NMOS大氣中子輻射效應仿真研究?

趙鵬梅 亮常成

（航天科工防御技術研究試驗中心 北京 100854）

1 引言

臨近空間飛行器機載集成電路受到大氣中子輻射，容易發生單粒子效應。特別是FPGA，由于其較高的集成度，更容易發生單粒子效應［1～3］。FPGA的核心技術是可編程技術，通過使用不同的類型的存儲結構來實現FPGA的功能，常見的FPGA有：采用標準CMOS工藝的SRAM型FPGA，基于Flash的FPGA，反熔絲型FPGA。對比分析各不同類型FPGA得出，SRAM型FPGA應用更為廣泛且其受中子輻射產生單粒子翻轉現象更有研究意義［4～7］。

2 FPGA結構分析

SRAM型FPGA整體結構示意圖如圖1所示，FPGA主要是由可配置邏輯塊（Configurable Logic Blocks，CLB）、可編程輸入/輸出模塊（Input/Output Blocks，IOB）、嵌入式存儲器（Blocks RAM）、乘法器（Multiplier）、數字時鐘管理器（Digital Clock Manager，DCM）等基本模塊以及使各模塊相互連接的可編程互連資源（Programmable Interconnect，PI）構成［8］。單粒子效應原理的關鍵在于入射粒子進入目標半導體材料，經過各種物理過程，產生瞬態電流。SRAM型FPGA受大氣中子影響，在存儲單元或者時序電路出現瞬態電流，會影響FPGA的邏輯功能，進而影響整個系統的功能實現。

根據上述FPGA的結構分析，FPGA中存在大量的存儲單元（SRAM），這些存儲單元極易受大氣中子輻射影響而引發單粒子翻轉，具體物理過程描述如下：高能量的大氣中子入射到FPGA的SRAM中，會與硅發生核反應，產生大量的電子-空穴對，電子-空穴對被SRAM中的PN結所收集，形成瞬態電流，當瞬態電流作用于SRAM上時，會發生邏輯狀態翻轉，其翻轉示意圖如圖2所示［9］。

圖1 SRAM型FPGA結構示意圖

圖2 SRAM發生單粒子翻轉示意圖

從上述分析可以看出，SRAM中對大氣中子輻射單粒子效應最靈敏的部位是NMOS管，當NMOS管處于截止狀態是，NMOS管的漏極與基極構成一個反偏結，在高能中子入射到該NMOS管時，經過漏極與基極形成的耗盡區，會制造出電子-空穴對。電子-空穴對被反偏結所收集，電子-空穴對的定向移動，會在高能中子入射點處產生一個電流脈沖，進而導致該入射點的存儲狀態發生變化，從而影響整個SRAM的存儲狀態［10］。

3 NMOS建模

本文建立NMOS三維模型，要在Deckbuild的環境下調用ATLAS來完成分析工作，并且交互環境下允許DevEdit器件編輯器輸入。利用DevEdit對NMOS進行結構建模，具體建模流程如圖3所示。

圖3 DevEdit工作流程圖

本文以0.18umNMOS管為例進行說明，其模型參數主要有：TOX為柵氧厚度，XJ為結深，NCH為溝道的峰值摻雜，NSUB為襯底摻雜，具體工藝參數如表2所示，利用DevEdit工具對該NMOS管進行建模，具體模型如圖4所示，其中不同的顏色代表不同的材料［11］。

表2 0.18μm NMOS管工藝參數值

圖4 0.18umNMOS管三維模型

4 NMOS中子入射仿真

進行NMOS管中子入射模擬仿真，就是利用上一節建立的NMOS三維模型，將大氣中子入射到NMOS上，得出NMOS漏極出現的電流脈沖，具體物理過程為：高能大氣中子入射NMOS管，與其中的硅材料（主要）發生核反應，產生大量的電荷，這些電荷在其運動軌跡上被NMOS管的漏極所收集，最終產生脈沖電流。因此，首先需要建立起物理方程，用來模擬上述整個物理過程。

單粒子效應仿真的物理基礎主要包括兩個方面：物理方程以及物理模型。單粒子效應仿真的物理方程是上述電流脈沖產生過程的表達，而ATLAS中物理模型是由狀態model以及impact所指定的，這些物理模型可以分為五組：遷移率模型、復合模型、載流子模型、碰撞模型以及隧道模型，而器件仿真的通用框架是泊松方程以及連續方程。本文主要涉及到的物理模型有：濃度依賴遷移率模型（conmob）；平行電場依賴模型（fldmob）；集成模型（CVT）；Shockley-Read-Hall復合模型（srh）；俄歇復合模型（auger）；能帶變窄模型（bgn）［12］。

