本文關(guān)鍵詞：鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電離輻射效應(yīng)及加固技術(shù)研究

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【摘要】：抗輻射加固技術(shù)是各類航天器的電子系統(tǒng)在空間輻射環(huán)境中穩(wěn)定工作的關(guān)鍵技術(shù)之一,存儲(chǔ)器作為航天器電子系統(tǒng)的核心部件,其性能優(yōu)劣已經(jīng)成為航天器性能的主要衡量指標(biāo)。在外層空間及核爆等輻射環(huán)境中,由各類輻射效應(yīng)引起的集成電路功能性損壞或存儲(chǔ)器信息的變化會(huì)導(dǎo)致整個(gè)航天器電子系統(tǒng)的崩潰,造成災(zāi)難性后果。鐵電薄膜材料具有雙穩(wěn)態(tài)極化,鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管可利用鐵電薄膜的極化特性來控制晶體管的開關(guān)狀態(tài),達(dá)到對(duì)二進(jìn)制信息的非揮發(fā)性存儲(chǔ)。眾多研究表明,γ射線、X射線、α粒子、重離子、電子及質(zhì)子等輻射源不可能造成鐵電薄膜極化翻轉(zhuǎn)而去改變一個(gè)單元已給定的存儲(chǔ)狀態(tài),因此以鐵電薄膜作為存儲(chǔ)介質(zhì)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)具有極強(qiáng)的耐輻射能力,特別適合于空間和航天技術(shù)應(yīng)用。本文以鐵電薄膜材料及其存儲(chǔ)器件的電離輻射效應(yīng)為主題,重點(diǎn)研究了鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng),探究了其輻射損傷機(jī)理及抗輻射加固技術(shù)。具體工作包含以下六個(gè)方面:1、基于蒙特卡洛方法對(duì)SrBi2Ta2O9(SBT)鐵電薄膜的低能量質(zhì)子輻照損傷行為進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,低能量質(zhì)子(10 keV-100 keV)由于其穿透能力有限,入射SBT鐵電薄膜后所產(chǎn)生的輻照損傷區(qū)域深度為100 nm-500 nm。低能量質(zhì)子在SBT薄膜中能量損失主要是由于電子阻止造成的,SBT鐵電薄膜的電子阻止本領(lǐng)在90-210 eV/nm范圍內(nèi),所帶來的電離能量損失(IEL)占總能損94%以上,這說明低能量質(zhì)子輻照SBT鐵電薄膜時(shí)產(chǎn)生的輻射效應(yīng)主要是總劑量電離效應(yīng)。然而低能量質(zhì)子在SBT薄膜中產(chǎn)生的非電離能量損失(NIEL)也不可忽視,當(dāng)?shù)湍芰抠|(zhì)子注量大于1014 cm-2時(shí),由輻照帶來的氧空位密度大于1018 cm-3,這足以對(duì)SBT鐵電薄膜的電學(xué)性能產(chǎn)生非常大的影響。另外,質(zhì)子入射角度大于50o時(shí),SBT鐵電薄膜中空位的數(shù)量及分布將發(fā)生明顯變化。SBT鐵電薄膜與硅材料相比,質(zhì)子輻照所帶來空位數(shù)隨入射角度的分布規(guī)律與硅材料類似,但是SBT薄膜中產(chǎn)生的空位數(shù)更少,這說明SBT鐵電薄膜比硅基材料具有更強(qiáng)的抗質(zhì)子輻照能力。2、應(yīng)用經(jīng)典半導(dǎo)體理論對(duì)鐵電薄膜材料的總劑量效應(yīng)進(jìn)行了建模與仿真。研究結(jié)果表明,由于鐵電薄膜內(nèi)部電勢(shì)及電場(chǎng)的分布隨輻射劑量的增加發(fā)生變化,所以鐵電薄膜內(nèi)部介電常數(shù)、極化強(qiáng)度以及漏電流密度的分布將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,尤其是當(dāng)鐵電薄膜中出現(xiàn)零電場(chǎng)區(qū)域時(shí),變化量將十分顯著,宏觀上表現(xiàn)為鐵電薄膜的介電常數(shù)、極化強(qiáng)度以及漏電流密度隨著輻射劑量的增加而減小,這些計(jì)算得到的性能退化與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)從規(guī)律上相符合。由我們的計(jì)算結(jié)果可以推測(cè),輻照前含有較多氧空位的鐵電薄膜其輻射退化將比含氧空位少的更加顯著,這樣的結(jié)論能解釋不同輻照實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的鐵電薄膜性能退化程度上的差異性。