单粒子效应电路仿真中考虑有源区形状尺寸影响的建模方法与流程

本发明涉及一种cmos集成电路的单粒子效应仿真评价与加固验证技术，具体涉及一种单粒子效应电路仿真中考虑有源区形状尺寸影响的建模方法。

背景技术：

空间辐射环境中的质子、重离子等射线可能导致航天器中的半导体集成电路发生单粒子效应，单粒子软错误(单粒子翻转、单粒子瞬态)已经成为导致航天器在轨故障的重要因素之一，严重影响航天器的可靠性和寿命。

为有效提升集成电路的抗单粒子性能，一种思路是在电路设计中设置冗余节点，如将sram单元、d型触发器单元等中的锁存器均修改为双冗余节点锁存器，仅有单个节点发生状态翻转时将会被电路自行纠正；另一种思路是在版图设计中加以修改，在不改变逻辑网表的基础上通过增加阱接触密度、面积维持阱电势抑制双极放大电荷收集等。单粒子效应电路仿真被认为是一种能够在设计初期预测集成电路抗单粒子性能的手段，为合理可信的评价加固设计的有效性，应该具备针对电路设计加固和版图设计加固进行集成电路抗单粒子性能评价的能力。

现有单粒子效应电路仿真方法中，在如何将高能粒子在电路中引发的电学干扰引入晶体管级的集约模型(spice模型)方面存在不同的处理。申请号为201310718181.7，名称为“一种基于半导体电路的抗单粒子效应验证方法及系统”的专利中利用器件/电路混合仿真评价cmos级联电路的单粒子敏感性响应，其问题在于仅考虑了单个节点收集电荷产生脉冲扰动，未考虑不同有源区间的电荷共享；申请号为201610051734.1，名称为“一种单粒子效应多位翻转的电路仿真方法”的专利中提出了向采用电路设计加固的双冗余节点锁存器中随机选取成对的节点添加双指数电流源扰动脉冲，寻找能够导致翻转发生的敏感节点对，其问题在于无法获取翻转截面、let阈值等敏感性评价信息；申请号为201611000399.9，名称为“一种考虑版图布局信息的组合逻辑电路单粒子多瞬态软错误敏感性评估方法”的专利中提出采用蒙特卡洛方法计算在每个晶体管漏极沉积的电荷量，进而转换为双指数电流源扰动脉冲，其不足在于未考虑阱接触影响，也无法评价双极放大收集的严重程度，不能用来评估版图设计加固手段的有效性。

技术实现要素：

为解决现有单粒子效应电路仿真方法中对于电路设计加固及版图设计加固不完全支持验证的技术问题，本发明提供一种基于版图解析提取源漏有源区及阱接触形状信息、构建以重离子入射位置为中心的电阻网络、动态计算所有有源区衬底电势及寄生晶体管开启带来的贡献、针对所有有源区均重建单粒子效应扰动电流源项的方法流程，用于在设计阶段准确评价单粒子加固措施的有效性。

本发明的技术解决方案是：

本发明一种单粒子效应电路仿真中考虑有源区形状尺寸影响的建模方法，包括如下步骤：

1)构建考虑有源区形状尺寸影响的单粒子效应基础模型

构建由三部分构成的单粒子效应基础模型，单粒子效应模型包括阱接触至各个有源区、各个有源区及重离子入射位置之间的电阻构成的电阻网络、n型阱接触与p型阱接触之间的阱接触电流源项iwell、以及编号为1、2直至m各有源区的单粒子效应扰动电流源项iset1、iset2直至isetm；电阻网络包括r1、r2直至rn，其中n为电阻网络中的电阻总数目，

电阻网络中的电阻值由接触电阻和体电阻两部分构成，具体表达式为：

ri＝f1/ai+f2·di，i＝1,2,...,n(1)

