반도체공학개론 - Chonnam National University " IT
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Transcript 반도체공학개론 - Chonnam National University " IT
반도체공학개론
집적회로 설계 기술 : 반도체 CAD
전남대학교 김영철
반도체공학개론
학습 목적 및 목표
• 설계환경과 설계방법론의 변화 인식
– SoC(System-on-Chip), IP(Intellectual Property) 재사용 필요
– 대용량, 고속 System IC 구현을 위한 방법론과 CAD 툴의 중요성
– Time-to-market의 중요성 증대
– 집적도 증가로 VDSM(very deep sub-micron) 소자공정기술 필요
• CAD 툴의 종류와 반도체 칩 제조에 사용 용도 이해
• 합성의 주요성과 합성 툴 소개
• 설계 검증의 중요성과 시뮬레이션 툴 사용 용도 이해
• 레이아웃 설계와 관련 CAD 툴 이해
• TCAD 필요성과 기능과 역할 이해
반도체공학개론
목차
• 개요
• CAD 종류
• 집적회로 설계 흐름
• ECAD
• 합성
• 시뮬레이션
– 회로 시뮬레이션 - SPICE
– 논리 및 타이밍 시뮬레이션
• 레이아웃 설계
• TCAD(process, device)
반도체공학개론
시스템 설계에서 중요한 요소들
• Time-to-market
• 집적도
• 성능
• 전력 소비
• 신뢰도
• 테스트가능성(Testability)
• CAD 툴의 가용성
• 기술의 가용성
• 라이브러리의 가용성
• IP의 가용성
• 비용, 칩 면적
반도체공학개론
Time-To-Market
제품의 수명과 제품 개발 시간의 비교 곡선
• 시장의 요구에 따라 신제품이 매년 출시됨으로 제품의 수명은 급속히 감소
• 제품의 다기능, 고성능에 따른 복잡도 증가로 제품개발 시간은 매년 증가
• CAD 툴의 사용은 물론 새로운 설계방법론 요구됨
반도체공학개론
Time-To-Market 2
수익과 Time-to-market 간의 관계
수익 손실 = 전체예상수익 X d ( 3d –w ) / 2w2
4개월 지연때 w = 1 year, d = 4 months -> 40.5 % 손실
반도체공학개론
집적도 증가
메모리의 용량은 3년에 4배씩 증가
very deep sub-micron 소자 공정 기술 필요
반도체공학개론
ASIC 기술의 변천
ASIC 기술의 발달 과 CAD 기술 변화
여명기
(1980년대초반)
설계 룰(㎛)
회로 규모
동작주파수
기본기술
동향
충실기
(1990년대∼현재)
향 후
3㎛ ∼ 1.5㎛
1㎛ ∼ 0.8㎛
0.5㎛ ∼ 0.25㎛
0.18㎛ ∼ 0.07㎛
∼1만 게이트
∼10만 게이트
∼1,000만 게이트
∼1,000만 게이트
이상
∼10MHz
∼50MHz
∼250MHz
∼1GHz
• 셀의
라이브러리화
• 자동 배치 배선
툴의 등장
• 메인 프레임
컴퓨터에서
워크스테이션으
로
• 논리 합성 툴의
등장
• 사이클 베이스
시뮬레이터
• Formal
Verifier등장
• IP 코어에 대응한
코디자인 툴
• RTL 디자인
플래닝 툴
• 기능 합성 툴의
도입
• 게이트레벨 설계
• RTL로부터의
Top Down 설계
• Floor Plan 등
레이아웃을
고려한 설계
• 계층화 설계
• IP 코어 이용 설계
ASIC 밴더
ASIC 밴더
EDA 밴더
EDA 밴더
EDA 밴더
설계 방법
툴의 공급선
전환기
(1980년대 후반)
반도체공학개론
설계 기법
일반적으로 사용되는 설계 기법
Compilation/
Synthesis
Compilation/Synthesis: Automates
exploration and insertion of
implementation details for lower level.
