一种基于电路仿真的单粒子翻转效应判别方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子技术领域，设及一种通过电路仿真获取故障电信号的响应，来 判别基本存储单元SRAM是否发生单粒子翻转的方法。
【背景技术】
[0002] 空间中充满了来自浩滿宇宙的各种粒子；质子、电子、a粒子、重离子、y射线等， 该些粒子引起的福射效应，尤其是单粒子翻转效应（S抓；SingleEvent化set)影响着空间 电子系统的可靠性。
[000引航天应用的XilinxFPGA的配置区是由SRAM基本单元组成的。SRAM型FPGAW及SRAM存储器等是空间电子系统中的关键器件，单粒子效应是其面临的主要威胁。对于SRAM 型FPGA，百分之九十W上发生的单粒子效应是单粒子翻转效应。重离子入射到SRAM的敏感 节点时，能够引起晶体管状态的翻转，SRAM单粒子翻转效应可W看作是单个粒子入射W后 引起节点瞬时电流，导致逻辑翻转的现象。发生单粒子翻转的基本物理过程是粒子在器件 灵敏区中沉积足够的能量，从而产生足够的电离电荷，当高能带电粒子通过半导体器件的 灵敏区时，在粒子通过的路径上将产生电离电荷，沉积在器件灵敏区中的电荷部分被电极 收集，当收集到的电荷超过电路状态的临界电荷时，电路就会出现翻转，出现逻辑功能的混 乱。
[0004] 目前判别器件发生单粒子效应的方法，主要是通过地面重离子模拟试验来实现。 基于地面模拟试验开展的单粒子效应依赖于国内重离子源的限制，束流时间无法保证，且 地面试验费用相对昂贵。而通过模拟仿真来进行判别时，广泛采用的模型方法都是基于经 典的F. B. Mclean"漏斗"模型理论，但是"漏斗"模型不能表征重离子引起电流的瞬时特性， 需要结合载流子输运理论研究空间福射环境中重离子引起的器件结区的电荷收集机理。而 且漏斗模型只是针对单个MOS单元进行理论建模，仅获取能够引起MOS单元发生单粒子翻 转的临界电荷值化，即收集电荷能够引起单粒子翻转的电荷阔值。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是；克服现有技术的不足，提供了一种基于电路仿真的单 粒子翻转效应判别方法，该方法能够快速有效的判别在不同能量、不同角度、不同种类重离 子福射条件下，电路是否会发生单粒子翻转。
[0006] 本发明的技术解决方案是；一种基于电路仿真的单粒子翻转效应判别方法，包括 如下步骤：
[0007] (1)确定入射的重离子类型，并计算重离子入射到SRAM器件上产生的电子-空穴 对浓度N;其中；
[000引
[0009] LET为重离子的线性能量传输系数，P为SRAM器件的衬底材料密度，^为重离子 dx 最终剩余能量对应的阻止本领；
[0010] (2)建立入射到SRAM器件后产生的瞬态电流源模型，
[0011] I (t) = 1〇?sec(0)[exp(-a t) -exp(-0 t)]
[0012]
[001引其中；I。是近似的最大电流，0指重离子入射倾角，t为时间变量，
y。为电子迁移率，yP为空穴迁移率，E。为电离能，k为玻尔兹曼常数，q为电子电量，e。= 8. 85X104中/畑1，Nd为施主杂质的密度；
[0014] (3)将步骤（2)建立的瞬态电流源模型等效成标准脉冲电流源；所述的标准脉冲 电流源的参数包括电流最小值Ii，电流最大值12,脉冲宽度IV上升时间Tc，下降时间Tp，周 期阳R;
[0015] (4)根据SRAM器件工艺参数，选择寄生晶体管和寄生电阻，建立等效寄生电路，然 后在等效寄生电路中至少一个寄生晶体管的PN结上并联一个标准脉冲电流源，PN结的位 置根据需要仿真的SRAM器件可能发生单粒子翻转的位置确定；
[0016] (5)获取SRAM器件工作正常时所述等效寄生电路的输出波形作为标准波形，将 叠加标准脉冲电流源后所述等效寄生电路的输出波形作为实际波形，如果实际波形与标准 波形一致，则判定SRAM器件未发生单粒子翻转，如果实际波形与标准波形不一致，则判定 SRAM器件发生了单粒子翻转。
