全耗尽绝缘体上硅氧化铪基铁电场效应晶体管存储单元单粒子效应计算机模拟研究

铁电场效应晶体管具有非挥发性、低功耗、读写速度快等优异的存储性能,是最有前景的新型半导体存储器件之一.为促进铁电场效应晶体管在辐射环境中的应用,本文利用计算机辅助设计软件对全耗尽绝缘体上硅氧化铪基铁电场效应晶体管存储单元的单粒子效应进行研究,分析了重离子不同入射位置及角度和漏极偏置电压对存储单元相关特性的影响.结果表明:重离子入射位置改变不会使氧化铪铁电层中相应的极化状态发生反向,但会影响存储单元输出电压瞬态变化,最敏感区域靠近漏-体结区域;随着重离子入射角度减小,存储单元输出电压峰值增大,读数据“0”时入射角度变化的影响更为明显;存储单元输出电压峰值受漏极偏置电压调制,读数据“1”时调制效应更为明显.本工作为全耗尽绝缘体上硅氧化铪基铁电场效应晶体管存储单元抗单粒子效应加固设计提供理论依据和指导.     

高能质子单粒子翻转效应的模拟计算

在分析质子与硅反应的基础上,提出质子单粒子翻转截面理论计算模型,建立了模拟计算方法.计算得到了不同能量的高能质子在存储单元的灵敏区内沉积的能量.指出高能质子主要通过与硅反应产生的重离子在存储单元灵敏区内沉积能量,产生电荷,导致单粒子效应,得到了单粒子翻转截面与质子能量以及随临界电荷变化的关系.并将计算得到的单粒子翻转截面与实验数据进行了比较.     

三维H形栅SOINMOS器件总剂量条件下的单粒子效应

本文通过数值模拟研究了H形栅SOI NMOS器件在总剂量条件下的单粒子效应. 首先通过分析仿真程序中影响迁移率的物理模型, 发现通过修改了的由于表面散射造成迁移率退化的Lombardi模型, 仿真的SOI晶体管转移特性和实测数据非常符合. 然后使用该模型, 仿真研究了处于截止态 (V_D=5V) 的 H形栅SOI NMOS器件在总剂量条件下的单粒子效应. 结果表明: 随着总剂量水平的增加, 器件在同等条件的重离子注入下, 产生的最大漏极电流脉冲只是稍有增大, 但是漏极收集电荷随总剂量水平大幅增加. 关键词： 单粒子脉冲电流 漏极收集电荷 总剂量效应     

基于55 nm DICE结构的单粒子翻转效应模拟研究

单粒子翻转(single event upset, SEU)是器件在辐照空间中应用的关键难题,本文以55 nm加固锁存单元为研究载体,通过三维数值模拟方法,获得了重离子不同入射条件下的线性能量转移(linear energy transfer, LET)阈值和电压脉冲变化曲线,研究了双互锁存储单元(dual interlockded storage cell, DICE)的抗辐照性能和其在不同入射条件下的SEU效应.研究表明,低LET值的粒子以小倾斜角入射器件时,降低了器件间的总电荷收集量,使得主器件节点的电压峰值和电压脉宽最小,器件SEU敏感性最低;由于空穴与电子迁移率的差异,导致DICE锁存器中Nhit的入射角敏感性远大于Phit;合理调节晶体管间距可以削弱电荷共享效应,使得从器件总电荷收集量减小,仿真计算得到此工艺下晶体管间距不能小于1.2μm.相关仿真结果可为DICE锁存单元单粒子效应的物理机制研究和加固技术提供理论依据和数据支持,有助于加快存储器件在宇航领域的应用步伐.     

