基于TCAD仿真建模的瞬时剂量率效应研究

初 飞，陈洪转，于春青，郑宏超，王 亮，杨程远

（1.南京航空航天大学，南京 211106；2.北京微电子技术研究所，北京 100076）

1 引 言

抗辐射加固CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）微处理器在多个领域用途广泛，是宇航／装备型号系统的关键核心器件。 对于超深亚微米CMOS 集成电路，瞬时剂量率效应是众多辐射效应中，影响最复杂、加固难度最大的效应。 微处理器对瞬时剂量率辐射十分敏感，在不同剂量率辐射下，会产生扰动、翻转、闩锁甚至烧毁等各种问题。开展微处理器的剂量率辐射效应研究具有重要意义，也是当前国内外抗辐射加固技术研究的重点和难点之一。

目前，国内研究人员对此类电路瞬时剂量率效应可靠性的研究均采用试验的方法，由于国内辐射源机时紧张，试验费用较高，对所有电路开展辐射效应研究成本太高，故提出一种仿真评估策略对集成电路进行瞬时剂量率效应的可靠性研究，并通过瞬时剂量率试验验证了其仿真的有效性。 仿真是保证设计准确性的关键途径，对于抗瞬时剂量率加固设计，更需要通过仿真来确定设计边界，预估设计的抗辐射能力。 对于瞬时剂量率闩锁加固，需要通过仿真技术来对加固结构进行仿真，仿真手段对研究器件级的瞬时剂量率辐射效应机理和分析光电流本身的行为具有重要的意义，对实际出现的辐射响应的研究和分析也具有重要的指导作用。

选取一款0.18 μm 百万门级抗辐射加固微处理器作为目标电路，利用TCAD（Technology Computer Aided Design）仿真工具对最基本的组成单元PMOS（Positive channel Metal Oxide Semiconductor）、NMOS（Negative channel Metal Oxide Semiconductor）管进行了剂量率辐射效应建模仿真，获得了MOS（Metal Oxide Semiconductor）管瞬时剂量率光电流变化数据，并在瞬时剂量率辐射源装置上开展了瞬时剂量率辐射试验。

2 瞬时剂量率效应仿真

在CMOS 工艺下，高瞬时剂量率辐射效应会在半导体器件中产生很强的瞬时光电流，由于电路中存在的寄生结构会降低阱的电位，使寄生三极管处于开启状态，放大瞬时光电流，给电路造成严重影响，导致电路发生闩锁。 保护环结构在版图布局中对PMOS 和NMOS 也有广泛应用，当电路受到瞬时剂量率辐射时，产生大量光电流，由于保护环的存在，使得阱电阻降低，光电流流过阱形成的电压降减小，存在于MOS 中的寄生三极管的发射结不能处于正偏状态，从而对初级光电流不产生放大作用。 本文中的目标电路采取保护环结构进行抗辐射加固设计，保护环布局结构能够减弱由瞬时剂量率效应导致的阱电位扰动，从而提高寄生三极管开启的阈值。

使用器件级仿真工具TCAD 软件，对微处理器中最基本组成单元PMOS 和NMOS 器件进行了三维物理建模，并引入了剂量率效应仿真模型，对其开展了剂量率效应的仿真研究。 利用TCAD 进行仿真建模，首先，需要对MOS 器件进行网格划分，将大的器件转化成小的网格，然后利用物理方程进行数值计算，进而可以得到精确的电学和物理参数。 剂量率辐射效应仿真，需要在physics 模块语句中加入修正过的Gamma Radiation Model 模型，同时需要设置doserate（剂量率大小）和doserate time（剂量率保持时间），DoseTSigma 参数和Doserate time 参数一起来确定在辐射时高斯分布的标准偏差。 剂量率辐射效应仿真在Sdevice 工具中进行，仿真时通过在某一个时刻加入瞬时剂量率辐射效应，仿真器件在工作中达到稳态后对辐射效应的响应，得到电流波形和电压随时间的变化以及相应内部载流子的变化。 得到的仿真特性通过Tecplot 工具进行查看。Sentaurus TCAD 的仿真步骤如图1 所示。