上述分析介紹了單粒子效應的物理模型，為了完整地描述電流脈沖產生的過程，還需要確定單粒子效應的物理方程。根據國外學者的試驗研究，NMOS管中受中子輻射影響，產生脈沖電流的物理方程主要有：

1）泊松方程

泊松方程表示的是電子-空穴對的產生，從上述方程可以得到，電子-空穴對會影響NMOS管內部電場分布［13］。

2）傳輸方程

傳輸方程又被稱為電流密度方程，而電流密度主要由漂移電流密度以及擴散電流密度決定［14］。

3）連續性方程

連續性方程是指半導體器件內部載流子的增加，是由外部載流子流入器件內部而造成的，受中子輻射單粒子效應的影響，會造成載流子濃度的增加［15］。

進行大氣中子入射仿真所使用的是TCAD中的ATLAS工具，這個工具的最大優勢在于可以自定義網格，并能夠非常容易地獲取網格節點處的器件參數。大氣中子在入射材料中，產生電荷的運動軌跡與Newton迭代法的描述比較吻合。具體的操作流程如圖5所示。

圖5 ATLAS仿真流程

根據上述流程一次進行0.18μmNMOS三個LET值下的ATLAS仿真，對輸出的仿真數據進行處理，各LET值下仿真數據處理結果如圖6所示。由圖6可以看出，三個不同LET值下，NMOS管漏極電流脈沖達到峰值的時間基本相同，下降并減到近乎沒有的時間也基本相同，但峰值的大小相差較大：當LET=1 MeVcm2/mg時，NMOS管漏極電流脈沖峰值達到5μA；當LET=0.5 MeVcm2/mg時，NMOS管漏極電流脈沖峰值為2.5μA；而當LET=0.1 MeVcm2/mg時，NMOS管漏極電流脈沖峰值僅為0.5μA，相比LET=1 MeVcm2/mg時小了近10倍。通過上述分析可以得出，LET值對中子輻射NMOS引起其漏極出現電流脈沖的影響，主要集中在電流脈沖的峰值的大小，不影響電流脈沖的維持時間，較大LET值的中子引起的電流脈沖更大，且效果明顯。

圖6 三個不同LET值下NMOS管ATLAS仿真數據

利用相同的方法，可以得出工藝尺寸為0.35μm、1μm的NMOS管 的 漏 極 電 流 脈 沖，0.35μm NMOS管受中子輻射，引起的漏極電流如圖7（a）所示。1μm NMOS管受中子輻射影響，引起的漏極電流如圖7（b）所示。

從圖7分析可得，0.18μm的NMOS管受中子輻射引起的脈沖電流要明顯大于0.35μm的NMOS管，相同的，0.35μm的NMOS管出現的脈沖電流也要明顯的大于1μm的NMOS管出現的脈沖電流?？梢缘贸觯琋MOS管尺寸減小，導致其更容易受中子輻射而產生的脈沖電流。

（a）0.35μmNMOS管產生的脈沖電流

圖7 兩種不同尺寸NMOS管產生的脈沖電流

5 結語

本文分析FPGA受大氣中子影響產生單粒子翻轉過程，發現產生單粒子翻轉的根本原因在于其內部存儲單元（SRAM）中的NMOS管，受大氣中子入射影響，產生瞬態脈沖電流，該脈沖電流作用于SRAM上，使其存儲狀態發生變化，導致單粒子效應的產生。利用仿真手段模擬不同尺寸NMOS管受大氣中子輻射，產生瞬態脈沖電流的整個過程，得出不同能量大氣中子入射NMOS管產生的瞬態脈沖電流以及相同能量大氣中子輻射不同尺寸NMOS管產生的瞬態脈沖電流。從仿真結果可以得出：隨著入射大氣中子能量的增大，NMOS管受其輻射效應產生的瞬態脈沖電流越大；而隨著NMOS管尺寸的減小，其受大氣中子輻射效應產生的瞬態脈沖電流也越大。經與國外相關仿真結果對比，所得結論與其相符，為未來開展FPGA大氣中子輻射效應提供參考，并可指導FPGA抗單粒子翻轉加固的實施，具有一定的工程應用價值。