其中ai表示阱接触的面积，di表示阱接触与有源区之间的间距；f1和f2为需要提取的参数；；

n型阱接触与p型阱接触之间的阱接触电流源项iwell按照双指数电流源形式加以描述，具体表达式为：：

其中，ipeak,well表示峰值电流,tr,well表示电流上升时间，tf,well表示电流下降时间，τr,well、τf,well为电流上升与下降时间常数；该表达式中需要提取的参数有四项，分别为ipeak,well、τr,well、τf,well、(tf,well-tr,well)，这四项参数均由重离子入射点和n阱与p阱交界处的间距值所决定，其函数形式符合指数关系，其中的线性项和幂指数均为需要分别提取的参数；

编号为1、2直至m各有源区的单粒子效应扰动电流源项iset1、iset2直至isetm是按照漂移收集电流源项idrifti(t)和扩散收集电流源项idiffusioni(t)相叠加的形式加以描述的，具体表达式为：

iseti(t)＝idrifti(t)+idiffusioni(t)，i＝1,2,...,m(3)

其中，idrifti和idiffusioni均为双指数电流源形式，具体表达式均服从与公式(2)类似的表达式；

其中，漂移收集电流源项idrifti(t)和扩散收集电流源项idiffusioni(t)均为双指数电流源形式，具体表达式均服从与公式(2)类似的表达式；漂移收集电流源项idrifti(t)和扩散收集电流源项idiffusioni(t)的表达式中所需要提取的参数分别为ipeak,drifti、τr,drifti、τf,drifti、(tf,drifti-tr,drifti)和ipeak,diffusioni、τr,diffusioni、τf,diffusioni、(tf,diffusioni-tr,diffusioni)；这八项参数由有源区形状尺寸、有源区与重离子入射点之间的间距值所决定，其函数形式符合指数关系，其中的线性项和幂指数均为需要分别提取的参数；

2)标定单粒子效应基础模型中需要提取的参数随版图信息变化的依赖关系

2.1)参照电路设计工艺库模型，提取工艺结构信息，利用半导体器件仿真工具，通过调整常态电学特性参数构建数值仿真可用的单管器件模型；所述常态电学特性参数包括晶体管阈值电压、静态电流及掺杂区域电阻值，校准沟道及源漏区掺杂信息；

2.2)通过设置虚拟节点，求取不同阱接触面积和不同阱接触与有源区之间间距组合对应的电阻阻值，拟合得到公式(1)中参数f1和f2的取值；

2.3)设定重离子入射不同位置，通过公式(2)得到阱接触电流源项iwell对应的ipeak,well、τr,well、τf,well、(tf,well-tr,well)取值随设定的重离子入射点和n阱与p阱交界处的间距值变化而变化的数据组；

2.4)按照指数函数对数据组进行拟合，分别求取指数函数中的线性项和幂指数取值；

2.5)针对选定重离子入射位置计算有源区的漂移因子，具体计算公式如下：

其中，(x0,y0)代表重离子入射位置，(xi,yi)代表有源区离散化之后的中心坐标，r0代表重离子径迹横向拓展的特征半径；离散化步长应足够小保证继续减小离散化步长时积分得到的漂移因子数值不发生明显变化。

2.6)计算重离子入射不同位置时，漂移收集电流源项idrifti对应的ipeak,drifti、τr,drifti、τf,drifti、(tf,drifti-tr,drifti)取值随漂移因子数值变化而变化的数据组；

2.7)按照指数函数对数据组进行拟合，分别求取指数函数中的线性项和幂指数取值；

2.8)针对选定重离子入射位置计算有源区的扩散因子，具体计算公式如下：

其中，(x0,y0)代表重离子入射位置，(xi,yi)代表有源区离散化之后的中心坐标，(xk,yl)代表入射点附近区域离散化之后的中心坐标，r0代表重离子径迹横向拓展的特征半径；离散化步长应足够小保证继续减小离散化步长时积分得到的扩散因子数值不发生明显变化。

