Buffer單元單粒子效應(yīng)及其若干影響因素研究

杜 明，鄒 黎，李曉輝，邱恒功，鄧玉良

(深圳市國(guó)微電子有限公司，廣東深圳518057)

Buffer單元單粒子效應(yīng)及其若干影響因素研究

杜 明，鄒 黎，李曉輝，邱恒功，鄧玉良*

(深圳市國(guó)微電子有限公司，廣東深圳518057)

基于標(biāo)準(zhǔn)0.13 μm工藝使用Sentaurus TCAD軟件采用3D器件/電路混合模擬方式仿真了buffer單元的單粒子瞬態(tài)脈沖。通過(guò)改變重離子的入射條件，得到了一系列單粒子瞬態(tài)電流脈沖(SET)。分析了LET值、入射位置、電壓偏置等重要因素對(duì)SET峰值和脈寬的影響。研究發(fā)現(xiàn)，混合模式仿真中的上拉補(bǔ)償管將導(dǎo)致實(shí)際電路中SET脈沖的形狀發(fā)生明顯的變化。

buffer;電荷收集;單粒子瞬態(tài)脈沖;TCAD仿真

隨著工藝尺寸的縮減，單粒子效應(yīng)引起CMOS集成電路的失效越來(lái)越嚴(yán)重。因此，就很有必要對(duì)CMOS器件和集成電路的抗單粒子能力進(jìn)行預(yù)測(cè)。我們常用的預(yù)測(cè)方法是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬實(shí)際空間中的輻照效應(yīng)。但是實(shí)驗(yàn)過(guò)程不但復(fù)雜費(fèi)時(shí)，而且成本很高。所以采用仿真軟件從理論上模擬單粒子效應(yīng)，對(duì)器件的抗單粒子能力進(jìn)行評(píng)估，是一項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)意義的工作。

器件/電路混合模擬可以將Hspice中的電路結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到Sentaurus TCAD中的器件仿真工具Sdevice中，對(duì)關(guān)鍵器件或敏感器件使用3D器件模型代替，通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接后在Sdevice中進(jìn)行輻照效應(yīng)的仿真。已有研究表明，混合模擬得到的結(jié)果與工藝線上實(shí)際生產(chǎn)的芯片進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)的結(jié)果接近。

本文基于0.13 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，通過(guò)器件/電路混合模擬方式對(duì)易翻轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)buffer單元的單粒子效應(yīng)進(jìn)行了仿真，分析了對(duì)單粒子瞬態(tài)電流脈沖產(chǎn)生顯著影響的3種主要因素。

1 重離子入射模型

重離子入射的過(guò)程可用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型來(lái)表示，如圖1所示。重離子入射過(guò)程建模為一個(gè)以粒子入射軌跡為軸的等離子圓柱體［1］。

圖1 重離子入射模型

由重離子入射所產(chǎn)生的過(guò)剩載流子產(chǎn)生率可表示為:

如果l＜lmax(lmax為入射粒子的軌跡長(zhǎng)度)，那么則:

如果l≥lmax，R(w，l)和T(t)分別為描述產(chǎn)生率的空間和時(shí)間變量。GLET表示線性能量傳輸產(chǎn)生密度，單位為pair/cm3。GLET(l)的大小由粒子的種類(lèi)、能量和射程決定［2］。線性能量傳輸(LET)，表示入射粒子在單位長(zhǎng)度上淀積的能量除以材料的密度，單位為MeV·cm2/mg。LET與GLET(l)可以通過(guò)公式互換，LET在TCAD中通常用pC/μm這個(gè)單位來(lái)描述，換算如下:

空間分布R(w，l)采用高斯分布可表示為

w表示從粒子軌跡到邊緣到中心的垂直距離，定義為粒子軌跡半徑;wt為半徑特征值。

T(t)定義為高斯時(shí)間分布函數(shù)如下:

time表示重離子注入時(shí)刻，shi是高斯特征值，表示入射離子的脈沖寬度。

2 混合模擬流程和器件模型

在器件/電路混合模擬中，對(duì)于粒子入射單元采用器件模擬，其他單元采用電路網(wǎng)表結(jié)合BSIM模型參數(shù)代入模擬，可以模擬得到高能粒子撞擊器件時(shí)電路中各點(diǎn)電壓電流的變化，從而判斷是否發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)［3］。典型的混合模擬示意圖如圖2所示。

圖2 混合模擬示意圖

器件/電路混合模擬的典型流程如圖3所示。首先使用SDE構(gòu)建器件結(jié)構(gòu)，指定摻雜的區(qū)域和濃度以及離散化策略等。然后使用MESH生成網(wǎng)格化的器件結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與器件結(jié)構(gòu)匹配。在SDEVICE的配置文件中設(shè)定好物理模型和參數(shù)，設(shè)置好模擬的時(shí)間和邊界條件等等，進(jìn)行器件模擬。最后通過(guò)TECPLOT和INSPECT來(lái)查看和分析模擬結(jié)果。

buffer單元的混合仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示，第1級(jí)反相器的NMOS管(N1)使用TCAD建立的3D器件模型，電路的其他部分都用BSIM3電路模型代入。器件模型和電路模型在電極處耦合。

