【摘要】：鐵電存儲(chǔ)器是將鐵電薄膜與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體集成的新一代可擦寫隨機(jī)存儲(chǔ)器，具有非易失、低功耗、高速讀寫、長(zhǎng)壽命和抗輻照等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代最具前途的主流存儲(chǔ)器之一。目前，我國(guó)對(duì)鐵電存儲(chǔ)器的需求十分迫切，而鐵電存儲(chǔ)器的研制是一個(gè)高投入的領(lǐng)域，涉及到材料學(xué)、微電子學(xué)以及輻射加固等交叉學(xué)科，目前我國(guó)在鐵電存儲(chǔ)器的研制方面仍處于基礎(chǔ)研究階段，尚有大量的關(guān)鍵性問題亟待突破與解決。本文圍繞高可靠鐵電存儲(chǔ)器研制領(lǐng)域中若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。 1．基于國(guó)內(nèi)研制條件，成功實(shí)現(xiàn)了完整的鐵電存儲(chǔ)器工藝集成。本文采用射頻磁控濺射法，研究了濺射功率對(duì)鋯鈦酸鉛（PZT）鐵電薄膜性能的影響，得到了最佳的濺射功率；研究了退火溫度、保溫時(shí)間等對(duì)薄膜剩余極化強(qiáng)度、漏電流、結(jié)晶取向以及表面形貌等的影響，得到了優(yōu)化的退火條件；突破了小尺寸鐵電電容的刻蝕以及消除刻蝕損傷的技術(shù)；研究了PZT鐵電薄膜在不同熱處理環(huán)境下鉛的揮發(fā)性問題以及對(duì)底層CMOS器件的影響；研究了還原性氫氣氣氛對(duì)薄膜性能的影響及其防護(hù)措施；解決了工藝集成過程中薄膜起泡以及開裂等問題，成功完成了鐵電電容工藝與CMOS工藝的集成，為鐵電存儲(chǔ)器的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 2．驗(yàn)證了修正的鐵電電容模型的適用性。對(duì)已有模型進(jìn)行修正，利用此模型，設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了2T-2C結(jié)構(gòu)鐵電存儲(chǔ)單元的讀寫電路，分析了鐵電電容與位線電容的匹配性問題。芯片測(cè)試結(jié)果表明，集成鐵電存儲(chǔ)器單元的讀寫功能正確，不僅成功驗(yàn)證了鐵電單元存儲(chǔ)過程的有效性和模型的準(zhǔn)確性，而且通過調(diào)節(jié)位線寄生電容大小，可得到最大讀出信號(hào)差(即讀出容差)，因此可用于指導(dǎo)電路設(shè)計(jì)，提高信號(hào)可靠性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和優(yōu)化了1Kbit的并行鐵電存儲(chǔ)器電路并成功流片。該成果為大容量高可靠鐵電存儲(chǔ)器的進(jìn)一步研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 3．實(shí)驗(yàn)研究了一種新結(jié)構(gòu)的非破壞性讀出的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管。利用多晶硅/二氧化硅/硅結(jié)構(gòu)具有良好的界面態(tài)、漏電流小，以及PZT薄膜在Pt電極上具有良好結(jié)晶性能的特點(diǎn)，制備了結(jié)構(gòu)為Pt/PZT/Pt/Ti/Poly-Si/SiO2/Si的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管。測(cè)試結(jié)果表明，該晶體管在±5V的寫入電壓下，具有1.5V的存儲(chǔ)窗口，開/關(guān)電流比大于104，柵極漏電流小于10-13A；其次研究了n溝道鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的鐵電電容與氧化層電容面積比（SOX/SF）對(duì)存儲(chǔ)窗口的影響。 4．將PZT鐵電薄膜應(yīng)用到LDMOS器件中，首次實(shí)現(xiàn)了高壓功率器件的存儲(chǔ)功能。器件測(cè)試結(jié)果表明，PZT薄膜不僅使LDMOS器件的耐壓提高了3倍，而且該LDMOS在±10V的柵壓下，具有2.2V的存儲(chǔ)窗口，開/關(guān)電流比大于104，表現(xiàn)出良好的存儲(chǔ)功能。 5．實(shí)驗(yàn)研究了鐵電存儲(chǔ)器和鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的總劑量輻射效應(yīng)。結(jié)果表明，未加固的鐵電存儲(chǔ)器的抗總劑量能力均低于100krad(Si)。為此，研究了鐵電存儲(chǔ)器抗總劑量的方法。另外，提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種可用于高性能鐵電存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的加固型NPN管。測(cè)試結(jié)果表明，在總劑量為100krad(Si)的輻射條件下，所制備的加固型NPN管輻照后的電流增益比常規(guī)結(jié)構(gòu)的同比高10%~20%，有效提高了器件的抗總劑量能力，這種加固措施可用于BiCMOS工藝的高性能鐵電存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)。 6．分析了鐵電存儲(chǔ)器單粒子翻轉(zhuǎn)的機(jī)理，提出了一種抗單粒子的鐵電存儲(chǔ)器讀出電路器件結(jié)構(gòu)，通過采用部分絕緣硅技術(shù)在器件敏感節(jié)點(diǎn)引入部分埋氧層，同時(shí)采用PN結(jié)埋層的方法，可有效降低單粒子瞬態(tài)電流脈沖時(shí)間和大小，減少積累電荷，降低積累電荷對(duì)鐵電電容電荷的影響，提高鐵電存儲(chǔ)器抗單粒子效應(yīng)的能力，而且可避免自熱效應(yīng)。另外，提出了一種采用雙向互鎖存結(jié)構(gòu)（DICE）+鐵電電容的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有高抗單粒子翻轉(zhuǎn)的能力和非揮發(fā)性的特點(diǎn)，可應(yīng)用于抗單粒子高速非揮發(fā)存儲(chǔ)的領(lǐng)域。
【圖文】：

