一种模块级电路瞬时剂量率效应仿真测试方法与流程

本发明涉及一种模块级电路瞬时剂量率效应仿真测试方法，属于集成电路辐射效应仿真测试技术领域。

背景技术：

随着半导体工艺进入纳米工艺，器件的灵敏体积不断缩小，工作电压和器件电容下降导致临界电荷持续变小，而寄生效应却不断增大，导致电路对瞬时剂量率效应的响应出现了与大尺寸器件电路不同的特点。集成电路的性能指标越来越高，规模也越来越大，电路结构也日趋复杂，影响剂量率辐射效应的因素很多并且相互影响，瞬时剂量率辐射会对集成电路产生不同程度的影响，产生扰动、翻转、闩锁甚至烧毁等问题。因此对复杂电路产生的剂量率辐射响应机理分析有助于集成电路进行加固设计。

由于仿真手段对超大规模集成电路的全三维仿真存在局限性，使用的tcad仿真软件，其基本策略是将所建立的全三维器件进行网格划分，在每个网格中进行物理参数的计算，具有很高的精度，对于研究剂量率辐射效应是十分重要的手段。但是，此方法需要消耗太高的资源，对于模块级集成电路全三维器件的仿真不现实。因此对于模块级电路瞬时剂量率效应仿真新方法的研究就显得十分重要。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有的模块级电路瞬时剂量率效应研究预估能力不足，提出了一种模块级电路瞬时剂量率效应仿真测试方法，本发明提升了模块级电路瞬时剂量率效应分析预估能力。

本发明解决技术的方案是：一种模块级电路瞬时剂量率效应仿真测试方法，包括步骤如下：

1)针对器件级电路建立基本单元nmos管和pmos管的物理模型；

2)建立瞬时光电流模型，描述不同脉冲强度和剂量率情况下器件级电路中光电流以及二次光电流对器件级电路的影响；

3)在每个nmos管和pmos管并联步骤2)得到的瞬时光电流模型获得基本单元nmos管和pmos管的瞬时剂量率效应的spice微模型；

4)在spice仿真软件中输入模块级电路的电路配置文件和电路网表文件，在spice仿真软件中建立模块级电路连接模型，将所述spice微模型代入到模块级电路连接模型中，在spice仿真软件中建立模块级电路瞬时剂量率效应模型；

5)固定电路测试激励、电路工作电压参数，对步骤4)得到的模块级电路瞬时剂量率效应模型在不同剂量率下模拟模块级电路产生的瞬时剂量率效应，监测是否获得模块级电路瞬时剂量率效应翻转阈值，若是，则完成仿真测试；若否则执行6)；

瞬时剂量率翻转阈值是指模块级电路的输出在发生0->1或1->0的跳变所需的最小剂量率值，小于此值模块级电路不会发生翻转，大于此值会发生翻转；

6)调整电路测试激励和或电路工作电压参数继续执行步骤5)进行仿真，监测模块级电路瞬时剂量率效应反应情况，直至获得瞬时剂量率翻转阈值。

优选的，步骤1)中对建立物理模型进行工艺对准，通过迭代得到电学特性曲线，若该曲线与spice仿真软件中器件级电路基本单元nmos管和pmos管的电学特性曲线满足预设的一致要求，则当前建立的物理模型为准确的器件级电路物理模型，否则重新建立物理模型并重新进行工艺对准，直至满足要求。

优选的，在tcad软件中建立器件级电路的物理模型。

优选的，步骤2)所述建立瞬时光电流模型，具体为：

21)根据待仿真模块级电路的产品结构以及工艺，确定结区的结深、电子-空穴对迁移率、多数载流子浓度、空穴寿命、掺杂浓度、沟道长度和宽度信息；

22)利用上述参数信息，根据泊松方程与少子连续性方程理论公式理论计算出瞬时光电流源，建立和节点电压偏置相关的瞬时光电流模型；

23)利用器件级仿真软件tcad，通过在步骤1)得到物理模型中添加步骤22)得到的瞬时光电流模型，并设置辐射剂量率大小、脉冲宽度参数，对该瞬时光电流模型进行器件瞬时剂量率效应仿真，得到不同辐射强度情况下瞬时光电流在器件内部的响应情况，从而得到不同辐射强度下的器件的敏感参数的变化情况；

24)根据步骤23)中器件响应情况修改优化得到准确的瞬时光电流模型。

优选的，步骤3)中将瞬时光电流模型并联到nmos管和pmos管的pn结上，然后以器件敏感参数在不同瞬时剂量率效应下的变化情况为依据，建立spice微模型。

优选的，在nmos管的漏与衬底之间并联步骤2)得到的瞬时光电流模型；

在pmos管的漏与衬底之间并联步骤2)得到的瞬时光电流模型，另外，在p衬底和n阱结区之间也需要加瞬时光电流模型。

优选的，所述步骤5)中剂量率的仿真范围10⁹-10¹²rad(si)/s。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明完善了集成电路瞬时剂量率效应仿真流程，给出了可行的模块级电路瞬时剂量率效应的仿真手段，在器件级瞬时剂量率效应仿真的基础上，建立准确的光电流模型，同时利用器件模型仿真得到的电参数构建模块级电路模型，共同开展瞬时剂量率效应仿真，获取瞬时剂量率翻转阈值仿真结果。本发明提升了模块级电路瞬时剂量率效应分析预估能力。

