Page 46 - 中国仿真学会通讯

效应的特征时间尺度跨度极大，从皮秒到数年，存在极快和极慢的物理过程；需要考虑量子效应，
涉及电（ 磁） 学、热学、弹性力学、流体力学、辐射物理等过程，还要考虑高频率、高电压、大电流等问
题。 因此，集成微系统建模仿真技术需要多学科交叉融合、持续不断攻克难关的难题。 这里我们
近对集成微系统跨尺度辐射效应建模仿真技术以及多物理场耦合效应仿真技术中的关键问题进
行概述。

二、 集成微系统跨尺度辐射效应建模仿真技术概述

半导体器件和集成电路是集成微系统的重要组成部分。 目前通用半导体器件仿真到集成电
路的分析已经有非常成熟的商业软件，如器件 ＴＣＡＤ 仿真软件 Ｓｅｎｔａｕｒｕｓ、Ｓｉｌｖａｃｏ，以及电路仿真软
件 Ｃａｄｅｎｃｅ 等，能够极大地缩短器件和电路的设计制造周期，降低生产成本，成为集成电路与集成
微系统领域不可或缺的工具。 然而，半导体器件与集成电路在辐照环节中有显著的损伤效应，如
阈值电压漂移、增益降低等，甚至可能导致器件完全失效，必须要预先考虑半导体器件辐射效应的
仿真分析问题。 然而，器件辐照损伤模型也远比器件电性能连续模型复杂，如器件电离损伤模型
需要求解将近 ２０ 个偏微分方程，而器件的电性能模拟只需要求解电势方程和载流子连续性方程。
商用的 ＴＣＡＤ 和 ＥＤＡ 等软件包含的辐照损伤模型都非常简单，无法刻画真实的器件损伤退化过
程，不能模拟器件的辐照损伤效应，而且并行计算能力不足。

美国历来重视对半导体器件到集成微系统的辐射效应数值模拟与仿真研究，在这方面处于世
界研究前列。 上世纪八十年代，美国圣地亚国家实验室（ ＳＮＬ） 就已经着手开发辐射能量沉积以及
辐射输运的仿真软件。 九十年代以后，ＳＮＬ 在高性能模拟与计算计划的支持下，开展了系统地高
精度数值模拟技术研究，开发了仿真平台 ＲＡＭＳＥＳ，实现了从材料微观尺度出发到系统级的多尺度
建模仿真，能够预测电子学系统在辐照环境中的可靠性与生存能力。 ＲＡＭＳＥＳ 仿真平台微观层级
的模拟包括辐射能量沉积模拟（ ＮｕＧＥＴ） 、基于密度泛函理论的第一性计算（ ＱＵＳＥＴ） 以及分子动力
学模拟（ ＣＡＳＣＡＤＥ） ；宏观的仿真则是器件级仿真 Ｃｈａｒｏｎ 软件核电路及仿真软件 Ｘｙｃｅ。 ＣＡＳＣＡＤＥ
仿真需要射线 在 材 料 不 同 深 度 定 量 的 能 量 沉 积 数 据 以 及 材 料 体 系 中 原 子 相 互 作 用 的 势 函 数。
Ｃｈａｒｏｎ 主要解决两大问题，基于微观材料层级模拟结果进行连续性建模以及求解由物理模型导出
的非线性偏微分方程组并输出器件的宏观电学响应。 由于集成电路仿真最主要的难点是获取含

图 ２ ＲＡＭＳＥＳ 仿真平台架构

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