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一种SRAM单粒子瞬态效应仿真分析方法及系统

阅读：375发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种SRAM单粒子瞬态效应仿真分析方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种SRAM单粒子瞬态效应仿真分析方法及系统，能够支持SRAM混合仿真，将器件级的仿真信息加入电路级的仿真中，进行单粒子效应仿真分析。该方法包括：分析SRAM单元器件结构模型加入单粒子效应物理模型，提取单粒子效应电流源脉冲；建立多LET单粒子效应脉冲电流源等效模型并生成SPICE可以使用的仿真模型；根据用户提供的SRAM电路网表文件提取SRAM中的所有敏感节点，生成SRAM敏感节点列表文件；依据前面生成的SPICE可用的多LET单粒子效应脉冲电流源等效模型，结合SRAM敏感电路节点列表文件，编写脚本随机选取SRAM节点和故障注入时间，生成故障注入文件；分别计算翻转阈值和翻转截面。，下面是一种SRAM单粒子瞬态效应仿真分析方法及系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种SRAM单粒子瞬态效应仿真分析方法，其特征在于，包括：
根据用户提供的SRAM单元器件结构模型，结合单粒子注入物理模型，提取单粒子效应电流源脉冲；
分析所述单粒子效应电流源脉冲，建立多LET脉冲电流源模型并生成SPICE可以使用的仿真模型激励文件；
根据用户提供的SRAM电路网表文件提取SRAM中的所有敏感节点，生成SRAM敏感节点列表文件；
根据所述多LET脉冲电流源模型，结合所述SRAM敏感节点列表文件，编写脚本随机选取SRAM节点和故障注入时间，生成用于翻转阈值分析和翻转截面计算的故障注入文件；其中，用于翻转阈值分析的故障注入文件包含一个注入节点的节点信息、故障注入时间和故障注入模型，用于翻转截面计算的故障注入文件包含多个注入节点的节点信息、故障注入时间和故障注入模型；
读取故障注入文件和SRAM单元器件结构模型，利用SPICE进行仿真，分析注入不同LET值对应的脉冲电流源后的响应情况，确定翻转阈值；
读取用户提供的SRAM电路网表文件、故障注入文件，通过随机选择电路节点与峰值比例系数，在不同的LET值下进行多次仿真，统计每个LET下的平均错误个数，计算出不同LET下的SRAM的翻转截面。
2.根据权利要求1所述的SRAM单粒子瞬态效应仿真分析方法，其特征在于，所述建立多LET脉冲电流源模型，采用了样条插值的方法将采样点插值为平滑曲线，并使用Weibull函数进行参数拟合。
3.根据权利要求1所述的SRAM单粒子瞬态效应仿真分析方法，其特征在于，所述生成用于翻转阈值分析和翻转截面计算的故障注入文件，具体是根据用户选定的LET值，在所述仿真模型激励文件中选定所需的脉冲电流源模型，添加随机电路节点(node)、随机注入时间(time)以及随机电流峰值和脉宽函数(factor)，其中随机电流峰值和脉宽函数(factor)为正态分布的随机函数。
4.一种SRAM单粒子瞬态效应仿真分析系统，其特征在于，包括：
