[发明专利]一种CMOS电路单粒子瞬态的建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及抗辐照加固微电子学和固体电子学中CMOS电路瞬态辐照技术领域，尤其涉及一种CMOS电路单粒子瞬态的建模方法。

背景技术

电离辐射在半导体器件中产生电荷有两种方法：一是采用直接电离辐照，入射粒子直接电离产生电荷；二是采用间接电离辐照，入射粒子和器件发生核反应产生二次粒子电离产生电荷。这两种机制都会导致集成电路失效。

直接电离辐照：当高能带电粒子穿过半导体材料时，损失能量，沿着入射路径离化产生电子空穴对。入射粒子损失所有的能量后，在半导体材料中经过的路径称为射程。LET表示粒子入射材料中单位路径上损失的能量，单位是MeV/cm²/mg，为单位路径上能量损失(MeV/cm)与入射靶材料密度(mg/cm³)的比值，所以LET值与靶材料不相关。我们可以很容易的将LET值和单位路径上淀积的电荷联系起来。在Si中，LET为97MeV/cm²/mg的粒子入射淀积电荷为1pC/μm。重离子导致直接电离辐照，产生电荷淀积导致翻转。重离子是指原子序数大于等于2的离子(质子、电子、中子和介子除外)。轻粒子如质子通过直接电离辐照不能够产生足够导致翻转的电荷。然而近年来随着器件尺寸的不断缩小，质子通过直接电离辐照也有可能产生足够的电荷致翻转。

间接电离辐照：尽管轻粒子通过直接电离辐照不能够产生足够多的电荷导致翻转，这并不意味着轻粒子可以被忽略。通过间接电离辐照，质子和中子可以产生明显的翻转。当高能质子或中子进入半导体晶格会和靶核发生非弹性碰撞。可能会产生下面所述的核反应：1)弹性碰撞使Si反冲，2)发射alpha或者gamma粒子，产生Mg核反冲，3)裂变反应，靶核Si裂变成C和O粒子，每种粒子均反冲。上述任何反应产物均沿它们的路径通过直接电离辐照淀积电荷。这些反应产物粒子比初始的质子和中子重得多，因此淀积更多的电荷，有可能导致单粒子翻转。非弹性碰撞反应产物能量很低。

电荷输运的基本物理：当粒子入射半导体器件，最敏感的区域通常是反向偏置的pn结。反向偏置pn结耗尽区的高电场通过漂移机制有效地收集入射粒子产生电荷，产生瞬态电流。如果粒子入射位置靠近耗尽区则会导致明显的瞬态电流，因为产生电荷将会扩散到耗尽区，被有效地收集。由于入射粒子路径高电导特性和耗尽区电场分离离化产生电荷，粒子入射路径产生电荷会导致结电场局部塌陷。漏斗(funnel)效应拓展了结电场，使之更深入衬底，即使距离结较远的电荷也可以通过漂移机制被有效收集，从而增加了入射节点的电荷收集。对于静态电路如SRAM，反向偏置的pn结连接到外部有源电路，漏斗效应不是主要因素。粒子入射pn结的电压不是常数，入射pn结有可能从反向偏置变到零偏置，减弱了漂移收集机制(漏斗效应)。因此，漏斗效应在电路早期SEE响应中起作用，初始化翻转节点电压，扩散效应在电路晚期SEE响应中起作用，翻转节点电压。

瞬态错误可以在电路不同的抽象级别注入，器件级仿真粒子入射产生瞬态电流，电路级仿真采用SPICE，逻辑级、入射节点的瞬态错误用逻辑状态的瞬时翻转建模，并仿真错误传递。

本发明采用简单的解析模型，基于组合逻辑电路的瞬态脉冲产生机制并建模，考虑从晶体管级效应到逻辑级，不需要电路仿真，采用简单的方法确定电路中最容易发生软错误的逻辑电路节点，可以极其方便的评估复杂电路的单粒子瞬态敏感性。这个模型也可以用来评估单粒子瞬态导致的失效率。失效率是统计结果，需要建模成百上千次的电荷收集事件。传统的电路模拟器，统计计算所有可能的粒子入射导致瞬态电流波形，这将是难以实现的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种CMOS电路单粒子瞬态的建模方法，以确定电路中最容易发生软错误的逻辑电路节点，进而能够极其方便的评估复杂电路的单粒子瞬态敏感性。这个模型也可以用来评估单粒子瞬态导致的失效率。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种CMOS电路单粒子瞬态的建模方法，该方法包括：

A、将单粒子入射节点处的电荷收集机制采用瞬态电流源来表示；

B、在瞬态失效分析时将CMOS电路分为不同的级段，每个级段均由NMOS模块和PMOS模块构成；

C、将CMOS电路单粒子瞬态简化为输出节点集总有效负载电容C、有效电阻R和瞬态电流源的并联回路；

D、推导出单粒子瞬态脉冲宽度表达式和瞬态脉冲峰值表达式；