【正文】 子影響 n1 漏極會使節(jié)點 A 變?yōu)榈碗娖?，并開啟晶體管 M4，使節(jié)點 B 為高電平，使互鎖狀態(tài)變?yōu)闋顟B(tài) 1，相反的，單粒子影響 n3 漏極會使節(jié)點 B 變?yōu)榈碗娖?，開啟晶體管 M2，驅(qū)使節(jié)點 A 為高電平將互鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài) 2。若帶電粒子同時撞擊 n1 和 n3 的漏極， n3 上的電收集會減少 n1 上的電收集（在任意互鎖的初始狀態(tài) ）。結(jié)果會是一個更高的 LET 翻轉(zhuǎn)值，單粒子既會影響 n1，也會影響 n3，而不僅僅是只影響 n1。 圖 28 LEAP 結(jié)構(gòu)的雙互鎖反相器 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 15 本章小結(jié) 本章主要介紹了 SRAM 單元 的存儲原理， DICE 單元 結(jié)構(gòu)和 LEAPDICE 單元 電路的抗輻照原理，并且詳細(xì)的分析了 LEAP 設(shè)計原則是 如何實現(xiàn) 對 電荷 輻射的 起到 免疫 的作用 。哈爾濱工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 16 第 3 章 仿真研究及版圖設(shè)計 針對 LEAP 結(jié)構(gòu)和 DICE 結(jié)構(gòu)在版圖布局上的不同，本文設(shè)計了 TCAD 環(huán)境下的混合仿真來對上一章的理論分析進(jìn)行驗證，在 TCAD 環(huán)境下，要實現(xiàn)與 SPICE的混合仿真，首先需要建立 TCAD 模型，建立 MOS 晶體管，然后對所建立的晶體管模型進(jìn)行不斷地?fù)诫s調(diào)整，以實現(xiàn)其校準(zhǔn)工作，使其能夠與 SPICE 所提供的工藝庫完全 匹配， 進(jìn)而將建立的晶體管與 SPICE 中的元件連接到一起，在模擬給予重離子入射，實現(xiàn)混合仿真。 TCAD 模型的建立 進(jìn)行器件的 TCAD 與 SPICE 混合仿真以及電荷共享的研究 需要精確的器件模型，而 這 又對諸如驅(qū)動能力、漏極工程以及閾值電壓這樣的參數(shù)特別敏感。目前通用的做法是采用逆向建模， 再根據(jù) 獲得的 PDK 和 SPICE 模型確定器件幾何尺寸，將器件模擬所得的 IV 曲線與 SPICE 模擬曲線進(jìn)行匹配，通過調(diào)整工藝參數(shù)（主要是摻雜）達(dá)到工藝校準(zhǔn)。 本小節(jié) 將講述 TCAD 下建立模型的過程，以及工藝校準(zhǔn)的過程與結(jié)果。 圖 31 MOS 器件剖面圖 這一小節(jié) 主要 講述 90nmCMOS 雙阱工藝器件模型的建立。圖 31 分別 顯示了一個相鄰的 NMOS 與 PMOS。右側(cè)的為 NMOS 剖面圖是， N 阱和 P 阱摻雜都采用Gaussian 分布，峰 值分別距離表面 m 和 m。 N/P 阱與襯底之間注入了P+深阱，也采用 Gaussian 分布，峰值位于 m。 P+深阱的主要作用是減小寄哈爾濱工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 17 生電阻，防止器件 SEL。 STI 的深度約為 m。為了實現(xiàn)精確的校準(zhǔn)，柵氧厚度必須做準(zhǔn)確的估計。 PDK 中的集約模型指明柵氧厚度為 。但是，由于并沒有模擬隧穿導(dǎo)致的柵漏電流，所以采用了漏電等價的厚度，為 。這能獲得與 PDK器件特性很好地匹配。多晶硅柵的厚度采用了 130nm工藝下使用的典型值。