一種基于電路仿真的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)判別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種通過電路仿真獲取故障電信號的響應(yīng)，來 判別基本存儲單元SRAM是否發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空間中充滿了來自浩滿宇宙的各種粒子；質(zhì)子、電子、a粒子、重離子、y射線等， 該些粒子引起的福射效應(yīng)，尤其是單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)（S抓；SingleEvent化set)影響著空間 電子系統(tǒng)的可靠性。
[000引航天應(yīng)用的XilinxFPGA的配置區(qū)是由SRAM基本單元組成的。SRAM型FPGAW及SRAM存儲器等是空間電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，單粒子效應(yīng)是其面臨的主要威脅。對于SRAM 型FPGA，百分之九十W上發(fā)生的單粒子效應(yīng)是單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。重離子入射到SRAM的敏感 節(jié)點時，能夠引起晶體管狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)，SRAM單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)可W看作是單個粒子入射W后 引起節(jié)點瞬時電流，導(dǎo)致邏輯翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的基本物理過程是粒子在器件 靈敏區(qū)中沉積足夠的能量，從而產(chǎn)生足夠的電離電荷，當(dāng)高能帶電粒子通過半導(dǎo)體器件的 靈敏區(qū)時，在粒子通過的路徑上將產(chǎn)生電離電荷，沉積在器件靈敏區(qū)中的電荷部分被電極 收集，當(dāng)收集到的電荷超過電路狀態(tài)的臨界電荷時，電路就會出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，出現(xiàn)邏輯功能的混 亂。
[0004] 目前判別器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的方法，主要是通過地面重離子模擬試驗來實現(xiàn)。 基于地面模擬試驗開展的單粒子效應(yīng)依賴于國內(nèi)重離子源的限制，束流時間無法保證，且 地面試驗費用相對昂貴。而通過模擬仿真來進行判別時，廣泛采用的模型方法都是基于經(jīng) 典的F. B. Mclean"漏斗"模型理論，但是"漏斗"模型不能表征重離子引起電流的瞬時特性， 需要結(jié)合載流子輸運理論研究空間福射環(huán)境中重離子引起的器件結(jié)區(qū)的電荷收集機理。而 且漏斗模型只是針對單個MOS單元進行理論建模，僅獲取能夠引起MOS單元發(fā)生單粒子翻 轉(zhuǎn)的臨界電荷值化，即收集電荷能夠引起單粒子翻轉(zhuǎn)的電荷闊值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是；克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于電路仿真的單 粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)判別方法，該方法能夠快速有效的判別在不同能量、不同角度、不同種類重離 子福射條件下，電路是否會發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是；一種基于電路仿真的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)判別方法，包括 如下步驟：
[0007] (1)確定入射的重離子類型，并計算重離子入射到SRAM器件上產(chǎn)生的電子-空穴 對濃度N;其中；
[000引
[0009] LET為重離子的線性能量傳輸系數(shù)，P為SRAM器件的襯底材料密度，^為重離子 dx 最終剩余能量對應(yīng)的阻止本領(lǐng)；
[0010] (2)建立入射到SRAM器件后產(chǎn)生的瞬態(tài)電流源模型，
[0011] I (t) = 1〇?sec(0)[exp(-a t) -exp(-0 t)]
[0012]
[001引其中；I。是近似的最大電流，0指重離子入射傾角，t為時間變量，
y。為電子遷移率，yP為空穴遷移率，E。為電離能，k為玻爾茲曼常數(shù)，q為電子電量，e。= 8. 85X104中/畑1，Nd為施主雜質(zhì)的密度；
[0014] (3)將步驟（2)建立的瞬態(tài)電流源模型等效成標準脈沖電流源；所述的標準脈沖 電流源的參數(shù)包括電流最小值Ii，電流最大值12,脈沖寬度IV上升時間Tc，下降時間Tp，周 期陽R;
[0015] (4)根據(jù)SRAM器件工藝參數(shù)，選擇寄生晶體管和寄生電阻，建立等效寄生電路，然 后在等效寄生電路中至少一個寄生晶體管的PN結(jié)上并聯(lián)一個標準脈沖電流源，PN結(jié)的位 置根據(jù)需要仿真的SRAM器件可能發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的位置確定；
