CN111079366A - 一种面向电荷共享的电流源模型的建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向电荷共享的电流源模型的建立方法，根据注入离子的种类，确定注入离子的线性传输能量；通过仿真建模得出参考距离，参考距离为离子注入的最大影响距离；通过仿真建模得出收集电荷的深度；通过仿真建模得出器件收集电荷的双极性放大系数；设定需要评估的注入距离，注入距离为注入点到收集点的距离；根据得到的注入离子的线性传输能量、参考距离、收集电荷的深度、器件收集电荷的双极性放大系数和设定的注入距离，得到面向电荷共享的注入电流表示式。本发明的方法基于二维的扩散思想，引入注入距离和参考距离，通过注入距离和参考距离的共同作用从而解决了电荷共享问题，单个注入的离子导致的电荷可以为多个收集点收集。

Description

一种面向电荷共享的电流源模型的建立方法
技术领域
本发明属于电子科学与技术中的集成电路技术领域，涉及航空电子的中的辐照效应仿真技术和抗辐射加固技术，具体涉及航空专用集成电路评估技术。
背景技术
核爆会产生大量的高能粒子，太空中也存在很多高能粒子包括重粒子、质子、α粒子、中子等，这些高能粒子一旦击中相应的半导体器件就可能导致半导体器件发生单粒子效应，严重影响到电子系统的可靠性和寿命。单粒子效应是指辐射中的高能带电粒子在穿过电子器件敏感区时会发生能量沉积从而产生大量的电子-空穴对，这些电子-空穴对在漂移过程中分别被相应的n区和p区所收集，从而产生瞬时脉冲电流，使器件敏感节点的逻辑状态受到影响，其中，造成器件节点产生电平错误翻转的现象称为单粒子翻转效应(SingleEvent Upset,SEU)。在单粒子翻转效应的评估中，一般采用注入电流源的方法。因此如何用电流源表征该瞬时脉冲电流，对于评估半导体器件的单粒子翻转效应敏感性非常重要。
一般采用的电流源注入模型是G.C.Messenger于文献“Collection of charge onjunction nodes from ion tracks,”IEEE Trans.Nucl.Sci.,vol.NS-29,no.6,pp.2024–2031,Dec.1982.中提出的双指数模型，如下：
Figure BDA0002326664640000011
其中，Q为收集的电荷量，τα是结电流的下降时间常数，τβ结电流的上升时间常数，τα和τβ取决于工艺参数，t为时间变量。该模型可以评估用来评估器件的单粒子翻转阈值，但是该模型无法评估粒子对于周围器件的影响。
CN102982216A公开了一种基于注入距离的电流源模型的建立方法，提出了基于注入距离的电流源模型，该模型是基于一维的注入扩散，并且假设所有的电荷为同一个敏感节点所收集，这与实际的电荷为多个敏感节点所收集不同。
文献“Boxes:an engineering methodology for calculating soft errorrates in SOI integrated circuits,IEEE Trans.Nucl.Sci.,vol.53,no.6,pp.3329–3335,Dec.2006”和文献“Prediction of SOI single-event effects using a simplephysics-based SPICE model,IEEE Trans.Nucl.Sci.,vol.52,no.6,pp.2168–2174,Dec.2005”也是基于一维的注入扩散，不过采用的模型不同，同样没有解决实际的电荷为多个敏感节点所收集的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有的电流源注入模型无法解决电荷共享问题，提出了一种面向电荷共享的电流源模型的建立方法。
本发明的技术方案为：一种面向电荷共享的电流源模型的建立方法，具体步骤如下：
S1.根据注入离子的种类，确定注入离子的线性传输能量；
S2.通过仿真建模得出参考距离，参考距离为离子注入的最大影响距离；
