輻射效應(yīng)易損性仿真能力建設(shè)的現(xiàn)狀與展望

丁李利,王 坦,王晨輝,齊 超,吳 偉,陳 偉

(強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;西北核技術(shù)研究所：西安710024)

電子器件輻射效應(yīng)易損性是指輻射在電子器件中產(chǎn)生各類效應(yīng)導(dǎo)致性能退化、功能異常、故障甚至損毀的概率或難易程度。隨著空間技術(shù)、核技術(shù)與微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,越來越多的電子器件應(yīng)用于輻射環(huán)境中,面臨總劑量效應(yīng)、位移損傷、單粒子效應(yīng)及瞬時(shí)劑量率效應(yīng)等威脅。為評價(jià)電子器件輻射效應(yīng)易損性,仿真計(jì)算已成為重要手段之一。早在1962年,美國賓夕法尼亞大學(xué)首次通過計(jì)算分析認(rèn)為宇宙射線會影響芯片的正常運(yùn)行,10年后人們才首次在在軌運(yùn)行的存儲器中發(fā)現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)(single event upset,SEU)[1]。1983年,美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室(Sandia National Laboratories, SNL)通過對3 μm標(biāo)準(zhǔn)單元庫的SPICE仿真,首次提出組合邏輯電路單粒子瞬態(tài)(single event transient,SET)的概念,還預(yù)測了SET可能是未來芯片的主要錯(cuò)誤來源[2],這些仿真結(jié)果在隨后的幾十年里被證實(shí)。

隨著電子器件在結(jié)構(gòu)、尺寸、材料和電壓等方面的不斷變化,輻射效應(yīng)和機(jī)理變得越來越復(fù)雜,各種影響因素間的相互耦合導(dǎo)致對輻射效應(yīng)的響應(yīng)變得難以估算,必須借助輻射效應(yīng)易損性仿真軟件和分析工具。

本文首先介紹電子器件輻射效應(yīng)易損性仿真的基本流程;其次介紹電子器件輻射效應(yīng)易損性分析軟件的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀;再次介紹本文作者團(tuán)隊(duì)取得的進(jìn)展,重點(diǎn)介紹開發(fā)的瞬時(shí)輻射效應(yīng)仿真軟件TREES 1.0,TREES 2.0,SREES系列產(chǎn)品;最后展望了未來的發(fā)展方向。

1 基本流程

電子器件輻射效應(yīng)易損性仿真的基本流程包括構(gòu)建電子器件模型、引入輻射效應(yīng)描述項(xiàng)、計(jì)算電子器件電學(xué)響應(yīng)、甄別并記錄效應(yīng)現(xiàn)象及評估輻射效應(yīng)易損性等。針對不同層次的電子器件模型,引入輻射效應(yīng)描述項(xiàng)的方式存在明顯差異,仿真分析中引入輻射效應(yīng)描述項(xiàng)如表1所列。

表1 仿真分析中引入輻射效應(yīng)描述項(xiàng)

結(jié)構(gòu)體模型適用于粒子輸運(yùn)模擬,通常借助通用的蒙特卡羅軟件,優(yōu)點(diǎn)在于輻射粒子種類齊全,支持不同種類、能量、角度的粒子;數(shù)值仿真模型適用于器件級仿真,通常借助商用TCAD仿真工具,劃分網(wǎng)格后求解載流子連續(xù)性方程、漂移擴(kuò)散或流體動(dòng)力學(xué)方程,利用數(shù)值方法研究器件內(nèi)部載流子輸運(yùn)的微觀過程,獲取最底層晶體管內(nèi)部載流子濃度、電勢及電場強(qiáng)度等物理量分布。針對版圖、網(wǎng)表、行為級描述等電子器件設(shè)計(jì)文件開展輻射效應(yīng)易損性仿真時(shí),通常需自行開發(fā)軟件并編制輻射效應(yīng)模型,定量構(gòu)建輻射與擾動(dòng)項(xiàng)之間的對應(yīng)關(guān)系,自主開發(fā)或調(diào)用電路仿真或行為級仿真工具,實(shí)現(xiàn)計(jì)算電子器件電學(xué)響應(yīng)、甄別并記錄效應(yīng)現(xiàn)象、評估輻射效應(yīng)易損性的目的。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

電子器件輻射效應(yīng)易損性分析軟件方面,美國開發(fā)了SEMM(soft error Monte Carlo model),MRED(Monte Carlo radiative energy deposition),Xyce等。