本发明可以实现模块级电路的瞬时剂量率故障注入快速自动仿真；

本发明能够得到更加符合物理作用和实际的，针对剂量率辐射效应的模块级电路仿真模型，完成对模块级电路抗瞬时剂量率效应性能的预估；

本发明能够获得模块级电路的瞬时剂量率效应的翻转阈值以及敏感节点仿真结果。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

参见图1，本发明实施例提供了一种模块级电路瞬时剂量率效应仿真测试方法，包括下列步骤：

1)利用tcad软件对器件级电路进行nmos管和pmos管基本单元的物理模型的建立；

具体地，本发明实施例中所述的利用tcad软件对器件级电路进行基本单元的物理模型的建立包括：

11)利用sde工具设置器件参数和器件维度、确定图形绘制方案、衬底区域绘制、定义栅极氧化和栅极多晶硅、绘制浅槽隔离sti、定义器件接触、器件掺杂，对器件级电路进行三维建模，三维的模拟仿真对器件的电学特性仿真更为精确，能够较完整的反映器件的真实状态；

12)利用sde得到器件的三维物理模型后，利用mesh工具对器件进行网格划分和网格优化，主要针对器件表面、pn结区域等物理和电学特性容易改变的区域进行；

13)sdevice按照mesh工具优化后的网格、命令文件中设置的各个模型参数并规定仿真的起止时间以及边界条件完成器件仿真模拟。

利用sdevice工具通过设置物理模型(迁移率模型、禁带变窄模型、漂移、扩散模型)、电位信息、仿真步长、gammaradiationmodel模型来对半导体器件的光学、电学、辐射效应物理行为进行仿真；

14)利用tecplot、inspect工具对器件状态和电学特性进行观测；例如电压、电流特性，同时可以细化到查看空穴电流、电子电流相关物理量。

15)进行工艺对准，对建立的模型通过迭代可以得到电学特性曲线和spice仿真软件中器件级电路基本单元nmos管和pmos管的电学特性曲线相一致的较为准确的器件级电路物理模型。

由于三维模型的过程中十分依赖工艺信息，但因商业机密等问题，工艺厂商并不会将掺杂浓度等关键工艺信息发布，为了保证三维器件模型的电学特性能够很好的反映实际电路情况，必须对建立的三维器件模型进行工艺对准。

2)建立瞬时光电流模型；

具体地，本发明实施例中所述的建立瞬时光电流模型包括：需要在physics模块语句中加入gammaradiationmodel模型，并通过软件自带的工具对载流子浓度、禁带/导带位置、电场和电势反映器件辐射本质的物理参数进行观测。建立的瞬时光电流模型能准确的描述不同脉冲强度和剂量率情况下半导体器件中光电流以及二次光电流对器件的影响。具体步骤如下：

21)根据待仿真模块级电路的产品结构以及工艺，确定结区的结深、电子-空穴对迁移率、多数载流子浓度、空穴寿命、掺杂浓度、沟道长度和宽度信息；

22)利用上述参数信息，根据泊松方程与少子连续性方程理论公式计算出瞬时光电流源，建立和节点电压偏置相关的光电流脉冲模型。

23)利用器件级仿真软件tcad，通过在步骤1)得到物理模型中添加步骤22)得到的瞬时光电流模型，设置辐射剂量率大小、脉冲宽度参数，就可以利用该瞬时光电流模型进行器件瞬时剂量率效应仿真，得到不同辐射强度情况下瞬时光电流在器件内部的响应情况，从而得到不同辐射强度下的器件的敏感参数的变化情况；

24)根据步骤23)中器件响应情况修改优化得到准确的瞬时光电流模型，此瞬时光电流源能准确的描述不同脉冲强度和剂量率情况下半导体器件中光电流以及二次光电流对器件的影响。

3)获得基本单元nmos管和pmos管的瞬时剂量率效应的spice微模型；

具体地，本发明实施例中所述的获得nmos管和pmos管的瞬时剂量率效应的spice微模型包括：将瞬时光电流模型并联到mos管的pn结上,然后以器件敏感参数在不同瞬时剂量率效应下的变化情况为依据，建立可嵌入到电路网表的瞬时剂量率spice微模型。

建立基本组成单元pmos管和nmos管的电路微模型，mos管的源体、漏体、阱和衬底之间均有pn结，每个半导体结区都流过产生的光电流，需要在这些pn结上分别并联步骤2)得到的瞬时光电流模型，由此获得nmos管和pmos管的瞬时电离辐射spice微模型。源区的光电流一般至多导通源极－衬底二极管和在节点附近的循环电流，这样的光电流对器件响应没有影响，一般不加。

