CN103577643A - 一种sram型fpga单粒子翻转效应仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法，包括如下步骤：1：获取待仿真器件的设计和工艺参数；2：使用建模工具构造器件的三维几何形状，并设定器件掺杂的区域、浓度以及离散化策略等；3：根据器件的I-V特性曲线，对器件的工艺和设计参数进行校准；4：生成网格化的器件结构，在沟道、轻掺杂区以及PN结边界对网格进行细化；5：根据器件电路规模和实际情况，选取器件级TCAD仿真方法或器件级TCAD和电路级Spice混合仿真方法；6：利用辐射粒子特性工具计算获得入射重离子特性；7：设定好物理模型参数、仿真时间和边界条件等，利用TCAD工具进行器件单粒子效应仿真；8：根据仿真结果，选择不同能量的粒子再次进行模拟；9：通过仿真数据分析工具获取仿真结果。

Description

一种SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法

技术领域

本发明涉及一种SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法，属于集成电路抗辐射技术领域。

背景技术

辐照试验可以较为精确地评估元器件的抗辐射能力，但是辐照试验需要专用的粒子加速器设备（模拟的重离子能量和射程有限，没有适合的质子加速器和α粒子源等），所需的机时难以得到保证且评估成本较高。此外，辐照试验只能在元器件封装之后进行，无法在元器件的设计阶段进行抗辐射能力评估。目前，NASA和ESA等一些国外研究机构已开展辐射效应仿真技术研究，以评估器件的辐射敏感性。

元器件辐射效应仿真技术是通过器件级或电路级的计算机仿真工具，研究器件内部由辐射效应引入的大量电子空穴在电场下的漂移扩散过程，模拟器件对辐射效应的响应。元器件辐射效应仿真技术具备如下优势：评估成本低、评估时间不受机时限制、不受辐照源设备条件限制、评估介入时间早（在芯片设计阶段即可完成评估）、可对器件辐射效应的机理进行分析等。

器件级TCAD(Technology Computer Aided Design)仿真是对半导体物理的基本方程在特定边界条件下求解，得到器件内部物理量重分布的过程。通过仿真可以得到器件各端口电流和电压在辐射后的变化情况。器件仿真需要根据半导体器件的特征尺寸不同所选择的物理模型。目前广泛使用的是漂移扩散模型，主要包括：泊松方程、载流子连续性方程、电流密度方程，其中载流子的复合一般考虑SRH复合和Auger复合。如果希望考虑温度、载流子散射、碰撞电离化等效应.还必须加入相应的描述方程。解析求解漂移—扩散模型的偏微分方程，目前通常采用有限元方法求解。对于要仿真分析的器件，在其结构区域内对方程离散化，确定的载流子浓度和电位的边界条件，即可进行数值求解的。

（1）泊松方程

$\▿\·\stackrel{\→}{E}=\frac{q}{\mathrm{\ϵ}}(p-n+N_D-N_A)---\left(1\right)$

泊松方程给出电场与载流子浓度之间关系，从这个方程可以看出，电子—空穴对的产生必然改变器件内部的电场。

（2）输运方程

${\stackrel{\→}{J}}_n=q{\mathrm{\μ}}_{n}n\stackrel{\→}{E}+q{D}_n\▿n$

${\stackrel{\→}{J}}_p=q{\mathrm{\μ}}_{p}n\stackrel{\→}{E}-q{D}_p\▿p---\left(2\right)$

输运方程又叫电流密度方程，电流密度由漂移电流密度和扩散电流密度构成。

（3）电子—空穴对产生模型

$R\left(r\right)=\exp {\left(\frac{r}{r_0}\right)}^2$

$T\left(t\right)=\frac{{2e-\left(\frac{t-T_0}{T_c}\right)}^2}{T_c\sqrt{\mathrm{\π}}\mathrm{erfc}\left(\frac{-T_0}{\mathrm{Tc}}\right)}---\left(3\right)$

