、上記式(3)のような形式でモデルパラメータを表現してあるものとして、詳細な説明を省略する。上記式(1)や式(3)のモデルパラメータを素子モデルのモデルパラメータに組み込み、平均値0、標準偏差1の正規分布に従う乱数を回路シミュレータ115の中で発生させてN(1、0)のところに代入する。これによって、式(1)や式(3)で計算されるモデルパラメータの値の分布が、上記ステップS122で抽出されたモデルパラメータの平均値と標準偏差を持った正規分布を再現することになる。
Also in the following description, when the statistically estimated population distribution of model parameters does not follow the normal distribution, the model parameters are converted by converting the model parameters using the function f as in the above equation (2). The detailed description is omitted assuming that the population of the value distributions of (2) follows a normal distribution and model parameters are expressed in the form of the above equation (3). The model parameters of the above formulas (1) and (3) are incorporated into the model parameters of the element model, and a random number according to a normal distribution with an average value of 0 and a standard deviation of 1 is generated in the
データ処理系114は、上記ステップS122で抽出されたモデルパラメータの標本値に対する分布のデータを用いて、モデルパラメータの製造工程全体にわたる母集団に対する分布の間の相関係数を統計学的に推定する(ステップS124)。例えば、素子モデルとしてNPN型のバイポーラトランジスタのGummel−Poonモデルにおいて、ベース抵抗と関わりの深いモデルパラメータRB、IRB、およびRBMと、トランジスタの静的な電流増幅率hFEと関わりの深いモデルパラメータBFとの相関を考える。なお、モデルパラメータRBはゼロバイアス時のベース抵抗であり、モデルパラメータIRBはベース抵抗半減時のベース電流であり、モデルパラメータRBMは高注入時のベース抵抗の最小値を示している。製造プロセスから考えて、ベースの拡散深さがあまり変わらないような場合、ベース抵抗が大きくなると一般的にベースのアクセプターのドープ濃度は減少する。もし、エミッタの拡散深さ方向の濃度プロファイルがあまり変わらないようなときには電流増幅率hFEが増加するから、モデルパラメータRB、IRB、RBMの分布とモデルパラメータBFの分布とは、互いに相関を持つことが予想される。また、現実のデータからも、一般的にモデルパラメータRB、IRB、RBMの分布とモデルパラメータBFの分布とは、相関を持っている。現実の製造プロセスは複雑で、上述でもベースの拡散深さが変わる場合があり、両者が完全な負の相関係数「−1」を持つようなことは起こりにくいが、実測のデータから得られた各モデルパラメータの間には、製造工程に依存した何らかの相関関係が存在する。
The
図13は、上記ステップS124の処理により得られた、統計学的に製造工程全体に渡って推定されるモデルパラメータの母集団が正規分布として統計学的に推定される相関係数の例である。図13において、トランジスタAに対応する素子モデルのモデルパラメータ一式をP1_A〜Pn_Aで示している。なお、モデルパラメータは、トランジスタAに必要な全てである必要はなく、一部分であってもかまわない。また、モデルパラメータP1_A〜Pn_Aが形成する行列の交点にある値は、縦のモデルパラメータと横のモデルパラメータとの組み合わせの相関係数を示している。モデルパラメータの組み合わせの相関係数は、「−1」から「1」の範囲の実数値をとり、これらをα11〜αnnで表現する。これら相関係数αは、正の相関が大きいほど「1」に近く、負の相関が大きいほど「−1」に近く、互いに相関がない場合には「0」になる。例えば、同一のモデルパラメータの組み合わせに対する相関係数は、相関係数「1」になるため、図13では相関係数α11、α22、およびαnnを「1」で示している。また、これら相関係数αが形成する行列は、相関の基本的な性質から常に対称行列になる。 FIG. 13 is an example of a correlation coefficient statistically estimated as a normal distribution of a population of model parameters statistically estimated over the entire manufacturing process obtained by the process of step S124. . In FIG. 13, a set of model parameters of an element model corresponding to the transistor A is indicated by P1_A to Pn_A. Note that the model parameters do not have to be all necessary for the transistor A, and may be a part of the model parameters. The value at the intersection of the matrix formed by the model parameters P1_A to Pn_A indicates the correlation coefficient of the combination of the vertical model parameter and the horizontal model parameter. The correlation coefficient of the combination of model parameters takes real values in the range of “−1” to “1”, and these are expressed as α11 to αnn. These correlation coefficients α are closer to “1” as the positive correlation is larger, closer to “−1” as the negative correlation is larger, and “0” when there is no correlation with each other. For example, since the correlation coefficient for the same combination of model parameters is “1”, the correlation coefficients α11, α22, and αnn are represented by “1” in FIG. Further, the matrix formed by these correlation coefficients α is always a symmetric matrix due to the basic property of correlation.
次に、データ処理系114は、上記ステップS124で得られた相関係数に対して主成分分析を行い、主成分を求める(ステップS125)。ここで、図13で示した相関係数αが求められても、通常の回路シミュレータでは互いに相関を持つような正規分布に従う乱数を発生させるようなことができない。一方、互いに独立な正規分布に従う乱数を発生させることは、通常の回路シミュレータでは容易に行えるので、このような乱数を利用して、相関係数αを持つような正規分布に従う乱数を回路シミュレータの中で発生させる。そのために、統計学の主成分分析が利用される。通常、統計学で使われる主成分分析とは、互いに相関を持つ量的変数から、互いに独立な量的変数である主成分を導き、もとの量的変数の統計的な変動への寄与の小さい主成分は無視することにより少ない変数ないし次元でデータを分類、特徴付ける多変量解析の一手法とされる。しかし、統計モデルにおいては、このようにデータを分類、特徴付けることに目的があるのではなく、独立な量的変数である主成分を導いて、もとの量的変数をそのような主成分によって求めることにある。また、主成分を量的変数の標準偏差に対する寄与度の大きい方から順番に並べることができる。したがって、量的変数の標準偏差の示す変動範囲のうち、指定した割合以上の範囲まで分布を再現できればよい場合、量的変数と同じ個数の主成分を使う必要はなく、寄与度の大きい方から指定した割合を満たすまでの主成分を採用すればよいので、変動を表わすのに十分な量的変数の数を減らし、回路シミュレータへの負荷を減少させながらも、回路の電気特性の変動を精度よく回路シミュレーションできるという利点も持っている。
Next, the
主成分の求め方を説明するために、正規分布に従うn個の量的変数xj(j=1、2、・・・、n)を考える。数式的な扱い易さから量的変数xjは、式(4)のように量的変数xjの平均値mj(j=1、2、・・・、n)を引いてから量的変数xjの標準偏差σj(j=1、2、・・・、n)で割ることにより、量的変数uj(j=1、2、・・・、n)に変換される。このような変換を通常、標準化と呼んでいる。
uj=(xj−mj)/σj …(4)
ここで、量的変数xjが平均値mjおよび標準偏差σjを持つ正規分布に従うから、量的変数ujは、平均値0、標準偏差1を持つ正規分布に従う。
In order to explain how to determine the principal component, consider n quantitative variables xj (j = 1, 2,..., N) according to a normal distribution. Because of the mathematical ease of handling, the quantitative variable xj is obtained by subtracting the average value mj (j = 1, 2,..., N) of the quantitative variable xj as shown in Equation (4). By dividing by the standard deviation σj (j = 1, 2,..., N), it is converted into a quantitative variable uj (j = 1, 2,..., N). Such conversion is usually called standardization.
uj = (xj−mj) / σj (4)
Here, since the quantitative variable xj follows a normal distribution having an average value mj and a standard deviation σj, the quantitative variable uj follows a normal distribution having an
主成分分析によれば、これらの量的変数ujの一次結合をつくることにより、n個の独立な正規分布に従う量的変数zi(j=1、2、・・・、n)に変換できることが知られている。それを実行するには、まず量的変数uj(j=1、2、・・・、n)の間の相関係数行列を統計学的に求める。ただし、相関係数行列は、量的変数の標準化前後で変わらないことが統計学的に導かれる。例えば、図13の例の場合、数字の配列は、量的変数であるモデルパラメータP1_A〜Pn_Aの間での相関係数行列の成分になっているが、これらはモデルパラメータP1_A〜Pn_Aを標準化した後の相関係数行列の成分に等しい。上述の量的変数ujの一次結合を式(5)のように表現する。
zj=aj1・u1+aj2・u2+・・・+ajn・un …(5)
ここで、j=1、2、・・・、nの値であり、係数aj1、aj2、・・・、ajnは、まだ値を決めていない係数である。したがって、量的変数ujの一次結合zjもまだ値が決まらない量的変数である。
According to principal component analysis, a linear combination of these quantitative variables uj can be generated and converted into quantitative variables zi (j = 1, 2,..., N) according to n independent normal distributions. Are known. To execute it, first, a correlation coefficient matrix between the quantitative variables uj (j = 1, 2,..., N) is statistically obtained. However, it is statistically derived that the correlation coefficient matrix does not change before and after the standardization of quantitative variables. For example, in the example of FIG. 13, the numerical array is a component of a correlation coefficient matrix between model parameters P1_A to Pn_A that are quantitative variables, and these are standardized model parameters P1_A to Pn_A. It is equal to the component of the later correlation coefficient matrix. A linear combination of the above-described quantitative variable uj is expressed as in Equation (5).
zj = aj1 · u1 + aj2 · u2 + ... + ajn · un (5)
Here, j = 1, 2,..., N, and coefficients aj1, aj2,..., Ajn are coefficients that have not yet been determined. Therefore, the linear combination zj of the quantitative variable uj is also a quantitative variable whose value is not yet determined.
上記式(5)で表わされるn個の式の係数は、z1、z2、・・・、znの分散がこの順番に大きく、かつ式(5)の係数がつくるn個のベクトル(a11、a12、・・・、a1n)、(a21、a22、・・・、a2n)、・・・、(an1、an2、・・・、ann)のそれぞれの大きさが1で、互いに直交するように決められることが数学的にわかっている。それを行うためには、まずn個の量的変数ujから求められた相関係数行列について数学的な固有値問題を解く。相関係数行列がn行n列の行列の場合、固有値はn個存在し、永年方程式|A−λI|=0を解くことにより得られる。ただし、Aは、量的変数ujから得られるn行n列の相関係数行列、Iはn次の単位行列である。このようにして得られた固有値を大きい順にλ1、λ2、・・・、λj、・・・、λnとし、固有値λjに属する固有ベクトルを(aj1、aj2、・・・、ajn)とする。このようにして固有値問題を解くことにより得られた固有ベクトル(aj1、aj2、・・・、ajn)は、式(5)の係数がつくるn個のベクトル(a11、a12、・・・、a1n)、(a21、a22、・・・、a2n)、・・・、(an1、an2、・・・、ann)と一致し、式(5)の一次結合zjは、式(6)で与えられることが統計学的に求められている。
zj={λj^(1/2)}・Nj(1、0) …(6)
ここで、j=1、2、・・・、nの整数値であり、Nj(1、0)は、平均値0、標準偏差1で、互いに独立な正規分布に従うn個の量的変数を表わす。このようにして求められた式(6)のzjが主成分である。なお、上述の説明にあるように、固有値λ1、λ2、・・・、λj、・・・、λnは、この順番に大きいとしたから、式(6)で与えられる主成分z1、z2、・・・、zj、・・・、znの分散もこの順番に大きい。通常、統計学においては、このような主成分zjを求め、もとの量的変数の代わりにこれらの主成分zjで統計的な変数を分類、特徴付けようとするのが目的である。これから後に説明する内容は、回路シミュレータ用の統計モデルをつくるために必要な手法に固有のものであって、主成分分析そのものではない。
The coefficients of the n expressions represented by the above expression (5) are the n vectors (a11, a12) in which the variance of z1, z2,..., Zn is large in this order and the coefficient of the expression (5) is generated. , ..., a1n), (a21, a22, ..., a2n), ..., (an1, an2, ..., ann) are determined to be 1 and orthogonal to each other. I know mathematically that In order to do that, first, a mathematical eigenvalue problem is solved for the correlation coefficient matrix obtained from n quantitative variables uj. When the correlation coefficient matrix is an n-by-n matrix, there are n eigenvalues, which can be obtained by solving the secular equation | A−λI | = 0. Here, A is an n-by-n correlation coefficient matrix obtained from the quantitative variable uj, and I is an n-order unit matrix. The eigenvalues obtained in this way are λ1, λ2,..., Λj,..., Λn, and the eigenvectors belonging to the eigenvalue λj are (aj1, aj2,..., Ajn). The eigenvectors (aj1, aj2,..., Ajn) obtained by solving the eigenvalue problem in this way are n vectors (a11, a12,..., A1n) generated by the coefficients of the equation (5). , (A21, a22,..., A2n),..., (An1, an2,..., Ann), and the linear combination zj of equation (5) is given by equation (6) Is required statistically.
zj = {λj ^ (1/2)} · Nj (1, 0) (6)
Here, j = 1, 2,..., N is an integer value, and Nj (1, 0) is an average value of 0 and a standard deviation of 1, and n quantitative variables that follow normal distributions independent of each other. Represent. Thus obtained zj in the equation (6) is the main component. As described above, the eigenvalues λ1, λ2,..., Λj,..., Λn are assumed to be larger in this order, so that the principal components z1, z2,. .., Zj,..., Zn have a large variance in this order. Usually, in statistics, the objective is to find such principal components zj and to classify and characterize statistical variables with these principal components zj instead of the original quantitative variables. The contents to be described later are specific to a method necessary for creating a statistical model for a circuit simulator, and are not principal component analysis itself.
次に、データ処理系114は、上記ステップS125で求めた主成分と、ステップS123で得られた平均値および標準偏差と、ステップS124で得られた相関係数とを用いて、従来の統計モデルを与える数式を得る(ステップS126)。以下、従来の統計モデルを表わす数式の具体的な求め方を説明する。
Next, the
まず、上記式(5)を式(6)に代入すると、式(7)が得られる。
{λj^(1/2)}・Nj(1、0)
=aj1・u1+aj2・u2+・・・+ajn・un …(7)
ここで、j=1、2、・・・、nの整数値である。また、右辺の係数がつくるベクトル(a11、a12、・・・、a1n)、(a21、a22、・・・、a2n)、・・・、(an1、an2、・・・、ann)のそれぞれの大きさは1で、互いに直交する。したがって、上記係数のつくる行列は直交行列となり、その転置行列はもとの行列の逆行列に等しい。つまり、式(7)の両辺に係数がつくる行列の転置行列を掛けることにより、u1、u2、・・・、unについて解くことができる。その結果は式(8)のようになる。
uj=a1j・{λ1^(1/2)}・N1(1、0)
+a2j・{λ2^(1/2)}・N2(1、0)
+・・・
+anj・{λn^(1/2)}・Nn(1、0) …(8)
First, when the above equation (5) is substituted into equation (6), equation (7) is obtained.
{Λj ^ (1/2)} · Nj (1, 0)
= Aj1 · u1 + aj2 · u2 + ... + ajn · un (7)
Here, j = 1, 2,..., N is an integer value. Each of the vectors (a11, a12,..., A1n), (a21, a22,..., A2n),..., (An1, an2,. The size is 1 and they are orthogonal to each other. Therefore, the matrix created by the coefficients is an orthogonal matrix, and its transposed matrix is equal to the inverse of the original matrix. That is, u1, u2,..., Un can be solved by multiplying both sides of Equation (7) by a transposed matrix of a matrix formed by coefficients. The result is as shown in equation (8).
uj = a1j · {λ1 ^ (1/2)} · N1 (1, 0)
+ A2j · {λ2 ^ (1/2)} · N2 (1, 0)
+ ...
