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      NMOS大氣中子輻射效應(yīng)仿真研究?

      2019-02-27 08:32:20趙鵬梅亮常成
      關(guān)鍵詞:脈沖電流中子瞬態(tài)

      趙鵬梅 亮常成

      (航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心 北京 100854)

      1 引言

      臨近空間飛行器機(jī)載集成電路受到大氣中子輻射,容易發(fā)生單粒子效應(yīng)。特別是FPGA,由于其較高的集成度,更容易發(fā)生單粒子效應(yīng)[1~3]。FPGA的核心技術(shù)是可編程技術(shù),通過使用不同的類型的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)FPGA的功能,常見的FPGA有:采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的SRAM型FPGA,基于Flash的FPGA,反熔絲型FPGA。對(duì)比分析各不同類型FPGA得出,SRAM型FPGA應(yīng)用更為廣泛且其受中子輻射產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象更有研究意義[4~7]。

      2 FPGA結(jié)構(gòu)分析

      SRAM型FPGA整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,F(xiàn)PGA主要是由可配置邏輯塊(Configurable Logic Blocks,CLB)、可編程輸入/輸出模塊(Input/Output Blocks,IOB)、嵌入式存儲(chǔ)器(Blocks RAM)、乘法器(Multiplier)、數(shù)字時(shí)鐘管理器(Digital Clock Manager,DCM)等基本模塊以及使各模塊相互連接的可編程互連資源(Programmable Interconnect,PI)構(gòu)成[8]。單粒子效應(yīng)原理的關(guān)鍵在于入射粒子進(jìn)入目標(biāo)半導(dǎo)體材料,經(jīng)過各種物理過程,產(chǎn)生瞬態(tài)電流。SRAM型FPGA受大氣中子影響,在存儲(chǔ)單元或者時(shí)序電路出現(xiàn)瞬態(tài)電流,會(huì)影響FPGA的邏輯功能,進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。

      根據(jù)上述FPGA的結(jié)構(gòu)分析,F(xiàn)PGA中存在大量的存儲(chǔ)單元(SRAM),這些存儲(chǔ)單元極易受大氣中子輻射影響而引發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn),具體物理過程描述如下:高能量的大氣中子入射到FPGA的SRAM中,會(huì)與硅發(fā)生核反應(yīng),產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì),電子-空穴對(duì)被SRAM中的PN結(jié)所收集,形成瞬態(tài)電流,當(dāng)瞬態(tài)電流作用于SRAM上時(shí),會(huì)發(fā)生邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn),其翻轉(zhuǎn)示意圖如圖2所示[9]。

      圖1 SRAM型FPGA結(jié)構(gòu)示意圖

      圖2 SRAM發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)示意圖

      從上述分析可以看出,SRAM中對(duì)大氣中子輻射單粒子效應(yīng)最靈敏的部位是NMOS管,當(dāng)NMOS管處于截止?fàn)顟B(tài)是,NMOS管的漏極與基極構(gòu)成一個(gè)反偏結(jié),在高能中子入射到該NMOS管時(shí),經(jīng)過漏極與基極形成的耗盡區(qū),會(huì)制造出電子-空穴對(duì)。電子-空穴對(duì)被反偏結(jié)所收集,電子-空穴對(duì)的定向移動(dòng),會(huì)在高能中子入射點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)電流脈沖,進(jìn)而導(dǎo)致該入射點(diǎn)的存儲(chǔ)狀態(tài)發(fā)生變化,從而影響整個(gè)SRAM的存儲(chǔ)狀態(tài)[10]。

      3 NMOS建模

      本文建立NMOS三維模型,要在Deckbuild的環(huán)境下調(diào)用ATLAS來完成分析工作,并且交互環(huán)境下允許DevEdit器件編輯器輸入。利用DevEdit對(duì)NMOS進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模,具體建模流程如圖3所示。

      圖3 DevEdit工作流程圖

      本文以0.18umNMOS管為例進(jìn)行說明,其模型參數(shù)主要有:TOX為柵氧厚度,XJ為結(jié)深,NCH為溝道的峰值摻雜,NSUB為襯底摻雜,具體工藝參數(shù)如表2所示,利用DevEdit工具對(duì)該NMOS管進(jìn)行建模,具體模型如圖4所示,其中不同的顏色代表不同的材料[11]。

      表2 0.18μm NMOS管工藝參數(shù)值

      圖4 0.18umNMOS管三維模型

      4 NMOS中子入射仿真

      進(jìn)行NMOS管中子入射模擬仿真,就是利用上一節(jié)建立的NMOS三維模型,將大氣中子入射到NMOS上,得出NMOS漏極出現(xiàn)的電流脈沖,具體物理過程為:高能大氣中子入射NMOS管,與其中的硅材料(主要)發(fā)生核反應(yīng),產(chǎn)生大量的電荷,這些電荷在其運(yùn)動(dòng)軌跡上被NMOS管的漏極所收集,最終產(chǎn)生脈沖電流。因此,首先需要建立起物理方程,用來模擬上述整個(gè)物理過程。