纳米体硅鳍形场效应晶体管单粒子瞬态中的源漏导通现象

体硅鳍形场效应晶体管(FinFET)是晶体管尺寸缩小到30 nm以下应用最多的结构,其单粒子瞬态产生机理值得关注.利用脉冲激光单粒子效应模拟平台开展了栅长为30, 40, 60, 100 nm Fin FET器件的单粒子瞬态实验,研究FinFET器件单粒子瞬态电流脉冲波形随栅长变化情况;利用计算机辅助设计(technology computer-aided design, TCAD)软件仿真比较电流脉冲产生过程中器件内部电子浓度和电势变化,研究漏电流脉冲波形产生的物理机理.研究表明,不同栅长Fin FET器件瞬态电流脉冲尾部都存在明显的平台区,且平台区电流值随着栅长变短而增大;入射激光在器件沟道区下方体区产生高浓度电子将源漏导通产生导通电流,而源漏导通升高了体区电势,抑制体区高浓度电子扩散,使得导通状态维持时间长,形成平台区电流;尾部平台区由于持续时间长,收集电荷量大,会严重影响器件工作状态和性能.研究结论为纳米Fin FET器件抗辐射加固提供理论支撑.     

22 nm工艺超薄体全耗尽绝缘体上硅晶体管单粒子瞬态效应研究

利用计算机辅助设计技术数值仿真工具, 研究22 nm工艺技术节点下超薄体全耗尽绝缘体上硅晶体管单粒子瞬态效应, 系统地分析了掺杂地平面技术、重离子入射位置、栅功函数和衬底偏置电压对于单粒子瞬态效应的影响. 模拟结果表明, 掺杂地平面和量子效应对于单粒子瞬态效应影响很小, 重离子入射产生大量电荷, 屏蔽了初始电荷分布的差异性. 单粒子瞬态效应以及收集电荷和重离子入射位置强相关, 超薄体全耗尽绝缘体上硅最敏感的区域靠近漏端. 当栅功函数从4.3 eV变化到4.65 eV时, 单粒子瞬态电流峰值从564 μA减小到509 μA, 收集电荷从4.57 fC减小到3.97 fC. 超薄体全耗尽绝缘体上硅器件单粒子瞬态电流峰值被衬底偏置电压强烈调制, 但是收集电荷却与衬底偏置电压弱相关. 关键词： 超薄体全耗尽绝缘体上硅 单粒子瞬态效应 电荷收集 数值仿真     

铁电存储器中高能质子引发的单粒子功能中断效应实验研究

利用中国原子能科学研究院的中高能质子实验平台,针对两款商用铁电存储器开展了中高能质子单粒子效应实验研究,发现其中一款器件在质子辐照下发生了单粒子翻转和单粒子功能中断.本文主要针对单粒子功能中断效应展开了后续实验研究.首先通过改变质子能量对器件进行辐照,发现单粒子功能中断截面随质子能量的提高而增加.为进一步研究器件发生单粒子功能中断的机理,利用激光微束平台开展了辅助实验,对铁电存储器的单粒子功能中断效应的敏感区域进行了定位,最后发现铁电存储器单粒子功能中断是由器件外围电路发生的微锁定导致的.     

8T-全局曝光CMOS图像传感器单粒子翻转及损伤机理

针对卫星轨道上空间辐射环境引起的光学相机性能退化问题,采用8晶体管(8T)-全局曝光互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器进行重离子辐照实验。实验结果显示,不同功能模块寄存器发生单粒子翻转,导致输出图像出现不同的异常模式,主要表现为输出图像"卡零"、若干相邻列输出异常、整幅图像"花屏"等。结合器件的不同子电路功能、工艺结构和工作原理,分析重离子入射器件微观作用过程对宏观图像异常模式的影响,深入探讨器件不同功能模块单粒子翻转的敏感性和损伤机理。研究结果可为CMOS图像传感器加固设计、单粒子地面模拟实验方法及标准和评估技术的建立提供重要参考。     

不同偏置影响锗硅异质结双极晶体管单粒子效应的三维数值仿真研究

针对国产锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT),采用半导体器件三维计算机模拟工具,建立单粒子效应三维损伤模型,研究不同偏置状态对SiGe HBT单粒子效应的影响.分析比较不同偏置下重离子入射器件后,各端口电流瞬变峰值和电荷收集量随时间的变化关系,获得SiGe HBT单粒子效应与偏置的响应关系.结果表明:不同端口对单粒子效应响应的最劣偏置不同,同一端口电荷收集量和瞬变电流峰值的最劣偏置也有所差异.载流子输运方式变化和外加电场影响是造成这种现象的主要原因.     

