新型总剂量仿真方法及其与单粒子耦合仿真方法、装置

技术领域

本发明属于半导体器件抗辐照技术领域，具体涉及一种新型总剂量仿真方法及其与单粒子耦合仿真方法、装置。

背景技术

伴随着国家航天技术的快速发展和绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，简称SOI)技术应用的逐渐成熟，SOI器件相比体硅器件的优势逐渐显现出来，越来越多的航天技术采用SOI器件。

SOI器件因为埋氧层的存在，有天然的抗闩锁效应的能力，其寄生电容比体硅小的多，速度也更快等优点，但是埋氧层(Buried Oxide，简称BOX)的存在也使器件的抗总剂量效应的能力大大减弱，同时虽然埋氧的存在隔绝了衬底，使器件的Body区减小，这样减弱了单粒子效应的脉冲电流，但随着SOI尺寸越来越小，单粒子效应敏感位置发生变化，同时单粒子翻转阈值也变小，带来了新的抗辐照问题。而对于以上出现的总剂量效应和单粒子效应的研究，目前主要采用辐照实验和基于TCAD的仿真研究，目前受限于实验辐照器材和环境所限，国内只能做总剂量的辐照实验，一般是γ钴60辐照，而单粒子实验国内只能对单粒子入射后器件研究翻转截面等无法测出单粒子的瞬态脉冲电流。以往基于TID的仿真都是通过在氧化层中加固定电荷和陷阱电荷进行模拟，但由于真实器件所处的辐照环境一般处于各种偏置状态(开态、关态、传输态、零态)，在不同偏置状态下的总剂量效应产生的空穴电子对及其分布都是随偏置电压不同而不同的，加固定电荷和陷阱电荷无法模拟各偏置状态下总剂量效应，具有极大的随意性。因此基于TCAD的新型TID仿真方法的研究就显得非常必要。同时，在实际的太空辐射环境下，器件是在多种的电离辐射效应的影响下工作的。由于实际的辐照环境中，TID效应是一个持续积累的过程，它主要会影响器件的基本电学特性，使其变差，这个时间往往经过很长时(几千秒)，而单粒子效应主要是通过粒子撞击靶材料产生脉冲电流来影响器件的逻辑功能，导致器件逻辑翻转，这个过程通常只有皮秒和纳秒级别，而且单粒子瞬态(SET)短暂的电流脉冲对TID效应的影响非常小，而且由于是瞬态电流，很快就会消失。现有TID效应会导致器件电学特性变差，会影响SET效应的瞬态电流的产生和电荷收集机制，因此TID与SEE耦合效应的实质是TID效应对SEE效应的影响。总剂量效应导致埋氧层中产生了大量的正空穴陷阱，从而影响了器件单粒子效应导致的漏极产生的电流脉冲变化。但是由于实验环境限制，耦合研究只能通过TCAD的仿真，需要将总剂量效应(Radiation模型进行模拟)和单粒子效应(HeayIon模型进行模拟)都加进去进行联合仿真进行耦合机理研究。由于之前对TID的仿真方法是加固定电荷，因此之前对于单粒子与总剂量耦合机理的研究也是采用加固定电荷模拟TID，然后再加入模拟单粒子的重离子模型。

