李若飛，胡長(zhǎng)清

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

單粒子仿真方法研究

李若飛，胡長(zhǎng)清

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

在宇航級(jí)器件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)。隨著工藝尺寸的不斷縮小，總劑量效應(yīng)變得越來(lái)越不明顯，而單粒子效應(yīng)變得越來(lái)越顯著。對(duì)于CMOS電路，單粒子效應(yīng)主要包括單粒子鎖定和單粒子翻轉(zhuǎn)，防止單粒子鎖定的方法非常成熟，單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的研究是現(xiàn)今抗輻照研究的主流。評(píng)估單粒子效應(yīng)的方法主要是實(shí)驗(yàn)方式，實(shí)驗(yàn)評(píng)估單粒子效應(yīng)雖然準(zhǔn)確，但是機(jī)時(shí)少，費(fèi)用高，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，給項(xiàng)目研制過(guò)程造成很大障礙，因此非常有必要開展單粒子仿真技術(shù)研究。提出一種以Hspice電路網(wǎng)表為基礎(chǔ)的單粒子效應(yīng)評(píng)估方法，此方法采用脈沖電流模擬單粒子產(chǎn)生的效果，通過(guò)此方法可以有效模擬單粒子現(xiàn)象，并找到電路的設(shè)計(jì)敏感點(diǎn)，有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

抗輻照；單粒子翻轉(zhuǎn)；單粒子閉鎖；比較器；仿真；沖擊能量；單粒子效應(yīng)

1 單粒子效應(yīng)概述

運(yùn)行在宇宙空間中的各類人造衛(wèi)星、空間探測(cè)器等航天器的微電子器件都會(huì)受到來(lái)自空間的宇宙射線以及頻譜范圍較寬的電磁輻射影響，并產(chǎn)生不同程度的損傷。除了天然的輻射環(huán)境外，核武器爆炸所產(chǎn)生的輻射也會(huì)對(duì)各類電子系統(tǒng)及電子元器件構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。為了增強(qiáng)關(guān)鍵電子系統(tǒng)和武器系統(tǒng)中電子設(shè)備的抗核輻射能力，提高它們的生存能力，世界上許多國(guó)家都在致力于輻射對(duì)微電子器件的影響以及抗輻射加固技術(shù)等方面的研究。

目前，在宇航級(jí)器件設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮單粒子效應(yīng)（SEE，Single Event Effect）和總劑量效應(yīng)（TID，Total Ionizing Dose）對(duì)芯片造成的影響。隨著工藝進(jìn)步，總劑量效應(yīng)對(duì)芯片的影響在減小，有數(shù)據(jù)表明，當(dāng)柵氧厚度小于10nm時(shí)，就可以不考慮總劑量效應(yīng)引起的閾值電壓漂移現(xiàn)象[2]，而當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)0.18微米CMOS工藝下柵氧的平均厚度已經(jīng)達(dá)到了3.8nm。隨著氧化層以及硅界面質(zhì)量的提高，總劑量效應(yīng)對(duì)體硅下CMOS電路的影響將越來(lái)越小。而隨著工藝尺寸的下降，單粒子效應(yīng)影響將越來(lái)越嚴(yán)重。

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)表明[3]，自1971年至1986年，國(guó)外發(fā)射的39顆同步衛(wèi)星，因各種原因造成的故障共1589次，其中與空間輻射有關(guān)的故障有1129次，占故障總數(shù)的71%。而在輻射造成故障中，由單粒子效應(yīng)造成的故障有621次，占輻射總故障的55%。我國(guó)發(fā)射的航天器也發(fā)生過(guò)類似的故障?？臻g輻射環(huán)境中的高能質(zhì)子、中子、α粒子、重離子等都能導(dǎo)致航天器電子系統(tǒng)中的半導(dǎo)體器件發(fā)生單粒子效應(yīng)，嚴(yán)重影響航天器的可靠性和壽命。因此，開展單粒子效應(yīng)研究刻不容緩。

