CN102982216B - 一种基于注入距离的电流源模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于注入距离的电流源模型的建立方法，具体步骤如下：根据注入离子的种类，确定注入离子的线性传输能量；设定需要评估的注入距离；根据得到的注入离子的线性传输能量和设定的注入距离，得到注入电流表示式。本发明的电流源模型的建立方法引入了注入距离，可以有效地表征在一定距离下单粒子对器件的影响，进而可以方便的对于粒子对周围器件的影响进行分析。

Description

一种基于注入距离的电流源模型的建立方法

技术领域

本发明属于微电子的集成电路设计技术领域，如航空电子的中的辐照加效应仿真技术，特别涉及航空专用集成电路设计评估方法。

背景技术

太空中的高能粒子包括重粒子、质子、α粒子、中子等。它们能导致半导体器件发生单粒子效应，严重影响到航天器的可靠性和寿命。单粒子效应是指辐射中的高能带电粒子在穿过电子器件敏感区时，能量沉积，产生大量的电子-空穴对，并在漂移过程中分别被n区和p区所收集，从而产生瞬时脉冲电流，使器件敏感节点的逻辑状态受到影响的现象。其中，造成器件节点产生电平错误翻转的单粒子效应称为为（Single Event Upset,SEU）。因此如何用电流源表征该瞬时脉冲电流，对于评估器件的单粒子翻转效应敏感性非常重要。

现在采用的电流源注入模型是G.C.Messenger于文献“Collection of charge on junctionnodes fromion tracks,”IEEE Trans.Nucl.Sci.,vol.NS-29,no.6,pp.2024–2031,Dec.1982.中提出的双指数模型，如下：

$I_p\left(t\right)=\frac{Q}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\β}}}(e^{-t/{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α}}}-e^{-t/{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\β}}})---\left(1\right)$

其中，Q为收集的电荷量，τ_α是结电流的下降时间常数，τ_β结电流的上升时间常数，τ_α和τ_β取决于工艺参数，t为时间变量。

该模型可以评估用来评估器件的单粒子翻转阈值，但是该模型无法评估粒子对于周围器件的影响。在深亚微米和纳米工艺下，由于电荷共享效应的存在，评估粒子对于周围器件的影响对于整体评估电路的单粒子敏感性非常重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有的电流源注入模型无法评估粒子对于周围器件的影响，提出了一种基于注入距离的电流源模型的建立方法。

本发明的技术方案为：一种基于注入距离的电流源模型的建立方法，具体步骤如下：

S1.根据注入离子的种类，确定注入离子的线性传输能量；

S2.设定需要评估的注入距离；

S3.根据步骤S1得到的注入离子的线性传输能量和S2中设定的注入距离，得到注入电流表示式。

上述注入电流表示式具体为：

$I_p\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\ζ}{Q}_L{d}_{\mathrm{dep}}{D}_{n,p}}{\sqrt{\mathrm{\π}}{\left({4D}_{a}t\right)}^{3/2}}\left\{\left(d_s\right)\exp \right[-\frac{{\left(d_s\right)}^2}{\left(4D_{a}t\right)}]+(d_s+z_s)\exp [-\frac{{(d_s+z_s)}^2}{\left(4D_{a}t\right)}\left]\right\},$ 其中，Q_L=10(LET)，LET为步骤S1得到的线性传输能量，ζ为器件收集电荷的双极性放大系数，d_s为步骤S2设定的注入距离，d_dep为收集电荷的深度，z_s为调整参数，D_n,p为载流子的扩散率，D_n表示电子的扩散率，D_p表示空穴的扩散率，t为时间变量。

本发明的有益效果：本发明的电流源模型的建立方法引入了注入距离，可以有效地表征在一定距离下单粒子对器件的影响，进而可以方便的对于粒子对周围器件的影响进行分析。

附图说明

图1为实施例的电流源注入模型与NMOS电路结合示意图，其中箭头为电流方向。

图2为实施例的电流源注入模型与PMOS电路结合示意图，其中箭头为电流方向。

图3为应用实施例的电流源注入模型的SRAM单元结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

一般载流子的扩散方程如下：

$n(z,t)=\frac{Q_L}{q\sqrt{\mathrm{\π}}{\left(4D_{a}t\right)}^{1/2}}\exp [-\frac{{(z-d_s)}^2}{\left(4D_{a}t\right)}]---\left(2\right)$

其中，q为一个电子所带的电荷量，为1.60218×10^-19库。

在本发明中根据MOS器件在单粒子注入时的电荷收集的特点，在方程（2）的基础上，修正得出入射粒子在半导体所引入的载流子的扩散分布关系，如下

$n(z,t)=\frac{Q_L}{q\sqrt{\mathrm{\π}}{\left(4D_{a}t\right)}^{1/2}}\left\{\exp \right[-{(z-d_s-z_s/2)}^2/\left(4D_{a}t\right)]---\left(3\right)$