但是，现有的Sentaurus(TCAD工具)中研究总剂量效应的Radiation模型对SiO

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种新型总剂量仿真方法及其与单粒子耦合仿真方法、装置。

本发明的一个实施例提供了一种新型总剂量仿真方法，包括：

利用TCAD工具Sentaurus软件的SDE进行抗辐照器件建模得到用于抗辐照研究的三维器件结构，并利用修改参数文件激活Radiation模型；

利用激活后的Radiation模型进行总剂量的仿真研究。

在本发明的一个实施例中，利用修改参数文件激活Radiation模型包括：

使用“新型氧化物半导体材料”代替SiO

将“新型氧化物半导体材料”的参数文件内容换成SiO

在第一Sdevice的Physics部分加入Radiation模型，以激活Radiation模型。

在本发明的一个实施例中，总剂量的研究包括在不同偏置状态、不同辐照剂量率、不同辐照剂量下对总剂量的研究。

本发明的另一个实例提供了一种新型总剂量与单粒子耦合仿真方法，包括：

利用上述任意一项所述的新型总剂量仿真方法进行总剂量的仿真；

对总剂量仿真后的电学特性和物理特性在第一个Sdevice中进行保存，电学特性和物理特性的保存文件后缀名分别是.sav文件和.tdr文件；

将保存后的.sav文件和.tdr文件导入用于HeavyIon模型对单粒子仿真的第二个Sdevice中的File部分；

对File部分加入TID仿真结果作为初始仿真条件的第二Sdevice进行单粒子仿真，以研究总剂量与单粒子的耦合机理。

在本发明的一个实施例中，在总剂量仿真的第一Sdevice中的Solve结尾部分使用Plot语句和Save语句对总剂量仿真后的电学特性和物理特性进行保存。

在本发明的一个实施例中，将保存后的.sav文件和.tdr文件导入用于HeavyIon模型对单粒子仿真的第二Sdevice中的File部分包括：

在HeavyIon模型对单粒子仿真的第二Sdevice中的File部分将Grid和Doping的文件替换为.tdr文件；

将HeavyIon模型对单粒子仿真的第二Sdevice中的File部分使用Load语句将总剂量仿真后.sav加载进来。

在本发明的一个实施例中，研究总剂量与单粒子的耦合机理包括在不同偏置状态、不同辐照剂量率、不同辐照剂量下的总剂量对单粒子耦合效应仿真的研究。

在本发明的一个实施例中，研究总结总剂量和单粒子耦合机理还包括总剂量辐照时器件偏置状态和单粒子作用时器件的偏置状态一致。

本发明的又一个实施例提供了一种新型总剂量与单粒子耦合仿真装置，包括：

第一数据仿真模块，用于利用权利要求1～3任意一项所述的新型总剂量仿真方法进行总剂量的仿真；

数据保存处理模块，用于对总剂量仿真后的电学特性和物理特性在第一Sdevice中进行保存，电学特性和物理特性的保存文件后缀名分别是.sav文件和.tdr文件；

数据导入处理模块，用于将保存后的.sav文件和.tdr文件导入用于HeavyIon模型对单粒子仿真的第二Sdevice中的File部分；

第二数据仿真模块，用于对File部分加入TID仿真结果作为初始仿真条件的第二Sdevice进行单粒子仿真，以研究总剂量与单粒子的耦合机理。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的新型总剂量仿真方法，采用激活后的Radiation模型模拟总剂量TID效应，更加准确，因此对其与单粒子SEE的耦合研究也更加准确。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种新型总剂量仿真方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的新型总剂量仿真方法的详细仿真流程示意图；

图3是本发明实施例提供的NFET(a)和PFET(b)的建模结构示意图；

图4(a)～图4(h)是本发明实施例提供的NFET(a)(b)(c)和PFET(d)(e)(f)在不同偏置下受辐照情况(g)(h)分别为NFET和PFET在y＝0平面BOX与沟道交界面以下0.4nm处辐射产生率分布示意图；

图5(a)～图5(h)是本发明实施例提供的NFET(a)(b)(c)和PFET(d)(e)(f)在不同偏置下受辐照情况(g)(h)分别为NFET和PFET在x＝0平面STI与沟道交界面以左1nm处辐射产生率分布示意图；

图6是本发明实施例提供的器件在关态下不同总剂量辐照后线性区(a)和饱和区(b)转移特性示意图；

图7是本发明实施例提供的解决Radiation模型(用于仿真TID)与HeavyIon模型(用于仿真SEE)仿真步长不兼容方法图解示意图；

图8是本发明实施例提供的一种新型总剂量与单粒子耦合效应仿真方法的流程示意图；

图9是本发明实施例提供的NFET器件在关态(OFF)下不同总剂量与单粒子耦合结果示意图；

图10是本发明实施例提供的一种新型总剂量与单粒子耦合效应仿真装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种新型总剂量仿真方法的流程示意图。本实施例提出了一种新型总剂量仿真方法，该新型总剂量仿真方法包括以下步骤：

步骤1、利用TCAD工具Sentaurus软件的SDE进行抗辐照器件建模得到用于抗辐照研究的三维器件结构，并利用修改参数文件激活Radiation模型。

具体而言，本实施例利用TCAD工具Sentaurus软件的SDE进行抗辐照器件建模得到用于抗辐照研究的三维器件结构，并利用修改参数文件激活Radiation模型，具体地：在仿真TID过程中，将Sentaurus软件中SDE建模的器件中的所有氧化层材料(SiO