另外,我們發(fā)現(xiàn)鐵電薄膜較薄時(shí),其輻射退化量相對(duì)較小,這是因?yàn)橛奢椛鋷淼墓潭姾擅芏扰c鐵電薄膜厚度成正比。綜上所述,從材料加固的角度考慮,在保證器件電學(xué)性能的前提下,選擇較薄的、高質(zhì)量的鐵電薄膜將有效提高鐵電薄膜器件的抗總劑量輻射能力。3、通過實(shí)驗(yàn)的方法探究了mfis結(jié)構(gòu)fefet的總劑量電離輻射效應(yīng)。我們通過調(diào)研文獻(xiàn),確定了fefet的最優(yōu)結(jié)構(gòu)以及材料選擇,然后制備出了pt/srbi2ta2o9/hftao/si結(jié)構(gòu)的mfis鐵電電容以及基于此的mfis結(jié)構(gòu)fefet。經(jīng)過對(duì)樣品的測(cè)試我們發(fā)現(xiàn),所制備的fefet存儲(chǔ)窗口約為0.7v,開關(guān)比約為105,并且開關(guān)比在經(jīng)過24小時(shí)保持性能測(cè)試后仍舊大于104,這些測(cè)試結(jié)果表明所制備的fefet樣品具有良好的電學(xué)性能,這也使得輻照實(shí)驗(yàn)更加具有可信性。通過對(duì)比輻照前后fefet的電學(xué)性能我們發(fā)現(xiàn),輻照后fefet的c-v特性曲線出現(xiàn)負(fù)向漂移,柵漏電流無明顯變化,轉(zhuǎn)移特性曲線負(fù)向漂移且存儲(chǔ)窗口減小、開關(guān)比降低。經(jīng)過200krad(si)輻照后,fefet的保持性能出現(xiàn)輕微衰減,開關(guān)比略有降低,但是開關(guān)電流的平行度依然有較好的保持,即使經(jīng)過24小時(shí)的保持性能測(cè)試,開關(guān)比依然有近104。但是經(jīng)過10mrad(si)輻照后,fefet的保持性能出現(xiàn)急劇衰減,由于存儲(chǔ)窗口的減小與漂移,24小時(shí)保持性能測(cè)試后開關(guān)比已經(jīng)小于10,所以我們可以推斷,經(jīng)過10mrad(si)高劑量輻照后,所制備的fefet已經(jīng)失效。4、基于經(jīng)典半導(dǎo)體理論對(duì)fefet總劑量電離輻射效應(yīng)進(jìn)行了建模,建模過程中綜合考慮了鐵電層、絕緣層、界面層以及硅襯底的總劑量電離輻射效應(yīng),同時(shí)還考慮了劑量率效應(yīng)對(duì)硅表面載流子壽命的影響。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析,我們得出結(jié)論:1)高劑量輻射后fefet中鐵電層將出現(xiàn)極化強(qiáng)度減小、矯頑場(chǎng)漂移等電學(xué)性能退化,對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,建立的模型能反映出鐵電薄膜輻射后p-v曲線的退化規(guī)律,有效解釋輻射所導(dǎo)致的鐵電薄膜“印記”及“疲勞”現(xiàn)象;2)所建立的模型能較好地預(yù)測(cè)fefet在高劑量輻射后的出現(xiàn)的閾值電壓漂移、存儲(chǔ)窗口減小及開關(guān)比降低等退化現(xiàn)象,這些退化行為都可以從輻射后fefet硅表面勢(shì)的變化上得到合理解釋。另外,我們發(fā)現(xiàn)劑量率效應(yīng)也能對(duì)fefet的電學(xué)行為產(chǎn)生明顯影響;3)對(duì)于給定的輻射劑量,絕緣層厚度能顯著影響fefet的存儲(chǔ)窗口以及平帶電壓漂移量,所以在達(dá)到器件性能要求的前提下,選擇較薄的絕緣層可以提高鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的抗總劑量輻射能力。5、使用sentaurustcad對(duì)fefet的單粒子效應(yīng)進(jìn)行了全三維的建模與仿真。仿真結(jié)果表明,當(dāng)粒子入射n型fefet柵極后,襯底中沒有被復(fù)合的電子可以快速擴(kuò)散,一部分沿橫向電場(chǎng)被收集到漏極,幾百皮秒后開始在FeFET漏極形成電流脈沖,剩下的大部分電子則被襯底收集,形成襯底電流脈沖。當(dāng)襯底中的電子被電極收集之后,多余的空穴會(huì)顯著抬高襯底電勢(shì),這時(shí)源體結(jié)、漏體結(jié)之間的電勢(shì)差會(huì)降低,大量電子從源極注入溝道,被溝道橫向電場(chǎng)所收集,使漏極電流脈沖達(dá)到了幾百微安,脈沖寬度達(dá)到10 ns。