CN108363893A - 一种复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法。该建模方法首先采用TCAD仿真工具分析LET、温度、入射位置、入射角度、漏极偏置对NMOS器件单粒子电流脉冲的影响，得到每种因素对单粒子电流脉冲影响的最坏情况；然后将温度、入射位置、和漏极偏置设置为最坏情况，获得不同LET情况下的漏极瞬态电流脉冲，使用模拟函数对电流脉冲进行拟合，获得每种LET情况下的模拟函数参数值，之后将拟合得出的模拟函数参数值与LET进行拟合，并在得到的拟合表达式中考虑入射角度的影响；最后采用“Verilog‑A”语言可建立复杂条件下的单粒子瞬态脉冲电流源模型。本发明考虑因素全面、模型准确度高、非常实用。

Description

一种复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法

技术领域

本发明涉及单粒子效应研究领域，特别涉及一种考虑复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法。

背景技术

单粒子效应引起的航空电子系统可靠性问题变得越来越严峻。单个高能粒子入射微电子器件沉积能量产生大量电子空穴对被电极收集，引起器件和电路的软错误，严重时可造成永久性损伤。不同LET会使得粒子在器件中沉积的能量不同，导致产生电流脉冲的差异。辐射粒子可能入射到器件的各个位置，器件不同位置的单粒子响应不同。温度会对禁带宽度和体区寄生电阻产生影响，从而影响单粒子效应电流脉冲。粒子入射角度的变化会导致粒子在器件中的运动轨迹和有效LET值变化。漏端偏置电压会对耗尽区漂移和漏斗区漂移过程产生影响。分析可知LET、入射角度、入射位置和器件偏置等因素都会对电流脉冲宽度与峰值产生影响，为获得与实际辐射情况更贴合的电流脉冲，应当予以综合考虑。由“短板效应”可知，分析时应当考虑每种因素的最坏情况，才能检验器件是否在所有情况下都能满足性能要求，全面综合考虑复杂条件对单粒子电流脉冲的影响是很有必要的。

TCAD全称是：Technology Computer Aided Design，指半导体工艺模拟以及器件模拟工具。

常用线性能量转移(Linear Energy Transfer，LET)表征单粒子效应作用的强弱，LET表示单位路径上损失的能量，将LET除以材料密度归一化处理后，单位为MeV·cm²/mg，如下式所示：

单粒子效应的仿真分析主要包括器件级仿真和电路级仿真，器件级仿真能够较为准确地模拟器件的单粒子效应，但数值求解过程需要占用大量计算机资源，随着电路规模的扩大，器件仿真难以满足仿真需求。目前单粒子的电路级仿真仍是研究的热点问题，采用电路级仿真的方法可以大大简化数值求解过程，对于大规模集成电路而言通常采用电路级的仿真方法，而复杂条件下单粒子瞬态脉冲电流源模型是电路级单粒子效应仿真的重要前提。

传统的单粒子瞬态脉冲电流源模型为双指数电流源模型，难以精确描述复杂条件下的单粒子瞬态脉冲电流源的峰值、脉宽以及脉冲变化趋势。

发明内容

针对传统单粒子瞬态脉冲电流源模型的上述缺点，本发明提出一种复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法，为单粒子电路级仿真提供准确的瞬态脉冲电流源模型。

为实现上述目的，本发明给出以下解决方案：

步骤1)，采用TCAD仿真工具分析LET、温度、入射位置、入射角度、漏极偏置这些因素对NMOS器件单粒子电流脉冲的影响，得到每种因素对单粒子电流脉冲影响的最坏情况，即TCAD仿真工具仿真得到的各影响因素在取值范围内使得单粒子电流脉冲最显著的情况；

步骤2)，将温度、入射位置、漏极偏置设置为最坏情况，利用TCAD仿真工具获得不同LET情况下的漏极瞬态电流脉冲，使用模拟函数对电流脉冲进行拟合，获得每种LET情况下的模拟函数参数值；

步骤3)，使用数值拟合的方法将拟合得出的模拟函数参数值与LET进行拟合，并在得到的拟合表达式中考虑入射角度的影响；

步骤4)，基于步骤3)最终得到的拟合表达式，建立复杂条件下的单粒子瞬态脉冲电流源模型，从而为电路级单粒子效应仿真提供支持。

以上方案考虑了复杂条件对NMOS单粒子电流脉冲的影响是由于NMOS的反偏漏极区域是单粒子作用的敏感区域，其导电载流子是电子，单粒子作用时产生的电流脉冲更加显著。步骤3)中，由于入射角度增大会导致粒子轨迹在器件中穿透的路径以余弦定律变长，并且有效LET值也会增加，遵从余弦定律LET_eff＝LET₀/cosθ，因而可以用模型中所述的关系将入射角度因素考虑在单粒子脉冲电流源模型中。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化或部分示例说明：