2.9)计算重离子入射不同位置时，扩散收集电流源项idiffusioni对应的ipeak,diffusioni、τr,diffusioni、τf,diffusioni、(tf,diffusioni-tr,diffusioni)取值随扩散因子数值变化而变化的数据组；

2.10)按照指数函数对数据组进行拟合，分别求取指数函数中的线性项和幂指数取值；

3)提取待分析电路版图形状信息及电路网表信息

3.1)以电路版图文件作为输入，甄别并提取n阱与p阱交界处的坐标及阱接触边缘坐标信息；

3.2)以电路版图文件作为输入，甄别并提取所有晶体管的源级及漏级有源区坐标信息；

3.3)以电路版图文件作为输入，甄别并提取电路网表，按照源级及漏级有源区坐标记录的顺序逐一提取对应晶体管，一一记录节点编号；

4)选定待分析电路版图中的重离子入射位置，重建待分析电路版图的单粒子效应模型

4.1)依据步骤3.1)中提取到的n阱与p阱交界处的坐标及阱接触边缘坐标信息，计算得到阱接触面积ai和阱接触与有源区之间的间距di取值；

4.2)再将步骤4.1)得到的阱接触面积ai和阱接触与有源区之间的间距di以及步骤2.2)中确立的参数取值f1和f2代入公式(1)求取阱接触至各个有源区、各个有源区至重离子入射位置之间的电阻阻值，从而得到待分析电路版图的单粒子效应模型的电阻网络；

4.3)依据步骤3.1)中提取到的n阱与p阱交界处的坐标信息，计算得到重离子入射点和n阱与p阱交界处的间距值；

4.4)结合步骤2.4)中确立的各指数函数中的线性项和幂指数取值以及步骤4.3)中计算得到的重离子入射点和n阱与p阱交界处的间距值，依据公式(2)确立待分析电路版图的单粒子效应模型的阱接触电流源项iwell；

4.5)依据步骤3.2)中提取到的所有晶体管的源级及漏级有源区坐标信息，依据公式(4)和公式(5)计算得到各有源区的漂移因子和扩散因子取值，进一步依据步骤2.7)和步骤2.10)中确立的各指数函数中的线性项和幂指数取值，重新确立漂移收集电流源项idrifti和扩散收集电流源项idiffusioni；

4.6)依据计算得到的各有源区阱电势和电学节点连接关系计算合成后的待分析电路版图的单粒子效应模型的扰动电流源项iset1、iset2直至isetm；

4.6.1)依据步骤4.2)和步骤4.2)中构建得到的电阻网络和阱接触电流源项iwell，计算得到各有源区的实时阱电势；

4.6.2)计算寄生晶体管开启对于有源区扰动电流项的贡献，，具体计算公式为：

iparasitic∝exp(vbs·q/kt)(6)

其中，vbs代表晶体管衬底与源级之间的实时电压差；

4.6.3)将步骤4.5)与步骤4.6.2)中的扰动电流源项加和求取得到的数值代表待分析电路版图的单粒子效应模型的扰动电流源项iset1、iset2直至isetm；

5)更新电路网表，仿真计算电路的单粒子效应

5.1)在步骤3.3)提取得到的电路网表基础上，增加步骤4)中所得到的待分析电路版图的单粒子效应模型，获得更新后的电路网表；

5.2)执行瞬态电路仿真，记录实际电路在重离子入射时刻之后10ns内的输出；

5.3)分析电路输出，记录是否发生状态翻转或产生持续一段时间可自行恢复的扰动脉冲。

上述步骤2.1)采用的半导体器件仿真工具为tcad仿真工具。

上述步骤5.1)采用的电路网表中增加单粒子效应模型的仿真工具为spice，其采用的编写语言为verilog-a语言。

本发明的优点在于：

1、本发明提出的单粒子效应电路仿真中考虑有源区形状尺寸影响的建模方法，不仅能够考虑多个电路节点同时收集辐射产生的过剩载流子，产生扰动电流项的多节点收集机制，还能够考虑阱接触设计不同、有源区形状尺寸不同对于电路单粒子敏感性的改善作用，实现了对单粒子效应电路设计加固及版图设计加固的有效性进行合理验证；