沿粒子径迹产生电子—空穴对，空间和时间分布符合高斯分布。其中r为距粒子径迹中心的距离，t为时间，q为电子电量，Tc、ro分别为时间和半径特征尺寸，T0为粒子入射时刻。

上述三个半导体器件基本方程加上入射粒子导致的电子—空穴对产生方程以及边界条件即可获得器件内部的电荷分布、电流分布、电场分布等，即器件对入射粒子能量沉积的响应。

Synopsys公司的Sentaurus工具包是一款国际上广泛使用的器件级TCAD仿真工具，其核心部分Sdevice提供了器件多维（一维，二维，三维）辐射效应、电特性、热和光特性的仿真，还可对深亚微米/纳米工艺下的硅MOSFETs、双极器件、SiC器件、III-V族化合物及异质结器件进行仿真。Sentaurus工具包的主要软件说明如下：

● Sentaurus Structure Editor：SDE工具是一个结构编辑器，可以编辑2D或3D的器件结构。此外，在SDE中还可以定义掺杂profile以及离散化策略。

● MESH：MESH工具根据DEVISE生成的器件结构和离散化策略生成高质量的网格。

● Sentaurus Device：SDevice工具根据离散化网格和设定的模型和参数进行器件单粒子效应仿真。

辐照试验可以较为精确地评估元器件的抗辐射能力，但是辐照试验需要专用的粒子加速器设备（模拟的重离子能量和射程有限，没有适合的质子加速器和α粒子源等），所需的机时难以得到保证且评估成本较高。此外，辐照试验只能在元器件封装之后进行，无法在元器件的设计阶段进行抗辐射能力评估。单粒子效应仿真可以不受辐照源设备和机时的限制，有效地评估器件的辐射效应敏感性。目前尚无规范、有效、可满足工程实际应用的SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法，传统的SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真往往使用器件级TCAD仿真方法，其仿真运行时间长（需要几周）、仿真结果不易收敛，不能满足实际的单粒子效应评估的应用需求。需要根据器件电路规模和实际情况，建立满足工程实际应用需求的SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法，有效地代替地面辐照试验，获得单粒子翻转效应评估结果。

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SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法，解决宇航元器件地面辐照试验加速器机时有限、辐照源条件限制等问题。

本发明的技术解决方案是：

一种SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法，步骤如下：

（1）根据待仿真器件的设计和工艺参数，通过电子器件三维建模工具对所述待仿真器件进行三维建模，得到该待仿真器件的三维模型；所述待仿真器件是指SRAM型FPGA；

（2）使用三维模型网格划分工具对步骤（1）中得到的三维模型进行网格划分，生成网格化的器件结构，网格结构与器件的结构匹配，在沟道、轻掺杂区以及PN结边界对网格进行细化；

