CN103198198A - 一种针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法通过建立被重离子入射的晶体管的器件模型、求解半导体器件数值计算模型方程以获取器件模型的I-V特性曲线、开展器件模型的I-V特性校准、对半导体器件数值计算模型添加重离子导致的单粒子效应物理模型、通过数值计算获取不同栅宽晶体管在不同重离子LET值和不同漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线；根据变化曲线建立晶体管单粒子瞬态特性数据库、利用电路仿真程序的Verilog-A模块完成晶体管单粒子瞬态特性数据库与电路模型之间的数据交换等步骤实现单粒子瞬态效应注入，较好地改进了器件/电路混合仿真耗时长和收敛难的问题。

Description

一种针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法

技术领域

本发明涉及抗辐照加固微电子学和固体电子学中瞬态辐照技术领域，尤其涉及一种针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法。

背景技术

当集成电路应用于空间环境时，空间高能离子会入射电路并与电路中的半导体材料发生电离作用产生电子-空穴对，电子-空穴对被电路节点收集后导致电路功能受到影响，由于这种效应是单个粒子作用的结果，因此称为单粒子效应。

单粒子瞬态（Single Event Transients，SET）是单粒子效应软错误的一种，因单个高能粒子入射电路的敏感节点并在节点处产生瞬态脉冲而得名。单粒子瞬态脉冲产生于组合逻辑电路和模拟电路并沿着电路传播，被后续存储单元俘获后使存储单元的逻辑状态发生改变，严重时会导致电路系统功能紊乱。由于单粒子瞬态被俘获的概率随时钟频率的升高而增大，随着半导体特征工艺尺寸的缩减和集成电路工作频率的提高，单粒子瞬态逐渐成为星载微电子芯片单粒子效应软错误的主体，对航天器运行可靠性产生严重威胁。预估芯片的单粒子瞬态软错误是指导芯片加固和验证加固有效性的重要途径，快速准确地注入单粒子瞬态是预估的首要条件。鉴于高频电路受单粒子瞬态影响严重，高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法的研究很有价值。

目前单粒子瞬态效应注入方法主要有：

地面模拟实验能实现单粒子瞬态的准确注入，但是实验成本高、耗时长，无法研究单粒子瞬态在电路中的传播规律。此外，受国内重离子源的限制，实验的束流时间无法保证。

专利申请号200910089598.5，名称“一种CMOS电路单粒子瞬态的建模方法”，在该方法中注入电路节点的单粒子瞬态电流是预先定义好的电流波形，未考虑电路响应对波形的影响，在高频电路中电流波形的误差大。

IEEE Transactions on Nuclear Science，“Estimation of single event transient voltagepulses in VLSI circuits from heavy-ion-induced transient currents measured in a singleMOSFET”，2007，针对反相器提出了一种基于作图的注入方法，该方法精度较差，无法与现有EDA工具集成，更重要的是不适用于高频电路的单粒子瞬态效应注入。

Chinese Journal of Semiconductor，“Coupled SET pulse injection in a circuitsimulator in ultra-deep submicron technology”，2008，提出超深亚微米工艺下的单粒子瞬态耦合注入方法，该方法编程复杂且未考虑器件模型参数和单粒子效应物理模型参数对瞬态电流的影响。

器件/电路混合模拟法针对被重离子入射的器件建立器件模型，电路的其它部分采用电路模型，对被入射器件执行单粒子效应数值计算，由于该方法考虑到被入射器件和周围电路的耦合效应，所以能获取准确的电流波形，但是器件级和电路级的混合仿真耗时长、收敛难，限制了该方法在大规模电路中的应用。

综上所述，利用现有单粒子瞬态效应注入方法研究高频大规模电路的单粒子瞬态效应规律在准确度、计算效率和可执行性方面存在诸多问题。

发明内容

本发明的发明目的是，针对器件/电路混合模拟法结果准确但耗时长和收敛难的特点，将器件/电路混合模拟法中添加SET效应的器件模型用单粒子瞬态特性数据库代替，利用Verilog-A(针对模拟电路编写的硬件描述语言)模块对数据库的调用来实现器件与电路之间的耦合过程，方法编程简单，在保证SET注入准确性的前提下克服了器件/电路混合模拟法耗时长和收敛难的缺点，建立了一种针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法。

