小特集
マイクロエレクトロニクスLSl開発における
計自動イヒ
U.D.C.占21.3.049.774′14:る58.512.2.011.5占:る81.322DesignAutomationfor
LSIDevelopment
近年,LSIの開発業務は量的に急激に増大するとともに,質的にも高度なものが 要求されている｡特にLSI設計工程では,高性能化や設計品質の向上を図り,かつ 多品種のLSIを短期間に設計するため,コンピュータによる設計の自動化が不可欠 となっている｡ 設計自動化システムは,デバイス設計に始まり製造･検査用の各種データ作成ま で叫白広い分野をカバーしている｡本稿ではLSIの設計工程での主な設計自動化シス テムの構成と機能について述べる｡ 現在,これらのシステムを使用して種々のLSIを設計しており,製品の高性能化 と高信頼度化を達成するとともに,開発期間の短縮及び￣最新半導体技術の早期適用 を実現している｡ n緒
言 半導体製造技術の進歩に伴ってLSIの集積度が急激に増加 しており,LSIの設計量は既に人手による処理限界を越えて いる｡また,LSIは製造後に設計不良を発見しても答易に修 正できないので,高品質な設計が要求される｡更に近年の微 細化技術の向上に伴い,より高精度な設計が要求されつつある｡ 大規模化･微細化しているLSIを,短期間に,しかも設計 品質を保証して開発するには,コンピュータを利用した設計技術,いわゆるCAD(Computer
Aided Design)若しくはよりいっそう自動化を進めたDA(Design
Automatiom)が必要不 可欠である｡もともとCADとDAは異なる概念であるが,最 近は同一の技術として議論される場合が多いので,本稿では DAに統一する｡ 以下,日立製作所でのLSI開発の概要,並びに開発に用い ているDAシステムの構成,自動化の範囲及びその概要につい て述′ヾる｡ 仕 様 の 決 ｢ ●■￣￣■■■■■■■￣￣ l 方 + ____ 式 設 計 デバイス設計,回路設計 論 理 設 計 装 設 計 アートワーク･チェック 製造･検査用データ作成 注: ｢￣￣￣￣1 1 1 L____+ 主に人手∈』
コンピュータ利用 製造･検査 図l JSl設計の5売れ LSl設計工程を示す｡工程のうち仕様の決定, 方式設計を除き,コンピュータを利用して設計が進められる｡池本康博*
岡佑-*
福田秀樹**
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l七ざ伽んよr(JJ丘emoJo l旬icん∫ 0丘α 〟fd()太古 凡ん伽血 yaノブ Tゝ址ぐんJダα m鬼才柁Or∼ 〟ogα抑α 臣ILSl開発の流れと自動化
LSIの基本的な開発手順は,図1に示すとおりである｡ まず,製品の仕様が決定される｡次にその仕様を満足する ようなLSI方式及び機能の設計が行なわれる｡この工程を方 式設計と呼ぶ｡仕様決定と方式設計は設計者の創造性に負う ところが多く,主として人手で行なわれる｡方式設計が終わ るとLSI素子の構造を決定するデバイス設計,回路方式と回 路定数を決定する回路設計,また具体的な論理回路図を作成 する論理設計へと進む｡その後,LSI内部の素子の配置と素 子間の配線を決める実装設計(レイアウト設計ともいう｡),設 計された図形データを処理するアートワーク及び設計規則と のチェックを経て,製造･検査用データ作成を行ない設計を 完了する｡デバイス設計以降の各工程では,DA技術が有効に 使用されている｡ 図2に各設計工程に用意されているDAシステムを示す｡こ れらのシステムは,設計するLSIの種類に応じて全体又は一 部が使用される｡また,本システムでは,設計者の使いやすさを重視して,TSS(タイムシェアリングシステム)やグラフ