+ Anj · {λn ^ (1/2)} · Nn (1, 0) (8)
上記式(8)より、互いに相関のある量的変数uj(j=1、2、・・・、n)が、互いに独立なn個の、平均値0、標準偏差1の正規分布に従う変数Nj(1、0)の一次結合で表わされることがわかる。なお、式(8)において、量的変数ujの変動量のうち、所定の目標値(例えば9割以上)の変動量を回路シミュレーションにおいて再現すればよい場合、固有値λjの整数の添え字jの値の小さい方が固有値の値が大きかったから、式(6)にみられるようにzjの標準偏差、すなわち量的変数ujの標準偏差への寄与度も大きくなり、このような順番に目標の範囲に入るところまでを採用し残りの主成分を無視することにすれば、回路シミュレーションにおいて発生させる乱数の個数を削減して、コンピュータへの負荷を減らすことができる。また、式(8)のuj(j=1、2、・・・、n)は式(4)のように標準化しているため、量的変数xj(j=1、2、・・・、n)で式(8)を表わすと式(9)のようになる。
xj=mj+σj・[a1j・{λ1^(1/2)}・N1(1、0)
+a2j・{λ2^(1/2)}・N2(1、0)
+・・・
+anj・{λn^(1/2)}・Nn(1、0)] …(9)
ここで、量的変数ujの平均値が0で、標準偏差が1であったことから、量的変数xjの平均値はmjで、標準偏差はσjである。また、量的変数xjの間の相関係数は、統計学の基本より量的変数ujの間の相関係数と同じである。式(9)の係数aij・{λi^(1/2)}(i、j=1、2、・・・、n)を簡単にするために、それぞれ、bij(i、j=1、2、・・・、n)とおくと、式(9)は式(10)のように書ける。
xj=mj+σj・{b1j・N1(1、0)
+b2j・N2(2、0)
+・・・
+bnj・Nn(n、0)} …(10)
From the above equation (8), the quantitative variables uj (j = 1, 2,..., N) correlated with each other are n independent variables Nj having a normal distribution with
xj = mj + σj · [a1j · {λ1 ^ (1/2)} · N1 (1, 0)
+ A2j · {λ2 ^ (1/2)} · N2 (1, 0)
+ ...
+ Anj · {λn ^ (1/2)} · Nn (1, 0)] (9)
Here, since the average value of the quantitative variable uj is 0 and the standard deviation is 1, the average value of the quantitative variable xj is mj and the standard deviation is σj. Further, the correlation coefficient between the quantitative variables xj is the same as the correlation coefficient between the quantitative variables uj from the basis of statistics. In order to simplify the coefficients aij · {λi ^ (1/2)} (i, j = 1, 2,..., N) in equation (9), bij (i, j = 1, 2 respectively). ,..., N), equation (9) can be written as equation (10).
xj = mj + σj · {b1j · N1 (1, 0)
+ B2j · N2 (2, 0)
+ ...
+ Bnj · Nn (n, 0)} (10)
式(10)の量的変数xjに、トランジスタAの製造工程における変動を取り入れたいn個のモデルパラメータPj_A(j=1、2、・・・、n)を当てはめれば、式(11)のようになる。
Pj_A=Pj_Am+Pj_Aσ・{b1j・N1(1、0)
+b2j・N2(2、0)
+・・・
+bnj・Nn(n、0)} …(11)
ここで、Pj_A(j=1、2、・・・、n):モデルパラメータ、Pj_Am(j=1、2、・・・、n):Pj_Aの平均値、Pj_Aσ(j=1、2、・・・、n):Pj_Aの標準偏差、Nj(1、0)(j=1、2、・・・、n):平均値0、標準偏差1の互いに独立な正規分布に従う量的変数である。
If n model parameters Pj_A (j = 1, 2,..., N) that are desired to incorporate variations in the manufacturing process of the transistor A are applied to the quantitative variable xj in Expression (10), Expression (11) It becomes like this.
Pj_A = Pj_Am + Pj_Aσ · {b1j · N1 (1, 0)
+ B2j · N2 (2, 0)
+ ...
+ Bnj · Nn (n, 0)} (11)
Here, Pj_A (j = 1, 2,..., N): model parameter, Pj_Am (j = 1, 2,..., N): average value of Pj_A, Pj_Aσ (j = 1, 2,. .., N): Pj_A standard deviation, Nj (1, 0) (j = 1, 2,..., N): a quantitative variable according to an independent normal distribution of
上記式(11)は、従来の統計モデルによって、トランジスタAの製造工程の変動を取り入れたいn個のモデルパラメータPj_Aを与える数式である。このn個のモデルパラメータPj_Aは、トランジスタAに使用する素子モデルに必要な全てのモデルパラメータであっても、その一部分であってもよい。このようにして得られた式(11)を、回路シミュレータ115のトランジスタAに対応する回路図上の素子モデルのモデルパラメータを記述するところに直接テキストデータとして書き込む等することにより、回路シミュレータ115に従来の統計モデルのモデルパラメータを組み込むことができる。
The above equation (11) is an equation that gives n model parameters Pj_A for which a variation in the manufacturing process of the transistor A is to be taken in by a conventional statistical model. The n model parameters Pj_A may be all model parameters necessary for the element model used for the transistor A or may be a part of them. The equation (11) thus obtained is directly written as text data in the
なお、回路シミュレーションを実際に行う場合、回路シミュレータ115は、式(11)のNj(1、0)のところに、独立に平均値0、標準偏差1の正規分布に従う乱数を発生させて、発生させるたびにその乱数の値を代入することにより、通常のモンテカルロ・シミュレーション等により回路シミュレーションを行うことができる。乱数を多数発生させて得られるモデルパラメータPj_Aの分布は、平均値はPj_Amで、標準偏差はPj_Aσで、Pj_Aの分布間の相関係数は、実測のモデルパラメータ抽出値より得られた相関係数α(図13参照)に等しくなる。
上述した従来の統計モデルのモデルパラメータの抽出手法で抽出されたモデルパラメータは、設計する回路全体に渡って同一に与えられる。例えば、半導体チップS1(図10参照)上のマスクレイアウトを実現した場合、素子モデルに対応する半導体チップS1上の全てのトランジスタに対して、上記式(11)のN1(1、0)からNn(1、0)のn個の変数に対して平均値0および標準偏差1の正規分布に従う乱数を独立に発生させて計算させたモデルパラメータを適用することになる。この場合、n個の独立な乱数を発生させる毎にモデルパラメータ一式はその値が変わり、乱数を多数回発生させた後には、モデルパラメータの分布は工程変動を反映したものにはなる。 The model parameters extracted by the above-described conventional statistical model model parameter extraction method are given to the entire circuit to be designed. For example, when the mask layout on the semiconductor chip S1 (see FIG. 10) is realized, N1 (1, 0) to Nn in the above equation (11) for all transistors on the semiconductor chip S1 corresponding to the element model. Model parameters calculated by independently generating random numbers according to a normal distribution with a mean value of 0 and a standard deviation of 1 are applied to n variables of (1, 0). In this case, every time n independent random numbers are generated, the value of the model parameter set changes, and after the random numbers are generated many times, the distribution of the model parameters reflects the process variation.
しかしながら、素子モデルに対応する、半導体チップS1上に配置された全てのトランジスタにおけるモデルパラメータ間の相対的な変動まではモデル化されていないので、相対的な変動は全く発生しない。現実には半導体チップS1内で半導体工程の各段階において、必ず加工ばらつきが存在し、例えばバイポーラトランジスタのエミッタ開口窓の大きさをどんなに均一に加工しようとしても、チップ内でも必ず加工ばらつきが発生する。例えば、図10で示したトランジスタAから上記最近接距離程度に配置されたトランジスタBと、当該最近接距離程度より離れた距離に配置されたトランジスタCとについて考える。半導体チップS1内のトランジスタAおよびBとAおよびCとの組み合わせの間には、それぞれ半導体工程の各段階において必ず加工ばらつきが存在し、完全に同一のトランジスタが存在しないことを意味する。 However, since the relative variation between the model parameters in all the transistors arranged on the semiconductor chip S1 corresponding to the element model is not modeled, no relative variation occurs. Actually, there is always a processing variation in each step of the semiconductor process in the semiconductor chip S1, and for example, no matter how uniform the size of the emitter opening window of the bipolar transistor is processed, the processing variation always occurs in the chip. . For example, consider the transistor B arranged at the closest distance from the transistor A shown in FIG. 10 and the transistor C arranged at a distance more than the closest distance. Between the combinations of the transistors A and B and A and C in the semiconductor chip S1, there is always a processing variation at each stage of the semiconductor process, which means that there is no completely identical transistor.
ここで、半導体チップS1内のトランジスタAおよびBとAおよびCとの間の加工ばらつきの程度を比較した場合、トランジスタAおよびBの間の方が、互いの距離が密接しているため加工ばらつきが小さくなることが一般的に知られている。半導体チップS1上に配置された素子の電気特性に対する絶対精度は、単一の部品としてつくるより一般的には悪いと言われているが、逆に相対精度は単一の部品としてつくるより良くなる。さらに、同一チップ内の互いの距離がトランジスタAおよびBの組み合わせのように近接している方が加工ばらつきは小さくなり、素子特性の相対的な変動も小さくなる。半導体分野では、上述のような単一の部品より電気特性の絶対精度の悪い点をカバーするため、半導体チップ内の素子特性の相対的な変動が小さいことを利用した差動型の回路構成が必須のものとして用いられており、このことによりチップ毎の特性変動の小さい安定的な回路を製造することに成功している。 Here, when the degree of processing variation between the transistors A and B and A and C in the semiconductor chip S1 is compared, the processing variation varies because the distance between the transistors A and B is closer. Is generally known to be small. Although it is said that the absolute accuracy with respect to the electrical characteristics of the elements arranged on the semiconductor chip S1 is generally worse than that produced as a single component, the relative accuracy is better than that produced as a single component. . Further, when the distance between each other in the same chip is close as in the combination of the transistors A and B, the processing variation becomes smaller and the relative variation of the element characteristics becomes smaller. In the semiconductor field, in order to cover the point where the absolute accuracy of the electrical characteristics is worse than that of the single component as described above, a differential circuit configuration utilizing the fact that the relative fluctuation of the element characteristics in the semiconductor chip is small. It has been used as an indispensable component, and as a result, it has succeeded in manufacturing a stable circuit with small characteristic fluctuation for each chip.
上記差動型の回路の動作原理は、同一タイプのトランジスタの特性が理想的に完全に一致していることを前提としており、差動を利用したトランジスタの組み合わせの間に特性の差があった場合、その差動の回路または回路の一部に加えられた差動入力の差が原因であるかのように回路の出力に鋭敏に影響してしまう。このため、現実に製造された差動部分のトランジスタ特性の差が大きいほど、本来あるべき理想的な回路特性からのずれが大きくなってしまう。したがって、差動型の回路の場合、差動に用いたトランジスタの特性がいかに近いかということも、目的の回路特性を達成するかどうかの重要な要素となるが、従来の抽出手法で抽出された主成分を用いた統計モデルパラメータには、このようなトランジスタの相対的な特性の変動が考慮されていなかった。 The operation principle of the above-mentioned differential circuit is based on the premise that the characteristics of transistors of the same type are ideally perfectly matched, and there is a difference in characteristics between combinations of transistors using differential. In this case, the output of the circuit is sensitively affected as if due to the difference in the differential input applied to the differential circuit or part of the circuit. For this reason, the greater the difference in transistor characteristics between the differential parts actually manufactured, the greater the deviation from the ideal circuit characteristics that should be. Therefore, in the case of a differential circuit, how close the characteristics of the transistors used for the differential are also an important factor for achieving the target circuit characteristics, but it is extracted by the conventional extraction method. The statistical model parameters using the principal components did not take into account such variations in the relative characteristics of the transistors.
例えば、図10で示した配置例の場合、差動回路の中での差動の要となるトランジスタ対等は、半導体チップS1内のトランジスタAおよびBのように、配置ルールの許す限り近接した位置に素子を配置した方が、理想の回路特性に近づくことになる。しかし、差動の要となるトランジスタ対のトランジスタの数は2つとは限らず、多数の組み合わせが必要であったり、回路中に数多くの考慮すべき対の箇所があったりするのが通常である。また、設計された回路を半導体チップS1上にマスクレイアウトとして配置していく場合、レイアウト的な制約から差動の要となる対をトランジスタAおよびBの関係のように最近接距離程度に配置することが常に可能なわけではない。また、差動回路に関する回路理論や経験等から、回路設計に入る前の段階から回路中のどの部分の対における特性の相対的な変動が回路特性の変動に大きな影響を与えるのかについての知見がある程度得られていた場合、定量的に正確な結果を得たり、予め知見の得られていない回路を考えたり、差動の対ではない部分が相対的に特性の変動に影響するかということを考える必要がある。 For example, in the case of the arrangement example shown in FIG. 10, transistor pairs or the like that are required for differential in the differential circuit are located as close as the arrangement rules allow, such as the transistors A and B in the semiconductor chip S1. Arranging the elements in the circuit approaches the ideal circuit characteristics. However, the number of transistors in the transistor pair that is the key to differential is not always two, and many combinations are usually required, or there are many pairs of points to be considered in the circuit. . Further, when the designed circuit is arranged on the semiconductor chip S1 as a mask layout, a pair which is a key of the differential is arranged at the nearest distance like the relationship between the transistors A and B due to layout restrictions. It is not always possible. In addition, based on circuit theory and experience related to differential circuits, there is knowledge about the relative fluctuations in the characteristics of which pairs in the circuit from the stage before circuit design has a major impact on the fluctuations in circuit characteristics. If it is obtained to some extent, it is possible to obtain a quantitatively accurate result, consider a circuit for which knowledge is not obtained in advance, or whether a portion that is not a differential pair relatively affects the fluctuation of characteristics. I need to think about it.
これらの答えを得るためには、回路の規模が大きくなり複雑になればなる程、理論による手計算や経験による勘だけでは困難になり、回路シミュレータがないと実現できないことになる。しかしながら、上述したように従来の抽出手法によって抽出されたモデルパラメータを用いた統計モデルには、チップ内の相対的な特性の変動に対する情報が全く含まれていないから、これらの答えが得られない。そして、このような答えが不明である場合、素子特性の相対的な変動が原因で現実の分布とは合わず、回路特性の規格外れ品が大量に発生することが起こり得る。さらに、回路特性の変動の原因が素子特性の相対的な変動にある場合、回路特性を規格内に入れるために、どの素子の組み合わせが定量的にどの程度影響しているのか、どの素子同士の相対的な位置関係を適正化すればよいのかといったことが明確でないため、発生対策が考案できない。また、回路の構成や回路のマスクレイアウトの修正を思考錯誤的に行って試作することを繰り返し、開発にかかる費用と時間を莫大なものにしてしまうことがあった。 In order to obtain these answers, the larger and more complex the circuit becomes, the more difficult it becomes by hand calculation based on theory and intuition based on experience, and it cannot be realized without a circuit simulator. However, as described above, the statistical model using the model parameters extracted by the conventional extraction method does not include any information on the relative characteristic variation in the chip, and thus cannot obtain these answers. . When such an answer is unknown, it is possible that a large amount of non-standard circuit characteristics may be generated due to a relative variation in element characteristics that does not match the actual distribution. Furthermore, when the cause of the fluctuation of the circuit characteristics is the relative fluctuation of the element characteristics, in order to make the circuit characteristics within the standard, which element combination has a quantitative influence, how much of each element Since it is not clear whether the relative positional relationship should be optimized, it is not possible to devise an occurrence countermeasure. In addition, it has been necessary to repeatedly make a prototype by correcting the circuit configuration and the circuit mask layout in a thought-and-error manner, which may increase the cost and time for development.