本发明的技术解决方案是：

一种针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法，包括以下步骤：

A】建立被重离子入射的晶体管的器件模型；

B】求解半导体器件数值计算模型方程以获取器件模型的I-V特性曲线；

C】开展器件模型的I-V特性校准；

D】对半导体器件数值计算模型添加重离子导致的单粒子效应物理模型；

E】通过数值计算获取不同栅宽晶体管在不同重离子LET值和不同漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线；

F】根据变化曲线建立晶体管单粒子瞬态特性数据库；

G】利用电路仿真程序的Verilog-A模块完成晶体管单粒子瞬态特性数据库与电路模型之间的数据交换，实现单粒子瞬态效应注入。

上述步骤A中器件模型包括材料组分、几何结构和掺杂参数。

上述步骤B中半导体数值计算模型方程包括：泊松方程、漂移扩散方程以及载流子连续方程，依次如下所示：

$\frac{\∂n}{\∂t}=G_n-R_n+\frac{1}{q}\▿\·{\stackrel{\→}{J}}_n,\frac{\∂p}{\∂t}=G_p-R_p-\frac{1}{q}\▿\·{\stackrel{\→}{J}}_p$

${\stackrel{\→}{J}}_n=\mathrm{qn}{\mathrm{\μ}}_n\stackrel{\→}{E}+q{D}_n\▿n,{\stackrel{\→}{J}}_p=\mathrm{qp}{\mathrm{\μ}}_p\stackrel{\→}{E}+q{D}_p\▿p$

其中：

分别是电子、空穴的电流密度；

G_n、G_p分别是电子、空穴的产生率；

R_n、R_p分别是电子、空穴的复合率；

D_n、D_p分别是电子、空穴的扩散系数；

μ_n、μ_p分别是电子、空穴的的迁移率；

是电场密度；

分别是电子、空穴的梯度；

分别是电子电流密度、空穴电流密度的散度；

N_D ⁺为离化施主的浓度；

N_A ^-为离化受主的浓度；

ε为半导体材料的介电常数；

为电势，

为

的二次梯度；

n是电子密度；

p是空穴密度；

q为电子电量。

上述步骤C中I-V特性校准是指调整器件模型参数使器件模型的I-V特性与代工厂提供的Spice集约模型相符合；其中I-V特性包括晶体管转移特性曲线和输出特性曲线。

上述步骤D中对半导体器件数值计算模型添加重离子导致的单粒子效应物理模型；即将物理模型添加到漂移扩散方程的载流子的产生项G_n和G_p中，

G(l,w,t)=G_LET(l)×R(w,l)×T(t)

其中：

G(l,w,t)为重离子导致的载流子产生率；

G_LET(l)为线性能量传输的载流子产生密度；

R(w,l)为载流子的空间分布函数；

T(t)为载流子的时间分布函数。

上述步骤F的具体步骤如下：

将不同栅宽晶体管在不同重离子LET值和不同漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线的数据提取，建立以晶体管栅宽、重离子LET值、漏极偏压和时间为自变量，漏极瞬态电流为因变量的离散函数，借此表征晶体管的瞬态特性，这里将该离散函数取名晶体管单粒子瞬态特性数据库；所述单粒子瞬态特性数据库所包含的参数有：晶体管栅宽、重离子LET值、晶体管漏极偏压、时间和单粒子瞬态电流。

上述步骤G的具体步骤如下：

将被研究电路用电路仿真程序语言进行描述，在被重离子入射晶体管的漏极引入Verilog-A模块，Verilog-A模块读取被重离子入射的晶体管栅宽W、重离子LET值、晶体管当前漏极偏压V_D和当前仿真时间time，通过Verilog-A模块内建的多维插值与查找函数在晶体管单粒子瞬态特性数据库中获取相应的单粒子瞬态电流I_SET，将瞬态电流I_SET注入晶体管的漏极，这时电路对注入的瞬态电流I_SET产生响应，晶体管漏极偏压V_D会随时间发生变化；在仿真步长控制的下一个时刻，模块重新读取被重离子入射的晶体管栅宽W、重离子LET值、晶体管当前漏极偏压V_D和当前仿真时间time，通过Verilog-A模块内建的多维插值与查找函数在晶体管单粒子瞬态特性数据库中获取相应的单粒子瞬态电流I_SET，将瞬态电流I_SET注入晶体管的漏极；如此迭代直至仿真结束以获取完整的单粒子瞬态电流I_SET；

