驱动能力及结构特征影响反相器单粒子效应敏感性的仿真研究

王定洪，王 坦，丁李利，陈 伟， 张凤祁，徐静妍，罗尹虹

(1. 湘潭大学 材料科学与工程学院，湖南湘潭 411105；2. 强脉冲辐射环境与模拟国家重点实验室，西安 710024)

随着空间技术与微电子技术的迅猛发展，越来越多的高性能电子器件应用于航天领域。国内对在轨卫星的相关研究指出，2004～2011年发生的7例在轨卫星故障案例中，6例为单粒子效应引发的故障，占比高达85.7%[1-2]。单粒子效应(single event effect, SEE)是指单个高能粒子穿过器件敏感区域产生的电子-空穴对被电路中节点收集后形成电流脉冲，引发瞬时扰动及逻辑功能错误等，甚至导致整个芯片失效的辐射效应。在数字电路设计中，由于电路的复杂性和基本逻辑单元的重复性，需使用标准单元来组成电路。标准单元库中通常包含数百甚至上千个不同逻辑类型和驱动能力的标准单元。其中，反相器是最基础的单元之一，也是大规模集成电路中最典型的电路单元[3]。反相器的可靠性严重影响大规模集成电路的稳定性，开展反相器的单粒子效应评估及抗辐射加固设计对提升集成电路抗辐照性能具有重要意义[4]。

在实际电路设计中，常使用反相器链构建延时单元。Dodd等[5]将10级反相器链加入电路构建设计，延迟单粒子瞬态脉冲在电路中的传播，Baze等[6]也使用反相器链进行电路脉冲的延迟与后一级门电路的加固，但较强的延迟滤波能力与带负载能力要求反相器链中反相器的数量极大，导致了电路面积与功耗的增大，所以高驱动能力的反相器更受到电路设计者的青睐。Cannon等[7]使用回旋加速器研究了重离子对不同驱动能力反相器单粒子敏感截面和瞬态脉冲的影响。但由于实验环境的限制，Cannon等的实验方法并不利于电路规模的扩展和时间开销的削减。当前，单粒子效应仿真方法逐渐成熟，可用于解决该问题。单粒子效应电路级仿真技术的主体思想是将辐射效应等效为电流脉冲引入到电路模型中[8-9]，在对电路的单粒子效应仿真研究中，研究者们发现重离子入射电路引起的瞬态电流脉冲并不完全符合传统双指数电流源模型，而是与阱接触、阱边界、重离子轰击位置及双极放大电荷收集等众多因素密切相关[10-16]。但现有的电路仿真方法均只考虑到以上众多因素中的一至两个因素，使仿真结果与实验结果存在一定差异。本文基于一种综合考虑有源区形状尺寸、重离子轰击位置、电路响应反馈和双极放大电荷收集等因素的电路级单粒子效应仿真方法[17-18]，针对180 nm工艺下，7种不同驱动能力的反相器(INV1,INV2,INV4,INV8,INV12,INV16,INV20)开展了单粒子效应敏感性计算分析，对比了单粒子瞬态敏感区域及脉冲宽度分布、探索驱动能力和结构特征等因素对不同驱动能力反相器单粒子效应敏感性的影响，并在此基础上，提出了加固设计的若干建议。

1 仿真流程介绍

图1为体硅CMOS工艺单粒子效应电路级仿真流程图。单粒子效应电路级仿真流程包含模型库构建和电路单粒子效应敏感性评价2部分。

模型库构建部分：首先，基于工艺设计PDK模型卡校准晶体管电学特性，得到待研究器件的结构与掺杂信息作为输入文件；其次，结合器件仿真得到电阻与有源区接触面积及有源区间距之间的解析表达式。同时构建单管3维TCAD模型，并在不同线性能量传输(linear energy transter，LET)值及不同入射位置情况下执行瞬态仿真，获取瞬时收集电流总电荷与时间特性随所定义自变量(漂移因子和扩散因子)变化的解析表达式和拟合参数取值；获取阱间收集电流总电荷与时间特性随入射位置与N阱/P阱交界处之间间距变化的解析表达式及拟合参数；随后，利用Verilog-A编程语言编写以单管瞬时收集电流作为输入量并考虑电路对节点偏压调制作用的子电路模型。其中，基于对单倍驱动能力反相器单粒子瞬态响应的校准获取了拟合参数。

