NMOS大氣中子輻射效應(yīng)仿真研究?

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。