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铁电场效应晶体管的电离辐射效应及加固技术研究

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  • 【题名】:铁电场效应晶体管的电离辐射效应及加固技术研究
  • 【年度】:2016
  • 【作者】:燕少安
  • 【关键词】:铁电场效应晶体管  铁电薄膜材料  总剂量效应  剂量率效应  单粒子效应  抗辐射加固技术
  • 【摘要】:抗辐射加固技术是各类航天器的电子系统在空间辐射环境中稳定工作的关键技术之一,存储器作为航天器电子系统的核心部件,其性能优劣已经成为航天器性能的主要衡量指标。在外层空间及核爆等辐射环境中,由各类辐射效应引起的集成电路功能性损坏或存储器信息的变化会导致整个航天器电子系统的崩溃,造成灾难性后果。铁电薄膜材料具有双稳态极化,铁电场效应晶体管可利用铁电薄膜的极化特性来控制晶体管的开关状态,达到对二进制信息的非挥发性存储。众多研究表明,γ射线、X射线、α粒子、重离子、电子及质子等辐射源不可能造成铁电薄膜极化翻转而去改变一个单元已给定的存储状态,因此以铁电薄膜作为存储介质所存储的数据具有极强的耐辐射能力,特别适合于空间和航天技术应用。本文以铁电薄膜材料及其存储器件的电离辐射效应为主题,重点研究了铁电场效应晶体管的总剂量效应和单粒子效应,探究了其辐射损伤机理及抗辐射加固技术。具体工作包含以下六个方面:1、基于蒙特卡洛方法对SrBi2Ta2O9(SBT)铁电薄膜的低能量质子辐照损伤行为进行了研究。研究结果表明,低能量质子(10 keV-100 keV)由于其穿透能力有限,入射SBT铁电薄膜后所产生的辐照损伤区域深度为100 nm-500 nm。低能量质子在SBT薄膜中能量损失主要是由于电子阻止造成的,SBT铁电薄膜的电子阻止本领在90-210 eV/nm范围内,所带来的电离能量损失(IEL)占总能损94%以上,这说明低能量质子辐照SBT铁电薄膜时产生的辐射效应主要是总剂量电离效应。然而低能量质子在SBT薄膜中产生的非电离能量损失(NIEL)也不可忽视,当低能量质子注量大于1014 cm-2时,由辐照带来的氧空位密度大于1018 cm-3,这足以对SBT铁电薄膜的电学性能产生非常大的影响。另外,质子入射角度大于50o时,SBT铁电薄膜中空位的数量及分布将发生明显变化。SBT铁电薄膜与硅材料相比,质子辐照所带来空位数随入射角度的分布规律与硅材料类似,但是SBT薄膜中产生的空位数更少,这说明SBT铁电薄膜比硅基材料具有更强的抗质子辐照能力。2、应用经典半导体理论对铁电薄膜材料的总剂量效应进行了建模与仿真。研究结果表明,由于铁电薄膜内部电势及电场的分布随辐射剂量的增加发生变化,所以铁电薄膜内部介电常数、极化强度以及漏电流密度的分布将会发生相应的变化,尤其是当铁电薄膜中出现零电场区域时,变化量将十分显著,宏观上表现为铁电薄膜的介电常数、极化强度以及漏电流密度随着辐射剂量的增加而减小,这些计算得到的性能退化与实验观测从规律上相符合。由我们的计算结果可以推测,辐照前含有较多氧空位的铁电薄膜其辐射退化将比含氧空位少的更加显著,这样的结论能解释不同辐照实验观测到的铁电薄膜性能退化程度上的差异性。另外,我们发现铁电薄膜较薄时,其辐射退化量相对较小,这是因为由辐射带来的固定电荷密度与铁电薄膜厚度成正比。综上所述,从材料加固的角度考虑,在保证器件电学性能的前提下,选择较薄的、高质量的铁电薄膜将有效提高铁电薄膜器件的抗总剂量辐射能力。3、通过实验的方法探究了mfis结构fefet的总剂量电离辐射效应。我们通过调研文献,确定了fefet的最优结构以及材料选择,然后制备出了pt/srbi2ta2o9/hftao/si结构的mfis铁电电容以及基于此的mfis结构fefet。经过对样品的测试我们发现,所制备的fefet存储窗口约为0.7v,开关比约为105,并且开关比在经过24小时保持性能测试后仍旧大于104,这些测试结果表明所制备的fefet样品具有良好的电学性能,这也使得辐照实验更加具有可信性。