專利名稱：一種針對(duì)高頻電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及抗輻照加固微電子學(xué)和固體電子學(xué)中瞬態(tài)輻照技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種針對(duì)高頻電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入仿真方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)集成電路應(yīng)用于空間環(huán)境時(shí)，空間高能離子會(huì)入射電路并與電路中的半導(dǎo)體材料發(fā)生電離作用產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子-空穴對(duì)被電路節(jié)點(diǎn)收集后導(dǎo)致電路功能受到影響，由于這種效應(yīng)是單個(gè)粒子作用的結(jié)果，因此稱為單粒子效應(yīng)。單粒子瞬態(tài)(Single Event Transients, SET)是單粒子效應(yīng)軟錯(cuò)誤的一種，因單個(gè)高能粒子入射電路的敏感節(jié)點(diǎn)并在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖而得名。單粒子瞬態(tài)脈沖產(chǎn)生于組合邏輯電路和模擬電路并沿著電路傳播，被后續(xù)存儲(chǔ)單元俘獲后使存儲(chǔ)單元的邏輯狀態(tài)發(fā)生改變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電路系統(tǒng)功能紊亂。由于單粒子瞬態(tài)被俘獲的概率隨時(shí)鐘頻率的升高而增大，隨著半導(dǎo)體特征工藝尺寸的縮減和集成電路工作頻率的提高，單粒子瞬態(tài)逐漸成為星載微電子芯片單粒子效應(yīng)軟錯(cuò)誤的主體，對(duì)航天器運(yùn)行可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。預(yù)估芯片的單粒子瞬態(tài)軟錯(cuò)誤是指導(dǎo)芯片加固和驗(yàn)證加固有效性的重要途徑，快速準(zhǔn)確地注入單粒子瞬態(tài)是預(yù)估的首要條件。鑒于高頻電路受單粒子瞬態(tài)影響嚴(yán)重，高頻電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入仿真方法的研究很有價(jià)值。目前單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入方法主要有:地面模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)單粒子瞬態(tài)的準(zhǔn)確注入，但是實(shí)驗(yàn)成本高、耗時(shí)長，無法研究單粒子瞬態(tài)在電路中的傳播規(guī)律。此外，受國內(nèi)重離子源的限制，實(shí)驗(yàn)的束流時(shí)間無法保證。專利申請(qǐng)?zhí)?00910089598.5，名稱“一種CMOS電路單粒子瞬態(tài)的建模方法”，在該方法中注入電路節(jié)點(diǎn)的單粒子瞬態(tài)電流是預(yù)先定義好的電流波形，未考慮電路響應(yīng)對(duì)波形的影響，在高頻電路中電流波形的誤差大。IEEE Transactions on Nuclear Science, “Estimation of single eventtransient voltage pulses in VLSI circuits from heavy-1on-1nduced transientcurrents measured in a single M0SFET”, 2007,針對(duì)反相器提出了一種基于作圖的注入方法，該方法精度較差，無法與現(xiàn)有EDA工具集成，更重要的是不適用于高頻電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入。Chinese Journal of Semiconductor, “Coupled SET pulse injection in acircuit simulator in ultra-deep submicron technology”, 2008,提出超深亞微米工藝下的單粒子瞬態(tài)耦合注入方法，該方法編程復(fù)雜且未考慮器件模型參數(shù)和單粒子效應(yīng)物理模型參數(shù)對(duì)瞬態(tài)電流的影響。器件/電路混合模擬法針對(duì)被重離子入射的器件建立器件模型，電路的其它部分采用電路模型，對(duì)被入射器件執(zhí)行單粒子效應(yīng)數(shù)值計(jì)算，由于該方法考慮到被入射器件和周圍電路的耦合效應(yīng)，所以能獲取準(zhǔn)確的電流波形，但是器件級(jí)和電路級(jí)的混合仿真耗時(shí)長、收斂難，限制了該方法在大規(guī)模電路中的應(yīng)用。