0．18μm NMOS的重離子單粒子瞬態(tài)脈沖的仿真模擬

李 飛，安海華

(西安衛(wèi)光科技有限公司，西安710065)

LI Fei*，AN Haihua

(Xi’an WeiGuang Science＆Technology Co．，Ltd．，Xi’an 710065，China)

從1975年提出單粒子效應(yīng)以來，國內(nèi)外就展開了對單粒子效用的研究。國內(nèi)目前實(shí)驗(yàn)室條件下能夠利用的單粒子模擬粒子源抓藥有252Cf源裝置、14 MeV中子發(fā)生器，35 MeV質(zhì)子加速器以及HI-13串列加速器［2，8］。但是實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜而且費(fèi)時(shí)，成本也很大。所以采用仿真軟件從理論上模擬單粒子效應(yīng)，有助于對單粒子效應(yīng)機(jī)理的研究，對一些新材料和新結(jié)構(gòu)的器件，也能做出抗單粒子效應(yīng)能力的評估，這也是仿真軟件的一大優(yōu)勢［1］。

1 重離子物理模型［7］

利用ISE TCAD軟件對NMOSFET的重離子產(chǎn)生的SET進(jìn)行了模擬仿真。采用流體動(dòng)力學(xué)模型，物理模型還考慮了影響壽命的SRH復(fù)合，餓歇復(fù)合，載流子之間的散射、遷移率隨摻雜濃度的變化以及禁帶變窄等。

在ISE中，重離子注入后，與電流連續(xù)方程所對應(yīng)的過剩載流子產(chǎn)生率可以和輻射的參數(shù)線性能量傳輸LET(入射粒子在單位長度上淀積的能量除以材料的密度，單位為MeV/(mg·cm2)聯(lián)系起來。

在硅材料中，單粒子效應(yīng)在單位長度上產(chǎn)生的電子——空穴對為:

所以LET還有一個(gè)單位pC/μm，在后面進(jìn)行器件數(shù)值模擬時(shí)，我們將用到這個(gè)單位。

其中，Nehp和Pehp分別是重離子注入所產(chǎn)生的電子和空穴對數(shù)［4］。R(w)和T(t)分別描述重離子產(chǎn)生的電子空穴對的空間和時(shí)間分布，通過和這兩個(gè)的函數(shù)相聯(lián)系，借助產(chǎn)生率方程就將重離子注入產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)包含在連續(xù)方程中了。

模擬的基本過程是:首先不考慮產(chǎn)生、復(fù)合項(xiàng)，求得穩(wěn)態(tài)解;然后在穩(wěn)態(tài)解得基礎(chǔ)上考慮單粒子注入影響，即模擬計(jì)算中加入產(chǎn)生復(fù)合項(xiàng)，求得瞬態(tài)解;最后得到粒子注入后產(chǎn)生的電流脈沖級電壓隨時(shí)間的變化過程。

2 NMOS器件結(jié)構(gòu)和模擬條件

NMOSFET在ISE MDRAW中的結(jié)構(gòu)和摻雜如圖1所示，其中溝道長度為0．18μm，柵氧化層為10 nm，多晶柵的厚度為100 nm。假設(shè)重離子垂直注入截止 NMOSFET 的漏區(qū)點(diǎn)(0．22，0)處，LET 為0．4 pC/μm，電離電荷的產(chǎn)生率在空間和時(shí)間均呈高斯分布，特征半徑分別為0．1μm和2 ps，并且采用圖3(c)所示的電路連接，仿真得到的NMOS的漏極電流和電壓隨時(shí)間變化的曲線如圖2所示。圖中給出的電壓隨時(shí)間變化的模擬結(jié)果可以用來討論單元是否翻轉(zhuǎn)。圖中在時(shí)間到2．5×10-11s的時(shí)候，漏極電壓降到了0．020 9 V，之后又慢慢回歸到了高電位。由于電壓基本達(dá)到了零點(diǎn)幾伏，所以可以認(rèn)定在重離子作用下，單元發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。

圖1 NMOSFET的結(jié)構(gòu)和摻雜圖

圖2 漏極電流和電壓隨時(shí)間變化的曲線

3 外電路連接方式對SET電流脈沖的影響

MOS管各個(gè)電極的電壓不同，仿真得到的單粒子瞬態(tài)脈沖的峰值和脈寬都有很大的區(qū)別。圖3是ISE仿真中外加電路的三種連接方式，圖4為柵長0．18μm的NMOS管在圖3的電路連接方式下產(chǎn)生的對應(yīng)單粒子瞬態(tài)電流脈沖。其中電阻為4 kΩ，電容的大小為4×10-15F，V dd為5 V，比其他的仿真所加的電壓大，主要是為了證明漏極電壓大小和變化對 SET 脈沖的影響［9］。