上述Verilog-A模块是用来完成晶体管单粒子瞬态特性数据库与电路模型之间的数据交换，模块内建的多维插值与查找函数用来对单粒子瞬态特性数据库的数据进行插值与查找。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、该方法通过调用单管器件仿真数据进行电路级仿真来实现单粒子瞬态的耦合注入，将单管器件仿真易收敛和电路仿真速度快的优点有机整合，较好地改进了器件/电路混合仿真耗时长和收敛难的问题；

2、在改变离子LET值和晶体管栅宽时只需按照晶体管单粒子瞬态数据库中这两个自变量的规定范围调整电路仿真程序中的变量值即可，而器件/电路混合模拟法需要重新建立器件模型并重新进行数值计算，前者较后者更加便利；

3、该方法使用的数据库不仅可以加载仿真数据，还可以加载实验数据，根据实验数据建立的数据库是晶体管单粒子瞬态电流特性的真实反映，以此数据库为基础进行的单粒子瞬态耦合注入结果比现存仿真方法更加准确可靠。

附图说明

图1为本发明一种针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法的流程图；

图2为晶体管器件模型的示意图；1-阱接触、2-多晶硅栅极、3-栅氧化层、4-漏极、5-源极、6-二氧化硅、7-衬底；

图3为I-V特性曲线的示意图；其中，a为输出特性曲线；b为转移特性曲线；

图4为半导体器件模型校准基本流程；

图5为不同漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线的示意图；V1、V2、V3分别表示不同的漏极偏置；

图6为不同重离子LET值和三种漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线的示意图；V1、V2、V3分别表示不同的漏极偏置；

图7为不同栅宽晶体管在不同重离子LET值和不同漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线；V1、V2、V3分别表示不同的漏极偏置；

图8为晶体管单粒子瞬态特性数据库的整合原理图；

图9为单粒子瞬态效应注入方法的示意图；

图10为单粒子瞬态电流波形示意图。

具体实施方式

图1是本发明一种针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法的流程图。

该方法包括以下步骤：

S1】从代工厂获取晶体管的材料组分、几何结构尺寸和晶体管的掺杂参数，通过器件编辑语言建立被重离子入射的晶体管的器件模型，图2为晶体管器件模型的示意图。

S2】建立半导体器件数值计算模型，模型包括扩散漂移方程、泊松方程和载流子连续性方程；通过求解以上方程获取步骤S1中获取的器件模型的I-V特性曲线；泊松方程、漂移扩散方程、以及载流子连续方程依次如下所示：

$\frac{\∂n}{\∂t}=G_n-R_n+\frac{1}{q}\▿\·{\stackrel{\→}{J}}_n,\frac{\∂p}{\∂t}=G_p-R_p-\frac{1}{q}\▿\·{\stackrel{\→}{J}}_p$

${\stackrel{\→}{J}}_n=\mathrm{qn}{\mathrm{\μ}}_n\stackrel{\→}{E}+q{D}_n\▿n,{\stackrel{\→}{J}}_p=\mathrm{qp}{\mathrm{\μ}}_p\stackrel{\→}{E}+q{D}_p\▿p$

其中：

分别是电子、空穴的电流密度；

G_n、G_p分别是电子、空穴的产生率；

R_n、R_p分别是电子、空穴的复合率；

D_n、D_p分别是电子、空穴的扩散系数；

μ_n、μ_p分别是电子、空穴的的迁移率；

是电场密度；

分别是电子、空穴的梯度；

分别是电子电流密度、空穴电流密度的散度；

N_D ⁺为离化施主的浓度；

N_A ^-为离化受主的浓度；

ε为半导体材料的介电常数；

为电势，

为

的二次梯度；

n是电子密度；

p是空穴密度；

q为电子电量。

S3】开展器件模型的I-V特性校准，使器件模型的I-V特性与代工厂提供的Spice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，集成电路仿真程序）集约模型相符合；器件模型的I-V特性包括晶体管转移特性（I_ds-V_gs）和输出特性（I_ds-V_ds）曲线；图3为I-V特性曲线的示意图；图4为半导体器件模型校准基本流程。

S4】对半导体器件数值计算模型添加重离子导致的单粒子效应物理模型；即将物理模型添加到漂移扩散方程的载流子的产生项G_n和G_p中。单粒子效应物理模型如下所示：

G(l,w,t)=G_LET(l)×R(w,l)×T(t)