电路单粒子效应敏感性评价部分：首先，对电路版图进行离散化，离散化后的每一个网格点均作为待研究的重离子入射点。选定任一入射点后，与以入射点为圆心、半径为1 μm(数值可调)的圆形区域有交集的所有有源区均自动计算漂移因子、扩散因子和入射点与阱交界处的相对距离，通过调用模型库中解析表达式重构各有源区的瞬态电流脉冲，幅值高于0.1 μA(数值可调)时，对应有源区将通过调用模型库中Verilog-A语言描述的子电路模型，将扰动注入到电路节点中。同时，在N阱接触与P阱接触间引入计算得到的瞬态电流源及电阻网络，实时监测各有源区衬底电势的变化，并定量评价双极放大效应带来的影响。在此基础上执行电路仿真，评价待研究电路的单粒子响应，记录瞬态脉冲波形或监测是否发生状态翻转。通过遍历所有离散点可获取电路的单粒子效应敏感区域热点图及翻转截面。

采用上述仿真方法对180 nm工艺D触发器单元进行了仿真计算，得到D触发器的翻转截面面积，并与实测翻转截面进行了对比。图2为180 nm工艺D触发器链单粒子翻转截面的实测与仿真预测结果对比图。图2中实心点为D触发器的实测单粒子翻转截面，LET值为9.01，21.8，42.0，65.6 MeV·cm2·mg-1时的数据点来自于中国原子能科学研究院HI-13加速器上的测量值，LET值为78.3 MeV·cm2·mg-1的数据点来自于中国科学院近代物理研究所兰州重离子加速器上的测量值。空心点为仿真得到D触发器单粒子翻转截面。由图2可见，翻转截面均随LET值增加而增大，仿真结果与实测结果趋势一致，验证了所采用仿真方法的正确性。

2 反相器单粒子效应敏感性仿真模拟

2.1 敏感区域分布

图3是LET为30 MeV·cm2·mg-1时，不同驱动能力反相器在输入为高电平(逻辑1)和低电平(逻辑0)2种偏置情况下的单粒子效应敏感区域热点图。

以输出高电平为反相器翻转的判据：粒子入射后，读出反相器输出端Q的电压VQ，当输出电压低于1/2Vdd时，说明检测到下降沿，继续监测，当电压高于1/2Vdd时，说明检测到上升沿；同时读到上升沿与下降沿即反相器发生翻转，粒子入射点即标记为一个敏感区域，读到上升沿与下降沿的时间差即为反相器的输出脉冲宽度。图3中当反相器偏置为1时，蓝色实心点部分为敏感区域；偏置为0时，红色方框部分为敏感区域。由图3可见，不同驱动能力反相器的敏感区域均分布于反偏状态下的漏极区域。此现象与文献[19-20]报道中反相器的单粒子敏感性特征相符，即当反相器保持某一种偏置状态时，反偏漏极更易受到单粒子辐照影响。

由图3(a)-图3(d)可见：当反相器INV1，INV2，INV4，INV8输入电平为高电平时，敏感区域分布在PMOS晶体管漏极区域；当输入为低电平时，敏感区域完全分布于NMOS晶体管反偏漏极区域。由图3(e)-图3(g)可见：当反相器INV12，INV16，INV20输入电平为高电平时，敏感区域大部分分布于PMOS晶体管漏极区域，但仍有小部分敏感点落于NMOS反偏漏极区域；当输入为低电平时，情况类似，大部分敏感面积分布于PMOS晶体管漏极区域，NMOS晶体管漏极区域有少部分敏感点。造成这种现象的原因为反相器内部晶体管连接方式不同，本文所涉及的系列反相器内部晶体管之间的连接方式包含串联与并联，1～8倍驱动能力反相器在版图设计时采用了并联的插指结构，但随着反相器驱动能力的增加，反相器内部晶体管数量增多，为同时实现小输入负载及大的扇出， INV12，INV16，INV20在版图设计时采用了多级级联结构，故敏感区域开始分布于PMOS与NMOS晶体管漏极区域。

对比反相器单元中不同MOS管的敏感面积发现，INV16，INV20中PMOS的敏感区域完全覆盖有源区，而NMOS敏感区域未能完全覆盖有源区。基于这一现象，利用3维Sentaurus TCAD软件计算得到180 nm工艺NMOS及PMOS有源区域分别产生瞬态脉冲对应的收集电荷及时间常数随漂移因子的变化关系，如图4所示。