圖3 ISE仿真中外加電路的三種連接方式

圖4 柵長0．18μm的NMOS管在圖3的電路連接方式下產(chǎn)生的對應(yīng)單粒子瞬態(tài)電流脈沖

第1種情況，NMOS管漏極直接接電源，漏pn結(jié)的反偏電壓是一個(gè)固定值，同時(shí)源極接地，而第2種情況源極也接高電位，相當(dāng)于兩個(gè)并聯(lián)的二極管。二者的差別是前者存在源極提供的電子，會(huì)導(dǎo)致寄生雙極放大效應(yīng)，SET電流比后者多了雙極放大的成分，因此第1個(gè)電流峰值的主要成分即為雙極放大電流，SET電流脈沖的最大值是由雙極放大效應(yīng)導(dǎo)致的。第2種情況下，因?yàn)樵礃O接了高電位，所以有效的抑制了雙極放大效應(yīng)對SEU電流脈沖的影響［10］。此時(shí)，電離電荷除了被漏極收集以外，還可能被源極收集，所以漏極電流比第1種小得多。如果pn結(jié)的反偏電壓是由外部電路控制的話，比如在CMOS反相器電路中。我們采用一個(gè)上拉電阻來模擬CMOS電路中的PMOS管，例如在第3種的電路中。一開始pn結(jié)存在反偏電壓，在高能粒子入射后，產(chǎn)生的漏極電流逐漸增大使得反偏電壓逐漸下降，幾個(gè)ps之后，反偏電壓下降為0。分析第1種和第3種情況，兩者的區(qū)別就在于漏極電壓，前者漏極直接接電源，電壓不會(huì)下降，而后者重離子入射產(chǎn)生電壓脈沖。因此我們得到結(jié)論，第3種情況下，雙極放大引起的電流和漂移電流的成分只在單粒子注入開始的幾個(gè)ps內(nèi)存在，當(dāng)反偏電壓降0之后，剩下的時(shí)間是靠電荷的擴(kuò)散機(jī)制來收集電荷，用來維持已經(jīng)翻轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)。這組模擬結(jié)果說明了雙極放大效應(yīng)主要受漏極電壓的影響，電壓越高，雙極放大效應(yīng)越顯著，另外，作為雙極放大效應(yīng)發(fā)射極的NMOS管的源極的電壓，也是重離子注入中的雙極放大效應(yīng)是否會(huì)開啟的重要影響因素。而仿真結(jié)果很好的驗(yàn)證了這一點(diǎn)［6］。

4 重離子注入位置對SEU電流脈沖的影響

ISE仿真中，重離子注入位置對NMOS產(chǎn)生的SET脈沖的峰值和脈寬有很大的影響。這主要是因?yàn)閱瘟Ｗ有?yīng)電荷收集機(jī)制中，漂移和擴(kuò)散在單粒子不同注入位置的電荷收集中所占的比重不同導(dǎo)致的。圖5，單粒子注入位置從源極到漏極，進(jìn)行一次其他條件完全相同的仿真，得到了一簇SET電流脈沖和時(shí)間的曲線圖。

眾所周知，漏/體結(jié)的電場的擾亂產(chǎn)生了漂移電流，因此最大的SET脈沖產(chǎn)生在漏/體結(jié)處(0．08，0)，產(chǎn)生越大的電場擾動(dòng)使漏極收集到更多的電荷，從而產(chǎn)生更大的SET脈沖。對于(0．22，0)處，所有由重離子注入產(chǎn)生的電荷都淀積在重?fù)诫s漏區(qū)，對電場和電勢產(chǎn)生的擾動(dòng)較小，減小了由于漂移而產(chǎn)生的漏極電流，使大量的電荷都通過擴(kuò)散來收集，因而也產(chǎn)生了一個(gè)寬的瞬態(tài)電流響應(yīng)。所以重離子注入位置離漏/體結(jié)越近，SET峰值越高，脈寬越小。反之，則擴(kuò)散電流所占的成分越多，SET峰值越低，脈寬越大［5］。

圖5

5 結(jié)論

經(jīng)過對0．18μm柵長NMOSFET的SET電流脈沖的深入分析，詳細(xì)的了解了納米MOS電路中單粒子瞬變電荷收集機(jī)理，為下一步建立SET的精確模型，進(jìn)行電路和系統(tǒng)級的SET效應(yīng)的模擬做出了準(zhǔn)備，同時(shí)也為研究有效的抗單粒子效應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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