基于TCAD仿真建模的瞬時劑量率效應研究

初 飛，陳洪轉，于春青，鄭宏超，王 亮，楊程遠

（1.南京航空航天大學，南京 211106；2.北京微電子技術研究所，北京 100076）

1 引 言

抗輻射加固CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）微處理器在多個領域用途廣泛，是宇航／裝備型號系統(tǒng)的關鍵核心器件。 對于超深亞微米CMOS 集成電路，瞬時劑量率效應是眾多輻射效應中，影響最復雜、加固難度最大的效應。 微處理器對瞬時劑量率輻射十分敏感，在不同劑量率輻射下，會產生擾動、翻轉、閂鎖甚至燒毀等各種問題。開展微處理器的劑量率輻射效應研究具有重要意義，也是當前國內外抗輻射加固技術研究的重點和難點之一。

目前，國內研究人員對此類電路瞬時劑量率效應可靠性的研究均采用試驗的方法，由于國內輻射源機時緊張，試驗費用較高，對所有電路開展輻射效應研究成本太高，故提出一種仿真評估策略對集成電路進行瞬時劑量率效應的可靠性研究，并通過瞬時劑量率試驗驗證了其仿真的有效性。 仿真是保證設計準確性的關鍵途徑，對于抗瞬時劑量率加固設計，更需要通過仿真來確定設計邊界，預估設計的抗輻射能力。 對于瞬時劑量率閂鎖加固，需要通過仿真技術來對加固結構進行仿真，仿真手段對研究器件級的瞬時劑量率輻射效應機理和分析光電流本身的行為具有重要的意義，對實際出現(xiàn)的輻射響應的研究和分析也具有重要的指導作用。

選取一款0.18 μm 百萬門級抗輻射加固微處理器作為目標電路，利用TCAD（Technology Computer Aided Design）仿真工具對最基本的組成單元PMOS（Positive channel Metal Oxide Semiconductor）、NMOS（Negative channel Metal Oxide Semiconductor）管進行了劑量率輻射效應建模仿真，獲得了MOS（Metal Oxide Semiconductor）管瞬時劑量率光電流變化數(shù)據(jù)，并在瞬時劑量率輻射源裝置上開展了瞬時劑量率輻射試驗。

2 瞬時劑量率效應仿真

在CMOS 工藝下，高瞬時劑量率輻射效應會在半導體器件中產生很強的瞬時光電流，由于電路中存在的寄生結構會降低阱的電位，使寄生三極管處于開啟狀態(tài)，放大瞬時光電流，給電路造成嚴重影響，導致電路發(fā)生閂鎖。 保護環(huán)結構在版圖布局中對PMOS 和NMOS 也有廣泛應用，當電路受到瞬時劑量率輻射時，產生大量光電流，由于保護環(huán)的存在，使得阱電阻降低，光電流流過阱形成的電壓降減小，存在于MOS 中的寄生三極管的發(fā)射結不能處于正偏狀態(tài)，從而對初級光電流不產生放大作用。 本文中的目標電路采取保護環(huán)結構進行抗輻射加固設計，保護環(huán)布局結構能夠減弱由瞬時劑量率效應導致的阱電位擾動，從而提高寄生三極管開啟的閾值。

使用器件級仿真工具TCAD 軟件，對微處理器中最基本組成單元PMOS 和NMOS 器件進行了三維物理建模，并引入了劑量率效應仿真模型，對其開展了劑量率效應的仿真研究。 利用TCAD 進行仿真建模，首先，需要對MOS 器件進行網(wǎng)格劃分，將大的器件轉化成小的網(wǎng)格，然后利用物理方程進行數(shù)值計算，進而可以得到精確的電學和物理參數(shù)。 劑量率輻射效應仿真，需要在physics 模塊語句中加入修正過的Gamma Radiation Model 模型，同時需要設置doserate（劑量率大小）和doserate time（劑量率保持時間），DoseTSigma 參數(shù)和Doserate time 參數(shù)一起來確定在輻射時高斯分布的標準偏差。 劑量率輻射效應仿真在Sdevice 工具中進行，仿真時通過在某一個時刻加入瞬時劑量率輻射效應，仿真器件在工作中達到穩(wěn)態(tài)后對輻射效應的響應，得到電流波形和電壓隨時間的變化以及相應內部載流子的變化。 得到的仿真特性通過Tecplot 工具進行查看。Sentaurus TCAD 的仿真步驟如圖1 所示。

