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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 : 8lN
•
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