如果此時(shí)FeFET恰好處于“讀”操作且存儲(chǔ)關(guān)態(tài)信息,則所存儲(chǔ)的信息會(huì)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。FeFET由于鐵電層的極化使其在關(guān)態(tài)下?lián)碛斜绕胀∕OSFET更負(fù)的表面勢(shì),所以粒子入射柵極后,FeFET的漏極電流脈沖比普通MOSFET略小。但是當(dāng)粒子入射漏極時(shí),FeFET與MOSFET的漏極電流脈沖幾乎一致,這是因?yàn)榇藭r(shí)兩者電荷收集的機(jī)理是相同的。所以我們得出結(jié)論,FeFET的單粒子敏感區(qū)域與普通MOSFET的并無差異,都是反偏漏極。但是當(dāng)FeFET作為存儲(chǔ)單元并且存儲(chǔ)關(guān)態(tài)信息時(shí),粒子入射柵極也可能使其發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn),所以此時(shí)柵極(溝道)也是FeFET的單粒子敏感區(qū)域。6、針對(duì)FeFET提出了兩種不同的加固措施。第一種是針對(duì)減小漏極單粒子電流脈沖的而設(shè)計(jì)的漏墻加固結(jié)構(gòu),第二種是針對(duì)FeCMOS設(shè)計(jì)的三管共漏反相器加固結(jié)構(gòu)。漏墻加固結(jié)構(gòu)可以有效地降低單個(gè)FeFET的漏極單粒子脈沖響應(yīng),抑制電荷收集,并且入射粒子的LET值越大,其加固效果越明顯。漏墻加固結(jié)構(gòu)對(duì)于入射角度的敏感性并不高,主要原因是其電極深度大于FeFET有源區(qū)深度,對(duì)于電荷的有效收集體積更大。進(jìn)一步的七級(jí)反相器鏈混合模擬結(jié)果則顯示,漏墻加固結(jié)構(gòu)可以大幅降低反相器鏈終端輸出的單粒子瞬態(tài)脈沖寬度,有效抑制單粒子瞬態(tài)脈沖在電路中的傳播。三管共漏加固結(jié)構(gòu)可以有效、快速地減小反相器中敏感PMOS的漏極單粒子瞬態(tài)脈沖,大大降低反相器輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)的概率。同樣,反相器鏈混合模擬結(jié)果表明,我們提出的三管共漏加固方法也能有效抑制單粒子瞬態(tài)脈沖在反相器鏈中的傳播,有效提高FeCMOS電路抗單粒子翻轉(zhuǎn)的能力。
【關(guān)鍵詞】：鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管 鐵電薄膜材料 總劑量效應(yīng) 劑量率效應(yīng) 單粒子效應(yīng) 抗輻射加固技術(shù)
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V442
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-15
• 第1章 緒論15-49
• 1.1 鐵電薄膜材料概述16-26
• 1.1.1 鐵電材料的分類及其基本物理特性16-21
• 1.1.2 鐵電材料的研究歷史及現(xiàn)狀21-22
• 1.1.3 鐵電薄膜材料的制備及其應(yīng)用22-26
• 1.2 鐵電薄膜存儲(chǔ)器概述26-37
• 1.2.1 非易失性存儲(chǔ)器26-28
• 1.2.2 鐵電薄膜存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)28-29
• 1.2.3 鐵電薄膜存儲(chǔ)器的工作原理29-34
• 1.2.4 鐵電薄膜存儲(chǔ)器的應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢(shì)34-37
• 1.3 半導(dǎo)體器件電離輻射效應(yīng)及其加固技術(shù)概述37-43
• 1.3.1 輻射環(huán)境37-39
• 1.3.2 半導(dǎo)體器件的電離輻射效應(yīng)39-42
• 1.3.3 抗輻射加固技術(shù)概述42-43
• 1.4 鐵電薄膜存儲(chǔ)器電離輻射效應(yīng)研究現(xiàn)狀43-45
• 1.4.1 鐵電薄膜材料輻射效應(yīng)的研究現(xiàn)狀43-44
• 1.4.2 抗輻射鐵電存儲(chǔ)器的研究現(xiàn)狀44-45
• 1.5 本論文的研究意義和主要內(nèi)容45-49
• 1.5.1 論文的研究目的和意義45-46
• 1.5.2 論文的主要研究?jī)?nèi)容46-49