ィ ックシステムを駆使している｡ 61 回路設計及び論理設計 素子の微細化,高集積化に伴って情報量が増えると,設計 誤りが多く発生する｡回路及び論理設計では,コンピュータ によるシミュレーション手法を活用して設計検証を行なうこ とにより.この間題を解決している｡ 3.1 デ′くイス設計と回路設計 図3に設計のi売れを示す｡デバイス設計では,デバイスシ ミュレーション1)により半導体内部の動作を解析する｡すなわ ち,デバイスの構造や不純物分布などをコンピュータへ入力 し,ポアソン方程式と電流連続の方程式を解くことによって, 物至里現象,電気的特性をシミュレーションしている｡ 回路設計では,回路シミュレーションやレイアウトパター ン解析2)が行なわれる｡回路シミュレーションでは,人手によ る設計結果を入力して模擬的に回路を動作させることにより 回路の性能を評価し,その結果に基づいて回路構成と回路特 性を改善していく｡シミュレーショ ンの実行はTSS端末によ * 日立製作所デバイス開発センタ ** 日立製作所武蔵工場工学博士 *** 日立製作所神奈川工場 **** 日立製作所中央研究所 45516 日立評論 VO+.64 No,7(1982-7)
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デバイスシミュレーション回路シミュレーショ ン レイアウトパターン解析メモ留
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テレビジョン 論 理 入 力 論理設計 論理シミュレーション 論 理 図 デイ レイチェック[コ
TSS (タイムシェアリングシステム) 実莞
昌丈 計 配 置 配 線 配 線 チ ェ ッ ク ア l ト ワ l ク マスクパターン生成 デザインルールチェック 接 続 チ ェ ッ ク プ ロ ッ ト 図 製造検査用 データ作成 診 断 パタ ーンゼネレータ 電 子 ビ ー ム 露 光 生 産 図 面 LSl デバ イ ス設計 ⇒ デバイス構造 ======令 デバイス シミュレーション 又 は デバイス定数の測定 回 路 設 計 レイアウトパターン弔
⇒ 修 正 ￠輩
回路図 特性波形図随
TSS端末 回路レイアウト パターン図 回 路 シ ミ ュレーショ ン併
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報 情 数続 定接 路路 回同一 レ イ ア ウ ト パ タ ー ン 解 析 設計完了 図3 デバイス,匝】路設計の流れ デバイスシミュレーション,デバ イス定数の測定などにより.デバイス構造を決定後,匝l路シミュレータ,レイ アウトパターンプ解析システムを使用Lて所望の回路を設計L,検証できる｡ 46 ロロロロロ ロ呂囲
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レイアウト図 グラフィックディスプレイ装置 図2 +SI開発支援用 DAシステム 各設計工 程に対応Lて種々の開発支 援及び自動化システムがあ り,短期間に+Slの設計が 可能である｡ り対話形式で行なう｡ 実行結果の例を図4に示す｡出力された特性曲線は,グラ フィ ックディスプレイ_Lに表示でき,必要に応じてフロロット 図などのハードコピーを即時に得ることが可能である｡ 回路の検証が終わると,その回路に対応したレイアウトパ ターンを作成する｡しかし,素子が高速になるとLSI内部に 意識的又は無意識的に作り込まれた抵抗や容量により,特性 が人きく影響される｡そこで,レイアウトパターン解析シス テムを用いて,設計されたパターンからトランジスタ,才底抗, 容量を認識し,凶路定数の算出及び素子間の接続情報を自動 的に祁川iして,回路シミュレーションを再実行することによ り設計されたパターンの検証を行なう｡ これらのシステムを駆使することにより,LSIを製造する ことなしに性能及び設計品質を保証できるので,開発期間を 大巾如二知縮することができる｡ 3.2 論理設計 論理LSIの場合,論理不良を設計の段階で完全に取り除い ておかないと,LSIの再製作が必要となり開発期間及び開発 コストの増大を招く｡特に多品種LSIのノ短期間開発が要求さ れるマスタスライスLSIでは,大きな問題となる3)｡論手堅不良 を設計の初期の段ド皆で見付けるのが論プ翌シミュレーション4〉 である｡ニのシステムでは,各ゲートの任意の時刻の論理状 態を計算しTSS端末に出力することができ,論理の検証に大 きな効果を挙げている｡ 口実装設計とアートワーク