（3）根据辐射粒子特性工具计算得到不同入射粒子的能量损失、射程和入射半径，并作为待仿真器件单粒子翻转效应仿真的输入文件；所述辐射粒子特性工具为SRIM；

（4）若所述待仿真器件的电路结构小于六个晶体管，则对所述待仿真器件进行单粒子翻转效应仿真时采用器件级TCAD仿真方法；

若所述待仿真器件的电路结构大于等于六个晶体管，则对所述待仿真器件进行单粒子翻转效应仿真时采用器件级TCAD和电路级Spice混合仿真方法；

（5）根据步骤（2）中得到的网格划分之后的三维模型、步骤（3）中得到的输入文件以及步骤（4）中选择的仿真方法，对所述待仿真器件进行单粒子翻转效应仿真；

（6）改变入射粒子，重复执行步骤（5），对所述待仿真器件进行多次单粒子翻转效应仿真；

（7）根据所述待仿真器件的电路输出电压值判断是否发生单粒子翻转，确定单粒子翻转阈值、临界电荷和翻转截面；

（8）将得到的单粒子翻转仿真结果与地面辐照试验结果进行比对从而验证正确性；所述单粒子翻转仿真结果是指单粒子翻转阈值、临界电荷和翻转截面。

所述步骤（1）中通过电子器件三维建模工具对所述待仿真器件进行三维建模具体为：

（2.1）对所述待仿真器件的各个组成部分，选择相应的工艺材料，使得仿真时设定的工艺材料和该组成部分的真实工艺材料相同；

（2.2）对所述待仿真器件中的所有晶体管，按照如下顺序进行设置，进而得到所述待仿真器件的三维模型：设置衬底厚度、设置多晶硅栅厚度、设置栅氧厚度、设置P阱接触、设置栅长、设置栅宽、设置有源区位置、建立P阱接触区域、设置STI隔离、生成衬底、生成接触、衬底掺杂、多晶硅栅掺杂、P阱接触掺杂、深P阱掺杂和P阱掺杂；

（2.3）根据所述待仿真器件的I-V特性曲线，对所述待仿真器件的工艺和设计参数进行校准：以I_d-V_ds特性曲线对构造的待仿真器件三维模型进行校准，通过多次迭代地调整LDD、Halo、阈值电压和注入掺杂参数，获得校准后的器件三维模型。

所述电子器件三维建模工具为Sentaurus软件中的Structure Editor工具。

所述三维模型网格划分工具为MESH软件。

所述待仿真器件进行单粒子翻转效应仿真时采用器件级TCAD和电路级Spice混合仿真方法具体为：对SRAM型FPGA电路单元中单粒子翻转最敏感的晶体管进行器件级三维建模，电路中其它晶体管由电路级Spice模型代替；选择辐射粒子，对器件级三维模型进行入射；将器件级三维模型与电路级Spice模型加入仿真器中，对所述待仿真器件进行单粒子翻转效应仿真。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明提出了一种SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法，通过该方法获得的单粒子翻转结果与地面辐照试验结果接近，可代替地面辐照试验。若所述待仿真器件的电路结构大于等于六个晶体管时，采用器件级TCAD和电路级Spice混合仿真方法，可以真实的模拟器件的单粒子翻转，仿真结果更为精确；同时混合仿真方法还解决了传统TCAD仿真方法耗时长、仿真结果不收敛的问题。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

Synopsys公司的Sentaurus工具包是一款国际上广泛使用的器件级TCAD仿真工具，它包括Sentaurus Structure Editor（器件三维建模）工具、MESH（三维模型网格划分）工具和Sentaurus Device（单粒子效应仿真）工具。

如图1所示，本发明提供了一种SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法，包含如下步骤：

（1）根据待仿真器件的设计和工艺参数，通过电子器件三维建模工具对所述待仿真器件进行三维建模，得到该待仿真器件的三维模型；所述待仿真器件是指SRAM型FPGA；所述电子器件三维建模工具为Sentaurus软件中的Structure Editor工具。待仿真器件的参数获取途径和三维建模具体步骤为：

（1.1）从工艺厂商和设计单位获取工艺和设计详细参数，建立包含有电路结构、版图、工艺尺寸、掺杂浓度等信息的三维模型；或与器件设计单位合作，获得器件电路网表和版图信息等设计参数后，通过I-V特性拟合工艺参数，建立包含有电路结构、版图、工艺尺寸、掺杂浓度等信息的三维模型。

（1.2）对所述待仿真器件的各个组成部分，选择相应的工艺材料，使得仿真时设定的工艺材料和该组成部分的真实工艺材料相同；

（1.3）对所述待仿真器件中的所有晶体管，按照如下顺序进行设置，进而得到所述待仿真器件的三维模型：设置衬底厚度、设置多晶硅栅厚度、设置栅氧厚度、设置P阱接触、设置栅长、设置栅宽、设置有源区位置、建立P阱接触区域、设置STI隔离、生成衬底、生成接触、衬底掺杂、多晶硅栅掺杂、P阱接触掺杂、深P阱掺杂和P阱掺杂；