[0017] 本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法结合载流子输运理论，获得了重 离子引起的电流瞬时特性，并将电流瞬时特性等效成SPICE中的标准电流源模型，能够直 观的获得电路的单粒子翻转效应的响应结果。通过该一方法，能够针对不同的重离子福射、 不同的电路形式，进行建模仿真，能够快速有效的判别在不同能量、不同角度、不同种类重 离子福射条件下，电路是否会发生单粒子翻转。地面加速器试验是判别单粒子翻转效应的 一种比较直接的方法，但是由于地面加速器束流时间紧张，且价格昂贵，导致电路的单粒子 效应判别成本很高，而本方法基于电路建模仿真的方法，能够针对不同电路实现经济、快捷 的单粒子翻转效应判别，获得的电路仿真器件的电信号响应结果可用于故障注入技术。
【附图说明】
[001引图1为本发明方法的流程框图；
[0019] 图2(a)为重离子入射到器件中得到的电流响应，图2(b)为电流源模型等效成 SPICE软件中的标准脉冲电流源示意图；
[0020] 图3为本发明SRAM受单粒子翻转效应影响的等效寄生电路示意图；
[0021] 图4为本发明SRAM单粒子翻转效应的仿真结果示意图；图4(a)为正确输出波形， 图4(b)为发生了单粒子翻转的错误输出波形。
【具体实施方式】
[0022] 空间中的重离子的种类不同，并且入射方向为全空间入射，因此首先需要分析不 同粒子种类、能量和入射角度的重离子的影响机制。然后在获得重离子入射到器件产生的 电流脉冲模型的基础上，结合电路仿真方法，能够实现重离子入射到电路引起电路输出的 变化，进而获得电路故障的电信号响应，从而判别器件是否发生单粒子翻转。
[0023] 图1是本发明基于电路仿真的单粒子翻转效应判别方法的流程图，下面WSRAM器 件为实施例进行详细说明。
[0024] (1)计算重离子入射到器件上产生的电子-空穴对浓度N;
[0025] 根据入射重离子种类、能量，进行LET值的计算，重离子LET值计算公式为：
[0026]
[0027]其中；
[002引 LET;重离子的线性能量传输系数，单位为MeV?cmVmg;
[0029] P;衬底材料密度，娃的密度为2. 33X103mg/cm3;
[0030] 祀/dx;重离子最终剩余能量对应的阻止本领，单位为MeV/cm。
[0031] 一定类型的重离子入射到衬底中，其能量为E。祀/dx存在和重离子类型、能量和 衬底类型的对应关系，目前较为权威的是SRIM软件给出的结果。
[0032] 下面举例说明祀/dx的计算过程；WC离子在衬底Si中的数据为例，SRIM软件可 W给出如下面表1中所示的数据格式。
[0033] 表1SRIM计算C离子入射到娃衬底的相关参数
[0034]
[0035] 其中"IonEnergy"代表重离子能量，"祀/dxElec."代表电子阻止本领，单位为 MeV?cm2/mg，"祀/dxNuclear"代表核阻止本领，单位为MeV?cm2/mg，"ProjectedRange"代 表重离子射程，"LongitudinalStraggling"代表射程的纵向岐离，"LateralStraggling" 代表射程的水平岐离。
[0036] 重离子的LET值指的是电子阻止本领和核阻止本领之和，因此需要将"祀/dx Elec."和"祀/dx Nuclear"相加得到总的阻止本领。但由于"祀/dx Nuclear"相比"祀/dx Elec."小很多，因此可W忽略。所W C离子入射到娃衬底中，不同能量E和阻止本领祀/dx 的关系如表2所不；
[0037]表2 C离子能量和阻止本领[00%]
[0039] 根据LET值，可W计算入射后产生的电子-空穴对（载流子）的浓度N。对于娃衬 底，产生一个电子-空穴对需要3. 6eV的能量，所W产生的电子-空穴对的浓度为：
[0040]
[004