S3.通过仿真建模得出收集电荷的深度；
S4.通过仿真建模得出器件收集电荷的双极性放大系数；
S5.设定需要评估的注入距离，注入距离为注入点到收集点的距离；
S6.根据步骤S1得到的注入离子的线性传输能量、S2中得到的参考距离、S2中得到的收集电荷的深度、S4中得到的器件收集电荷的双极性放大系数和S5中设定的注入距离，得到面向电荷共享的注入电流表示式。
进一步的，所述仿真建模具体通过3D TCAD仿真建模。
进一步的，步骤S6所述的注入电流表示式具体为：
Figure BDA0002326664640000021
其中，QL＝10(LET)，
Figure BDA0002326664640000022
LET为步骤S1得到的线性传输能量，ζ为器件收集电荷的双极性放大系数，ddep为收集电荷的深度，Dn,p为载流子的扩散率，Dn表示电子的扩散率，Dp表示空穴的扩散率，t为时间变量，rf为参考距离(即离子注入的最大影响距离)，re为注入距离(即离子点与收集点的距离)。
本发明的有益效果：本发明的电流源模型的建立方法基于二维的扩散思想，引入注入距离和参考距离，通过注入距离和参考距离的共同作用从而解决了电荷共享问题，单个注入的离子导致的电荷可以为多个收集点收集。
附图说明
图1为本发明实施例提供的面向电荷共享的电流源模型。
图2为本发明实施例的电流源注入模型与NMOS电路结合，其中，箭头为电流方向。
图3为本发明实施例的电流源注入模型与PMOS电路结合，其中，箭头为电流方向。
图4为本发明实施例的SRAM单元以及电流源注入模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
1、注入离子导致的载流子的扩散方程建模为：
Figure BDA0002326664640000031
其中，QL＝10(LET)，
Figure BDA0002326664640000032
Dn表示电子的扩散率，Dp表示空穴的扩散率，r是扩散距离，q是电子电荷，可以查阅《半导体物理学》。
进一步有：
Figure BDA0002326664640000033
2、引入注入距离re，即注入点到收集点的距离，则在re处的总电流建模为：
Figure BDA0002326664640000034
其中，Dn,p为载流子的扩散率，Ip(t)为图1内部等效圆上的总电流。
3、引入参考距离rf，参考距离为离子注入的最大影响距离。不失一般性，假设一个收集点与注入点的距离为re，该收集点则所收集的电流建模为：
Figure BDA0002326664640000035
仅有一部分的电荷为该收集点所收集。
4、引入收集电荷的深度ddep和双极性放大系数，则有：
Figure BDA0002326664640000036
其中，ζ为器件收集电荷的双极性放大系数，ddep为收集电荷的深度，可以通过3DTACD仿真获得；LET为注入离子的线性传输能量；ds为注入距离。Dn,p为载流子的扩散率，Dn表示电子的扩散率，Dp表示空穴的扩散率，可以查阅《半导体物理学》，t为时间变量。
根据上述说明，可以确定本发明具体步骤如下：
S1.根据注入离子的种类，确定注入离子的线性传输能量；
S2.通过仿真建模得出参考距离，参考距离为离子注入的最大影响距离；
S3.通过仿真建模得出收集电荷的深度；
S4.通过仿真建模得出器件收集电荷的双极性放大系数；
S5.设定需要评估的注入距离，注入距离为注入点到收集点的距离；
S6.根据步骤S1得到的注入离子的线性传输能量、S2中得到的参考距离、S2中得到的收集电荷的深度、S4中得到的器件收集电荷的双极性放大系数和S5中设定的注入距离，得到面向电荷共享的注入电流表示式。
本实施例的仿真建模具体通过3D TCAD仿真建模。
建立的模型如图1所示，其中，内部圆为注入距离re的二维收集点等效圆，外部圆为基于参考距离的二维等效圆。
基于上述电流源注入模型，图2给出了电流源注入模型与NMOS电路结合，其中箭头为电流方向，图3给出了电流源注入模型与PMOS电路结合，其中，箭头为电流方向。