圖1 Sentaurus TCAD 仿真步驟Fig．1 Simulation steps of sentaurus TCAD

仿真時，將NMOS 器件的偏置設置為N 管柵接0 V，源接0 V，漏接1.8 V，P 阱接0 V，襯底接0 V，該偏置可以更加直觀的觀察光電流的大小，去除了器件開啟的工作電流。 瞬時劑量率仿真的輻射參數(shù)設置：劑量率為1.3×10rad（Si），輻射脈寬為25 ns。仿真得到的NMOS 光電流分布如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，漏極收集的光電流最大，峰值是0.12 μA，襯底的光電流峰值為0.07 μA，P阱的光電流峰值為0.12 μA，源極的光電流峰值為0.06 μA。 經過分析，產生的瞬時光電流，主要是經過輻射產生的非平衡載流子被耗盡區(qū)分離和擴散等過程形成的，PN 結面積越大，輻射產生的非平衡載流子越多。 因此，PN 結面積是影響NMOS 中瞬時光電流大小的主要因素。

圖2 NMOS 器件光電流仿真圖（非加固）Fig．2 Simulation results of photocurrent generated in NMOS（unhardened）

同理，將PMOS 器件的仿真設置為柵接1.8 V，源接1.8 V，漏接0 V，N 阱接1.8 V，襯底接0 V。劑量率設置為1.3 ×10rad（Si），輻射脈寬為25 ns。仿真得到的PMOS 光電流分布如圖3 所示。 對于PMOS 器件，源極收集的光電流最大，峰值電流為7.4 μA，襯底光電流為7 μA，N 阱光電流的峰值為0.6 μA，漏極光電流的峰值為1 μA。 經過分析，仿真獲得的源極光電流峰值較大，主要受寄生雙極效應影響，PMOS 器件產生的光電流峰值比NMOS 器件光電流峰值高將近2 個數(shù)量級，因此，本次仿真預估主要考慮PMOS 器件的影響。

圖3 PMOS 光電流仿真結果（非加固）Fig．3 Simulation results of photocurrent generated in PMOS（unhardened）

為了驗證版圖加固效果，在相同的瞬時劑量率仿真輻射參數(shù)設置條件下，對非版圖加固和版圖加固的PMOS 管進行了劑量率效應仿真，仿真獲得的PMOS 管源極光電流如圖4 所示。 在劑量率為1.3 ×10rad（Si）時，非版圖加固的PMOS 管源極收集的峰值電流為7.4 μA，版圖加固的PMOS 管源極收集的峰值電流為0.19 μA，仿真結果證明版圖加固有效。

圖4 非加固與加固PMOS 光電流對比Fig．4 Comparison of source photocurrent between unhardened and hardened PMOS

為了預估微處理器電路整體瞬時光電流，采用版圖加固的PMOS 器件在1.3 ×10rad（Si）劑量率仿真下得到瞬時光電流0.19 μA，乘以百萬門級微處理器電路的器件數(shù)量（以每個門有4 個晶體管為例，每對PMOS 和NMOS 只有一個導通，根據(jù)經驗預估百萬門加固微處理器大約有200 萬個PMOS 晶體管，因此乘以2 000 000 個PMOS 管的光電流），可以預估整體電路瞬時光電流峰值約為380 mA。

3 測試系統(tǒng)與測試判據(jù)

該瞬時劑量率輻射試驗主要有兩個目的：一是獲取微處理器電路的瞬時輻射光電流，以驗證仿真結果的準確性；二是測試電路的抗劑量率瞬時閂鎖能力，以驗證設計加固手段的有效性。

微處理器瞬時劑量率效應試驗系統(tǒng)由微處理器和外圍電路組成，其中，外圍電路由程序PROM、內存FRAM 和通信RS485 組成，該試驗系統(tǒng)與遠端計算機通過RS485 通訊方式連接。 微處理器運行典型運算功能，程序運算結果通過串口發(fā)回遠端監(jiān)控計算機。 程控電源可以實時監(jiān)控采集處理器的工作電流，通過上位機控制系統(tǒng)將電流采集結果自動保存在上位機中。 示波器監(jiān)控微處理器的輸出功能信號擾動情況，判斷功能信號擾動是否自動恢復。 瞬時劑量率試驗系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 瞬時劑量率試驗系統(tǒng)圖Fig．5 Diagram of dose rate experiment system