それ故に、本発明の目的は、素子が配置される位置による特性の相関をモデルパラメータに反映させたモデルパラメータ抽出手法および回路シミュレーションシステムを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a model parameter extraction method and a circuit simulation system in which a correlation of characteristics depending on a position where an element is arranged is reflected in a model parameter.
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。なお、括弧内の参照符号やステップ番号等は、本発明の理解を助けるために後述する実施形態との対応関係を示したものであって、本発明の範囲を何ら限定するものではない。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following configuration. Note that the reference numerals in parentheses, step numbers, and the like indicate correspondence with the embodiments described later in order to help understanding of the present invention, and do not limit the scope of the present invention.
本発明のモデルパラメータ抽出方法は、複数の素子(A1、B1)を対として測定された測定データからモデル式のパラメータを抽出する。モデルパラメータ抽出方法は、複数の素子を対として所定の特性データを測定するステップ(S1)と、複数の素子の特性データからそれぞれのモデルパラメータを抽出するステップ(S2)と、それぞれのモデルパラメータの標本値を用いて、それぞれのモデルパラメータにおける母集団の平均値および標準偏差を推定するステップ(S3)と、それぞれのモデルパラメータの標本値を用いて、それぞれのモデルパラメータの母集団間に対する相関係数を推定するステップ(S4)と、相関係数を主成分分析して主成分を求めるステップ(S6)と、平均値、標準偏差、相関係数、および主成分を用いて、モデルパラメータの母集団の統計的分布を示すパラメータと、異なる素子の母集団間の相対的位置関係に依存する相関とを示すパラメータとで表した統計モデルを与える数式を得るステップ(S6)とを含む。 In the model parameter extraction method of the present invention, parameters of a model formula are extracted from measurement data measured with a plurality of elements (A1, B1) as a pair. The model parameter extracting method includes a step (S1) of measuring predetermined characteristic data by pairing a plurality of elements, a step (S2) of extracting each model parameter from the characteristic data of the plurality of elements, A step (S3) of estimating an average value and a standard deviation of a population in each model parameter using the sample value, and a correlation between each model parameter between the populations using the sample value of each model parameter Using the mean value, the standard deviation, the correlation coefficient, and the principal component, the step of estimating the number (S4), the principal component analysis of the correlation coefficient to obtain the principal component (S6), and the model parameter A parameter indicating the statistical distribution of the population and a correlation depending on the relative positional relationship between the populations of different elements. And a step (S6) of obtaining a formula which gives a statistical model expressed by the motor.
上記数式を得るステップは、さらに、平均値、標準偏差、相関係数、および主成分を用いて、モデルパラメータの母集団の統計的分布を示すパラメータと、相対的位置関係に依存する相関と同時に同一素子の母集団間の相関を示すパラメータとで表した統計モデルを与える数式を得てもかまわない(S14)。 The step of obtaining the above mathematical expression further uses a mean value, a standard deviation, a correlation coefficient, and a principal component to simultaneously calculate a parameter indicating a statistical distribution of a population of model parameters and a correlation depending on a relative positional relationship. You may obtain the numerical formula which gives the statistical model represented with the parameter which shows the correlation between the populations of the same element (S14).
例えば、複数の素子の対は、所定の境界(S1)内に配置される。この場合、一例として、測定するステップは、境界内における複数の位置(A2、B2)でそれぞれ複数の素子の対における特性データを測定する。そして、数式を得るステップは、さらに、平均値、標準偏差、相関係数、および主成分を用いて、モデルパラメータの母集団の統計的分布を示し、かつ境界内における対の位置に依存するパラメータと、相対的位置関係に依存する相関と同時に同一素子の母集団間の境界内における対の位置に依存する相関を示すパラメータとで表した統計モデルを与える数式を得る。 For example, a plurality of element pairs are arranged within a predetermined boundary (S1). In this case, as an example, the measuring step measures characteristic data in a plurality of element pairs at a plurality of positions (A2, B2) within the boundary. The step of obtaining the mathematical formula further shows the statistical distribution of the population of model parameters using the mean value, standard deviation, correlation coefficient, and principal component, and also depends on the position of the pair within the boundary. And a mathematical formula that gives a statistical model expressed by a parameter indicating a correlation depending on a position of a pair in a boundary between populations of the same element simultaneously with a correlation depending on a relative positional relationship.
他の例として、測定するステップは、境界内における位置および対となる複数の素子間の相対的な位置関係をそれぞれ変化させて(B3、B4)特性データを測定する。そして、数式を得るステップは、さらに、平均値、標準偏差、相関係数、および主成分を用いて、モデルパラメータの母集団の統計的分布を示し、かつ境界内における対の位置に依存するパラメータと、相対的位置関係に依存する相関と同時に同一素子の母集団間の境界内における対の位置に依存する相関を示すパラメータとで表した統計モデルを与える数式を得る。 As another example, the measuring step measures the characteristic data by changing the position within the boundary and the relative positional relationship between a plurality of pairs of elements (B3, B4). The step of obtaining the mathematical formula further shows the statistical distribution of the population of model parameters using the mean value, standard deviation, correlation coefficient, and principal component, and also depends on the position of the pair within the boundary. And a mathematical formula that gives a statistical model expressed by a parameter indicating a correlation depending on a position of a pair in a boundary between populations of the same element simultaneously with a correlation depending on a relative positional relationship.
具体的には、対を形成する複数の素子は、所定の配置ルールに基づいて互いに最も近接して配置されている。 Specifically, the plurality of elements forming the pair are arranged closest to each other based on a predetermined arrangement rule.
本発明の回路シミュレーションシステムは、複数の素子を対として測定された測定データからモデル式のパラメータを抽出して回路シミュレーションする。回路シミュレーションシステムは、複数の素子を対(111)として所定の特性データを測定する測定部(112)と、測定部が測定した特性データからそれぞれのモデルパラメータを抽出する抽出部(113)と、抽出部が抽出したモデルパラメータを用いて統計モデルを与える数式を演算するデータ処理部(114)と、データ処理部が演算した数式を用いて統計モデルを組み込んだ回路シミュレーションを行う回路シミュレータ(115)とを備える。データ処理部は、抽出部が抽出したそれぞれのモデルパラメータの標本値を用いて、それぞれのモデルパラメータにおける母集団の平均値および標準偏差を推定する統計的分布推定手段(S3)と、抽出部が抽出したそれぞれのモデルパラメータの標本値を用いて、それぞれのモデルパラメータの母集団間に対する相関係数を推定する相関係数推定手段(S4)と、相関係数推定手段が推定した相関係数を主成分分析して主成分を求める主成分分析手段(S5)と、統計的分布推定手段、相関係数推定手段、および主成分分析手段によって得られる平均値、標準偏差、相関係数、および主成分を用いて、モデルパラメータの母集団の統計的分布を示すパラメータと、異なる素子の母集団間の相対的位置関係に依存する相関とを示すパラメータとで表した統計モデルを与える数式を演算する数式演算手段(S6)とを含む。 The circuit simulation system of the present invention extracts a parameter of a model formula from measurement data measured with a plurality of elements as a pair, and performs circuit simulation. The circuit simulation system includes a measurement unit (112) that measures predetermined characteristic data with a plurality of elements as a pair (111), an extraction unit (113) that extracts each model parameter from the characteristic data measured by the measurement unit, A data processing unit (114) that calculates a mathematical formula that gives a statistical model using the model parameters extracted by the extraction unit, and a circuit simulator (115) that performs circuit simulation incorporating the statistical model using the mathematical formula calculated by the data processing unit With. The data processing unit uses a sample value of each model parameter extracted by the extraction unit, statistical distribution estimation means (S3) for estimating the average value and standard deviation of the population in each model parameter, and the extraction unit Correlation coefficient estimation means (S4) for estimating a correlation coefficient between populations of each model parameter using the sample values of each extracted model parameter, and a correlation coefficient estimated by the correlation coefficient estimation means Principal component analysis means (S5) for obtaining principal components through principal component analysis, statistical distribution estimation means, correlation coefficient estimation means, and mean values, standard deviations, correlation coefficients, and principal values obtained by principal component analysis means Parameters that indicate the statistical distribution of the model parameter population using components and correlations that depend on the relative positional relationships between the populations of different elements Calculating a formula that gives the statistical model expressed in and a formula calculation means (S6).
上記数式演算手段は、さらに、平均値、標準偏差、相関係数、および主成分を用いて、モデルパラメータの母集団の統計的分布を示すパラメータと、相対的位置関係に依存する相関と同時に同一素子の母集団間の相関を示すパラメータとで表した統計モデルを与える数式を演算してもかまわない。 The above mathematical formula calculation means further uses the average value, standard deviation, correlation coefficient, and principal component, and is the same as the parameter indicating the statistical distribution of the population of model parameters simultaneously with the correlation depending on the relative positional relationship. A mathematical expression that gives a statistical model represented by a parameter indicating the correlation between element populations may be calculated.
例えば、複数の素子の対は、所定の境界内に配置される。この場合、一例として、測定部は、境界内における複数の位置でそれぞれ複数の素子の対における特性データを測定する。そして、数式演算手段は、さらに、平均値、標準偏差、相関係数、および主成分を用いて、モデルパラメータの母集団の統計的分布を示し、かつ境界内における対の位置に依存するパラメータと、相対的位置関係に依存する相関と同時に同一素子の母集団間の境界内における対の位置に依存する相関を示すパラメータとで表した統計モデルを与える数式を演算する。 For example, a plurality of element pairs are arranged within a predetermined boundary. In this case, as an example, the measurement unit measures characteristic data in a plurality of pairs of elements at a plurality of positions within the boundary. The mathematical formula calculation means further shows a statistical distribution of the population of model parameters using the average value, the standard deviation, the correlation coefficient, and the principal component, and a parameter depending on the position of the pair within the boundary. Then, a mathematical expression that gives a statistical model expressed by a parameter indicating a correlation depending on a position of a pair in a boundary between populations of the same element simultaneously with a correlation depending on a relative positional relationship is calculated.
他の例として、測定部は、境界内における位置および対となる複数の素子間の相対的な位置関係をそれぞれ変化させて特性データを測定する。そして、数式演算手段は、さらに、平均値、標準偏差、相関係数、および主成分を用いて、モデルパラメータの母集団の統計的分布を示し、かつ境界内における対の位置に依存するパラメータと、相対的位置関係に依存する相関と同時に同一素子の母集団間の境界内における対の位置に依存する相関を示すパラメータとで表した統計モデルを与える数式を演算する。 As another example, the measurement unit measures the characteristic data by changing the position in the boundary and the relative positional relationship between a plurality of pairs of elements. The mathematical formula calculation means further shows a statistical distribution of the population of model parameters using the average value, the standard deviation, the correlation coefficient, and the principal component, and a parameter depending on the position of the pair within the boundary. Then, a mathematical expression that gives a statistical model expressed by a parameter indicating a correlation depending on a position of a pair in a boundary between populations of the same element simultaneously with a correlation depending on a relative positional relationship is calculated.
具体的には、対を形成する複数の素子は、所定の配置ルールに基づいて互いに最も近接して配置されている。 Specifically, the plurality of elements forming the pair are arranged closest to each other based on a predetermined arrangement rule.
本発明のモデルパラメータ抽出方法によれば、対象としている複数個の装置からなる系内の各装置の相対的位置関係に依存した特性の相関関係を素子モデルの中に正確に組み込むことができ、より現実に近い特性の分布を計算することが可能となる。これによって、回路特性の工程変動による分布を予測する際に、予測精度を向上させ、試作回数の削減等により開発にかかる費用と時間を削減することができるようになり、すぐれた効果を発揮することになる。 According to the model parameter extraction method of the present invention, the correlation of characteristics depending on the relative positional relationship of each device in the system composed of a plurality of target devices can be accurately incorporated into the element model, It becomes possible to calculate the distribution of characteristics closer to reality. As a result, when predicting the distribution due to process fluctuations in circuit characteristics, it is possible to improve the prediction accuracy and reduce the cost and time required for development by reducing the number of prototypes, etc. It will be.
また、相対的位置関係に依存する相関と同時に同一素子の母集団間の相関を示すパラメータを含んだ統計モデルを与える数式を得る場合、複数の素子におけるそれぞれのモデルパラメータ間の相関にそれら同一の素子におけるモデルパラメータ同士の相関も同時に取り込んだ特性の分布をさらに予測することができる。 In addition, when obtaining a mathematical formula that gives a statistical model including a parameter indicating a correlation between populations of the same element as well as a correlation depending on the relative positional relationship, the correlation between the model parameters in a plurality of elements It is possible to further predict the distribution of characteristics incorporating the correlation between model parameters in the element.
また、境界内における対の位置に依存するパラメータを含んだ統計モデルを与える数式を得る場合、当該境界内に生じる応力により変動する素子の特性等、境界内位置依存性を持った特性の分布をさらに予測することができる。 In addition, when obtaining a mathematical formula that gives a statistical model that includes a parameter that depends on the position of a pair within the boundary, the distribution of characteristics that depend on the position within the boundary, such as the characteristics of elements that change due to the stress that occurs within the boundary. Further predictions can be made.
また、複数の素子間の相対的な位置関係をそれぞれ変化させ、その相対的位置関係に依存するパラメータを含んだ統計モデルを与える数式を得る場合、様々な制約によって複数の素子間の距離が固定できない回路等で相対的位置関係が変化してもその特性の分布をさらに予測することができる。 Also, when changing the relative positional relationship between multiple elements and obtaining a mathematical formula that gives a statistical model that includes parameters that depend on the relative positional relationship, the distance between multiple elements is fixed due to various constraints. Even if the relative positional relationship changes in a circuit that cannot be used, the distribution of the characteristics can be further predicted.
また、所定の配置ルールに基づいて互いに最も近接して配置された対で形成される差動型の回路であっても、それらの特性の変動が考慮された分布を予測することができる。 Further, even in the case of a differential circuit formed by a pair arranged closest to each other based on a predetermined arrangement rule, a distribution that takes into account variations in their characteristics can be predicted.
本発明の回路シミュレーションシステムによれば、上述したモデルパラメータ抽出方法と同様の効果を得ることができる。 According to the circuit simulation system of the present invention, the same effect as the model parameter extraction method described above can be obtained.
(第1の実施形態)
以下、図面を参照して、本発明の第1の実施形態に係るモデルパラメータ抽出方法および当該方法を用いた回路シミュレーションシステムについて説明する。なお、図1は当該モデルパラメータ抽出方法が用いる系の概念を表す図であり、図2は当該モデルパラメータ抽出方法を示すフローチャートである。なお、当該回路シミュレーションシステムのブロック図は、背景技術で説明した図11と同様であるため詳細な説明を省略する。ただし、後述するように、当該モデルパラメータ抽出方法を用いる場合、被測定系111における標本の選び方と、データ処理系114におけるデータ処理の方法とが異なる。
(First embodiment)
Hereinafter, a model parameter extraction method and a circuit simulation system using the method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a concept of a system used by the model parameter extraction method, and FIG. 2 is a flowchart showing the model parameter extraction method. Note that the block diagram of the circuit simulation system is the same as FIG. 11 described in the background art, and thus detailed description thereof is omitted. However, as will be described later, when the model parameter extraction method is used, the method of selecting a sample in the measured
図1において、複数個の装置で構成される系の境界S1内に装置A1およびB1がある相対的位置関係に基づいて配置されている。例えば、半導体集積回路分野の場合、境界S1は、半導体チップの境界や回路ブロックの境界等である。また、装置A1およびB1は、例えばそれぞれトランジスタ等の素子である。装置A1およびB1は、素子の配置ルールで許容される最近接距離程度に互いに配置され、境界S1内において中央付近に配置されている。装置A1およびB1は、差動型の回路等において互いの素子特性の相対的な変動が小さいことを利用している回路の要の部分であることを想定しており、TEG(Test Element Group)等の測定用パターン上に配置される。そして、装置A1およびB1は、モデルパラメータを抽出するために一連の測定が行える電気配線が施されている。 In FIG. 1, devices A1 and B1 are arranged based on a relative positional relationship within a system boundary S1 composed of a plurality of devices. For example, in the semiconductor integrated circuit field, the boundary S1 is a boundary of a semiconductor chip or a boundary of a circuit block. The devices A1 and B1 are elements such as transistors, for example. The devices A1 and B1 are arranged close to each other at the closest distance allowed by the element arrangement rule, and are arranged near the center in the boundary S1. The devices A1 and B1 are assumed to be an essential part of a circuit that utilizes the fact that relative fluctuations in mutual element characteristics are small in a differential circuit or the like, and TEG (Test Element Group) Are arranged on the measurement pattern. The devices A1 and B1 are provided with electrical wiring that can perform a series of measurements in order to extract model parameters.