步骤1)中TCAD仿真工具分析各影响因素的取值范围为：

LET：0.1～102MeV.cm2/mg(元素周期表的1～92号元素在器件内的LET作用范围)；

温度：-55℃～125℃；

入射位置：在NMOS的反偏漏极区域均匀取点不少于30个；

入射角度：0～60°；

漏极偏置：0～电源电压Vdd。

步骤2)中采用的模拟函数是三参数的Weibull分布函数，表达式为：

其中I(t)是以时间为变量的电流值，t为时间变量，a表示脉冲波形的峰值，b代表脉冲宽度的时间参数，c则对应于脉冲波形的变化趋势，a>0，b>0，c>1，t≥0；

三参数Weibull函数的三个参数a、b、c与电流脉冲的特征参数有如下关系：

其中H为单粒子电流脉冲的峰值，A为电流脉冲与时间轴所围的面积(即漏极收集电荷量)，P的值为A_P/A，A_P为电流脉冲由最小值到达峰值时与时间轴所围的面积。

这样，通过采用数学方法对函数进行改进，最终只需LET和入射角度即可确定单粒子瞬态脉冲电流。

步骤3)中，在130nm工艺下，拟合得出的Weibull函数参数a、b、c与LET的关系为：

拟合时在LET的取值范围内均匀取点不少于30个。

需要说明的是，虽然此步骤得到的是130nm工艺下Weibull函数参数a、b、c与LET的关系，但前述复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模过程也适用于其它工艺节点。

步骤3)中，考虑入射角度的影响后的Weibull函数参数a、b、c与LET的关系为：

其中θ为入射粒子与NMOS漏端法线的夹角，0°≤θ≤60°。

步骤3)中，由LET值和入射角度即能够确定的单粒子脉冲电流源为：

步骤4)中，采用“Verilog-A”语言建立复杂条件下的单粒子脉冲电流源模型。

进行电路级单粒子效应仿真，即：将此单粒子脉冲电流源模型添加到晶体管级电路的敏感节点，仿真分析单粒子效应对电路的影响。

本发明考虑因素全面、模型准确度高、非常实用，具体有以下优点：

综合考虑了复杂条件(LET、温度、入射位置、入射角度、漏极偏置)对单粒子瞬态电流脉冲的影响。

通过对三参数的Weibull函数进行改进，不仅继承了函数精确描述单粒子瞬态脉冲电流源峰值、脉宽以及脉冲变化趋势的优点，并且只需LET和入射角度即可确定对应LET和入射角度下的最坏单粒子脉冲电流，简单而又准确度高。

所建立的复杂条件下的单粒子脉冲电流源可通过电路级单粒子仿真验证，保证模型的准确性。

附图说明

图1为本发明的复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法的步骤流程示意图。

图2为本发明的复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法的一个优选实施例的单粒子脉冲电流波形示意图。

图3为本发明的一个优选实施例的不同LET(入射角度θ＝0°)情况下单粒子瞬态电流脉冲的Weibull函数拟合示意图。

图4为本发明的一个优选实施例的Weibull函数参数a与LET的关系示意图。

图5为本发明的一个优选实施例的Weibull函数参数b与LET的关系示意图。

图6为本发明的一个优选实施例的Weibull函数参数c与LET的关系示意图。

图7为本发明的复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法的入射角度导致有效LET变化示意图。

图8为本发明的复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法的SRAM 6管单元单粒子电路级仿真示意图。

具体实施方式

本发明建立了一种复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法，图1是建立本发明所述复杂条件下单粒子脉冲电流源的流程图。

在步骤1)中，采用TCAD仿真工具分析LET、温度、入射位置、入射角度、漏极偏置对NMOS器件单粒子电流脉冲的影响，得到每种因素对单粒子电流脉冲影响的最坏情况。

通过Sentaurus、Sivaco、ISE等TCAD仿真工具，在每种影响因素的取值范围内(LET：0.1～102Mev.cm2/mg、温度：-55℃～125℃、入射位置取点不少于30个、入射角度：0～60°、漏极偏置：0～Vdd)取点仿真分析LET、温度、入射位置、入射角度、漏极偏置对反偏NMOS器件单粒子脉冲电流的影响，得到漏端电流脉冲数据，获得每种因素对单粒子脉冲电流影响最显著的情况，即使得单粒子电流脉冲宽度最大，峰值最高的情况。

