SOI器件及鐵電存儲器特性研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體器件的特征尺寸變得越來越小，導(dǎo)致了各種寄生效應(yīng)如短溝道效應(yīng)、閂鎖效應(yīng)、寄生電容效應(yīng)等。為了滿足集成電路發(fā)展的需要，必然要對半導(dǎo)體器件進行改進，出現(xiàn)了各種各樣新型的半導(dǎo)體器件。其中突出表現(xiàn)為新材料和新結(jié)構(gòu)兩大類半導(dǎo)體器件。新材料半導(dǎo)體器件如化合物半導(dǎo)體器件、相變器件、鐵電器件等。新結(jié)構(gòu)器件最突出的代表為絕緣層上硅器件(SOI）。本論文主要針對SOI器件和鐵電器件相關(guān)特性展開了研究。SOI器件具有高速、低功耗

2、、抗輻照、耐高溫等優(yōu)良特性，在軍事、航空航天等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，被譽為“二十一世紀硅技術(shù)”。但是關(guān)于SOI器件很多內(nèi)在物理機制仍然沒有合理的解釋，嚴重制約著它的發(fā)展。鑒于此，本文通過理論建模與計算機仿真相結(jié)合，對SOI器件的高溫特性、翹曲效應(yīng)、浮體效應(yīng)、瞬態(tài)特性等進行了詳細的研究。鐵電存儲器(FeRAM)具有非揮發(fā)性、低功耗、高讀寫次數(shù)、高存取速度、高密度存儲、抗輻射、與集成電路(IC)工藝基本兼容等突出優(yōu)點，而被公認為下一代

3、最具潛力的存儲器之一，在計算機、航空航天和國防等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。作為FeRAM中的一種，由鐵電場效應(yīng)晶體管(FeFET)作為存儲單元的鐵電存儲器除了具有FeRAM的優(yōu)點以外，還具有結(jié)構(gòu)簡單、非破壞性讀出、遵循集成電路比例縮小原則的優(yōu)點，是一種理想的存儲器，代表著未來通用存儲器的發(fā)展方向。本文主要對金屬-鐵電-絕緣層-半導(dǎo)體(MFIS)鐵電存儲器進行理論上建模研究，并制備了V5+摻雜的Bi3.4Yb0.6Ti3O12(BYT)和B

4、i3.7Dy0.3Ti3O12(BDT)的鐵電薄膜，實驗表明通過釩離子摻雜可以明顯改善BDT和BYT薄膜的鐵電性，如提高剩余極化，降低漏電流，增強抗疲勞性能等。所得到BDTV和BYTV鐵電薄膜可以作為鐵電存儲器的備選材料。最后本文結(jié)合SOI器件和鐵電存儲器，提出了新的結(jié)構(gòu)MFI-SOI結(jié)構(gòu)存儲器，希望能發(fā)揮兩者的優(yōu)點，具有一定的參考價值。
　　 本文第一章主要介紹了半導(dǎo)體器件發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)用前景等。并介紹了SOI器件的優(yōu)缺點及應(yīng)用

5、前景，鐵電存儲器的制備及其新的結(jié)構(gòu)。第二章主要從計算機仿真的角度，介紹了半導(dǎo)體器件模擬軟件發(fā)展、物理機制、數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。
　　 本文第三章主要對SOI器件的高溫特性、閾值電壓及翹曲效應(yīng)進行了研究。利用SILVACO軟件對SOI器件的高溫特性進行了模擬，得到了不同參數(shù)下SOI器件的高溫特性；建立了表面勢及閾值電壓的溫度模型，得到了不同溫度下短溝道效應(yīng)；建立了電流翹曲效應(yīng)的溫度模型，并通過與SILVACO軟件模擬結(jié)果進行比較，模型與

6、模擬結(jié)果之間能很好地吻合；另外利用SILVACO軟件模擬了不同參數(shù)下SOI器件瞬態(tài)特性的變化。
　　 第四章主要針對SOI器件中存在的浮體效應(yīng)，提出了通過對溝道進行非對稱摻雜的方式來改善器件性能的方法。利用軟件的模擬發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)SOI器件能抑制浮體效應(yīng)，改善電流翹曲效應(yīng)和器件的擊穿特性。同時還模擬了該結(jié)構(gòu)下器件轉(zhuǎn)移特性曲線、閾值電壓、輸出特性曲線等瞬態(tài)特性。
　　 第五章主要對鐵電存儲器的特性進行了理論建模，研究了MFI

7、S結(jié)構(gòu)鐵電存儲器的溫度特性。發(fā)現(xiàn)器件的工作溫度對鐵電層的剩余極化有明顯的影響；其次，研究了襯底摻雜濃度對該結(jié)構(gòu)存儲器的影響，得到了不同摻雜濃度下的電容-電壓(C-V)特性和電流-電壓(I-V)特性。
　　 第六章研究了釩離子摻雜對BDT和BYT鐵電薄膜的影響，通過溶膠-凝膠法(Sol-Gel)在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)基底上沉積出BDTV和BYTV鐵電薄膜，實驗表明釩離子B位摻雜有利于提高剩余極化，降低漏電