如图2所示，电流源注入模型与NMOS电路结合注入模型包含两部分：NMOS晶体管和电流源模型，其中，D，S，B，G分别NMOS晶体管的漏极，源极，基极和栅极；其连接关系：电流源模型跨接在NMOS晶体管的漏极和基极之间，电流方向为从晶体管的漏极流向晶体管的基极。
如图3所示，电流源注入模型与PMOS电路结合注入模型包含两部分：如图2所示，PMOS晶体管和电流源模型，其中，D，S，B，G分别PMOS晶体管的漏极，源极，基极和栅极；其连接关系：电流源模型跨接在PMOS晶体管的漏极和基极之间，电流方向为从晶体管的基极流向晶体管的漏极。
当离子攻击相应的晶体管电路时，便可以用如图1和2所示的电路来等效行注入电流源的模拟，进而评估粒子在一定距离下粒子对该器件的影响。
下面以一个具体应用例子SRAM单元的仿真来说明该模型的应用：
如图4所示，VDD为电源，GND为地，晶体管M1、M2、M3、M4、M5和M6按照如图连接方式组成一个标准的6T SRAM单元，晶体管M7、M8、M9、M10、M11和M12按照如图连接方式组成另一个标准的6T SRAM单元，其中，M1、M2、M5、M6、M7、M8、M11和M12为NMOS晶体管，M3、M4、M9和M10为PMOS晶体管，W1和W2为控制输入信号，B1、BN1、B2和BN2为写入信号，cored1、cored1_、cored2和cored2_为内部保持节点，标准的SRAM单元可以查相关文献获得，电流Ic1、Ic2为基于本发明实施例的电流源，图中标注了离子注入点的位置，两个双向箭头其中一端均指向离子注入点，另一端分别指向M1、M7的漏极，re1、re2分别代表离子注入点到M1、M7收集点的距离。
对于该SRAM单元的具体应用过程如下：
(1)按照如图4所示的电路结构设计电路；
(2)在该电路的仿真平台中搭建基于方程(5)的电流源，按照粒子攻击的晶体管为NMOS和PMOS选择不同的注入模型；不失一般性，选择粒子攻击的晶体管为M1和M7，M1和M7为NMOS晶体管，其基于方程(5)的注入电流源模型连接关系如图3中所示，电流源Ic1跨接在M1管的D端和B端，电流源Ic2跨接在M7管的D端和B端；
(3)根据工艺参数和粒子类型设定基于方程(5)的电流源的相关参数，并设定注入距离；
(4)进行仿真，观察在该注入距离下基于方程(5)的电流源对于该电路逻辑状态的破坏程度；如果SRAM单元的逻辑状态翻转则代表该粒子可以影响该注入距离范围内的相应器件。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种面向电荷共享的电流源模型的建立方法，具体步骤如下：
S1.根据注入离子的种类，确定注入离子的线性传输能量；
S2.通过仿真建模得出参考距离，参考距离为离子注入的最大影响距离；
S3.通过仿真建模得出收集电荷的深度；
S4.通过仿真建模得出器件收集电荷的双极性放大系数；
S5.设定需要评估的注入距离，注入距离为注入点到收集点的距离；
S6.根据步骤S1得到的注入离子的线性传输能量、S2中得到的参考距离、S2中得到的收集电荷的深度、S4中得到的器件收集电荷的双极性放大系数和S5中设定的注入距离，得到面向电荷共享的注入电流表示式。
2.根据权利要求1所述的一种面向电荷共享的电流源模型的建立方法，其特征在于，所述仿真建模具体通过3D TCAD仿真建模。
3.根据权利要求1或2所述的一种面向电荷共享的电流源模型的建立方法，其特征在于，步骤S6所述的注入电流表示式具体为：
Figure FDA0002326664630000011
其中，QL＝10(LET)，
Figure FDA0002326664630000012
LET为步骤S1得到的线性传输能量，ζ为器件收集电荷的双极性放大系数，ddep为收集电荷的深度，Dn,p为载流子的扩散率，Dn表示电子的扩散率，Dp表示空穴的扩散率，t为时间变量，rf为参考距离(即离子注入的最大影响距离)，re为注入距离(即离子点与收集点的距离)。
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