SOI器件及铁电存储器特性研究

论文摘要

随着微电子技术的飞速发展,半导体器件的特征尺寸变得越来越小,导致了各种寄生效应如短沟道效应、闩锁效应、寄生电容效应等。为了满足集成电路发展的需要,必然要对半导体器件进行改进,出现了各种各样新型的半导体器件。其中突出表现为新材料和新结构两大类半导体器件。新材料半导体器件如化合物半导体器件、相变器件、铁电器件等。新结构器件最突出的代表为绝缘层上硅器件（SOI）。本论文主要针对SOI器件和铁电器件相关特性展开了研究。SOI器件具有高速、低功耗、抗辐照、耐高温等优良特性,在军事、航空航天等众多领域有着广泛的应用前景,被誉为“二十一世纪硅技术”。但是关于SOI器件很多内在物理机制仍然没有合理的解释,严重制约着它的发展。鉴于此,本文通过理论建模与计算机仿真相结合,对SOI器件的高温特性、翘曲效应、浮体效应、瞬态特性等进行了详细的研究。铁电存储器（FeRAM）具有非挥发性、低功耗、高读写次数、高存取速度、高密度存储、抗辐射、与集成电路（IC）工艺基本兼容等突出优点,而被公认为下一代最具潜力的存储器之一,在计算机、航空航天和国防等领域具有广阔的应用前景。作为FeRAM中的一种,由铁电场效应晶体管（FeFET）作为存储单元的铁电存储器除了具有FeRAM的优点以外,还具有结构简单、非破坏性读出、遵循集成电路比例缩小原则的优点,是一种理想的存储器,代表着未来通用存储器的发展方向。本文主要对金属-铁电-绝缘层-半导体（MFIS）铁电存储器进行理论上建模研究,并制备了V5+掺杂的Bi3.4Yb0.6Ti3O12（BYT）和Bi3.7Dy0.3Ti3O12（BDT）的铁电薄膜,实验表明通过钒离子掺杂可以明显改善BDT和BYT薄膜的铁电性,如提高剩余极化,降低漏电流,增强抗疲劳性能等。所得到BDTV和BYTV铁电薄膜可以作为铁电存储器的备选材料。最后本文结合SOI器件和铁电存储器,提出了新的结构MFI-SOI结构存储器,希望能发挥两者的优点,具有一定的参考价值。本文第一章主要介绍了半导体器件发展现状,应用前景等。并介绍了SOI器件的优缺点及应用前景,铁电存储器的制备及其新的结构。第二章主要从计算机仿真的角度,介绍了半导体器件模拟软件发展、物理机制、数学理论基础。本文第三章主要对SOI器件的高温特性、阈值电压及翘曲效应进行了研究。利用SILVACO软件对SOI器件的高温特性进行了模拟,得到了不同参数下SOI器件的高温特性;建立了表面势及阈值电压的温度模型,得到了不同温度下短沟道效应;建立了电流翘曲效应的温度模型,并通过与SILVACO软件模拟结果进行比较,模型与模拟结果之间能很好地吻合;另外利用SILVACO软件模拟了不同参数下SOI器件瞬态特性的变化。第四章主要针对SOI器件中存在的浮体效应,提出了通过对沟道进行非对称掺杂的方式来改善器件性能的方法。利用软件的模拟发现,该结构SOI器件能抑制浮体效应,改善电流翘曲效应和器件的击穿特性。同时还模拟了该结构下器件转移特性曲线、阈值电压、输出特性曲线等瞬态特性。第五章主要对铁电存储器的特性进行了理论建模,研究了MFIS结构铁电存储器的温度特性。发现器件的工作温度对铁电层的剩余极化有明显的影响;其次,研究了衬底掺杂浓度对该结构存储器的影响,得到了不同掺杂浓度下的电容-电压（C-V）特性和电流-电压（I-V）特性。第六章研究了钒离子掺杂对BDT和BYT铁电薄膜的影响,通过溶胶-凝胶法（Sol-Gel）在Pt（111）/Ti/SiO2/Si（100）基底上沉积出BDTV和BYTV铁电薄膜,实验表明钒离子B位掺杂有利于提高剩余极化,降低漏电流,增强薄膜的抗疲劳性。这说明BDTV和BYTV薄膜有望成为比较有潜力的铁电材料之一。最后,本文提出将SOI器件与铁电存储器两者结合起来,提出了MFI-SOI结构的存储器结构,随着SOI技术的发展和铁电薄膜技术的改进,该结构的存储器能有效地利用两者的优点,对存储器的发展和应用具有一定的参考作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 半导体存储器
• 1.2 SOI 器件相对于体硅器件的优点
• 1.2.1 SOI 器件应用现状及前景
• 1.2.2 SOI 器件需要解决的问题
• 1.2.3 SOI 器件的计算机模拟
• 1.3 铁电存储器发展现状
• 1.3.1 铁电存储器的优点
• 1.3.2 铁电存储器存储原理
• 1.3.3 铁电薄膜技术的发展
• 1.3.4 铁电存储器的结构及模拟
• 1.4 选题的依据及主要内容
• 第二章 半导体器件的计算机模拟
• 2.1 半导体器件模拟简介
• 2.2 半导体器件模拟的现状
• 2.3 半导体器件模拟的理论基础
• 2.3.1 半导体器件模拟的数学理论
• 2.3.2 半导体器件模拟的物理理论
• 2.4 SILVACO 软件介绍
• 2.5 半导体器件模拟的意义
• 第三章 SOI 器件的模拟
• 3.1 SOI 器件简介
• 3.2 SOI 器件温度特性模拟
• 3.2.1 SOI 器件高温特性模拟
• 3.2.2 FD SOI 器件阈值电压及表面势的温度模型
• 3.3 SOI 器件瞬态特性模拟
• 3.4 小结
• 第四章 AC PD SOI 器件的模拟
• 4.1 AC PD SOI 器件简介
• 4.2 AC PD SOI 器件直流特性模拟
• 4.3 AC PD SOI 器件瞬态特性模拟
• 4.4 小结
• 第五章 MFIS 铁电存储器模拟
• 5.1 铁电存储器的不同结构
• 5.2 MFIS 铁电存储器的模拟
• 5.2.1 MFIS 铁电存储器温度模型
• 5.2.2 衬底掺杂浓度对MFIS 铁电存储器的影响
• 5.3 小结
• 第六章 铁电薄膜的制备及MFI-SOI 结构模拟
• 6.1 铁电薄膜的概述
• 6.2 BDTV 铁电薄膜的制备及退火温度的影响
• 6.3 BYTV 铁电薄膜的制备及性能表征
• 6.4 改进的铁电存储器结构
• 6.5 基于SOI 衬底的铁电存储器模拟
• 6.5.1 阈值电压
• 6.5.2 亚阈值电流
• 6.6 小结
• 第七章 总结及展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文目录