重离子产生δ电子对SRAM单粒子翻转的影响

随着微电子器件集成度增加,由入射离子在器件灵敏区内引起的δ电子分布对器件单粒子效应的影响越来越显著;尤其是它极易引发多位翻转,严重影响设计加固的有效性。首先利用蒙特卡罗软件包Geant4模拟得到重离子在器件灵敏区内产生的δ电子分布,分析得出以下规律:入射离子单核能越高,其产生δ电子分布的径向范围越大;单核能相同的不同种离子,原子序数越大其产生的δ电子密度越大。其次,通过模拟一款45 nm静态随机存储器的单粒子翻转效应,说明δ电子和灵敏区分布共同影响器件的多位翻转。当器件灵敏区间距一定时,多位翻转率随入射离子能量的升高先上升后下降;在多位翻转率峰值和布喇格峰之间,多位翻转率随入射离子线性能量传输(LET)值的升高而降低,在该区域两侧多位翻转率随离子LET值的升高而升高。     

A multi-scale model linking microstructure and macro electric behaviors of ferroelectric field effect transistor

A multi-scale model linking microstructure and macro electric properties of ferroelectric field effect transistor (FeFET) is established based on the phase field method and Maxwell's total current law. The simulation results confirm that the channel current of FeFET is modulated by local interface ferroelectric domains which are easily affected by the microstructure. Using the developed transistor model, we investigate the effects of location of dislocation sites on hysteresis behavior of ferroelectric film and electric behavior of FeFET. Interfacial dislocations have strong effects on hysteresis behavior than internal dislocations since the former can induce imprint behavior while the latter only reduce the coercive field. However, due to the c-domains at the interface, the effects of interfacial and internal dislocations on FeFET electrical properties are the exact opposite. The interfacial dislocations just increase the voltage required to toggle the channel while the internal dislocations can induce disappearance of the FeFET memory window.     

Memory element based on ferroelectric field-effect transistor with use of ZnO:Li/LaB6 heterostructures

Ferroelectric field-effect transistors using ZnO:Li films simultaneously as a transistor channel and as a ferroelectric active element have been prepared and studied. We show an opportunity of using the ferroelectric field-effect transistor based on ZnO:Li films in ZnO:Li/LaB₆ heterostructure as a bistable memory element for information recording. The proposed structure of a ferroelectric memory cell does not possess the fatigue under repeated readout of single recorded information that will allow increasing the resource of storage devices essentially.     

电离辐射环境下金属-铁电-绝缘体-基底结构铁电场效应晶体管电学性能的模拟

本文利用改进的米勒模型模拟了金属-铁电-绝缘体-基底结构铁电场效应晶体管在电离辐射环境下的铁电薄膜极化、界面电荷密度和电荷迁移率,最终得出在不同辐射总剂量和辐射剂量率下,铁电场效应晶体管的电容和漏源电流曲线. 计算结果表明,总剂量为10 Mrad时,对铁电场效应晶体管的漏源电流和电容影响甚微;总剂量为100 Mrad (1 rad = 10² Gy)时,对其有很明显的影响. 当辐射的剂量率发生变化时,铁电场效应晶体管的电流和电容也会发生改变. 模拟结果表明,铁电场效应晶体管有较强的抗辐射能力. 关键词： 总剂量 剂量率 电容 漏源电流     

串口型铁电存储器总剂量辐射损伤效应和退火特性

对一款商用串口I2C型铁电存储器进行了⁶⁰Coγ 辐射和退火实验, 研究了铁电存储器的总剂量效应和退火特性. 使用了超大规模集成电路测试系统测试了铁电存储器的DC, AC, 功能参数, 分析了辐射敏感参数在辐射和退火过程中的变化规律. 实验结果表明: 总剂量辐射在器件内产生大量氧化物陷阱电荷, 造成了铁电存储器外围控制电路MOS管阈值向负向漂移, 氧化物陷阱电荷引入附加电场使铁电薄膜受肖特基发射或空间电荷限制电流的作用, 产生辐射感生漏电流. 由于浅能级亚稳态的氧化物陷阱电荷数量上多于深能级氧化物陷阱电荷, 使得器件功能和辐射敏感参数在常温退火过程中快速恢复. 关键词： 铁电存储器 总剂量辐射 退火特性     