（1.4）根据所述待仿真器件的I-V特性曲线，对所述待仿真器件的工艺和设计参数进行校准：以I_d-V_ds特性曲线对构造的待仿真器件三维模型进行校准，通过多次迭代地调整LDD、Halo、阈值电压和注入掺杂参数，获得校准后的器件三维模型。

（2）使用三维模型网格划分工具对步骤（1）中得到的三维模型进行网格划分，生成网格化的器件结构，网格结构与器件的结构匹配，在沟道、轻掺杂区以及PN结边界对网格进行细化，三维模型网格划分工具为MESH软件；

（3）根据辐射粒子特性工具计算得到不同入射粒子的能量损失、射程和入射半径，并作为待仿真器件单粒子翻转效应仿真的输入文件；所述辐射粒子特性工具为SRIM（Stoppingand Ranges of Ions in Matter）；

（4）若所述待仿真器件的电路结构小于六个晶体管，则对所述待仿真器件进行单粒子翻转效应仿真时采用器件级TCAD仿真方法；

若所述待仿真器件的电路结构大于等于六个晶体管，则对所述待仿真器件进行单粒子翻转效应仿真时采用器件级TCAD和电路级Spice混合仿真方法；

对SRAM型FPGA电路单元中单粒子翻转最敏感的晶体管进行器件级三维建模，电路中其它晶体管由电路级Spice模型代替；选择辐射粒子，对器件级三维模型进行入射；将器件级三维模型与电路级Spice模型加入单粒子翻转效应仿真工具中，对所述待仿真器件进行单粒子翻转效应仿真。

单粒子翻转效应仿真工具为Sentaurus Device软件。

（5）根据步骤（2）中得到的网格划分之后的三维模型、步骤（3）中得到的输入文件以及步骤（4）中选择的仿真方法，对所述待仿真器件进行单粒子翻转效应仿真；

（6）改变入射粒子，重复执行步骤（5），对所述待仿真器件进行多次单粒子翻转效应仿真；

（7）根据所述待仿真器件的电路输出电压值判断是否发生单粒子翻转，确定单粒子翻转阈值、临界电荷和翻转截面；

（8）将得到的单粒子翻转仿真结果与地面辐照试验结果进行比对从而验证正确性；所述单粒子翻转仿真结果是指单粒子翻转阈值、临界电荷和翻转截面。

实施例：

步骤1：获取待仿真器件的设计和工艺参数。

输入详细的工艺流程及相关的工艺参数和器件结构参数，利用工艺厂商提供的lyt版图信息，通过Sprocess软件进行工艺过程仿真，得到器件掺杂信息，建立器件三维模型；或利用设计单位提供的GDS版图文件，通过ICworkbench EV plus软件实现GDS文件的转换，获得仿真器件的设计和工艺参数。

步骤2：使用建模工具构造器件的三维几何形状，并设定器件掺杂的区域、浓度以及离散化策略等。

步骤2.1：对器件的不同区域，选择相应的工艺材料；

步骤2.2：根据晶体管的工艺结构，进行设计和工艺参数设置。具体设置方法和顺序为：设置衬底厚度，设置多晶硅栅厚度，设置栅氧厚度，设置P阱接触，设置栅长，设置栅宽，设置有源区位置，建立P阱接触区域，设置STI隔离，生成衬底，生成接触，衬底掺杂，多晶硅栅掺杂，P阱接触掺杂，深P阱和P阱掺杂。

步骤3：根据器件的I-V特性曲线，对器件的工艺和设计参数进行校准。

以I_d-V_ds特性曲线对构造的器件三维模型进行校准，通过多次迭代地调整LDD、Halo以及阈值电压和注入掺杂等参数，获得校准后的器件三维模型，以保证构造的器件尽可能接近于实际器件。

