0．18μm NMOS的重離子單粒子瞬態脈沖的仿真模擬

李 飛，安海華

(西安衛光科技有限公司，西安710065)

LI Fei*，AN Haihua

(Xi’an WeiGuang Science＆Technology Co．，Ltd．，Xi’an 710065，China)

從1975年提出單粒子效應以來，國內外就展開了對單粒子效用的研究。國內目前實驗室條件下能夠利用的單粒子模擬粒子源抓藥有252Cf源裝置、14 MeV中子發生器，35 MeV質子加速器以及HI-13串列加速器［2，8］。但是實驗過程復雜而且費時，成本也很大。所以采用仿真軟件從理論上模擬單粒子效應，有助于對單粒子效應機理的研究，對一些新材料和新結構的器件，也能做出抗單粒子效應能力的評估，這也是仿真軟件的一大優勢［1］。

1 重離子物理模型［7］

利用ISE TCAD軟件對NMOSFET的重離子產生的SET進行了模擬仿真。采用流體動力學模型，物理模型還考慮了影響壽命的SRH復合，餓歇復合，載流子之間的散射、遷移率隨摻雜濃度的變化以及禁帶變窄等。

在ISE中，重離子注入后，與電流連續方程所對應的過剩載流子產生率可以和輻射的參數線性能量傳輸LET(入射粒子在單位長度上淀積的能量除以材料的密度，單位為MeV/(mg·cm2)聯系起來。

在硅材料中，單粒子效應在單位長度上產生的電子——空穴對為:

所以LET還有一個單位pC/μm，在后面進行器件數值模擬時，我們將用到這個單位。

其中，Nehp和Pehp分別是重離子注入所產生的電子和空穴對數［4］。R(w)和T(t)分別描述重離子產生的電子空穴對的空間和時間分布，通過和這兩個的函數相聯系，借助產生率方程就將重離子注入產生的電子空穴對數包含在連續方程中了。

模擬的基本過程是:首先不考慮產生、復合項，求得穩態解;然后在穩態解得基礎上考慮單粒子注入影響，即模擬計算中加入產生復合項，求得瞬態解;最后得到粒子注入后產生的電流脈沖級電壓隨時間的變化過程。

2 NMOS器件結構和模擬條件

NMOSFET在ISE MDRAW中的結構和摻雜如圖1所示，其中溝道長度為0．18μm，柵氧化層為10 nm，多晶柵的厚度為100 nm。假設重離子垂直注入截止 NMOSFET 的漏區點(0．22，0)處，LET 為0．4 pC/μm，電離電荷的產生率在空間和時間均呈高斯分布，特征半徑分別為0．1μm和2 ps，并且采用圖3(c)所示的電路連接，仿真得到的NMOS的漏極電流和電壓隨時間變化的曲線如圖2所示。圖中給出的電壓隨時間變化的模擬結果可以用來討論單元是否翻轉。圖中在時間到2．5×10-11s的時候，漏極電壓降到了0．020 9 V，之后又慢慢回歸到了高電位。由于電壓基本達到了零點幾伏，所以可以認定在重離子作用下，單元發生了翻轉。

圖1 NMOSFET的結構和摻雜圖

圖2 漏極電流和電壓隨時間變化的曲線

3 外電路連接方式對SET電流脈沖的影響

MOS管各個電極的電壓不同，仿真得到的單粒子瞬態脈沖的峰值和脈寬都有很大的區別。圖3是ISE仿真中外加電路的三種連接方式，圖4為柵長0．18μm的NMOS管在圖3的電路連接方式下產生的對應單粒子瞬態電流脈沖。其中電阻為4 kΩ，電容的大小為4×10-15F，V dd為5 V，比其他的仿真所加的電壓大，主要是為了證明漏極電壓大小和變化對 SET 脈沖的影響［9］。

