杜 明，邹 黎，李晓辉，邱恒功，邓玉良

(深圳市国微电子有限公司，广东深圳518057)

Buffer单元单粒子效应及其若干影响因素研究

杜 明，邹 黎，李晓辉，邱恒功，邓玉良*

(深圳市国微电子有限公司，广东深圳518057)

基于标准0.13 μm工艺使用Sentaurus TCAD软件采用3D器件/电路混合模拟方式仿真了buffer单元的单粒子瞬态脉冲。通过改变重离子的入射条件，得到了一系列单粒子瞬态电流脉冲(SET)。分析了LET值、入射位置、电压偏置等重要因素对SET峰值和脉宽的影响。研究发现，混合模式仿真中的上拉补偿管将导致实际电路中SET脉冲的形状发生明显的变化。

buffer;电荷收集;单粒子瞬态脉冲;TCAD仿真

随着工艺尺寸的缩减，单粒子效应引起CMOS集成电路的失效越来越严重。因此，就很有必要对CMOS器件和集成电路的抗单粒子能力进行预测。我们常用的预测方法是在实验室条件下进行辐照实验来模拟实际空间中的辐照效应。但是实验过程不但复杂费时，而且成本很高。所以采用仿真软件从理论上模拟单粒子效应，对器件的抗单粒子能力进行评估，是一项具有现实意义的工作。

器件/电路混合模拟可以将Hspice中的电路结构导入到Sentaurus TCAD中的器件仿真工具Sdevice中，对关键器件或敏感器件使用3D器件模型代替，通过节点进行连接后在Sdevice中进行辐照效应的仿真。已有研究表明，混合模拟得到的结果与工艺线上实际生产的芯片进行辐照实验的结果接近。

本文基于0.13 μm标准CMOS工艺，通过器件/电路混合模拟方式对易翻转的基础buffer单元的单粒子效应进行了仿真，分析了对单粒子瞬态电流脉冲产生显著影响的3种主要因素。

1 重离子入射模型

重离子入射的过程可用一个简单的模型来表示，如图1所示。重离子入射过程建模为一个以粒子入射轨迹为轴的等离子圆柱体［1］。

图1 重离子入射模型

由重离子入射所产生的过剩载流子产生率可表示为:

如果l＜lmax(lmax为入射粒子的轨迹长度)，那么则:

如果l≥lmax，R(w，l)和T(t)分别为描述产生率的空间和时间变量。GLET表示线性能量传输产生密度，单位为pair/cm3。GLET(l)的大小由粒子的种类、能量和射程决定［2］。线性能量传输(LET)，表示入射粒子在单位长度上淀积的能量除以材料的密度，单位为MeV·cm2/mg。LET与GLET(l)可以通过公式互换，LET在TCAD中通常用pC/μm这个单位来描述，换算如下:

空间分布R(w，l)采用高斯分布可表示为

w表示从粒子轨迹到边缘到中心的垂直距离，定义为粒子轨迹半径;wt为半径特征值。

T(t)定义为高斯时间分布函数如下:

time表示重离子注入时刻，shi是高斯特征值，表示入射离子的脉冲宽度。

2 混合模拟流程和器件模型

在器件/电路混合模拟中，对于粒子入射单元采用器件模拟，其他单元采用电路网表结合BSIM模型参数代入模拟，可以模拟得到高能粒子撞击器件时电路中各点电压电流的变化，从而判断是否发生单粒子翻转［3］。典型的混合模拟示意图如图2所示。

图2 混合模拟示意图

器件/电路混合模拟的典型流程如图3所示。首先使用SDE构建器件结构，指定掺杂的区域和浓度以及离散化策略等。然后使用MESH生成网格化的器件结构，网格结构与器件结构匹配。在SDEVICE的配置文件中设定好物理模型和参数，设置好模拟的时间和边界条件等等，进行器件模拟。最后通过TECPLOT和INSPECT来查看和分析模拟结果。

buffer单元的混合仿真结构如图4所示，第1级反相器的NMOS管(N1)使用TCAD建立的3D器件模型，电路的其他部分都用BSIM3电路模型代入。器件模型和电路模型在电极处耦合。

图3 器件/电路混合模拟流程

图4 buffer单元电路/器件混合模拟结构

本文基于标准0.13 μm工艺构造NMOS器件模型。设定NMOS管的沟道长度为0.13 μm，沟道宽度为0.65 μm，栅氧厚度为2.58 nm，源/漏结深为0.08 μm，多晶栅的厚度为0.1 μm，衬底厚度为3 μm。衬底区域使用均匀掺杂，沟道、源漏、LDD等区域使用高斯函数进行掺杂［4］。NMOS器件模型的结构和掺杂如图5所示。

图5 NMOS器件模型

3 单粒子效应模拟

单粒子效应模拟的基本思想是:首先不考虑产生、复合项，求得半稳态解;然后在半稳态解的基础上考虑单粒子注入影响，即模拟计算中加入产生复合项，求得瞬态解，得到粒子注入后产生的电流脉冲及电压随时间的变化过程［5］。

引入辐照效应时，设定重离子于0.76 ns时刻垂直入射在NMOS器件的漏极中心点，入射深度为3 μm，轨迹半径为0.1 μm，LET值为50 MeV·cm2/mg。电离电荷的产生率在空间和时间上均呈高斯分布。