通过对比辐照前后fefet的电学性能我们发现,辐照后fefet的c-v特性曲线出现负向漂移,栅漏电流无明显变化,转移特性曲线负向漂移且存储窗口减小、开关比降低。经过200krad(si)辐照后,fefet的保持性能出现轻微衰减,开关比略有降低,但是开关电流的平行度依然有较好的保持,即使经过24小时的保持性能测试,开关比依然有近104。但是经过10mrad(si)辐照后,fefet的保持性能出现急剧衰减,由于存储窗口的减小与漂移,24小时保持性能测试后开关比已经小于10,所以我们可以推断,经过10mrad(si)高剂量辐照后,所制备的fefet已经失效。4、基于经典半导体理论对fefet总剂量电离辐射效应进行了建模,建模过程中综合考虑了铁电层、绝缘层、界面层以及硅衬底的总剂量电离辐射效应,同时还考虑了剂量率效应对硅表面载流子寿命的影响。通过对计算结果的分析,我们得出结论:1)高剂量辐射后fefet中铁电层将出现极化强度减小、矫顽场漂移等电学性能退化,对比实验结果可知,建立的模型能反映出铁电薄膜辐射后p-v曲线的退化规律,有效解释辐射所导致的铁电薄膜“印记”及“疲劳”现象;2)所建立的模型能较好地预测fefet在高剂量辐射后的出现的阈值电压漂移、存储窗口减小及开关比降低等退化现象,这些退化行为都可以从辐射后fefet硅表面势的变化上得到合理解释。另外,我们发现剂量率效应也能对fefet的电学行为产生明显影响;3)对于给定的辐射剂量,绝缘层厚度能显著影响fefet的存储窗口以及平带电压漂移量,所以在达到器件性能要求的前提下,选择较薄的绝缘层可以提高铁电场效应晶体管的抗总剂量辐射能力。5、使用sentaurustcad对fefet的单粒子效应进行了全三维的建模与仿真。仿真结果表明,当粒子入射n型fefet栅极后,衬底中没有被复合的电子可以快速扩散,一部分沿横向电场被收集到漏极,几百皮秒后开始在FeFET漏极形成电流脉冲,剩下的大部分电子则被衬底收集,形成衬底电流脉冲。当衬底中的电子被电极收集之后,多余的空穴会显著抬高衬底电势,这时源体结、漏体结之间的电势差会降低,大量电子从源极注入沟道,被沟道横向电场所收集,使漏极电流脉冲达到了几百微安,脉冲宽度达到10 ns。如果此时FeFET恰好处于“读”操作且存储关态信息,则所存储的信息会发生单粒子翻转。FeFET由于铁电层的极化使其在关态下拥有比普通MOSFET更负的表面势,所以粒子入射栅极后,FeFET的漏极电流脉冲比普通MOSFET略小。但是当粒子入射漏极时,FeFET与MOSFET的漏极电流脉冲几乎一致,这是因为此时两者电荷收集的机理是相同的。所以我们得出结论,FeFET的单粒子敏感区域与普通MOSFET的并无差异,都是反偏漏极。但是当FeFET作为存储单元并且存储关态信息时,粒子入射栅极也可能使其发生单粒子翻转,所以此时栅极(沟道)也是FeFET的单粒子敏感区域。6、针对FeFET提出了两种不同的加固措施。第一种是针对减小漏极单粒子电流脉冲的而设计的漏墙加固结构,第二种是针对FeCMOS设计的三管共漏反相器加固结构。漏墙加固结构可以有效地降低单个FeFET的漏极单粒子脉冲响应,抑制电荷收集,并且入射粒子的LET值越大,其加固效果越明显。漏墙加固结构对于入射角度的敏感性并不高,主要原因是其电极深度大于FeFET有源区深度,对于电荷的有效收集体积更大。进一步的七级反相器链混合模拟结果则显示,漏墙加固结构可以大幅降低反相器链终端输出的单粒子瞬态脉冲宽度,有效抑制单粒子瞬态脉冲在电路中的传播。三管共漏加固结构可以有效、快速地减小反相器中敏感PMOS的漏极单粒子瞬态脉冲,大大降低反相器输出信号翻转的概率。同样,反相器链混合模拟结果表明,我们提出的三管共漏加固方法也能有效抑制单粒子瞬态脉冲在反相器链中的传播,有效提高FeCMOS电路抗单粒子翻转的能力。
  • 【分类号】:V442
  • 【学位名称】:博士
  • 【导师名称】:李正,唐明华
  • 【学位授予单位】:湘潭大学
  • 【学位年度】:2016
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