CN101551831B - 一种与总剂量辐射相关的器件建模方法 - Google Patents
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Abstract
一种与总剂量辐射相关的器件建模方法，首先设计原始器件并对原始电子器件进行测试和模型提取获得原始器件的模型，然后对得到的原始器件分别进行不同目标累积剂量辐照并进行测试和模型提取，获得全部目标累积剂量辐照后的器件模型，最后由获得的原始器件模型和经过目标累积剂量辐照后的器件模型共同构成与总剂量辐射相关的器件模型。本发明通过对原始器件和经历不同累积剂量辐照后器件进行测试和参数提取，给出了对加固及非加固器件进行精确建模的方法，同时还将辐射剂量作为一个变量加入到器件模型中的实现方式，使得通过仿真能够准确预估电路在经历不同剂量的辐射后的性能，从而提高电路的设计效率和成功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种器件建模方法，尤其是一种与总剂量辐射相关的器件建模方法。
背景技术
在设计集成电路时通常需要对所设计的电路结构进行仿真，以期在电路制造之前对电路的功能和性能有一定的预估。仿真时所用的器件模型直接影响仿真的精度。所谓器件模型就是一系列电学参数和物理参数的集合，利用这些简化的抽象参数来模拟复杂的真实器件的特性。一个好的器件模型是保证电路设计成功的关键因素。
总剂量效应是指半导体器件长期处于辐射环境下，在绝缘层(主要是氧化层)累积形成氧化物陷阱电荷和界面态电荷的现象。这种累积效应会引起的半导体器件性能退化，包括器件阈值电压的漂移、迁移率下降、漏电流的增加等。不采取加固措施的电路在经历一定累积剂量后性能会受到很大的影响，甚至出现功能失效。因此出现了各种加固方法和器件结构。此时出现了两个问题。一个是加固器件本身的建模问题。如图1所示，其中A为传统的非加固晶体管结构，B为采用闭合栅的加固晶体管结构。因为形状的不同，器件内部的电场分布也有很大不同，因此B结构的模型参数就应该和A结构不同。而当前电路设计者通常只能从工艺厂拿到A结构的模型参数，因此有必要对像B这样的结构进行建模。另外一个问题是，无论是像A这样的常规结构，还是像B这样的加固结构，在经历一定累积剂量的辐照后其器件参数都会发生不同程度的变化。图2给出了加固器件与非加固器件在辐射前后的转移特性曲线(ID-VG)的变化，由图可见，加固器件和非加固器件在辐射前后特性均发生了重大变化，如果仅用辐射前的器件模型，将不能预估器件在辐射后的性能。因此，对器件经历不同累积剂量辐照后的建模同样十分必要。
现有的与总剂量辐射相关的器件建模方法，大多是凭借经验和少量的试验数据来构建加固器件的模型和随总剂量变化的模型。比如，通常的加固器件闭合栅晶体管的建模方法是根据某种规则提取出等效的器件尺寸，然后采用常规非加固的器件模型来进行仿真。如前所述，这种把加固器件和非加固器件等效的模型精度很难达到较高的水平。另外，现有技术对于带累积剂量参数的器件建模，往往只是对获得的少量数据进行拟合，比如只对某个尺寸的晶体管，在某种偏置电压下进行测试和试验，并以此获得的数据进行器件建模，这种粗略的方法很难精确模拟器件本身的特性，使得电路的仿真精度不高。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种与总剂量辐射相关的器件建模方法，解决了各种电子器件在不同累积剂量辐射前后的建模问题，提高了电路的设计效率和成功率。
本发明的技术解决方案是：一种与总剂量辐射相关的器件建模方法，包括如下步骤：
(1)设计电子器件作为原始电子器件；
(2)根据步骤(1)设计的原始电子器件进行测试获得原始电子器件的测试数据，根据测试数据对原始电子器件进行模型提取，得到原始电子器件的器件模型；
(3)对步骤(1)设计的原始电子器件分别采用不同目标累积剂量进行辐照；
(4)对经过不同目标累积剂量辐照的原始电子器件分别进行测试得到新的测试数据，根据新的测试数据对经过辐照后的原始电子器件分别进行模型提取，获得经过全部目标累积剂量辐照后的电子器件模型；