在上述条件下得到buffer单元在重离子入射后，NMOS管的瞬态电流脉冲曲线如图6所示。被重离子直接撞击的NMOS管(N1)的漏电流产生了一个瞬态脉冲，与单个NMOS管仿真结果不同的是，该瞬态脉冲还出现了一个明显的“台阶区”。这是因为在研究单个晶体管的电荷收集时，漏极偏压一般为恒定值，而在实际电路中，被轰击晶体管的漏极通常连接着与之对应的补偿网络，正如图4所见，其中器件模型为 N1，而其中的 P1管则作为该NMOS管的上拉补偿管，这种补偿电路称为恢复电路［6］。这一恢复电路将导致实际电路中SET脉冲的形状发生明显的变化，其特征是出现所谓的“台阶区”，如图6所示。研究表明，台阶区电压的高低取决于阱/衬底接触的位置和掺杂分布［7］，而台阶区的宽度则与双极放大效应密切相关。

图6 重离子入射后NMOS管的瞬态电流脉冲

4 影响因素分析

4.1 LET值

不同LET值条件下混合模拟的结果如图7所示，LET值越大，漏电流瞬态脉冲峰值和脉宽都增大。当LET值为1 pC/μm时，起初电流迅速增大，这是因为，LET值很大时入射粒子在器件内淀积的能量越多，进而产生的电子空穴对也多，载流子浓度升高，被漏极收集的几率就增大。随后电流缓慢下降，一方面是由于LET值大，产生的电子空穴对浓度高，扩散作用强，这主要是由于触发了双极放大效应。

4.2 入射位置

集成电路处于空间辐射环境中，辐射源存在于各个方向，高能粒子可能入射到器件的各个位置上。因此很有必要确定高能粒子入射在器件的哪个区域或位置上使得器件最容易翻转。

图7 LET值对漏电流的影响

如图8所示，重离子注入位置从源极道漏极，进行一次其他条件完全相同的仿真，得到了一簇瞬态电流脉冲曲线图。重离子入射到源极和栅极，对应于图8中入射位置为1 μm和1.265 μm的曲线，这时的瞬态脉冲电流峰值和脉宽都非常小;而当入射到体-漏结，对应于图8中入射位置为1.34 μm到1.37 μm的曲线，可见漏极收集的电流达到最大。这是因为漏结耗尽层电场强度大，漂移作用强。由此可见，对于体硅器件，重离子注入到敏感区域比非敏感区域产生瞬态脉冲的峰值和电流持续时间都要大。

图8 入射位置对漏电流的影响

4.3 电压偏置

设定Vdd电压分别为1.2 V、1.8 V、3.3 V、4 V、5 V时混合模拟得到的结果如图9所示。外接电压小，电流脉冲峰值小，总的收集电荷也少。而电源电压越大，收集的电荷越多。单粒子在Si内产生的电荷首先会进行扩散运输，当到达结区时被收集，更大的反偏电压会增加耗尽区宽度，形成大的空间电荷及电场，从而在粒子入射时淀积的电荷也会更多，电场作用下电场漂移也会更快，因此单粒子注入产生瞬态脉冲电流也会更大，达到瞬态电流峰值的时间也会更短，此外，在高的反偏电压下，漏斗效应的时间也会增长，电场辅助下收集的电荷也越多。然而电压减小并不能提高器件的抗单粒子翻转的能力，因为如果电压下降，器件的临界电荷也会相应变小，从而使得器件更容易翻转。

图9 不同外接电压对漏电流的影响

5 结论

通过对buffer单元的器件/电路混合模式仿真，可以发现，存在着多种因素影响电荷收集，进而影响NMOS管的重离子单粒子瞬态脉冲。在进行电荷收集时，一般会发生电场引起的漂移、电荷漏斗助漂移，浓度梯度引起的扩散和双极放大效应等现象［8］，其中哪种现象占主导地位则由入射粒子LET值以及器件外接电压、入射位置等诸多因素共同决定，粒子入射在器件灵敏区上产生的单粒子效应更为严重。LET值和外接电压大，灵敏区内淀积的空穴浓度就高，双极放大效应所起的作用就大。所以在我们的电路和版图设计中，就要同时兼顾这些关键因素的共同影响，对敏感器件或节点进行抗单粒子能力评估和抗辐照加固设计。

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邓玉良(1969- )，男，辽宁人，汉族，深圳市国微电子有限公司高级工程师，博士，哈尔滨工业大学，研究方向为高性能微处理器、存储器和可编程逻辑器件。

A Research in the Buffer CELL Single Event Effects and Some of Its Influencing Factors

DU Ming，ZOU Li，LI Xiaohui，QIU Henggong，DENG Yuliang*
(Shenzhen State Microelectronics Co.，Ltd，Shenzhen Guangdong 518057，China)

Based on standard 0.13 μm technology mixed-mode simulations of heavy ion is introduced.The Single E-vent Transient(SET)on buffer cells is simulated by using device and circuit mixed mode of heavy ion.By changing the simulation conditions，a series of SET current pulse is obtained.On the analysis of the influence of several important factors，such as the linear energy transfer(LET)，the incidence location and voltage bias on the SET pulse width and magnitude are executed.The results indicate the pull-up compensating MOSFETin practical circuit obviously to lead to a different SET pulse.

buffer;Charge collection;SET;TCAD simulation

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.004

TN432

A

1005－9490(2014)02－0186－04

2013-07-21修改日期:2013-08-14

EEACC:2550