CN113158602A - 一种针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法，解决传统电流源建模方法在推广到倾角入射情形时参数提取复杂、注入电荷总量估计不准确的问题。该方法综合考虑了入射位置、入射角度和有源区形状大小，能够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。其包括：步骤一、获取待研究器件的版图；步骤二、确定离子在材料中的线性能量传输值，设定需要评估的离子在版图上的入射位置和入射方位角；步骤三、提取版图中的敏感节点轮廓，记录其在版图上的坐标；步骤四、获取不同倾角入射情况下的单粒子瞬态电流；步骤五、调用计算得到的单粒子瞬态电流，执行电路级仿真计算得到敏感节点的电压波形，并分析辐射效应结果。

Description

一种针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法

技术领域

本发明属于集成电路可靠性的单粒子效应模拟与仿真领域，具体涉及一种针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法。

背景技术

单个高能粒子撞击半导体器件的灵敏区，会在材料中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。由单粒子效应引发的电路逻辑错误及功能失效对在轨航天器的可靠性造成了严重威胁。

在重离子加速器地面模拟试验研究评估单粒子效应时，采用垂直入射的重离子辐照器件，获得其单粒子效应截面与重离子能量关系是一种常用的实验手段。但是，实际空间中的重离子是从各个不同方向入射至器件上，特别是在各向异性的器件中，沿不同倾角入射的粒子会在器件中产生具有较大差异的单粒子瞬态脉冲，进而影响实验获取的单粒子效应截面，因此针对不同倾角入射下的单粒子瞬态建模方法的研究很有价值。

目前，针对不同倾角入射的单粒子瞬态建模主要采用等效线性能量传输值(LET)法，当倾斜角度为θ时，等效LET值可表示为：

LET_eff＝LET₀/cos(θ)

其中，LET₀表示粒子在垂直入射情况下的线性能量传输值。

因此，在倾斜角度为θ入射时，敏感节点收集的电荷总量增加了1/cos(θ)倍。但是，对于小尺寸器件该方法并不适用，大量实验结果表明该方法误差较大，不能准确估计倾角入射带来的影响。

现有单粒子效应电路级仿真方法主要是在电路中添加电流源项来替代由高能粒子入射引发的敏感节点电荷收集。在处于固定偏置的理想p-n结条件下，G.C.Messenger导出了电流脉冲的双指数解析形式。中国专利201510386358.7公开了一种基于替代模型的单粒子瞬态效应注入方法，该方法将双指数电流源法在具体电路中加以实现。但是，随着电路特征尺寸下降至纳米以下，电路响应时间低至百皮秒量级，p-n结收集电荷的过程与周围电路的动态响应发生耦合，双指数的脉冲注入形式所带来的误差已逐渐不可接受。同时双指数脉冲的时间参数与入射角度的依赖关系无法直接导出，对该方法的应用推广带来了困难。中国专利201210551771.0公开了一种基于注入距离的电流源模型的建立方法，该方法建立了一种基于扩散机制的电流源模型，在解析表达式中引入了注入距离，表征了入射位置对单粒子瞬态的影响，但是该方法针对不同倾角入射情形时仍采用了等效LET值法，对注入电荷总量的估计误差较大。中国专利201911058784.2公开了一种单粒子效应电路仿真中考虑有源区形状尺寸的建模方法，该方法采用了两个双指数电流源，分别表征漂移收集和扩散收集过程，但是模型参数物理意义不明晰，依赖于TCAD仿真及试验数据的校准，不便于推广到倾角入射情况。

发明内容

为了准确获取不同倾角入射对单粒子瞬态的影响，解决传统电流源建模方法在推广到倾角入射情形时参数提取复杂、注入电荷总量估计不准确的问题，基于对三维扩散模型的改进，本发明提供一种针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法，该方法综合考虑了入射位置、入射角度和有源区形状大小，能够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。

为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：

一种针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法，包括如下步骤：

步骤一、选定待研究的器件，获取其版图；

步骤二、根据注入离子的种类和能量，获取离子在材料中的线性能量传输值LET(l)，同时获取需要评估的离子在版图上的入射位置(x₀，y₀，0)和入射方位角(cos x，cos y，cos z)；