SEMM由IBM公司于1986年開發(fā)[3],第一代產(chǎn)品SEMM-1主要用于計(jì)算雙極工藝電路SEU的敏感性,利用簡化的結(jié)構(gòu)體模型描述器件特征,只針對PN結(jié)電場區(qū)進(jìn)行建模。假設(shè)輻射產(chǎn)生的過剩載流子基本不會改變器件中的電場分布,且直接入射的質(zhì)子或中子核反應(yīng)產(chǎn)生的重離子僅在徑跡范圍內(nèi)沉積能量產(chǎn)生過剩載流子,記錄每條穿越PN結(jié)電場區(qū)的徑跡在對應(yīng)節(jié)點(diǎn)沉積的電荷量,與預(yù)先設(shè)定的臨界電荷數(shù)值進(jìn)行對比,判定是否發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。為適應(yīng)對SEE更敏感的CMOS工藝電路,IBM于1996年報(bào)道了第二代產(chǎn)品SEMM-2,拓展了粒子輸運(yùn)模型的適用范圍,可針對CMOS工藝電路中多層金屬與鈍化層組成的1維復(fù)合結(jié)構(gòu)開展輸運(yùn)計(jì)算。圖1為SEMM-2中典型晶體管的結(jié)構(gòu)體模型示意圖[4]。

MRED由美國范德堡大學(xué)團(tuán)隊(duì)于2010年首次報(bào)道[5],圖2為MRED中入射質(zhì)子在靈敏體積內(nèi)沉積能量的示意圖。MRED利用非常簡化的平行六面體模型代表每個(gè)單元的靈敏體積,默認(rèn)只有在靈敏體積內(nèi)沉積的能量才可能引發(fā)SEE,優(yōu)勢在于能借助內(nèi)嵌的粒子輸運(yùn)軟件Geant4計(jì)算各種粒子在材料中的輸運(yùn)過程。

圖1 SEMM-2中典型晶體管的結(jié)構(gòu)體模型示意圖[4]

圖2 MRED中入射質(zhì)子在靈敏體積內(nèi)沉積能量的示意圖[5]

美國范德堡大學(xué)在2010～2020年發(fā)表的大量文章中給出了MRED的應(yīng)用實(shí)例及模型更新,提出了復(fù)合靈敏體積的概念,用于更加準(zhǔn)確地構(gòu)建結(jié)構(gòu)體模型,圖3為MRED軟件中利用實(shí)測單粒子效應(yīng)截面數(shù)據(jù)構(gòu)建復(fù)合靈敏體積結(jié)構(gòu)體模型的示意圖[6]。

(a)SEE cross-section measurement results

(b)Arrangements of sensitive volumes in MRED

Xyce由SNL于1999年開始研發(fā),主要目的是打造高速并行化電路仿真器,Xyce支持開展瞬時(shí)劑量率誘發(fā)的光電流注入仿真、瞬時(shí)中子誘發(fā)的位移損傷仿真,文獻(xiàn)中報(bào)道了Xyce軟件計(jì)算得到的差分放大器中考慮瞬時(shí)劑量率效應(yīng)和位移損傷前后的電路輸出信號[7],如圖4所示。

(a)Before irradiation

(b)After irradiation by a pulse

法國、日本開發(fā)的相關(guān)軟件也已多次見諸報(bào)道,在輻射效應(yīng)易損性分析中發(fā)揮了重要作用。Multi-Scales Single Event Phenomena Predictive Platform (MUSCA-SEP3)軟件由法國航空航天實(shí)驗(yàn)室于2009年首次報(bào)道,圖5為MUSCA-SEP3計(jì)算單粒子效應(yīng)敏感性的建模思路與計(jì)算流程[8]。與MRED相比,MUSCA-SEP3將處于反偏狀態(tài)的漏區(qū)作為靈敏區(qū)域進(jìn)行建模,每個(gè)單元中可能包含多個(gè)靈敏區(qū)域,靈敏區(qū)域的表面積等于漏區(qū)面積,深度代表耗盡區(qū)厚度,其結(jié)構(gòu)體模型更加貼近實(shí)際版圖。2009～2023年,歐洲多個(gè)科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合法國航空航天實(shí)驗(yàn)室,利用MUSCA-SEP3軟件計(jì)算了不同工藝節(jié)點(diǎn)存儲器、SRAM型FPGA的單粒子效應(yīng)敏感性,預(yù)測單粒子翻轉(zhuǎn)與多位翻轉(zhuǎn)的位圖及敏感截面[9]。