$G_{\mathrm{LET}}\left(l\right)=a_1+a_2\×l+a_3{e}^{a_4\×l}+k^{\′}[c_1\×{(c_2+c_3\×l)}^{c_4}+\mathrm{LET}]$

其中G(l,w,t)为重离子导致的载流子产生率，G_LET(l)为线性能量传输的载流子产生密度，R(w,l)为载流子的空间分布函数，T(t)为载流子的时间分布函数，a₁-a₄和c₁-c₄为物理模型的默认常数，k’为与离子入射半径相关的参数，l为离子径迹长度，LET为重离子LET值（代表重离子在穿透介质时的能量损失率）。

S5】对器件模型开展添加单粒子效应物理模型的半导体器件数值计算，获取器件模型在不同重离子LET（Linear Energy Transfer）值（重离子LET值是SET注入的一项重要参数，代表重离子在穿透介质时的能量损失率）和不同漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线；图5为不同漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线的示意图；在上述计算的基础上，改变单粒子效应物理模型中重离子LET值，获取器件模型在不同重离子LET值和不同漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线，图6为不同重离子LET值和不同漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线的示意图。

S6】改变晶体管的栅宽（晶体管栅宽是晶体管结构的一项重要参数，代表晶体管栅极的宽度），给栅宽设定几个典型数值，然后执行S1】到S5】的过程，获取不同栅宽晶体管在不同重离子LET值和不同漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线；图7为不同栅宽晶体管在不同重离子LET值和不同漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线，其中W代表栅宽，LET代表重离子LET值，LET1～LETn代表不同LET取值。

S7】将步骤S6获取的不同栅宽晶体管在不同重离子LET值和不同漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线的数据提取整合，建立以晶体管栅宽、重离子LET值、漏极偏压和时间为自变量，漏极瞬态电流为因变量的离散函数，借此表征晶体管的瞬态特性，这里将该离散函数取名晶体管单粒子瞬态特性数据库；图8为晶体管单粒子瞬态特性数据库整合过程的示意图。其中W代表栅宽，W1～Wn代表不同栅宽取值，LET1～LETn代表不同LET取值，V_D代表漏极偏置，time代表时间，I_SET代表漏极瞬态电流。

S8】单粒子瞬态效应注入方法的示意图如图9所示，将被研究电路用电路仿真程序语言进行描述，在被重离子入射晶体管的漏极引入Verilog-A模块，模块读取被重离子入射的晶体管栅宽W、重离子LET值、晶体管当前漏极偏压V_D和当前仿真时间time，通过Verilog-A模块内建的多维插值与查找函数在晶体管单粒子瞬态特性数据库中获取相应的单粒子瞬态电流I_SET，将瞬态电流I_SET注入晶体管的漏极，这时电路对注入的瞬态电流I_SET产生响应，晶体管漏极偏压V_D会随时间发生变化；在仿真步长控制的下一个时刻，模块重新读取被重离子入射的晶体管栅宽W、重离子LET值、晶体管当前漏极偏压V_D和当前仿真时间time，通过Verilog-A模块内建的多维插值与查找函数在晶体管单粒子瞬态特性数据库中获取相应的单粒子瞬态电流I_SET，将瞬态电流I_SET注入晶体管的漏极；如此迭代直至仿真结束以获取完整的单粒子瞬态电流I_SET。图10为单粒子瞬态电流波形示意图。

Claims (8)

1.一种针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

A】建立被重离子入射的晶体管的器件模型；

B】求解半导体器件数值计算模型方程以获取器件模型的I-V特性曲线；

C】开展器件模型的I-V特性校准；

D】对半导体器件数值计算模型添加重离子导致的单粒子效应物理模型；

E】通过数值计算获取不同栅宽晶体管在不同重离子LET值和不同漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线；

F】根据变化曲线建立晶体管单粒子瞬态特性数据库；

G】利用电路仿真程序的Verilog-A模块完成晶体管单粒子瞬态特性数据库与电路模型之间的数据交换，实现单粒子瞬态效应注入。

2.根据权利要求1所述针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法，其特征在于：所述步骤A中器件模型包括材料组分、几何结构和掺杂参数。