步骤三、提取版图中的敏感节点轮廓，记录其在版图上的坐标(x_s，y_s，0)与(x_e，y_e，0)；

步骤四、根据步骤二和步骤三所获取的信息，获取注入单粒子瞬态电流；

在时刻t扩散到敏感节点的载流子数目n(t)表示为重积分的形式：

其中，dx表示沿x方向的离散步长，dy表示沿y方向的离散步长，dl代表沿入射径迹方向的离散步长；Q_a为产生一个过剩载流子所需的平均能量；D_α为等效的载流子的扩散率；d_ij为从离子径迹的微元到敏感电学端口微元的距离；d_z为收集电荷的等效深度；τ表示载流子的寿命；i、j、k为循环参数；M表示x方向的离散步长总量，N表示y方向的离散步长总量，G表示入射径迹方向的离散步长总量；

根据载流子通过敏感节点电学端口的平均速度，单粒子瞬态电流I(t)可表示为：

I(t)＝n(t)×q×V (3)

其中，q为一个电子所带的电荷量；V为载流子迁移的平均速度；

步骤五、在电路网表中添加表示单粒子效应的子电路模型，调用步骤四计算得到的单粒子瞬态电流，执行电路级仿真计算得到敏感节点的电压波形，并分析辐射效应结果。

进一步地，步骤五中，采用Verilog-A语言编写单粒子效应的子电路模型。

进一步地，步骤五中，执行电路级仿真计算得到敏感节点的电压波形具体采用的仿真工具为SPICE。

进一步地，步骤三中，坐标提取所采用的软件工具为Calibre。

进一步地，步骤四中，N沟道MOS晶体管，载流子为电子，D_α取值为3cm²/s，对于P沟道MOS晶体管，载流子为空穴，D_α取值18cm²/s。

进一步地，步骤四中，Q_a为3.6eV；d_z为收集电荷的等效深度，值为0.15μm。

与现有技术相比，本发明方法具有的有益效果如下：

1.本发明提供了一种针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法，该方法基于物理原理计算得到了单粒子瞬态电流，获取的模型综合反映了有源区面积、射程、入射离子能量和入射位置等特征，并能够表征倾斜角度对单粒子瞬态电流的影响，通过该方法可在版图设计阶段计算器件的单粒子效应截面，缩短抗辐照器件的开发周期。

2.本发明方法采用的工具均为EDA标准工具，编写的Verilog-A子电路模型可以方便的被SPICE所调用，实施简便，计算速度快，且能结合器件版图特征准确实现电流源的注入。

附图说明

图1为本发明针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法流程图；

图2为本发明方法中单粒子瞬态电流计算原理示意图；

图3为本发明方法中65nm SRAM版图结构及仿真设置示意图；

图4为本发明方法中入射不同位置时存储节点电压检测波形示意图；

图5为本发明方法中垂直入射情况下多位翻转分布热点示意图；

图6为本发明方法中倾角入射情况下(60°)多位翻转分布热点示意图；

图7为现有方法垂直及倾角入射情况下(60°)位翻转截面地面试验与仿真结果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供一种针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法，该方法综合考虑了入射位置、入射角度和有源区形状大小，能够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。

如图1所示，本发明提供的针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法具体包括如下步骤：

步骤一、选定待研究的器件，获取其版图；

步骤二、根据注入离子的种类和能量，确定离子在材料中的线性能量传输值LET(l)，同时设定需要评估的离子在版图上的入射位置(x₀，y₀，0)和入射方位角(cos x，cos y，cos z)；

