CN108508351B - 一种基于双-双指数电流源的单粒子故障注入仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双‑双指数电流源的单粒子故障注入仿真方法，包括1)单管辐射模型建立与参数提取；2)对CMOS工艺反相器电路执行器件与电路混合仿真，选取的入射离子LET值，获取单粒子瞬态脉冲电流；3)在目标电路故障注入节点插入如下形式的双‑双指数电流源的步骤，考虑电路实际的负载情况，通过增加一个双指数电流源来增加仿真精度，在保证注入脉冲波形正确的前提下提高注入电荷总量的准确度，解决了传统故障注入方法在瞬态电流注入时参数提取复杂、高估注入电荷总量、非常耗时的技术问题。

Description

一种基于双-双指数电流源的单粒子故障注入仿真方法

技术领域

本发明属于CMOS集成电路的单粒子效应模拟与仿真领域，涉及一种基于双-双指数电流源的单粒子故障注入仿真方法。

背景技术

半导体器件长期工作于空间辐射环境中，单个高能粒子撞击器件的灵敏区产生大量电离的电子-空穴对，瞬时的载流子收集将导致器件节点电压产生异常，进而导致电路暂时性或永久性的功能失效，这种辐射电离损伤称为单粒子效应。

对于单粒子效应的仿真而言，器件级仿真可以精确模拟单粒子损伤的基本物理过程，准确量化电荷收集及节点电压的瞬态响应，但受到计算能力的限制只能针对单个晶体管结构或很小的电路开展工作，且非常耗时。电路级仿真主要采用故障注入的方法，可以在大规模集成电路中开展仿真，并分析单粒子效应的传播规律，分辨电路中的敏感模块。单粒子效应电路仿真故障注入的主体思想是将辐射效应引入晶体管级的SPICE模型，但需要实现准确、快速的故障注入。一般采用双指数电流源方法实现单粒子效应故障注入，目前已经有相关机构进行过研究，参见申请号为201510386358.7名称为“一种基于替代模型的单粒子瞬态效应注入方法”的中国专利。当电路特征尺寸逐渐减小时，电荷收集过程与电路节点响应的耦合不可忽略，单粒子瞬态脉冲形状与传统的双指数具有明显的区别。有研究证明，采用双指数电流源表征会增加单粒子故障注入电荷总量，而一般在进行加固效果评估时经常采用临界电荷的办法，因此会高估电路的实际加固效果。

对于这一耦合过程，需要在电流源的构建中加以改进，参见专利申请号201610073979.4，名称为“一种单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法”。该方法通过试验数据对单粒子瞬态脉冲电流源模型参数进行校准，但存在试验数据获取困难、高估注入电荷总量等问题。

对于单粒子效应的仿真也可以采用器件与电路混合仿真，但非常耗时。

发明内容

为了准确估计单粒子故障注入电荷总量，解决传统故障注入方法在瞬态电流注入时参数提取复杂、高估注入电荷总量、非常耗时的技术问题，基于对传统双指数电流源注入方法的改进，本发明提供一种针对数字集成电路的基于双-双指数电流源的单粒子故障注入仿真方法，用于更加合理准确的研究电路的单粒子效应并且预测其抗辐照能力。

本发明的技术解决方案是：

本发明的基于双-双指数电流源的单粒子故障注入仿真方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

1)单管辐射模型建立与参数提取

1.1)选定待研究的场效应晶体管特征工艺尺寸，建立MOS晶体管常态模型；

1.2)参照生产厂家给出的待研究晶体管的PDK，根据PDK中给出的实测数据和SPICE模型中给出的参数，提取待研究的晶体管工艺掺杂信息，通过调整沟道及源漏区掺杂信息，校准晶体管常态模型的常态电学特性参数；

1.3)使校准后的晶体管常态模型处于固定的最劣偏置状态下，设定入射重离子参数，执行瞬态器件仿真，记录产生的瞬态电流脉冲I_transistor(t)，按照双指数电流源方法执行拟合，并提取参数I_peak、τ₁、τ₂、(t_f-t_r)，记录参数τ₁、τ₂、(t_f-t_r)；