步骤2、利用激活后的Radiation模型进行总剂量的仿真研究。

具体而言，本实施例在步骤1激活Radiation模型的基础上以研究基于TCAD的TID效应，并可以研究不同辐照剂量、不同辐照剂量率、不同辐照时间节点及不同器件偏置状态(开态、关态、传输态、零态)下的TID效应。

为了说明本实施例提出的新型总剂量与单粒子耦合效应仿真方法的有效性性，进行了22nm的FDSOI总剂量仿真，具体地：

一、仿真软件

Sentaurus(TCAD工具)

二、仿真器件

格芯22nm FDSOI，宽长比为0.08um/0.02um的N型FDSOI和P型FDSOI。

三、仿真条件

第一组仿真：研究总剂量辐照针对BOX层最坏偏置状态，剂量率为200krad(SiO

第二组仿真：研究总剂量辐照针对STI层最坏偏置状态，剂量率为200krad(SiO

第三组仿真：研究关态下不同总剂量对器件转移特性的影响，剂量率为200krad(SiO

四、仿真过程

利用格芯22nm FDSOI进行宽长比为0.08um/0.02um的NFET和PFET建模和校准，对其进行总剂量TID仿真，器件标准工作电压为0.8V，建模的器件尺寸均来自工艺厂商。按照本实施例新型总剂量仿真方法首先对NFET和PFET进行总剂量TID仿真，需要将建好的SDE命令文件中的氧化物部分全部换成“新型氧化物半导体材料”，然后将“新型氧化物半导体材料”参数文件内容换成SiO

五、仿真结果及分析

仿真一

请参见图4(a)～图4(h)，图4(a)～图4(h)是本发明实施例提供的NFET(a)(b)(c)和PFET(d)(e)(f)在不同偏置下受辐照情况(g)(h)分别为NFET和PFET在y＝0平面BOX与沟道交界面以下0.4nm处辐射产生率分布示意图，由图4(a)～图4(h)的仿真结果可以看出，针对总剂量辐照后BOX层的研究，NFET和PFET均在传输态(TG)辐射产生率最大。因此，无论NFET还是PFET，其在相同总剂量的辐照下针对埋氧层(BOX)最坏偏置状态为传输态(TG)。

仿真二

请参见图5(a)～图5(h)，图5(a)～图5(h)是本发明实施例提供的NFET(a)(b)(c)和PFET(d)(e)(f)在不同偏置下受辐照情况(g)(h)分别为NFET和PFET在x＝0平面STI与沟道交界面以左1nm处辐射产生率分布示意图，由图5(a)～图5(h)的仿真结果可以看出，针对总剂量辐照后STI层的研究，NFET和PFET均在开态(ON)辐射产生率最大。因此，无论NFET还是PFET，其在相同总剂量的辐照下针对STI层最坏偏置状态为开态(ON)。

仿真三

请参见图6，图6是本发明实施例提供的器件在关态下不同总剂量辐照后线性区(a)和饱和区(b)转移特性示意图，由图6仿真结果可以看出，选择器件工作在关态情况下时，随着总剂量的增大，无论是NFET还是PFET器件的转移特性都会发生负向飘移，器件的阈值电压都会减小(PFET阈值电压为负)。

综上所述，本实施例提出的新型总剂量仿真方法，采用激活后的Radiation模型研究TID效应更加全面合理。现有主流采取的用固定电荷和陷阱电荷的方法研究总剂量TID的方法不可以研究各个偏置状态下的TID效应，也不能设置辐照的剂量率和辐照时间，对于添加固定电荷的密度和分布也具有极大的随意性；本实施例可以利用激活后的Radiation模型研究各偏置状态下的TID效应，能设置辐照的剂量率和辐照时间，分析其最坏偏置状态，更加贴近真实辐照场景，比如可用于对航天微电子器件抗辐照性能的评估，以解决辐照实验环境缺乏的以及实验成本高的问题。

实施例二

在上述实施例一的基础上，请参见图7，图7是本发明实施例提供的一种新型总剂量与单粒子耦合效应仿真方法的流程示意图，本实施例提出了一种新型总剂量与单粒子耦合效应仿真方法，该新型总剂量与单粒子耦合效应仿真方法包括以下步骤：