步骤4：使用器件模型分析工具生成网格化的器件结构，网格结构与器件的结构匹配，在沟道、轻掺杂区以及PN结边界对网格进行细化；

利用模型分析工具（MESH）对器件结构和离散化策略生成高质量的网格。将掺杂比较复杂的区域网格密集划分，而将源、漏、沟道区的网格设置较小，衬底区的网格设置较大，以加快仿真速度。

步骤5：根据器件电路规模和实际情况，选取器件级TCAD和电路级Spice混合仿真方法；

器件级（TCAD）仿真的结果比较精确，但是耗时较长（管子尺寸较大或网格节点较小时，仿真需要耗时半个月以上）。器件级和电路级混合仿真是将器件级TCAD模型与电路级SPICE模型混合进行仿真的一种方法，重离子入射的晶体管由器件级TCAD建模，电路中的其它晶体管由SPICE模型代替，来模拟SRAM型FPGA电路对重离子入射的响应。器件级TCAD和电路级Spice混合仿真方法的结果精确性有所降低，但是仿真速度较快。

将TCAD模型与SPICE模型进行结合仿真，粒子入射晶体管由TCAD建模，其它晶体管由SPICE代替。设定重离子入射初始时，TCAD模型漏极接正电位，栅极接0，源极接地。不同线性能量传输值粒子入射晶体管敏感区（NMOS漏极），检测敏感节点判断是否发生单粒子翻转

步骤6：利用辐射粒子特性工具计算获得入射重离子特性，包括电离能损、射程和入射半径等参数；辐射粒子特性工具为SRIM（Stopping and Ranges of Ions in Matter）。

以F离子为例，计算得到的F离子能量为104MeV，轨迹的长度和半径分别为76.6um和1.08um，电离能量损失率为0.04325pC/um。电离产生的电子-空穴对沿径向呈高斯分布，入射方向设定为垂直入射。

步骤7：在仿真运行的配置文件中设定好物理模型参数、仿真时间和边界条件等，利用TCAD工具进行器件单粒子效应仿真；

仿真中设定粒子撞击器件发生在5ps时刻，仿真的时间为10s，初始step设定为0.1ps。单粒子效应仿真中心位置，即z=0.3时，X值分别取-2μm到+2μm，step为0.2μm。TCAD仿真设置初值为Y=1.25V,YN=0V。重离子垂直入射晶体管漏极中心位置，其入射半径设置为50纳米，粒子入射径迹长度为10微米。重离子LET值由1MeV.cm²/mg开始逐渐增大。

步骤8：根据仿真结果，选择不同能量的粒子再次进行模拟；

采用不同LET值对器件敏感节点多次入射仿真，同时检测输出节点值判断翻转情况，确定单粒子翻转阈值、临界电荷、翻转截面等仿真结果。

步骤9：通过仿真数据绘图和分析工具获取仿真结果。有必要时，仿真结果需要与地面辐照试验结果比对，验证仿真结果的正确性。

实施例2

如果仿真器件单元电路结构小于六个晶体管时，本方法除需要经过实施例1中的步骤1-4和步骤6-9外，还需要经过以下步骤的具体选取：

步骤1：采用器件级TCAD仿真方法进行单粒子效应仿真。

对待仿真器件内部的晶体管逐一建立器件级三维模型。设定重离子入射初始时，TCAD模型漏极接正电位，栅极接0，源极接地。不同线性能量传输值粒子入射晶体管敏感区（NMOS漏极），检测敏感节点判断是否发生单粒子翻转。

以某款30万门SRAM型FPGA为例，使用本发明方法获得的器件单粒子翻转LET阈值为1.3MeV.cm²/mg，地面辐照试验获得的器件单粒子翻转LET阈值为1.26MeV.cm²/mg，单粒子翻转阈值仿真误差在10%以内。使用本发明方法获得的C、O、Cl、Cu离子的翻转截面与地面辐照试验的σ-LET曲线接近，单粒子翻转截面仿真误差在10%以内。采用本发明方法，每次单粒子翻转效应评估可节省10个小时以上的地面辐照试验机时，节省试验费用10万元以上。

