CN110909517A - 单粒子效应电路仿真中考虑节点电压动态变化的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单粒子效应电路仿真中考虑节点电压动态变化的建模方法。该方法基于半物理‑半解析的建模思路描述单粒子效应电路仿真中节点电压动态变化的情况，从而更加合理、准确的预测了电路单粒子效应敏感性。本发明的主要实现步骤是：1)构建单粒子效应电路的子电路模型；2)针对单管获取不同LET值、不同入射位置在连接恒定偏压情况下的电流源I_exp；3)利用单倍驱动能力反相器校准得到重离子入射N型单管模型和P型单管模型时对应的中间项拟合参数f_recomb以及输出电流源拟合参数f_real；4)将子电路模型调制后的瞬时电流源注入实际电路中的工作节点，执行电路仿真。

Description

单粒子效应电路仿真中考虑节点电压动态变化的建模方法

技术领域

本发明涉及一种CMOS集成电路的单粒子效应仿真评价与加固验证技术，具体涉及一种单粒子效应电路仿真中考虑节点电压动态变化的建模方法。

背景技术

宇航器件单粒子效应严重影响航天器在轨长寿命可靠运行。据权威统计，航天器在轨故障45％是由辐射损伤引起的，而单粒子效应占了辐射损伤80％以上。单粒子软错误(单粒子翻转、单粒子瞬态)已经成为导致航天器在轨故障的重要因素之一。

相对于辐照测试，借助仿真分析的方法能够在设计初期预测集成电路的抗辐射性能，进而提供修改设计的依据，能够极大地降低成本需求。与此同时，仿真分析还能够给出效应机理方面的解释，便于理解失效表征内部的作用机制。

单粒子效应电路仿真的主体思想是将高能粒子在电路中引发的电学干扰引入晶体管级的集约模型(SPICE模型)，其重点和难点在于如何准确、快速的对辐射引发的电学干扰进行建模。

1982年Messengill奠基式的提出了描述单个PN结收集过剩载流子形成电流脉冲的双指数电流源，其理论推导的前提是端点处施加恒定不变的电压且PN结处于反偏截止状态。中国专利，专利申请号为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》的专利中提出了如何将双指数电流源法在具体电路中加以实现。

但是，对于实际电路中的工作节点，首先，并不是所有工作节点连接的PN结都处于反偏状态；其次，受所连接有源负载的影响，单粒子瞬态脉冲的形状与传统的双指数电流源出现了明显的区别，且这种区别在电路特征尺寸减小至超深亚微米及以下，电路响应快于100ps～200ps时愈加凸显。

为提供更加精准的建模方法，中国专利，专利申请号为201610073979.4，名称为《一种单粒子瞬态脉冲电流源的建模方法》的专利中提出了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，存在问题在于试验数据获取困难、注入电荷总量高于实际值等。

再有，中国专利，专利申请号为201810278455.8，名称为《一种基于双-双指数电流源的单粒子故障注入仿真方法》的专利中提出了一种考虑电路负载响应，用于准确估计单粒子故障注入电荷总量的双-双指数电流源快速注入方法，存在问题在于完全依赖解析建模，当电路形式、驱动能力、重离子入射位置不同时的自适应性和可拓展性还不够。

发明内容

为解决现有单粒子效应电路仿真方法中未考虑实际电路中并不是所有工作节点均施加最劣偏置(PN结反偏)，且在辐射引发电学干扰作用的瞬间(ps量级)电压即发生动态变化，从而高估注入电荷总量的技术问题，本发明提供一种单粒子效应电路仿真中考虑节点电压动态变化的建模方法，该方法基于半物理-半解析的建模思路描述单粒子效应电路仿真中节点电压动态变化的情况，从而更加合理、准确的预测了电路单粒子效应敏感性。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供了一种单粒子效应电路仿真中考虑节点电压动态变化的建模方法，包括如下步骤：

1)构建单粒子效应电路的子电路模型

1.1)构建子电路模型，所述子电路模型的输入组件为连接恒定偏压情况下的电流源I_exp，内部组件包括节点电容C和中间项电流源I_recomb，输出组件为连接实际电路中工作节点的电流源I_real；

连接恒定偏压情况下的电流源I_exp按照双指数电流源形式加以描述，具体表达式为：

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_r、τ_f为电流上升与下降时间常数；

中间项电流源I_recomb的具体表述式为：

I_recomb＝f_recomb·V_C (2)