以下、説明を具体的にするために、境界S1を半導体チップの境界(以下、半導体チップS1と記載する)とし、装置A1およびB1を共にバイポーラトランジスタ(以下、トランジスタA1およびB1と記載する)とし、素子モデルをGummel−Poonとする。また、半導体チップS1を搭載したウェハを製造する時期、製造ウェハのロットの違い、あるいは製造ウェハ内での半導体チップS1の占める位置等の違いによるトランジスタA1およびB1の特性の変動と、トランジスタA1およびB1の電流増幅率hFEの相対的な変動(つまり電流増幅率hFEと関わりの深いモデルパラメータBFの相対的な変動)との影響を、差動回路の電気特性が特に強く受けるような場合を考える。 Hereinafter, for the sake of specific explanation, the boundary S1 is a semiconductor chip boundary (hereinafter referred to as a semiconductor chip S1), and the devices A1 and B1 are both bipolar transistors (hereinafter referred to as transistors A1 and B1). Let the element model be Gummel-Poon. In addition, variations in the characteristics of the transistors A1 and B1 due to differences in the manufacturing time of the wafer on which the semiconductor chip S1 is mounted, the difference in the lot of the manufacturing wafer, the position occupied by the semiconductor chip S1 in the manufacturing wafer, and the like. Consider the case where the electrical characteristics of the differential circuit are particularly strongly affected by the relative fluctuation of the current amplification factor hFE of B1 (that is, the relative fluctuation of the model parameter BF that is closely related to the current amplification factor hFE). .
図2では、トランジスタA1およびB1の特性における相対的な変動を組み込むことのできる統計モデルのモデルパラメータ抽出手法のフローチャートを示している。図2において、測定系112は、半導体チップS1上に形成されたトランジスタA1およびB1の電気特性を測定する(ステップS1)。このとき、上述したようにトランジスタ対A1およびB1は、半導体チップS1上に形成された差動回路上における相対的な特性の変動が、回路の電気特性の変動に影響を与える要である。また、測定系112は、半導体チップS1を搭載したウェハを製造する時期、製造ウェハのロットの違い、製造ウェハ内での半導体チップS1の占める位置等の違いによる統計的な変動を十分反映するように標本を選んで、多数測定する。そして、測定系112は、対となるトランジスタA1およびB1のデータを必ず同一チップから採取し、同一チップから採取したデータの対応関係を明確にして記録していく。ここで、上記ステップS1では、被測定系111をトランジスタA1およびB1、トランジスタA1およびB1を搭載した半導体チップS1、あるいは半導体チップS1を搭載したウェハに選び、測定系112によってトランジスタA1およびB1を多数測定している。
FIG. 2 shows a flowchart of a model parameter extraction technique for a statistical model that can incorporate relative variations in the characteristics of transistors A1 and B1. In FIG. 2, the
次に、抽出系113は、上記ステップS1で得られたトランジスタA1およびB1の測定結果からそれぞれモデルパラメータを抽出する(ステップS2)。このステップS2では、抽出系113において、測定系112より得られる特性曲線の測定条件と等しくなるように回路シミュレータ115の回路図上でのシミュレーション条件が設定される。そして、抽出系113は、回路シミュレータ115で用いられる素子モデルにおいてモデルパラメータの値を様々に変えて実施されたシミュレーション結果より得られる特性曲線と、測定系112より得られる特性曲線とを比較し、両者が指定した誤差の範囲内で一致するようにモデルパラメータが定められる。また、測定系112で測定された多数のトランジスタA1およびB1は、それらが搭載されたウェハを製造する時期、製造ウェハのロットの違い、製造ウェハ内での半導体チップS1の位置等による統計的な変動を十分反映するように選んでいるため、製造工程の変動を反映する形で測定毎に異なる電気的な特性を示す。したがって、上記ステップS2で抽出された素子モデルのモデルパラメータは、製造工程の変動を反映した分布を持ち、かつトランジスタA1およびB1から得られたモデルパラメータBF間における相関関係の情報も、製造工程の変動を反映する形で抽出値の中に含まれる。
Next, the
次にデータ処理系114は、上記ステップS2で抽出されたトランジスタA1およびB1のモデルパラメータの標本値を統計的に処理する(ステップS3)。
Next, the
例えば、実測のモデルパラメータの標本値分布から、各モデルパラメータの製造工程全体での母集団の分布が正規分布に従うものと統計学的に推定される場合、標本値の分布から正規分布に従う母集団の平均値および標準偏差が統計学的に推定される。これらの平均値および標準偏差を得るための標本値は、半導体チップS1を搭載したウェハを製造する時期、製造ウェハのロットの違い、製造ウェハ内での半導体チップS1の占める位置等の違いによる統計的な工程変動を十分反映するように選んだので、トランジスタA1およびB1のチップ内のわずかな位置関係のずれは平均値および標準偏差には影響しない。したがって、トランジスタA1およびB1の一方で代表してもかまわない。これらを用いたモデルパラメータの分布が、背景技術と同様の上記式(1)で表現できる。 For example, if it is statistically estimated from the sample value distribution of measured model parameters that the population distribution of each model parameter in the entire manufacturing process follows a normal distribution, the population that follows the normal distribution from the sample value distribution The mean and standard deviation of are statistically estimated. The sample values for obtaining these average values and standard deviations are statistics based on differences in the manufacturing time of the wafer on which the semiconductor chip S1 is mounted, the manufacturing wafer lot, the position occupied by the semiconductor chip S1 in the manufacturing wafer, and the like. Therefore, a slight positional shift in the chips of the transistors A1 and B1 does not affect the average value and the standard deviation. Therefore, one of the transistors A1 and B1 may be represented. The distribution of model parameters using these can be expressed by the above equation (1) similar to the background art.
ここで、上記式(1)のモデルパラメータPを素子モデルのモデルパラメータに組み込み、回路シミュレータ115の中で平均値0および標準偏差1で正規分布する乱数を多数回発生させてそれぞれN(1、0)に代入すれば、モデルパラメータPの値の分布が、ステップS2で抽出されたモデルパラメータの母集団の分布を再現することになる。しかし、この段階は、あくまで製造工程全体に渡る変動の影響で素子の特性がチップ内の回路の全体で共に変動することによって回路特性に影響を与えることをモデル化するものであって、同一回路内の素子特性の相対的な変動は素子モデルに取り入れられていない。上述した差動型の回路の場合、この相対的な変動の推定が重要になってくる。 Here, the model parameter P of the above equation (1) is incorporated into the model parameter of the element model, and random numbers normally distributed with an average value of 0 and a standard deviation of 1 are generated in the circuit simulator 115 a number of times. 0), the distribution of the model parameter P values reproduces the distribution of the model parameter population extracted in step S2. However, this stage models the fact that the characteristics of the element affect the circuit characteristics by changing together in the entire circuit in the chip due to the influence of the fluctuations throughout the manufacturing process. The relative variation of the device characteristics is not incorporated in the device model. In the case of the differential circuit described above, it is important to estimate this relative variation.
次に、データ処理系114は、上記ステップS2で抽出されたモデルパラメータの標本値に対する分布のデータを用いて、トランジスタA1およびB1に関するモデルパラメータの母集団に対する分布の間の相関係数を統計学的に推定する(ステップS4)。
Next, the
図3は、上記ステップS4の処理により得られた、トランジスタA1のモデルパラメータBFとトランジスタB1のモデルパラメータBFとの相関係数の例である。図3において、トランジスタA1およびB1のモデルパラメータBFを、それぞれBF_A1およびBF_B1で示している。また、モデルパラメータBF_A1およびBF_B1が形成する行列の交点にある値は、縦のモデルパラメータと横のモデルパラメーとタの組み合わせの相関係数を示している。モデルパラメータBFの組み合わせの相関係数は、「−1」から「1」の範囲の実数値をとり、これらをαaa、αab、αba、およびαbbで表現する。これら相関係数αは、正の相関が大きいほど「1」に近く、負の相関が大きいほど「−1」に近く、互いに相関がない場合には「0」になる。例えば、同一のモデルパラメータの組み合わせに対する相関係数は、相関係数「1」になるため、図3では相関係数αaaおよびαbbを「1」で示している。そして、異なるモデルパラメータBFの組み合わせであっても、上述したようにトランジスタA1およびB1がバイポーラトランジスタであって、それぞれのモデルパラメータBF間は相関を持った変動をする。そして、トランジスタA1およびB1は、互いに最小近接距離程度の同一タイプの素子であるため、通常それぞれのトランジスタの特性が近くなり、それらの間の相関係数(つまりαabおよびαba)が「1」に近い値を持つ。また、これら相関係数αが形成する行列は、相関の基本的な性質から常に対称行列になる。図3の非対角要素(つまりαabおよびαba)は等しくなる。 FIG. 3 is an example of a correlation coefficient between the model parameter BF of the transistor A1 and the model parameter BF of the transistor B1 obtained by the process of step S4. In FIG. 3, model parameters BF of the transistors A1 and B1 are indicated by BF_A1 and BF_B1, respectively. The value at the intersection of the matrix formed by the model parameters BF_A1 and BF_B1 indicates the correlation coefficient of the combination of the vertical model parameter, the horizontal model parameter, and the data. The correlation coefficient of the combination of the model parameters BF takes real values ranging from “−1” to “1”, and these are expressed by αaa, αab, αba, and αbb. These correlation coefficients α are closer to “1” as the positive correlation is larger, closer to “−1” as the negative correlation is larger, and “0” when there is no correlation with each other. For example, since the correlation coefficient for the same combination of model parameters is “1”, the correlation coefficients αaa and αbb are indicated by “1” in FIG. Even in the case of a combination of different model parameters BF, as described above, the transistors A1 and B1 are bipolar transistors, and the model parameters BF fluctuate with correlation. Since the transistors A1 and B1 are the same type of elements having a minimum proximity distance, the characteristics of the respective transistors are usually close to each other, and the correlation coefficient (that is, αab and αba) between them is “1”. Has a close value. Further, the matrix formed by these correlation coefficients α is always a symmetric matrix due to the basic property of correlation. The off-diagonal elements in FIG. 3 (ie αab and αba) are equal.
次に、データ処理系114は、上記ステップS4で得られた相関係数が形成する相関係数行列に対して主成分分析を行い、主成分を求める(ステップS5)。ここで、図3で示したトランジスタA1およびB1のモデルパラメータBF間の相関係数αが求められても、通常の回路シミュレータでは互いに相関を持つような正規分布に従う乱数を発生させるようなことができない。一方、互いに独立な正規分布に従う乱数を発生させることは、通常の回路シミュレータでは容易に行えるので、このような乱数を利用して、相関係数αを持つような正規分布に従う乱数を回路シミュレータの中で発生させる。そのために、統計学の主成分分析が利用される。
Next, the
ステップS5で行う主成分分析にあたって、数式的な扱い易さから背景技術で説明した上記式(4)を用いて標準化を行う。そして、上記式(4)で導かれる量的変数の一次結合を上記式(5)で演算する。これらの方法については、背景技術と同様であるため、詳細な説明を省略する。図3で示した相関係数行列が2行2列の場合、主成分は、上記式(5)でn=2とした式(12)で与えられる。
zj=aj1・u1+aj2・u2 …(12)
ここで、j=1、2の値であり、u1およびu2は、それぞれモデルパラメータBF_A1およびBF_B1を標準化した量的変数である。
In the principal component analysis performed in step S5, standardization is performed using the above formula (4) described in the background art for ease of mathematical handling. Then, the linear combination of the quantitative variables derived by the above equation (4) is calculated by the above equation (5). Since these methods are the same as those in the background art, detailed description thereof is omitted. When the correlation coefficient matrix shown in FIG. 3 has 2 rows and 2 columns, the principal component is given by Equation (12) where n = 2 in Equation (5) above.
zj = aj1 · u1 + aj2 · u2 (12)
Here, j = 1 and 2 and u1 and u2 are quantitative variables obtained by standardizing model parameters BF_A1 and BF_B1, respectively.
上記式(12)で示されるz1およびz2の分散は、この順番に大きく、かつ式(12)の係数がつくる2個のベクトル(a11、a12)および(a21、a22)は、上記2行2列の相関係数行列について数学的な固有値問題を解いて得られる固有ベクトルで、それぞれの大きさは1で、互いに直交する。また、この固有値問題を解いて得られた固有値を大きい順にλ1およびλ2とすると、固有値λ1およびλ2にそれぞれ属する固有ベクトルが(a11、a12)および(a21、a22)になる。さらに、背景技術で説明したように、上記式(12)における主成分z1およびz2は、固有値λ1およびλ2との間で式(13)のような関係がある。
zj={λj^(1/2)}・Nj(1、0) …(13)
ここで、j=1、2の整数値であり、Nj(1、0)は平均値0および標準偏差1で、互いに独立な正規分布に従う2個の量的変数を表わす。通常、統計学においては、このような主成分z1およびz2を求めるところまでで終わり、後述の内容は、統計モデルをつくるための固有のものである。
The variances of z1 and z2 shown in the above equation (12) are large in this order, and the two vectors (a11, a12) and (a21, a22) created by the coefficients of the equation (12) Eigenvectors obtained by solving a mathematical eigenvalue problem for a column correlation coefficient matrix, each having a magnitude of 1 and orthogonal to each other. If eigenvalues obtained by solving this eigenvalue problem are λ1 and λ2 in descending order, eigenvectors belonging to eigenvalues λ1 and λ2 are (a11, a12) and (a21, a22), respectively. Further, as described in the background art, the principal components z1 and z2 in the above equation (12) have a relationship as in the equation (13) between the eigenvalues λ1 and λ2.
zj = {λj ^ (1/2)} · Nj (1, 0) (13)
Here, j is an integer value of 1 and 2, and Nj (1, 0) is an average value of 0 and a standard deviation of 1 and represents two quantitative variables according to a normal distribution independent of each other. Normally, statistics end up to the point where such principal components z1 and z2 are obtained, and the contents described later are specific for creating a statistical model.
