CN106446395B - 一种nmos总剂量辐照效应的解析建模方法 - Google Patents
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Abstract
一种NMOS晶体管总剂量辐照效应的解析建模方法，属于器件建模领域。首先将辐照后的场氧化层看作寄生晶体管的栅介质，然后根据寄生晶体管的工作状态对场氧化层进行横向上的划分，分别计算出不同状态下的漏电流，最终得到整个NMOS晶体管的总漏电流。本发明采用解析的方法对寄生晶体管泄漏电流进行计算，在保证一定精度的同时，大大减小了运算量进而提升了运算速度，便于在EDA工具中进行仿真实施，为NMOS晶体管总剂量辐照效应提供了快速、可靠和准确的计算方法。
Description
技术领域
本发明属于器件建模领域，具体涉及一种NMOS总剂量辐照效应的解析建模方法。
背景技术
随着微电子技术的飞速发展，微电子产品已经广泛应用于人类生活的各个方面。除手机、平板、家庭电视和办公投影等常规应用环境外，微电子产品还可用于卫星、核电站和南极科研站等极端环境，这就要求微电子产品能够在这些复杂极端的应用环境中生存。
卫星、航天飞机等所处的环境属于典型的空间辐照环境，其中的高能粒子、X射线和γ射线等对微电子器件、电路进行轰击，产生电子-空穴对，随后电子-空穴对在器件内部进行复合、输运、俘获，最终在栅氧化层和场区氧化层中形成固定电荷，同时在界面处形成界面态。固定电荷和界面态的累积会影响微电子器件、电路的电学特性，表现为阈值电压漂移、迁移率下降、跨导退化、关态泄漏电流增大等，从而使得集成电路的性能参数显著变化，甚至功能失效。在器件尺寸不断缩小的过程中，辐照对栅氧化层的损伤越来越小，而场氧化层的厚度一般远远大于栅氧化层的厚度，因此辐照损伤主要产生在场氧化层中。
目前，微电子集成电路设计通常使用EDA(Electronic Design Automation，电子设计自动化)工具加载器件模型进行仿真，根据仿真的结果优化调整各项参数。抗辐照电路设计则需要建立器件的辐照模型，如果只是依靠经验进行设计，很难对设计结果做出准确的评估，而工艺线通常不提供器件的辐照模型，因此有必要开发一种可用于电路仿真的器件辐照模型。
电离辐射总剂量效应是辐照环境中集成电路失效的主要原因之一，目前对其模型的研究方法可以分为两种。第一种是通过对场氧化层不同的划分来进行的，对氧化层中因辐照产生的电子-空穴对进行分析，建立一系列的泊松方程和连续性方程，并将场氧化层划分为无数的小块，单独对每一个小块进行复杂的求解，此种研究方法常见于相关研究机构的研究过程中，需要建立并计算大量的泊松方程和连续性方程以获得器件的I-V特性；该方法计算量较大，难以直接应用于电路仿真中，同时由于对场氧化层的划分是有限的，会引入额外的误差。为了实现单个器件辐照效应的仿真也提出了一些其他的场氧化层划分方法，但都存在一定的局限性，例如将场氧化层漏电流的计算分为拐角电流以及边缘漏电流，这种模型在场氧化层为STI(Shallow Trench Isolation，浅沟槽隔离)工艺时可以实现，但在不存在拐角电流的LOCOS(Local Oxidation of Silicon，局部硅氧化隔离)中将不再适用；且模型中使用了半经验公式，影响了模型的准确性和适用性；模型中没有考虑氧化层中辐照的饱和效应，即氧化层中产生的固定陷阱电荷并不是单调增加的，在辐照达到一定的总剂量后氧化层中的固定电荷和界面态将不再增加。第二种是从应用的方向出发，直接采用BSIM(Berkeley Short-channel IGFET Model，伯克利短沟道绝缘栅场效应晶体管模型)模型，该类模型公式已知，模型参数待定，建模时方法与辐照前器件的模型参数提取相同；通过对大量不同尺寸、形状的测试晶体管设计、制造后进行辐照实验，然后采用参数提取工具(商业或者自编软件程序)提取模型参数直接或者加入宏模型构成可用于电路仿真的辐照模型。