2 單粒子效應(yīng)理論模型

單粒子效應(yīng)是指高能帶電粒子在穿過(guò)微電子器件的靈敏區(qū)時(shí)，沉積能量，產(chǎn)生足夠數(shù)量的電荷，這些電荷被器件電極收集后，造成器件邏輯狀態(tài)的非正常改變或器件損壞，它是一種隨機(jī)效應(yīng)。除了空間高能粒子以外，各種核輻射、電磁輻射環(huán)境也是造成單粒子效應(yīng)的主要原因。單粒子效應(yīng)本身涉及的器件面較廣，效應(yīng)也是多樣的。盡管注入器件的粒子是大量的，但由于這種效應(yīng)是單個(gè)粒子作用的結(jié)果，通常稱為單粒子效應(yīng)，也叫單粒子事件。隨著單粒子效應(yīng)研究的不斷深入，新器件的不斷應(yīng)用，新現(xiàn)象的不斷出現(xiàn)，單粒子效應(yīng)分類越來(lái)越細(xì)。表1給出了目前已經(jīng)明確定義的單粒子效應(yīng)類型[4]。

單粒子燒毀主要發(fā)生在功率MOSFET和雙極功率晶體管中，單粒子?xùn)糯┲饕霈F(xiàn)在功率MOSFET、EEPROM以及非揮發(fā)性SRAM寫入和擦除過(guò)程中。對(duì)于數(shù)?；旌想娐?，模擬電路的瞬態(tài)可能導(dǎo)致數(shù)字電路的翻轉(zhuǎn)。

表1 單粒子效應(yīng)分類

單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的物理機(jī)理主要是粒子與物質(zhì)發(fā)生下列四種作用：①與核外電子發(fā)生非彈性碰撞；②與原子核發(fā)生非彈性碰撞；③與原子核發(fā)生彈性碰撞；④與核外電子發(fā)生彈性碰撞[5]。

以一個(gè)CMOS結(jié)構(gòu)的反相器為例，詳細(xì)說(shuō)明輻射環(huán)境中的粒子在穿透硅襯底后對(duì)硅材料產(chǎn)生的影響，如圖1所示為單粒子在CMOS反相器中作用的示意圖。當(dāng)輸入A=1時(shí)，PMOS截止，NMOS導(dǎo)通，此時(shí)PMOS的漏端為敏感點(diǎn)，單粒子會(huì)在此位置產(chǎn)生對(duì)電源的脈沖；當(dāng)輸入A=0時(shí)，PMOS導(dǎo)通，NMOS截止，此時(shí)NMOS的漏端為敏感點(diǎn)，單粒子會(huì)在此位置產(chǎn)生對(duì)地的脈沖。

3 評(píng)估單粒子效應(yīng)的方法

一般來(lái)說(shuō)，評(píng)估單粒子翻轉(zhuǎn)對(duì)芯片的影響可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者模擬的方法。實(shí)驗(yàn)方法也分為在軌實(shí)驗(yàn)和地面實(shí)驗(yàn)，在軌實(shí)驗(yàn)是指發(fā)射專用的衛(wèi)星統(tǒng)計(jì)單粒子效應(yīng)對(duì)芯片的影響；而地面實(shí)驗(yàn)則通過(guò)專門設(shè)備產(chǎn)生空間輻射環(huán)境中存在的粒子并轟擊芯片中，然后對(duì)芯片的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從而統(tǒng)計(jì)單粒子效應(yīng)對(duì)芯片的影響[6]。實(shí)驗(yàn)方法貼近真實(shí)物理環(huán)境，可以得到很準(zhǔn)確的結(jié)果，但是需要非常昂貴的成本和花費(fèi)較多的時(shí)間。

圖1 單粒子在CMOS反相器中作用示意圖

對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)的模擬可以通過(guò)多種方法完成，具體來(lái)說(shuō)主要有以下幾種：①基于系統(tǒng)級(jí)的模擬；②計(jì)算錯(cuò)誤傳播概率的軟錯(cuò)誤評(píng)估；③基于器件級(jí)的仿真；④基于晶體管的電路級(jí)仿真；⑤基于器件-電路級(jí)的混合仿真；⑥基于基本邏輯門的電路級(jí)模擬等。