漂移因子是指入射离子电荷云与有源区重合程度，用来衡量重离子产生的电离电荷径迹在有源区内直接沉积的电荷量。当漂移因子相同时(此时重离子径迹在有源区内直接沉积的电荷量相等)，由图4(a)可见，PMOS有源区收集到的电荷量大于NMOS晶体管，由图4(b)可见，PMOS对应收集的瞬态脉冲时间常数更小，所以瞬态脉冲的峰值电流将明显更高，电流波形更加短促，意味着敏感节点更易发生扰动。图4的结果可解释图3(f)和图3(g)中的现象，即LET值相同情况下，敏感区域完全覆盖PMOS有源区，但未能完全覆盖NMOS有源区。

2.2 驱动能力对反相器单粒子敏感性的影响

图5为LET值为30 MeV·cm2·mg-1时，不同驱动能力反相器的单粒子敏感性。

由图5(a)可见，反相器输入高低电平的占空比为50%时，反相器单元的单粒子效应敏感截面为输入逻辑高电平与输入逻辑低电平2种偏置下的截面面积的平均值。随着驱动能力的增加，反相器受单粒子影响发生单粒子瞬态效应的区域面积呈现先增大后减小的趋势。驱动能力的增加导致反相器内部晶体管数量迅速增加，单元保持某一种偏置条件时，处于反偏状态下的晶体管数量也增加，故反相器单元的单粒子敏感截面面积会迅速增加。驱动能力增加到16倍后，反相器的敏感截面面积出现轻微下降。由于驱动能力增加不仅增加了晶体管数量，还增加了单元的版图面积，为更好地研究驱动能力对标准单元单粒子敏感性的影响，以标准单元的单粒子敏感截面面积与版图面积之比(敏感截面比)判断单元的单粒子敏感性变化。由图5(b)可见，反相器的敏感截面比随驱动能力增加也呈现先增加后减小的趋势，当驱动能力为12倍时，敏感截面比达最大值，驱动能力继续增加，敏感截面比呈明显的下降趋势且下降幅度较大；驱动能力在12倍及更小时，反相器单元受单粒子影响的敏感区域面积变化速度大于版图面积增加的速度，敏感截面比迅速上升；驱动能力超过12倍后，高驱动能力导致的单元内部驱动电流较大，此时LET值相同条件下，单粒子入射造成的扰动电流对单元的影响减小，反相器的敏感截面比呈明显的下降趋势。

不同驱动能力反相器的单粒子瞬态脉冲宽度分布如表1所列。由表1可知，随着驱动能力的增加，反相器的瞬态脉冲越来越向较小的脉冲宽度集中；INV1的大部分脉冲集中于200至300 ps范围内；INV2,INV4 在100～200 ps 内的脉冲数量最多；INV8,INV12,INV16,INV20绝大部分脉冲宽度小于100 ps，其中INV20所有脉冲的宽度均在100 ps以内。综合驱动能力对反相器单元单粒子敏感截面比与瞬态脉冲宽度的影响，发现驱动能力越高，反相器受相同能量单个高能粒子的影响越小。

表1 不同驱动能力反相器的单粒子瞬态脉冲宽度分布Tab.1 SEE transient pulse width distribution for inverters with different driving capacities

3 结构特征对反相器单粒子效应敏感性的影响分析

3.1 子模块驱动能力对反相器单粒子效应敏感性的影响

设计高驱动能力反相器时考虑到单元的正常运行往往采用多级不同驱动能力的子模块构成单元版图，其中驱动能力最高的子模块往往用于保证单元的驱动能力，驱动能力与整个标准单元驱动能力一致。其他级子模块作为驱动能力最高子模块的辅助级，保证整个标准单元的正常运行，且为保证相位不发生改变，辅助级子模块均为偶数，通常情况下为2级。图6为INV20反相器结构中包含3种驱动能力的子模块。子模块是一个完整的反相器，其中，包含一定数量的PMOS管和NMOS管，图6中黑色线框所示即为各个子模块。1～3级子模块的驱动能力分别为3倍、8倍和20倍，在图7中依次显示为子模块1、子模块2和子模块3。子模块1与子模块2的敏感区域分布于反相器内部晶体管的漏极区域，且几乎所有漏极区域均受到单粒子效应的影响，敏感区域占各个子模块的版图面积的比重较大；子模块3的敏感区域也集中分布于晶体管漏极区域，但敏感区域并没有完全覆盖晶体管所有漏极区域，故子模块3的敏感面积占版图面积的比小于子模块1和子模块2。