这种研究方法常用于辐照模型的获取，获取方式直接，无需分析辐照机理，只需测试足够的样品使统计数据满足模型标准即可；然而该方法忽略了辐照原理的分析，导致样品管的设计或工艺稍有变动就需要重新进行提取，同时，该方法需要大量样品晶体管进行实验和统计才能获取模型，提取模型的工作量大，周期长，成本高且适用性窄，不利于电路仿真中模型的获取。因此，现有的关于辐照效应的模型无法准确实现辐照效应在电路仿真中的应用，实际生产研究中迫切需要一种能描述氧化层辐照效应的准确模型。
发明内容
本发明提供了一种NMOS晶体管总剂量辐照效应的解析建模方法，同时适用于LOCOS和STI。首先将辐照后的场氧化层看作寄生晶体管的栅介质，然后根据寄生晶体管的工作状态对场氧化层进行横向上的划分，分别计算出不同状态下的漏电流，最终得到整个NMOS晶体管的总漏电流。本发明采用解析的方法对寄生晶体管泄漏电流进行计算，在保证一定精度的同时，大大减小了运算量进而提升了运算速度，便于在EDA工具中进行仿真实施，为NMOS晶体管总剂量辐照效应提供了快速、可靠和准确的计算方法。
本发明的技术方案如下：
一种NMOS总剂量辐照效应的解析建模方法，包括以下步骤：
步骤1、在考虑体效应的情况下，辐照之前晶体管的阈值电压VTbe表示为：
其中，VT0be为理想情况下器件的阈值电压，体效应系数q为电子有效电荷，εsi为硅衬底介电常数，NA为衬底掺杂浓度，场氧化层电容εox为场氧化层介电常数，tox为场氧化层的厚度，φb为体电势，VSB为源衬电势差，Vfb为平带电压，QB为耗尽层电荷；
步骤2、将NMOS晶体管在辐照环境中进行辐照后，辐照在场氧化层中产生的固定电荷Qox与辐照总剂量D之间的关系为
这是由于场氧化层中可以俘获空穴的陷阱数量是一定的，当辐照总剂量达到一定值时，场氧化层中产生的固定电荷Qox将不再随辐照总剂量D的增大而增大，也就是发生了辐照饱和。
其中，m为拟合因子，g0为每单位剂量产生的电子空穴对的密度，fy为与电场和辐照类型相关的因子，Nt为中性陷阱浓度，σt为空穴的俘获截面系数，NSiH为氧化层与衬底界面处的Si-H键密度，δH为界面处质子的俘获截面系数，t0为恰好发生辐照饱和所对应的场氧化层厚度，A为空穴被俘概率，随着辐照的进行，氧化层中的中性陷阱浓度越来越小，A也将逐渐减小，对已有的实验数据进行提取，得出A的表达式可以近似表示为A＝1-a*D,a为拟合参数，在不同的工艺条件下，a的取值不同。
NMOS晶体管在辐照后的阈值电压VT0与固定电荷Qox之间的关系为
步骤3、将式(3)和(4)整理后，可得辐照后在不考虑体效应情况下的阈值电压：
进而，根据式(1)和(5)整理可得，在考虑体效应的情况下，辐照后的阈值电压VT
其中，
步骤4、根据步骤3得到的辐照后的阈值电压VT与栅源电压VGS、漏源电压VDS的关系求解各个状态下寄生晶体管所对应的横向宽度w的区间范围；其中，划分状态的原理为：
当VGS＜VT时，处于亚阈区；
当VGS≥VT且VDS＜VGS-VT时，处于线性区；
当VGS≥VT且VDS≥VGS-VT时，处于饱和区；
其中，如图1所示，θ为场氧化层的拐角度数；
步骤5、处于饱和区和线性区的寄生晶体管所对应的电流微元表达式为
饱和区：
线性区：
其中，μ为载流子的迁移率，L为寄生晶体管的沟道长度；
然后，将式中的阈值电压VT用式(6)表示，并对处于线性区和饱和区的寄生晶体管所对应的电流微元进行关于场氧化层厚度tox的积分，得到积分原函数：
其中，当tox≤t0时，处于饱和区的寄生晶体管电流：
处于线性区的寄生晶体管电流：
其中，
c＝Vfb+2φb；
当tox＞t0时，处于饱和区的寄生晶体管电流：