器件的幾何尺寸參考文獻(xiàn)，并符合采用工藝的 PDK 版圖 設(shè)計規(guī)則。 DC 校準(zhǔn)過程中通過迭代可以大致確定溝道內(nèi)的摻雜分布。溝道表面注入了調(diào)整閾值電壓的摻雜，在閾值電壓調(diào)整中起著主要作用。為了控制熱載流子，使用了輕摻雜漏極（ LDD）技術(shù)。位于 LDD 側(cè)面的源漏區(qū)是橫向溝道工程，稱為環(huán)繞摻雜（ halo doping），用以在不增加電容的情況下抑制短溝道效應(yīng)和漏極誘導(dǎo)的勢壘降低（ DIBL）。從校準(zhǔn)角度來說， halo 摻雜對調(diào)整亞閾值特性很有用，同時又對閾值電壓改變不多。而 LDD 的尺寸和摻雜水平?jīng)Q定著器件的電阻，因而對器件的最大驅(qū)動能力有影響。一旦這些參數(shù)被確定，通過與 PDK 中 SPICE 模型的電學(xué)特性迭代比較，就能得到精準(zhǔn)的器件模型。有效的溝道長度約為 50nm。此外，對柵寬很窄的器件，必須對跨過柵的 STI 做側(cè)墻重?fù)诫s。 TCAD 模型的校準(zhǔn) 基于上面的描述，我們構(gòu)建了 NMOS 和 PMOS 的 TCAD 器件模型。通過多次迭代地調(diào)整 LDD、 Halo 以及閾值電壓的注入等摻雜，得到了校準(zhǔn)的器件模型。圖32 顯示了 NMOS 和 PMOS 的 IDVDS 曲線。從圖中可以看出，校準(zhǔn)的器件模型的 IV 曲線與半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?SPICE 能很好地吻合，可用于 混合仿真和電荷共享的研究 。 下面分別給出 N 管和 P 管的擬合 曲線圖。圖 a 是 NMOS 擬合曲線圖 ，圖 b 是P 管的擬合曲線圖： a（ NMOS） 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 18 104 104 104 105 105 105 105Drain Current (A)D ra i n Vol t a g e (V) SPI C E T C ADVg=1 V b（ PMOS） 圖 32 90nm CMOS 工藝校準(zhǔn)獲得的 漏極 IV 曲線 TCAD 模擬流程 TCAD 是 Synopsis 公司推出的器件模擬軟件包，主要包括： Sentaurus Process、 Sentaurus Structure Editor、 Sentaurus Mesh and Noffset3D、 Sentaurus Device、 Tecplot SV、 Inspect 等軟件。其中， Sentaurus Structure Editor 和 Sentaurus Device 的核心軟件分別為 DEVISE 和 DESSIS。圖 33 顯示了整個的 TCAD 模擬流程。 圖 33 TCAD 的模擬流程 DEVISE 是一個 3 維器件編輯器，它調(diào)用 Sentaurus Mesh 工具產(chǎn)生模擬用的離 散化網(wǎng)格。繪制器件 通常是 利用 Tcl 腳本語言對器件材料、邊界、尺寸、摻雜等參數(shù)進(jìn)行描述。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 19 Tecplot SV 主要用于觀察器件內(nèi)部的物理參數(shù)，雜質(zhì)分布，電場電勢，能帶分布，電子空穴濃度等等。本文 模擬使用 Tecplot SV 對阱電勢分布，電子和空穴的濃度分布做了分析，并結(jié)合不同時刻的數(shù)值進(jìn)行對比，觀察這些參數(shù)的變化。 觀察波形主要使用 INSPECT 軟件。該軟件可以指定物理量作為橫、縱坐標(biāo)，還可以將波形文件導(dǎo)出為文本格式的表格，整個操作過程也可以通過執(zhí)行腳本來實現(xiàn)。 