次に、データ処理系114は、上記ステップS5で求めた主成分と、ステップS3で得られた平均値および標準偏差と、ステップS4で得られた相関係数とを用いて、統計モデルを与える数式を得る(ステップS6)。ここで、背景技術で説明した統計モデルで用いた相関係数は、トランジスタA(図10参照)の特性を与える同一素子モデル内のモデルパラメータ同士のものである。これに対して、本発明の統計モデルの場合、トランジスタA1およびB1のそれぞれに対応した、素子モデルパラメータの半導体チップS1内での互いの相対的位置関係に依存した相関係数を考えているので、同じ相関という表現を用いているが、全く異なるものである。以下、本発明の統計モデルを表わす数式の具体的な求め方を説明する。
Next, the
まず、上記式(12)を式(13)に代入すると、式(14)が得られる。
{λj^(1/2)}・Nj(1、0)=aj1・u1+aj2・u2 …(14)
ここで、右辺の係数のつくるベクトル(a11、a12)および(a21、a22)のそれぞれの大きさは1で、互いに直交する。したがって、上記係数のつくる行列は直交行列となり、その転置行列はもとの行列の逆行列に等しい。つまり、式(14)の両辺に係数がつくる行列の転置行列を掛けることにより、u1およびu2について解くことができる。その結果は式(15)のようになる。
uj=a1j・{λ1^(1/2)}・N1(1、0)
+a2j・{λ2^(1/2)}・N2(1、0) …(15)
First, when the formula (12) is substituted into the formula (13), the formula (14) is obtained.
{Λj ^ (1/2)} · Nj (1, 0) = aj1 · u1 + aj2 · u2 (14)
Here, the magnitudes of the vectors (a11, a12) and (a21, a22) formed by the coefficients on the right side are 1 and are orthogonal to each other. Therefore, the matrix created by the coefficients is an orthogonal matrix, and its transposed matrix is equal to the inverse of the original matrix. That is, u1 and u2 can be solved by multiplying both sides of the equation (14) by a transposed matrix of a matrix formed by coefficients. The result is as shown in equation (15).
uj = a1j · {λ1 ^ (1/2)} · N1 (1, 0)
+ A2j · {λ2 ^ (1/2)} · N2 (1, 0) (15)
上記式(15)より、互いに相関のある量的変数uj(j=1、2)が、互いに独立な2個の平均値0および標準偏差1の正規分布に従う変数N1(1、0)およびN2(1、0)の一次結合で表わされることがわかる。なお、式(14)において、量的変数uj(j=1、2)は標準化しているため、もとの量的変数BF_A1およびBF_B1で式(15)を表わすとそれぞれ式(16)および式(17)のようになる。
BF_A1=BF_A1m
+BF_A1σ×[a11・{λ1^(1/2)}・N1(1、0)
+a21・{λ2^(1/2)}・N2(1、0)]
…(16)
BF_B1=BF_B1m
+BF_B1σ×[a12・{λ1^(1/2)}・N1(1、0)
+a22・{λ2^(1/2)}・N2(1、0)]
…(17)
ここで、BF_A1mおよびBF_B1mは、それぞれモデルパラメータBF_A1およびBF_B1の分布の平均値である。BF_A1σおよびBF_B1σは、それぞれモデルパラメータBF_A1およびBF_B1の分布の標準偏差である。N1(1、0)およびN2(1、0)は、それぞれ平均値0および標準偏差1の互いに独立な正規分布に従う量的変数である。
From the above equation (15), the quantitative variables uj (j = 1, 2) that are correlated with each other are variables N1 (1, 0) and N2 that follow a normal distribution with two independent
BF_A1 = BF_A1m
+ BF_A1σ × [a11 · {λ1 ^ (1/2)} · N1 (1, 0)
+ A21 · {λ2 ^ (1/2)} · N2 (1, 0)]
... (16)
BF_B1 = BF_B1m
+ BF_B1σ × [a12 · {λ1 ^ (1/2)} · N1 (1, 0)
+ A22 · {λ2 ^ (1/2)} · N2 (1, 0)]
... (17)
Here, BF_A1m and BF_B1m are average values of the distribution of the model parameters BF_A1 and BF_B1, respectively. BF_A1σ and BF_B1σ are standard deviations of the distribution of the model parameters BF_A1 and BF_B1, respectively. N1 (1, 0) and N2 (1, 0) are quantitative variables according to normal distributions having an average value of 0 and a standard deviation of 1, respectively, and independent from each other.
さらに、上記式(16)および式(17)において、それぞれ係数aij・{λi^(1/2)}(i、j=1、2)を式(18)のようにbij(i、j=1、2)と置き換える。
bij=aij・{λi^(1/2)} …(18)
そして、上記式(18)より上記式(16)および式(17)は、それぞれ式(19)および式(20)のようになる。
BF_A1=BF_A1m
+BF_A1σ×{b11・N1(1、0)+b21・N2(1、0)}
…(19)
BF_B1=BF_B1m
+BF_B1σ×{b12・N1(1、0)+b22・N2(1、0)}
…(20)
ここで、上記式(19)および式(20)におけるN1(1、0)およびN2(1、0)は、それぞれ互いに独立な量的変数であるため、量的変数BF_A1およびBF_B1の間の相関係数をα_A1B1とし、これを上記式(19)および式(20)を用いて計算すると、式(21)のようになる。
α_A1B1=b11・b12+b21・b22 …(21)
Further, in the above equations (16) and (17), the coefficients aij · {λi ^ (1/2)} (i, j = 1, 2) are respectively expressed as bij (i, j = 1, 2).
bij = aij · {λi ^ (1/2)} (18)
Then, from the above equation (18), the above equations (16) and (17) become equations (19) and (20), respectively.
BF_A1 = BF_A1m
+ BF_A1σ × {b11 · N1 (1, 0) + b21 · N2 (1, 0)}
... (19)
BF_B1 = BF_B1m
+ BF_B1σ × {b12 · N1 (1, 0) + b22 · N2 (1, 0)}
... (20)
Here, since N1 (1, 0) and N2 (1, 0) in the above formulas (19) and (20) are respectively independent quantitative variables, the phase between the quantitative variables BF_A1 and BF_B1 When the relation number is α_A1B1 and is calculated using the above formulas (19) and (20), formula (21) is obtained.
α_A1B1 = b11 · b12 + b21 · b22 (21)
そして、量的変数BF_A1およびBF_B1間の相関係数α_A1B1は、上述のようにトランジスタA1およびB1の半導体チップS1内における相対的な位置関係に依存している。したがって、上記式(21)の右辺を構成するb11、b12、b21、およびb22も同様に、トランジスタA1およびB1の相対的位置関係に依存する。この依存性を式(22)を用いて明示的に表す。
bij=bij(POS_B1−POS_A1) …(22)
ここで、POS_A1およびPOS_B1は、それぞれトランジスタA1およびB1の半導体チップS1内の位置を表す。これらの位置は、それぞれのトランジスタA1およびB1内で定義される特定点(例えば、トランジスタの製造プロセス的な平面構造の中心点)の位置で示される。そして、(POS_B1−POS_A1)は、位置POS_A1を基点とし、位置POS_B1に向かう矢線ベクトルを表す。また、上述したようにトランジスタA1およびB1は同じタイプであり、トランジスタA1およびB1の位置を入れ替えても結果は代わらないため、式(23)が成り立つ。
bij=bij(POS_A1−POS_B1) …(23)
The correlation coefficient α_A1B1 between the quantitative variables BF_A1 and BF_B1 depends on the relative positional relationship of the transistors A1 and B1 in the semiconductor chip S1 as described above. Therefore, b11, b12, b21, and b22 constituting the right side of the above equation (21) also depend on the relative positional relationship between the transistors A1 and B1. This dependency is explicitly expressed using equation (22).
bij = bij (POS_B1-POS_A1) (22)
Here, POS_A1 and POS_B1 represent the positions of the transistors A1 and B1 in the semiconductor chip S1, respectively. These positions are indicated by positions of specific points defined in the respective transistors A1 and B1 (for example, the center point of the planar structure in the transistor manufacturing process). And (POS_B1-POS_A1) represents an arrow line vector from the position POS_A1 to the position POS_B1. In addition, as described above, the transistors A1 and B1 are the same type, and even if the positions of the transistors A1 and B1 are interchanged, the result does not change, and therefore Equation (23) holds.
bij = bij (POS_A1-POS_B1) (23)
上記式(19)および式(20)は、トランジスタA1およびB1の間における半導体チップS1内の相対的な位置関係に依存した相関係数を反映した統計モデルのモデルパラメータを与える式である。ただし、上記式(19)および式(20)におけるbij(i、j=1、2)は、上記式(18)のようにaijおよびλi(i,j=1、2)で表される。また、bijは、上記式(22)または式(23)のように、トランジスタA1およびB1の半導体チップS1内における相対的な位置関係に依存する。 The above equations (19) and (20) are equations that give the model parameters of the statistical model reflecting the correlation coefficient depending on the relative positional relationship in the semiconductor chip S1 between the transistors A1 and B1. However, bij (i, j = 1, 2) in the above formulas (19) and (20) is represented by aij and λi (i, j = 1, 2) as in the above formula (18). Further, bij depends on the relative positional relationship in the semiconductor chip S1 of the transistors A1 and B1 as in the above formula (22) or formula (23).
なお、トランジスタA1およびB1に対する素子モデルのモデルパラメータのうち、図3で示した相関係数に含めない残りのモデルパラメータについては、背景技術で説明した式(1)〜式(3)で導かれるモデル式が適用される。 Of the model parameters of the element model for the transistors A1 and B1, the remaining model parameters not included in the correlation coefficient shown in FIG. 3 are derived by the equations (1) to (3) described in the background art. The model formula is applied.
そして、トランジスタA1およびB1に対応する回路シミュレータ115の回路図上に対する素子モデルのモデルパラメータの記述に、上記式(19)および式(20)で得られたモデル式の記述を直接テキストデータとして書き込む等によって、回路シミュレータ115は、統計モデルを組み込んだ回路シミュレーションを行う(ステップS7)。回路シミュレータ115は、回路シミュレーションを実際に行う場合、上記式(19)および式(20)のNj(1、0)に、それぞれ独立して平均値0および標準偏差1の正規分布に従う乱数を多数回発生させて値を代入する。これによって、回路シミュレータ115は、モンテカルロ法等により回路シミュレーションを行うことができる。そして、上記式(19)および式(20)に関して乱数を多数回発生させて得られるモデルパラメータの分布には、それぞれ平均値がBF_A1mおよびBF_B1m、標準偏差がBF_A1σおよびBF_B1σ、BF_A1およびBF_B1の分布間の相関係数が実測のモデルパラメータ抽出値より得られた相関係数(図3参照)を与えることができる。
Then, the description of the model equation obtained by the above equations (19) and (20) is directly written as text data in the description of the model parameters of the element model on the circuit diagram of the
(第2の実施形態)
以下、図面を参照して、本発明の第2の実施形態に係るモデルパラメータ抽出方法および当該方法を用いた回路シミュレーションシステムについて説明する。上述した第1の実施形態においては、複数の装置におけるそれぞれのモデルパラメータ間の相関を取り入れたが、現実には1つの装置内におけるモデルパラメータ同士の相関も同時に考慮する必要がある。第2の実施形態では、複数の装置におけるそれぞれのモデルパラメータ間の相関にそれら装置内におけるモデルパラメータ同士の相関も同時に取り込んで回路シミュレーションを行う。図4は、当該モデルパラメータ抽出方法を示すフローチャートである。なお、当該回路シミュレーションシステムのブロック図は、背景技術で説明した図11と同様であるため詳細な説明を省略する。また、図1は当該モデルパラメータ抽出方法が用いる系の概念も、第1の実施形態で用いた図1と同じとする。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a model parameter extraction method and a circuit simulation system using the method according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the first embodiment described above, correlation between model parameters in a plurality of apparatuses is taken in. However, in reality, correlation between model parameters in one apparatus needs to be considered at the same time. In the second embodiment, the circuit simulation is performed by simultaneously incorporating the correlation between the model parameters in the devices into the correlation between the model parameters in the plurality of devices. FIG. 4 is a flowchart showing the model parameter extraction method. Note that the block diagram of the circuit simulation system is the same as FIG. 11 described in the background art, and thus detailed description thereof is omitted. In FIG. 1, the concept of the system used by the model parameter extraction method is the same as that of FIG. 1 used in the first embodiment.
図4において、ステップS11〜S13における処理は、それぞれ第1の実施形態で図2を用いて説明したステップS1〜S3と同様であるため、詳細な説明を省略する。 In FIG. 4, the processes in steps S11 to S13 are the same as steps S1 to S3 described with reference to FIG. 2 in the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted.
次に、データ処理系114は、上記ステップS12で抽出されたモデルパラメータの標本値に対する分布のデータを用いて、トランジスタA1におけるモデルパラメータの母集団同士の相関係数と、トランジスタB1におけるモデルパラメータの母集団同士の相関係数と、トランジスタA1およびB1におけるモデルパラメータの母集団間の相関係数とをそれぞれ統計学的に推定する(ステップS14)。具体的には、第1の実施形態で考慮したのは、トランジスタA1のモデルパラメータBFと、トランジスタB1とのモデルパラメータBFとの間であるのに対し、当該実施形態ではトランジスタA1のモデルパラメータ一式から考慮すべき任意の個数n個のモデルパラメータと、トランジスタB1のモデルパラメータ一式から考慮すべき任意の個数n個のモデルパラメータとを選出し、それぞれのモデルパラメータから統計学的に推定される母集団の分布間の相関係数を求める。
Next, the
図5は、上記ステップS14の処理により得られた相関係数の例である。図5において、トランジスタA1に対応する素子モデルのモデルパラメータ一式をP1_A1〜Pn_Anで示している。また、トランジスタB1に対応する素子モデルのモデルパラメータ一式をP1_B1〜Pn_Bnで示している。なお、これらのモデルパラメータは、トランジスタA1またはB1に必要な全てである必要はなく、一部分であってもかまわない。また、モデルパラメータP1_A〜Pn_AおよびモデルパラメータP1_B1〜Pn_Bnが形成する2n行2n列の行列の交点にある値は、縦のモデルパラメータと横のモデルパラメータとの組み合わせの相関係数を示している。モデルパラメータの組み合わせの相関係数は、「−1」から「1」の範囲の実数値をとる。これら相関係数は、正の相関が大きいほど「1」に近く、負の相関が大きいほど「−1」に近く、互いに相関がない場合には「0」になる。例えば、同一のモデルパラメータの組み合わせに対する相関係数は、相関係数「1」になる。 FIG. 5 is an example of the correlation coefficient obtained by the process of step S14. In FIG. 5, a set of model parameters of the element model corresponding to the transistor A1 is indicated by P1_A1 to Pn_An. A set of model parameters of the element model corresponding to the transistor B1 is indicated by P1_B1 to Pn_Bn. These model parameters do not have to be all necessary for the transistor A1 or B1, and may be a part of them. The values at the intersections of the 2n rows and 2n columns formed by the model parameters P1_A to Pn_A and the model parameters P1_B1 to Pn_Bn indicate the correlation coefficient of the combination of the vertical model parameter and the horizontal model parameter. The correlation coefficient of the combination of model parameters takes a real value in the range of “−1” to “1”. These correlation coefficients are closer to “1” as the positive correlation is larger, closer to “−1” as the negative correlation is larger, and “0” when there is no correlation. For example, the correlation coefficient for the same combination of model parameters is the correlation coefficient “1”.
図5で示す行列は、トランジスタA1のモデルパラメータ同士の交点、トランジスタB1のモデルパラメータ同士の交点、縦の並びがトランジスタA1で横の並びがトランジスタB1のモデルパラメータの交点、および縦の並びがトランジスタB1で横の並びがトランジスタA1のモデルパラメータの交点となる4つの領域に分けられる。以下、これらの領域を、それぞれ領域E11、E22、E12、およびE21と記載する。そして、領域E11に相関係数αが属し、領域E22に相関係数βが属し、領域E12に相関係数γが属し、領域E21に相関係数δが属する。 The matrix shown in FIG. 5 is an intersection of model parameters of the transistor A1, an intersection of model parameters of the transistor B1, a vertical alignment of the transistor A1, a horizontal alignment of the model parameters of the transistor B1, and a vertical alignment of the transistor. At B1, the horizontal arrangement is divided into four areas where the model parameters of the transistor A1 intersect. Hereinafter, these regions are referred to as regions E11, E22, E12, and E21, respectively. The correlation coefficient α belongs to the area E11, the correlation coefficient β belongs to the area E22, the correlation coefficient γ belongs to the area E12, and the correlation coefficient δ belongs to the area E21.