Libraries/
IP
Test/
Verification
System
specification
System
synthesis
Hw/Sw/
OS
Model simulat./
checkers
Behavioral
specification
Behavior
synthesis
Cores
Hw-Sw
cosimulators
RT
specification
RT
synthesis
RT
components
HDL simulators
Logic
specification
Logic
synthesis
Gates/
Cells
Gate
simulators
Libraries/IP: Incorporates pre-designed
implementation from lower abstraction
level into higher level.
Test/Verification: Ensures correct
functionality at each level, thus reducing
costly iterations between levels.
To final implementation
반도체공학개론
설계 생산성의 간격
설계기술의 발달이 칩 제작기술에 못 미침
• 1981 수준급 칩설계에 100명의 설계자(100tr./월) 필요함
–10,000 transistors / 100 transistors/month
• 2002 수준급 칩설계에 월30,000 명의 설계자(5000tr./월) 필요함
–150,000,000 / 5000 transistors/month
Logic transistors
per chip
(in millions)
10,000
100,000
1,000
10,000
100
1000
Gap
10
100
IC capacity
1
10
0.1
0.01
0.001
1
productivity
0.1
0.01
Productivity
(K) Trans./Staff-Mo.
반도체공학개론
설계 생산성 증가를 위한 설계기법
하드웨어/소프트웨어 통합설계가 필요함
– 자동화 기법
•수작업이 아닌 CAD 툴에 의한 설계
•합성
– 설계 재사용 기법
•미리 설계된 컴포넨트 (IP) 사용
•코어의 사용
•SOC 설계 픞랫폼 사용
– 검증 기법
•통합검증환경
•Formal verification
반도체공학개론
CAD( Computer Aided Design ) 종류
ECAD (Electronic CAD)
• 상위레벨(C, HDL)의 설계에 대한 합성, 아날로그/디지털 회로 시뮬레이션,
라이브러리를 이용한 자동 배치 및 배선, 타이밍 및 전력 예측 등을 위해
필요한 CAD
• 유명한 벤더로는 Synopsys, Cadence, Mentor Graphics, Xilinx, Altera,
Silvaco 등이 있다.
TCAD (Technology CAD)
• 다양한 소재에 대한 공정, 소자 시뮬레이션, 제작된 소자의 DC 및 RF 모델링,
초고집적 회로 설계 등을 위한 공정 및 소자 설계 레벨의 CAD
• TCAD를 공급하는 회사로는 Synopsys(MEDICI, DAVINCI-2차원/3차원 소자
시뮬레이션, TSUPREM4-공정 시뮬레이션), SILVACO(공정, 소자, 회로
시뮬레이션), ISE, BTA 등이 있다.
CAE(Computer Aided Engineering)
• 실제로 해석기능이 포함된 공학용 툴로 드로잉은 물론 특정 분야의 해결사를
내장하여 해석 및 분석이 가능한 툴을 지칭한다.
반도체공학개론
CAD vendors
.
반도체공학개론
CAD 툴 종류
.
기능
보급업체
S/W명
Front-End Editor
Summit
Visual HDL Pro
Synopsys
VSS
Mentor Graphics
ModelSim
ACAD
FindHDL
Mentor Graphics
ModelSim
ACAD
FindHDL
Mentor Graphics
ModelSim
Cadence
Verilog-XL
Cadence
NC-verilog
Synopsys
VCS
ACAD
FineHDL
Simu CAD
Silos III
VHDL Simulator
Co-Simulator
Verilog Simulator
반도체공학개론
CAD 툴 종류 2
기능
보급업체
S/W명
Silvaco
Smart spice
Cadence
Spectre
Synopsys
Star-Hspice
.