圖3 ISE仿真中外加電路的三種連接方式

圖4 柵長0．18μm的NMOS管在圖3的電路連接方式下產生的對應單粒子瞬態電流脈沖

第1種情況，NMOS管漏極直接接電源，漏pn結的反偏電壓是一個固定值，同時源極接地，而第2種情況源極也接高電位，相當于兩個并聯的二極管。二者的差別是前者存在源極提供的電子，會導致寄生雙極放大效應，SET電流比后者多了雙極放大的成分，因此第1個電流峰值的主要成分即為雙極放大電流，SET電流脈沖的最大值是由雙極放大效應導致的。第2種情況下，因為源極接了高電位，所以有效的抑制了雙極放大效應對SEU電流脈沖的影響［10］。此時，電離電荷除了被漏極收集以外，還可能被源極收集，所以漏極電流比第1種小得多。如果pn結的反偏電壓是由外部電路控制的話，比如在CMOS反相器電路中。我們采用一個上拉電阻來模擬CMOS電路中的PMOS管，例如在第3種的電路中。一開始pn結存在反偏電壓，在高能粒子入射后，產生的漏極電流逐漸增大使得反偏電壓逐漸下降，幾個ps之后，反偏電壓下降為0。分析第1種和第3種情況，兩者的區別就在于漏極電壓，前者漏極直接接電源，電壓不會下降，而后者重離子入射產生電壓脈沖。因此我們得到結論，第3種情況下，雙極放大引起的電流和漂移電流的成分只在單粒子注入開始的幾個ps內存在，當反偏電壓降0之后，剩下的時間是靠電荷的擴散機制來收集電荷，用來維持已經翻轉的節點。這組模擬結果說明了雙極放大效應主要受漏極電壓的影響，電壓越高，雙極放大效應越顯著，另外，作為雙極放大效應發射極的NMOS管的源極的電壓，也是重離子注入中的雙極放大效應是否會開啟的重要影響因素。而仿真結果很好的驗證了這一點［6］。

4 重離子注入位置對SEU電流脈沖的影響

ISE仿真中，重離子注入位置對NMOS產生的SET脈沖的峰值和脈寬有很大的影響。這主要是因為單粒子效應電荷收集機制中，漂移和擴散在單粒子不同注入位置的電荷收集中所占的比重不同導致的。圖5，單粒子注入位置從源極到漏極，進行一次其他條件完全相同的仿真，得到了一簇SET電流脈沖和時間的曲線圖。

眾所周知，漏/體結的電場的擾亂產生了漂移電流，因此最大的SET脈沖產生在漏/體結處(0．08，0)，產生越大的電場擾動使漏極收集到更多的電荷，從而產生更大的SET脈沖。對于(0．22，0)處，所有由重離子注入產生的電荷都淀積在重摻雜漏區，對電場和電勢產生的擾動較小，減小了由于漂移而產生的漏極電流，使大量的電荷都通過擴散來收集，因而也產生了一個寬的瞬態電流響應。所以重離子注入位置離漏/體結越近，SET峰值越高，脈寬越小。反之，則擴散電流所占的成分越多，SET峰值越低，脈寬越大［5］。

圖5

5 結論

經過對0．18μm柵長NMOSFET的SET電流脈沖的深入分析，詳細的了解了納米MOS電路中單粒子瞬變電荷收集機理，為下一步建立SET的精確模型，進行電路和系統級的SET效應的模擬做出了準備，同時也為研究有效的抗單粒子效應的器件結構和電路設計奠定了堅實的基礎。

［1］ Paul E．Dodd，Physics-Based Simulation of Single-Event Effects［J］．IEEE Transactions on Device and Materials Reliability，2005，5(3):30-34．

［2］ Dodd PE，Massengill，L W．Single-EventUpset in Digital Microelectronics［J］．IEEE Transactions on Nuclear Science，2003，50(3):555-559．

［3］ Steven J Heileman，William R Eisenstadt，Robert M Fox．CMOS VLSI Single Event Transient Characteraztion［J］．IEEE Transactions on Nuclear Science，1989，36(6):589-593．

［4］ Harboe-S?rensen R，Poivey C．From the Reference SEU Monitor to the Technology Demonstration Module On-Board PROBA-Ⅱ［J］．IEEE Transactions on Nuclear Science，2008，55(6):867-871．

［5］ Edward L Petersen．Parametric and Threshold Studies of Single E-vent Sensitivity［J］．IEEE Transactions on Nuclear Science，2007，54(4):807-812．

［6］ 沈鳴杰．CMOS工藝集成電路抗輻射加固設計研究［M］．2006．

［7］ 黃建國，韓建偉，林云．一種SEU數據的處理方法［J］．空間科學學報，2002，22(3):407-411．

［8］ 李國政，王普，梁春湖．原子能科學技術［J］．1997，31(3):332-336．

［9］ 宋欽岐．CMOS器件的單粒子效應及其加固［J］．原子能科學技術，1997，31(3):756-760．

［10］汪俊，師謙．SEU電荷收集模式的器件級仿真［J］．可靠性分析，2009，32(11):454-461．