(5)由步骤(2)获得的原始电子器件的器件模型和步骤(4)得到的经过全部目标累积剂量辐照后的电子器件模型共同构成与总剂量辐射相关的器件模型，从而完成与总剂量辐射相关的器件建模过程。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明对现有的建模方法进行了改进，提出了一种与总剂量辐射相关的器件建模方法，通过对原始电子器件进行测试和模型提取，获得原始电子器件的模型，同时对原始电子器件分别进行不同目标累积剂量辐照并进行测试和模型提取，获得全部目标累积剂量辐照后的器件模型，从而得到与总剂量辐射相关的器件模型，解决了各种器件在不同累积剂量辐射前后的建模问题，本发明通过对原始器电子件和经历不同累积剂量辐照后器件进行测试和参数提取，给出了对加固及非加固器件进行精确建模的方法，同时还将辐射剂量作为一个变量加入到器件模型中的实现方式，使得通过仿真能够准确预估电路在经历不同剂量的辐射后的性能，从而提高电路的设计效率和成功率。同时由于本发明对相同种类不同尺寸的加固器件和非加固器件进行测试和模型提取，增加了数据的拟合精度，提高了模型的精确性，在辐照时采用应用环境的剂量率，使得模型更接近真实的情况。
附图说明
图1为非加固晶体管A和加固晶体管B结构的平面图；
图2为加固和非加固晶体管在辐射前后的转移特性(ID-VG)曲线；
图3为本发明的流程图；
图4为本发明实施例在最劣偏置下、不同累积剂量辐照前后的转移特性曲线。
具体实施方式
本发明的方法适用于加固器件，也适用于非加固器件，其中器件可以是有源器件，如晶体管等，也可以是无源器件，如电容，电阻等。下面结合图3所示的流程图，以非加固晶体管为例，说明本发明的具体实施过程。首先为了进行建模，设计并制造一种原始电子器件，如非加固晶体管，为了达到较高的建模精度，每套晶体管共设计了8种长度、8种宽度共64个相同种类不同尺寸的器件，利用版图设计工具设计每个器件的版图，并将每个器件的每个电极引出来以便测试和试验。对这64个原始器件分别进行测试，获得64个原始器件的电流电压(IV)特性和电容电压(CV)特性。接下来根据测试所得到的测试数据进行器件模型提取。所谓模型提取，就是根据电子器件特性，提取带有一系列电学参数和物理参数的器件模型，使得利用所得到的器件模型能够真实模拟电子器件的电学特性。对原始电子器件进行模型提取的方法有多种，例如在本实施例中采用安捷伦公司的IC-CAP测试与提取工具对非加固晶体管进行模型提取。为了获得较高的精度，对提取的晶体管主要模型参数(例如阈值电压、饱和电流、截至电流等)进行了数值拟合，并控制拟合误差在5％以内，从而获得精确的原始器件的器件模型。
为了获得经过一定累积剂量辐照后的器件模型，需要对原始器件进行目标累积剂量辐照。对器件进行总剂量辐照的目的是以模拟试验的方式预估应用环境下辐射对器件的影响，对于不同的应用，器件经受的总剂量辐射的剂量是不同的。对于空间应用环境，器件在轨周期所经历辐射的累积剂量在10krad(Si)到1000krad(Si)的范围内。而空间环境下的辐射剂量率(即单位时间的辐射剂量)是很低的(远小于1rad(Si)/s)，如果在如此低的剂量率下的进行辐照试验，需要大量的试验时间，是人力物力很难承受的。由于在较高的剂量率下进行辐照，然后进行退火的结果与直接在低剂量率下进行辐照的结果很接近，因此通常辐照试验都是在较高的剂量率下进行的。在本实施例中，采用100rad(Si)/s的剂量率进行辐照，然后进行168小时100℃高温退火的方式。假设应用环境为某空间卫星轨道，且关心的累积剂量为：100krad(Si)、200krad(Si)以及600krad(Si)。空间应用环境中辐射的剂量率很低(远小于1rad(Si)/s)，而低剂量率下的辐照速度很慢，为达到上述关心的累积剂量需要非常长的时间，因此在这里采用100rad(Si)/s的剂量率进行辐照，然后进行168小时100℃高温退火处理。