      單粒子效應(yīng)仿真的物理基礎(chǔ)主要包括兩個(gè)方面:物理方程以及物理模型。單粒子效應(yīng)仿真的物理方程是上述電流脈沖產(chǎn)生過程的表達(dá),而ATLAS中物理模型是由狀態(tài)model以及impact所指定的,這些物理模型可以分為五組:遷移率模型、復(fù)合模型、載流子模型、碰撞模型以及隧道模型,而器件仿真的通用框架是泊松方程以及連續(xù)方程。本文主要涉及到的物理模型有:濃度依賴遷移率模型(conmob);平行電場(chǎng)依賴模型(fldmob);集成模型(CVT);Shockley-Read-Hall復(fù)合模型(srh);俄歇復(fù)合模型(auger);能帶變窄模型(bgn)[12]。

      上述分析介紹了單粒子效應(yīng)的物理模型,為了完整地描述電流脈沖產(chǎn)生的過程,還需要確定單粒子效應(yīng)的物理方程。根據(jù)國(guó)外學(xué)者的試驗(yàn)研究,NMOS管中受中子輻射影響,產(chǎn)生脈沖電流的物理方程主要有:

      1)泊松方程

      泊松方程表示的是電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生,從上述方程可以得到,電子-空穴對(duì)會(huì)影響NMOS管內(nèi)部電場(chǎng)分布[13]。

      2)傳輸方程

      傳輸方程又被稱為電流密度方程,而電流密度主要由漂移電流密度以及擴(kuò)散電流密度決定[14]。

      3)連續(xù)性方程

      連續(xù)性方程是指半導(dǎo)體器件內(nèi)部載流子的增加,是由外部載流子流入器件內(nèi)部而造成的,受中子輻射單粒子效應(yīng)的影響,會(huì)造成載流子濃度的增加[15]。

      進(jìn)行大氣中子入射仿真所使用的是TCAD中的ATLAS工具,這個(gè)工具的最大優(yōu)勢(shì)在于可以自定義網(wǎng)格,并能夠非常容易地獲取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的器件參數(shù)。大氣中子在入射材料中,產(chǎn)生電荷的運(yùn)動(dòng)軌跡與Newton迭代法的描述比較吻合。具體的操作流程如圖5所示。

      圖5 ATLAS仿真流程

      根據(jù)上述流程一次進(jìn)行0.18μmNMOS三個(gè)LET值下的ATLAS仿真,對(duì)輸出的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,各LET值下仿真數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出,三個(gè)不同LET值下,NMOS管漏極電流脈沖達(dá)到峰值的時(shí)間基本相同,下降并減到近乎沒有的時(shí)間也基本相同,但峰值的大小相差較大:當(dāng)LET=1 MeVcm2/mg時(shí),NMOS管漏極電流脈沖峰值達(dá)到5μA;當(dāng)LET=0.5 MeVcm2/mg時(shí),NMOS管漏極電流脈沖峰值為2.5μA;而當(dāng)LET=0.1 MeVcm2/mg時(shí),NMOS管漏極電流脈沖峰值僅為0.5μA,相比LET=1 MeVcm2/mg時(shí)小了近10倍。通過上述分析可以得出,LET值對(duì)中子輻射NMOS引起其漏極出現(xiàn)電流脈沖的影響,主要集中在電流脈沖的峰值的大小,不影響電流脈沖的維持時(shí)間,較大LET值的中子引起的電流脈沖更大,且效果明顯。

      圖6 三個(gè)不同LET值下NMOS管ATLAS仿真數(shù)據(jù)

      利用相同的方法,可以得出工藝尺寸為0.35μm、1μm的NMOS管 的 漏 極 電 流 脈 沖,0.35μm NMOS管受中子輻射,引起的漏極電流如圖7(a)所示。1μm NMOS管受中子輻射影響,引起的漏極電流如圖7(b)所示。

      從圖7分析可得,0.18μm的NMOS管受中子輻射引起的脈沖電流要明顯大于0.35μm的NMOS管,相同的,0.35μm的NMOS管出現(xiàn)的脈沖電流也要明顯的大于1μm的NMOS管出現(xiàn)的脈沖電流??梢缘贸觯琋MOS管尺寸減小,導(dǎo)致其更容易受中子輻射而產(chǎn)生的脈沖電流。

      (a)0.35μmNMOS管產(chǎn)生的脈沖電流

      圖7 兩種不同尺寸NMOS管產(chǎn)生的脈沖電流

      5 結(jié)語

      本文分析FPGA受大氣中子影響產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)過程,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)的根本原因在于其內(nèi)部存儲(chǔ)單元(SRAM)中的NMOS管,受大氣中子入射影響,產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖電流,該脈沖電流作用于SRAM上,使其存儲(chǔ)狀態(tài)發(fā)生變化,導(dǎo)致單粒子效應(yīng)的產(chǎn)生。利用仿真手段模擬不同尺寸NMOS管受大氣中子輻射,產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖電流的整個(gè)過程,得出不同能量大氣中子入射NMOS管產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖電流以及相同能量大氣中子輻射不同尺寸NMOS管產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖電流。從仿真結(jié)果可以得出:隨著入射大氣中子能量的增大,NMOS管受其輻射效應(yīng)產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖電流越大;而隨著NMOS管尺寸的減小,其受大氣中子輻射效應(yīng)產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖電流也越大。經(jīng)與國(guó)外相關(guān)仿真結(jié)果對(duì)比,所得結(jié)論與其相符,為未來開展FPGA大氣中子輻射效應(yīng)提供參考,并可指導(dǎo)FPGA抗單粒子翻轉(zhuǎn)加固的實(shí)施,具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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