圖5 MUSCA SEP3計(jì)算單粒子效應(yīng)敏感性的建模思路與計(jì)算流程[8]

Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS)-Hyper Environment for Exploration of Semiconductor Simulation (HyENEXSS)由日本九州大學(xué)于2012年報(bào)道[10],其主要思路是粒子輸運(yùn)與器件級仿真聯(lián)合計(jì)算,首先借助PHITS代碼計(jì)算不同類型粒子入射產(chǎn)生的次級重離子,其次將重離子LET分布轉(zhuǎn)換為過剩載流子,隨之將過剩載流子分布導(dǎo)入3維數(shù)值仿真模型,計(jì)算過剩載流子在電場作用下發(fā)生的漂移和擴(kuò)散等電荷收集過程,獲取最底層晶體管內(nèi)部載流子濃度、電勢及電場強(qiáng)度等物理量分布。PHITS-HyENEXSS軟件的物理思路清晰,由于假設(shè)較少計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確,其劣勢在于數(shù)值仿真能夠計(jì)算的器件規(guī)模非常有限,很難針對電路開展單粒子效應(yīng)敏感性評價(jià)。圖6為PHITS-HyENEXSS軟件的計(jì)算流程[10]。

圖6 PHITS-HyENEXSS軟件的計(jì)算流程[10]

TFIT是法國IROC公司于2014年推出的單粒子效應(yīng)敏感性評測軟件,思路與Xyce類似,差異主要為針對單粒子效應(yīng)而不是核輻射效應(yīng)。通過在電路的敏感節(jié)點(diǎn)添加表征單粒子擾動(dòng)項(xiàng)的瞬態(tài)電流源,執(zhí)行電路仿真記錄擾動(dòng)項(xiàng)添加后的電路響應(yīng),即可判斷是否發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。

國內(nèi)的相關(guān)研究中,電子芯片設(shè)計(jì)單位包括航天科技集團(tuán)九院772所等采用雙指數(shù)電流源評價(jià)單元電路的抗輻照性能[11],國防科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了0.13 μm CMOS體硅工藝的2維查找表模型[12],能夠考慮實(shí)際電路中節(jié)點(diǎn)電壓動(dòng)態(tài)變化的影響,缺點(diǎn)為完全采用解析擬合的思路而忽略了電荷收集的實(shí)際物理過程,因此可拓展性存在不足。中國工程物理研究院構(gòu)建了體硅二極管、BJT、MOSFET的瞬時(shí)劑量率效應(yīng)單管模型,在線性穩(wěn)壓器和反相器鏈等電路中得到了應(yīng)用,但未給出與實(shí)測數(shù)據(jù)的校驗(yàn)結(jié)果[13]?？偟膩碚f,現(xiàn)有研究的不足之處在于缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)的校驗(yàn),并且未能形成可推廣應(yīng)用的分析軟件。

3 本文作者團(tuán)隊(duì)的研究進(jìn)展

本文作者團(tuán)隊(duì)在輻射效應(yīng)易損性仿真方面已開展了大量工作,所涉及的顆粒度包括結(jié)構(gòu)體模型、數(shù)值仿真模型、版圖、網(wǎng)表及系統(tǒng)級描述。針對如何構(gòu)建電子器件模型、如何引入輻射效應(yīng)擾動(dòng)項(xiàng)、如何設(shè)定效應(yīng)判據(jù)及判定計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確等方面展開了系統(tǒng)研究。利用仿真手段,預(yù)測電子器件受不同類型輻射效應(yīng)影響后發(fā)生性能退化、功能異常、故障甚至損毀的效應(yīng)規(guī)律與失效閾值。

在基于數(shù)值仿真模型計(jì)算器件單粒子效應(yīng)易損性方面,所開展的工作與日本PHITS軟件類似,典型應(yīng)用包括針對國產(chǎn)0.25 μm深亞微米30萬門FPGA BQV300,實(shí)現(xiàn)了粒子輸運(yùn)與電場驅(qū)動(dòng)下數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的單粒子效應(yīng)預(yù)測技術(shù)。圖7為利用蒙特卡羅方法計(jì)算單粒子效應(yīng)的模型與計(jì)算結(jié)果[14]。由圖7可見,仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性較好。

(a)Model for Monte Carlo simulation method

(b)Comparison of simulation and experimental results,with circles representing simulation results and blocks representing experimental results