Barium silicate modified strontium bismuth tantalate ferroelectric thin films

Novel strontium bismuth tantalate (Sr_0.8Bi_2.2Ta₂O₉ (SBT)) modified with 3 and 5 mol% ratio barium silicate (Ba₂SiO₄) thin films were grown on Pt(100?nm)/Ti(50?nm)/SiO₂/Si(100) substrates by spin coating technique. The influence of barium silicate doping in SBT was studied from the view point of changing dielectric and ferroelectric properties like dielectric constant (ε_r) and remnant polarization (P_r). Well crystallized thin films showed convenient ferroelectric properties with comparatively lower P_r in the range between 1.52 and 0.44 µC/cm² and smaller ε_r value of 163. Thus, with such reduced values of P_r and ε_r barium silicate modified SBT offers a useful potential to be used in Ferroelectric Field Effect Transistor (FeFET) type (1T-type) Ferroelectric Random Access Memories (FeRAMs) upon improving insulation properties.     

Effects of different dopants on switching behavior of HfO_2-based resistive random access memory

In this study the effects of doping atoms(Al, Cu, and N) with different electro-negativities and ionic radii on resistive switching of HfO2-based resistive random access memory(RRAM) are systematically investigated. The results show that forming voltages and set voltages of Al/Cu-doped devices are reduced. Among all devices, Cu-doped device shows the narrowest device-to-device distributions of set voltage and low resistance. The effects of different dopants on switching behavior are explained with deferent types of CFs formed in HfO2 depending on dopants: oxygen vacancy(Vo) filaments for Al-doped HfO2 devices, hybrid filaments composed of oxygen vacancies and Cu atoms for Cu-doped HfO2 devices,and nitrogen/oxygen vacancy filaments for N-doped HfO2 devices. The results suggest that a metal dopant with a larger electro-negativity than host metal atom offers the best comprehensive performance.     

Influence of different oxidants on the band alignment of HfO₂ films deposited by atomic layer deposition

Based on X-ray photoelectron spectroscopy(XPS),influences of different oxidants on band alignment of HfO2 films deposited by atomic layer deposition(ALD) are investigated in this paper.The measured valence band offset(VBO) value for H2 O-based HfO2 increases from 3.17 eV to 3.32 eV after annealing,whereas the VBO value for O 3-based HfO2 decreases from 3.57 eV to 3.46 eV.The research results indicate that the silicate layer changes in different ways for H2 O-based and O3-based HfO2 films after the annealing process,which plays a key role in generating the internal electric field formed by the dipoles.The variations of the dipoles at the interface between the HfO2 and SiO2 after annealing may lead the VBO values of H2 O-based and O 3-based HfO2 to vary in different ways,which fits with the variation of flat band(VFB) voltage.     

Ferroelectric polarization effect on hysteresis behaviors of single-walled carbon nanotube network field-effect transistors with lead zirconate-titanate gating

We report the fabrication of single-walled carbon nanotube (SWCNT) network transistors by ferroelectric Pb(Zr_0.4Ti_0.6)O₃ (PZT) bottom-gating and investigate the polarization effects of PZT on the transport properties of the transistor device. Our devices exhibit typical p-channel transistor characteristics and a large hysteresis loop with high ON/OFF current ratio and large ON current as well as memory window (MW) measured up to 5.2 V. The origin of clockwise hysteresis is attributed to ferroelectric polarization modulated charge trapping/de-trapping process in the interface states between SWCNT networks and PZT. The retention time about 10⁴s with two high stable current states preliminarily demonstrates great potential for future non-volatile memory applications based on such SWCNT/PZT hybrid systems.     

铁电超微粒/硬脂酸LB膜的制备和光谱特性研究

用LB膜技术组装铁电超微粒，实验结果显示：LB膜中的铁电超微粒比较稳定，覆盖度也比较高，并且存在介电限域效应，在室温下具有光致发光现象；荧光光谱具有宽的发光带，激发光谱存在上转换现象. 关键词：