单粒子效应分析与电路级模拟研究

单粒子效应分析与电路级模拟研究

随着集成电路制造工艺的进步、器件特征尺寸的缩小、系统工作电压的降低和工作频率的提高,宇宙环境中存在的辐射效应对宇航器芯片的影响日益凸显,严重影响各国航天航空领域的发展。高能粒子轰击集成电路敏感区域将会产生单粒子瞬态脉冲,进而可能引起存储数据错误,影响后续计算,甚至导致整个系统崩溃。

体硅工艺下,传统的单粒子效应研究主要围绕在器件敏感区域漏极,近年来国际上一些研究表明,器件的瞬态电流脉冲和电荷收集与粒子入射位置有关。本文在研究单粒子效应产生机理和已有SET电流源注入脉冲模型的基础上,重点研究粒子入射位置在阱区时单粒子效应对传统硅工艺器件产生的影响。

本文的主要工作如下:1、基于90nm双阱工艺,分别对NMOS和PMOS进行器件三维建模,并与SMIC 90nm库进行工艺校准,校准结果表明本文建立的器件三维模型与实际结果贴合性很高,为后续章节器件级单粒子效应研究的展开提供了准确的模型支持。2、进行器件级单粒子效应研究,研究发现NMOS、PMOS和CMOS反相器的SET电流形状、电压特性均受粒子入射位置和LET值影响。

入射位置与漏极边界的距离增大将减小器件收集电荷,电流峰值;LET值增大将增大器件收集电荷,电流复合时间。为后续章节展开的一维SET脉冲电流注入模型建立提供实验数据和现象支持。

3、将粒子入射位置引入SET电流源模型研究中,分析建立PN结基于入射距离的一维独立SET电流脉冲注入模型。进一步研究了粒子入射位置在阱区时,寄生双极放大效应对NMOS、PMOS的影响,进而对单个晶体管一维SET电流源进行建模。

最后进行电流源模型SPICE验证,结果表明本文基于入射距离建立的一维独立SET电流源模型可以较好的反映入射距离改变时单粒子效应对器件电流脉冲

的影响。4、仿真介绍了独立电流源和耦合电流源的区别,基于粒子入射距离对一维耦合SET电流脉冲注入模型进行建模。

SPICE仿真验证了本文建立的一维耦合SET电流源能够较好反映粒子入射距离改变时反相器SET电流脉冲特性,同时可以较好的反映耦合电流源存在的“台阶效应”,可应用于电压脉冲宽度的预测,最大误差为11.73%,平均误差为10.76%。