一种模拟粒子入射下纳米器件单粒子瞬态响应的方法与流程

1.本发明属于半导体器件单粒子效应仿真领域，尤其涉及一种精确模拟粒子入射下纳米器件单粒子瞬态响应的数值仿真方法。


背景技术：

2.随着集成电路的发展，宇航用电子系统将逐步采用纳米器件(晶体管特征尺寸小于100nm)，而单粒子效应会严重影响宇航用纳米器件的可靠性。目前器件单粒子效应地面研究主要采用加速器重离子实验模拟和数值仿真模拟方法。加速器重离子实验模拟由于成本较高，受限于粒子能量和种类，且重离子加速器机时有限，所以无法满足所有实验需求。数值仿真模拟方法则可以弥补重离子实验的不足，因此是研究器件单粒子效应的重要途径。
3.在传统的单粒子效应数值仿真模拟中，对于入射粒子只考虑其在si材料中的等效let值，同时将let径向分布近似为两种，高斯分布或指数分布。在大尺寸器件中，选取合适的特征半径，这样简化可以得到与实际情况相符的结果。但是随着集成电路技术的发展，目前cmos工艺已经进入纳米尺寸，对于纳米器件，不同let径向分布将会显著影响器件单粒子瞬态响应。而高斯分布和指数分布都不能准确的模拟粒子在si材料中的径向let分布，因此，通过传统数值仿真模拟不能准确得到纳米器件对不同粒子的单粒子瞬态响应。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提出一种可以精确模拟粒子入射下纳米器件单粒子瞬态响应的数值仿真方法，克服基于传统数值仿真模拟不能准确得到纳米器件对不同粒子的单粒子瞬态响应的难题。
5.本发明的构思是：
6.本发明利用geant4仿真计算出的电荷密度分布作为重离子参数导入到纳米器件模型中进行器件单粒子效应仿真，得到入射粒子在器件中产生的单粒子瞬态响应。由于该方法在tcad仿真中直接使用粒子在si中电离的电荷密度分布，这样可以更加准确的评估纳米器件在辐射环境中的单粒子效应，为器件抗辐射加固提供理论指导。
7.本发明的技术方案是：
8.一种模拟粒子入射下纳米器件单粒子瞬态响应的方法，其特殊之处在于：将粒子在si材料中电离出的电荷密度分布作为重离子参数，导入到纳米器件仿真模型中进行器件单粒子效应仿真，得到入射粒子在纳米器件中产生的单粒子瞬态响应。
9.进一步地，具体包括以下步骤：
10.步骤1、利用geant4仿真方法，得到粒子在si材料中电离出的电荷密度分布；
11.步骤2、利用tcad进行纳米器件建模；
12.步骤3、将步骤1获得的粒子在si材料中电离出的电荷密度分布作为重离子参数导入到步骤2建立的纳米器件仿真模型中进行器件单粒子效应仿真，得到入射粒子在纳米器
件中产生的单粒子瞬态响应。
13.进一步地，电荷密度分布为径向电荷密度分布。
14.进一步地，步骤1具体为：
15.步骤1.1、利用geant4仿真方法，得到粒子在si材料中线性能量传输let(linear energy transfer)的径向分布；
16.步骤1.2、利用步骤1.1得到的粒子在si材料中线性能量传输let的径向，计算出粒子在材料中电离出的电荷密度径向分布。
17.进一步地，步骤1.2基于下式计算粒子在材料中电离出的电荷密度径向分布：
[0018][0019]
其中r为径向分布的统计间隔，h为粒子入射深度的统计值，e0为si材料电离能，rn为第n个统计点的径向坐标，r
n-1
为第n-1个统计点的径向坐标。
[0020]
进一步地，步骤2利用sentaurus tcad中的sprocess模块进行工艺建模得到纳米器件仿真模型。
[0021]
进一步地，步骤2中还包括器件校准的过程：
[0022]
利用sentaurus tcad中的sdevice模块对纳米器件仿真模型进行常规电学性能仿真，并与实际器件电学性能或spice仿真得到的相同工艺尺寸器件的电学性能比较，进行器件校准。
[0023]
进一步地，步骤3具体为：
[0024]
步骤3.1、在sentaurus tcad中的sdevice物理模型中加入重离子模型heavyion()；
[0025]
步骤3.2、选择自定义函数来定义重离子电离出的电荷密度的径向分布：
[0026]
spatialshape＝pmi_spatialdistributionfunction
[0027]
步骤3.3、在自定义函数中，利用分段函数定义重离子在finfet器件仿真模型中电离出的电荷密度径向分布。
[0028]
步骤3.4、进行器件单粒子瞬态仿真，准确得到粒子入射下器件的漏电流瞬态波形，进而得到入射粒子在纳米器件中产生的单粒子瞬态响应。
[0029]
本发明的有益效果是：
[0030]
本发明提出的一种精确模拟粒子入射下纳米器件单粒子瞬态响应的数值仿真方法。将粒子在si材料中电离出的电荷密度分布通过数值方法导入到通过tcad建立的纳米器件仿真模型中，进行单粒子瞬态模拟，准确得到粒子在纳米器件中辐照产生的漏电流瞬态波形。相比与传统tcad仿真中只能比较let值对器件单粒子瞬态的影响，本发明可以直接比较能量和粒子种类变化对器件单粒子瞬态的影响。同时本方法通过仿真发现，对于纳米器件，不同粒子在let值相同，由于其径向分布不同，其单粒子瞬态响应差别较大。所以利用本方法可以更加准确的评估器件在不同辐射环境下的辐射效应。