器件级SRAM单元仿真模块，用于根据用户提供的SRAM单元器件结构模型，结合单粒子注入物理模型，提取单粒子效应电流源脉冲；
多LET脉冲电流源模型建立模块，用于分析所述单粒子效应电流源脉冲，建立多LET脉冲电流源模型并生成SPICE可以使用的仿真模型激励文件；
SRAM敏感节点分析模块，用于根据用户提供的SRAM电路网表文件提取SRAM中的所有敏感节点，生成SRAM敏感节点列表文件；
故障注入配置模块，用于根据所述多LET脉冲电流源模型，结合所述SRAM敏感节点列表文件，编写脚本随机选取SRAM节点和故障注入时间，生成用于翻转阈值分析和翻转截面计算的故障注入文件；其中，用于翻转阈值分析的故障注入文件包含一个注入节点的节点信息、故障注入时间和故障注入模型，用于翻转截面计算的故障注入文件包含多个注入节点的节点信息、故障注入时间和故障注入模型；
SRAM翻转阈值分析模块，用于读取故障注入文件和SRAM单元器件结构模型，利用SPICE进行仿真，分析注入不同LET值对应的脉冲电流源后的响应情况，确定翻转阈值；
SRAM翻转截面计算模块，用于读取用户提供的SRAM电路网表文件、故障注入文件，通过随机选择电路节点与峰值比例系数，在不同的LET值下进行多次仿真，统计每个LET下的平均错误个数，计算出不同LET下的SRAM的翻转截面。
5.根据权利要求4所述的SRAM单粒子瞬态效应仿真分析系统，其特征在于：所述多LET脉冲电流源模型建立模块，具体采用了样条插值的方法将采样点插值为平滑曲线，并使用Weibull函数进行参数拟合。
6.根据权利要求4所述的SRAM单粒子瞬态效应仿真分析系统，其特征在于：所述SRAM敏感节点分析模块，具体是使用Perl语言与C-shell语言编写脚本提取SRAM电路网表文件中的所有的敏感节点。
7.根据权利要求4所述的SRAM单粒子瞬态效应仿真分析系统，其特征在于：所述故障注入配置模块，具体是使用Perl语言与C-shell语言编写脚本根据用户选定的LET值，在所述仿真模型激励文件中选定所需的脉冲电流源模型，添加随机电路节点(node)、随机注入时间(time)以及随机电流峰值和脉宽函数(factor)，其中随机电流峰值和脉宽函数(factor)为正态分布的随机函数。
8.根据权利要求4所述的SRAM单粒子瞬态效应仿真分析系统，其特征在于：所述SRAM翻转阈值分析模块，具体使用Perl语言脚本，采用固定步长和二分法进行分析，读取脉冲电流源故障注入模型和SRAM单元模型，利用SPICE以不同的LET故障注入模型为对象，对SRAM单元进行仿真，分析翻转阈值。
9.根据权利要求4所述的SRAM单粒子瞬态效应仿真分析系统，其特征在于：设单位面积上高能粒子的入射数为F，入射之后SRAM电路网表中有n个节点发生了单粒子翻转，则器件的单粒子翻转截面为：
SRAM翻转截面计算模块，具体利用Finesim仿真器进行仿真，利用Perl脚本，生成故障比对结果，采用Hercules 软件分析得出SRAM单元器件结构模型中各个模块敏感节点区域的总面积和翻转节点数量统计，通过模块面积等效的方法，获得每个模块实际的单粒子注入个数以及等效的错误个数，来计算翻转截面。
10.根据权利要求4所述的SRAM单粒子瞬态效应仿真分析系统，其特征在于：所述敏感节点为NMOS管的漏极。