基于結(jié)構(gòu)體模型計(jì)算器件單粒子效應(yīng)易損性方面,所達(dá)到的技術(shù)水平與美國MRED軟件相近,典型應(yīng)用包括開展40 nm商用SRAM中子誘發(fā)單粒子效應(yīng)敏感性計(jì)算,可人為設(shè)定臨界電荷值,靈敏區(qū)內(nèi)收集電荷超過該閾值即判定發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn),圖8為SRAM單元陣列結(jié)構(gòu)體模型示意圖[15]。

圖8 SRAM單元陣列結(jié)構(gòu)體模型示意圖[15]

基于網(wǎng)表計(jì)算器件累積輻射損傷易損性方面,完成國產(chǎn)WX40工藝單管試驗(yàn)芯片設(shè)計(jì)和流片,獲取晶體管中子位移損傷和總劑量效應(yīng)測試數(shù)據(jù),構(gòu)建輻照后晶體管損傷模型;執(zhí)行電路仿真,即可獲得中子、γ輻照后電學(xué)參數(shù)退化情況[16]。

基于版圖計(jì)算器件瞬時(shí)輻射效應(yīng)易損性是近年來的研究熱點(diǎn),這種思路可集成于標(biāo)準(zhǔn)集成電路設(shè)計(jì)流程,無須單獨(dú)構(gòu)建電子器件模型,便于被設(shè)計(jì)人員直接調(diào)用,可在電路設(shè)計(jì)階段快速評價(jià)是否滿足抗輻照指標(biāo)。針對單粒子瞬態(tài)效應(yīng),解決了底層器件瞬態(tài)強(qiáng)耦合與納米尺度復(fù)雜機(jī)制影響的精確全面表述難題,提出并建立了逼真的輻射效應(yīng)物理模型和高效實(shí)用的仿真方法[17]。針對納米工藝電路尺寸變小導(dǎo)致電荷共享加劇、次級效應(yīng)增強(qiáng)及電荷收集作用半徑嚴(yán)重時(shí)可能覆蓋上千個(gè)有源結(jié)區(qū)等現(xiàn)狀,開展了一系列的相關(guān)研究,重點(diǎn)解決納米尺度電路單粒子臨界電荷已低至1 fC以下時(shí)擴(kuò)散收集建模、電路反饋對單粒子瞬態(tài)脈沖的調(diào)制作用建模及寄生結(jié)構(gòu)提取并對寄生結(jié)構(gòu)外加的瞬時(shí)電壓進(jìn)行全時(shí)域描述等技術(shù)難題。創(chuàng)新性提出一種將實(shí)際有源區(qū)面積、形狀與重離子入射位置合成,形成自定義無量綱漂移因子和擴(kuò)散因子的方法,解決了采用有源區(qū)與重離子入射位置之間間距值作為自變量現(xiàn)有方法的不足,增強(qiáng)了對于實(shí)際電路中復(fù)雜版圖的適應(yīng)性。圖9為漂移因子、擴(kuò)散因子計(jì)算原理示意圖。

(a)Drift factor

(a)Diffusion factor

通過開發(fā)子電路模型和構(gòu)建有源電阻網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對電路響應(yīng)反饋、阱電勢調(diào)制、雙極放大收集及工作電壓調(diào)制等次級效應(yīng)的建模表達(dá),實(shí)現(xiàn)了對于實(shí)際物理圖像的無遺漏描述,有效提高了計(jì)算精度。圖10為SEE模擬流程的示意圖[18]。

圖10 SEE模擬流程的示意圖[18]

通過設(shè)計(jì)具有加固結(jié)構(gòu)的芯片,開展輻照試驗(yàn)測試及數(shù)值仿真,系統(tǒng)梳理結(jié)構(gòu)變化和電路工作狀態(tài)變化對于輻射效應(yīng)仿真的附加要求,大大提升了對集成電路實(shí)際結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)的覆蓋度[19-20]。通過以上研究,實(shí)現(xiàn)了納米尺度電路單粒子效應(yīng)電荷收集機(jī)制解析建模,為輻射效應(yīng)快速評價(jià)和加固單元庫輔助設(shè)計(jì)奠定了仿真基礎(chǔ)。