2、本发明引入了两个无量纲参量漂移因子和扩散因子，通过将单粒子扰动电流源项对复杂有源区形状尺寸的依赖关系简化为对一维参量漂移因子和扩散因子的依赖关系，实现了无需借助复杂运算就能够评价不同有源区形状尺寸对电路扰动项的影响；

3、本发明利用verilog-a语言加以实现后可以很方便的被电路仿真工具spice调用，能够方便的嵌入到通用电路设计流程中。

附图说明

图1为单粒子效应基础模型的示意图；

图2为计算有源区漂移因子的示意图；

图3为计算有源区扩散因子的示意图；

图4为40nm工艺节点反相器的示意图；

图5为利用电路仿真方法和tcad软件计算得到反相器输出电压随时间的变化曲线图。

具体实施方式

本发明重点解决已有方法的不足，对电路单粒子效应进行模拟计算时，将考虑到包含阱接触在内的有源区形状尺寸对于电路单粒子效应敏感性的影响，不局限于向单一节点注入恒定的扰动电流脉冲，能够描述漏级有源区形状尺寸不同时对于漂移扩散收集的影响和阱接触形状尺寸不同时对于双极放大收集的影响。通过构建阱接触至各有源区及重离子入射位置的电阻网络、将有源区形状尺寸换算为各有源区的漂移因子和扩散因子取值，成功提出一种单粒子效应电路仿真中考虑有源区形状尺寸影响的建模方法。

下面结合附图对本发明的优选实例做进一步的阐述。

该方法的具体步骤如下：

步骤1：构建考虑有源区形状尺寸影响的单粒子效应基础模型，模型如图1所示，单粒子效应基础模型由三部分构成，单粒子效应模型包括阱接触至各个有源区、各个有源区及重离子入射位置之间的电阻构成的电阻网络、n型阱接触与p型阱接触之间的阱接触电流源项iwell、以及编号为1、2直至m各有源区的单粒子效应扰动电流源项iset1、iset2直至isetm；电阻网络包括r1、r2直至rn，其中n为电阻网络中的电阻总数目，

电阻网络中的电阻值由接触电阻和体电阻两部分构成，具体表达式为：

ri＝f1/ai+f2·di，i＝1,2,...,n(1)

其中ai表示阱接触的面积，di表示阱接触与有源区之间的间距；f1和f2为需要提取的参数；

n型阱接触与p型阱接触之间的阱接触电流源项iwell按照双指数电流源形式加以描述，具体表达式为：：

其中，ipeak,well表示峰值电流,tr,well表示电流上升时间，tf,well表示电流下降时间，τr,well、τf,well为电流上升与下降时间常数；该表达式中需要提取的参数有四项，分别为ipeak,well、τr,well、τf,well、(tf,well-tr,well)；

编号为1、2直至m各有源区的单粒子效应扰动电流源项iset1、iset2直至isetm是按照漂移收集电流源项idrifti(t)和扩散收集电流源项idiffusioni(t)相叠加的形式加以描述的，具体表达式为：

iseti(t)＝idrifti(t)+idiffusioni(t)，i＝1,2,...,m(3)

其中，漂移收集电流源项idrifti(t)和扩散收集电流源项idiffusioni(t)均为双指数电流源形式，具体表达式均服从与公式(2)类似的表达式；

漂移收集电流源项idrifti(t)和扩散收集电流源项idiffusioni(t)的表达式中所需要提取的参数分别为ipeak,drifti、τr,drifti、τf,drifti、(tf,drifti-tr,drifti)和ipeak,diffusioni、τr,diffusioni、τf,diffusioni、(tf,diffusioni-tr,diffusioni)；