说明书全文

一种SRAM单粒子瞬态效应仿真分析方法及系统

技术领域：

[0001] 本发明属于辐射效应仿真领域，涉及一种单粒子效应下SRAM翻转截面仿真的方法。背景技术：

[0002] 随着半导体工艺特征尺寸的持续减小和器件工作频率不断提高，SRAM中的单粒子瞬态(SEU)引发的软错误数不断上升。因此需要一种仿真方法来评估SRAM的单粒子效应。对此提出一种新的方法来评估SRAM的翻转阈值和翻转截面。

[0003] 目前，针对SRAM进行单粒子效应仿真的一种方法是，通过加入一个方波脉宽来对电路进行仿真测试。但是这种仿真无法准确的仿真出单粒子效应的影响，依照经典理论，NMOS晶体管的辐射效应的影响可以等效为一个双指数电流源脉冲。脉冲的波形与器件参数和单粒子入射的物理参数相关，但是该模型不适用于SRAM的辐射分析。

发明内容

[0004] 本发明提供一种单粒子效应下SRAM翻转截面仿真的方法及系统，能够对单粒子效应下的SRAM翻转截面进行分析。

[0005] 本发明的解决方案如下：

[0006] 一种SRAM单粒子瞬态效应仿真分析方法，包括：

[0007] 根据用户提供的SRAM单元器件结构模型(即SRAM的版图)，结合单粒子注入物理模型，提取单粒子效应电流源脉冲；

[0008] 分析所述单粒子效应电流源脉冲，建立多LET脉冲电流源模型并生成SPICE可以使用的仿真模型激励文件；

[0009] 根据用户提供的SRAM电路网表文件(即SRAM的SPICE描述文件)提取SRAM中的所有敏感节点，生成SRAM敏感节点列表文件；

[0010] 根据所述多LET脉冲电流源模型(仿真模型激励文件)，结合所述SRAM敏感节点列表文件，编写脚本随机选取SRAM节点和故障注入时间，生成用于翻转阈值分析和翻转截面计算的故障注入文件；其中，用于翻转阈值分析的故障注入文件包含一个注入节点的节点信息、故障注入时间和故障注入模型，用于翻转截面计算的故障注入文件包含多个注入节点的节点信息、故障注入时间和故障注入模型；

[0011] 读取故障注入文件和SRAM单元器件结构模型，利用SPICE进行仿真，分析注入不同LET值对应的脉冲电流源后的响应情况，确定翻转阈值；

[0012] 读取用户提供的SRAM电路网表文件、故障注入文件，通过随机选择电路节点与峰值比例系数，在不同的LET值下进行多次仿真，统计每个LET下的平均错误个数，计算出不同LET下的SRAM的翻转截面。

[0013] 其中具体可优选地，所述建立多LET脉冲电流源模型，采用了样条插值的方法将采样点插值为平滑曲线，并使用Weibull函数进行参数拟合。

[0014] 其中具体可优选地，所述生成用于翻转阈值分析和翻转截面计算的故障注入文件，具体是根据用户选定的LET值，在所述仿真模型激励文件中选定所需的脉冲电流源模型，添加随机电路节点(node)、随机注入时间(time)以及随机电流峰值和脉宽函数(factor)，其中随机电流峰值和脉宽函数(factor)为正态分布的随机函数。

[0015] 一种SRAM单粒子瞬态效应仿真分析系统，包括：

[0016] 器件级SRAM单元仿真模块，用于根据用户提供的SRAM单元器件结构模型(即SRAM的版图)，结合单粒子注入物理模型，提取单粒子效应电流源脉冲；

[0017] 多LET脉冲电流源模型建立模块，用于分析所述单粒子效应电流源脉冲，建立多LET脉冲电流源模型并生成SPICE可以使用的仿真模型激励文件；

[0018] SRAM敏感节点分析模块，用于根据用户提供的SRAM电路网表文件(即SRAM的SPICE描述文件)提取SRAM中的所有敏感节点，生成SRAM敏感节点列表文件；

[0019] 故障注入配置模块，用于根据所述多LET脉冲电流源模型(仿真模型激励文件)，结合所述SRAM敏感节点列表文件，编写脚本随机选取SRAM节点和故障注入时间，生成用于翻转阈值分析和翻转截面计算的故障注入文件；其中，用于翻转阈值分析的故障注入文件包含一个注入节点的节点信息、故障注入时间和故障注入模型，用于翻转截面计算的故障注入文件包含多个注入节点的节点信息、故障注入时间和故障注入模型；

[0020] SRAM翻转阈值分析模块，用于读取故障注入文件和SRAM单元器件结构模型，利用SPICE进行仿真，分析注入不同LET值对应的脉冲电流源后的响应情况，确定翻转阈值；

[0021] SRAM翻转截面计算模块，用于读取用户提供的SRAM电路网表文件、故障注入文件，通过随机选择电路节点与峰值比例系数，在不同的LET值下进行多次仿真，统计每个LET下的平均错误个数，计算出不同LET下的SRAM的翻转截面。

[0022] 基于以上SRAM单粒子瞬态效应仿真分析系统的方案，进一步可选地：

[0023] 所述多LET脉冲电流源模型建立模块，具体采用了样条插值的方法将采样点插值为平滑曲线，并使用Weibull函数进行参数拟合。

[0024] 所述SRAM敏感节点分析模块，具体是使用Perl语言与C-shell语言编写脚本提取SRAM电路网表文件中的所有的敏感节点。

[0025] 所述故障注入配置模块，具体是使用Perl语言与C-shell语言编写脚本根据用户选定的LET值，在所述仿真模型激励文件中选定所需的脉冲电流源模型，添加随机电路节点(node)、随机注入时间(time)以及随机电流峰值和脉宽函数(factor)，其中随机电流峰值和脉宽函数(factor)为正态分布的随机函数。