圖3 器件/電路混合模擬流程

圖4 buffer單元電路/器件混合模擬結(jié)構(gòu)

本文基于標(biāo)準(zhǔn)0.13 μm工藝構(gòu)造NMOS器件模型。設(shè)定NMOS管的溝道長(zhǎng)度為0.13 μm，溝道寬度為0.65 μm，柵氧厚度為2.58 nm，源/漏結(jié)深為0.08 μm，多晶柵的厚度為0.1 μm，襯底厚度為3 μm。襯底區(qū)域使用均勻摻雜，溝道、源漏、LDD等區(qū)域使用高斯函數(shù)進(jìn)行摻雜［4］。NMOS器件模型的結(jié)構(gòu)和摻雜如圖5所示。

圖5 NMOS器件模型

3 單粒子效應(yīng)模擬

單粒子效應(yīng)模擬的基本思想是:首先不考慮產(chǎn)生、復(fù)合項(xiàng)，求得半穩(wěn)態(tài)解;然后在半穩(wěn)態(tài)解的基礎(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，得到粒子注入后產(chǎn)生的電流脈沖及電壓隨時(shí)間的變化過(guò)程［5］。

引入輻照效應(yīng)時(shí)，設(shè)定重離子于0.76 ns時(shí)刻垂直入射在NMOS器件的漏極中心點(diǎn)，入射深度為3 μm，軌跡半徑為0.1 μm，LET值為50 MeV·cm2/mg。電離電荷的產(chǎn)生率在空間和時(shí)間上均呈高斯分布。

在上述條件下得到buffer單元在重離子入射后，NMOS管的瞬態(tài)電流脈沖曲線如圖6所示。被重離子直接撞擊的NMOS管(N1)的漏電流產(chǎn)生了一個(gè)瞬態(tài)脈沖，與單個(gè)NMOS管仿真結(jié)果不同的是，該瞬態(tài)脈沖還出現(xiàn)了一個(gè)明顯的“臺(tái)階區(qū)”。這是因?yàn)樵谘芯繂蝹€(gè)晶體管的電荷收集時(shí)，漏極偏壓一般為恒定值，而在實(shí)際電路中，被轟擊晶體管的漏極通常連接著與之對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，正如圖4所見(jiàn)，其中器件模型為 N1，而其中的 P1管則作為該NMOS管的上拉補(bǔ)償管，這種補(bǔ)償電路稱為恢復(fù)電路［6］。這一恢復(fù)電路將導(dǎo)致實(shí)際電路中SET脈沖的形狀發(fā)生明顯的變化，其特征是出現(xiàn)所謂的“臺(tái)階區(qū)”，如圖6所示。研究表明，臺(tái)階區(qū)電壓的高低取決于阱/襯底接觸的位置和摻雜分布［7］，而臺(tái)階區(qū)的寬度則與雙極放大效應(yīng)密切相關(guān)。

圖6 重離子入射后NMOS管的瞬態(tài)電流脈沖

4 影響因素分析

4.1 LET值

不同LET值條件下混合模擬的結(jié)果如圖7所示，LET值越大，漏電流瞬態(tài)脈沖峰值和脈寬都增大。當(dāng)LET值為1 pC/μm時(shí)，起初電流迅速增大，這是因?yàn)?，LET值很大時(shí)入射粒子在器件內(nèi)淀積的能量越多，進(jìn)而產(chǎn)生的電子空穴對(duì)也多，載流子濃度升高，被漏極收集的幾率就增大。隨后電流緩慢下降，一方面是由于LET值大，產(chǎn)生的電子空穴對(duì)濃度高，擴(kuò)散作用強(qiáng)，這主要是由于觸發(fā)了雙極放大效應(yīng)。

4.2 入射位置

集成電路處于空間輻射環(huán)境中，輻射源存在于各個(gè)方向，高能粒子可能入射到器件的各個(gè)位置上。因此很有必要確定高能粒子入射在器件的哪個(gè)區(qū)域或位置上使得器件最容易翻轉(zhuǎn)。