$-\exp [-{(z+d_s+z_s/2)}^2/\left(4D_{a}t\right)]\}$

其中，Q_L=10(LET)，对于不同工艺和版图，可以通过查阅相关资料获得；LET为注入离子的线性传输能量，根据离子的类型，可以根据相关手册，直接查阅获得或者确定；d_s为注入距离；z_s为调整参数，对于NMOS一般z_s=0.2um，对于PMOS一般z_s=0。D_n,p为载流子的扩散率，D_n表示电子的扩散率，D_p表示空穴的扩散率，可以查阅相应的半导体资料即可获得，如《半导体物理》《半导体器件物理》等，t为时间变量。

方程（3）为这里提出的针对入射粒子在半导体所引入的载流子的扩散分布关系的方程，对于（3）两边求导可得：

$\frac{\∂n}{\∂z}=\frac{2Q_L}{q\sqrt{\mathrm{\π}}{\left(4D_{a}t\right)}^{3/2}}\{-(z-d_s-z_s/2)\exp [-\frac{{(z-d_s-z_s/2)}^2}{\left(4D_{a}t\right)}]$

$+(z+d_s+z_s/2)\exp [-\frac{{(z+d_s+z_s/2)}^2}{\left(4D_{a}t\right)}]\}---\left(4\right)$

考虑电荷收集深度d_dep和器件收集电荷的双极性放大系数ζ，注入粒子所引入的电流可以表示为：

$I_p\left(t\right)=q{D}_{n,p}\mathrm{\ζ}{d}_{\mathrm{dep}}{\frac{\∂n}{\∂z}|}_{z=z_s/2}---\left(5\right)$

$=\frac{2Q_L\mathrm{\ζ}{d}_{\mathrm{dep}}{D}_{n,p}}{\sqrt{\mathrm{\π}}{\left({4D}_{a}t\right)}^{3/2}}\left\{\left(d_s\right)\exp \right[-\frac{{\left(d_s\right)}^2}{\left(4D_{a}t\right)}]+(d_s+z_s)\exp [-\frac{{(d_s+z_s)}^2}{\left(4D_{a}t\right)}\left]\right\}$

根据上述说明，可以确定本发明的一种基于注入距离的电流源模型的建立方法的具体步骤如下：

S1.根据注入离子的种类，确定注入离子的线性传输能量；

S2.设定需要评估的注入距离；

S3.根据步骤S1得到的注入离子的线性传输能量和S2中设定的注入距离，即可得到注入电流表示式。

通过上述基于注入距离的电流源模型的建立方法可以得到一种基于注入距离的电流源注入模型。

基于上述电流源注入模型，图1给出了电流源注入模型与NMOS电路结合，其中箭头为电流方向，图2给出了电流源注入模型与PMOS电路结合，其中箭头为电流方向。

如图1所示，电流源注入模型与NMOS电路结合注入模型包含两部分：NMOS晶体管和电流源模型，其中，D，S，B，G分别NMOS晶体管的漏极，源极，基极和栅极；其连接关系：电流源模型跨接在NMOS晶体管的漏极和基极之间，电流方向为从晶体管的漏极流向晶体管的基极。

如图2所示，电流源注入模型与PMOS电路结合注入模型包含两部分：如图2所示，PMOS晶体管和电流源模型，其中，D，S，B，G分别PMOS晶体管的漏极，源极，基极和栅极；其连接关系：电流源模型跨接在PMOS晶体管的漏极和基极之间，电流方向为从晶体管的基极流向晶体管的漏极。

当粒子攻击相应的晶体管电路时，便可以用如图1和2所示的电路来等效行注入电流源的模拟，进而评估粒子在一定距离下粒子对该器件的影响。

下面以一个具体应用例子SRAM单元的仿真来说明该模型的应用：

如图3所示，VDD为电源，GND为地，晶体管T1、T2、T3、T4、T5和T6按照如图连接方式组成一个标准SRAM单元，其中，T1、T2、T5和T6为NMOS晶体管，T3和T4为PMOS晶体管，W为控制输入信号，B和BN为写入信号，cored和cored_为内部保持节点，该单元为一个标准的SRAM单元，同样可以查相关文献获得，电流I_P为相关基于注入距离的电流源。

对于该SRAM单元的具体应用过程如下：

（1）按照如图3所示的电路结构设计电路；

（2）在该电路的仿真平台中搭建基于方程(5)的电流源，按照粒子攻击的晶体管为NMOS和PMOS选择不同的注入模型；不是一般性，选择粒子攻击的晶体管为T1，T1为NMOS晶体管，其基于方程(5)的注入电流源模型连接关系如图3中所示，电流源跨接在T1管的D端和B端；