[0026] 所述SRAM翻转阈值分析模块，具体使用Perl语言脚本，采用固定步长和二分法进行分析，读取脉冲电流源故障注入模型和SRAM单元模型，利用SPICE以不同的LET故障注入模型为对象，对SRAM单元进行仿真，分析翻转阈值。

[0027] 设单位面积上高能粒子的入射数为F，入射之后SRAM电路网表中有n个节点发生了单粒子翻转，则器件的单粒子翻转截面为：

[0028]

[0029] SRAM翻转截面计算模块，具体利用Finesim仿真器进行仿真，利用Perl脚本，生成故障比对结果，采用Hercules 软件分析得出SRAM单元器件结构模型中各个模块敏感节点区域的总面积和翻转节点数量统计，通过模块面积等效的方法，获得每个模块实际的单粒子注入个数以及等效的错误个数，来计算翻转截面。

[0030] 所述敏感节点为NMOS管的漏极。

[0031] 本发明具有以下技术效果：

[0032] 本发明针对SRAM单粒子效应，分析SRAM单粒子瞬态脉冲的电流源脉冲等效模型，提出基于WeiBull函数的单粒电流源子瞬态脉冲拟合模型，该模型可以匹配不同的LET(粒子入射线性能量转移)值，同时基于该模型提出具有正态分布随机性的瞬态脉冲注入模型，以仿真出实际的SRAM单粒子效应，最终实现了SRAM单元翻转阈值和翻转截面的分析。附图说明

[0033] 图1为单粒子效应下SRAM翻转截面仿真方法流程图。

[0034] 图2为SRAM六管单元三维模型(去除Al、Ti、W、SiO2)。

[0035] 图3为SRAM六管单元晶体管图。

[0036] 图4为初始状态仿真后SRAM电势分布(去除Al、W、SiO2)。

[0037] 图5为SRAM电路敏感节点提取示意图。

[0038] 图6为常温常压下存储单元扫描分析结果。

具体实施方式

[0039] 以下结合附图，对本发明的单粒子效应下SRAM翻转截面仿真方法的各个模块进一步详细说明。

[0040] 如图1所示，单粒子效应下SRAM翻转截面仿真方法包括：器件级SRAM单元仿真模块、多LET模型脉冲电流源模型建立模块、SRAM敏感节点分析模块、故障注入配置模块、SRAM翻转阈值分析模块和SRAM翻转截面计算模块。能够支持SRAM混合仿真，将器件级的仿真信息加入电路级的仿真中，进行单粒子效应仿真分析。

[0041] 器件级SRAM单元仿真模块，首先绘制SRAM六管单元版图(130nm工艺，所绘制的晶体管宽长比与SPICE仿真所用的晶体管一致)，如图2所示。使用CogendaTCAD软件完成仿真，在构建完SRAM六管单元三维模型后要分析其单粒子敏感性，首先需要进行初始状态仿真在单元中存入数据。设置字线WL 电压为1.2V，位线BL为1.2V，位线非BLB为0V。初始状态仿真，Q节点写入了高电平“1”，QN节点写入了低电平“0”。粒子入射点应当选择目标电路的敏感点，在最敏感的位置、最敏感的状态入射才能准确的获取目标电路的单粒子敏感性。由于SRAM的双稳态结构，如图3所示，在粒子轰击下漏区电位有可能跳变到P阱低电位使得SRAM存储状态发生翻转，因此左侧反相器的NMOS漏极是一个敏感区域，入射点在此区域内选择。设置2
LET值分别为0.4、0.5、0.56、0.58、0.6、0.7、0.8MeV·cm /mg，粒子垂直入射SRAM左侧反相器的NMOS漏极中心，SRAM六管单元Q和QN节点翻转情况如图4所示。通过该初始状态仿真我们可以获得SRAM单粒子效应脉冲电流源模型。