Circuit Simulator
Synopsys
Design Compiler
FPGA Express
Synthesis
Place & route
Cadence
Build-Gates
Synplicity
Synplifypro
Mentor Graphics
Leonardo
Synopsys
Apollo II
Cadence
Silicon-ensemble
Mentor Graphics
IC-station
반도체공학개론
CAD 툴 종류 3
기능
보급업체
S/W명
MMIC Design
Mentor
IC Graph
Altera
MaxPlus2,QuartusII
Xilinx
Alliance(W/S)
Foundation(PC)
Actel
Actel
Synopsys
Power Mill(Epic)
Avanti
Star-sim
Synopsys
PrimeTime
Synopsys
Star-sim
DFT
Mentor Graphics
DFT Advisor
Testbench Automation
Syntest
Syntest
Mentor Graphics
DA_ICr
Cadence
Composer
Silvaco
Scholar
My CAD
My analog
FPGA 설계
Power Anlysis
Timing Analysis
Schematic Capture
반도체공학개론
CAD 툴 종류 4
기능
Layout editor
LVS/DRC
LPE
PCB Design
보급업체
S/W명
Mentor Graphics
IC-station
Cadence
Virtuoso
Silvaco
Expert
Seiko
SX-9000
My CAD
Mychip Station
Mentor Graphics
Calibre
Cadence
Dracula
Cadence
Diva
Synopsys
Hercules
Synopsys
Star-RC
Cadence
Dracula
Mentor Graphics
DA
CSiEDA
Win Series
반도체공학개론
CAD 툴 종류 5
기능
Process simulator
Device simulator
Model extractor
보급업체
S/W명
ISE
DIOS2D
Silvaco
ATHENA
Synopsys
TSUPREM
ISE
DESSIS2D/3D
Silvaco
ATLAS
Synopsys
MEDICI/DAVINCI
ISE
ISExtract
Silvaco
UTMOST/EXACT
Synopsys
Raphael/Aurora
반도체공학개론
집적회로 설계 흐름
상향식 설계방식과 하향식 설계방식
상향식(Bottom-up)
Schematic
(Min. Logic)
Layout
Simulation
Full Layout
Chip
Synthesis
Full Layout
Chip
하향식(Top-down)
HDL Code
(Full System)
Simulation
반도체공학개론
집적회로 설계 동향
• 집적도와 복잡도가 높아짐에 따라 더욱 추상적인 수준으로 설계 이동
– 라이브러리를 이용한 하향식 설계
– 하위 수준에서는 자동 합성
• ECAD 툴의 사용 증가
– 행위 수준 설계: 구조합성 툴
– 레지스터 전송 수준 설계: 논리합성 툴
– 게이트 수준 설계: 기술 맵핑, 자동배치배선
– 심볼 레이아웃: 레이아웃 압축기
– 레이아웃 설계: 레이아웃 편집기
• TCAD 툴의 사용 증가
– 소자 크기의 감소로 새로운 공정기술과 소자기술 필요
– 소프트웨어 시뮬레이션에 의한 공정 및 소자 모델링
반도체공학개론
ECAD 툴
ECAD 툴의 분류
– 합성 툴
• 고급수준 서술(description)로부터 기능과 제약조건을 만족하
는 저급수준의 서술로 변환
– 검증 툴
• 서술내용이 주어진 요구조건을 만족하는지 검증
• 합성 결과를 검증하는 목적으로 많이 쓰임
– 설계관리 툴
• 설계버전제어, 자료의존성관리, 효과적인 툴 통합, 형식 변환
등을 지원
반도체공학개론
ECAD 툴
합성 툴
– 실리콘 컴파일러
• HDL을 이용한 행위 요구사항으로부터 마스크 레이아웃을 생성해 내는
것이 목적
• 복잡도가 높음
– 전 과정을 여러 단계로 나누어 각 단계별로 합성과 검증의 디버깅
사이클을 거침
– 시스템 설계의 관점에서 보면
•
•
•
•
시스템 합성 ( HW/SW Co-synthesis )
분할(partitioning)
소프트웨어 합성
하드웨어 합성
• 인터페이스 합성
– 하드웨어 설계만 보면 단계별로
• 구조 합성
• 논리 합성
• 레이아웃 합성
반도체공학개론
합성의 장점
설계 사이클 단축
– 시뮬레이션을 통한 오류 발생 감소
– 대규모 단순 회로의 기술 용이(버스 및 산술 논리 회로)
– 설계 변경 용이
설계의 질적 향상
– 상위 레벨에서 다양한 구조 및 회로 구성 변경 후 최적화