（3）根据工艺参数和粒子类型设定基于方程(5)的电流源的相关参数，并设定注入距离；

（4）进行仿真，观察在该注入距离下基于方程(5)的电流源对于该电路逻辑状态的破坏程度；如果SRAM单元的逻辑状态翻转则代表该粒子可以影响该注入距离范围内的相应器件T1。

按照上面的实例步骤，可以评估粒子在一定距离下粒子对该器件的影响，进而可以方便的对于粒子对周围器件的影响进行分析。

Claims (4)

1.一种基于注入距离的电流源模型的建立方法，具体步骤如下：

S1.根据注入离子的种类，确定注入离子的线性传输能量；

S2.设定需要评估的注入距离；

S3.根据步骤S1得到的注入离子的线性传输能量和S2中设定的注入距离，得到注入电流表示式；

步骤S3所述的注入电流表示式具体为：

$I_p\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\ζ}{Q}_L{d}_{\mathrm{dep}}{D}_{n,p}}{\sqrt{\mathrm{\π}}{\left({4D}_{d}t\right)}^{3/2}}\left\{\left(d_s\right)\exp \right[-\frac{{\left(d_s\right)}^2}{\left({4D}_{a}t\right)}]+(d_s+z_s)\exp [-\frac{{(d_s+z_s)}^2}{\left({4D}_{a}t\right)}\left]\right\},$ 其中，Q_L＝10(LET)，LET为步骤S1得到的线性传输能量，ζ为器件收集电荷的双极性放大系数，d_s为步骤S2设定的注入距离，d_dep为收集电荷的深度，z_s为调整参数，D_n,p为载流子的扩散率，D_n表示电子的扩散率，D_p表示空穴的扩散率，t为时间变量。

2.一种基于注入距离的电流源注入模型，其特征在于，所述电流源注入模型具体表达式为： $I_p\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\ζ}{Q}_L{d}_{\mathrm{dep}}{D}_{n,p}}{\sqrt{\mathrm{\π}}{\left({4D}_{d}t\right)}^{3/2}}\left\{\left(d_s\right)\exp \right[-\frac{{\left(d_s\right)}^2}{\left({4D}_{a}t\right)}]+(d_s+z_s)\exp [-\frac{{(d_s+z_s)}^2}{\left({4D}_{a}t\right)}\left]\right\},$ 其中，Q_L＝10(LET)，LET为注入离子的线性传输能量，ζ为器件收集电荷的双极性放大系数，d_s为步骤S2设定的注入距离，d_dep为收集电荷的深度，z_s为调整参数，D_n,p为载流子的扩散率，D_n表示电子的扩散率，D_p表示空穴的扩散率，t为时间变量。

3.一种电流源注入模型与NMOS电路结合注入模型，具体包括：NMOS晶体管和电流源注入模型，其中，电流源模型跨接在NMOS晶体管的漏极和基极之间，电流方向为从晶体管的漏极流向晶体管的基极，所述电流源注入模型具体表达式为： $I_p\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\ζ}{Q}_L{d}_{\mathrm{dep}}{D}_{n,p}}{\sqrt{\mathrm{\π}}{\left({4D}_{d}t\right)}^{3/2}}\left\{\left(d_s\right)\exp \right[-\frac{{\left(d_s\right)}^2}{\left({4D}_{a}t\right)}]+(d_s+z_s)\exp [-\frac{{(d_s+z_s)}^2}{\left({4D}_{a}t\right)}\left]\right\},$ 其中，Q_L＝10(LET)，LET为注入离子的线性传输能量，ζ为器件收集电荷的双极性放大系数，d_s为步骤S2设定的注入距离，d_dep为收集电荷的深度，z_s为调整参数，D_n,p为载流子的扩散率，D_n表示电子的扩散率，D_p表示空穴的扩散率，t为时间变量。

4.一种电流源注入模型与PMOS电路结合注入模型，具体包括：PMOS晶体管和电流源注入模型，其中，电流源注入模型跨接在PMOS晶体管的漏极和基极之间，电流方向为从晶体管的基极流向晶体管的漏极，所述电流源注入模型具体表达式为： $I_p\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\ζ}{Q}_L{d}_{\mathrm{dep}}{D}_{n,p}}{\sqrt{\mathrm{\π}}{\left({4D}_{d}t\right)}^{3/2}}\left\{\left(d_s\right)\exp \right[-\frac{{\left(d_s\right)}^2}{\left({4D}_{a}t\right)}]+(d_s+z_s)\exp [-\frac{{(d_s+z_s)}^2}{\left({4D}_{a}t\right)}\left]\right\},$ 其中，Q_L＝10(LET)，LET为注入离子的线性传输能量，ζ为器件收集电荷的双极性放大系数，d_s为设定的注入距离，d_dep为收集电荷的深度，z_s为调整参数，D_n,p为载流子的扩散率，D_n表示电子的扩散率，D_p表示空穴的扩散率，t为时间变量。