步骤三、提取版图中的敏感节点轮廓，记录其在版图上的坐标(x_s，y_s，0)与(x_e，y_e，0)；

以矩形有源区为例，记录坐标为两个对角顶点坐标(x_s，y_s，0)与(x_e，y_e，0)，对于多边形，则将其拆分成多个矩形拼接的形式分别记录对角顶点坐标；

该步骤中，坐标提取所采用的软件工具可采用Calibre，实现自动化的坐标提取，当然也可以不采用该软件工具来提取，采用其他方式亦可；

步骤四、根据步骤二和步骤三所获取的信息，获取不同倾角入射情况下的单粒子瞬态电流，该单粒子瞬态电流即为注入的电流源；

如图2所示，在时刻t扩散到敏感节点的载流子数目n(t)可表示为重积分的形式：

其中，dx表示沿x方向的离散步长，dy表示沿y方向的离散步长，dl代表沿入射径迹方向的离散步长；LET(l)为步骤二中得到的线性能量传输值；Q_a为产生一个过剩载流子所需的平均能量，3.6eV；D_α为等效的载流子的扩散率，对于NMOS载流子为电子，D_α取值为3cm²/s，对于PMOS载流子为空穴，D_α取值18cm²/s；d_ij为从离子径迹的微元到敏感电学端口微元的距离；d_z为收集电荷的等效深度，一般设为0.15μm；τ表示载流子的寿命，一般为1ns左右；

dx、dy、dl为表征离散程度的量，图2中清晰表明了该三重积分分别对有源区、入射粒子径迹执行了离散化，i、j、k为循环参数，M、N、G都是表示与离散化相关的量；M表示x方向的离散步长总量，N表示y方向的离散步长总量，G表示入射径迹方向的离散步长总量；

为平衡计算精度及计算速度，dx、dy、dl可设置为0.1μm，M、N、G可由下列公式计算得到：

M×dx＝x_e-x_s

N×dy＝y_e-y_s

G×dl＝S_range

其中，S_range表示入射离子在硅材料中的射程；

根据载流子通过敏感节点电学端口的平均速度，单粒子瞬态电流I(t)可表示为：

I(t)＝n(t)×q×V (3)

其中，q为一个电子所带的电荷量，为1.60218×10^-19C；对于NMOS(N沟道MOS晶体管)，V为载流子迁移的平均速度，约为11000m/s；对于PMOS(P沟道MOS晶体管)，V为载流子迁移的平均速度，约为5000m/s；

步骤五、采用Verilog-A语言编写单粒子效应的子电路模型，根据查找表方式调用步骤四计算得到的单粒子瞬态电流，执行电路级仿真计算得到敏感节点的电压波形，并分析辐射效应结果；该步骤中，具体得到的是敏感节点的电压变化，在注入单粒子效应的等效电流以后，节点的电压会发生变化，此即单粒子效应。

该步骤中所采用的仿真工具为SPICE，单粒子瞬态效应电路级仿真方法具体为：将待研究器件用电路级网表进行描述，晶体管采用BSIM模型，包含源级、漏极、栅极和衬底四个端口；在敏感节点的漏极插入Verilog-A模块，Verilog-A模块读取当前仿真时间t，通过内建的查找函数在步骤四构造的单粒子瞬态电流中获取当前的电流值I(t)，将瞬态电流注入到晶体管的漏极，此时晶体管漏极偏压会随时间发生改变，记录为V(t)；在仿真的下一时刻t'模块会继续查找单粒子瞬态电流中获取当前的电流值I(t')，根据前一时刻的V(t)和当前时刻的I(t')计算得到当前时刻的漏极电压V(t')；如此迭代至仿真结束即可获取完整的漏极偏压受单粒子效应影响的波形曲线。

本发明实施例选定的研究对象为一款商用65nm非加固静态随机存储器(6T-SRAM)，工作电压为1.2V。SRAM单粒子效应敏感区为对称的NMOS管和PMOS管的漏极，对其进行了测试图形的填充，其版图结构及相应的敏感节点分布如图3所示。在进行该SRAM单元的单粒子效应分析时具体应用过程如下：

步骤一、选定商用65nm非加固静态随机存储器为待研究的器件，获取其版图；

步骤二、设置入射离子信息，提取版图中的敏感节点轮廓；入射离子LET值设置为30MeV·cm²/mg，入射版图坐标为(2856μm,3454μm)，以入射离子位置为中心，半径2μm覆盖范围内的敏感节点都需添加电流源项，由此提取出的敏感节点轮廓如表1所示，表中的(x_s，y_s)和(x_e，y_e)为矩形的两个顶点。入射倾角考虑垂直入射和倾角入射两种情况。对于垂直入射，其方位角为(0，0，-1)；对于倾角入射，设定沿阱方向倾角为60°，方位角为(0，-0.866，-0.5)。