步骤1、利用上述实施例一任意一项所述的新型总剂量仿真方法进行总剂量的仿真。

具体而言，本实施例实现总剂量的仿真采用的是实施例一所述的新型总剂量仿真方法仿真结果，在此不再赘述。

步骤2、对总剂量仿真后的电学特性和物理特性在第一Sdevice中进行保存，电学特性和物理特性的保存文件后缀名分别是.sav文件和.tdr文件。

具体而言，在仿真TID效应与SEE效应耦合效应时，按常理需要将激活后的Radiation模型(用于仿真TID)与HeavyIon模型(用于仿真SEE)一起放入同一个Sdevice中，但是由于TID效应是一个持续时间很长的过程，一般研究都是上千秒，而SEE效应发生的时间是在皮秒级别，两者时间上数量级相差10

步骤3、将保存后的.sav文件和.tdr文件导入用于HeavyIon模型对单粒子仿真的第二Sdevice中的File部分。

具体而言，将TID仿真完成后保存后的.sav文件和.tdr文件导入用于HeavyIon模型对单粒子仿真的第二Sdevice中的File部分，具体方法是File部分分为两部分，分别是input files和output files，其中：

input files包含：Grid＝"@tdr@"，Parameter＝"@Parameter@"，Doping＝"@tdr@"三部分，一般情况下默认Grid和Doping输入的.tdr文件来自前面生成器件结构的SDE下节点的“snmesh.tdr”文件，.tdr文件包含着器件的几何结构和掺杂等信息；而Parameter输入的是.par文件，代表的是器件的材料参数文件。

output files包含：Current＝"@plot@"，Plot＝"@tdrdat@"，Output＝"@log@"。其中，.log文件包括采用的物理模型以及相应的参数值，该文件也包含错误信息；Plot文件后缀名为.plt,包含器件的电学特性(转移特性等)。

通过上述方法将TID仿真后的.tdr文件替换用于仿真SEE的第二Sdevice中File部分的Grid和Doping，同时本实施例利用Load语句将TID仿真后的.sav文件导入第二Sdevice中File部分。

步骤4、对File部分加入TID仿真结果作为初始仿真条件的第二Sdevice进行单粒子仿真，以研究总剂量与单粒子的耦合机理。

具体而言，本实施例通过步骤3在第二Sdevice中的File部分加入TID仿真结果作为初始条件进行单粒子仿真，研究各个偏置状态下总剂量和单粒子效应的耦合机理。具体地：研究总剂量与单粒子的耦合机理包括在不同偏置状态、不同辐照剂量率、不同辐照剂量下的总剂量对单粒子耦合效应仿真的研究，且研究总结总剂量和单粒子耦合机理时总剂量辐照时器件偏置状态和单粒子作用时器件的偏置状态一致。

为了说明本实施例提出的新型总剂量与单粒子耦合效应仿真方法的有效性性，在上述实施例一新型总剂量仿真的基础上：

仿真条件：研究关态下不同总剂量与单粒子的耦合效应，剂量率为200krad(SiO

仿真过程：按照本发明接着对不同总剂量下与单粒子的耦合机理进行仿真，先利用Radiation模型进行TID仿真，在Sdevice最后使用Plot语句和Save保存不同总剂量辐照后器件的电学信息和物理信息(辐照后的掺杂分布等)，然后将保存后的.sav文件和.tdr文件导入用于仿真SEE的Sdevice的File部分，替换掉File中的Grid和Doping的.tdr文件，并使用Load语句将.sav文件加载进来。接着进行总剂量与单粒子耦合效应的仿真。

请参见图9，图9是本发明实施例提供的NFET器件在关态(OFF)下不同总剂量与单粒子耦合结果示意图，由图7总剂量TID与单粒子SEE的耦合仿真结果可以看出，TID效应会影响单粒子瞬态电流的脉冲峰值和脉冲宽度，随着TID效应加剧，单粒子脉冲峰值在变大，但是脉冲宽度却在减小，总剂量TID与单粒子SEE得到很好的耦合。