[0016] (5)獲取SRAM器件工作正常時所述等效寄生電路的輸出波形作為標準波形，將 疊加標準脈沖電流源后所述等效寄生電路的輸出波形作為實際波形，如果實際波形與標準 波形一致，則判定SRAM器件未發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，如果實際波形與標準波形不一致，則判定 SRAM器件發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：本發(fā)明方法結(jié)合載流子輸運理論，獲得了重 離子引起的電流瞬時特性，并將電流瞬時特性等效成SPICE中的標準電流源模型，能夠直 觀的獲得電路的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的響應(yīng)結(jié)果。通過該一方法，能夠針對不同的重離子福射、 不同的電路形式，進行建模仿真，能夠快速有效的判別在不同能量、不同角度、不同種類重 離子福射條件下，電路是否會發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。地面加速器試驗是判別單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的 一種比較直接的方法，但是由于地面加速器束流時間緊張，且價格昂貴，導(dǎo)致電路的單粒子 效應(yīng)判別成本很高，而本方法基于電路建模仿真的方法，能夠針對不同電路實現(xiàn)經(jīng)濟、快捷 的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)判別，獲得的電路仿真器件的電信號響應(yīng)結(jié)果可用于故障注入技術(shù)。
【附圖說明】
[001引圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；
[0019] 圖2(a)為重離子入射到器件中得到的電流響應(yīng)，圖2(b)為電流源模型等效成 SPICE軟件中的標準脈沖電流源示意圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明SRAM受單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)影響的等效寄生電路示意圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明SRAM單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的仿真結(jié)果示意圖；圖4(a)為正確輸出波形， 圖4(b)為發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)的錯誤輸出波形。
【具體實施方式】
[0022] 空間中的重離子的種類不同，并且入射方向為全空間入射，因此首先需要分析不 同粒子種類、能量和入射角度的重離子的影響機制。然后在獲得重離子入射到器件產(chǎn)生的 電流脈沖模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合電路仿真方法，能夠?qū)崿F(xiàn)重離子入射到電路引起電路輸出的 變化，進而獲得電路故障的電信號響應(yīng)，從而判別器件是否發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。
[0023] 圖1是本發(fā)明基于電路仿真的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)判別方法的流程圖，下面WSRAM器 件為實施例進行詳細說明。
[0024] (1)計算重離子入射到器件上產(chǎn)生的電子-空穴對濃度N;
[0025] 根據(jù)入射重離子種類、能量，進行LET值的計算，重離子LET值計算公式為：
[0026]
[0027]其中；
[002引 LET;重離子的線性能量傳輸系數(shù)，單位為MeV?cmVmg;
[0029] P;襯底材料密度，娃的密度為2. 33X103mg/cm3;
[0030] 祀/dx;重離子最終剩余能量對應(yīng)的阻止本領(lǐng)，單位為MeV/cm。
[0031] 一定類型的重離子入射到襯底中，其能量為E。祀/dx存在和重離子類型、能量和 襯底類型的對應(yīng)關(guān)系，目前較為權(quán)威的是SRIM軟件給出的結(jié)果。
[0032] 下面舉例說明祀/dx的計算過程；WC離子在襯底Si中的數(shù)據(jù)為例，SRIM軟件可 W給出如下面表1中所示的數(shù)據(jù)格式。
[0033] 表1SRIM計算C離子入射到娃襯底的相關(guān)參數(shù)
[0034]
[0035] 其中"IonEnergy"代表重離子能量，"祀/dxElec."代表電子阻止本領(lǐng)，單位為 MeV?cm2/mg，"祀/dxNuclear"代表核阻止本領(lǐng)，單位為MeV?cm2/mg，"ProjectedRange"代 表重離子射程，"LongitudinalStraggling"代表射程的縱向岐離，"LateralStraggling" 代表射程的水平岐離。
[0036] 重離子的LET值指的是電子阻止本領(lǐng)和核阻止本領(lǐng)之和，因此需要將"祀/dx Elec."和"祀/dx Nuclear"相加得到總的阻止本領(lǐng)。但由于"祀/dx Nuclear"相比"祀/dx Elec."小很多，因此可W忽略。所W C離子入射到娃襯底中，不同能量E和阻止本領(lǐng)祀/dx 的關(guān)系如表2所不；
[0037]表2 C離子能量和阻止本領(lǐng)[00%]
[0039] 根據(jù)LET值，可W計算入射后產(chǎn)生的電子-空穴對（載流子）的濃度N。對于娃襯 底，產(chǎn)生一個電子-空穴對需要3. 6eV的能量，所W產(chǎn)生的電子-空穴對的濃度為：
[0040]
[004