步骤2：标定单粒子效应基础模型中的需要提取的参数随版图信息变化的依赖关系；

步骤2.1：参照电路设计工艺库模型，提取工艺结构信息，利用半导体器件仿真工具，通过调整常态电学特性参数构建数值仿真可用的单管器件模型；所述常态电学特性参数包括晶体管阈值电压、静态电流及掺杂区域电阻值，校准沟道及源漏区掺杂信息；

步骤2.2：通过设置虚拟节点，求取不同阱接触面积和不同阱接触与有源区之间间距组合对应的电阻阻值，拟合得到公式(1)中参数f1和f2的取值；

步骤2.3：设定重离子入射不同位置，通过公式(2)得到阱接触电流源项iwell对应的ipeak,well、τr,well、τf,well、(tf,well-tr,well)取值随设定的重离子入射点和n阱与p阱交界处的间距值变化而变化的数据组；

步骤2.4：按照指数函数对数据组进行拟合，分别求取指数函数中的线性项和幂指数取值；

步骤2.5：针对选定重离子入射位置计算有源区的漂移因子，具体计算公式如下：

图2所示为计算有源区漂移因子的示意图，其中，(x0,y0)代表重离子入射位置，r0代表重离子径迹横向拓展的特征半径(典型值：50nm或者100nm)。将有源区按照一定的步长进行离散化(如1nm步长)，离散化步长应足够小保证继续减小离散化步长时参照公式1)积分得到的漂移因子数值不发生明显变化，(xi,yi)代表有源区离散化之后的中心坐标。计算得到各个有源区的漂移因子数值，漂移因子越大代表漂移收集到的电荷量越多。

步骤2.6：计算重离子入射不同位置时，漂移收集电流源项idrifti对应的ipeak,drifti、τr,drifti、τf,drifti、(tf,drifti-tr,drifti)取值随漂移因子数值变化而变化的数据组；

步骤2.7：按照指数函数对数据组进行拟合，分别求取指数函数中的线性项和幂指数取值；

步骤2.8：针对选定重离子入射位置计算有源区的扩散因子，具体计算公式如下：

图3所示为计算有源区扩散因子的示意图，(x0,y0)代表重离子入射位置，r0代表重离子径迹横向拓展的特征半径。将有源区和重离子入射点附近均按照一定的步长进行离散化(如1nm步长)，离散化步长应足够小保证继续减小离散化步长时参照公式2)积分得到的扩散因子数值不发生明显变化，(xi,yi)代表有源区离散化之后的中心坐标，(xk,yl)代表入射点附近区域离散化之后的中心坐标。计算得到各个有源区的扩散因子数值，扩散因子越大代表扩散收集到的电荷量越多。

步骤2.9：计算重离子入射不同位置时，扩散收集电流源项idiffusioni对应的ipeak,diffusioni、τr,diffusioni、τf,diffusioni、(tf,diffusioni-tr,diffusioni)取值随扩散因子数值变化而变化的数据组；

步骤2.10：按照指数函数对数据组进行拟合，分别求取指数函数中的线性项和幂指数取值；

步骤3：提取待分析电路版图形状信息及电路网表信息

步骤3.1：以电路版图文件作为输入，甄别并提取n阱与p阱交界处的坐标及阱接触边缘坐标信息，按照如下多个矩形区域拼接的形式进行存储：

nwelltap:(1435,4920)(1855,5030)；(2680,4695)(3100,5030)；(5415,4920)(5835,5030)；(8250,4920)(8670,5030)；(0,5030)(10560,5250)；(9740,4920)(10160,5030)；

pwelltap:(970,210)(1390,320)；

步骤3.2：以电路版图文件作为输入，甄别并提取所有晶体管的源级及漏级有源区坐标信息，按照如下多个矩形区域拼接的形式进行存储：

mn0source(370,1450)(850,1910)；

mn0drain(1030,1450)(1390,1910)；(1170,1230)(1390,1450)；(1170,930)(1490,1230)；(1170,770)(1390,930)；(970,320)(1390,770)；

......