基于系統(tǒng)級(jí)及電路級(jí)，主要是用來(lái)尋找電路薄弱點(diǎn)，對(duì)于數(shù)字電路的設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義?，F(xiàn)在對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)的模擬方法主要集中在器件級(jí)和晶體管電路級(jí)，現(xiàn)在國(guó)外對(duì)器件級(jí)的仿真一般都基于精度較高的三維模型進(jìn)行單粒子翻轉(zhuǎn)仿真。對(duì)于晶體管的電路級(jí)仿真，一般是先對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)建立電流脈沖注入模型，然后通過(guò)該模型在電路SPICE網(wǎng)表的節(jié)點(diǎn)中注入脈沖電流，從而對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)進(jìn)行模擬[7]。器件級(jí)仿真需要先用TCAD軟件建立器件模型，在實(shí)際應(yīng)用中可行性不高，而電路級(jí)仿真非常適合在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用。本評(píng)估方法采用基于Spice網(wǎng)表的器件級(jí)仿真。

4 單粒子入射量化模型

入射粒子對(duì)器件損傷的強(qiáng)弱通常用線性能量傳輸（LET，Linear Energy Transfer）來(lái)表示，確切的說(shuō)，LET表示的是入射粒子在單位長(zhǎng)度上淀積的能量，再除以硅的密度，LET值用密度歸一化，單位變?yōu)镸eV·mg-1·cm2。

一對(duì)電子—空穴對(duì)帶有3.6eV電荷，因此

對(duì)在硅材料中，單粒子效應(yīng)在單位長(zhǎng)度上產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)為：

根據(jù)Mark P.Baze等人的“A Digital CMOS Design Technique for SEU Hardening”中的描述單粒子入射后產(chǎn)生的電荷與LET值的關(guān)系。

LETEST=96.608×Qcrit(pC)/LEST(μm)

LEST:估計(jì)電荷收集長(zhǎng)度，單位μm。

LETEST：輻射的線性能量傳輸，單位MeV·cm2/mg。

Qcrit:電荷量，單位pC。

北 京 源 LET=37.3，Si中 射 程 30.8μm，即LEST=30.8μm，單粒子翻轉(zhuǎn)37MeV·cm2/mg，對(duì)應(yīng)的Qcrit=11.86pC。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)及論文顯示，單粒子的入射能量不會(huì)大于11.86pC，因此可以以此為設(shè)計(jì)邊界進(jìn)行單粒子特性仿真。

5 單粒子效應(yīng)仿真

為考察電路在輻射環(huán)境下的表現(xiàn)和加固電路的設(shè)計(jì)效果，目前常見的方法是采用電流源作為單粒子對(duì)電路的影響模型[4]，采用HSPICE來(lái)模擬SEE對(duì)電路的影響。

式（4）是文獻(xiàn)[8]給出的電流源表達(dá)式，其中T是和晶體管模型及離子能量吸收(LET)有關(guān)的常量，且P管和N管的值不同，t是時(shí)間變量。針對(duì)文中所采用的0．5μm柵寬和5V工作電壓，根據(jù)文獻(xiàn)[4]所述，式(1)中的 T：對(duì)于 P 管 T=116ps，N 管 T=164ps。為了仿真方便，對(duì)于N管、P管采用相同電流源T=140ps。圖2給出建模后的單粒子電流源模型（隨著時(shí)間變化電流變化），其具體Hspice設(shè)置如下：

IXX (AB)isource type=exp val0=0 val1=40.00m td1=0.000005u tau1=30p td2=0.00014u tau2=200p

經(jīng)計(jì)算其代表的能量為12.19pC。

圖2 單粒子電流源模型波形

絕大部分設(shè)計(jì)抗輻射電路的工程師都了解單粒子效應(yīng)的結(jié)果就是產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)的電流脈沖，但該脈沖的寬度和高度該如何確定，它們與粒子能量或者LET之間是一個(gè)什么關(guān)系，包括三大EDA廠商在內(nèi)的絕大部分公司的電路模擬軟件都無(wú)法給出科學(xué)的合理解決方案。當(dāng)然這還與具體的工藝流程參數(shù)有很大關(guān)系，相同特征尺寸不同廠家所制造出的芯片抗單粒子效應(yīng)的能力在很大程度上也是不同的。針對(duì)同一工藝需要多次校準(zhǔn)才可以得到準(zhǔn)確的仿真模型。因此我們采用在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)注入不同能量的電流源，記錄相應(yīng)響應(yīng)，再與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行擬合，在同一工藝下可以得到比較準(zhǔn)確的仿真模型，為可以給在其他工藝上的電路設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)意義。采用的電流源如表1所示。

