一种模拟粒子入射下纳米器件单粒子瞬态响应的方法技术

本发明专利技术属于半导体器件单粒子效应仿真领域，尤其涉及一种模拟粒子入射下纳米器件单粒子瞬态响应的方法。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。本发明专利技术利用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。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，本发明专利技术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。不同辐射环境下的辐射效应。不同辐射环境下的辐射效应。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟粒子入射下纳米器件单粒子瞬态响应的方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]本专利技术的构思是：
[0006]本专利技术利用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。
[0007]本专利技术的技术方案是：
[0008]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。
[0009]进一步地，具体包括以下步骤：
[0010]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；
[0011]步骤2、利用TCAD进行纳米器件建模；
[0012]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。
[0013]进一步地，电荷密度分布为径向电荷密度分布。
[0014]进一步地，步骤1具体为：
[0015]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；
[0016]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。
[0017]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，R
n
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]本专利技术的有益效果是：
[0030]本专利技术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，本专利技术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]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，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，本专利技术提出一种利用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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟粒子入射下纳米器件单粒子瞬态响应的方法，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的模拟粒子入射下纳米器件单粒子瞬态响应的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：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；步骤2、利用TCAD进行纳米器件建模；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。3.根据权利要求2所述的模拟粒子入射下纳米器件单粒子瞬态响应的方法，其特征在于，步骤1中所述的电荷密度分布为径向电荷密度分布。4.根据权利要求3所述的模拟粒子入射下纳米器件单粒子瞬态响应的方法，其特征在于，步骤1具体为：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的径向分布；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的径向分布，计算粒子在Si材料中电离出的电荷密度径向分布。5.根据权利要求4所述的模拟粒子入射下纳米器件单粒子瞬态响应的方法，其特征在于，步骤1.2基于下式计算粒子在Si材料中电离出的电荷密度径向分布：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，R
n
...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢超，陈伟，罗尹虹，丁李利，张凤祁，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：