[0042] 多LET模型脉冲电流源模型建立模块，依据TCAD的仿真结果，由于TCAD采样点少的问题，我们采用样条插值的方法将采样点插值为平滑曲线，在此基础上使用Weibull函数进行参数拟合，拟合函数如下：

[0043]

[0044] 计算出参数t0：

[0045]

[0046] 为了在参数拟合状态中加入LET变量，将这些参数用LET值进行二次拟合，拟合函数和结果如下(130nm SMIC SRAM为例)：

[0047]

[0048] 依据拟合结果建立电流源脉冲模型并生成SPICE可以使用的仿真模型激励文件，我们使用PWL进行实现。

[0049] SRAM敏感节点分析模块流程如图5所示，利用Perl脚本抽取SRAM所有电路节点并形成电路节点列表文件。根据SMIC SRAM网表的规律，存储单元模块的提取方式与外围电路的不一致。对于存储单元模块，主要是根据其每一个6管存储单元的命名规律形成所有存储节点的列表文件。对于外围电路，则主要是根据SPICE语法中对于晶体管端口的排列顺序进行提取。

[0050] 故障注入配置模块对多个仿真参数进行配置。根据版图中各个功能模块所占的比例，分配各个功能模块注入的故障电流源个数。为了充分模拟空间粒子对电路轰击的随机性，在建立的脉冲模型文件中添加随机参数“node”(随机电路节点)、“time”(随机注入时间)和“factor”(随机电流峰值和脉宽)，进而构建PWL形式的故障注入电流源模板文件，使用Perl脚本实现电流源模板文件中参数的随机，生成可用于晶体管级仿真的脉冲电流源故障注入文件，将该故障注入文件添加至电路网表中，仿真时工具将每个时间点的瞬态电流值按照时间先后依次连接起来添加至随机选取的电路节点实现故障注入，从而模拟单粒子与电路的相互作用。

[0051] SRAM翻转阈值分析模块读取脉冲电流源故障注入文件和SRAM六管单元模型，利用SPICE进行仿真，计算翻转阈值；

[0052] 例如针对SMIC公司130nm工艺的8K(512x16bit)SRAM中的六管存储单元进行仿真分析。对带有寄生RC参数的后仿真网表进行单粒子效应等效电流源故障注入，分析注入不同LET值对应的电流源后六管单元的响应情况。电源电压采用1.2V，工艺角选择TT，仿真温度设置为25℃，注入不同LET值所对应的故障电流源后的节点BC电位变化情况如图6所示。

[0053] 对于SMIC 130nm工艺的SRAM，其存储单元的单粒子翻转LET阈值为0.6Mev·cm2/mg。

[0054] SRAM翻转截面计算模块，读取SRAM电路网表(SRAM SPICE网表)、故障注入文件，从而计算出SRAM的翻转截面。

[0055] 翻转截面被用来表示高能粒子入射半导体器件后，发生单粒子翻转的几率。假设粒子注入量为F(注入个数/cm-2)，即单位面积上高能粒子的入射数，入射之后，有n位发生了单粒子翻转，则该器件的单粒子翻转截面为：

[0056]

[0057] 式中，σ的单位是cm-2。翻转截面越大，表征器件抗单粒子效应能力越差。

[0058] 为了准确的估计出翻转截面，我们采用抽样调查的方法。根据SRAM版图中各模块的比例关系，在存储单元模块中随机选择40个存储节点进行故障注入。考虑高能粒子入射半导体器件时角度是随机的，不同的入射角度产生的瞬态电流不同，但具有一定的相似性，因此设置中电流源的峰值比例系数“factor”为0.7～1之间，即脚本在0.7-1之间随机选择不同的随机数。故障注入配置脚本随机选择电路节点与峰值比例系数，在不同的LET值下，仿真100次，通过脚本统计每个LET下的平均错误个数，通过模块面积等效的方法，获得每个模块实际的单粒子注入个数以及等效的错误个数，计算不同LET值下的SRAM的翻转截面。

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