LEAP 原則版圖設(shè)計 的 仿真 驗證 為了解釋 LEAP 原則， 文中第二章 就 LEAP 原則 如何 進(jìn)行工作 ，在一反相器中給出 頗為詳細(xì)的理論介紹 ；當(dāng)帶電粒子撞擊 MOS 管附近，電子和空穴的被入射到硅中，充放電主要是是通過擴散運動和漂移運動共同作 用實現(xiàn)的，從而產(chǎn)生了反向電流，最終電流會被收集或者被相互中和。對 NMOS 來講，反向電流會被源極或者漏極收集，導(dǎo)致產(chǎn)生一個正向的脈沖。而對一個 PMOS 來講，反向電流被源極或者漏極收集后則會導(dǎo)致產(chǎn)生一個反向的脈沖。 對一個簡單的反相器來講，當(dāng)帶電粒子撞擊到 NMOS 管的漏極，正向脈沖在節(jié)點處被收集 降低 了反相器的輸出電壓；如果反相器的輸出電平是 高 電平，并且足夠多的充電電荷被收集，那么邏輯上反相器的輸出會改變，一旦這大量的入射電荷被耗盡或者中和，節(jié)點處的輸出電壓被 NMOS 定為“ on”； 為了清晰的驗證這一理論，我們 簡單的設(shè)計了實驗，將 TCAD 下建立的 NMOS 模型和 PMOS 模型布局到同一襯底上，并通過合理的連線連接成反相器， 定義初始 Vin=0， Vout=1；此時的 NMOS 管處于截止?fàn)顟B(tài)， PMOS 管處于導(dǎo)通狀態(tài)，分別對不同狀態(tài)的管進(jìn)行帶電粒子入射模擬。 重離子垂直入射在 NMOS 的 drain（ 漏極 ） 首先模擬處于關(guān)閉狀態(tài)下的 MOS 管對帶電粒子入射的反應(yīng)，考慮到只能讓NMOS 受到帶電粒子的影響，故將入射方向設(shè)置 為垂直入射。 考慮到前人的實驗情況，故將入射粒子的 LET 值設(shè)置為一個比較合適的數(shù)值， LET（ Linear Energy transfer 線性能量傳輸） =20MeV? cm2/mg，混合仿真時的電路連接如圖 34 所示： 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 20 圖 34（ a） 反相器電路連接及粒子入射 上圖中淺綠色部分為 P+sub，黃色區(qū)域為 Nwell，在 P 襯底上有一個 NMOS，在 Nwell 中生成一個 PMOS，每個 MOS 館都有柵極、源極、漏極三個電極構(gòu)成，上下兩側(cè)比較長的條形區(qū)域為襯底電極，分別接高電平和地。在電路連接的時候，我們將兩個 MOS 管的柵極接到一起，并接 Vin，將兩個 MOS 管的 漏極接到一起，并接 Vout，同時， PMOS 的源極 和襯底電 極接 Vdd，始終高電平， NMOS 管的源極和襯底電極接 GND，始終保持低電平。在仿真的過程中模擬某一時刻給予重離子入射，本次仿真實驗中，入射時刻定為 2e10，入射點選在 N 管漏極中心，初值設(shè)定 Vin=0， Vout=1； 下圖給出了相應(yīng) 情況下 Vout 輸出波形圖。 圖 34（ b） 輸出波形圖 由圖可以看出，當(dāng)重離子單獨打擊在 NMOS 上，由于此時輸入 Vin=0， N 管關(guān)閉， P 管導(dǎo)通， NMOS 管的主要電荷收集機理為漂移和擴散效應(yīng)，比較顯著， Vout哈爾濱工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 21 輸出變化巨大，電平在粒子入射瞬間下拉到 ，其后恢復(fù)。 輸出受重 離子影響較大，存儲電路中，瞬時刻的電路翻轉(zhuǎn)結(jié)果將會被記錄，影響存儲結(jié)果的正確性。 