[发明专利]一种CMOS反相器单粒子闩锁效应仿真方法

说明书

本发明公开了一种CMOS反相器单粒子闩锁效应仿真方法，基于器件内部工艺参数，利用TCAD仿真平台构建NMOS‑PMOS组合的完整CMOS工艺结构模型。该模型可以准确表征器件发生SEL时的PNPN可控硅正反馈大电流随时空的演变过程，弥补了NMOS单管SEL模型不能准确表征CMOS反相器SEL特性的缺点，从而提高了器件SEL模拟仿真准确度。本发明方法可以快速便捷获得器件发生SEL的电参数空间分布特性，为器件的SEL研究及型号产品设计加固提供技术支撑。

技术领域

本发明涉及一种CMOS反相器单粒子闩锁效应仿真方法。

背景技术

数字电路是处理信号，实现系统逻辑功能与自动化的重要组成部分。CMOS(互补金属氧化物半导体)反相器，具有低功耗、低输出阻抗、高噪声容限等优点，常被应用在时钟振荡器、存储器等常用电子器件中，也因此被作为数字电路最基本的组成单元之一。

伴随着航天事业的不断发展，数字电路被大量运用到航天领域，CMOS反相器作为其关键单元，在遭受空间辐射环境中高能粒子撞击时，可能会引发器件的SEE(单粒子效应)，成为系统正常工作的薄弱环节。CMOS反相器中的SEE主要考虑SEU(单粒子翻转)与SEL(单粒子闩锁)。SEU为软错误，指输出逻辑状态的翻转，这可能引起系统功能性错误；SEL为硬错误，指单粒子轰击引发的单粒子电流致使寄生双极性晶体管开启，从而形成PNPN可控硅的正反馈电流，引发器件电流急剧增大，导致器件的永久损毁，进而影响系统的正常工作。

由于SEL对在轨航天器系统具有不可逆损伤，所以需要对CMOS反相器进行抗单粒子能力评估，评估主要有试验和模拟仿真两种手段，通常试验在地面加速器上进行，但是加速器资源有限、价格高昂，试验不利于开展，且不易得到器件内部电参数空间分布特性；而仿真模拟手段便捷、经济并且易获得器件内部电参数微观分布，所以模拟仿真手段是进行SEL评估的主要途径。

目前仿真结构主要采用CMOS反相器单管结构模型，这种模型存在不能完整模拟出器件发生SEL时PNPN结构正反馈大电流特性的缺点，不利于器件的SEL加固设计。具体的，常规器件模拟仿真只建立CMOS反向器中的NMOS(N型金属-氧化物-半导体)或者PMOS(P型金属-氧化物-半导体)单管结构，导致仿真只能模拟出单管的寄生BJT(双极结型晶体管)导通引起大电流致器件烧毁，而不能准确模拟CMOS反相器由于PNP-NPN结构可控硅开启形成正反馈大电流引起的器件SEL的问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种CMOS反相器单粒子闩锁效应仿真方法，通过该方法获得器件SEL的PNPN结构正反馈电流和电场随时间、空间演变的分布特性。

技术方案：一种CMOS反相器单粒子闩锁效应仿真方法，包括：

步骤1：根据待测器件的结构图及工艺参数，利用TCAD软件进行器件结构建模，定义器件结构和尺寸；然后定义器件各个区域的尺寸、材料类型、掺杂类型及掺杂浓度；最后定义器件的电极及网格划分信息；

步骤2：在建立器件结构模型的基础上，添加物理模型，包括：迁移率模型、复合模型、载流子统计模型、碰撞离化模型，以此通过数值计算方式，仿真获得器件的真实物理特性；

步骤3：器件电学特性仿真，具体包括：首先，将器件相关电极短接，以此引出接地端、电源端、输入端、输出端；其次，将器件输出端设置为电流边界；接着，给器件接地端和电源端加压，使器件进入工作状态；最后，在器件输入端加偏压，电压初值为0V，终值为3.3V，步长为0.1V，以此仿真获得器件的电学特性；

步骤4：若步骤3仿真得到的器件电学特性不完全符合器件实际的电学特性，则进行迭代优化仿真参数，参数包括：器件尺寸、各区域尺寸、各区域掺杂浓度、沟道长度、载流子寿命，直至仿真得到的电学特性与器件试验结果相符合；