双指数电流源拟合参照公式(1)描述：

其中，I_peak表示峰值电流,t_r表示电流上升时间，t_f表示电流下降时间，τ₁、τ₂为电流上升时间常数与电流下降时间常数；

2)对CMOS工艺反相器电路执行器件与电路混合仿真，选取的入射离子LET值，获取单粒子瞬态脉冲电流

2.1)根据待研究CMOS电路的工艺尺寸，建立CMOS反相器，CMOS反相器中重离子轰击的晶体管采用步骤1.2)校准后的晶体管常态模型，其互补晶体管的模型采用SPICE模型；

2.2)执行器件与电路混合瞬态仿真，对每一步仿真进行监测并记录待研究CMOS电路中单管器件的单粒子瞬态电流I_inverter(t)并记录平台区电流值I_h；

2.3)根据步骤2.2)记录的单粒子瞬态电流I_inverter(t)，按照公式(2)提取平台区电流I_h(t)：

按照公式(3)所描述，针对I_h(t)进行拟合和参数提取，其中，I_peak′表示峰值电流,t_r′表示电流上升时间，t_f′表示电流下降时间，τ_1′、τ_2′为电流上升时间常数与电流下降时间常数，e表示指数；需要记录的参数为电流上升时间常数τ_1′电流下降时间常数τ_2′；

3)参数优化及单粒子故障注入

在目标电路故障注入节点插入如下形式的双-双指数电流源：

I(t)＝I_prompt(t)+I_hold(t) (4)

其中：

该双-双指数电流源模型共包含八个解析参数，其中每个双指数电流源包含四个参数，对于双指数电流源I_prompt(t)，对应的解析参数为峰值电流I_peak-p、电流上升时间常数τ₁、电流下降时间常数τ₂、电流下降时间与电流上升时间的差值(t_f-t_r)；对于I_hold(t)，对应的解析参数为峰值电流I_peak-h、电流上升时间常数τ_1′、电流下降时间常数τ_2′、电流下降时间与电流上升时间的差值(t_f′-t_r′)；

I_prompt(t)的三个时间常数电流上升时间常数：τ₁、电流下降时间常数τ₂及(t_f-t_r)是步骤1.3)中所提取的；

I_hold(t)的时间常数τ_1′、τ_2′是步骤2.3)中所提取的，I_hold(t)的(t_f′-t_r′)作为一个变量来控制故障注入的持续时间；

I_prompt(t)的峰值电流I_peak-p与I_hold(t)的峰值电流I_peak-h是通过以下步骤确定的：

3.1)设定故障注入持续时间作为I_hold(t)的时间常数(t_f′-t_r′)，为I_peak-h赋初始值；

3.2)在目标电路故障注入节点中插入单个双指数电流源I_hold(t)；

3.3)执行Spice仿真，读取瞬态电压波形；

3.4)判断电压脉冲后沿是否完全发生反转，如果否，I_peak-h值过小，按一定步长增大I_peak-h值，回到步骤3.2)；如果是，执行步骤3.5)；

3.5)判断电压是否发生过冲，如果是，I_peak-h值过大，按一定步长减小I_peak-h值，回到步骤3.2；如果否，执行步骤3.6)；

3.6)输出I_peak-h值；

3.7)为I_peak-p赋初值；

3.8)在目标电路故障注入节点中插入双-双指数电流源I(t)＝I_prompt(t)+I_hold(t)；

3.9)执行Spice仿真，读取瞬态电压波形；

3.10)判断电压脉冲前沿是否完全发生反转，如果否，I_peak-p值过小，按一定步长增大I_peak-p值，回到步骤3.8)；如果是，执行步骤3.11)；

3.11)判断电压是否发生过冲，如果是，I_peak-p值过大，按一定步长减小I_peak-p值，回到步骤3.8；如果否，执行步骤3.12)；

3.12)输出I_peak-p、I_peak-h值。

本发明与现有技术相比，优点在于：

1、通过校准后的晶体管器件模型仿真提取单粒子效应故障特征，确保了注入故障的准确性；

2、通过结合具体目标电路执行参数优化，使得本方法能够适用于不同的实际标准电路及各种负载情况；

3、可以控制注入故障的持续时间及电荷注入总量，对于集成电路的软错误率快速评估具有适用性。

4、本发明提出的双-双指数电流源进行单粒子故障注入仿真的方法，在得到双-双指数电流源的时间常数后，在后续的故障注入时，只需结合目标电路优化峰值，而时间常数则不需要再重新提取，具有使用方便、节省时间的优点。