31)nmos管的电路微模型一般在nmos管的漏与衬底之间并联步骤2)得到的瞬时光电流；

32)pmos管的电路微模型一般在pmos管的漏与衬底之间并联步骤2)得到的瞬时光电流，另外，在p衬底和n阱结区之间需要加瞬时光电流，因为产生在p衬底和n阱结区的光电流最大，对器件辐射响应的影响也最大；

4)在spice仿真软件建立模块级电路瞬时剂量率效应模型；

具体地，本发明实施例中所述的在spice仿真软件建立模块级电路瞬时剂量率效应仿真模型包括：将基本单元的瞬时剂量率效应的spice微模型代入到模块级电路连接模型中。

41)建立模块级电路连接模型；

在spice仿真软件中建立描述模块级电路的网表文件，输入目标电路的电路配置文件和电路网表文件，建立模块级电路连接模型，此模型要兼顾电路驱动状态及电路负载等不同因素实现模块级电路中各个电路元件的互联，设置每个电路元件的相关电参数；

42)对电路元件模型，进行电路基本信号测试；

所述电路基本信号测试包括：电路功能测试以及电学参数测试；所述电学参数包括：电路元件的电流、电路元件的电压以及电路元件的带载能力；

43)建立模块级电路瞬时剂量率效应仿真模型

将步骤3)得到的基本单元nmos管和pmos管的瞬时剂量率效应的spice微模型代入到模块级电路连接模型中，在spice仿真软件中建立模块级电路瞬时剂量率效应仿真模型；

5)进行模块级电路瞬时剂量率效应仿真，监测模块级电路瞬时剂量率效应反应情况；

在spice仿真软件中利用4)中建立的模块级电路瞬时剂量率效应模型，固定电路测试激励、电路工作电压参数，通过设定不同瞬时剂量率大小来模拟产生的瞬时剂量率效应，得到模块级电路在瞬时剂量率辐照下，电路产生的瞬态光电流波形、电路输出、瞬时剂量率软错误阈值仿真结果。若是则结束，若否则执行6)。

6)调整电路测试激励(瞬时光电流的脉冲宽度)或电路节点工作电压(调高或调低)参数继续执行步骤5)进行仿真，监测模块级电路瞬时剂量率效应反应情况，直至获得瞬时剂量率效应的翻转阈值。

实施例

本实施例提供了一种触发器模块电路瞬时剂量率效应仿真方法研究，包括以下步骤：

步骤1：选择一款典型的触发器模块级电路，根据本发明中给出的方法开展基本单元pmos管和nmos管的器件物理模型建立，得到电流波形和电压随时间的变化以及相应内部载流子的变化，得到电学参数；并与spice中器件级电路基本单元nmos管和pmos管的电学特性曲线进行工艺对准，得到相一致的较为准确的器件级电路物理模型。

步骤2：根据触发器电路的产品结构以及工艺，确定结区的结深、电子-空穴对迁移率、多数载流子浓度、空穴寿命、掺杂浓度、沟道长度和宽度信息；利用上述参数信息，理论计算出瞬时光电流源，建立和节点电压偏置相关的瞬时光电流模型；

步骤3：将瞬时光电流模型并联到mos管的pn结上,利用tcad仿真出nmos管和pmos管对不同瞬时剂量率的响应，得到更加符合物理作用和实际的针对剂量率辐射效应的电路仿真spice微模型；

步骤4：在spice仿真软件中输入触发器的电路配置文件和电路网表文件，得到触发器电路的连接模型，将所述spice微模型代入到触发器电路连接模型中，在spice仿真软件中建立触发器电路的瞬时剂量率效应模型；

步骤5：固定电路测试激励、电路工作电压参数，对步骤4)得到的触发器电路瞬时剂量率效应模型在不同剂量率下模拟触发器产生的瞬时剂量率效应，监测是否获得触发器电路瞬时剂量率效应翻转阈值，若是，则完成仿真测试；若否则执行步骤6；

步骤6：调整触发器电路测试激励和或电路节点工作电压参数继续执行步骤5进行仿真，监测触发器电路瞬时剂量率效应反应情况，直至获得瞬时剂量率翻转阈值。

本发明基于模块级电路的瞬时剂量率效应仿真软件，在器件级瞬时剂量率效应仿真的基础上，建立基本组成单元pmos管和nmos管的电路物理模型，建立准确的瞬时光电流模型，通过在pn结上并联瞬时光电流模型得到基本单元的瞬时剂量率效应微模型，将微模型代入模块级电路连接模型中得到模块级电路瞬时剂量率效应模型，进行瞬时剂量率效应仿真完成对模块级电路抗瞬时剂量率效应性能的预估，获得模块级电路的瞬时剂量率效应的翻转阈值以及敏感节点仿真结果。本发明可以实现模块级电路的瞬时剂量率故障注入快速自动仿真，得到更加符合物理作用和实际的针对剂量率辐射效应的模块级电路仿真模型。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。