其中，f_recomb为中间项电流源拟合参数，V_C代表电容C两端的电压差；

输出电流源项I_real的具体表述式为：

I_real∝exp(f_real·|V_db|·q/kT) (3)

其中，f_real为输出电流源项拟合参数，V_db代表所连接节点电压与衬底电压之间的差值；

2)针对单管获取不同LET值、不同入射位置在连接恒定偏压情况下的电流源I_exp；

2.1)参照电路设计工艺库模型，提取工艺结构信息，利用半导体器件仿真工具通过调整沟道及源漏区掺杂信息，校准晶体管阈值电压、静态电流及掺杂区域电阻值，构建数值仿真可用的单管器件模型，所述单管器件模型包括P型单管模型和N型单管模型；

2.2)针对P型单管模型和N型单管模型，分别连接恒定且最劣偏压情况下，对不同LET(线性能量转移)值重离子轰击漏结及漏结周围位置处的各类感兴趣情况或随机抽样位置执行瞬态器件仿真，记录漏结收集的瞬态电流脉冲，按照步骤1)的公式(1)中描述的双指数电流源公式进行拟合，得到连接恒定偏压情况下的电流源I_exp中的各项特征时间参数取值，所述特征时间参数包括I_peak、τ_r、τ_f、(t_f-t_r)；所述最劣偏压为漏结反偏；

2.3)将步骤2.3)得到的特征时间参数代入步骤1)的公式(1)，从而得到连接恒定偏压情况下的电流源I_exp；

3)利用单倍驱动能力反相器校准得到重离子入射N型单管模型和P型单管模型时对应的中间项拟合参数f_recomb以及输出电流源拟合参数f_real；

3.1)利用半导体器件仿真工具构建数值仿真可用的单倍驱动能力反相器模型；针对N阱区域，N阱区域需保证输出为低电平，以及针对P阱区域，P阱区域需保证输出为高电平，分别选取2-4个典型重离子入射位置，入射位置需涵盖P型单管模型和N型单管模型漏结内部及漏结周围两种情况，执行瞬态器件仿真，记录重离子入射后反相器输出端的电压脉冲；

3.2)设定不同的中间项拟合参数f_recomb值以及输出电流源拟合参数f_real值，并分别代入步骤1)的公式(2)和公式(3)从而得到不同的中间项电流源I_recomb表达式和输出电流源项I_real表达式；

3.3)利用Verilog-A语言将子电路模型描述为可被电路仿真工具调用的自定义组件，将步骤2.3)中得到连接恒定偏压情况下的电流源I_exp和步骤3.2)中得到的中间项电流源I_recomb和输出电流源项I_real表达式均代入该自定义组件；

3.4)利用电路仿真工具计算得到对应于不同的中间项拟合参数f_recomb值以及输出电流源拟合参数f_real值的输出电流源项I_real，通过加载到输出节点与衬底节点之间，计算得到不同的反相器瞬态电压脉冲；

3.5)将步骤3.4)求得的不同的反相器瞬态电压脉冲和步骤3.1)中器件仿真得到的单粒子瞬态电压脉冲进行对比，直到二者在幅值、脉冲宽度方面保持一致时，记录此时反相器瞬态电压脉冲对应的中间项拟合参数f_recomb以及输出电流源拟合参数f_real的取值；

4)将子电路模型调制后的瞬时电流源注入实际电路中的工作节点，执行电路仿真；

4.1)将步骤3.5)中中间项拟合参数f_recomb以及输出电流源拟合参数f_real的取值对应的输出电流源项I_real注入实际电路的所有受影响节点，分别加载到节点与衬底节点之间；

4.2)执行瞬态电路仿真，记录实际电路在重离子入射时刻之后10ns内的输出；

4.3)分析电路输出，记录是否发生状态翻转或产生持续一段时间可自行恢复的扰动脉冲。

进一步地，上述步骤4)中所采用的仿真工具为SPICE。

进一步地，上述步骤1)中构建子电路模型，步骤4)中将子电路调制后的瞬时电流源注入实际电路中的工作节点选用的是与SPICE仿真工具相兼容的Verilog-A语言编程。