表1 敏感节点坐标提取

步骤三、按照公式(1)、(2)、(3)计算各个节点的单粒子瞬态电流，并保存，修改电路结构的网表，在受到辐照影响的节点添加子电路模型，电流源跨接在漏极(Drain)和衬底(Body)端口，进行电流的注入。针对NMOS管，电流方向由漏极流向衬底；针对PMOS管，电流方向由衬底流向漏极；

步骤四、进行仿真，监测受到辐照影响的节点电压变化，如果SRAM单元的逻辑状态翻转，则表示产生了单粒子翻转效应，如图4圆形曲线所示；如果SRAM单元的逻辑状态翻转后又翻转回来，则表示产生了单粒子瞬态，如图4矩形曲线所示；如果SRAM单元逻辑状态未收影响，则表示未发生单粒子效应，如图4三角形曲线所示。

按照上述步骤，对版图进行扫描分析，则可获得单粒子翻转的热点图，如图5、图6所示。其中，图5表示垂直入射导致的单粒子翻转热点统计图，图6表示倾角入射情况下的单粒子翻转热点图。从图中可以看出，在倾角入射情况下，单粒子翻转截面增大，且电荷共享导致的多位翻转也明显增加。

针对该款器件在地面加速器上进行了重离子试验，在垂直入射的情况下获取了多个LET值点下的单粒子翻转截面，并进行了Weibull拟合，如图7所示。在沿阱方向60°倾角入射的情况下也进行了辐照试验，从图7可以看出，试验结果明显高于采用等效LET值法拟合的结果，而采用本方法计算的结果与试验结果吻合较好，证明该模型能够反映倾角入射下的单粒子瞬态特征。

Claims (6)

1.一种针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、选定待研究的器件，获取其版图；

步骤二、根据注入离子的种类和能量，获取离子在材料中的线性能量传输值LET(l)，同时获取需要评估的离子在版图上的入射位置(x₀，y₀，0)和入射方位角(cosx，cosy，cosz)；

步骤三、提取版图中的敏感节点轮廓，记录其在版图上的坐标(x_s，y_s，0)与(x_e，y_e，0)；

步骤四、根据步骤二和步骤三所获取的信息，获取注入单粒子瞬态电流；

在时刻t扩散到敏感节点的载流子数目n(t)表示为重积分的形式：

其中，dx表示沿x方向的离散步长，dy表示沿y方向的离散步长，dl代表沿入射径迹方向的离散步长；Q_a为产生一个过剩载流子所需的平均能量；D_α为等效的载流子的扩散率；d_ij为从离子径迹的微元到敏感电学端口微元的距离；d_z为收集电荷的等效深度；τ表示载流子的寿命；i、j、k为循环参数；M表示x方向的离散步长总量，N表示y方向的离散步长总量，G表示入射径迹方向的离散步长总量；

根据载流子通过敏感节点电学端口的平均速度，单粒子瞬态电流I(t)可表示为：

I(t)＝n(t)×q×V (3)

其中，q为一个电子所带的电荷量；V为载流子迁移的平均速度；

步骤五、在电路网表中添加表示单粒子效应的子电路模型，调用步骤四计算得到的单粒子瞬态电流，执行电路级仿真计算得到敏感节点的电压波形，并分析辐射效应结果。

2.根据权利要求1所述的针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法，其特征在于：步骤五中，采用Verilog-A语言编写单粒子效应的子电路模型。

3.根据权利要求2所述的针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法，其特征在于：步骤五中，执行电路级仿真计算得到敏感节点的电压波形具体采用的仿真工具为SPICE。

4.根据权利要求1或2或3所述的针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法，其特征在于：步骤三中，坐标提取所采用的软件工具为Calibre。

5.根据权利要求4所述的针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法，其特征在于：步骤四中，N沟道MOS晶体管，载流子为电子，D_α取值为3cm²/s，对于P沟道MOS晶体管，载流子为空穴，D_α取值18cm²/s。

6.根据权利要求5所述的针对不同倾角入射的单粒子瞬态电流源建模方法，其特征在于：步骤四中，Q_a为3.6eV；d_z为收集电荷的等效深度，值为0.15μm。

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