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《電子器件雜志》2014年第三期

1混合模擬流程和器件模型

在器件/電路混合模擬中，對于粒子入射單元采用器件模擬，其他單元采用電路網(wǎng)表結(jié)合BSIM模型參數(shù)代入模擬，可以模擬得到高能粒子撞擊器件時電路中各點(diǎn)電壓電流的變化，從而判斷是否發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)［3］。典型的混合模擬示意圖如圖2所示。器件/電路混合模擬的典型流程如圖3所示。首先使用SDE構(gòu)建器件結(jié)構(gòu)，指定摻雜的區(qū)域和濃度以及離散化策略等。然后使用MESH生成網(wǎng)格化的器件結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與器件結(jié)構(gòu)匹配。在SDEVICE的配置文件中設(shè)定好物理模型和參數(shù)，設(shè)置好模擬的時間和邊界條件等等，進(jìn)行器件模擬。最后通過TECPLOT和INSPECT來查看和分析模擬結(jié)果。buffer單元的混合仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示，第1級反相器的NMOS管(N1)使用TCAD建立的3D器件模型，電路的其他部分都用BSIM3電路模型代入。器件模型和電路模型在電極處耦合。本文基于標(biāo)準(zhǔn)0．13μm工藝構(gòu)造NMOS器件模型。設(shè)定NMOS管的溝道長度為0．13μm，溝道寬度為0．65μm，柵氧厚度為2．58nm，源/漏結(jié)深為0．08μm，多晶柵的厚度為0．1μm，襯底厚度為3μm。襯底區(qū)域使用均勻摻雜，溝道、源漏、LDD等區(qū)域使用高斯函數(shù)進(jìn)行摻雜［4］。NMOS器件模型的結(jié)構(gòu)和摻雜如圖5所示。

2單粒子效應(yīng)模擬

單粒子效應(yīng)模擬的基本思想是:首先不考慮產(chǎn)生、復(fù)合項(xiàng)，求得半穩(wěn)態(tài)解;然后在半穩(wěn)態(tài)解的基礎(chǔ)上考慮單粒子注入影響，即模擬計(jì)算中加入產(chǎn)生復(fù)合項(xiàng)，求得瞬態(tài)解，得到粒子注入后產(chǎn)生的電流脈沖及電壓隨時間的變化過程［5］。引入輻照效應(yīng)時，設(shè)定重離子于0．76ns時刻垂直入射在NMOS器件的漏極中心點(diǎn)，入射深度為3μm，軌跡半徑為0．1μm，LET值為50MeV•cm2/mg。電離電荷的產(chǎn)生率在空間和時間上均呈高斯分布。在上述條件下得到buffer單元在重離子入射后，NMOS管的瞬態(tài)電流脈沖曲線如圖6所示。被重離子直接撞擊的NMOS管(N1)的漏電流產(chǎn)生了一個瞬態(tài)脈沖，與單個NMOS管仿真結(jié)果不同的是，該瞬態(tài)脈沖還出現(xiàn)了一個明顯的“臺階區(qū)”。這是因?yàn)樵?a href="http://www.hysicame.cn/kejizazhi/dzqjzz/652122.html" target="_blank">研究單個晶體管的電荷收集時，漏極偏壓一般為恒定值，而在實(shí)際電路中，被轟擊晶體管的漏極通常連接著與之對應(yīng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，正如圖4所見，其中器件模型為N1，而其中的P1管則作為該NMOS管的上拉補(bǔ)償管，這種補(bǔ)償電路稱為恢復(fù)電路［6］。這一恢復(fù)電路將導(dǎo)致實(shí)際電路中SET脈沖的形狀發(fā)生明顯的變化，其特征是出現(xiàn)所謂的“臺階區(qū)”，如圖6所示。研究表明，臺階區(qū)電壓的高低取決于阱/襯底接觸的位置和摻雜分布［7］，而臺階區(qū)的寬度則與雙極放大效應(yīng)密切相關(guān)。