トランジスタA1およびB1は、配置ルールが許す最小近接距離程度の同一タイプの素子を考えている。したがって、相関を考慮すべきトランジスタA1のモデルパラメータP1_A1〜Pn_A1と、相関を考慮すべきトランジスタB1のモデルパラメータP1_B1〜Pn_B1とは、同じものである。そして、それらの並びの順番を一致させた場合、領域E12およびE21に属する行列の対角要素(相関係数)γ11、γ22、・・・、γnnおよびδ11、δ22、・・・、δnnは、上記最小近接距離程度にあり、トランジスタの特性が近いことから「1」に近い値を持つ。また、領域E12およびE21に属する行列の非対角要素は、異なるモデルパラメータの組み合わせであるから必ずしも「1」に近くはない。そして、領域E12およびE21に属する行列は、第1の実施形態と同様にトランジスタA1およびB1における半導体チップS1内での互いの相対的な位置関係に依存する。 Transistors A1 and B1 are considered to be the same type of elements with a minimum proximity distance allowed by the placement rule. Therefore, the model parameters P1_A1 to Pn_A1 of the transistor A1 to be considered for correlation and the model parameters P1_B1 to Pn_B1 of the transistor B1 to be considered for correlation are the same. Then, when the arrangement order is matched, diagonal elements (correlation coefficients) γ11, γ22,..., Γnn and δ11, δ22,. Since the transistor is close to the minimum proximity distance, the value is close to “1”. Further, the non-diagonal elements of the matrices belonging to the regions E12 and E21 are not necessarily close to “1” because they are combinations of different model parameters. The matrices belonging to the regions E12 and E21 depend on the relative positional relationship between the transistors A1 and B1 in the semiconductor chip S1 as in the first embodiment.
一方、領域E11はトランジスタA1のモデルパラメータ同士、領域E22はトランジスタB1のモデルパラメータ同士の相関係数である。したがって、領域E11およびE22は、トランジスタA1およびB1における半導体チップS1内での互いの相対的な位置関係には依存しない背景技術で説明した統計モデルに対応する領域である。例えば、同一のモデルパラメータの組み合わせに対する相関係数は、相関係数「1」になるため、図5では相関係数α11、α22、およびαnnと、相関係数β11、β22、およびβnnを「1」で示している。また、図5の相関係数のつくる行列全体は、基本的な統計学上の性質から対称行列になるので、相関係数行列全体の非対角要素は、行と列を入れ替えた要素の組み合わせが全て等しい値となる。 On the other hand, a region E11 is a correlation coefficient between model parameters of the transistor A1, and a region E22 is a correlation coefficient between model parameters of the transistor B1. Therefore, the regions E11 and E22 correspond to the statistical model described in the background art that does not depend on the relative positional relationship between the transistors A1 and B1 in the semiconductor chip S1. For example, since the correlation coefficient for the same combination of model parameters is the correlation coefficient “1”, the correlation coefficients α11, α22, and αnn and the correlation coefficients β11, β22, and βnn are set to “1” in FIG. ". 5 is a symmetric matrix because of its basic statistical properties, the non-diagonal elements of the entire correlation coefficient matrix are combinations of elements in which rows and columns are interchanged. Are all equal.
次に、データ処理系114は、上記ステップS14で得られた相関係数が形成する相関係数行列に対して主成分分析を行い、主成分を求める(ステップS15)。図5で示したトランジスタA1およびB1におけるモデルパラメータ間の相関係数を持つ正規分布に従う乱数を回路シミュレータ115の中で発生させるために、上述した統計学の主成分分析が利用される。
Next, the
まず、ステップS15で行う主成分分析にあたって、数式的な扱い易さから第1の実施形態や背景技術で説明した上記式(4)を用いて標準化を行う。図5に示すように、相関係数行列が2n行2n列の場合、主成分は、上記式(5)でn=2nに置き換えた式(24)で与えられる。
zj=aj1・u1+aj2・u2+…+aj[2n]・u[2n] …(24)
ここで、j=1、2、・・・、2nの値である。また、上記式(24)における係数および変数の添え字を他と区別するために括弧[]で囲んで明確にした。以下、同様の記法で区別する。また、u1、u2、・・・、u[2n]は、それぞれ上記モデルパラメータP1_A1〜Pn_A1およびP1_B1〜Pn_B1を標準化した量的変数である。
First, in the principal component analysis performed in step S15, standardization is performed using the above-described formula (4) described in the first embodiment and the background art for ease of mathematical handling. As shown in FIG. 5, when the correlation coefficient matrix is 2n rows and 2n columns, the principal component is given by Equation (24) in which n = 2n is substituted in Equation (5) above.
zj = aj1 · u1 + aj2 · u2 + ... + aj [2n] · u [2n] (24)
Here, j = 1, 2,..., 2n. In addition, the coefficient and variable subscripts in the above equation (24) are clarified by enclosing them in parentheses [] to distinguish them from others. Hereinafter, the same notation is used for distinction. U1, u2,..., U [2n] are quantitative variables obtained by standardizing the model parameters P1_A1 to Pn_A1 and P1_B1 to Pn_B1, respectively.
上記式(24)で示されるz1、z2、・・・、z2nの分散は、この順番に大きく、かつ式(24)の係数がつくる2n個のベクトル(a11、a12、・・・、a1[2n])、(a21、a22、・・・、a2[2n])、・・・、(a[2n]1、a[2n]2、・・・、a[2n][2n])は、2n行2n列の相関係数行列について数学的な固有値問題を解いて得られる固有ベクトルで、それぞれの大きさは1で、互いに直交する。また、この固有値問題を解いて得られた固有値を大きい順にλ1、λ2、・・・、λ[2n]とすると、固有値λ1、λ2、・・・、λ[2n]にそれぞれ属する固有ベクトルが(a11、a12、・・・、a1[2n])、(a21、a22、・・・、a2[2n])、・・・、(a[2n]1、a[2n]2、・・・、a[2n][2n])になる。さらに、背景技術で説明したように、上記式(24)における主成分z1、z2、・・・、z[2n]は、固有値λ1、λ2、・・・、λ[2n]との間で式(25)のような関係がある。
zj={λj^(1/2)}・Nj(1、0) …(25)
ここで、j=1、2、・・・、2nの整数値であり、Nj(1、0)は平均値0および標準偏差1で、互いに独立な正規分布に従う2n個の量的変数を表わす。
The variance of z1, z2,..., Z2n shown in the above equation (24) is large in this order, and 2n vectors (a11, a12,..., A1 [ 2n]), (a21, a22, ..., a2 [2n]), ..., (a [2n] 1, a [2n] 2, ..., a [2n] [2n]) Eigenvectors obtained by solving a mathematical eigenvalue problem for a 2n × 2n column correlation coefficient matrix, each having a magnitude of 1 and orthogonal to each other. If eigenvalues obtained by solving this eigenvalue problem are λ1, λ2,..., Λ [2n] in descending order, the eigenvectors belonging to the eigenvalues λ1, λ2,. , A12, ..., a1 [2n]), (a21, a22, ..., a2 [2n]), ..., (a [2n] 1, a [2n] 2, ..., a [2n] [2n]). Furthermore, as described in the background art, the principal components z1, z2,..., Z [2n] in the above equation (24) are expressed between the eigenvalues λ1, λ2,. There is a relationship like (25).
zj = {λj ^ (1/2)} · Nj (1, 0) (25)
Here, j = 1, 2,..., 2n are integer values, and Nj (1, 0) represents an average value of 0 and a standard deviation of 1 and represents 2n quantitative variables that follow normal distributions independent of each other. .
次に、データ処理系114は、上記ステップS15で求めた主成分と、ステップS13で得られた平均値および標準偏差と、ステップS14で得られた相関係数とを用いて、統計モデルを与える数式を得る(ステップS16)。まず、データ処理系114は、上記式(25)を上記式(24)に代入する。そして、データ処理系114は、上述した第1の実施形態と同様にuj(j=1、2、・・・、[2n])について解き、標準化する前の変数に戻すことにより、式(26)および式(27)を得る。
Pi_A1=Pi_A1m
+Pi_A1σ×{b1i・N1(1、0)
+b2i・N2(1、0)
+・・・
+b[2n]i・N[2n](1、0)} …(26)
Pi_B1=Pi_B1m
+Pi_B1σ×{b1i+n・N1(1、0)
+b1i+n・N2(1、0)
+・・・
+b[2n]i+n・N[2n](1、0)}
…(27)
ここで、上記式(26)および式(27)において、i=1、2、・・・、nである。また、bijは、図5で示した相関係数行列の固有値問題を解いて得られる固有値λi(i=1、2、・・・、[2n])および固有ベクトルの成分の作る係数aij(i、j=1、2、・・・、[2n])により、式(28)のように定義する。
bij=aij・{λi^(1/2)} …(28)
ここで、式(28)において、i=1、2、・・・、2nである。
Next, the
Pi_A1 = Pi_A1m
+ Pi_A1σ × {b1i · N1 (1, 0)
+ B2i · N2 (1, 0)
+ ...
+ B [2n] i · N [2n] (1, 0)} (26)
Pi_B1 = Pi_B1m
+ Pi_B1σ × {b1i + n · N1 (1, 0)
+ B1i + n · N2 (1, 0)
+ ...
+ B [2n] i + n · N [2n] (1, 0)}
... (27)
Here, in the above formula (26) and formula (27), i = 1, 2,..., N. Also, bij is the eigenvalue λi (i = 1, 2,..., [2n]) obtained by solving the eigenvalue problem of the correlation coefficient matrix shown in FIG. j = 1, 2,... [2n]).
bij = aij · {λi ^ (1/2)} (28)
Here, in formula (28), i = 1, 2,..., 2n.
上記式(26)および式(27)における2n個のN1(1、0)、N2(1、0)、・・・、N2n(1、0)の量的変数は、互いに独立で互いの相関係数は「0」であるが、係数bijを通じて各モデルパラメータPi_A1、Pi_B1(i=1、2、・・・、n)は相関を持つことができ、図5で示した相関係数を持つことになる。さらに、係数bij(i=1、2、・・・、[2n])は、トランジスタA1およびB1の半導体チップS1内での相対的な位置関係に対する依存性を含むが、その依存性は式(29)で表現できる。
bij=bij(POS_B1−POS_A1) …(29)
ここで、式(29)において、i、j=1、2、・・・、2nである。
The quantitative variables of 2n N1 (1, 0), N2 (1, 0),..., N2n (1, 0) in the above formulas (26) and (27) are independent from each other and Although the number of relations is “0”, each model parameter Pi_A1, Pi_B1 (i = 1, 2,..., N) can have a correlation through the coefficient bij, and has the correlation coefficient shown in FIG. It will be. Further, the coefficient bij (i = 1, 2,..., [2n]) includes the dependency on the relative positional relationship of the transistors A1 and B1 in the semiconductor chip S1, and the dependency is expressed by the formula ( 29).
bij = bij (POS_B1-POS_A1) (29)
Here, in the formula (29), i, j = 1, 2,..., 2n.
そして、トランジスタA1およびB1に対応する回路シミュレータ115の回路図上に対する素子モデルのモデルパラメータの記述に、上記式(26)および式(27)で得られたモデル式の記述を直接テキストデータとして書き込む等によって、回路シミュレータ115は、統計モデルを組み込んだ回路シミュレーションを行う(ステップS17)。通常、回路シミュレータ115は、互いに独立な正規分布に従う乱数を簡単に発生させることができるので、2n個の独立な乱数を上記式(26)および式(27)に代入することにより、モデルパラメータPi_A1、Pi_B1(i=1、2、・・・、n)は、図5で示した相関係数を満たすことができる。
Then, the description of the model formula obtained by the above formulas (26) and (27) is directly written as text data in the description of the model parameters of the element model on the circuit diagram of the
なお、上述した説明では、2つのトランジスタA1およびB1を上記最近接距離程度に離して配置したが、このような配置でなくてもかまわない。例えば、図6に示すように、上記最近接距離程度に離れた同じタイプの4つのトランジスタA1、B1、C1、およびD1でも同様に実施することができる。この場合、上述した第1および第2の実施形態と同様の統計モデルにおいて、トランジスタA1、B1、C1、およびD1の間の位置関係に依存した相関を取り入れたモデルパラメータをつくることができる。また、上記最近接距離程度に離れた3つのトランジスタ、または5つ以上のトランジスタでも同様に本発明を実施できることは言うまでもない。 In the above description, the two transistors A1 and B1 are arranged at a distance of the closest distance. However, such arrangement is not necessary. For example, as shown in FIG. 6, the same type of four transistors A1, B1, C1, and D1 that are separated by the closest distance can be similarly implemented. In this case, in the same statistical model as in the first and second embodiments described above, it is possible to create a model parameter that incorporates a correlation depending on the positional relationship between the transistors A1, B1, C1, and D1. It goes without saying that the present invention can be similarly implemented with three transistors or five or more transistors separated by the closest distance.
また、トランジスタA1およびB1は、素子の製造プロセスの平面および断面構造が同一として説明したが、回路特性に素子特性の相対的な分布や相関が影響する組み合わせはトランジスタ同士ばかりではなく、抵抗等の他のデバイス同士における組み合わせに対しても適用可能なのは言うまでもない。さらに、トランジスタA1およびB1は、それぞれ同タイプのバイポーラトランジスタの場合、バイポーラトランジスタに用いられる素子モデルであるGummel−PoonをA1に、VBICをB1に適用して互いに異なった素子モデルでもかまわない。例えば、ベース抵抗等は、どちらの素子モデルにも使われていて、それらのモデルパラメータの間では通常相関を持つので、上記第1および第2の実施形態1のモデルパラメータ抽出方法を適用できる。 The transistors A1 and B1 have been described on the assumption that the element manufacturing process has the same plane and cross-sectional structure. However, the combinations in which the relative distribution and correlation of the element characteristics influence the circuit characteristics are not limited to the transistors, but include resistance and the like. Needless to say, the present invention can be applied to combinations of other devices. Further, when the transistors A1 and B1 are bipolar transistors of the same type, the device models used for the bipolar transistors may be different device models by applying Gumel-Poon to A1 and VBIC to B1. For example, the base resistance and the like are used in both element models, and usually have a correlation between the model parameters. Therefore, the model parameter extraction method of the first and second embodiments can be applied.
また、図7に示すように、素子A1に対し、当該素子A1とは異なる製造プロセス的な平面構造や断面構造を持った任意の素子Y1が配置されている半導体チップS1を考える。このような素子Y1でも、目的とする回路によっては回路特性に素子特性の相対的な分布あるいは相関が効いてくる可能性があり、この場合、上記第1および第2の実施形態1のモデルパラメータ抽出方法を適用できる。
Further, as shown in FIG. 7, a semiconductor chip S1 is considered in which an arbitrary element Y1 having a planar structure or a cross-sectional structure that is different from the element A1 is arranged with respect to the element A1. Even in such an element Y1, there is a possibility that the relative distribution or correlation of the element characteristics may be effective on the circuit characteristics depending on the target circuit. In this case, the model parameters of the first and
(第3の実施形態)
以下、図面を参照して、本発明の第3の実施形態に係るモデルパラメータ抽出方法および当該方法を用いた回路シミュレーションシステムについて説明する。なお、図8は、当該モデルパラメータ抽出方法が用いる系の概念を表す図である。
(Third embodiment)
Hereinafter, a model parameter extraction method and a circuit simulation system using the method according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a diagram illustrating a concept of a system used by the model parameter extraction method.