• 第2章 基于蒙特卡洛方法的鐵電薄膜低能量質(zhì)子輻照損傷研究49-61
• 2.1 引言49
• 2.2 SRIM軟件包簡(jiǎn)介49-50
• 2.3 低能量質(zhì)子在鐵電薄膜中的終止位置50-55
• 2.4 低能量質(zhì)子入射鐵電薄膜時(shí)的能量損失類型55-57
• 2.5 低能量質(zhì)子產(chǎn)生的位移損傷效應(yīng)57-60
• 2.6 本章小結(jié)60-61
• 第3章 鐵電薄膜總劑量電離輻射效應(yīng)的理論研究61-77
• 3.1 引言61-63
• 3.2 鐵電薄膜輻照損傷機(jī)理63-64
• 3.3 鐵電薄膜總劑量電離輻射效應(yīng)物理模型建立64-68
• 3.3.1 電離輻射在鐵電薄膜中產(chǎn)生固定電荷的模型64-65
• 3.3.2 鐵電薄膜介電常數(shù)與極化強(qiáng)度之間的關(guān)系65-67
• 3.3.3 電離輻射對(duì)鐵電薄膜中電勢(shì)分布的影響67
• 3.3.4 電離輻射對(duì)鐵電薄膜漏電流的影響67-68
• 3.4 計(jì)算結(jié)果與討論68-76
• 3.4.1 電離輻射對(duì)鐵電薄膜空間電勢(shì)分布的影響68-70
• 3.4.2 電離輻射對(duì)鐵電薄膜空間電場(chǎng)分布的影響70-71
• 3.4.3 電離輻射對(duì)鐵電薄膜有效介電常數(shù)的影響71-72
• 3.4.4 電離輻射對(duì)鐵電薄膜極化強(qiáng)度的影響72-74
• 3.4.5 電離輻射對(duì)鐵電薄膜漏電流特性的影響74-76
• 3.5 本章小結(jié)76-77
• 第4章 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管總劑量電離輻射效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究77-95
• 4.1 引言77-78
• 4.2 MFIS型鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管樣品制備78-87
• 4.2.1 MFIS型鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理及材料選擇78-80
• 4.2.2 MFIS型鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備工藝80-83
• 4.2.3 MFIS型鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能測(cè)試83-87
• 4.2.3.1 HfTaO薄膜絕緣性能及界面性能測(cè)試83-84
• 4.2.3.2 SBT薄膜的鐵電性能測(cè)試84
• 4.2.3.3 MFIS結(jié)構(gòu)鐵電電容的電學(xué)性能測(cè)試84-85
• 4.2.3.4 MFIS結(jié)構(gòu)FeFET的電學(xué)性能測(cè)試85-87
• 4.3 總劑量電離輻射效應(yīng)對(duì)MFIS結(jié)構(gòu)鐵電電容電學(xué)性能的影響87-90
• 4.3.1 輻照源選擇87-88
• 4.3.2 總劑量電離輻射效應(yīng)對(duì)MFIS結(jié)構(gòu)鐵電電容C-V特性的影響88-89
• 4.3.3 總劑量電離輻射效應(yīng)對(duì)MFIS結(jié)構(gòu)鐵電電容I-V特性的影響89-90
• 4.4 總劑量電離輻射效應(yīng)對(duì)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管電學(xué)性能的影響90-94
• 4.4.1 輻照源選擇90-91
• 4.4.2 總劑量電離輻射效應(yīng)對(duì)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵C-V特性的影響91-92
• 4.4.3 總劑量電離輻射效應(yīng)對(duì)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管I-V特性的影響92-93
• 4.4.4 總劑量電離輻射效應(yīng)對(duì)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管保持特性的影響93-94
• 4.5 本章小結(jié)94-95
• 第5章 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管總劑量電離輻射效應(yīng)理論研究95-113
• 5.1 引言95
