驅動能力對SOI SRAM單元單粒子效應的影響仿真*

徐 靜，陳玉蓉，洪根深

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

SOI技術因為其硅膜和襯底之間由絕緣二氧化硅完全隔離，所以SOI器件相對于體硅器件收集單粒子產生的電子空穴對的體積減小，從而漏極收集電荷相對體硅明顯減小。因而SOI技術一直以來被用于集成電路的單粒子加固[1]。

目前抗輻射SRAM的研制通常是“設計-制造-實驗”的反復過程，代價非常昂貴，而且周期很長。本文采用silvaco軟件對不同溝道寬度的0.8μm SOI BTSNMOS器件進行了三維SEU仿真，然后將仿真得到的漏端電流代入HSPICE進行SRAM六管單元進行仿真，建立了一種快速評估SRAM單元抗單粒子翻轉能力的方法。

2 三維NMOS 器件SEU仿真

首先，應用silvaco軟件里的devedit3d功能，建立了不同溝道寬度的0.8μm SOI BTSNMOS器件結構模型，這個模型的各項工藝參數是基于中國電科58所標準0.8μm SOI工藝平臺建立的。器件結構采用BTS結構，源和體短接在一起，柵氧厚度Tox=17.5nm，頂層硅膜厚度Tsi=160nm，埋氧厚度Box=375nm。建成的兩個模型結構寬長比（W/L）分別為4.8/0.8和2.8/0.8。

器件模型建立后，采用Atlas進行了器件模擬，模擬時器件的電壓偏置條件是柵上電壓VG接0V，漏上電壓接5V，源和襯底都接地，如圖1所示，入射粒子方向垂直于器件表面[2,3]，入射點為遠離體接觸的漏體節敏感節點。在模擬中采用以下物理模型：SRH模型、AUGER模型、CVT模型、BGN模型。在模擬單粒子效應時，采用silvaco的singleeventupset模塊，單粒子效應產生的電子-空穴的時間分布為高斯分布：，分布特征值T0=50ps， TC=400ps，半徑特征尺寸radius為0.6。

3 SOI SRAM單元的單粒子翻轉模擬

SRAM單元采用典型的六管單元，其中節點1的初始電位為5V，節點2的初始電位為0V。使用HSPICE軟件對SRAM基礎單元單粒子翻轉效應進行模擬，具體操作是用一個加在敏感節點1和地0之間的電流源來模擬高能粒子射入敏感區域后產生的瞬時電流[4]，如圖2所示。其中SRAM單元的NMOS和PMOS器件采用兩套不同溝道寬度的方案，但是NMOS和PMOS電流驅動比保持一致，具體尺寸如表1所示。

圖2 六管SRAM單元SEU仿真邏輯示意圖

表1 不同方案的器件尺寸對比

為了驗證SRAM單粒子仿真的準確性，方案B的器件尺寸與實際進行單粒子實驗的SRAM電路一致，并將電路實際測試翻轉LET閾值與仿真值進行對比，以便進行仿真校準。

4 結果與討論

本文先用方案B進行仿真，將仿真出的SRAM單元翻轉LET閾值與實際測試值對比，并通過修正BTS NMOS器件的三維SEU仿真特征值來校準，使得仿真值與實際測量值符合。圖3所示為方案B不同LET情況下，SRAM單元節點1的電壓變化。從圖3可以看出，LET翻轉閾值介于40MeV·mg-1·cm2和49MeV·mg-1·cm2之間，與電路實際測量值吻合。因此，采用三維器件SEU仿真中的特征值是可以反映電路的實際單粒子翻轉效應的。圖4所示為溝道寬度W分別為2.8μm和4.8μm的NMOS器件在LET=49MeV·mg-1·cm2的電流脈沖仿真值對比，可以看出兩個器件的LET電流脈沖峰值相當，W為4.8μm的器件LET脈沖峰值稍寬，證明兩種器件的體接觸都是很充分的，有效地遏制了寄生三極管效應[5]。

圖3 方案B SRAM單元節點1翻轉LET仿真

圖4 LET=49MeV·mg-1·cm2不同器件的仿真電流

圖5～圖7所示分別為LET=40MeV·mg-1·cm2、49MeV·mg-1·cm2、59MeV·mg-1·cm2下，方案A和方案B中SRAM六管單元節點1受轟擊后的電壓曲線對比。從圖中可以看出方案B中節點1的LET翻轉閾值明顯低于方案A。方案B的LET翻轉閾值介于40MeV·mg-1·cm2和49MeV·mg-1·cm2之間，而方案A的LET翻轉閾值則在59MeV·mg-1·cm2之上。這主要是因為方案A中的器件溝道寬度W比方案B中大，因而驅動電流也相對較大，在受到單粒子轟擊后受脈沖電流的影響也相對較小，因而LET翻轉閾值也相對高一些。

圖5 LET=40MeV·mg-1·cm2翻轉仿真對比

圖6 LET=49MeV·mg-1·cm2翻轉仿真對比

采用這種方法，將高能粒子入射敏感節點后產生的瞬時電流帶入邏輯網表中進行HSPICE仿真，節省了大量時間，并且通過與實測值的對比與校準，實現了模擬結果對實際情況的反映[6]。對于58所標準0.8μm PD SOI平臺，能實現LET翻轉閾值在49MeV·mg-1·cm2的SRAM電路加工。如果適當增加器件的溝道寬度，提高器件的驅動能力，理論上可以將LET翻轉閾值提高到59MeV·mg-1·cm2以上。

圖7 LET=59MeV·mg-1·cm2翻轉仿真對比

5 結論

本文通過將高能粒子入射敏感節點后產生的瞬時電流帶入邏輯網表中進行HSPICE仿真的辦法，實現了對SRAM單元翻轉效應的仿真，對于快速評估抗輻射電路設計具有重要意義。通過對器件溝道寬度方案的選擇仿真對比，發現增加器件的溝道寬度提高驅動能力，可以有效提高LET翻轉閾值。

[1] 楊毅，尹常永，吳春瑜.PD SOI SRAM單元的單粒子加固方法[J].核電子學與探測技術，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] 趙發展，郭天雷，海潮和，等.SOI NMOSFET單粒子效應的3-D模擬[J].核電子學與探測技術，2008, 28（1）.

[6] 劉征，孫永節，李少青，等.SRAM單元單粒子翻轉效應的電路模擬[J].半導體學報，2007, 28（1）.