综上所述，本实施例提出的新型总剂量与单粒子耦合效应仿真方法，采用新的总剂量TID仿真方式，使激活后的Radiation模型(用于仿真总剂量TID)与HeavyIon模型(用于仿真SEE)同时作用研究总剂量TID与单粒子SEE耦合机理更加合理。现有的研究总剂量TID与单粒子SEE耦合机理的方式，是在现有研究TID效应的方式(加固定电荷法)下加入HeavyIon模型研究TID对SEE的影响，由于研究总剂量TID的方法存在缺陷，因此总剂量TID与单粒子SEE的耦合研究也存在问题，无法研究不同偏置下的总剂量TID与单粒子SEE的耦合机理；本实施例采用激活后的Radiation模型模拟TID效应，更加准确，因此对其与单粒子SEE的耦合研究也更加准确，但是由于仿真中两个模型的步长相差太大，因此放入两个不同的Sdevice中，先仿真总剂量TID的Sdevice，再将总剂量TID的Sdevice结果导入单粒子SEE的Sdevice中，进行相应设置，本实施例提出方法可以研究不同偏置下的总剂量TID与单粒子SEE的耦合机理，以此实现航天领域抗辐照研究的需求。

本实施例提出的新型总剂量与单粒子耦合效应仿真方法，可以执行上述实施例一所述的新型总剂量仿真方法实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

实施例三

在上述实施例二的基础上，请参见图10，图10是本发明实施例提供的一种新型总剂量与单粒子耦合效应仿真装置的结构示意图，本实施例提出了一种新型总剂量与单粒子耦合效应仿真装置，该新型总剂量与单粒子耦合效应仿真装置包括：

第一数据仿真模块，用于实施例一任意一项所述的新型总剂量仿真方法进行总剂量的仿真。

具体而言，本实施例第一数据仿真模块中新型总剂量仿真方法进行总剂量的仿真包括：

利用TCAD工具Sentaurus软件的SDE进行抗辐照器件建模得到用于抗辐照研究的三维器件结构，并利用修改参数文件激活Radiation模型；

利用激活后的Radiation模型进行总剂量的仿真研究。

进一步地，本实施例利用修改参数文件激活Radiation模型包括：

使用“新型氧化物半导体材料”代替SiO

将“新型氧化物半导体材料”的参数文件内容换成SiO

在第一Sdevice的Physics部分加入Radiation模型，以激活Radiation模型。

进一步地，本实施例总剂量的研究包括在不同偏置状态、不同辐照剂量率、不同辐照剂量下对总剂量的研究。

数据保存处理模块，用于对总剂量仿真后的电学特性和物理特性在第一Sdevice中进行保存，电学特性和物理特性的保存文件后缀名分别是.sav文件和.tdr文件。

具体而言，本实施例数据保存处理模块中在总剂量仿真的第一Sdevice中的Solve结尾部分使用Plot语句和Save语句对总剂量仿真后的电学特性和物理特性进行保存。

数据导入处理模块，用于将保存后的.sav文件和.tdr文件导入用于HeavyIon模型对单粒子仿真的第二Sdevice中的File部分。

具体而言，本实施例数据导入处理模块中将保存后的.sav文件和.tdr文件导入用于HeavyIon模型对单粒子仿真的第二Sdevice中的File部分包括：

在HeavyIon模型对单粒子仿真的第二Sdevice中的File部分将Grid和Doping的文件替换为.tdr文件；

将HeavyIon模型对单粒子仿真的第二Sdevice中的File部分使用Load语句将总剂量仿真后.sav加载进来。

第二数据仿真模块，用于对File部分加入TID仿真结果作为初始仿真条件的第二Sdevice进行单粒子仿真，以研究总剂量与单粒子的耦合机理。

具体而言，本实施例第二数据仿真模块中研究总剂量与单粒子的耦合机理包括在不同偏置状态、不同辐照剂量率、不同辐照剂量下的总剂量对单粒子耦合效应仿真的研究。

进一步地，本实施例研究总结总剂量和单粒子耦合机理还包括总剂量辐照时器件偏置状态和单粒子作用时器件的偏置状态一致。

本实施例提出的新型总剂量与单粒子耦合效应仿真装置，可以执行上述实施例一所述的新型总剂量仿真方法实施例、实施例二所述的新型总剂量与单粒子耦合效应仿真方法实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。