表1 仿真中用的電流源

以比較器為例分析仿真具體方法，采用兩種結(jié)構(gòu)的比較器進(jìn)行分析。具體方法為在比較器輸入端輸入方波信號(hào)，在各節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓加入單粒子電流源，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)每個(gè)電路的關(guān)鍵點(diǎn)記為KN（N=1,2,3……）。

如圖3所示為比較器一的電路圖，比較器一的第一關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)在K1處Bipolar CB結(jié)沖擊，第二關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)在K1處PMOS,第三關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)在K2點(diǎn)PMOS處，第四關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)在K3點(diǎn)PMOS處，第五關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)在K4點(diǎn)PMOS處，第六關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)在K5點(diǎn)PMOS處。表2記錄了不同的沖擊能量沖擊關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)，輸出產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)脈寬。

圖3 比較器一電路圖

表2 比較器一各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)不同沖擊能量的響應(yīng)

圖4為比較器二的電路圖，比較器二的主體結(jié)構(gòu)由兩個(gè)單級(jí)差分開環(huán)運(yùn)放構(gòu)成，加入一個(gè)正反饋來(lái)調(diào)節(jié)第一級(jí)差分運(yùn)放的負(fù)載進(jìn)而通過(guò)改變比較閾值引入遲滯效應(yīng)。此電路的關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)在K1點(diǎn)PMOS的單粒子效應(yīng)。K1點(diǎn)NMOS的單粒子效應(yīng)及K2點(diǎn)NMOS、PMOS的單粒子效應(yīng)對(duì)后面而言都不是問(wèn)題。表3記錄了不同的沖擊能量沖擊關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)，輸出產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)脈寬。

從上述分析看，比較器一比比較器二的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)要多，在同等能量電流脈沖的沖擊下比較器二的響應(yīng)明顯好過(guò)比較器一。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，比較器一在Cl離子沖擊（LET=12.9MeV·cm2/mg）下已經(jīng)有單粒子現(xiàn)象發(fā)生，如圖5所示，并引起了后面電路的單粒子翻轉(zhuǎn)，在 Ti離子沖擊（LET=21.8MeV·cm2/mg），比較器出現(xiàn)頻繁的單粒子現(xiàn)象，如圖6所示。而比較器二在Ge離子沖擊（LET=37MeV·cm2/mg）也沒(méi)有看到單粒子現(xiàn)象。試驗(yàn)證明比較器的二抗單粒子特性要優(yōu)于比較器一，與仿真結(jié)果一致。

表3 比較器二各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)不同沖擊能量的響應(yīng)

圖4 比較器二電路圖

圖5 Cl離子沖擊下比較器一特性

圖6 圖6 Ti離子沖擊下比較器一特性

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)單粒子仿真分析，采用指數(shù)電流的方法，其關(guān)鍵在確定電流源能量上，因此后續(xù)需要在不同的能量下采集出單粒子現(xiàn)象，并與仿真進(jìn)行擬合，最終得到此工藝下不同離子能量對(duì)應(yīng)的電流源，以便指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)。

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Study on Single Event Effect Simulation

Li Ruofei，Hu Changqing
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

In the design process of aerospace-grade devices,the main consideration is SEE and TID.As the process dimension is decreased continuously,total dose effect is getting more unobvious,but single event effect becomes more serious.For CMOS circuit,single event effect(SEE)includes Single Event Latchup(SEL)and Single Event Upset(SEU).The method of avoiding SEL is mature,so SEU is the key point in anti-radiation study.Now,the experiments are mainly used for SEU evaluation,which are accurate but have less machine time and more cost,so it is necessary to carry out single event effect simulation technology.The evaluation method for single event effect,based on Hspicenetlist,employing the effect generated by pulse current simulating SEE,is proposed in this paper,which is effective and can guide design.

Radiation-hardened；SEU(Single Event Upset)；SEL(Single Event Latchup)； Comparator；Simulation；Impact energy；Single event effect

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.03.002

TN495

B

1002-2279-（2017）03-0008-05

李若飛（1984-），男，遼寧省沈陽(yáng)市人，工程師，主研方向：集成電路設(shè)計(jì)。

2016-07-22