处于线性区的寄生晶体管电流：
其中，
c＝Vfb+2φb；
步骤6、根据步骤5得到的处于饱和区和线性区的寄生晶体管电流表达式以及步骤4得到的饱和区、线性区寄生晶体管所对应的横向宽度的区间范围，计算得到处于线性区的寄生晶体管电流IL和处于饱和区的寄生晶体管电流IS；
步骤7、对于亚阈值区，由于无法求出积分原函数，故不能采用上述积分方法进行处理；本发明中采用各亚阈状态下横向宽度区间范围的均值作为各亚阈值区内寄生晶体管的沟道横向宽度Wm，得到处于亚阈区的各寄生晶体管电流：
其中，Cd为耗尽层电容，Cd＝[qεSiNA/(4φb)]1/2，Cit为界面态产生的电容，Cit＝q2Dit，qDit＝Nit/φb，Dit为界面态随能量分布的密度函数，Nit为界面态密度，Voff为没有辐照前的NMOS管，为了使漏电流为零在栅极所加的电压，其大小可通过工艺厂商提供的PDK文件查到，φt为热电压；
将上述得到的处于亚阈区的各寄生晶体管电流相加即可得到处于亚阈区状态下的寄生晶体管的漏电流IT；
步骤8、进而得到整个NMOS晶体管的总漏电流：
I＝IT+IL+IS (14)
步骤9、将步骤1至8得到的寄生晶体管的模型与原有主晶体管模型结合构成辐照模型，进而用于电路仿真。
具体地，步骤4中得到各个状态下寄生晶体管所对应的横向宽度w的区间范围为：
亚阈区横向宽度w的区间范围为[wT1，wT2]；
线性区横向宽度w的区间范围为[wL1，wL2]和[wL3，wL4]；
饱和区横向宽度w的区间范围为[wS1，wS2]和[wS3，wS4]；
根据横向宽度与场氧化层厚度之间的关系(θ为场氧化层的拐角度数)可得到：
亚阈区的厚度tox范围为[tT1，tT2]；
线性区的厚度tox范围为[tL1，tL2]和[tL3，tL4]；
饱和区的厚度tox范围为[tS1，tS2]和[tS3，tS4]；
然后根据步骤5得到的处于饱和区和线性区的寄生晶体管电流表达式，计算得到处于线性区的寄生晶体管电流IL和处于饱和区的寄生晶体管电流IS：
根据式(13)计算得到处于亚阈区的寄生晶体管电流IT，其中，
进而得到整个NMOS晶体管的总漏电流I＝IT+IL+IS。
进一步地，当氧化层较厚时需要考虑栅氧化层的辐照效应，整个NMOS晶体管的总漏电流为上述场氧化层总漏电流与栅氧化层漏电流之和。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用解析的方法对寄生晶体管泄漏电流进行计算，在保证一定精度的同时，大大减小了运算量进而提升了运算速度，便于在EDA工具中进行仿真实施，快速得出总剂量辐照效应对器件的影响，进而给电路设计工作者有关辐照效应方面的有益指导；
2、本发明方法中对整个NMOS的寄生晶体管按照工作状态进行划分，然后积分求出场氧化区中不同工作状态下寄生晶体管产生的泄漏电流；场氧化层的区间划分方法方便可行，得到的寄生晶体管的总漏电流公式简单，准确性高，适用范围广，可直接加入到集成电路的仿真软件中获得直接的电路仿真辐照模型。
附图说明
图1为本发明NMOS晶体管中横向宽度w与纵向场氧化层厚度tox微元分析示意图；
图2为一种寄生晶体管工作状态的分布示意图；
图3为建立NMOS晶体管辐照模型的流程图；
图4为实施例1建模仿真时的结构连接图(忽略栅氧化层影响时)；
图5为实施例1的总剂量效率仿真结果与实验结果对比图；其中，ex为实验数据，si为仿真数据；
图6为实施例2建模仿真时的结构连接图(考虑栅氧化层影响时)；
图7为基于本发明NMOS晶体管辐照模型的DRAM基本存储单元及灵敏恢复-读出放大器原理图；
图8为DRAM辐照前后仿真结果图；(a)为辐照前DRAM进行读出1时的V-t曲线图；(b)为辐照后DRAM进行读出1时的V-t曲线图(D＝50K))。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