图1 Sentaurus TCAD 仿真步骤Fig．1 Simulation steps of sentaurus TCAD

仿真时，将NMOS 器件的偏置设置为N 管栅接0 V，源接0 V，漏接1.8 V，P 阱接0 V，衬底接0 V，该偏置可以更加直观的观察光电流的大小，去除了器件开启的工作电流。 瞬时剂量率仿真的辐射参数设置：剂量率为1.3×10rad（Si），辐射脉宽为25 ns。仿真得到的NMOS 光电流分布如图2 所示。

从图2 中可以看出，漏极收集的光电流最大，峰值是0.12 μA，衬底的光电流峰值为0.07 μA，P阱的光电流峰值为0.12 μA，源极的光电流峰值为0.06 μA。 经过分析，产生的瞬时光电流，主要是经过辐射产生的非平衡载流子被耗尽区分离和扩散等过程形成的，PN 结面积越大，辐射产生的非平衡载流子越多。 因此，PN 结面积是影响NMOS 中瞬时光电流大小的主要因素。

图2 NMOS 器件光电流仿真图（非加固）Fig．2 Simulation results of photocurrent generated in NMOS（unhardened）

同理，将PMOS 器件的仿真设置为栅接1.8 V，源接1.8 V，漏接0 V，N 阱接1.8 V，衬底接0 V。剂量率设置为1.3 ×10rad（Si），辐射脉宽为25 ns。仿真得到的PMOS 光电流分布如图3 所示。 对于PMOS 器件，源极收集的光电流最大，峰值电流为7.4 μA，衬底光电流为7 μA，N 阱光电流的峰值为0.6 μA，漏极光电流的峰值为1 μA。 经过分析，仿真获得的源极光电流峰值较大，主要受寄生双极效应影响，PMOS 器件产生的光电流峰值比NMOS 器件光电流峰值高将近2 个数量级，因此，本次仿真预估主要考虑PMOS 器件的影响。

图3 PMOS 光电流仿真结果（非加固）Fig．3 Simulation results of photocurrent generated in PMOS（unhardened）

为了验证版图加固效果，在相同的瞬时剂量率仿真辐射参数设置条件下，对非版图加固和版图加固的PMOS 管进行了剂量率效应仿真，仿真获得的PMOS 管源极光电流如图4 所示。 在剂量率为1.3 ×10rad（Si）时，非版图加固的PMOS 管源极收集的峰值电流为7.4 μA，版图加固的PMOS 管源极收集的峰值电流为0.19 μA，仿真结果证明版图加固有效。

图4 非加固与加固PMOS 光电流对比Fig．4 Comparison of source photocurrent between unhardened and hardened PMOS

为了预估微处理器电路整体瞬时光电流，采用版图加固的PMOS 器件在1.3 ×10rad（Si）剂量率仿真下得到瞬时光电流0.19 μA，乘以百万门级微处理器电路的器件数量（以每个门有4 个晶体管为例，每对PMOS 和NMOS 只有一个导通，根据经验预估百万门加固微处理器大约有200 万个PMOS 晶体管，因此乘以2 000 000 个PMOS 管的光电流），可以预估整体电路瞬时光电流峰值约为380 mA。

3 测试系统与测试判据

该瞬时剂量率辐射试验主要有两个目的：一是获取微处理器电路的瞬时辐射光电流，以验证仿真结果的准确性；二是测试电路的抗剂量率瞬时闩锁能力，以验证设计加固手段的有效性。