在这一步骤中选用反偏的NMOS器件是由于反偏的NMOS漏极区域耗尽区宽度大，单粒子作用于器件时漏端被收集到的电子最多，并且由于NMOS的导电载流子是电子，迁移率大，产生的单粒子脉冲电流最显著。

步骤2)，将温度、入射位置、漏极偏置设置为最坏情况，利用TCAD仿真工具获得不同LET情况下的漏极瞬态电流脉冲，使用模拟函数对电流脉冲进行拟合，获得每种LET情况下的模拟函数参数值，参考图2和图3所示。

分析时应当考虑每种因素的最坏情况，才能检验器件是否在所有情况下都能满足性能要求，全面综合考虑复杂条件对单粒子电流脉冲的影响是很有必要的。

基于步骤1)中获取的每种影响因素的最坏情况，将温度、入射位置、漏极偏置设置为最坏情况，利用TCAD仿真工具获得不同LET情况下的最坏漏极瞬态电流脉冲，得到漏端电流脉冲数据。

图2是本发明优选实施例中的一个单粒子脉冲电流波形示意图，由此电流脉冲示意图中可以获得H、A、A_P、t_P等波形特征参数，其中H为单粒子电流脉冲的峰值，A为电流脉冲与时间轴所围的面积(即漏极收集电量)，A_P为电流脉冲由最小值到达峰值时与时间轴所围的面积，t_P为脉冲电流到达峰值所需要的时间。

单粒子脉冲电流波形具有快速上升至峰值后缓慢下降的特点，本发明人发现Weibull分布函数是一种较为完善的分布函数，它在拟合随机数据时，具有很大的灵活性，对于不同形状的概率分布也具有很强的适应性，因此它能够很好地描述由单粒子效应引起的多样且复杂的瞬态脉冲波形。此外，Weibull分布函数表达式中的三个参数，能够直观地表述出单粒子电流脉冲波形的形状和变化趋势，因此选用三参数的Weibull分布函数对复杂条件下的单粒子脉冲电流进行描述，并在此基础上对函数进行改进，最终只需LET和入射角度即可确定单粒子瞬态脉冲电流。三参数Weibull函数表达式如下：

其中I(t)是以时间为变量的电流值，t为时间变量，参数a表示脉冲波形的峰值，参数b代表脉冲宽度的时间参数，参数c则对应于脉冲波形的变化趋势，a>0，b>0，c>1，t≥0。

可以使用电流脉冲波形的特征参数H、A、A_P、t_P等对Weibull函数的三个参数a、b、c进行描述，三参数Weibull函数与单粒子脉冲电流波形特征参数的对应关系推导如下：

首先，令：

得到：

进而得到：

则脉冲波形最值对应的时间：

将其代入Weibull函数表达式中，求得的I(t)即为脉冲的最值：

化简可以得到：

I(t)＝H＝a (1)

利用积分的思想：

可以得到：

求得：

由(1)(2)(3)，联立可以得到：

最终可得Weibull函数的三个参数表达式为：

通过数学推导可以看出，Weibull函数中的三个参数a，b，c分别对应于真实脉冲波形的特征参数A、H、A_p，参数a对应于脉冲波形的峰值峰值H，参数b代表脉冲宽度的时间参数，参数c对应于脉冲波形的变化趋势。因此，在描述单粒子效应产生的瞬态脉冲时，可以利用三参数Weibull分布函数表达式直接对其进行描述，通过对三个参数的设定，就能够唯一确定脉冲波形的峰值、宽度以及变化趋势。

图3是本发明优选实施例中的不同LET情况下电流脉冲的Weibull函数拟合示意图，在此实施例中，将温度、入射位置、漏极偏置设置为最坏情况，入射角度设置为0°(即与器件漏端法线夹角平行入射)，LET值分别为4.45、13.10、20.65、37.62、51.50、76.20MeV·cm²/mg，由结果可知，Weibull函数能够很好地对单粒子脉冲电流波形的峰值、宽度以及变化趋势进行描述，误差在可接受范围，因而本发明使用Weibull函数对复杂条件下的单粒子脉冲电流进行拟合是很合适的。

步骤3)，使用数值拟合的方法将拟合得出的模拟函数参数值与LET进行拟合，并在得到的拟合表达式中考虑入射角度的影响，最终只需要LET值和入射角度即可确定单粒子电流脉冲，参考图4、图5、图6和图7所示。

将不同LET情况下的电流脉冲进行三参数的Weibull函数拟合，LET在取值范围内(0.1～102MeV.cm2/mg)均匀取值不少于30个，提取出参数a、b、c，对参数a、b、c与LET进行数值拟合，拟合出的表达式带入到原三参数Weibull函数表达式中，这样只需要一个LET值就可以唯一确定对应LET下的最坏情况单粒子电流脉冲。

