单粒子效应数值模拟几点认识会议

单粒子效应数值模拟的几点认识西北核技术报告人：郭红霞于青岛一、引言新型微电子技术单粒子效应

的问题二、基于TCAD工具的单粒子效应数值模拟三、基于

粒子输运模拟的单粒子效应数值模拟四、系统级的单粒子效应

技术五、结束语一、引言抗辐射加固技术是提高星用IC可靠性的高速接收高速处理高密度低功耗PentiumPro80486Pentium80808028680386808629

k

trans工艺发展对器件辐射效应的影响集成电路的快速发展，器件沟道长度不断缩小，栅氧化层的厚度也在不断减薄(<1nm)90nm

node200465nm

node200545nm

node200732nm

node200922nm

node2011空间辐射效应单粒子效应总剂量效应氮氧硅栅代替传统二氧化硅栅介质采用浅结、后退沟道掺杂和Halo工艺新

结构：STI

、深沟槽

和三阱工艺等代替了原来的

LOCOS结构。极细的金属化线条和多层布线巨大的有源器件密度亚阈值电流相对明显极高的电流密度及热耗散高速对瞬时扰动电信号更加敏感等LgPSGCoSi2Poly-SiSTIshallow

trenchisolation

oxideTOXDSD++++++

++haloBodySDE++二、数值模拟仿真的优势一、引言Device

StructureIC

DesignNew

MaterialsSi1‐xGexSi1‐xGexEnergyDepositionDefect

ModelsDevice

ResponseCircuit

ResponseSET的注入器件级仿真模拟电路级仿真模拟时间、空间的分布射线和材料相互作用粒子输运模拟GEANT4MCNPTCAD重离子、质子单粒子效应机制不同重离子—直接电离质子—核反应/直接电离9核反应1E-7Configuration

memory

upset

cross

section

of

XCV

300PQ

240experim

ental

dataWeibull

FitExponential

Fit1E-8W

ebull

Parameters:1E-101E-9Cross

Section(cm2/bit)L0=1.40MeV

cm

2/mg,

DCS

=1.01E-7cm

2/bitsatS=0.93,

W

=58.04MeV

cm

2/mgExponential

parameters:L =14.24MeV

cm

2/mg,

DCS =7.41E-8cm

2/bit

1/e

sat010206070801E-1130

40

50LET(

MeV

cm

2/m

g)重离子多位翻转机理高能质子多位翻转机理一、引言单粒子效应的物理问题新型微电子技术单粒子效应

的问题随着特征尺寸减小，出现了新的问题复杂的电荷收集机制离子径迹的横向分布大于器件特征尺寸多层金属布线影响了器件的响应单粒子多位翻转新型微电子技术单粒子效应

的问题第新型微电子技术单粒子效应

的问题同一种离子，能量不同，即使LET相同，由于器件的结构、工艺不同，会导致器件响应有很大不同离子种类不同，能量不同，LET值相同，实验数据相差2个数量级中国近物所提供新型微电子技术单粒子效应

的问题灵敏体积的定义新型器件SiGe

HBT辐射损伤机理新型器件SiGe

HBT辐射损伤机理新型器件SiGe

HBT辐射损伤机理新型器件SiGe

HBT辐射损伤机理二、基于TCAD工具的单粒子效应数值模拟二、基于TCAD工具的单粒子效应数值模拟2ps6ps15ps50ps100psCurrentTime单粒子烧毁初

始

时

重

离

子

引

起

的

丝

流

驱

动

寄

生

的BJT(Bipolar

Junction

Transistor)工作；BJT寄生的固有的反馈机制。该反馈机制决定了寄生管BJT

出现的瞬态电流将不断增加直至烧毁或使电流渐渐减小最后趋于零。单粒子栅穿入射离子栅极，在漂移区中产生电子-空穴对，对于n-沟道器件，栅极接地，漏极正偏，在漂移区电场的作用下，电子沿入射离子径迹向漏极移动，空穴向栅极漂移，由电荷收集效应形成了导电流，引起漏极与Si/SiO2界面局部短路，导致很大一部分漏压加在了栅氧化层上，氧化层电场瞬时增大。如果该电场瞬时增量足够大，持续时间足够长，将引起入射径迹附近的氧化层介质击穿，在MOS电容里的很大部分电荷被放电，使得该处温度升高，化质局部烧毁，栅-衬底短路。2

.5x

10

5

电 场

强

度

/V

/c

m2

.0x

10

5

1

.5x

10

5

辐照

前离

子 注

入

5

ps离

子 注

入

1000

ps离

子 注

入

1

0

0

n

s1

.0x

10

5

5

.0x

10

40

.00246121416188

10距 离

/μ

m沿粒子径迹场强的变化新型器件SiGe

HBT辐射损伤机理新型器件SiGe

HBT辐射损伤机理新型器件SiGe

HBT辐射损伤机理二、基于TCAD工具的单粒子效应数值模拟建立测试系统1.5µm硅栅CMOS加固工艺设计2k

SRAM

单粒子辐照敏感区示意图“利用

模拟测试

，特别是微束单粒子翻转成像技术，进行星用器件的加固研究，可使器件抗单粒子翻转的能力提高一个数量级以上”。二、基于TCAD工具的单粒子效应数值模拟SRAM器件是由SRAM单元组成的阵列结构。

SRAM单元的版图如图4.1所实示验。与下仿拉真N型MOS和传输N型MOS晶体管共用一个漏区，

单元面积为25µm×37µm。SRAM三维单元是采用ISE-TCAD工具按照实际版图、采用器件实际参数生成的。二、基于TCAD工具的单粒子效应数值模拟SEU灵敏区域是器件重离子撞击后易发生单粒子翻转的敏感区域，分析其可以得到器件的布线、尺寸、材料和工艺等参数与重离子产生单粒子翻转的定量关系对于LET值为5MeVcm2/mg，N型MOS反向偏置的漏极的中心是SRAM单元内单粒子翻转的灵敏区域。随着LET值的增加，单粒子翻转灵敏区域的面积逐渐增大。在LET值达到10