微处理器瞬时剂量率效应试验系统由微处理器和外围电路组成，其中，外围电路由程序PROM、内存FRAM 和通信RS485 组成，该试验系统与远端计算机通过RS485 通讯方式连接。 微处理器运行典型运算功能，程序运算结果通过串口发回远端监控计算机。 程控电源可以实时监控采集处理器的工作电流，通过上位机控制系统将电流采集结果自动保存在上位机中。 示波器监控微处理器的输出功能信号扰动情况，判断功能信号扰动是否自动恢复。 瞬时剂量率试验系统如图5 所示。

图5 瞬时剂量率试验系统图Fig．5 Diagram of dose rate experiment system

微处理器的电压设置为最高偏压，工作频率设置为100 MHz，上电启动后，读取PROM 中的程序，加载时间为340 ms。 初始化完成后，通过计数器程序，每计数10 万次，PIO4 与PIO5 输出端口（两端口反相）高低变化一次，即输出周期为1.36 s 方波至示波器，同时通过上位机串口显示输出状态，并将结果保存在控制计算机中。 微处理器运行时，每隔7 μs 向FRAM 存储数据寄存器发送数据和记录程序运行位置的标志位，由于FRAM 具有数据不易丢失的特点，在瞬时剂量率辐照条件下，即使微处理器瞬间掉电再恢复，程序也可自动在断点处继续上次结果恢复运行。

瞬时剂量率试验流程如图6 所示：

图6 瞬时剂量率试验流程图Fig．6 Flow chart of dose rate experiment

（1）上电初始化，微处理器从PROM 中自动加载测试程序并执行；

（2）微处理器循环执行典型运算程序，监控输出端口波形信号，保存串口输出数据，示波器监测光电流变化情况；

（3）开始瞬时剂量率辐照，如果功能信号正常，试验结束，如果功能信号异常，自动重新加载程序，恢复上次断点运行，记录断点前后时刻的波形和串口变化数据，试验结束。

4 辐照试验结果分析

在瞬时剂量率试验源装置上进行辐照试验，该装置可模拟多种瞬时剂量率脉冲辐射环境，提供的辐射参数如表1 所示。 本次试验采用窄脉冲γ 类型。

表1 瞬时剂量率辐射源装置参数Tab．1 Parameters of instantaneous dose rate radiation source equipment

瞬时剂量率试验结果如表2 所示，结果表明，采用加固的处理器电路具有较好的抗瞬时剂量率能力，仿真获得光电流峰值与试验光电流峰值误差小于5%，证明瞬时剂量率仿真结果具有指导意义。

表2 剂量率效应试验结果Tab．2 Experiment results of dose rate effect

经过分析，试验和仿真光电流峰值误差主要来自三个方面：一是仿真仅覆盖了典型晶体管尺寸和典型物理版图，而实际微处理器电路构成非常复杂，晶体管尺寸和版图有多种变化，单元电路的结构也不尽相同；二是仿真中为晶体管供电的电源是理想的（即没有内阻），而实际测试中电路的电源供电能力有限，在光电流较大时，电源、板级和芯片内部的压降变大，减弱了瞬时剂量率的影响；三是仿真模型的不确定度和试验误差。

5 结束语

本文针对一款抗辐射加固的微处理器电路进行了全新的瞬时剂量率效应可靠性研究探索，从仿真角度出发，利用TCAD 仿真工具对NMOS 和PMOS 管进行了器件级瞬时剂量率仿真，分别获取了器件瞬时光电流的变化数据，结合电路规模和实际加固设计，预估了微处理器在瞬时剂量率辐射下的瞬时光电流峰值。 在辐射源装置上进行了瞬时剂量率辐射试验，获得了瞬时光电流数据，对比仿真与试验结果可以得出以下结论：

（1）由仿真和试验验证结果可知，文中加固措施可以大幅度提高电路的抗瞬时剂量率效应性能；

（2）由仿真与试验对比结果得到仿真与试验误差小于5%；

（3）基于TCAD 仿真工具开展瞬时剂量率光电流大小仿真，结合实际电路设计和电路规模，预估电路在瞬时剂量率辐射下的瞬时光电流峰值具有一定参考价值。