– 자동화된 최적화 기능 ( 게이트 수 최소화, 최대 속도)
판매자와 기술에 무관
– 범용 논리 빌딩 블록(generic logic building block)
– 특정 라이브러리에 타게팅된 최적화
설계 비용 절감
– 설계 기간 단축
– 설계 재사용(design reusability)
반도체공학개론
합성 HDL의 종류
VHDL
• Very high speed integrated circuit Hardware Description Language
• 미국방성(DoD)의 VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)프로그램의 부
산물
• 문서화와 시뮬레이션을 위해 표준화 (차후 합성까지)
• C 와 같은 프로그래밍 언어의 특성까지 가짐
Verilog-HDL
• HILO-HDL(GenRAD사)를 토대
• RTL 특성이 강하여 하드웨어에 가까운 문법과 구조
• 초보자에게 다소 접근이 용이한 언어
AHDL
• 1980년대에 IBM에서 교육용으로 개발
• Altera사의 Maxplus에 접목하여 사용되고 있는 언어
기타
• System C, UDL/I, CDL,DDL,ISP,PMS
반도체공학개론
ECAD 검증 툴
검증 툴
– 물리적 설계 검증
• Custom 설계에서 중요
• Correct-by-construction 개념에 의하여 ASIC설계에서는 중요성이 감
소
• DRC ( Design Rule Check )
– Layer 의 크기, Layer 간의 간격, enclosure, extension 등을 조사
• ERC ( Electrical Rule Checking )
– Short circuit, floating input, tied output, fan-out 등을 조사
– 연결정보 검증
• LVS ( Layout Versus Schematic )
– 형식검증(Formal verification)
• 완전한 검증 가능
• 구현(합성 결과)이 요구조건(합성 입력)을 만족한다거나 동등한 것을
논리적으로 입증
• 시뮬레이션에 비해 복잡도가 높고 사용자가 정형화된 방법으로 표현해
야 한다는 부담이 커서 많이 사용되지 않음.
반도체공학개론
ECAD 회로추출 툴
– 회로 추출
• 연결정보 추출
– Derived layer 생성
트랜지스터 : Diffusion & Poly ( ! Boundary )
– 연결된 신호들을 merge
– 트랜지스터와 신호를 연결
• 파라미터 추출
– Parasitic capacitance
– Parasitic resistance
– Transistor size : W/L
– 타이밍 검증
– 임계 경로 를 찾아서 지연을 계산
반도체공학개론
ECAD 시뮬레이션 툴
– 시뮬레이션
•
•
•
•
가장 많이 쓰이는 검증 방법
Exhaustive test가 어려우므로 완전한 검증 방법은 아님
각 단계별 합성 결과에 대한 시뮬레이션 가능
시뮬레이터가 허용하는 모델에 따른 분류
–
–
–
–
–
Circuit
Logic ( switch, gate )
Functional
Behavioral
Mixed-level
– Mixed-signal
반도체공학개론
시뮬레이션의 종류
분류
Circuit
Logic
Timing
특징
복잡도
결과값
CAD
소요 시간
규모
사용
모델 파라미터를 사
용한 미분 방정식
Gates ( AND OR,
NAND.. ), 정수의
functional 계산
트렌지스터 동작
테이블 (간략한 특
성모델) + delay
model
Continuous
Boolean
Boolean + Delay
Synopsys(HSPICE)
Pspice
Synopsys (VSS)
Mentor(Modelsim)
Synopsys(Primetime),
Avant!(Star-sim)
Long
Short
medium
소자 및 간단한 회로
대규모
(상위 functional)
대규모
(Post timing)
Analog, Post
simulation
Functional
Simulation
Physical
Simulation
반도체공학개론
시뮬레이션 CADs
Pspice
Model sim
Prime time
반도체공학개론
회로 시뮬레이션 - SPICE
• SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)
• 1970년대 U.C.Berkeley 개발
• 범용 회로 시뮬레이터
• 다이오드, JFET(Junction FET), MOSFET, MESFET(Metal
Semiconductor FET )등의 반도체 소자와 저항, 콘덴서, 인덕터 등의
수동 소자에 대한 모델을 내장
• 소자 모델을 정확하게 명시 => 정확한 회로 시뮬레이션 결과
• 종류