MeVcm2/mg时，P型MOS的反向偏置的漏极也成为单粒子翻转的灵敏区域。

二、基于TCAD工具的单粒子效应数值模拟仿真结果和实验结果一致，获得了有价值的结论：截止N型MOS和P型MOS的漏区是SEU的灵敏区域；N型MOS和P型MOS的反偏漏区对单粒子翻转的敏感程度不同N型MOS单粒子翻转敏感区的面积比漏区本身要大。二、基于TCAD工具的单粒子效应数值模拟试验与理论的比较国外试验与理论的比较二、基于TCAD工具的单粒子效应数值模拟测量的结果国外测量的结果1E-81E-7Configuration

memory

upset

cross

section

of

XCV300PQ240experimental

data_7#Weibull

Fit1E-9Webull

Parameters:010206070801E-111E-10Cross

Section(cm^2/bit)L0=1.39616,

Sigma_sat=1.0135E-7S=0.93151,

W=58.0430

40

50LET(MeV

cm2/mg)二、基于TCAD工具的单粒子效应数值模拟二、基于TCAD工具的单粒子效应数值模拟二、基于TCAD工具的单粒子效应数值模拟1E-

6C

onfigurable

Logic

Block

SEU

testing

data1E-

719F

110

M

e

V

35Cl48Ti1E-

819F

80M

e

V1E-

9Cross

section(cm2/bit)0201E-

111E-

1012C10LET

(M

eV-

cm

2/m

g)深亚微米NMOS晶体管的SET数值仿真0ps1ps2ps5ps0.18μm工艺的三维NMOS管10ps100ns20ps

1ns电势分布随时间的变化重离子径迹图基于查找表的SET耦合注入SET在电路中的SET的变形基于查找表的SET耦合注入实验成本高耗时长SET注入独立电流源误差大仿真器件/电路混合模拟耗时长基于查找表的SET耦合注入单管器件仿真查找表基于查找表的SET耦合注入2.0ISETVOUT1.61.81.01.21.41.41.61.8瞬态电流ISET/mA0.60.8V/VOUT1.22.01.91.81.71.61.51.41.31.21.11.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.00.00.20.40

10

20

30

40

501.00.80.60.40.20.00500150020001000时间t/ps瞬态电流和瞬态电压SET的电路级仿真—锁相环加固前的电荷泵 加固后的电荷泵通信链的数据丢失，处理机的功能中断SET的电路级仿真—锁相环1.31.21.11.0vpllcpllv

(vco)/vout0.60.8SE

strike7007207407608208408608809000.10.0-0.11.00.90.80.70.60.50.40.30.2780800time/ns0.20.4vin(vco)ClockCPLL输出信号-2000200400

600800 1000

1200

1400

16000.0time/ns1.31.21.1v

(vco)/vout0.10.0-0.11.00.90.80.70.60.50.40.30.2696

698

700

702

704

706

708

710

712

714

716

718

720

722time/nsVin(VCO)VPLL输出信号三、基于粒子输运模拟的单粒子效应数值模拟三、基于粒子输运模拟的单粒子效应数值模拟三、基于粒子输运模拟的单粒子效应数值模拟多层金属布线含有高Z金属钨材料多层金属布线含有高Z金属钨材料三、基于粒子输运模拟的单粒子效应数值模拟不同能量质子与重离子不同三、基于粒子输运模拟的单粒子效应数值模拟三、基于粒子输运模拟的单粒子效应数值模拟Si3N4[400nm]SiO2[1000nm]Ti[100nm]Al[840nm]SiO2[600nm]Ti[100nm]AL[4500nm]W[600nm]Ti[100nm]Al[450nm]SiO2[600nm]Si

SensVolSi

Cell计算了SRAM单元的单粒子翻转截面与特征尺寸、临界电荷、多层金属布线和入射中子能量之间的关系，多角度地分析工艺参数与辐射环境对SRAM单元中子单粒子翻转截面影响。1E-141E-130.13um

SRAM

&

2fC

Critical

Charge1E-14Si28

Si29

Si30

O16Metal

Layer

Si

LayerSiO

Layer21MeV

Neutron1E-171E-161E-15Single

Bit

UpsetDouble

Bits

UpsetTriple

Bits

Upset1E-171E-161E-151E-201E-191E-18Section

/(cm2)028101E-191E-18Section

/

(cm2/

bit)0416208

12Neutron

Energy/

(MeV)多位翻转4

6Desposited

Charge

/

(fC)多层金属布线1E-13101E-140.13m@1.8fC0.18m@4fC0.25m@10fC0.35m@20fC0.50m@30fC1E-161E-15SEU

Section

/

(cm2/bit)10.1101E-171Neutron

Energy

/

(MeV)0.10.20.40.50.1Neutron

EnergyThreshold

/

(MeV)0

3Feature

Size

/

(m)入射中子能量的关系四、基于粒子输运模拟的单粒子效应数值模拟四、基于粒子输运模拟的单粒子效应数值模拟四、系统级的单粒子效应技术四、系统级的单粒子效应

技术1E-70.59%1E-91E-826.81%IOB

control

bitRouting

resourseFF

control

bitLUT

control

bitBRAM

interconnectionLUT

control

bit1E-111E-10XCV300PQ240

7#configuration

memoryLUT

control

bitFF

control

bitIOB

controlbitCross

se