鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的保持性能與負(fù)電容效應(yīng)研究.pdf

1、近些年來，由鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成存儲(chǔ)單元的鐵電存儲(chǔ)器，由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非破壞性讀出、不易揮發(fā)、功耗低、可多次反復(fù)讀寫、可高速大密度存取、良好的抗輻射性能以及與集成電路工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，而被公認(rèn)為下一代最具潛力的存儲(chǔ)器之一，得到了人們的廣泛關(guān)注。但是，由于鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的保持性能比較差，目前仍然沒有實(shí)用化；其次，一旦鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管用作鐵電存儲(chǔ)器得到實(shí)用化，鐵電存儲(chǔ)器芯片又如何克服由于集成度不斷提高而帶來的功耗與穩(wěn)定性問題?；诖?，本論

2、文先從鐵電材料及其存儲(chǔ)器的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，包括鐵電體及鐵電薄膜材料的分類與物理特性、鐵電存儲(chǔ)器的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀以及目前存在的主要問題，然后在此基礎(chǔ)上我們通過理論建模與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，重點(diǎn)研究了鐵電薄膜電容的保持性能與鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的負(fù)電容效應(yīng)。具體內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　1、考慮金屬電極-鐵電界面層效應(yīng)，我們對(duì)金屬-鐵電-絕緣層-半導(dǎo)體(MFIS)結(jié)構(gòu)電容的退極化場(chǎng)進(jìn)行了理論推導(dǎo)，結(jié)合婁氏的極化保持性能模型，對(duì)影響MF

3、IS結(jié)構(gòu)電容保持性能的一些物理參數(shù)進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：選擇薄膜厚度相對(duì)厚一點(diǎn)、介電常數(shù)比較高的鐵電材料有利于提高M(jìn)FIS結(jié)構(gòu)電容的極化保持時(shí)間，良好的電極-鐵電界面質(zhì)量也有利于提高M(jìn)FIS結(jié)構(gòu)電容的保持性能。同時(shí)，適當(dāng)?shù)靥岣吖枰r底摻雜濃度可以通過減小退極化場(chǎng)來改善MFIS結(jié)構(gòu)電容的保持性能。該研究結(jié)果對(duì)提高M(jìn)FIS結(jié)構(gòu)電容和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的保持性能具有重要的指導(dǎo)意義。
　　2、基于 Landau–Ginzburg–Devonshi

4、re理論、泊松方程、以及電流連續(xù)性方程，我們考慮鐵電薄膜負(fù)電容效應(yīng)，針對(duì)雙柵鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的表面勢(shì)和漏電流特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：選擇合適的鐵電薄膜厚度，在室溫下可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體硅表面勢(shì)放大進(jìn)而可以獲得小的亞閾值擺幅(S=34<60 mV/dec)。與傳統(tǒng)的正電容鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，若保持開態(tài)電流在600μA/μm，它可以減小260 mV的驅(qū)動(dòng)電壓。這對(duì)低電壓、低功耗MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的設(shè)計(jì)具有非常重要的指導(dǎo)意義。
　　3、

5、在上一章的基礎(chǔ)上，我們針對(duì)雙柵鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管發(fā)展了一個(gè)界面層模型，考慮金屬電極與鐵電層的界面效應(yīng)，對(duì)負(fù)電容雙柵鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的表面勢(shì)和亞閾值特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：處于負(fù)電容狀態(tài)下的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其硅表面勢(shì)放大效應(yīng)與亞閾值擺幅明顯地受金屬電極-鐵電界面層影響，隨著金屬電極-鐵電界面層厚度變厚，硅表面勢(shì)放大效應(yīng)變?nèi)?，亞閾值擺幅變大(亞閾值斜率變小)。該研究結(jié)果對(duì)低功耗新型鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。
　　

6、4、由于鐵電薄膜負(fù)電容明顯地依賴于溫度(T)，基于此，在280 K~360 K的溫度范圍，我們對(duì)負(fù)電容鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電學(xué)性能從理論上進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：對(duì)于一定厚度鐵電薄膜的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，硅表面勢(shì)的放大效應(yīng)可以通過溫度來調(diào)節(jié)；存在一個(gè)最佳的溫度使得鐵電薄膜負(fù)電容效應(yīng)最強(qiáng)，硅表面勢(shì)放大效應(yīng)最明顯。超過這個(gè)最佳溫度，晶體管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性隨溫度的升高(或者降低)逐漸變差，原因是當(dāng)溫度達(dá)到最佳值時(shí)，鐵電薄膜負(fù)電容效應(yīng)最明顯，溫度

7、若再升高(或者降低)，鐵電薄膜負(fù)電容效應(yīng)逐漸減弱直至消失。該研究成果抓住了環(huán)境溫度這一關(guān)鍵因素，對(duì)低功耗場(chǎng)效應(yīng)晶體管在特定環(huán)境溫度下的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。
　　5、考慮鐵電薄膜的負(fù)電容效應(yīng)，我們針對(duì)環(huán)柵新型鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管提出了一個(gè)理論模型，并運(yùn)用該模型對(duì)其電學(xué)性能包括電容-電壓(C-V)、電流-電壓(I-V)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：負(fù)電容環(huán)柵鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管表現(xiàn)出比傳統(tǒng)正電容環(huán)柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管優(yōu)越的一些電學(xué)性能，比如柵