0．18μm NMOS的重离子单粒子瞬态脉冲的仿真模拟

李 飞，安海华

(西安卫光科技有限公司，西安710065)

LI Fei*，AN Haihua

(Xi’an WeiGuang Science＆Technology Co．，Ltd．，Xi’an 710065，China)

从1975年提出单粒子效应以来，国内外就展开了对单粒子效用的研究。国内目前实验室条件下能够利用的单粒子模拟粒子源抓药有252Cf源装置、14 MeV中子发生器，35 MeV质子加速器以及HI-13串列加速器［2，8］。但是实验过程复杂而且费时，成本也很大。所以采用仿真软件从理论上模拟单粒子效应，有助于对单粒子效应机理的研究，对一些新材料和新结构的器件，也能做出抗单粒子效应能力的评估，这也是仿真软件的一大优势［1］。

1 重离子物理模型［7］

利用ISE TCAD软件对NMOSFET的重离子产生的SET进行了模拟仿真。采用流体动力学模型，物理模型还考虑了影响寿命的SRH复合，饿歇复合，载流子之间的散射、迁移率随掺杂浓度的变化以及禁带变窄等。

在ISE中，重离子注入后，与电流连续方程所对应的过剩载流子产生率可以和辐射的参数线性能量传输LET(入射粒子在单位长度上淀积的能量除以材料的密度，单位为MeV/(mg·cm2)联系起来。

在硅材料中，单粒子效应在单位长度上产生的电子——空穴对为:

所以LET还有一个单位pC/μm，在后面进行器件数值模拟时，我们将用到这个单位。

其中，Nehp和Pehp分别是重离子注入所产生的电子和空穴对数［4］。R(w)和T(t)分别描述重离子产生的电子空穴对的空间和时间分布，通过和这两个的函数相联系，借助产生率方程就将重离子注入产生的电子空穴对数包含在连续方程中了。

模拟的基本过程是:首先不考虑产生、复合项，求得稳态解;然后在稳态解得基础上考虑单粒子注入影响，即模拟计算中加入产生复合项，求得瞬态解;最后得到粒子注入后产生的电流脉冲级电压随时间的变化过程。

2 NMOS器件结构和模拟条件

NMOSFET在ISE MDRAW中的结构和掺杂如图1所示，其中沟道长度为0．18μm，栅氧化层为10 nm，多晶栅的厚度为100 nm。假设重离子垂直注入截止 NMOSFET 的漏区点(0．22，0)处，LET 为0．4 pC/μm，电离电荷的产生率在空间和时间均呈高斯分布，特征半径分别为0．1μm和2 ps，并且采用图3(c)所示的电路连接，仿真得到的NMOS的漏极电流和电压随时间变化的曲线如图2所示。图中给出的电压随时间变化的模拟结果可以用来讨论单元是否翻转。图中在时间到2．5×10-11s的时候，漏极电压降到了0．020 9 V，之后又慢慢回归到了高电位。由于电压基本达到了零点几伏，所以可以认定在重离子作用下，单元发生了翻转。

图1 NMOSFET的结构和掺杂图

图2 漏极电流和电压随时间变化的曲线

3 外电路连接方式对SET电流脉冲的影响

MOS管各个电极的电压不同，仿真得到的单粒子瞬态脉冲的峰值和脉宽都有很大的区别。图3是ISE仿真中外加电路的三种连接方式，图4为栅长0．18μm的NMOS管在图3的电路连接方式下产生的对应单粒子瞬态电流脉冲。其中电阻为4 kΩ，电容的大小为4×10-15F，V dd为5 V，比其他的仿真所加的电压大，主要是为了证明漏极电压大小和变化对 SET 脉冲的影响［9］。

图3 ISE仿真中外加电路的三种连接方式

图4 栅长0．18μm的NMOS管在图3的电路连接方式下产生的对应单粒子瞬态电流脉冲

第1种情况，NMOS管漏极直接接电源，漏pn结的反偏电压是一个固定值，同时源极接地，而第2种情况源极也接高电位，相当于两个并联的二极管。二者的差别是前者存在源极提供的电子，会导致寄生双极放大效应，SET电流比后者多了双极放大的成分，因此第1个电流峰值的主要成分即为双极放大电流，SET电流脉冲的最大值是由双极放大效应导致的。第2种情况下，因为源极接了高电位，所以有效的抑制了双极放大效应对SEU电流脉冲的影响［10］。此时，电离电荷除了被漏极收集以外，还可能被源极收集，所以漏极电流比第1种小得多。如果pn结的反偏电压是由外部电路控制的话，比如在CMOS反相器电路中。我们采用一个上拉电阻来模拟CMOS电路中的PMOS管，例如在第3种的电路中。一开始pn结存在反偏电压，在高能粒子入射后，产生的漏极电流逐渐增大使得反偏电压逐渐下降，几个ps之后，反偏电压下降为0。分析第1种和第3种情况，两者的区别就在于漏极电压，前者漏极直接接电源，电压不会下降，而后者重离子入射产生电压脉冲。因此我们得到结论，第3种情况下，双极放大引起的电流和漂移电流的成分只在单粒子注入开始的几个ps内存在，当反偏电压降0之后，剩下的时间是靠电荷的扩散机制来收集电荷，用来维持已经翻转的节点。这组模拟结果说明了双极放大效应主要受漏极电压的影响，电压越高，双极放大效应越显著，另外，作为双极放大效应发射极的NMOS管的源极的电压，也是重离子注入中的双极放大效应是否会开启的重要影响因素。而仿真结果很好的验证了这一点［6］。

4 重离子注入位置对SEU电流脉冲的影响

ISE仿真中，重离子注入位置对NMOS产生的SET脉冲的峰值和脉宽有很大的影响。这主要是因为单粒子效应电荷收集机制中，漂移和扩散在单粒子不同注入位置的电荷收集中所占的比重不同导致的。图5，单粒子注入位置从源极到漏极，进行一次其他条件完全相同的仿真，得到了一簇SET电流脉冲和时间的曲线图。

众所周知，漏/体结的电场的扰乱产生了漂移电流，因此最大的SET脉冲产生在漏/体结处(0．08，0)，产生越大的电场扰动使漏极收集到更多的电荷，从而产生更大的SET脉冲。对于(0．22，0)处，所有由重离子注入产生的电荷都淀积在重掺杂漏区，对电场和电势产生的扰动较小，减小了由于漂移而产生的漏极电流，使大量的电荷都通过扩散来收集，因而也产生了一个宽的瞬态电流响应。所以重离子注入位置离漏/体结越近，SET峰值越高，脉宽越小。反之，则扩散电流所占的成分越多，SET峰值越低，脉宽越大［5］。

图5

5 结论

经过对0．18μm栅长NMOSFET的SET电流脉冲的深入分析，详细的了解了纳米MOS电路中单粒子瞬变电荷收集机理，为下一步建立SET的精确模型，进行电路和系统级的SET效应的模拟做出了准备，同时也为研究有效的抗单粒子效应的器件结构和电路设计奠定了坚实的基础。

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