• 가장 범용으로 사용되어온 PC 용 Pspice,
• 어느 정도 반도체/고주파 해석이 가능한 HSpice, MicroSpice
• 시스템 레벨의 계산을 고려한 IsSpice 등
반도체공학개론
SPICE 시뮬레이션 종류와 내용
• 비선형 DC 분석 : DC 특성 분석 및 바이어스 계산
• 비선형 transient 분석 : 타이밍 특성 분석
• 선형 ac 분석 : 주파수 특성 분석
• 그 외 잡음 분석, 왜곡 분석, Fourier 분석
DC sweep
DC transient
AC sweep
반도체공학개론
SPICE 입출력 파일 형태
SPICE 입력파일
circuit_name.sp (example)
• Title line
• 회로소자 및 연결
• 해석방식( .DC .TRAN .AC .OP .NOISE 등)
• 출력방식( .PRINT .PLOT 등)
• 소자의 모델 파라미터
• .END
SPICE 출력파일
circuit_name.lis
• Output Listing
circuit_name.ic
• Operating point node voltages (initial conditions)
circuit_name.st0
• Output Status
inverter.tr0
• Transient analysis results for the 1st CLOAD value
circuit_name.tr1
• Transient analysis results for the 2nd CLOAD value
반도체공학개론
SPICE 입력 파일 예
MOS 회로 (INVERTER)
SPICE NETLIST
Inverter Circuit
* example circuit
.OPTIONS LIST NODE POST
.TRAN 200P 20N SWEEP TEMP -55 75 10
.PRINT TRAN V(IN) V(OUT)
M1 OUT IN VCC VCC PCH L=1U W=20U
M2 OUT IN 0 0 NCH L=1U W=20U
VCC VCC 0 5
VIN IN 0 0 PULSE .2 4.8 2N 1N 1N 5N 20N
CLOAD OUT 0 .75P
*this is the load capacitance
.MODEL PCH PMOS
.MODEL NCH NMOS
.END
반도체공학개론
반도체공학개론
반도체공학개론
모델 파라미터
반도체공학개론
SPICE MOS 모델 파라미터 종류 및 특성
MOS
MOS
MOS
MOS
1
2
3
4
:
:
:
:
제곱 법칙 (square-law) 의 I-V 특성 모델 ( schichman-Hodges 모델 )
해석적 모델
반 실험적( 경험적 모델 )
실험적( 경험적) 모델
……
BSIM(Berkeley Short channel Igfet Model)
VDSM 모델링의 정확도와 표준화 모델사용의 필요성이 증가
혼합신호 시뮬레이션 등을 위한 시뮬레이션 환경 변화 필요성
BSIM3 모델 사용이 증가 추세
통계 모델 ( Statistical modeling )
VLSI 제품 성능의 고속화와 소자의 미세화에 따라, 공정, 소자, 회로 설계
단계부터 IC 제조가능성을 고려한 설계 목적
공정 및 소자특성의 분포를 회로 시뮬레이션상으로 변환하는 통계적 SPICE
모델링 방법
Inter-die 및 mismatching 시뮬레이션 방법
반도체공학개론
SPICE 작업 환경
OUTPUT OPTIONS
SPICE
voltage
source
statements
Stimulus
Netlist
SPICE
Circuit
Models
models
Third-party
tools
Voltage &
Current
Display
Display Tool
Output
Listing
file
반도체공학개론
논리 시뮬레이션
디지털 회로의 동작을 시뮬레이션
AND, OR, NOT, NAND 등의 게이트와 플립플롭 등의 논리모델을 사용
0, 1, 또는 X와 같은 몇 개의 부울 논리 값만을 사용
이벤트 구동(event driven) , 선별 추적(selective trace) 방법
논리 게이트의 동작과 지연시간의 정확한 모델링 필요
Synopsys, Mentor Graphics사 등에서 제공
반도체공학개론
논리 데이터 형태
IEEE
1164 표준 데이터 형태
“U”
-Uninitialized
“X”
-Strong Unknown
“0”
-Strong Logic 0
“1”
-Strong Logic 1
“Z”
-High Impedance
“W”
-Weak Unknown
“L”
-Weak Logic 0
“H”
-Weak Logic 1
“-”
-Don't Care
이 9 상태값은 IEEE Std-1164-1993 package에 포함되어 있으며, 현
재 거의 모든 VHDL Vendor에서 제공하고 있다.
