[發(fā)明專利]一種CMOS電路單粒子瞬態(tài)的建模方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910089598.5
• 申請日: 2009-07-22
• 公開（公告）號: CN101964005A
• 公開（公告）日: 2011-02-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 畢津順;海潮和;韓鄭生;羅家俊
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院微電子研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;H01L27/092
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及抗輻照加固微電子學(xué)和固體電子學(xué)中CMOS電路瞬態(tài)輻照技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種CMOS電路單粒子瞬態(tài)的建模方法。

背景技術(shù)

電離輻射在半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生電荷有兩種方法：一是采用直接電離輻照，入射粒子直接電離產(chǎn)生電荷；二是采用間接電離輻照，入射粒子和器件發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生二次粒子電離產(chǎn)生電荷。這兩種機制都會導(dǎo)致集成電路失效。

直接電離輻照：當(dāng)高能帶電粒子穿過半導(dǎo)體材料時，損失能量，沿著入射路徑離化產(chǎn)生電子空穴對。入射粒子損失所有的能量后，在半導(dǎo)體材料中經(jīng)過的路徑稱為射程。LET表示粒子入射材料中單位路徑上損失的能量，單位是MeV/cm²/mg，為單位路徑上能量損失(MeV/cm)與入射靶材料密度(mg/cm³)的比值，所以LET值與靶材料不相關(guān)。我們可以很容易的將LET值和單位路徑上淀積的電荷聯(lián)系起來。在Si中，LET為97MeV/cm²/mg的粒子入射淀積電荷為1pC/μm。重離子導(dǎo)致直接電離輻照，產(chǎn)生電荷淀積導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)。重離子是指原子序數(shù)大于等于2的離子(質(zhì)子、電子、中子和介子除外)。輕粒子如質(zhì)子通過直接電離輻照不能夠產(chǎn)生足夠?qū)е路D(zhuǎn)的電荷。然而近年來隨著器件尺寸的不斷縮小，質(zhì)子通過直接電離輻照也有可能產(chǎn)生足夠的電荷致翻轉(zhuǎn)。

間接電離輻照：盡管輕粒子通過直接電離輻照不能夠產(chǎn)生足夠多的電荷導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)，這并不意味著輕粒子可以被忽略。通過間接電離輻照，質(zhì)子和中子可以產(chǎn)生明顯的翻轉(zhuǎn)。當(dāng)高能質(zhì)子或中子進入半導(dǎo)體晶格會和靶核發(fā)生非彈性碰撞。可能會產(chǎn)生下面所述的核反應(yīng)：1)彈性碰撞使Si反沖，2)發(fā)射alpha或者gamma粒子，產(chǎn)生Mg核反沖，3)裂變反應(yīng)，靶核Si裂變成C和O粒子，每種粒子均反沖。上述任何反應(yīng)產(chǎn)物均沿它們的路徑通過直接電離輻照淀積電荷。這些反應(yīng)產(chǎn)物粒子比初始的質(zhì)子和中子重得多，因此淀積更多的電荷，有可能導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn)。非彈性碰撞反應(yīng)產(chǎn)物能量很低。

電荷輸運的基本物理：當(dāng)粒子入射半導(dǎo)體器件，最敏感的區(qū)域通常是反向偏置的pn結(jié)。反向偏置pn結(jié)耗盡區(qū)的高電場通過漂移機制有效地收集入射粒子產(chǎn)生電荷，產(chǎn)生瞬態(tài)電流。如果粒子入射位置靠近耗盡區(qū)則會導(dǎo)致明顯的瞬態(tài)電流，因為產(chǎn)生電荷將會擴散到耗盡區(qū)，被有效地收集。由于入射粒子路徑高電導(dǎo)特性和耗盡區(qū)電場分離離化產(chǎn)生電荷，粒子入射路徑產(chǎn)生電荷會導(dǎo)致結(jié)電場局部塌陷。漏斗(funnel)效應(yīng)拓展了結(jié)電場，使之更深入襯底，即使距離結(jié)較遠的電荷也可以通過漂移機制被有效收集，從而增加了入射節(jié)點的電荷收集。對于靜態(tài)電路如SRAM，反向偏置的pn結(jié)連接到外部有源電路，漏斗效應(yīng)不是主要因素。粒子入射pn結(jié)的電壓不是常數(shù)，入射pn結(jié)有可能從反向偏置變到零偏置，減弱了漂移收集機制(漏斗效應(yīng))。因此，漏斗效應(yīng)在電路早期SEE響應(yīng)中起作用，初始化翻轉(zhuǎn)節(jié)點電壓，擴散效應(yīng)在電路晚期SEE響應(yīng)中起作用，翻轉(zhuǎn)節(jié)點電壓。

瞬態(tài)錯誤可以在電路不同的抽象級別注入，器件級仿真粒子入射產(chǎn)生瞬態(tài)電流，電路級仿真采用SPICE，邏輯級、入射節(jié)點的瞬態(tài)錯誤用邏輯狀態(tài)的瞬時翻轉(zhuǎn)建模，并仿真錯誤傳遞。

本發(fā)明采用簡單的解析模型，基于組合邏輯電路的瞬態(tài)脈沖產(chǎn)生機制并建模，考慮從晶體管級效應(yīng)到邏輯級，不需要電路仿真，采用簡單的方法確定電路中最容易發(fā)生軟錯誤的邏輯電路節(jié)點，可以極其方便的評估復(fù)雜電路的單粒子瞬態(tài)敏感性。這個模型也可以用來評估單粒子瞬態(tài)導(dǎo)致的失效率。失效率是統(tǒng)計結(jié)果，需要建模成百上千次的電荷收集事件。傳統(tǒng)的電路模擬器，統(tǒng)計計算所有可能的粒子入射導(dǎo)致瞬態(tài)電流波形，這將是難以實現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種CMOS電路單粒子瞬態(tài)的建模方法，以確定電路中最容易發(fā)生軟錯誤的邏輯電路節(jié)點，進而能夠極其方便的評估復(fù)雜電路的單粒子瞬態(tài)敏感性。這個模型也可以用來評估單粒子瞬態(tài)導(dǎo)致的失效率。

(二)技術(shù)方案

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種CMOS電路單粒子瞬態(tài)的建模方法，該方法包括：

A、將單粒子入射節(jié)點處的電荷收集機制采用瞬態(tài)電流源來表示；

B、在瞬態(tài)失效分析時將CMOS電路分為不同的級段，每個級段均由NMOS模塊和PMOS模塊構(gòu)成；

C、將CMOS電路單粒子瞬態(tài)簡化為輸出節(jié)點集總有效負載電容C、有效電阻R和瞬態(tài)電流源的并聯(lián)回路；

D、推導(dǎo)出單粒子瞬態(tài)脈沖寬度表達式和瞬態(tài)脈沖峰值表達式；