图4、图5和图6分别为本发明优选实施例中Weibull函数三个参数a、b、c随LET的关系变化示意图，由拟合结果表明，误差很小，可以满足应用需求。由变化曲线可以获得Weibull函数参数a、b、c与LET的表达式为：

图7为入射角度导致有效LET变化的示意图，由于入射角度增大会导致粒子轨迹在器件中穿透的路径以余弦定律变长，并且有效LET值也会增加，遵从余弦定律LET_eff＝LET₀/cosθ，因而可以用模型中所述的关系将入射角度因素考虑在单粒子脉冲电流源模型中，可以得到改进后的优选实例中的a、b、c表达式为：

经过对三参数Weibull函数表达式进行改进，只需LET和入射角度即可确定对应LET和入射角度下的最坏单粒子脉冲电流，最终得到的复杂条件下的单粒子脉冲电流源模型为：

步骤4)采用“Verilog-A”语言建立复杂条件下的单粒子瞬态脉冲电流源模型，从而为电路级单粒子效应仿真提供支持。

图8为SRAM 6管单元单粒子电路级仿真示意图。可采用“Verilog-A”语言建立复杂条件下的单粒子瞬态脉冲电流源模型，将电流源添加到SRAM 6管单元的漏端与地之间，进行SRAM 6管单元单粒子电路级仿真。将电路级仿真得到的存储节点电压变化与SRAM 6管单元器件级的单粒子效应仿真、重离子实验结果对比，保证模型的准确性，本模型初步通过了对比，电路级与器件级仿真结果误差很小。

Claims (7)

1.一种复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法，其特征在于，包括：

步骤1)，采用TCAD仿真工具分析LET、温度、入射位置、入射角度、漏极偏置这些因素对NMOS器件单粒子电流脉冲的影响，得到每种因素对单粒子电流脉冲影响的最坏情况，即TCAD仿真工具仿真得到的各影响因素在取值范围内使得单粒子电流脉冲最显著的情况；

步骤2)，将温度、入射位置、漏极偏置设置为最坏情况，利用TCAD仿真工具获得不同LET情况下的漏极瞬态电流脉冲，使用模拟函数对电流脉冲进行拟合，获得每种LET情况下的模拟函数参数值；

步骤3)，使用数值拟合的方法将拟合得出的模拟函数参数值与LET进行拟合，并在得到的拟合表达式中考虑入射角度的影响；

步骤4)，基于步骤3)最终得到的拟合表达式，建立复杂条件下的单粒子瞬态脉冲电流源模型，从而为电路级单粒子效应仿真提供支持。

2.根据权利要求1所述的复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法，其特征在于，步骤1)中TCAD仿真工具分析各影响因素的取值范围为：

LET：0.1～102MeV.cm2/mg；

温度：-55℃～125℃；

入射位置：在NMOS的反偏漏极区域均匀取点不少于30个；

入射角度：0～60°；

漏极偏置：0～电源电压Vdd。

3.根据权利要求1所述的复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法，其特征在于：步骤2)中采用的模拟函数是三参数的Weibull分布函数，表达式为：

其中I(t)是以时间为变量的电流值，t为时间变量，a表示脉冲波形的峰值，b代表脉冲宽度的时间参数，c则对应于脉冲波形的变化趋势，a>0，b>0，c>1，t≥0；

三参数Weibull函数的三个参数a、b、c与电流脉冲的特征参数有如下关系：

其中H为单粒子电流脉冲的峰值，A为电流脉冲与时间轴所围的面积，P的值为A_P/A，A_P为电流脉冲由最小值到达峰值时与时间轴所围的面积。

4.根据权利要求3所述的复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法，其特征在于：步骤3)中，在130nm工艺下，拟合得出的Weibull函数参数a、b、c与LET的关系为：

拟合时在LET的取值范围内均匀取点不少于30个。

5.根据权利要求4所述的复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法，其特征在于：步骤3)中，考虑入射角度的影响后的Weibull函数参数a、b、c与LET的关系为：

其中θ为入射粒子与NMOS漏端法线的夹角，0°≤θ≤60°。

6.根据权利要求5所述的复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法，其特征在于：步骤3)中，由LET值和入射角度即能够确定的单粒子脉冲电流源为：

7.根据权利要求1所述的复杂条件下的单粒子脉冲电流源建模方法，其特征在于：步骤4)是采用“Verilog-A”语言建立复杂条件下的单粒子瞬态脉冲电流源模型。