반도체공학개론
논리 게이트 함수표
not
0
1
x
z
buf
1
0
x
x
0
1
x
z
and 0 1 x z
0
1
x
z
0
0
0
0
0
1
x
x
0
x
x
x
0
x
x
x
and 0 1 x z
0
1
x
x
0
1
x
z
0
0
0
0
or
0 1 x z
0
1
x
z
0
1
x
x
1
1
1
1
x
1
x
x
x
1
x
x
0
1
x
x
0
x
x
x
0
x
x
x
or
0 1 x z
0
1
x
z
0
1
x
x
1
1
1
1
xor 0 1 x z
0
1
x
z
0
1
x
x
1
0
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
1
x
x
x
1
x
x
반도체공학개론
논리 게이트 정보
게이트 정보가 정의하는 것
구조
각 셀의 외부와 연결을 나타내는 셀과 핀 구조
기능
각 셀의 모든 출력 핀의 논리적인 기능을 나타내는 함수
타이밍
타이밍 분석 및 디자인 최적화를 위한 정보
핀과 핀의 타이밍 관계, 지연 계산, 순차적 셀의 타이밍 제약들
기타
면적, 디자인 룰
최대 팬인/팬아웃
반도체공학개론
타이밍 시뮬레이션
• 회로의 동작확인 + 회로의 지연시간 규격 내 동작여부
• 회로 시뮬레이터와 논리 시뮬레이터의 장점 수용
• 간략한 특성 모델을 사용하여 시뮬레이션을 간략화
– 트랜지스터의 동작을 테이블로 저장
– 복잡한 수학적 모델을 사용하는 계산 시간을 줄임
– 단일화한 게이트 커패시턴스 사용
• 시뮬레이션의 정확도는 회로 시뮬레이터에 비해 낮음
• 복잡한 회로의 시뮬레이션에 사용
• 비교적 상세한 타이밍 분석이 필요한 곳에 사용
• Primetime, star-sim 등
반도체공학개론
레이아웃 설계
.
레이아웃 이란 ?
• 설계된 IC 회로를 웨이퍼상에 구현하기 위한 마스크를 제작하는데 필
요한 데이터를 만드는 과정으로 반도체 공정에서 요구하는 설계규칙
(Layout Design Rule)에 맞추어 전기적 특성을 갖는 반도체 소자(트랜
지스터, 저항, 캐패시던스 등)를 설계된 회로에 따라 배치하고 배선하
는 일련의 작업을 말한다.
레이아웃 방법
• 워크스테이션 이나 PC 상에서 레이아웃 편집기 등의 레이아웃 관련 소
프트웨어를 이용하여 패턴화 작업을 하며 작업 방식에 따라
• 수동으로 작업하는 Full Custom 방식
• 자동 배치/배선 툴을 이용하는 Auto P&R (Placement & Routing) 방식
과
• 두 방식을 모두 사용하는 Semi Custom 방식으로 나눈다.
반도체공학개론
레이아웃 방법 : Full custom
.
Full Custom 레이아웃
•
•
•
•
•
100% 수동으로 레이아웃하는 방법
OPUS, IC graph, Expert 등의 레이아웃 툴 사용
Floor Plan 단계부터 최종 전체 칩 레이아웃까지 수동으로 진행
TAT(Turn-Around Time)는 길어지는 대신 의도된 대로 레이아웃 가능
주로 아날로그 IC나 셀 라이브러리 등에 적용
수동 레이아웃된 셀
수동 배선
반도체공학개론
레이아웃 방법 : Auto P&R
Auto P&R
.•
•
•
•
•
준비된 셀(Standard Cell)을 이용하여 설계된 Netlist를 입력받아 자동
레이아웃 툴을 이용하는 방법
Avant!社의 Apollo나 cadence社의 Silicon Ensemble 이용 배치와 배선을
모두 자동으로 하는 관계로 TAT 단축됨
설계 시작시 셀 라이브러리가 완벽히 준비 되어 있어야 함
최근 들어 레이아웃 품질 향상 및 반복 횟수 단축을 위해 Clock Tree
Synthesis(CTS),Timing Driven Layout(TDL)등 고급 기능 많이 사용
주로 디지털 IC에 적용
셀 라이브러리
자동 배선
반도체공학개론
레이아웃 방법 : Semi custom
Semi Custom 레이아웃
.