进一步地，上述步骤3.1)中所采用的仿真工具为TCAD。

本发明的优点在于：

1、本发明提出的在单粒子效应电路仿真中考虑节点电压动态变化的建模方法，能够考虑到实际电路中部分工作节点辐照过程中不处于反偏状态，且即使处于反偏状态在辐射引发电学干扰作用的瞬间(ps量级)电压即发生动态变化的实际情况，实现了利用连接恒定偏压情况下的近似双指数电流源作为输入推算出节点电压不为最恶劣情况及动态变化时实际注入电路的电流脉冲和电荷量，能够更加准确的预测电路的单粒子效应敏感性及抗辐射性能。

2、本发明利用结合物理分析的解析方法实现了不同辐照偏置对应单粒子瞬态电流脉冲之间的转换，避免了不同情况下需借助人为甄别的困境，且通过对单粒子效应主要物理过程加以考虑保证了所提出建模方法对于电路形式、驱动能力、重离子入射位置不同时的自适应性。

3、本发明利用Verilog-A语言加以实现后可以很方便的被电路仿真软件SPICE调用，能够方便的嵌入到通用电路设计流程中。

附图说明

图1为子电路模型示意图；

图2为连接恒定偏压的单管当重离子入射不同位置时漏极收集瞬态电流脉冲示意图；

图2为重离子入射至反相器不同位置的示意图；

图3为当重离子入射不同位置时漏极收集瞬态电流脉冲示意图；

图4为子电路调制后的瞬时电流源示意图；

图5为利用电路仿真计算得到的0.18μm工艺节点D型触发器单元的单粒子翻转热点图，此时输入数据信号等于低电平；

图6为利用电路仿真计算得到的0.18μm工艺节点D型触发器单元的单粒子翻转热点图，此时输入数据信号等于高电平。

具体实施方式

本发明重点解决已有方法的不足，对电路单粒子效应进行模拟计算时，将考虑到辐照过程中各工作节点的实际偏压情况，不局限于常用的最劣偏置，且能够描述在辐射引发电学干扰作用的瞬间(ps量级)发生动态变化的实际情况(即电压)。通过构建子电路模型并提取拟合参数取值，成功提出一种模拟单粒子效应电路仿真中考虑节点电压动态变化的建模方法。

下面结合附图对本发明的优选实例做进一步的阐述。

步骤1：构建单粒子效应电路的子电路模型

图1所示为子电路模型的示意图，该子电路模型包括输入组件、内部组件以及输出组件；其中，输入组件为连接恒定偏压情况下的电流源I_exp，内部组件为节点电容C和中间项电流源I_recomb，输出组件为连接实际电路中工作节点的电流源I_real；

其中，连接恒定偏压情况下的电流源I_exp的具体表达式为：

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_r、τ_f为电流上升与下降时间常数；

中间项电流源I_recomb的具体表达式为：

I_recomb＝f_recomb·V_C

其中，f_recomb为中间项拟合参数，V_C代表电容C两端的电压差；

输出电流源项I_real的具体表达式为：

I_real∝exp(f_real·|V_db|·q/kT)

其中，f_real为拟合参数，V_db代表电容所连接节点电压与衬底电压之间的差值。

步骤2：针对单管获取不同LET(线性能量转移)值、不同重离子入射位置在连接恒定偏压情况下的电流源I_real；

步骤2.1：以某最小栅长为0.18μm的半导体制造工艺为例，参照生产厂家给出的工艺库模型，提取工艺结构信息，利用半导体器件仿真工具(TCAD工具)通过调整沟道及源漏区掺杂信息，校准晶体管阈值电压、静态电流及掺杂区域电阻值，构建数值仿真可用的单管器件模型，所述单管器件模型包括P型单管模型和N型单管模型；

步骤2.2：针对P型单管型和N型单管型，分别连接恒定且最劣偏压(漏结反偏情况下)，对不同LET值重离子轰击漏结及漏结周围位置处的各类感兴趣情况或随机抽样位置执行瞬态器件仿真，记录漏结收集的瞬态电流脉冲，按照步骤1)的公式(1)中描述的双指数电流源公式进行拟合，得到连接恒定偏压情况下的电流源I_exp中的各项特征时间参数取值，所述特征时间参数包括I_peak、τ_r、τ_f、(t_f-t_r)；图2中为重离子入射反相器的不同位置，图3中所示为连接恒定偏压的P型单管当重离子入射不同位置时漏极收集瞬态电流脉冲示意图，可以看出，漏极电流脉冲与双指数电流源的形式极为吻合。