根据本发明提出的方法建立模型的关系表达式，采用Verilog-A语言编程来描述场氧化层寄生晶体管对整个器件特性的影响，然后用EDA软件进行仿真模拟，其中的参数是来自于工艺库文件和辐照实验得出的基本数据。通过EDA软件的仿真，可以快速地得出辐照效应对器件的影响，进而给予电路设计工作者有关抗辐照设计方面的指导。
实施例1
只考虑场氧化层的辐照效应时，建立NMOS晶体管辐照模型的具体过程为：
步骤1、查阅已有工艺库文件、相关研究文献或测试少量的样品管得到基础的参数，如制作时场氧化层厚度的上限toxmax和下限toxmin等；
步骤2、将步骤1得到的基础参数添加进上述发明内容中的模型，在EDA仿真软件平台上实现该模型，形成该特定工艺线情况下的辐照模型；该实施例中应用的EDA仿真软件为cadence，在cadence上以Verilog-a的形式写出该模型中场氧化区寄生晶体管的特性，然后以图4所示的方式进行连接；
步骤3、运行仿真：在设置完成仿真时的相关数据后(其中主晶体管的宽长比VDS＝0.1V)，运行仿真程序得出仿真结果。
图5为实施例1的总剂量效率仿真结果与实验结果对比图，其中，ex为实验数据，si为仿真数据；由图5可知，实施例1的仿真结果与实验结果的接近程度很好。同时本发明方法还大大减小了EDA仿真软件的计算量，以及测试器件数量与辐照实验次数。
实施例2
在考虑栅氧化层和场氧化层均存在辐照效应时，在建模仿真过程中额外加入栅氧化层寄生晶体管模块，如图6所示。由于栅氧化层的厚度一定，故只需直接判断主晶体管的工作状态，然后直接应用这一工作状态下的电流计算表达式计算出栅氧化层的漏电流，再与场氧化层的总漏电流相加即可得到整个NMOS晶体管的总漏电流。
实施例3
采用本发明方法在cadence IC仿真平台上实现NMOS晶体管辐照模型后，对如图7所示的动态存储基本单元进行读出仿真，仿真结果如图8所示。通过对辐照前、后仿真数据的对比可知，本发明方法建立的模型能够准确反映出辐照总剂量对电路特性的影响，表明本发明辐照模型能实现对电路进行总剂量辐照效应影响的仿真，进而可协助抗辐照电路设计工作者进行电路的抗辐照设计。
Claims (2)
1.一种NMOS总剂量辐照效应的解析建模方法，包括以下步骤：
步骤1、在考虑体效应的情况下，辐照之前晶体管的阈值电压VTbe表示为：
其中，VT0be为理想情况下器件的阈值电压，体效应系数q为电子有效电荷，εsi为硅衬底介电常数，NA为衬底掺杂浓度，场氧化层电容εox为场氧化层介电常数，tox为场氧化层的厚度，φb为体电势，VSB为源衬电势差，Vfb为平带电压，QB为耗尽层电荷；
步骤2、将NMOS晶体管在辐照环境中进行辐照后，辐照在场氧化层中产生的固定电荷Qox与辐照总剂量D之间的关系为
其中，m为拟合因子，g0为每单位剂量产生的电子空穴对的密度，fy为与电场和辐照类型相关的因子，Nt为中性陷阱浓度，σt为空穴的俘获截面系数，NSiH为氧化层与衬底界面处的Si-H键密度，δH为界面处质子的俘获截面系数，t0为恰好发生辐照饱和所对应的场氧化层厚度，A为空穴被俘概率；
NMOS晶体管在辐照后的阈值电压VT0与固定电荷Qox之间的关系为
步骤3、将式(3)和(4)整理后，可得辐照后在不考虑体效应情况下的阈值电压：
进而，根据式(1)和(5)整理可得，在考虑体效应的情况下，辐照后的阈值电压VT
其中，
步骤4、根据步骤3得到的辐照后的阈值电压VT与栅源电压VGS、漏源电压VDS的关系求解各个状态下寄生晶体管所对应的横向宽度w的区间范围；其中，划分状态的原理为：
当VGS＜VT时，处于亚阈区；
当VGS≥VT且VDS＜VGS-VT时，处于线性区；
当VGS≥VT且VDS≥VGS-VT时，处于饱和区；