重離子垂直入射在 PMOS 的 drain（ 漏極 ） 在進(jìn)行過對 N 管的單獨撞擊實驗仿真后， 接下來在相同條件的實驗條件下，給予 PMOS 管單獨的重離子入射，以觀察處于開啟狀態(tài)的 MOS 管的單粒子入射反應(yīng) ，入射點更改為 PMOS 管的漏極中心處，連接圖如下： 圖 35（ a） 反相器電路連接及粒子入射 圖中仍然淺綠色 部分為 P+sub，黃色區(qū)域為 Nwell，在 P 襯底上有一個 NMOS，在 Nwell 中生成一個 PMOS，在電路連接的時候，我們將兩個 MOS 管的柵極接到一起，并接 Vin，將兩個 MOS 管的漏極接到一起，并接 Vout，同時， PMOS 的源極和襯底電極接 Vdd，始終高電平， NMOS 管的源極和襯底電極接 GND，始終保持低電平。在仿真的 2e10 時刻模擬給予重離子入射，入射，為了節(jié)約整體的模擬過程，將截止時間提前為 6e9。下圖是 相應(yīng)情況的 輸出波形圖： 圖 35（ b） 輸出波形圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 22 由圖可以看出，當(dāng)重離子單獨打擊在 PMOS 上，由于此時輸入 Vin=0， N 管關(guān)閉， P 管導(dǎo)通， PMOS 主要的電荷收集機理為雙極放大效應(yīng) ,Vout 輸出變不大，電平在粒子入射瞬間輕微向上波動，其后恢復(fù)?？梢娞幱?開啟 狀態(tài)的 MOS 管對單粒子的反應(yīng)比較小。 重離子 同時 入射到 P 管和 N 管的 drain（ 漏極 ） 分別對 Vin=0 的 NMOS 與 PMOS 管進(jìn)行過仿真驗證后，基于 LEAP 的 設(shè)計 思想：“當(dāng)輻射粒子同時入射到連接到相同節(jié)點的 PMOS 管和 NMOS 管后，其 P 管和 N 管電收集作用會相互抑制，導(dǎo)致該節(jié)點輸出相對平穩(wěn)?！苯酉聛肀疚尼槍@種情況進(jìn)行了實際的模擬仿真 ，入射 LET=20MeV? cm2/mg，入射節(jié)點為 NMOS 漏極表面，入射角度為傾斜向上 60176。，從而使得入射粒子能夠同時 作用 到 PMOS 漏極 ， 入射時刻定為 2e10。粒子入射方向如下圖所示： 圖 36（ a） 反相器電路連接及粒子入射 下圖是節(jié)點 Vout 輸出波形圖。 圖 36（ b） 輸出波形圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 23 由圖 36（ b） 可以看出，當(dāng)重離子同時打擊在 PMOS 上，由于此時輸入 Vin=0，N 管關(guān)閉， P 管導(dǎo)通， P 管與 N 管電荷收集同時作用，單獨 N 管趨勢為向下劇烈波動， 單獨 P 管作用為輕微向上抖動，經(jīng)過二者 電收集 相互 抑制 ， 致使 Vout 輸出變不大，電平在粒子入射瞬間輕微向下波動，其后恢復(fù)。由此可以說明，當(dāng)重離子同時打到同一節(jié)點的 N 管和 P 管時，二者的相互作用是相反的，恰能起到對器件的保護(hù)作用?？纱蟠蟮臏p小了器件對輻射射線的敏感性。 由此也驗證了 LEAP設(shè)計思想的正確性。 SRAM 的單粒子翻轉(zhuǎn)的 仿真 傳統(tǒng)四管 SRAM 存儲單元的抗輻射能力是不理想的， 這里，本文對 SRAM 的抗輻照能力進(jìn)行了驗證。 首先模擬在 LET=20MeV? cm2/mg 的情況下進(jìn)行了仿真實驗。 將四管單元中的 M3 管 用 TCAD 建立的 NMOS 模型 取代， 將 NMOS 模型的源 極與襯底電極接地，將漏極與 M4 的漏極相連，并接到輸入 Q，柵極接到 M4 的柵極，并接輸出 QN； 并將 入射重離子入射到 N 管的 漏極中心 ， 入射 方向 設(shè)置 為垂直入射 ，入射時刻為 2e10。 觀察 Q 和