步骤2.3：将步骤2.2)得到的特征时间参数代入步骤1)的公式(1)，从而得到连接恒定偏压情况下的电流源I_exp；

步骤3：利用单倍驱动能力反相器校准得到重离子入射N型单管模型和P型单管模型时对应的中间项拟合参数f_recomb以及输出电流源拟合参数f_real；

步骤3.1：利用半导体器件仿真工具(TCAD工具)构建数值仿真可用的单倍驱动能力反相器模型，针对N阱区域(此时输出需保证为低电平)和P阱区域(此时输出需保证为高电平)分别选取2-4个典型重离子入射位置，入射位置需涵盖P型单管和N型单管漏结内部及漏结周围两种典型情况。执行瞬态器件仿真，记录重离子入射后反相器输出端的电压脉冲。

步骤3.2：设定不同的中间项拟合参数f_recomb值以及输出电流源拟合参数f_real值，并分别代入步骤1的公式(2)和公式(3)从而得到不同的中间项电流源I_recomb表达式和输出电流源项I_real表达式；

步骤3.3：利用Verilog-A语言将子电路模型描述为可被电路仿真工具调用的自定义组件，将步骤2.3中得到连接恒定偏压情况下的电流源I_exp和步骤3.2中得到的中间项电流源I_recomb和输出电流源项I_real表达式均代入该自定义组件；

步骤3.4：利用电路仿真工具计算得到对应于不同的中间项拟合参数f_recomb值以及输出电流源拟合参数f_real值的输出电流源项I_real，通过加载到输出节点与衬底节点之间，计算得到不同的反相器瞬态电压脉冲；

步骤3.5：将步骤3.4求得的不同的反相器瞬态电压脉冲和步骤3.1中器件仿真得到的单粒子瞬态电压脉冲进行对比，直到二者在幅值、脉冲宽度方面保持一致时，记录此时反相器瞬态电压脉冲对应的中间项拟合参数f_recomb以及输出电流源拟合参数f_real的取值；

图4所示为子电路模型计算得到两种不同LET值对应的瞬态输出电流源项I_real，可以看出，其形式与双指数电流源存在明显的差异，电流值快速短暂上升后并没有按照一定的时间常数稳定、持续下降，而是首先快速下降到一定的数值，接下来以较慢的速度缓慢下降，最后才按照一定的时间常数稳定下降。

步骤4：将子电路模型调制后的瞬时电流源注入实际电路中的工作节点，执行电路仿真；

采用Verilog-A语言编程描述子电路模型中的各个组件，并将子电路调制后的瞬时电流源利用SPICE软件注入实际电路中的工作节点，执行瞬态电路仿真即可判别是否发生状态翻转(逻辑状态跳变后无法恢复)或产生持续一段时间可自行恢复的扰动脉冲。图5和图6所示为利用电路仿真计算得到的0.18μm工艺节点D型触发器单元的单粒子翻转热点图，实心圆点代表发生翻转的重离子入射位置。可以看出，输入数据信号为低电平和为高电平两种情况下对单粒子效应敏感的区域截然不同，这进一步验证了单粒子效应电路仿真中考虑节点电压动态变化的必要性，也验证了本发明所提出建模方法的合理可信性。

Claims (4)

1.一种单粒子效应电路仿真中考虑节点电压动态变化的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)构建单粒子效应电路的子电路模型

1.1)构建子电路模型，所述子电路模型的输入组件为连接恒定偏压情况下的电流源I_exp，内部组件包括节点电容C和中间项电流源I_recomb，输出组件为连接实际电路中工作节点的电流源I_real；

连接恒定偏压情况下的电流源I_exp按照双指数电流源形式加以描述，具体表达式为：

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_r、τ_f为电流上升与下降时间常数；

中间项电流源I_recomb的具体表述式为：

I_recomb＝f_recomb·V_C (2)

其中，f_recomb为中间项电流源拟合参数，V_C代表电容C两端的电压差；

输出电流源项I_real的具体表述式为：

I_real∝exp(f_real·|V_db|·q/kT) (3)