步骤5、处于饱和区和线性区的寄生晶体管所对应的电流微元表达式为
饱和区：
线性区：
其中，μ为载流子的迁移率，L为寄生晶体管的沟道长度；
然后，将式中的阈值电压VT用式(6)表示，并对处于线性区和饱和区的寄生晶体管所对应的电流微元进行关于场氧化层厚度tox的积分，得到积分原函数：
其中，当tox≤t0时，处于饱和区的寄生晶体管电流：
处于线性区的寄生晶体管电流：
其中，
c＝Vfb+2φb；
当tox＞t0时，处于饱和区的寄生晶体管电流：
处于线性区的寄生晶体管电流：
其中，
c＝Vfb+2φb；
步骤6、根据步骤5得到的处于饱和区和线性区的寄生晶体管电流表达式以及步骤4得到的饱和区、线性区寄生晶体管所对应的横向宽度的区间范围，计算得到处于线性区的寄生晶体管电流IL和处于饱和区的寄生晶体管电流IS；
具体地，步骤4中得到各个状态下寄生晶体管所对应的横向宽度w的区间范围为：
亚阈区横向宽度w的区间范围为[wT1，wT2]；
线性区横向宽度w的区间范围为[wL1，wL2]和[wL3，wL4]；
饱和区横向宽度w的区间范围为[wS1，wS2]和[wS3，wS4]；
根据横向宽度与场氧化层厚度之间的关系可得到：
亚阈区的厚度tox范围为[tT1，tT2]；
线性区的厚度tox范围为[tL1，tL2]和[tL3，tL4]；
饱和区的厚度tox范围为[tS1，tS2]和[tS3，tS4]；
其中，θ为场氧化层的拐角度数；
然后根据步骤5得到的处于饱和区和线性区的寄生晶体管电流表达式，计算得到处于线性区的寄生晶体管电流IL和处于饱和区的寄生晶体管电流IS：
步骤7、采用各亚阈状态下横向宽度区间范围的均值作为各亚阈值区内寄生晶体管的沟道横向宽度Wm，得到处于亚阈区的各寄生晶体管电流：
其中，Cd为耗尽层电容，Cd＝[qεSiNA/(4φb)]1/2，Cit为界面态产生的电容，Cit＝q2Dit，qDit＝Nit/φb，Dit为界面态随能量分布的密度函数，Nit为界面态密度，Voff为没有辐照前的NMOS管，为了使漏电流为零在栅极所加的电压，φt为热电压；
将上述得到的处于亚阈区的各寄生晶体管电流相加即可得到处于亚阈区状态下的寄生晶体管的漏电流IT；
步骤8、进而得到整个NMOS晶体管的总漏电流：
I＝IT+IL+IS (14)
步骤9、将步骤1至8得到的寄生晶体管的模型与原有主晶体管模型结合构成辐照模型，进而用于电路仿真。
2.根据权利要求1所述的NMOS总剂量辐照效应的解析建模方法，其特征在于，考虑栅氧化层的辐照效应时，整个NMOS晶体管的总漏电流为权利要求1得到的总漏电流与栅氧化层漏电流之和。
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Citations (2)
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| CN101923596A (zh) * | 2010-09-08 | 2010-12-22 | 北京大学 | 一种估算集成电路辐照效应的方法 |
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| IO电路的总剂量效应及最劣偏置分析;杨述坤;《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》;20141115;I135-146 * |
| 硅基MOS器件的电离辐照效应分析;李一天;《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》;20101215;I135-57 * |
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