驱动能力对SOI SRAM单元单粒子效应的影响仿真*

徐 静，陈玉蓉，洪根深

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

SOI技术因为其硅膜和衬底之间由绝缘二氧化硅完全隔离，所以SOI器件相对于体硅器件收集单粒子产生的电子空穴对的体积减小，从而漏极收集电荷相对体硅明显减小。因而SOI技术一直以来被用于集成电路的单粒子加固[1]。

目前抗辐射SRAM的研制通常是“设计-制造-实验”的反复过程，代价非常昂贵，而且周期很长。本文采用silvaco软件对不同沟道宽度的0.8µm SOI BTSNMOS器件进行了三维SEU仿真，然后将仿真得到的漏端电流代入HSPICE进行SRAM六管单元进行仿真，建立了一种快速评估SRAM单元抗单粒子翻转能力的方法。

2 三维NMOS 器件SEU仿真

首先，应用silvaco软件里的devedit3d功能，建立了不同沟道宽度的0.8µm SOI BTSNMOS器件结构模型，这个模型的各项工艺参数是基于中国电科58所标准0.8µm SOI工艺平台建立的。器件结构采用BTS结构，源和体短接在一起，栅氧厚度Tox=17.5nm，顶层硅膜厚度Tsi=160nm，埋氧厚度Box=375nm。建成的两个模型结构宽长比（W/L）分别为4.8/0.8和2.8/0.8。

器件模型建立后，采用Atlas进行了器件模拟，模拟时器件的电压偏置条件是栅上电压VG接0V，漏上电压接5V，源和衬底都接地，如图1所示，入射粒子方向垂直于器件表面[2,3]，入射点为远离体接触的漏体节敏感节点。在模拟中采用以下物理模型：SRH模型、AUGER模型、CVT模型、BGN模型。在模拟单粒子效应时，采用silvaco的singleeventupset模块，单粒子效应产生的电子-空穴的时间分布为高斯分布：，分布特征值T0=50ps， TC=400ps，半径特征尺寸radius为0.6。

3 SOI SRAM单元的单粒子翻转模拟

SRAM单元采用典型的六管单元，其中节点1的初始电位为5V，节点2的初始电位为0V。使用HSPICE软件对SRAM基础单元单粒子翻转效应进行模拟，具体操作是用一个加在敏感节点1和地0之间的电流源来模拟高能粒子射入敏感区域后产生的瞬时电流[4]，如图2所示。其中SRAM单元的NMOS和PMOS器件采用两套不同沟道宽度的方案，但是NMOS和PMOS电流驱动比保持一致，具体尺寸如表1所示。

图2 六管SRAM单元SEU仿真逻辑示意图

表1 不同方案的器件尺寸对比

为了验证SRAM单粒子仿真的准确性，方案B的器件尺寸与实际进行单粒子实验的SRAM电路一致，并将电路实际测试翻转LET阈值与仿真值进行对比，以便进行仿真校准。

4 结果与讨论

本文先用方案B进行仿真，将仿真出的SRAM单元翻转LET阈值与实际测试值对比，并通过修正BTS NMOS器件的三维SEU仿真特征值来校准，使得仿真值与实际测量值符合。图3所示为方案B不同LET情况下，SRAM单元节点1的电压变化。从图3可以看出，LET翻转阈值介于40MeV·mg-1·cm2和49MeV·mg-1·cm2之间，与电路实际测量值吻合。因此，采用三维器件SEU仿真中的特征值是可以反映电路的实际单粒子翻转效应的。图4所示为沟道宽度W分别为2.8µm和4.8µm的NMOS器件在LET=49MeV·mg-1·cm2的电流脉冲仿真值对比，可以看出两个器件的LET电流脉冲峰值相当，W为4.8µm的器件LET脉冲峰值稍宽，证明两种器件的体接触都是很充分的，有效地遏制了寄生三极管效应[5]。

图3 方案B SRAM单元节点1翻转LET仿真

图4 LET=49MeV·mg-1·cm2不同器件的仿真电流

图5～图7所示分别为LET=40MeV·mg-1·cm2、49MeV·mg-1·cm2、59MeV·mg-1·cm2下，方案A和方案B中SRAM六管单元节点1受轰击后的电压曲线对比。从图中可以看出方案B中节点1的LET翻转阈值明显低于方案A。方案B的LET翻转阈值介于40MeV·mg-1·cm2和49MeV·mg-1·cm2之间，而方案A的LET翻转阈值则在59MeV·mg-1·cm2之上。这主要是因为方案A中的器件沟道宽度W比方案B中大，因而驱动电流也相对较大，在受到单粒子轰击后受脉冲电流的影响也相对较小，因而LET翻转阈值也相对高一些。

图5 LET=40MeV·mg-1·cm2翻转仿真对比

图6 LET=49MeV·mg-1·cm2翻转仿真对比

采用这种方法，将高能粒子入射敏感节点后产生的瞬时电流带入逻辑网表中进行HSPICE仿真，节省了大量时间，并且通过与实测值的对比与校准，实现了模拟结果对实际情况的反映[6]。对于58所标准0.8µm PD SOI平台，能实现LET翻转阈值在49MeV·mg-1·cm2的SRAM电路加工。如果适当增加器件的沟道宽度，提高器件的驱动能力，理论上可以将LET翻转阈值提高到59MeV·mg-1·cm2以上。

图7 LET=59MeV·mg-1·cm2翻转仿真对比

5 结论

本文通过将高能粒子入射敏感节点后产生的瞬时电流带入逻辑网表中进行HSPICE仿真的办法，实现了对SRAM单元翻转效应的仿真，对于快速评估抗辐射电路设计具有重要意义。通过对器件沟道宽度方案的选择仿真对比，发现增加器件的沟道宽度提高驱动能力，可以有效提高LET翻转阈值。

[1] 杨毅，尹常永，吴春瑜.PD SOI SRAM单元的单粒子加固方法[J].核电子学与探测技术，2008, 28（6）.

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[4] Messenger G C. Collection of charge on junction nodes from ion tracks[J]. IEEE Trans Nuclear Science, 1982, 29（6）∶2 024.

[5] 赵发展，郭天雷，海潮和，等.SOI NMOSFET单粒子效应的3-D模拟[J].核电子学与探测技术，2008, 28（1）.

[6] 刘征，孙永节，李少青，等.SRAM单元单粒子翻转效应的电路模拟[J].半导体学报，2007, 28（1）.