步骤3.3：以电路版图文件作为输入，甄别并提取电路网表，按照源级及漏级有源区坐标记录的顺序逐一提取对应晶体管，一一记录节点编号；

m09139nmos

......

步骤4：选定待分析电路版图中的重离子入射位置，重建待分析电路版图的单粒子效应模型

步骤4.1：依据步骤3.1中提取到的n阱与p阱交界处的坐标及阱接触边缘坐标信息，计算得到阱接触面积ai和阱接触与有源区之间的间距di取值；

步骤4.2：再将步骤4.1得到的阱接触面积ai和阱接触与有源区之间的间距di以及步骤2.2中确立的参数取值f1和f2代入公式(1)求取阱接触至各个有源区、各个有源区至重离子入射位置之间的电阻阻值，从而得到待分析电路版图的单粒子效应模型的电阻网络；

步骤4.3：依据步骤3.1中提取到的n阱与p阱交界处的坐标信息，计算得到重离子入射点和n阱与p阱交界处的间距值；

步骤4.4：结合步骤2.4中确立的各指数函数中的线性项和幂指数取值以及步骤4.3中计算得到的重离子入射点和n阱与p阱交界处的间距值，依据公式(2)确立待分析电路版图的单粒子效应模型的阱接触电流源项iwell；

步骤4.5：依据步骤3.2中提取到的所有晶体管的源级及漏级有源区坐标信息，依据公式(4)和公式(5)计算得到各有源区的漂移因子和扩散因子取值，进一步依据步骤2.7和步骤2.10中确立的各指数函数中的线性项和幂指数取值，重新确立漂移收集电流源项idrifti和扩散收集电流源项idiffusioni；

步骤4.6：依据计算得到的各有源区阱电势和电学节点连接关系计算合成后的待分析电路版图的单粒子效应模型的扰动电流源项iset1、iset2直至isetm；

步骤4.6.1：依据步骤4.1和步骤4.2中构建得到的电阻网络和阱接触电流源项iwell，计算得到各有源区的实时阱电势；

步骤4.6.2：计算寄生晶体管开启对于有源区扰动电流项的贡献，具体计算公式为：

iparasitic∝exp(vbs·q/kt)(6)

其中，vbs代表晶体管衬底与源级之间的实时电压差；

步骤4.6.3：将步骤4.5与步骤4.6.2中的扰动电流源项加和求取得到的数值代表待分析电路版图的单粒子效应模型的扰动电流源项iset1、iset2直至isetm；

步骤5：更新电路网表，仿真计算电路的单粒子效应

步骤5.1：在步骤3.3提取得到的电路网表基础上，增加步骤4中所得到的待分析电路版图的单粒子效应模型，获得更新后的电路网表；

步骤5.2：执行瞬态电路仿真(此处采用的仿真软件为spice)，记录实际电路在重离子入射时刻之后10ns内的输出；

步骤5.3：分析电路输出，记录是否发生状态翻转或产生持续一段时间可自行恢复的扰动脉冲。

根据上述步骤，可以计算有源区形状尺寸变化对于电路单粒子效应敏感性的影响。图4和图5给出了实际得到的一组算例。图4所示为40nm工艺节点反相器的示意图，其中标注给出了p阱阱接触宽度的示意，算例中给出了根据本发明中给出的方法步骤，p阱阱接触宽度从1.44μm减小至0.3μm，重离子入射p阱区域情况下，计算得到反相器输出电压随时间的变化情况，如图5所示。

由图5可以看出，随着阱接触宽度逐渐增加，电路单粒子效应的瞬态脉冲宽度随之增加。除此之外，依据本发明中给出的方法步骤计算得到的瞬时输出(实线)与器件仿真工具计算得到的结果(离散点)符合较好，验证了版图设计发生变化时利用本发明所提出的建模方法确实能够反映其对电路单粒子效应敏感性的影响。