図8において、複数個の装置で構成される系の境界S1内に装置A1およびB1とA2およびB2とが、ある相対的位置関係に基づいた対を形成して配置されている。例えば、半導体集積回路分野の場合、境界S1は、半導体チップの境界や回路ブロックの境界等である。また、装置A1、B1、A2、およびB2は、例えばそれぞれトランジスタ等の素子である。装置A1およびB1は、素子の配置ルールで許容される最近接距離程度に互いに配置された対であり、境界S1内において中央付近に配置されている。装置A2およびB2は、素子の配置ルールで許容される最近接距離程度に互いに配置された対であり、装置A1およびB1が配置された位置から上記最近接距離程度より離れた位置に配置されている。そして、装置A1およびB1とA2およびB2とは、それぞれ差動型の回路等において互いの素子特性の相対的な変動が小さいことを利用している回路の要の部分であることを想定しており、TEG等の測定用パターン上に配置される。そして、装置A1およびB1とA2およびB2とは、モデルパラメータを抽出するために一連の測定が行える電気配線が施されている。以下、説明を具体的にするために、境界S1を半導体チップの境界(以下、半導体チップS1と記載する)とし、装置A1、B1、A2、およびB2を共にバイポーラトランジスタ(以下、トランジスタA1、B1、A2、およびB2と記載する)とする。また、トランジスタA1およびB1は、製造プロセス的に同じ平面構造と断面構造を有するトランジスタ対である。また、トランジスタA2およびB2も、製造プロセス的に同じ平面構造と断面構造を有するトランジスタ対である。 In FIG. 8, devices A1 and B1, A2 and B2 are arranged in a system boundary S1 composed of a plurality of devices, forming a pair based on a certain relative positional relationship. For example, in the semiconductor integrated circuit field, the boundary S1 is a boundary of a semiconductor chip or a boundary of a circuit block. The devices A1, B1, A2, and B2 are elements such as transistors, for example. The devices A1 and B1 are a pair arranged at the closest distance allowed by the element arrangement rule, and are arranged near the center in the boundary S1. The devices A2 and B2 are a pair arranged at the closest distance allowed by the element arrangement rule, and are arranged at a position farther from the position where the devices A1 and B1 are arranged than the closest distance. Yes. The devices A1 and B1, A2, and B2 are assumed to be the main parts of a circuit that utilizes the fact that relative fluctuations in mutual element characteristics are small in a differential circuit or the like. And arranged on a measurement pattern such as TEG. The devices A1 and B1, A2, and B2 are provided with electrical wiring that can perform a series of measurements in order to extract model parameters. Hereinafter, for the sake of specific explanation, the boundary S1 is defined as a semiconductor chip boundary (hereinafter referred to as a semiconductor chip S1), and the devices A1, B1, A2, and B2 are all bipolar transistors (hereinafter referred to as transistors A1, B1). , A2 and B2. Transistors A1 and B1 are transistor pairs having the same planar structure and cross-sectional structure in the manufacturing process. Transistors A2 and B2 are also transistor pairs having the same planar structure and cross-sectional structure in the manufacturing process.
半導体チップS1は、製造処理の過程でウェハの状態からダイシングによりチップの状態に切り離され、プラスチック等によりパッケージ化される。半導体チップS1をパッケージ化すると、チップ内で発生する内部応力がチップ面内の位置に依存して大きく変わる。一方、半導体チップS1に配置される素子の特性は、上記応力により変動するので、パッケージ化後の素子の特性変動は、チップ面内位置依存性を持つことになる。したがって、このようなパッケージ化による回路特性の変動を想定して回路シミュレーションを行う場合、半導体チップS1面内のトランジスタ配置位置によって当該トランジスタのモデルパラメータ間の相関が変化する。 The semiconductor chip S1 is separated from the wafer state into a chip state by dicing in the course of the manufacturing process, and packaged with plastic or the like. When the semiconductor chip S1 is packaged, the internal stress generated in the chip varies greatly depending on the position in the chip surface. On the other hand, since the characteristics of the element arranged on the semiconductor chip S1 vary due to the stress, the characteristic variation of the element after packaging has a position dependency on the chip surface. Therefore, when a circuit simulation is performed on the assumption that circuit characteristics vary due to such packaging, the correlation between the model parameters of the transistor varies depending on the transistor arrangement position in the surface of the semiconductor chip S1.
このような変化は、第1の実施形態における式(19)および式(20)の係数bijが式(22)のように、または第2の実施形態における式(26)および式(27)の係数bijが式(29)のように、トランジスタA1およびB1のチップ内の相対的な位置関係に依存するとしただけでは表せない。例えば、上記式(22)および式(29)では、係数bijのトランジスタA1およびB1の位置依存性をbij=bij(POS_B1−POS_A1)という式で表した。当該実施形態では、さらにトランジスタA1およびB1の半導体チップS1内での平均的な位置(POS_A1+POS_B1)/2による依存性、トランジスタA1の半導体チップS1内での位置POS_A1による依存性、およびトランジスタB1の半導体チップS1内での位置POS_B1による依存性を加える必要がある。ここで、トランジスタA1およびB1の上記平均的な位置による依存性を加えるのは、トランジスタA1のモデルパラメータとトランジスタB1のモデルパラメータとの間の相関における位置依存性を表わすために、トランジスタA1およびB1全体の位置を表わす平均的な位置指標が必要だからである。 Such a change is caused by the fact that the coefficients bij in the equations (19) and (20) in the first embodiment are equal to those in the equation (22) or in the equations (26) and (27) in the second embodiment. It cannot be expressed simply that the coefficient bij depends on the relative positional relationship in the chip of the transistors A1 and B1 as shown in the equation (29). For example, in the above formula (22) and formula (29), the position dependency of the coefficient bij of the transistors A1 and B1 is represented by the formula bij = bij (POS_B1-POS_A1). In this embodiment, the dependency of the transistors A1 and B1 on the average position (POS_A1 + POS_B1) / 2 in the semiconductor chip S1, the dependency on the position POS_A1 of the transistor A1 in the semiconductor chip S1, and the semiconductor of the transistor B1 It is necessary to add dependency depending on the position POS_B1 in the chip S1. Here, the dependency due to the average position of the transistors A1 and B1 is added in order to express the position dependency in the correlation between the model parameter of the transistor A1 and the model parameter of the transistor B1. This is because an average position index representing the entire position is necessary.
ところで、トランジスタA1およびB1のそれぞれの位置POS_A1およびPOS_B1の組み合わせを指定することと、トランジスタA1およびB1の位置の差ベクトルPOS_B1―POS_A1および平均の位置ベクトル(POS_A1+POS_B1)/2の組み合わせを指定することとは数学的には等価で、一方が判れば他方を導ける。しかし、さらに係数bijのトランジスタA1の位置POS_A1による依存性およびトランジスタB1の位置POS_B1による依存性を加えるのは、トランジスタA1のモデルパラメータ同士の相関およびトランジスタB1のモデルパラメータ同士の相関が、互いの相対的な位置関係には依存せず、それぞれ半導体チップS1内の絶対的な位置に依存することを明示的に表わすためである。 By the way, the combination of the respective positions POS_A1 and POS_B1 of the transistors A1 and B1 is designated, and the combination of the difference vector POS_B1−POS_A1 of the positions of the transistors A1 and B1 and the average position vector (POS_A1 + POS_B1) / 2 is designated. Are mathematically equivalent, and if one is known, the other can be derived. However, the dependency of the coefficient bij on the position POS_A1 of the transistor A1 and the dependency on the position POS_B1 of the transistor B1 are added because the correlation between the model parameters of the transistor A1 and the correlation between the model parameters of the transistor B1 are relative to each other. This is to express explicitly that it depends on the absolute position in the semiconductor chip S1 without depending on the specific positional relationship.
したがって、当該実施形態における係数bijのトランジスタA1およびB1における位置への依存性は、式(30)のようになる。
bij=bij((POS_A1+POS_B1)/2、
POS_B1−POS_A1、POS_A1、POS_B1)
…(30)
ここで、i、j=1、2、・・・、2nであり、nは、トランジスタA1およびB1のモデルパラメータの数である。
Therefore, the dependency of the coefficient bij on the positions of the transistors A1 and B1 in this embodiment is expressed by Expression (30).
bij = bij ((POS_A1 + POS_B1) / 2,
POS_B1-POS_A1, POS_A1, POS_B1)
... (30)
Here, i, j = 1, 2,..., 2n, where n is the number of model parameters of the transistors A1 and B1.
上記式(22)および式(29)を用いる代わりに上記式(30)を用いてモデルパラメータの相関関係を表す係数bijに関して、図8に示したトランジスタ対の位置を半導体チップS1内で系統的に変えて、式(30)のトタンジスタ対における半導体チップS1内の絶対的な位置依存性を求める。これによって、半導体チップS1内のトランジスタ対の配置位置に応じて、トランジスタA1のモデルパラメータ同士の相関係数、トランジスタB1のモデルパラメータ同士の相関係数、トランジスタA1およびB1のモデルパラメータ間の相関係数が、上記式(19)、式(20)、式(26)、および式(27)を用いて計算できる。 With respect to the coefficient bij representing the correlation between the model parameters using the above equation (30) instead of using the above equations (22) and (29), the positions of the transistor pairs shown in FIG. 8 are systematically arranged in the semiconductor chip S1. Instead, the absolute position dependency in the semiconductor chip S1 in the transistor pair of Expression (30) is obtained. Thus, depending on the arrangement position of the transistor pair in the semiconductor chip S1, the correlation coefficient between the model parameters of the transistor A1, the correlation coefficient between the model parameters of the transistor B1, and the phase relationship between the model parameters of the transistors A1 and B1. The number can be calculated using the above equations (19), (20), (26), and (27).
ここで、トランジスタ対の位置を半導体チップS1内で系統的に変える際、現実的な制約から限定された位置にのみ現実の測定パターン等を配置できないときは、半導体チップS1の対称性を利用したチップ内一方領域(例えば1/4領域)を調べたり、補間法等を利用したりして、実際には測定ができない領域を補うこともできる。また、上述したパッケージ応力のチップ面内分布の影響等を考慮する必要がなく、トランジスタ対の間における特性の相対的な分布あるいは相関のチップ面内依存性を無視できるような場合、関数の中の(POS_A1+POS_B1)/2依存性、POS_A1依存性、POS_B1依存性が不要となり、式(31)になる。この場合、係数bijは、トランジスタA1およびB1の半導体チップS1内の相対的な位置関係のみに依存することになり、再び上記式(22)および式(29)の結果に帰着することになる。
bij=bij(POS_A1−POS_B1) …(31)
Here, when the position of the transistor pair is systematically changed in the semiconductor chip S1, the symmetry of the semiconductor chip S1 is used when an actual measurement pattern or the like cannot be arranged only at a limited position due to a practical restriction. By examining one area (for example, ¼ area) in the chip or using an interpolation method or the like, an area that cannot be actually measured can be compensated. In addition, if there is no need to consider the effect of the above-mentioned distribution of package stress on the chip surface, the relative distribution of characteristics between transistor pairs or the dependence of the correlation on the chip surface can be ignored. (POS_A1 + POS_B1) / 2 dependency, POS_A1 dependency, and POS_B1 dependency are not required, and Equation (31) is obtained. In this case, the coefficient bij depends only on the relative positional relationship of the transistors A1 and B1 in the semiconductor chip S1, and again results in the results of the above equations (22) and (29).
bij = bij (POS_A1-POS_B1) (31)
一方、上述したパッケージ応力があるような場合、図8に示したトランジスタ対A1およびB1と、A2およびB2とのように、トランジスタ対の位置が互いに半導体チップ内で大きく離れているときには、それぞれのトランジスタにおけるモデルパラメータの母集団分布の平均値および標準偏差も変わる可能性がある。このような場合、トランジスタA1を例にとると、モデルパラメータを与える式中のモデルパラメータの平均値P_A1m、標準偏差P_A1σが、トランジスタA1の位置POS_A1依存性を持つことになり、この影響を統計モデルに取り入れると式(32)および式(33)のようになる。
P_A1m=P_A1m(POS_A1) …(32)
P_A1σ=P_A1σ(POS_A1) …(33)
On the other hand, when there is a package stress as described above, when the positions of the transistor pairs are largely separated from each other in the semiconductor chip, such as the transistor pairs A1 and B1 and A2 and B2 shown in FIG. The mean and standard deviation of the population distribution of model parameters in the transistor can also change. In such a case, taking the transistor A1 as an example, the average value P_A1m and the standard deviation P_A1σ of the model parameters in the equation that gives the model parameters have the dependency on the position POS_A1 of the transistor A1, and this effect is statistically modeled. (32) and (33).
P_A1m = P_A1m (POS_A1) (32)
P_A1σ = P_A1σ (POS_A1) (33)
(第4の実施形態)
以下、図面を参照して、本発明の第3の実施形態に係るモデルパラメータ抽出方法および当該方法を用いた回路シミュレーションシステムについて説明する。なお、図9は、当該モデルパラメータ抽出方法が用いる系の概念を表す図である。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, a model parameter extraction method and a circuit simulation system using the method according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is a diagram illustrating a concept of a system used by the model parameter extraction method.
図9において、複数個の装置で構成される系の境界S1内に装置A1およびB1が、ある相対的位置関係に基づいた対を形成して配置されている。例えば、半導体集積回路分野の場合、境界S1は、半導体チップの境界や回路ブロックの境界等である。また、装置A1およびB1は、例えばそれぞれトランジスタ等の素子である。装置A1およびB1は、素子の配置ルールで許容される最近接距離程度に互いに配置された対であり、境界S1内において中央付近に配置されている。以下、説明を具体的にするために、境界S1を半導体チップの境界(以下、半導体チップS1と記載する)とし、装置A1およびB1を共にバイポーラトランジスタ(以下、トランジスタA1およびB1と記載する)とする。また、トランジスタA1およびB1は、製造プロセス的に同じ平面構造と断面構造を有するトランジスタ対である。 In FIG. 9, devices A1 and B1 are arranged in a system boundary S1 composed of a plurality of devices in a pair based on a certain relative positional relationship. For example, in the semiconductor integrated circuit field, the boundary S1 is a boundary of a semiconductor chip or a boundary of a circuit block. The devices A1 and B1 are elements such as transistors, for example. The devices A1 and B1 are a pair arranged at the closest distance allowed by the element arrangement rule, and are arranged near the center in the boundary S1. Hereinafter, for the sake of concrete explanation, the boundary S1 is defined as a semiconductor chip boundary (hereinafter referred to as a semiconductor chip S1), and the devices A1 and B1 are both bipolar transistors (hereinafter referred to as transistors A1 and B1). To do. Transistors A1 and B1 are transistor pairs having the same planar structure and cross-sectional structure in the manufacturing process.
第4の実施形態では、さらにトランジスタB3およびB4が半導体チップS1内に配置されている。トランジスタB3は、トランジスタA1からB1までの距離より離れ、かつ配置ルールの許す最近接距離程度に配置されている。そして、トランジスタB3は、トランジスタA1と製造プロセス的に同じ平面構造と断面構造でつくられている。トランジスタB4は、トランジスタA1から上記最近接距離程度よりも離れた位置に配置されている。そして、トランジスタB4も、トランジスタA1と製造プロセス的に同じ平面構造と断面構造でつくられている。 In the fourth embodiment, transistors B3 and B4 are further arranged in the semiconductor chip S1. The transistor B3 is arranged farther away than the distance from the transistors A1 to B1 and about the closest distance allowed by the arrangement rule. The transistor B3 has the same planar structure and cross-sectional structure as the transistor A1 in terms of the manufacturing process. The transistor B4 is arranged at a position farther from the transistor A1 than the closest distance. The transistor B4 is also formed with the same planar structure and cross-sectional structure in the manufacturing process as the transistor A1.