圖7 LET值對(duì)漏電流的影響

如圖8所示，重離子注入位置從源極道漏極，進(jìn)行一次其他條件完全相同的仿真，得到了一簇瞬態(tài)電流脈沖曲線圖。重離子入射到源極和柵極，對(duì)應(yīng)于圖8中入射位置為1 μm和1.265 μm的曲線，這時(shí)的瞬態(tài)脈沖電流峰值和脈寬都非常小;而當(dāng)入射到體-漏結(jié)，對(duì)應(yīng)于圖8中入射位置為1.34 μm到1.37 μm的曲線，可見(jiàn)漏極收集的電流達(dá)到最大。這是因?yàn)槁┙Y(jié)耗盡層電場(chǎng)強(qiáng)度大，漂移作用強(qiáng)。由此可見(jiàn)，對(duì)于體硅器件，重離子注入到敏感區(qū)域比非敏感區(qū)域產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖的峰值和電流持續(xù)時(shí)間都要大。

圖8 入射位置對(duì)漏電流的影響

4.3 電壓偏置

設(shè)定Vdd電壓分別為1.2 V、1.8 V、3.3 V、4 V、5 V時(shí)混合模擬得到的結(jié)果如圖9所示。外接電壓小，電流脈沖峰值小，總的收集電荷也少。而電源電壓越大，收集的電荷越多。單粒子在Si內(nèi)產(chǎn)生的電荷首先會(huì)進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)輸，當(dāng)?shù)竭_(dá)結(jié)區(qū)時(shí)被收集，更大的反偏電壓會(huì)增加耗盡區(qū)寬度，形成大的空間電荷及電場(chǎng)，從而在粒子入射時(shí)淀積的電荷也會(huì)更多，電場(chǎng)作用下電場(chǎng)漂移也會(huì)更快，因此單粒子注入產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖電流也會(huì)更大，達(dá)到瞬態(tài)電流峰值的時(shí)間也會(huì)更短，此外，在高的反偏電壓下，漏斗效應(yīng)的時(shí)間也會(huì)增長(zhǎng)，電場(chǎng)輔助下收集的電荷也越多。然而電壓減小并不能提高器件的抗單粒子翻轉(zhuǎn)的能力，因?yàn)槿绻妷合陆担骷呐R界電荷也會(huì)相應(yīng)變小，從而使得器件更容易翻轉(zhuǎn)。

圖9 不同外接電壓對(duì)漏電流的影響

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)buffer單元的器件/電路混合模式仿真，可以發(fā)現(xiàn)，存在著多種因素影響電荷收集，進(jìn)而影響NMOS管的重離子單粒子瞬態(tài)脈沖。在進(jìn)行電荷收集時(shí)，一般會(huì)發(fā)生電場(chǎng)引起的漂移、電荷漏斗助漂移，濃度梯度引起的擴(kuò)散和雙極放大效應(yīng)等現(xiàn)象［8］，其中哪種現(xiàn)象占主導(dǎo)地位則由入射粒子LET值以及器件外接電壓、入射位置等諸多因素共同決定，粒子入射在器件靈敏區(qū)上產(chǎn)生的單粒子效應(yīng)更為嚴(yán)重。LET值和外接電壓大，靈敏區(qū)內(nèi)淀積的空穴濃度就高，雙極放大效應(yīng)所起的作用就大。所以在我們的電路和版圖設(shè)計(jì)中，就要同時(shí)兼顧這些關(guān)鍵因素的共同影響，對(duì)敏感器件或節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗單粒子能力評(píng)估和抗輻照加固設(shè)計(jì)。

［1］ Buchner S，Baze M.Single-Event Transients in Fast Electronic Circuits［C］//IEEE NSREC Short Course，2001.

［2］ Gadlage M J，Schrimpf R D，Benedetto J M，et al.Single Event Transient PulseWidths in Digital Microcircuits［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2004，51(6):3285-3290.

［3］ Benedetto J，Eaton P，Avery K，et al.Heavy Ion-Induced Digital Single-EventTransients in Deep Submicron Processes［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2004，51(6):3480-3485.

［4］ Benedetto J M，Eaton P H，Mavis D G，et al.Digital Single Event TransientTrends with Technology Node Scaling［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2006，53(6):3462-3465.

［5］ Narasimham B，Ramachandran V，Bhuva B L，et al.On-Chip Characterization of Single-Event Transient Pulsewidths［J］.IEEE Transactions on Device and Materials Reliability，2006，6(4): 542-549.

［6］ 王長(zhǎng)河.單粒子效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星空間運(yùn)行可靠性影響［J］.半導(dǎo)體情報(bào)，1998，35(1):1-8.

［7］ 胡剛毅.微電子器件的抗輻射加固和高可靠技術(shù)［J］.微電子學(xué)，2003，33(3):224-231.

［8］ 陳盤(pán)訓(xùn).半導(dǎo)體器件和集成電路的輻射效應(yīng)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

鄧玉良(1969- )，男，遼寧人，漢族，深圳市國(guó)微電子有限公司高級(jí)工程師，博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，研究方向?yàn)楦咝阅芪⑻幚砥?、存?chǔ)器和可編程邏輯器件。

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