由于鐵電材料天然的抗輻射能力，經(jīng)過抗輻射加固的鐵電存儲(chǔ)器可應(yīng)用輻射環(huán)境的深太空探測(cè)、航空航天以及探月工程等領(lǐng)域，例如用于衛(wèi)星系統(tǒng)現(xiàn) 1012以上的多次快速擦寫，記錄衛(wèi)星飛行狀況；又如，應(yīng)用于飛機(jī)黑匣子高了系統(tǒng)響應(yīng)速度和可靠性。1.3 鐵電存儲(chǔ)器存儲(chǔ)機(jī)理鐵電存儲(chǔ)器是利用鐵電材料具有剩余極化特性來存儲(chǔ)信息的。典型材料鈦酸鉛（Pb(Zr，Ti)O3），簡(jiǎn)稱為 PZT，該鐵電材料的晶體微結(jié)構(gòu)具有正四面鈣鈦礦（Perovskite）的結(jié)構(gòu)，如圖 1-1 所示。頂角由較大的 Pb 原子占據(jù)，體較小的 Ti（或 Zr）原子占據(jù)，六個(gè)面心由 O 原子占據(jù)。這種體心立方結(jié)構(gòu)容（001）方向發(fā)生延伸，而在其他兩個(gè)方向收縮。也即位于晶胞中心的 Ti（或原子在外電場(chǎng)作用下，向上或向下產(chǎn)生物理偏移，撤掉外電場(chǎng)后，原子不回胞中心，從而使整個(gè)晶胞中正、負(fù)電荷中心不再重合，對(duì)外表現(xiàn)出一定的極性，鐵電存儲(chǔ)器就是利用這兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)來代表數(shù)字邏輯中的“1”和“0”[6]。

[6]。圖1-1 PZT 材料的晶體結(jié)構(gòu)圖 圖1-2 電滯回線圖通常采用由金屬/鐵電薄膜/金屬構(gòu)成的鐵電電容來存儲(chǔ)信息，鐵電電容與常規(guī)電容最大的區(qū)別就在于鐵電電容具有非線性的 Q-V 曲線，，即電滯回線，如圖 1-2所示。鐵電薄膜中自發(fā)極化方向相同的小區(qū)域稱為電疇，整個(gè)薄膜就是由多個(gè)電疇區(qū)個(gè)電疇區(qū)所組成，如圖 1-3 所示。在外電場(chǎng)作用下，鐵電薄膜內(nèi)各電疇的極化方向趨于一致，從而在宏觀上表現(xiàn)出一定的極化電荷，被稱為自發(fā)極化電荷（Qs）,當(dāng)撤銷外加電場(chǎng)后，一部分電疇極化方向發(fā)生改變，但仍有大量電疇保持原有的極化狀態(tài)
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TP333

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2524149