上記第1〜第3の実施形態でそれぞれ説明した式(22)、式(29)、および式(30)において、モデルパラメータの相関を表す係数bijにおけるトランジスタA1およびB1の相対的な位置関係を表わすPOS_B1−POS_A1に関する依存性に関して、その絶対値あるいは大きさが上記最近接距離程度の範囲に固定されているものとしていた。しかし、現実の回路に素子をマスクレイアウトするとき、回路特性を支配するようなトランジスタ対でも、上記最近接距離程度に配置できないことがある。例えば、様々な制約があったり、そのトランジスタ対が回路特性を支配することを設計者が予想せずにマスクレイアウト設計された回路の特性を回路シミュレーションする必要が生じたりする場合である。この場合、図9に示すトランジスタA1の対となるトランジスタをB1ではなく、トランジスタB3やB4の位置に配置しなければならないようなこともある。 In the equations (22), (29), and (30) described in the first to third embodiments, the relative positional relationship between the transistors A1 and B1 in the coefficient bij that represents the correlation between the model parameters is expressed as follows. Regarding the dependency on POS_B1-POS_A1 to be expressed, the absolute value or the size thereof is assumed to be fixed in the range of the closest distance. However, when elements are mask-laid out in an actual circuit, even a transistor pair that dominates circuit characteristics may not be arranged at the closest distance. For example, there are various restrictions, or when the designer does not expect that the transistor pair will dominate the circuit characteristics, and the circuit layout designed for the mask layout needs to be simulated. In this case, the transistor that forms the pair of the transistor A1 shown in FIG. 9 may have to be arranged at the position of the transistors B3 and B4 instead of B1.
このような場合は、上記式(22)、式(29)、および式(30)において、POS_B1−POS_A1は、その絶対値までもが変化するものと考える必要がある。ところで、現在の半導体チップのチップサイズが1mm角等の小さいものでない限り、POS_B1−POS_A1の絶対値が大きくなるほど、トランジスタA1のモデルパラメータとその対になるトランジスタのモデルパラメータとの間の相関が弱くなり、その相関係数が「0」に近づく。また、半導体製造プロセスの工程変動の制御が現在より進み、半導体チップ内の加工ばらつきが低減されれば、チップ中央とチップ端とに配置されてもトランジスタA1のモデルパラメータとその対になるトランジスタのモデルパラメータとの間に十分な相関が残る可能性もある。なお、このような遠距離の相関が成り立つ場合には、矢線ベクトルPOS_A1−POS_B1の方向が変わると、チップ内での位置が極端に変わるため、上記式(30)においてPOS_B1−POS_A1の方向依存性も顕著に現れることになる。 In such a case, it is necessary to consider that POS_B1-POS_A1 in the above formula (22), formula (29), and formula (30) also changes to its absolute value. By the way, unless the chip size of the current semiconductor chip is small, such as 1 mm square, the correlation between the model parameter of the transistor A1 and the model parameter of the paired transistor becomes weaker as the absolute value of POS_B1-POS_A1 increases. Thus, the correlation coefficient approaches “0”. Further, if the control of the process variation of the semiconductor manufacturing process has progressed from the present, and the processing variation in the semiconductor chip is reduced, the model parameter of the transistor A1 and the pair of transistors are paired even when arranged at the chip center and chip end. There may be sufficient correlation between model parameters. When such a long-distance correlation is established, if the direction of the arrow vector POS_A1-POS_B1 changes, the position in the chip changes extremely. Therefore, in the above equation (30), the direction dependence of POS_B1-POS_A1 Sex will also appear prominently.
また、図9に示したトランジスタB1、B3、およびB4のように、トランジスタA1との互いの距離が離れるにしたがって、それぞれのトランジスタのモデルパラメータにおける母集団分布の平均値および標準偏差も変わる可能性がある。これは、第3の実施形態で説明したように半導体チップS1をダイシングによりウェハから切り離しパッケージ化した後で顕著に起こり得る。このような場合、トランジスタA1を例にとると、モデルパラメータを与える式中のモデルパラメータの平均値P_A1mおよび標準偏差P_A1σに、式(34)および式(35)のようにトランジスタA1の位置POS_A1依存性を持たせることにより、この影響を統計モデルに取り入れる必要がある。
P_A1m=P_A1m(POS_A1) …(34)
P_A1σ=P_A1σ(POS_A1) …(35)
Further, as the transistors B1, B3, and B4 shown in FIG. 9 are separated from each other, the average value and standard deviation of the population distribution in the model parameters of each transistor may change as the distance from the transistor A1 increases. There is. This can occur remarkably after the semiconductor chip S1 is separated from the wafer by dicing and packaged as described in the third embodiment. In such a case, taking the transistor A1 as an example, the average value P_A1m and the standard deviation P_A1σ of the model parameter in the equation that gives the model parameter depend on the position POS_A1 of the transistor A1 as in the equations (34) and (35). It is necessary to incorporate this effect into the statistical model.
P_A1m = P_A1m (POS_A1) (34)
P_A1σ = P_A1σ (POS_A1) (35)
このように、本発明のモデルパラメータ抽出方法および回路シミュレーションシステムによれば、対象としている複数個の装置からなる系内の各装置の相対的位置関係に依存した特性の相関関係を素子モデルの中に正確に組み込むことができ、より現実に近い特性の分布を計算することが可能となる。これによって、回路特性の工程変動による分布を予測する際に、予測精度を向上させ、試作回数の削減等により開発にかかる費用と時間を削減することができるようになり、すぐれた効果を発揮することになる。 As described above, according to the model parameter extraction method and the circuit simulation system of the present invention, the correlation of characteristics depending on the relative positional relationship of each device in a system composed of a plurality of target devices can be obtained. Therefore, it is possible to calculate the distribution of characteristics closer to reality. As a result, when predicting the distribution due to process fluctuations in circuit characteristics, it is possible to improve the prediction accuracy and reduce the cost and time required for development by reducing the number of prototypes, etc. It will be.
本発明に係るモデルパラメータ抽出手法および回路シミュレーションシステムは、各装置の相対的位置関係に依存した特性の相関関係を素子モデルの中に正確に組み込むことができ、半導体チップ内に作り込む集積回路等を設計する際の特性を模擬的に再現する等の用途に適用することができる。 The model parameter extraction method and the circuit simulation system according to the present invention can accurately incorporate the correlation of characteristics depending on the relative positional relationship of each device into an element model, and can be integrated circuits or the like built in a semiconductor chip. It can be applied to applications such as simulating reproduction of characteristics when designing.
111…被測定系
112…測定系
113…抽出系
114…データ処理系
115…回路シミュレータ
111 ... System under
Claims (10)
前記複数の素子を対として所定の特性データを測定するステップと、
前記複数の素子の特性データからそれぞれのモデルパラメータを抽出するステップと、
前記それぞれのモデルパラメータの標本値を用いて、それぞれのモデルパラメータにおける母集団の平均値および標準偏差を推定するステップと、
前記それぞれのモデルパラメータの標本値を用いて、それぞれのモデルパラメータの母集団間に対する相関係数を推定するステップと、
前記相関係数を主成分分析して主成分を求めるステップと、
前記平均値、標準偏差、相関係数、および主成分を用いて、前記モデルパラメータの母集団の統計的分布を示すパラメータと、異なる素子の母集団間の相対的位置関係に依存する相関とを示すパラメータとで表した統計モデルを与える数式を得るステップとを含むことを特徴とする、モデルパラメータ抽出方法。 A model parameter extraction method for extracting a parameter of a model formula from measurement data measured by pairing a plurality of elements,
Measuring predetermined characteristic data by pairing the plurality of elements;
Extracting each model parameter from characteristic data of the plurality of elements;
Estimating the mean and standard deviation of the population in each model parameter using the sample values of the respective model parameters;
Estimating a correlation coefficient between populations of each model parameter using the sample values of the respective model parameters;
Obtaining a principal component by principal component analysis of the correlation coefficient;
Using the average value, standard deviation, correlation coefficient, and principal component, a parameter indicating a statistical distribution of the population of the model parameters and a correlation depending on a relative positional relationship between the populations of different elements And a step of obtaining a mathematical formula that gives a statistical model represented by the indicated parameter.
前記測定するステップは、前記境界内における複数の位置でそれぞれ前記複数の素子の対における特性データを測定し、
前記数式を得るステップは、さらに、前記平均値、標準偏差、相関係数、および主成分を用いて、前記モデルパラメータの母集団の統計的分布を示し、かつ前記境界内における対の位置に依存するパラメータと、前記相対的位置関係に依存する相関と同時に同一素子の母集団間の前記境界内における対の位置に依存する相関を示すパラメータとで表した統計モデルを与える数式を得ることを特徴とする、請求項1に記載のモデルパラメータ抽出方法。 The plurality of element pairs are disposed within a predetermined boundary;
The measuring step measures characteristic data in the plurality of element pairs respectively at a plurality of positions within the boundary;
The step of obtaining the mathematical formula further shows a statistical distribution of the population of the model parameters using the mean value, standard deviation, correlation coefficient, and principal component, and depends on the position of the pair within the boundary. And a mathematical formula that gives a statistical model expressed by a parameter indicating a correlation depending on the position of a pair in the boundary between populations of the same element as well as a correlation depending on the relative positional relationship. The model parameter extraction method according to claim 1.
前記測定するステップは、前記境界内における位置および前記対となる複数の素子間の相対的な位置関係をそれぞれ変化させて特性データを測定し、
前記数式を得るステップは、さらに、前記平均値、標準偏差、相関係数、および主成分を用いて、前記モデルパラメータの母集団の統計的分布を示し、かつ前記境界内における対の位置に依存するパラメータと、前記相対的位置関係に依存する相関と同時に同一素子の母集団間の前記境界内における対の位置に依存する相関を示すパラメータとで表した統計モデルを与える数式を得ることを特徴とする、請求項1に記載のモデルパラメータ抽出方法。 The plurality of element pairs are disposed within a predetermined boundary;
In the measuring step, characteristic data is measured by changing a position within the boundary and a relative positional relationship between the pair of elements,
The step of obtaining the mathematical formula further shows a statistical distribution of the population of the model parameters using the mean value, standard deviation, correlation coefficient, and principal component, and depends on the position of the pair within the boundary. And a mathematical formula that gives a statistical model expressed by a parameter indicating a correlation depending on the position of a pair in the boundary between populations of the same element as well as a correlation depending on the relative positional relationship. The model parameter extraction method according to claim 1.
前記複数の素子を対として所定の特性データを測定する測定部と、
前記測定部が測定した特性データからそれぞれのモデルパラメータを抽出する抽出部と、
前記抽出部が抽出したモデルパラメータを用いて統計モデルを与える数式を演算するデータ処理部と、
前記データ処理部が演算した数式を用いて前記統計モデルを組み込んだ回路シミュレーションを行う回路シミュレータとを備え、
前記データ処理部は、
前記抽出部が抽出したそれぞれのモデルパラメータの標本値を用いて、それぞれのモデルパラメータにおける母集団の平均値および標準偏差を推定する統計的分布推定手段と、
前記抽出部が抽出したそれぞれのモデルパラメータの標本値を用いて、それぞれのモデルパラメータの母集団間に対する相関係数を推定する相関係数推定手段と、
前記相関係数推定手段が推定した相関係数を主成分分析して主成分を求める主成分分析手段と、
前記統計的分布推定手段、前記相関係数推定手段、および前記主成分分析手段によって得られる前記平均値、標準偏差、相関係数、および主成分を用いて、前記モデルパラメータの母集団の統計的分布を示すパラメータと、異なる素子の母集団間の相対的位置関係に依存する相関とを示すパラメータとで表した統計モデルを与える数式を演算する数式演算手段とを含むことを特徴とする、回路シミュレーションシステム。 A circuit simulation system for extracting a model equation parameter from measurement data obtained by measuring a plurality of elements as a pair and performing circuit simulation,
A measuring unit for measuring predetermined characteristic data by pairing the plurality of elements;
An extraction unit for extracting each model parameter from the characteristic data measured by the measurement unit;
A data processing unit that calculates a mathematical formula that gives a statistical model using the model parameters extracted by the extraction unit;
A circuit simulator for performing a circuit simulation incorporating the statistical model using a mathematical formula calculated by the data processing unit,
The data processing unit
Statistical distribution estimation means for estimating the mean value and standard deviation of the population in each model parameter using the sample values of each model parameter extracted by the extraction unit;
Correlation coefficient estimating means for estimating a correlation coefficient between populations of each model parameter using sample values of each model parameter extracted by the extraction unit;
A principal component analysis means for obtaining a principal component by performing a principal component analysis on the correlation coefficient estimated by the correlation coefficient estimation means;
Using the mean value, standard deviation, correlation coefficient, and principal component obtained by the statistical distribution estimation means, the correlation coefficient estimation means, and the principal component analysis means, the statistical of the population of the model parameters A circuit comprising: a mathematical expression calculating means for calculating a mathematical expression that gives a statistical model represented by a parameter indicating a distribution and a parameter indicating a correlation depending on a relative positional relationship between populations of different elements; Simulation system.
前記測定部は、前記境界内における複数の位置でそれぞれ前記複数の素子の対における特性データを測定し、
前記数式演算手段は、さらに、前記平均値、標準偏差、相関係数、および主成分を用いて、前記モデルパラメータの母集団の統計的分布を示し、かつ前記境界内における対の位置に依存するパラメータと、前記相対的位置関係に依存する相関と同時に同一素子の母集団間の前記境界内における対の位置に依存する相関を示すパラメータとで表した統計モデルを与える数式を演算することを特徴とする、請求項6に記載の回路シミュレーションシステム。 The plurality of element pairs are disposed within a predetermined boundary;
The measurement unit measures characteristic data in the plurality of pairs of elements at a plurality of positions within the boundary,
The mathematical formula calculation means further shows a statistical distribution of the population of the model parameters using the average value, standard deviation, correlation coefficient, and principal component, and depends on the position of the pair within the boundary. Calculating a mathematical formula that gives a statistical model represented by a parameter and a parameter indicating a correlation depending on a position of a pair in the boundary between populations of the same element at the same time as a correlation depending on the relative positional relationship The circuit simulation system according to claim 6.
前記測定部は、前記境界内における位置および前記対となる複数の素子間の相対的な位置関係をそれぞれ変化させて特性データを測定し、
前記数式演算手段は、さらに、前記平均値、標準偏差、相関係数、および主成分を用いて、前記モデルパラメータの母集団の統計的分布を示し、かつ前記境界内における対の位置に依存するパラメータと、前記相対的位置関係に依存する相関と同時に同一素子の母集団間の前記境界内における対の位置に依存する相関を示すパラメータとで表した統計モデルを与える数式を演算することを特徴とする、請求項6に記載の回路シミュレーションシステム。 The plurality of element pairs are disposed within a predetermined boundary;
The measurement unit measures characteristic data by changing a position in the boundary and a relative positional relationship between the plurality of elements as a pair,
The mathematical formula calculation means further shows a statistical distribution of the population of the model parameters using the average value, standard deviation, correlation coefficient, and principal component, and depends on the position of the pair within the boundary. Calculating a mathematical formula that gives a statistical model represented by a parameter and a parameter indicating a correlation depending on a position of a pair in the boundary between populations of the same element at the same time as a correlation depending on the relative positional relationship The circuit simulation system according to claim 6.
The circuit simulation system according to claim 6, wherein the plurality of elements forming the pair are arranged closest to each other based on a predetermined arrangement rule.
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