其中，f_real为输出电流源项拟合参数，V_db代表所连接节点电压与衬底电压之间的差值；

2)针对单管获取不同LET值、不同入射位置在连接恒定偏压情况下的电流源I_exp；

2.1)参照电路设计工艺库模型，提取工艺结构信息，利用半导体器件仿真工具通过调整沟道及源漏区掺杂信息，校准晶体管阈值电压、静态电流及掺杂区域电阻值，构建数值仿真可用的单管器件模型，所述单管器件模型包括P型单管模型和N型单管模型；

2.2)针对P型单管模型和N型单管模型，分别连接恒定且最劣偏压情况下，对不同LET值重离子轰击漏结及漏结周围位置处的各类感兴趣情况或随机抽样位置执行瞬态器件仿真，记录漏结收集的瞬态电流脉冲，按照步骤1)的公式(1)中描述的双指数电流源公式进行拟合，得到连接恒定偏压情况下的电流源I_exp中的各项特征时间参数取值，所述特征时间参数包括I_peak、τ_r、τ_f、(t_f-t_r)；所述最劣偏压为漏结反偏；

2.3)将步骤2.2)得到的特征时间参数代入步骤1)的公式(1)，从而得到连接恒定偏压情况下的电流源I_exp；

3)利用单倍驱动能力反相器校准得到重离子入射N型单管模型和P型单管模型时对应的中间项拟合参数f_recomb以及输出电流源拟合参数f_real；

3.1)利用半导体器件仿真工具构建数值仿真可用的单倍驱动能力反相器模型；针对N阱区域，N阱区域需保证输出为低电平，以及针对P阱区域，P阱区域需保证输出为高电平，分别选取2-4个典型重离子入射位置，入射位置需涵盖P型单管模型和N型单管模型漏结内部及漏结周围两种情况，执行瞬态器件仿真，记录重离子入射后反相器输出端的电压脉冲；

3.2)设定不同的中间项拟合参数f_recomb值以及输出电流源拟合参数f_real值，并分别代入步骤1)的公式(2)和公式(3)从而得到不同的中间项电流源I_recomb表达式和输出电流源项I_real表达式；

3.3)利用Verilog-A语言将子电路模型描述为可被电路仿真工具调用的自定义组件，将步骤2.3)中得到连接恒定偏压情况下的电流源I_exp和步骤3.2)中得到的中间项电流源I_recomb和输出电流源项I_real表达式均代入该自定义组件；

3.4)利用电路仿真工具计算得到对应于不同的中间项拟合参数f_recomb值以及输出电流源拟合参数f_real值的输出电流源项I_real，通过加载到输出节点与衬底节点之间，计算得到不同的反相器瞬态电压脉冲；

3.5)将步骤3.4)求得的不同的反相器瞬态电压脉冲和步骤3.1)中器件仿真得到的单粒子瞬态电压脉冲进行对比，直到二者在幅值、脉冲宽度方面保持一致时，记录此时反相器瞬态电压脉冲对应的中间项拟合参数f_recomb以及输出电流源拟合参数f_real的取值；

4)将子电路模型调制后的瞬时电流源注入实际电路中的工作节点，执行电路仿真；

4.1)将步骤3.5)中中间项拟合参数f_recomb以及输出电流源拟合参数f_real的取值对应的输出电流源项I_real注入实际电路的所有受影响节点，分别加载到节点与衬底节点之间；

4.2)执行瞬态电路仿真，记录实际电路在重离子入射时刻之后10ns内的输出；

4.3)分析电路输出，记录是否发生状态翻转或产生持续一段时间可自行恢复的扰动脉冲。

2.根据权利要求1所述的单粒子效应电路仿真中考虑节点电压动态变化的建模方法，其特征在于：所述步骤4)中所采用的仿真工具为SPICE。

3.根据权利要求1所述的单粒子效应电路仿真中考虑节点电压动态变化的建模方法，其特征在于：述步骤1)中构建子电路模型，步骤4)中将子电路调制后的瞬时电流源注入实际电路中的工作节点选用的是与SPICE仿真工具相兼容的Verilog-A语言编程。

4.根据权利要求1所述的单粒子效应电路仿真中考虑节点电压动态变化的建模方法，其特征在于：所述步骤3.1)中所采用的仿真工具为TCAD。

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