3.根据权利要求1所述针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法，其特征在于：所述步骤B中半导体数值计算模型方程包括：泊松方程、漂移扩散方程以及载流子连续方程，依次如下所示：

$\frac{\∂n}{\∂t}=G_n-R_n+\frac{1}{q}\▿\·{\stackrel{\→}{J}}_n,\frac{\∂p}{\∂t}=G_p-R_p-\frac{1}{q}\▿\·{\stackrel{\→}{J}}_p$

${\stackrel{\→}{J}}_n=\mathrm{qn}{\mathrm{\μ}}_n\stackrel{\→}{E}+q{D}_n\▿n,{\stackrel{\→}{J}}_p=\mathrm{qp}{\mathrm{\μ}}_p\stackrel{\→}{E}+q{D}_p\▿p$

其中：

分别是电子、空穴的电流密度；

G_n、G_p分别是电子、空穴的产生率；

R_n、R_p分别是电子、空穴的复合率；

D_n、D_p分别是电子、空穴的扩散系数；

μ_n、μ_p分别是电子、空穴的的迁移率；

是电场密度；

分别是电子、空穴的梯度；

分别是电子电流密度、空穴电流密度的散度；

N_D ⁺为离化施主的浓度；

N_A ^-为离化受主的浓度；

ε为半导体材料的介电常数；

为电势，

为

的二次梯度；

n是电子密度；

p是空穴密度；

q为电子电量。

4.根据权利要求1所述针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法，其特征在于：所述步骤C中I-V特性校准是指调整器件模型参数使器件模型的I-V特性与代工厂提供的Spice集约模型相符合；其中I-V特性包括晶体管转移特性曲线和输出特性曲线。

5.根据权利要求1所述针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法，其特征在于：所述步骤D中对半导体器件数值计算模型添加重离子导致的单粒子效应物理模型；即将物理模型添加到漂移扩散方程的载流子的产生项G_n和G_p中，单粒子效应物理模型如下所示：

G(l,w,t)=G_LET(l)×R(w,l)×T(t)

其中：

G(l,w,t)为重离子导致的载流子产生率；

G_LET(l)为线性能量传输的载流子产生密度；

R(w,l)为载流子的空间分布函数；

T(t)为载流子的时间分布函数。

6.根据权利要求1所述针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法，其特征在于：所述步骤F的具体步骤如下：

将不同栅宽晶体管在不同重离子LET值和不同漏极偏置下的漏极瞬态电流随时间的变化曲线的数据提取，建立以晶体管栅宽、重离子LET值、漏极偏压和时间为自变量，漏极瞬态电流为因变量的离散函数，借此表征晶体管的瞬态特性，这里将该离散函数取名晶体管单粒子瞬态特性数据库；

所述单粒子瞬态特性数据库所包含的参数有：晶体管栅宽、重离子LET值、晶体管漏极偏压、时间和单粒子瞬态电流。

7.根据权利要求1所述针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法，其特征在于：所述步骤G的具体步骤如下：

将被研究电路用电路仿真程序语言进行描述，在被重离子入射晶体管的漏极引入Verilog-A模块，Verilog-A模块读取被重离子入射的晶体管栅宽W、重离子LET值、晶体管当前漏极偏压V_D和当前仿真时间time，通过Verilog-A模块内建的多维插值与查找函数在晶体管单粒子瞬态特性数据库中获取相应的单粒子瞬态电流I_SET，将瞬态电流I_SET注入晶体管的漏极，这时电路对注入的瞬态电流I_SET产生响应，晶体管漏极偏压V_D会随时间发生变化；在仿真步长控制的下一个时刻，模块重新读取被重离子入射的晶体管栅宽W、重离子LET值、晶体管当前漏极偏压V_D和当前仿真时间time，通过Verilog-A模块内建的多维插值与查找函数在晶体管单粒子瞬态特性数据库中获取相应的单粒子瞬态电流I_SET，将瞬态电流I_SET注入晶体管的漏极；如此迭代直至仿真结束以获取完整的单粒子瞬态电流I_SET。

8.根据权利要求1或7所述针对高频电路的单粒子瞬态效应注入仿真方法，其特征在于：所述Verilog-A模块是用来完成晶体管单粒子瞬态特性数据库与电路模型之间的数据交换，模块内建的多维插值与查找函数用来对单粒子瞬态特性数据库的数据进行插值与查找。

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