• 5.2 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管總劑量電離輻射效應(yīng)物理模型建立95-101
• 5.2.1 考慮劑量率效應(yīng)時(shí)泊松方程的建立95-98
• 5.2.2 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管C-V特性總劑量電離輻射效應(yīng)模型98-101
• 5.2.3 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管I-V特性總劑量電離輻射效應(yīng)模型101
• 5.3 計(jì)算結(jié)果與討論101-111
• 5.3.1 電離輻射對(duì)鐵電薄膜P-V特性曲線的影響101-102
• 5.3.2 電離輻射對(duì)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管硅表面勢(shì)的影響102-104
• 5.3.3 電離輻射對(duì)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵C-V特性的影響104-106
• 5.3.4 電離輻射對(duì)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管I-V特性的影響106-110
• 5.3.5 不同絕緣層厚度對(duì)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管電離輻射效應(yīng)的影響110-111
• 5.4 本章小結(jié)111-113
• 第6章 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的單粒子效應(yīng)及其加固技術(shù)研究113-133
• 6.1 引言113-114
• 6.2 單粒子效應(yīng)模擬環(huán)境設(shè)置114-116
• 6.3 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管單粒子效應(yīng)仿真結(jié)果與討論116-121
• 6.3.1 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管單粒子瞬態(tài)脈沖的特點(diǎn)116-118
• 6.3.2 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管內(nèi)部的單粒子瞬態(tài)響應(yīng)118-121
• 6.3.3 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管單粒子敏感區(qū)域的確定121
• 6.4 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管加固技術(shù)探究121-131
• 6.4.1 漏墻結(jié)構(gòu)加固技術(shù)122-127
• 6.4.1.1 漏墻加固結(jié)構(gòu)的提出122-123
• 6.4.1.2 漏墻加固結(jié)構(gòu)工作原理123-124
• 6.4.1.3 漏墻加固結(jié)構(gòu)模型建立124
• 6.4.1.4 漏墻結(jié)構(gòu)抗單粒子加固效果分析124-127
• 6.4.2 三管共漏結(jié)構(gòu)加固技術(shù)127-131
• 6.4.2.1 三管共漏加固結(jié)構(gòu)的提出127-128
• 6.4.2.2 三管共漏加固結(jié)構(gòu)的工作原理128-129
• 6.4.2.3 三管共漏加固結(jié)構(gòu)模型建立129-130
• 6.4.2.4 三管共漏結(jié)構(gòu)抗單粒子加固效果分析130-131
• 6.5 本章小結(jié)131-133
• 第7章 總結(jié)與展望133-138
• 7.1 論文總結(jié)133-135
• 7.2 工作展望135-138
• 參考文獻(xiàn)138-151
• 致謝151-153
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果153-154

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 楊鋒;鐵電薄膜與隧道結(jié)存儲(chǔ)器件性能模擬及失效機(jī)理研究[D];湘潭大學(xué);2010年

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本文編號(hào)：952708