4.1 実装設計 実装設計ではLSIチップ上に素子を配置し,配置された素LSl開発における設計自動化 517
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(a)被検証回路 甚 ≡㌢∃こrこ￡;1蔓･ごフニ弐芝喜喜妄言･喜…芝記雪空き冒･琵!YNOPEまlO)､N,.=∃を
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与7
留
□
図形入力 図形編集 イアウト図面 マスク パターン生成 ラフイツク ステム R O M パターン作成1/
図 形 データベース/
接続チェック＼デザインルール
チ ェ ッ ク プロット 製造{日動化システム注:略語説明 ROM(R8ad O11】Y Memory)
図7 アートワークシステム 設計データベースを中心にして,アート
ワークに必要な各種システムを用意している｡
ルール違反がないかどうか,また,論理図とレイアウトパタ
ーンは一致するかなどのチェックが自動的に行なわれる6･7)｡
他にプロット図作成,ROM(Read
Only Memory)パターン生成などの機能が用意されている｡ B
LSlの製造･検査における自動化
論理設計の終わった論王聖情報及びアートワⅥクによr)生成 された図形情報から,LSIの製造･検査用データが作成される｡ 図8に示すように,各製造･検査工程に対し各種の技術情 報を自動作成し供給することにより,LSI製作を円滑に進め ることができる｡また,製品の高信頼性を保証している｡ LSI製造用データには,パターーンゼネレータ用データ,電 子ビーム露光用データ,各種生産用図面などがある｡ LSIの検査は,直流特性検査,ファンクション検査,動作 速度検査などが行なわれ,検査に使用するデータは,診断シ ステムにより自動作成される｡ 実装･アートワークシステム 技術情報 l回 結 言 以上述べたように,LSI設計の各工程にDAシステムが用意 されており,従来数箇月かかっていた設計期間を数日ないし 数週間に短縮でき,多様なシえテムニーズに対応できるよう になった｡ 本システムは,バイポーラ,MOS(Meta10Ⅹide Semicon-ductor)など各種製造プロセスのLSI設計に適用できる｡日立 製作所では,本システムを駆使して大形コンピュータ用論理 LSIをはじめ,64kビットMOSメモリ,マイクロプロセッサ などの製品を開発してきた｡また,DAシステムによりLSIの 大規模化に対応でき最新半導体技術の早期適用が可能になり, 更に製品の高性能化,高信頼度化の実現,開発期間の短縮な どの効果を得ている｡今後も半導体技術の向上と集積度の増 大が続くと考えられるので,自動化技術の拡充を促進し開発 力のいっそうの強化に努力していきたいと考えている｡ 参考文献1)K.Yamagucbi,et al.:Excess Gate Current Analysis of
Junction Gate FET's by Two-dimentionalComputer
Simulation,IEEE Trans.ED-20(1978)
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3)大野,外:大形コンピュータの自動設計,日立評論,61,7, 487∼492(昭57-7)
4)Y.Ohmo,et al.:Logic Verification of Very Large
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5)岸田,外:マスタスライスLSI用レイアウトシステム,情処 学電子装置設計技術研究会資料12-2(1982)
6)酒見,外:論理接続チェックシステム,情処学電子装置設計 技術研1究会資料6-2(1980)
7)T.Kozawa,et al.:A Concurrent Pattern Operation
Algoritbm for VLSIMask Data,Proc.of18th DA Conf.
(1981) 論 理 設 計 シ ス テ ム 診 断 パターンゼネレータ 用 デー タ 作成 パターンゼネレータ