5、本发明利用解析方法实现了单粒子故障注入，采用SPICE仿真工具易于推广到大规模电路下的单粒子软错误仿真，计算速度快且准确率高。

6、本发明采用的均为EDA标准工具，实施简便，参数提取速度快且能准确实现故障的注入。

附图说明

图1为晶体管常态电学特性曲线校准；

图2为器件仿真单粒子瞬态脉冲电流图；

图3为器件与电路混合仿真单粒子瞬态脉冲电流图；

图4为Nor门电路结构及故障注入示意图；

图5为对I_peak-h执行优化的瞬态电压波形图；

图6为对I_peak-p执行优化的瞬态电压波形图；

图7为单粒子效应故障注入瞬态电压波形对比图；

图8为电流峰值优化流程图。

具体实施方式

本发明对单粒子效应电路级仿真进行模拟故障注入时，将考虑到电路实际的负载情况，通过增加一个双指数电流源来增加仿真精度，在保证注入脉冲波形正确的前提下提高注入电荷总量的准确度。

下面结合附图对本发明的优选实例做进一步的阐述，实施例中公式1-6中的e表示指数。

一种基于双-双指数电流源的单粒子故障注入仿真方法，包括如下步骤：

1)单管辐射模型建立与参数提取

1.1)以0.25μm工艺的场效应管为例，建立该特征工艺尺寸的MOS晶体管常态模型；

1.2)根据SMIC(中芯国际)的PDK(工艺设计规则)，根据其中给出的实测数据和SPICE模型中给出的相关参数，提取工艺掺杂信息，通过调整沟道及源漏区掺杂信息，校准晶体管的阈值电压及静态电流等常态电学特性参数，构建了nMOS晶体管的三维TCAD模型(图1)，宽长比为0.3/0.24μm，阱距离沟道的距离为0.6μm。源漏区掺杂峰值为1e20cm^-3，栅极下沟道掺杂浓度为2.1e18cm^-3，栅极氧化层厚度为5.5nm。TCAD模型就是晶体管常态模型，可以是三维的或者二维的。建立TCAD模型及画网格后才可以进行离散的数值运算。

图1所示为nMOS单管TCAD常态电学特性Id/Vg曲线与SPICE模型结果的对比，从中可以看出，所构建的单管模型能够准确反映MOS管的基本电学特性。

1.3)对漏极加高电平，对重离子撞击单管敏感区执行瞬态器件仿真，记录产生的瞬态电流脉冲I_transistor(t)，按照双指数电流源方法执行拟合，并提取特征时间常数；图2为四种LET值下，执行瞬态器件仿真所得到的瞬态电流脉冲I_transistor(t)。

其中，I_peak表示峰值电流，t_r表示电流上升时间，t_f表示电流下降时间，τ₁、τ₂为电流上升与下降时间常数。上述公式对时间积分即可得到单次单粒子故障收集到的电荷总量Q_sum：

从故障注入仿真的角度而言，需要提取的参数有四项，分别为I_peak、τ₁、τ₂、(t_f-t_r)，需要记录的参数记为τ₁、τ₂、(t_f-t_r)，作为后续步骤提取I_prompt(t)的时间参数。

2)对CMOS工艺反相器电路执行器件与电路混合仿真，选取的入射离子LET值，获取单粒子瞬态脉冲电流

2.1)根据待研究电路的工艺尺寸，建立CMOS反相器，建立重离子入射单管的器件模型，与之互补的晶体管采用SPICE模型进行描述。确定单管辐射的敏感电极，设定辐照过程中激励源、激励源的持续时间、该持续时间段内的瞬态仿真步长；

2.2)执行器件与电路混合瞬态仿真，对每一步仿真进行监测并记录待研究CMOS电路中单管器件的单粒子瞬态电流I_inverter(t)，由于互补晶体管的反馈作用，瞬态电流在初始的脉冲峰值过后，存在一个稳定平台区，之后缓慢下降到0；

2.3)将平台区电流值记录为I_h，提取平台区电流I_h(t)满足公式(3)：

按照公式(3)所描述，针对I_h(t)进行拟合和参数提取，其中，I_peak′表示峰值电流,t_r′表示电流上升时间，t_f′表示电流下降时间，τ_1′、τ_2′为电流上升时间常数与电流下降时间常数；需要记录的参数为电流上升时间常数τ_1′电流下降时间常数τ_2′；