綜上所述，利用現(xiàn)有單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入方法研究高頻大規(guī)模電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)規(guī)律在準(zhǔn)確度、計(jì)算效率和可執(zhí)行性方面存在諸多問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是，針對(duì)器件/電路混合模擬法結(jié)果準(zhǔn)確但耗時(shí)長和收斂難的特點(diǎn)，將器件/電路混合模擬法中添加SET效應(yīng)的器件模型用單粒子瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)庫代替，利用Veril0g-A(針對(duì)模擬電路編寫的硬件描述語言)模塊對(duì)數(shù)據(jù)庫的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)器件與電路之間的耦合過程，方法編程簡單，在保證SET注入準(zhǔn)確性的前提下克服了器件/電路混合模擬法耗時(shí)長和收斂難的缺點(diǎn)，建立了一種針對(duì)高頻電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入仿真方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種針對(duì)高頻電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入仿真方法，包括以下步驟:A建立被重離子入射的晶體管的器件模型；B求解半導(dǎo)體器件數(shù)值計(jì)算模型方程以獲取器件模型的1-V特性曲線；C開展器件模型的1-V特性校準(zhǔn)；D對(duì)半導(dǎo)體器件數(shù)值計(jì)算模型添加重離子導(dǎo)致的單粒子效應(yīng)物理模型；E通過數(shù)值計(jì)算獲取不同柵寬晶體管在不同重離子LET值和不同漏極偏置下的漏極瞬態(tài)電流隨時(shí)間的變化曲線；F根據(jù)變化曲線建立晶體管單粒子瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)庫；G]利用電路仿真程序的Verilog-A模塊完成晶體管單粒子瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)庫與電路模型之間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入。上述步驟A中器件模型包括材料組分、幾何結(jié)構(gòu)和摻雜參數(shù)。上述步驟B中半導(dǎo)體數(shù)值計(jì)算模型方程包括:泊松方程、漂移擴(kuò)散方程以及載流子連續(xù)方程，依次如下所示:


權(quán)利要求
1.一種針對(duì)高頻電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入仿真方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: A建立被重離子入射的晶體管的器件模型； B求解半導(dǎo)體器件數(shù)值計(jì)算模型方程以獲取器件模型的1-V特性曲線； C開展器件模型的1-V特性校準(zhǔn)； D對(duì)半導(dǎo)體器件數(shù)值計(jì)算模型添加重離子導(dǎo)致的單粒子效應(yīng)物理模型； E通過數(shù)值計(jì)算獲取不同柵寬晶體管在不同重離子LET值和不同漏極偏置下的漏極瞬態(tài)電流隨時(shí)間的變化曲線； F根據(jù)變化曲線建立晶體管單粒子瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)庫； G]利用電路仿真程序的Verilog-A模塊完成晶體管單粒子瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)庫與電路模型之間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述針對(duì)高頻電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入仿真方法，其特征在于:所述步驟A中器件模型包括材料組分、幾何結(jié)構(gòu)和摻雜參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述針對(duì)高頻電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入仿真方法，其特征在于:所述步驟B中半導(dǎo)體數(shù)值計(jì)算模型方程包括:泊松方程、漂移擴(kuò)散方程以及載流子連續(xù)方程，依次如下所示:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述針對(duì)高頻電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入仿真方法，其特征在于:所述步驟C中1-V特性校準(zhǔn)是指調(diào)整器件模型參數(shù)使器件模型的1-V特性與代工廠提供的Spice集約模型相符合；其中1-V特性包括晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述針對(duì)高頻電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入仿真方法，其特征在于:所述步驟D中對(duì)半導(dǎo)體器件數(shù)值計(jì)算模型添加重離子導(dǎo)致的單粒子效應(yīng)物理模型；即將物理模型添加到漂移擴(kuò)散方程的載流子的產(chǎn)生項(xiàng)Gn和Gp中，單粒子效應(yīng)物理模型如下所示:G(l, w, t) =Glet(I) XR(W，I) XT(t) 其中: G(l,w, t)為重離子導(dǎo)致的載流子產(chǎn)生率； Glet(I)為線性能量傳輸?shù)妮d流子產(chǎn)生密度； R(w, I)為載流子的空間分布函數(shù)； T(t)為載流子的時(shí)間分布函數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述針對(duì)高頻電路的單`粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入仿真方法，其特征在于:所述步驟F的具體步驟如下: 將不同柵寬晶體管在不同重離子LET值和不同漏極偏置下的漏極瞬態(tài)電流隨時(shí)間的變化曲線的數(shù)據(jù)提取，建立以晶體管柵寬、重離子LET值、漏極偏壓和時(shí)間為自變量，漏極瞬態(tài)電流為因變量的離散函數(shù)，借此表征晶體管的瞬態(tài)特性，這里將該離散函數(shù)取名晶體管單粒子瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)庫； 所述單粒子瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)庫所包含的參數(shù)有:晶體管柵寬、重離子LET值、晶體管漏極偏壓、時(shí)間和單粒子瞬態(tài)電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述針對(duì)高頻電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入仿真方法，其特征在于:所述步驟G的具體步驟如下: 將被研究電路用電路仿真程序語言進(jìn)行描述，在被重離子入射晶體管的漏極引入Verilog-A模塊，Verilog-A模塊讀取被重離子入射的晶體管柵寬W、重離子LET值、晶體管當(dāng)前漏極偏壓Vd和當(dāng)前仿真時(shí)間time,通過Verilog-A模塊內(nèi)建的多維插值與查找函數(shù)在晶體管單粒子瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)庫中獲取相應(yīng)的單粒子瞬態(tài)電流Iset，將瞬態(tài)電流Iset注入晶體管的漏極，這時(shí)電路對(duì)注入的瞬態(tài)電流Iset產(chǎn)生響應(yīng)，晶體管漏極偏壓Vd會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化；在仿真步長控制的下一個(gè)時(shí)刻，模塊重新讀取被重離子入射的晶體管柵寬W、重離子LET值、晶體管當(dāng)前漏極偏壓Vd和當(dāng)前仿真時(shí)間time，通過Verilog-A模塊內(nèi)建的多維插值與查找函數(shù)在晶體管單粒子瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)庫中獲取相應(yīng)的單粒子瞬態(tài)電流Iset，將瞬態(tài)電流Iset注入晶體管的漏極；如此迭代直至仿真結(jié)束以獲取完整的單粒子瞬態(tài)電流ISET。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述針對(duì)高頻電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入仿真方法，其特征在于:所述Verilog-A模塊是用來完成晶體管單粒子瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)庫與電路模型之間的數(shù)據(jù)交換，模塊內(nèi)建的多維插值與查找函數(shù)用來對(duì)單粒子瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值與查找。
全文摘要
一種針對(duì)高頻電路的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入仿真方法通過建立被重離子入射的晶體管的器件模型、求解半導(dǎo)體器件數(shù)值計(jì)算模型方程以獲取器件模型的I-V特性曲線、開展器件模型的I-V特性校準(zhǔn)、對(duì)半導(dǎo)體器件數(shù)值計(jì)算模型添加重離子導(dǎo)致的單粒子效應(yīng)物理模型、通過數(shù)值計(jì)算獲取不同柵寬晶體管在不同重離子LET值和不同漏極偏置下的漏極瞬態(tài)電流隨時(shí)間的變化曲線；根據(jù)變化曲線建立晶體管單粒子瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)庫、利用電路仿真程序的Verilog-A模塊完成晶體管單粒子瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)庫與電路模型之間的數(shù)據(jù)交換等步驟實(shí)現(xiàn)單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入，較好地改進(jìn)了器件/電路混合仿真耗時(shí)長和收斂難的問題。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103198198SQ20131013637
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者郭紅霞, 趙雯, 羅尹虹, 張鳳祁, 王燕萍, 王忠明, 王園明, 張科營, 肖堯, 王偉 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所