Claims (5)

1.一种SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法，其特征在于步骤如下：

（1）根据待仿真器件的设计和工艺参数，通过电子器件三维建模工具对所述待仿真器件进行三维建模，得到待仿真器件的三维模型；所述待仿真器件是指SRAM型FPGA；

（2）使用三维模型网格划分工具对步骤（1）中得到的三维模型进行网格划分，生成网格化的器件结构，网格结构与器件的结构匹配，在沟道、轻掺杂区以及PN结边界对网格进行细化；

（3）根据辐射粒子特性工具计算得到不同入射粒子的能量损失、射程和入射半径，并作为待仿真器件单粒子翻转效应仿真的输入文件；所述辐射粒子特性工具为SRIM；

（4）若所述待仿真器件的电路结构小于六个晶体管，则对所述待仿真器件进行单粒子翻转效应仿真时采用器件级TCAD仿真方法；

若所述待仿真器件的电路结构大于等于六个晶体管，则对所述待仿真器件进行单粒子翻转效应仿真时采用器件级TCAD和电路级Spice混合仿真方法；

（5）根据步骤（2）中得到的网格划分之后的三维模型、步骤（3）中得到的输入文件以及步骤（4）中选择的仿真方法，对所述待仿真器件进行单粒子翻转效应仿真；

（6）改变入射粒子，重复执行步骤（5），对所述待仿真器件进行多次单粒子翻转效应仿真；

（7）根据所述待仿真器件的电路输出电压值判断是否发生单粒子翻转，确定单粒子翻转阈值、临界电荷和翻转截面；

（8）将得到的单粒子翻转仿真结果与地面辐照试验结果进行比对从而验证正确性；所述单粒子翻转仿真结果是指单粒子翻转阈值、临界电荷和翻转截面。

2.根据权利要求1所述的一种SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法，其特征在于：所述步骤（1）中通过电子器件三维建模工具对所述待仿真器件进行三维建模具体为：

（2.1）对所述待仿真器件的各个组成部分，选择相应的工艺材料，使得仿真时设定的工艺材料和该组成部分的真实工艺材料相同；

（2.2）对所述待仿真器件中的所有晶体管，按照如下顺序进行设置，进而得到所述待仿真器件的三维模型：设置衬底厚度、设置多晶硅栅厚度、设置栅氧厚度、设置P阱接触、设置栅长、设置栅宽、设置有源区位置、建立P阱接触区域、设置STI隔离、生成衬底、生成接触、衬底掺杂、多晶硅栅掺杂、P阱接触掺杂、深P阱掺杂和P阱掺杂；

（2.3）根据所述待仿真器件的I-V特性曲线，对所述待仿真器件的工艺和设计参数进行校准：以I_d-V_ds特性曲线对构造的待仿真器件三维模型进行校准，通过多次迭代地调整LDD、Halo、阈值电压和注入掺杂参数，获得校准后的器件三维模型。

3.根据权利要求1所述的一种SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法，其特征在于：所述电子器件三维建模工具为Sentaurus软件中的Structure Editor工具。

4.根据权利要求1所述的一种SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法，其特征在于：所述三维模型网格划分工具为MESH软件。

5.根据权利要求1所述的一种SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法，其特征在于：所述待仿真器件进行单粒子翻转效应仿真时采用器件级TCAD和电路级Spice混合仿真方法具体为：对SRAM型FPGA电路单元中单粒子翻转最敏感的晶体管进行器件级三维建模，电路中其它晶体管由电路级Spice模型代替；选择辐射粒子，对器件级三维模型进行入射；将器件级三维模型与电路级Spice模型加入仿真器中，对所述待仿真器件进行单粒子翻转效应仿真。

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