在进行100krad(Si)累积剂量辐照过程中将64个原始器件分别偏置在最劣和最优情况下，器件在辐照时偏置点的选取应根据器件的应用情况和对器件模型的精度要求确定。对于本实施例中的晶体管来说，最劣偏置为栅极接最高电压，源极和漏极都接最低电压。最优偏置为所有极都接最低电位。其中辐照和退火的过程参见GJB 762.2-90《半导体器件辐射加固试验方法γ总剂量辐照试验》。然后对经过100krad(Si)累积剂量辐照后的器件进行测试获得64个辐照后的器件的电流电压(IV)特性和电容电压(CV)特性，根据测试的数据进行模型提取，对提取的晶体管主要模型参数(例如阈值电压、饱和电流、截至电流等)进行了拟合，并控制拟合误差在5％以内，从而获得精确的100krad(Si)累积剂量辐照后的器件模型，对经过目标累积剂量辐照的器件进行测试和提取的方法与原始器件的测试和模型提取的方法一致。如此，获得100krad(Si)累积剂量辐照后的器件模型。然后依次分别获得200krad(Si)和600krad(Si)累积剂量辐照后的器件模型。此时，所有关心的累积剂量辐照后的模型提取都已完成，非加固晶体管建模完成。
为了对本发明进行验证，设计一个验证器件，该器件与上述64种原始器件种类相同、尺寸不同，图4给出了该器件在最劣偏置下、不同累积剂量辐照前后的转移特性曲线，图中示出了该验证器件辐照前、经过100krad(Si)、200krad(Si)以及600krad(Si)累积剂量辐照后的模拟结果和测试数据，其中实线为采用本发明方法所提取的模型进行模拟的结果，虚线(符号标识)为测试数据，由图可见，由本发明的建模方法所建立的器件模型的精度很高，误差在5％以内。
上述内容给出了一个相对典型的例子，实际上采用本发明建模方法的实施方式很多，比如电子器件还可以是MOS电容、二极管、电阻等，例如电容的测试数据为电容的容值，然后根据电容值的进行模型提取，从而建立电容的模型，然后再对电容进行目标累积剂量辐照，获得辐照后的电容模型。为了达到更高的精度，原始器件的尺寸还可以划分得更细，器件的偏置情况可能更复杂，关心的累积剂量点更多，对于加固器件也可采用本发明的建模方法得到器件模型，具体过程与非加固器件相同。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (5)
1.一种与总剂量辐射相关的器件建模方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)设计电子器件作为原始电子器件；
(2)根据步骤(1)设计的原始电子器件进行测试获得原始电子器件的测试数据，根据测试数据对原始电子器件进行模型提取，得到原始电子器件的器件模型；
(3)对步骤(1)设计的原始电子器件分别采用不同目标累积剂量进行辐照；
(4)对经过不同目标累积剂量辐照的原始电子器件分别进行测试得到新的测试数据，根据新的测试数据对经过辐照后的原始电子器件分别进行模型提取，获得经过全部目标累积剂量辐照后的电子器件模型；
(5)由步骤(2)获得的原始电子器件的器件模型和步骤(4)得到的经过全部目标累积剂量辐照后的电子器件模型共同构成与总剂量辐射相关的器件模型，从而完成与总剂量辐射相关的器件建模过程。
2.根据权利要求1所述的一种与总剂量辐射相关的器件建模方法，其特征在于：所述的原始电子器件为相同种类不同尺寸的多个电子器件。
3.根据权利要求1所述的一种与总剂量辐射相关的器件建模方法，其特征在于：所述的原始电子器件为非加固器件、或加固器件。
4.根据权利要求1所述的一种与总剂量辐射相关的器件建模方法，其特征在于：所述步骤(3)中的不同目标累积剂量辐照在应用环境的剂量率下进行或者在高于应用环境的剂量率下进行，在高于应用环境的剂量率下进行辐照后需进行退火处理。
5.根据权利要求4所述的一种与总剂量辐射相关的器件建模方法，其特征在于：所述高于应用环境的剂量率为100rad(Si)/s，在该剂量率下进行辐照后进行168小时100℃高温退火处理。
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