子模块的驱动能力的差异也对不同子模块的单粒子瞬态脉冲宽度有一定的影响，图7为不同驱动能力子模块单粒子瞬态脉冲宽度分布。由图7可见，子模块1的瞬态脉冲宽度分布最广，且脉冲宽度较大的脉冲占比较大；子模块2脉冲宽度的范围比子模块1更小；子模块3脉冲宽度的范围最小，脉冲宽度都集中在100 ps以内。在高驱动能力的标准单元中，只有驱动能力最高的一级子模块可用以保证单元的驱动能力，其他子模块均为辅助级，若将驱动能力较弱的辅助级子模块用驱动能力更高的子模块代替，可将版图面积的增加控制在可接受的范围内，有利于从子模块开始对标准单元进行抗单粒子效应加固。与低驱动能力的标准单元相比，高驱动能力的标准单元受高能粒子的影响更小，对内部子模块进行加固后能进一步提高标准单元的抗单粒子效应的能力。

3.2 晶体管连接方式对反相器单粒子效应敏感性的影响

标准单元内部晶体管有多种连接方式，如共源极、共漏极或独立源漏等，在180 nm反相器单元的单粒子效应仿真过程中发现不同的连接方式对标准单元的抗单粒子效应能力影响不同。图8为采用共源极与共漏极连接方式的反相器版图。由图8(a)可见，反相器内包含2个PMOS与2个NMOS共4个晶体管，其中，同种类的晶体管之间共用源极区域，而漏极区域位于源极区域的两侧。图8(b)所示的反相器包含的晶体管数量与种类均与图8(a)一致，且2种反相器的版图面积相同，图8(b)反相器内部晶体管间采用的连接方式为共漏极连接。同种类型的MOS晶体管的漏极区域分布集中。采用电路级仿真手段对2种不同版图结构的反相器单元进行了单粒子效应仿真，得到单粒子敏感区域分布热点，如图9所示。由图9可见，敏感区域均分布于晶体管的漏极区域，采用共源极连接方式的反相器敏感面积明显大于共漏极连接方式的反相器。与图9(a)相比，图9(b)所示的敏感区域总面积下降了近35%，采用共漏极连接方式单元的单粒子效应敏感性明显弱于采用共源极连接方式的单元。

标准单元最易受单粒子辐照影响的区域为反偏漏极区域，若晶体管采用共源极连接方式则会导致晶体管漏极区域面积过大，进而导致标准单元敏感区域面积增大；若采用共漏极连接，晶体管漏极区域的重叠大幅度减小了标准单元反偏漏极面积，故在标准单元的版图设计中，采用共漏极连接单元的单粒子效应敏感面积比采用共源极连接时要小的多。标准单元中还有采用独立源漏连接方式的单元，这种单元不论是反偏漏极区域的面积，还是整体版图面积都比其他连接方式的面积大，会导致单元更易受到高能粒子的作用，且用于设计电路时对电路的面积要求大，并不适用抗辐射集成电路的设计。若将标准单元中的共源极和独立源漏连接方式替换为共漏极的连接方式，有利于减小标准单元敏感漏极的面积，甚至能有效缩减标准单元版图面积，加强对标准单元抗单粒子效应能力。

4 总结

本文基于综合考虑有源区形状尺寸、重离子轰击位置、电路响应反馈和双极放大电荷收集等因素的电路级单粒子效应仿真方法，对180 nm工艺，不同驱动能力反相器的单粒子效应敏感性进行了仿真，给出发生单粒子瞬态效应的单元敏感区域及脉冲宽度分布，分析了驱动能力和子模块与晶体管的连接方式对反相器单粒子效应敏感性的影响。研究结果表明：(1)驱动能力增加至12倍及以上后，反相器的单粒子敏感截面比开始下降，瞬态脉冲的宽度也减小；(2)高驱动能力单元内部子模块的驱动能力对整个标准单元单粒子敏感性有一定影响，高驱动能力的子模块更有利于提高标准单元抗单粒子效应的能力；(3)对比内部晶体管不同连接方式的反相器单粒子敏感截面与版图面积之比发现，与共源极和独立源漏的晶体管连接方式相比，共漏极的晶体管连接方式更有利于降低电路单粒子效应的敏感性。