微處理器的電壓設置為最高偏壓，工作頻率設置為100 MHz，上電啟動后，讀取PROM 中的程序，加載時間為340 ms。 初始化完成后，通過計數(shù)器程序，每計數(shù)10 萬次，PIO4 與PIO5 輸出端口（兩端口反相）高低變化一次，即輸出周期為1.36 s 方波至示波器，同時通過上位機串口顯示輸出狀態(tài)，并將結果保存在控制計算機中。 微處理器運行時，每隔7 μs 向FRAM 存儲數(shù)據(jù)寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)和記錄程序運行位置的標志位，由于FRAM 具有數(shù)據(jù)不易丟失的特點，在瞬時劑量率輻照條件下，即使微處理器瞬間掉電再恢復，程序也可自動在斷點處繼續(xù)上次結果恢復運行。

瞬時劑量率試驗流程如圖6 所示：

圖6 瞬時劑量率試驗流程圖Fig．6 Flow chart of dose rate experiment

（1）上電初始化，微處理器從PROM 中自動加載測試程序并執(zhí)行；

（2）微處理器循環(huán)執(zhí)行典型運算程序，監(jiān)控輸出端口波形信號，保存串口輸出數(shù)據(jù)，示波器監(jiān)測光電流變化情況；

（3）開始瞬時劑量率輻照，如果功能信號正常，試驗結束，如果功能信號異常，自動重新加載程序，恢復上次斷點運行，記錄斷點前后時刻的波形和串口變化數(shù)據(jù)，試驗結束。

4 輻照試驗結果分析

在瞬時劑量率試驗源裝置上進行輻照試驗，該裝置可模擬多種瞬時劑量率脈沖輻射環(huán)境，提供的輻射參數(shù)如表1 所示。 本次試驗采用窄脈沖γ 類型。

表1 瞬時劑量率輻射源裝置參數(shù)Tab．1 Parameters of instantaneous dose rate radiation source equipment

瞬時劑量率試驗結果如表2 所示，結果表明，采用加固的處理器電路具有較好的抗瞬時劑量率能力，仿真獲得光電流峰值與試驗光電流峰值誤差小于5%，證明瞬時劑量率仿真結果具有指導意義。

表2 劑量率效應試驗結果Tab．2 Experiment results of dose rate effect

經過分析，試驗和仿真光電流峰值誤差主要來自三個方面：一是仿真僅覆蓋了典型晶體管尺寸和典型物理版圖，而實際微處理器電路構成非常復雜，晶體管尺寸和版圖有多種變化，單元電路的結構也不盡相同；二是仿真中為晶體管供電的電源是理想的（即沒有內阻），而實際測試中電路的電源供電能力有限，在光電流較大時，電源、板級和芯片內部的壓降變大，減弱了瞬時劑量率的影響；三是仿真模型的不確定度和試驗誤差。

5 結束語

本文針對一款抗輻射加固的微處理器電路進行了全新的瞬時劑量率效應可靠性研究探索，從仿真角度出發(fā)，利用TCAD 仿真工具對NMOS 和PMOS 管進行了器件級瞬時劑量率仿真，分別獲取了器件瞬時光電流的變化數(shù)據(jù)，結合電路規(guī)模和實際加固設計，預估了微處理器在瞬時劑量率輻射下的瞬時光電流峰值。 在輻射源裝置上進行了瞬時劑量率輻射試驗，獲得了瞬時光電流數(shù)據(jù)，對比仿真與試驗結果可以得出以下結論：

（1）由仿真和試驗驗證結果可知，文中加固措施可以大幅度提高電路的抗瞬時劑量率效應性能；

（2）由仿真與試驗對比結果得到仿真與試驗誤差小于5%；

（3）基于TCAD 仿真工具開展瞬時劑量率光電流大小仿真，結合實際電路設計和電路規(guī)模，預估電路在瞬時劑量率輻射下的瞬時光電流峰值具有一定參考價值。