• 필요에 따라 Full Custom 레이아웃 과 Auto P&R을 적절히 이용
• 칩 내부의 아날로그 블록은 Full Custom으로 작업하고 전체 칩은 Auto P&R
Tool을 이용하거나 디지털 블록은 Auto P&R로 진행하고 기타 아날로그
블록과 전체 칩은 Full Custom으로 작업하는 등 TAT 단축과 레이아웃 품질
향상을 위해 두 가지 방법을 모두 사용
• 주로 Mixed IC에 적용
수동 레이아웃된 셀
수동과
자동 배선
셀 라이브러리
+
반도체공학개론
레이아웃 - 설계 규칙
• PMOS 레이아웃
Layers
NWELL 크게 그리고 PDIFF을 그린 다음 그
가운데로 POLY 가 지나간다.
NWELL
Extract rule
PDIFF
• 물리 규칙
POLY
POLY, PDIFF 등 각 레이어마다 폭과 길이 규
격이 있고, PMOS 는 반드시 NWELL 위에 있
어야 한다.
CONT
MET1
Physical rule
VIA1
• 연결 규칙
PDIFF을 CONT 을 통해서 MET1과 연결한다.
도로에는 도로 교통법
칩 레이아웃 에는 설계 규칙
MET2
Connecting rule
반도체공학개론
레이아웃 – 설계 흐름
Schematic Editor
SPICE
Layout Editor
DRC ERC LPE LVS
SPICE
반도체공학개론
레이아웃 설계 검증
DRC (Design Rule Check)
Layer 또는 Layer 간의 너비, 길이, 간격, enclosure, isolating등의 설계
규칙을 검사한다.
Extract
연결정보(connectivity), 디바이스(device : MOS, resistance etc…),
기생소자(parasitic resistance, parasitic capacitance) 등을 추출해 내어
netlist를 작성한다.
ERC (Electrical Rule Check)
단락, 개방 등을 검사한다.
LVS (Layout Versus Schematic)
레이아웃된 회로를 추출기를 통해 회로정보를 추출하여 스키매틱 회로와 같은
지를 비교해 준다.
Net 연결정보, 소자 개수 종류, 소자 파라미터 등
반도체공학개론
레이아웃 설계 흐름
반도체공학개론
레이아웃 설계 규칙 검사
Layout
Layers
NWELL
E
PDIFF
A
B
C D
POLY
CONT
Physical Design Rules
A: Poly Minimum Width
B: Contact Minimum Width
C: Min. Contact Enclose by
P-Diffusion
D: Min. P-Diffusion Enclose
by N-well
E: Min. Poly Extension Over
P-Diffusion
반도체공학개론
레이아웃 설계 추출기
Layout
Device & netlist
extraction
Extracted PMOS
반도체공학개론
레이아웃 설계 ERC
VDD
shorted path
GND
반도체공학개론
레이아웃 설계 LVS
Extracted Netlist
COMPARE
Schematic Netlist
반도체공학개론
레이아웃 기본 셀 구조 예
1l=0.3mm
.