2020年,本文作者團(tuán)隊(duì)開發(fā)了集成于商用芯片設(shè)計(jì)與仿真平臺的用戶交互界面和并行化計(jì)算流程,成功研發(fā)瞬時(shí)輻射效應(yīng)仿真軟件TREES 1.0,可實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算并標(biāo)注電路版圖中的敏感區(qū)域。圖11為TREES1.0軟件獲取對SEE敏感性的計(jì)算結(jié)果[17]。依據(jù)中芯國際0.18 μm,65 nm,40 nm和UMC 40 nm等工藝平臺流片生產(chǎn)集成電路,開展輻照試驗(yàn)獲取單粒子效應(yīng)敏感性,并與仿真評價(jià)結(jié)果進(jìn)行逐一比對,驗(yàn)證了仿真軟件的功能指標(biāo)(功能完備性、準(zhǔn)確性)和性能指標(biāo)(計(jì)算精度、仿真速度)。

TREES 1.0能實(shí)現(xiàn)單元電路瞬時(shí)輻射效應(yīng)實(shí)時(shí)分析,在此基礎(chǔ)上,2021年,本文作者團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研發(fā)了不依賴于國外軟件的自主化版本TREES 2.0,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立用戶界面、版圖解析、激勵(lì)項(xiàng)添加、國產(chǎn)電路仿真引擎集成等,在國產(chǎn)化麒麟操作系統(tǒng)上通過了適應(yīng)性驗(yàn)證。圖12為TREES 2.0界面[21]。

(a)Identifying sensitive region of single event effects

(b)Comparison of simulated and experimental data

圖12 TREES 2.0界面[21]

TREES 2.0已公開報(bào)道的典型應(yīng)用包括：(1)針對國產(chǎn)65 nm工藝SRAM陣列,準(zhǔn)確評估單位及多位翻轉(zhuǎn)的截面及敏感區(qū)域分布[22],通過明確電路輻射損傷機(jī)理,便于建立針對性的抗輻射性能評估方法;(2)針對0.18 μm和40 nm標(biāo)準(zhǔn)單元庫,研究給出單元電路單粒子效應(yīng)敏感性與驅(qū)動(dòng)能力、特征尺寸、版圖結(jié)構(gòu)、工作模式之間的依賴關(guān)系和相關(guān)規(guī)律[23]。

同時(shí),本文作者團(tuán)隊(duì)研發(fā)了TREES 2.0的升級版本SREES 1.0,能支持批處理與批存儲,能直接對單元庫執(zhí)行激勵(lì)文件自動(dòng)生成、批量計(jì)算、層次化存儲計(jì)算結(jié)果及計(jì)算結(jié)果寫入矩陣式文本文件等操作,批量化獲取不同重離子LET值、不同激勵(lì)、不同輸出電容情況下單元庫中所有單元電路的SEE敏感性數(shù)據(jù)。SREES 1.0軟件已通過在28 nm抗輻射加固單元庫上開展的應(yīng)用驗(yàn)證及第三方測試。SREES1.0軟件的開發(fā),為從工程實(shí)用角度上實(shí)現(xiàn)抗輻射加固芯片自主可控奠定了基礎(chǔ)。

4 總結(jié)與展望

輻射效應(yīng)易損性仿真能力建設(shè)屬于核技術(shù)及應(yīng)用的一項(xiàng)基礎(chǔ)工程,為推動(dòng)該方向發(fā)展,需關(guān)注以下幾個(gè)方面：

(1)持續(xù)優(yōu)化是必由之路。成熟軟件的研發(fā)離不開持續(xù)的更新?lián)Q代,美國的MRED和法國的MUSCA-SEP3在十余年內(nèi)持續(xù)報(bào)道更新后的物理模型,美國的Xyce迄今已推出了6次整體更新和多達(dá)幾十次的部分更新,以適應(yīng)微電子領(lǐng)域日新月異的發(fā)展變化,增強(qiáng)軟件產(chǎn)品的適用范圍。

(2)積極引入新方法、新思路是必然選擇。人工智能、深度學(xué)習(xí)等新方法,能增強(qiáng)計(jì)算效率,起到提質(zhì)增效的作用。

(3)隨著電子器件特征尺寸逐漸降低、工作頻率與集成度不斷增加、新結(jié)構(gòu)新材料新型器件不斷涌現(xiàn),為保證國產(chǎn)電子器件輻射效應(yīng)易損性分析軟件能夠持續(xù)發(fā)揮作用、有效輔助抗輻射加固芯片設(shè)計(jì),需持續(xù)加大投入,利用自研芯片或與器件設(shè)計(jì)單位合作的方式,在多種類型器件、不同工藝平臺上驗(yàn)證軟件可用性。與此同時(shí),需加強(qiáng)軟件在輻射效應(yīng)領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)單位的推廣應(yīng)用,通過迭代修改的方式提高軟件成熟度。