3影響因素分析

3．1LET值不同LET值條件下混合模擬的結(jié)果如圖7所示，LET值越大，漏電流瞬態(tài)脈沖峰值和脈寬都增大。當(dāng)LET值為1pC/μm時，起初電流迅速增大，這是因?yàn)椋琇ET值很大時入射粒子在器件內(nèi)淀積的能量越多，進(jìn)而產(chǎn)生的電子空穴對也多，載流子濃度升高，被漏極收集的幾率就增大。隨后電流緩慢下降，一方面是由于LET值大，產(chǎn)生的電子空穴對濃度高，擴(kuò)散作用強(qiáng)，這主要是由于觸發(fā)了雙極放大效應(yīng)。

3．2入射位置集成電路處于空間輻射環(huán)境中，輻射源存在于各個方向，高能粒子可能入射到器件的各個位置上。因此很有必要確定高能粒子入射在器件的哪個區(qū)域或位置上使得器件最容易翻轉(zhuǎn)。如圖8所示，重離子注入位置從源極道漏極，進(jìn)行一次其他條件完全相同的仿真，得到了一簇瞬態(tài)電流脈沖曲線圖。重離子入射到源極和柵極，對應(yīng)于圖8中入射位置為1μm和1．265μm的曲線，這時的瞬態(tài)脈沖電流峰值和脈寬都非常小;而當(dāng)入射到體－漏結(jié)，對應(yīng)于圖8中入射位置為1．34μm到1．37μm的曲線，可見漏極收集的電流達(dá)到最大。這是因?yàn)槁┙Y(jié)耗盡層電場強(qiáng)度大，漂移作用強(qiáng)。由此可見，對于體硅器件，重離子注入到敏感區(qū)域比非敏感區(qū)域產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖的峰值和電流持續(xù)時間都要大。

3．3電壓偏置設(shè)定Vdd電壓分別為1．2V、1．8V、3．3V、4V、5V時混合模擬得到的結(jié)果如圖9所示。外接電壓小，電流脈沖峰值小，總的收集電荷也少。而電源電壓越大，收集的電荷越多。單粒子在Si內(nèi)產(chǎn)生的電荷首先會進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)輸，當(dāng)?shù)竭_(dá)結(jié)區(qū)時被收集，更大的反偏電壓會增加耗盡區(qū)寬度，形成大的空間電荷及電場，從而在粒子入射時淀積的電荷也會更多，電場作用下電場漂移也會更快，因此單粒子注入產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖電流也會更大，達(dá)到瞬態(tài)電流峰值的時間也會更短，此外，在高的反偏電壓下，漏斗效應(yīng)的時間也會增長，電場輔助下收集的電荷也越多。然而電壓減小并不能提高器件的抗單粒子翻轉(zhuǎn)的能力，因?yàn)槿绻妷合陆担骷呐R界電荷也會相應(yīng)變小，從而使得器件更容易翻轉(zhuǎn)。

4結(jié)論

通過對buffer單元的器件/電路混合模式仿真，可以發(fā)現(xiàn)，存在著多種因素影響電荷收集，進(jìn)而影響NMOS管的重離子單粒子瞬態(tài)脈沖。在進(jìn)行電荷收集時，一般會發(fā)生電場引起的漂移、電荷漏斗助漂移，濃度梯度引起的擴(kuò)散和雙極放大效應(yīng)等現(xiàn)象［8］，其中哪種現(xiàn)象占主導(dǎo)地位則由入射粒子LET值以及器件外接電壓、入射位置等諸多因素共同決定，粒子入射在器件靈敏區(qū)上產(chǎn)生的單粒子效應(yīng)更為嚴(yán)重。LET值和外接電壓大，靈敏區(qū)內(nèi)淀積的空穴濃度就高，雙極放大效應(yīng)所起的作用就大。所以在我們的電路和版圖設(shè)計(jì)中，就要同時兼顧這些關(guān)鍵因素的共同影響，對敏感器件或節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗單粒子能力評估和抗輻照加固設(shè)計(jì)。

作者：杜明鄒黎李曉輝邱恒功鄧玉良單位：深圳市國微電子有限公司