10l
VDD
20l
•
Cell Height : 115l
•
Cell Width : 8lN
•
Port-to-port Pitch = 8l
•
Cell Boundary
-> Boundary Box Layer
PMOS
30l
115l
B.BOX
4l
8l
25l
NMOS
57.5l
NWELL
MET1
GND
20l
10l
MET2
VIA1
반도체공학개론
레이아웃 예 - 인버터
Layers
레이아웃
심볼
NWELL
A
B
PDIFF
VDD
POLY
CONT
스키매틱
VDD
MET1
MET2
B
A
VIA1
A
GND
B
GND
반도체공학개론
셀 레이아웃
•
셀 라이브러리에 있는 인버터, NAND게이트, D플립플롭
INV0 NAND20
DFFPCB
반도체공학개론
칩 레이아웃
반도체공학개론
TCAD 필요성
• 반도체 기술 발전에 대한 전통적인 접근방법
반도체공학개론
TCAD 필요성 2
• 스캐일링 법칙과 소자축소를 통한 실험적 반복의 문제
– 실험적 반복은 갈수록 비싸고 느리다
– 스캐일링 법칙의 한계:
• Fabrication, material changes
• Devices structure changes
• Small-geometry/high-field effects:
– hot electron transport, punch-through, avalanche
multiplication, drain-induced barrier lowering, oxide and
junction breakdown, leakage currents
– 소자가 작아지면 초고주파 효과 발생
– 양자 효과 발생:
• gate oxide tunneling, inversion layer quantization, quantum
transport, and transconductance degradation
– 양자 소자에 대해서는 스캐일링 법칙을 적용 못함
반도체공학개론
TCAD의 목표와 장점
• 목표
– TCAD 프레임웍의 목표는 반도체 엔지니어가 컴퓨터 시뮬레이션의
장점을 완전히 활용하는 것
– 물리적인 자료에 기반을 둔 소프트웨어 툴을 통하여 회로설계, 집
적회로 제작 등의 기술 개발을 통합함
– 결과적으로 집적회로 제품의 성능을 높이고 가격을 낮추는 것
• TCAD의 장점
– 스캐일링 보다 더 일반적으로 적용 가능
– 실제로 실험하는 것보다 훨씬 저렴
– 내부 프로세스를 관찰할 수 있음
– 개별적인 물리적 효과를 조사 가능
– 시간, 온도, 위치, 환경 등의 궁극적인 제어 가능
반도체공학개론
TCAD로 시뮬레이션 및 모델링 할 수 있는 부분들
• 공정/소자 모델링과 시뮬레이션
• Bulk process, topography & lithography simulation
• Device modeling and simulation
반도체공학개론
공정 시뮬레이션
• 목적
• 구조와 도핑 분포의 분석
• MOS 구조 생성
• Isolation shape, gate oxide thickness, Gate electrode and
Silicide
• 2차원 도핑 프로파일
• Distribution of chemical and active dopant distribution
• 공정 최적화
• Estimate the junction depth and doping contour
• MOS 집적(integration)
• 소자 시뮬레이션 입력
반도체공학개론
공정 시뮬레이션 예
반도체공학개론
소자 모델링과 시뮬레이션
• 목적 : 전기적 현상의 분석과 이해
• 가상 전기적 시험
• 단자 전위와 전류
• 소자 내부의 검사
• 캐리어 전위의 분포
• 캐리어 흐름과 임팩트 이온화
• 실패 분석
• ESD, latch-up, SER, 핫 캐리어 효과
• 새로운 소자와 그 한계 추정
• 구조와 불순물 프로파일의 변화
• 다운사이징
반도체공학개론
요약
• CAD 툴의 종류
• 집적회로 설계 동향 - 하향식설계와 자동합성
• ECAD 툴의 종류
• 합성 툴과 검증 툴
• 시뮬레이션 툴
• 회로 시뮬레이션 - SPICE
• 논리 시뮬레이션과 타이밍 시뮬레이션
• 칩 레이아웃 설계
• 레이아웃 설계흐름과 관련 CAD 툴
• 레이아웃 설계 규칙과 셀 레이아웃 및 칩 레이아웃
• TCAD의 필요성과 장점
• 공정 시뮬레이션
• 소자 모델링과 시뮬레이션
반도체공학개론
참고 문헌
[1] P. Kurup and T. Abbasi, Logic Synthesis Using SYNOPSYS,
Kluwer Academic Publishers, 1995
[2] SYNOPSYS, "PrimeTime User Guide", 2000,11
[3] Avant ,"Star-Hspice Manual", Release 2001.2
[4] CADENCE, "Verilog-XL Refernce Manual 2.0", 1994.3
[5] Model Tech., "ModelSim User Manual", 2001.9
[6] http://www.scudc.scu.edu/mentortu/hspice.html