图3为四种LET值下，按照步骤2)执行器件与电路混合仿真得到的瞬态电流结果I_inverter(t)，其中pMOS管与nMOS管的宽长比为2:1。可以看到瞬态电流在经历一个极短的脉冲峰值过后，下降至平台区，在维持一定时间后缓慢下降至0。从物理角度分析，初始时刻重离子入射后电离产生了大量的载流子对，在敏感区(反偏漏结区)内建电场作用下快速分离被电路节点收集，产生一个较快的峰值脉冲，在大量载流子被收集后，节点由于反馈作用电势下降，对载流子收集能力减弱，电流值下降，在上拉pMOS管驱动下维持一个电流平台后，经历一个较长的扩散过程使得电流逐渐下降至0，电路节点恢复正常。设定脉冲开始时间为4.96ps,在根据仿真数据提取出电流I_hold(t)以后，采用双指数电流源的目标函数格式进行拟合，提取出上升和下降时间常数。

下表1为提取得到的双-双指数电流源参数列表。其中包含有根据步骤1)和步骤2)所提取的双-双指数电流源I_prompt(t)和I_hold(t)的基本时间参数。

表1

从表1可以看出，对于不同LET值下的仿真数据，衡量漂移过程特征的上升时间常数以及扩散过程特征的下降时间常数具有一定差异，但是对实际的电压脉冲波形仿真结果影响不大。

下面考虑在一个实际的单元电路中分析采用双-双指数电流源法进行单粒子效应故障注入的效果。

图4所示为0.25μm工艺Nor门的电路结构示意图。当输入A＝0，B＝0时，输出Y＝1，此时nMOS管T3的漏区为重离子轰击的敏感区。

在电路节点注入单个双指数电流源时，产生的瞬态电压波形或存在过冲现象(overdrive),或脉冲下降沿过慢导致瞬态电压脉冲持续时间不能很好的加以控制。双-双指数电流源法参数优化的目标为产生的瞬态电压波形，优化的过程为对目标电路执行一系列的SPICE仿真，优化的步骤如下：

首先在目标节点中插入单个双指数电流源I_hold(t)，设定故障注入持续时间作为I_hold(t)的时间常数(t_f-t_r)，为I_peak-h赋初值,通过采样脉冲末尾处(一般为80％故障注入持续时间)电压值进行判断迭代的方式确定I_peak-h，具体流程如图8。

在I_peak-h确定后，在电路节点中注入双-双指数电流源I_prompt(t)+I_hold(t)。为I_peak-p赋初值,参数优化的流程如图8,判断标准为脉冲下降沿是否存在未完全翻转或过冲现象。

执行SPICE仿真提取瞬态电压波形后，进行反复迭代后即可得到最优I_peak-h与I_peak-p。一般对于较长的故障持续时间(几百个皮秒量级)，优化得到的I_peak-h几乎没有差别，这是由于I_peak-h主要表征了注入电荷在后期的扩散过程。

将I_peak-h与I_peak-p结果列入表1。图5为对I_peak-h执行优化的结果，图6为对I_peak-p执行优化的结果。

在获得所有参数后，按照图4所示在重离子轰击节点插入公式(4)所示的双-双指数电流源，并代入到SPICE仿真器中执行瞬态仿真，瞬态电压波形如图7所示。

I(t)＝I_prompt(t)+I_hold(t) (4)

其中：

注意此处的双-双指数电流源与前述步骤提取的瞬态电流不同，为理想电流源。设定两个双指数电流源起始注入时间一致。

为了衡量故障注入的准确性，便于验证计算结果，我们还对该目标电路执行了器件与电路混合仿真，将结果做为评判依据，参见图5-7中的离散点。由图7可以看出瞬态电压脉冲前沿下降沿以及后沿上升沿都符合较好，在不同LET值下单粒子效应脉宽也能够得到较好的符合，且无过冲，与实际电路的物理情形一致。由此可见注入的脉冲电流较好的还原了载流子收集与电路响应的耦合过程。随LET值的增加，电流值I_peak-p逐渐增大而电流值I_peak-h保持不变，这与在反相器中输出稳定平台的结果是相一致的，体现了同样的上拉网络相同的反馈能力。

Claims (1)

1.一种基于双-双指数电流源的单粒子故障注入仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)单管辐射模型建立与参数提取

1.1)选定待研究的场效应晶体管特征工艺尺寸，建立MOS晶体管常态模型；

1.2)参照生产厂家给出的待研究晶体管的PDK，根据PDK中给出的实测数据和SPICE模型中给出的参数，提取待研究的晶体管工艺掺杂信息，通过调整沟道及源漏区掺杂信息，校准晶体管常态模型的常态电学特性参数；