附图说明
[0031]
图1为实施例中仿真得到的两种粒子在si材料中的let径向分布。
[0032]
图2为实施例中计算得到的两种粒子在si材料中电离出的电荷密度在70nm内的径向分布。
[0033]
图3为实施例中工艺仿真得到的器件结构模型。
[0034]
图4为实施例中仿真重离子产生的电荷密度沿沟道长度方向上的分布。
[0035]
图5为实施例得到的两种粒子入射下器件的漏电流瞬态波形
具体实施方式
[0036]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。
[0037]
对于一般的tcad单粒子效应仿真，在重离子参数中，需要给出重离子let值，并选择径向分布为高斯分布或指数分布，同时需要给出高斯分布或指数分布的特征半径。然而实际粒子在si材料中let值的径向分布，用高斯分布和指数分布近似都有很大的误差。对于纳米器件，如果不能精确模拟粒子在器件中的let径向分布，会使器件单粒子效应的仿真结果出现很大误差，极大影响tcad单粒子效应仿真的可信度和精度，使得仿真工作无法为实验和抗辐射加固设计提供有效指导。
[0038]
基于上述分析，本发明提出一种利用geant4和tcad联合数值仿真方法，将粒子在si材料中电离出的电荷密度径向分布通过数值方法导入到通过tcad建立的纳米器件仿真模型中，进行单粒子瞬态模拟，准确得到粒子在纳米器件中单粒子效应仿真结果。以下用能量为75mev的
19f9
粒子和能量为388mev的
28
si
14
在栅长28nm体硅finfet器件中产生的单粒子瞬态的实例来说明本发明的技术方案。步骤如下：
[0039]
1)首先在geant4中建立材料为si、边长为1mm的立方体，入射粒子选择能量为75mev
19f9
和能量为388mev的
28
si
14
，分别统计得到两种粒子在si材料中let径向和沿入射方向(轴向)分布，单位为mev/mm。器件敏感体积厚度在10um范围内，而两种粒子在沿入射方向10um范围内let基本不变，所以沿入射方向我们可以采取均匀分布。而两种粒子let径向分布有很大差别，其分布如图1所示。
[0040]
2)利用si材料的电离能e0为3.62ev，根据步骤1)中得到的let径向分布，计算出两种粒子在si材料中电离出的电荷密度ρe径向分布，单位为pairs/cm3。计算公式如下：
[0041][0042]
其中r为径向分布的统计间隔，h为粒子入射深度的统计值，e0为si材料电离能，rn为第n个统计点的径向坐标，r
n-1
为第n-1个统计点的径向坐标。本实施例中r＝1nm，h＝10um。由于采用的纳米器件沿径向最大长度为0.069um，所以只计算沿径向0.07um范围内的电荷密度分布，其结果如图2所示。
[0043]
3)利用tcad进行28nm finfet器件仿真和校准；
[0044]
a.首先利用sentaurus tcad中的sprocess模块进行工艺建模得到finfet器件仿真模型结构，并对器件进行网格划分。其中工艺流程由tcad软件提供，器件参数由28nm finfet器件提取得到。建模得到finfet器件仿真模型结构由图3给出。
[0045]
b.利用sentaurus tcad中的sdevice模块对finfet器件仿真模型进行物理仿真，得到漏端偏压vd＝0.8v时器件的转移特性曲线id-vg，与实际finfet器件转移特性曲线比较进行器件校准，最终使得仿真得到转移特性曲线与实验测量结果相同。
[0046]
4)将步骤2)得到的电荷密度分布导入到tcad物理仿真的finfet器件仿真模型中；
[0047]
首先在tcad中sdevice模块的物理过程中加入重离子入射模块heavyion()，定义重离子沿x轴入射，入射位置为器件沟道中心处，入射深度为10um，沿入射方向上重离子let值不变。并选择自定义函数来定义重离子电离出的电荷密度的径向分布。语法为
[0048]
heavyion(spatialshape＝pmi_spatialdistributionfunction)
[0049]
在自定义函数中，利用分段函数定义重离子在finfet器件仿真模型中电离出的电荷密度径向分布，其电荷密度径向分布数据由步骤2)计算得到。其精度由步骤2)径向分布的统计间隔r和步骤3)a中器件的网格划分精度共同决定，缩小统计间隔r或网格划分的尺寸可以提高电荷密度径向分布的精度。本实施例中两种粒子沿沟道长度方向上仿真产生的电荷密度分布为图4所示。
[0050]
5)进行器件重离子单粒子瞬态仿真，准确得到两种粒子入射下器件的漏电流瞬态波形，如图5所示。
[0051]
从图5可以看出，两种在器件表面let值相同的粒子，径向分布不同，其在同一器件中产生的单粒子瞬态会有很大差异。可见，本发明提出的仿真方法，可以更加准确的评估器件在不同辐射环境下的单粒子瞬态。