1.3)使校准后的晶体管常态模型处于固定的最劣偏置状态下，设定入射重离子参数，执行瞬态器件仿真，记录产生的瞬态电流脉冲I_transistor(t)，按照双指数电流源方法执行拟合，并提取参数I_peak、τ₁、τ₂、(t_f-t_r)，记录参数τ₁、τ₂、(t_f-t_r)；

双指数电流源拟合参照公式(1)描述：

其中，I_peak表示峰值电流,t_r表示电流上升时间，t_f表示电流下降时间，τ₁、τ₂为电流上升时间常数与电流下降时间常数；

2)对CMOS工艺反相器电路执行器件与电路混合仿真，选取的入射离子LET值，获取单粒子瞬态脉冲电流

2.1)根据待研究CMOS电路的工艺尺寸，建立CMOS反相器，CMOS反相器中重离子轰击的晶体管采用步骤1.2)校准后的晶体管常态模型，其互补晶体管的模型采用SPICE模型；

2.2)执行器件与电路混合瞬态仿真，对每一步仿真进行监测并记录待研究CMOS电路中单管器件的单粒子瞬态电流I_inverter(t)并记录平台区电流值I_h；

2.3)根据步骤2.2)记录的单粒子瞬态电流I_inverter(t)，按照公式(2)提取平台区电流I_h(t)：

按照公式(3)所描述，针对I_h(t)进行拟合和参数提取，其中，I_peak′表示峰值电流,t_r′表示电流上升时间，t_f′表示电流下降时间，τ_1′、τ_2′为电流上升时间常数与电流下降时间常数，e表示指数；需要记录的参数为电流上升时间常数τ_1′电流下降时间常数τ_2′；

3)参数优化及单粒子故障注入

在目标电路故障注入节点插入如下形式的双-双指数电流源：

I(t)＝I_prompt(t)+I_hold(t) (4)

其中：

该双-双指数电流源模型共包含八个解析参数，其中每个双指数电流源包含四个参数，对于双指数电流源I_prompt(t)，对应的解析参数为峰值电流I_peak-p、电流上升时间常数τ₁、电流下降时间常数τ₂、电流下降时间与电流上升时间的差值(t_f-t_r)；对于I_hold(t)，对应的解析参数为峰值电流I_peak-h、电流上升时间常数τ_1′、电流下降时间常数τ_2′、电流下降时间与电流上升时间的差值(t_f′-t_r′)；

I_prompt(t)的三个时间常数电流上升时间常数：τ₁、电流下降时间常数τ₂及(t_f-t_r)是步骤1.3)中所提取的；

I_hold(t)的时间常数τ_1′、τ_2′是步骤2.3)中所提取的，I_hold(t)的(t_f′-t_r′)作为一个变量来控制故障注入的持续时间；

I_prompt(t)的峰值电流I_peak-p与I_hold(t)的峰值电流I_peak-h是通过以下步骤确定的：

3.1)设定故障注入持续时间作为I_hold(t)的时间常数(t_f′-t_r′)，为I_peak-h赋初始值；

3.2)在目标电路故障注入节点中插入单个双指数电流源I_hold(t)；

3.3)执行Spice仿真，读取瞬态电压波形；

3.4)判断电压脉冲后沿是否完全发生反转，如果否，I_peak-h值过小，按一定步长增大I_peak-h值，回到步骤3.2)；如果是，执行步骤3.5)；

3.5)判断电压是否发生过冲，如果是，I_peak-h值过大，按一定步长减小I_peak-h值，回到步骤3.2；如果否，执行步骤3.6)；

3.6)输出I_peak-h值；

3.7)为I_peak-p赋初值；

3.8)在目标电路故障注入节点中插入双-双指数电流源I(t)＝I_prompt(t)+I_hold(t)；

3.9)执行Spice仿真，读取瞬态电压波形；

3.10)判断电压脉冲前沿是否完全发生反转，如果否，I_peak-p值过小，按一定步长增大I_peak-p值，回到步骤3.8)；如果是，执行步骤3.11)；

3.11)判断电压是否发生过冲，如果是，I_peak-p值过大，按一定步长减小I_peak-p值，回到步骤3.8；如果否，执行步骤3.12)；

3.12)输出I_peak-p、I_peak-h值。

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