铁电场效应晶体管的保持性能与负电容效应研究

摘要

近些年来，由铁电场效应晶体管构成存储单元的铁电存储器，由于具有结构简单、非破坏性读出、不易挥发、功耗低、可多次反复读写、可高速大密度存取、良好的抗辐射性能以及与集成电路工艺兼容等优点，而被公认为下一代最具潜力的存储器之一，得到了人们的广泛关注。但是，由于铁电场效应晶体管的保持性能比较差，目前仍然没有实用化；其次，一旦铁电场效应晶体管用作铁电存储器得到实用化，铁电存储器芯片又如何克服由于集成度不断提高而带来的功耗与稳定性问题。基于此，本论文先从铁电材料及其存储器的研究进展进行综述，包括铁电体及铁电薄膜材料的分类与物理特性、铁电存储器的发展历史、研究现状以及目前存在的主要问题，然后在此基础上我们通过理论建模与数值分析相结合的方法，重点研究了铁电薄膜电容的保持性能与铁电场效应晶体管的负电容效应。具体内容和结论如下：
　　1、考虑金属电极-铁电界面层效应，我们对金属-铁电-绝缘层-半导体(MFIS)结构电容的退极化场进行了理论推导，结合娄氏的极化保持性能模型，对影响MFIS结构电容保持性能的一些物理参数进行了探讨。结果表明：选择薄膜厚度相对厚一点、介电常数比较高的铁电材料有利于提高MFIS结构电容的极化保持时间，良好的电极-铁电界面质量也有利于提高MFIS结构电容的保持性能。同时，适当地提高硅衬底掺杂浓度可以通过减小退极化场来改善MFIS结构电容的保持性能。该研究结果对提高MFIS结构电容和场效应晶体管的保持性能具有重要的指导意义。
　　2、基于 Landau–Ginzburg–Devonshire理论、泊松方程、以及电流连续性方程，我们考虑铁电薄膜负电容效应，针对双栅铁电场效应晶体管的表面势和漏电流特性进行了研究。研究结果表明：选择合适的铁电薄膜厚度，在室温下可实现半导体硅表面势放大进而可以获得小的亚阈值摆幅(S=34<60 mV/dec)。与传统的正电容铁电场效应晶体管相比，若保持开态电流在600μA/μm，它可以减小260 mV的驱动电压。这对低电压、低功耗MOS场效应晶体管的设计具有非常重要的指导意义。
　　3、在上一章的基础上，我们针对双栅铁电场效应晶体管发展了一个界面层模型，考虑金属电极与铁电层的界面效应，对负电容双栅铁电场效应晶体管的表面势和亚阈值特性进行了研究。研究结果表明：处于负电容状态下的铁电场效应晶体管，其硅表面势放大效应与亚阈值摆幅明显地受金属电极-铁电界面层影响，随着金属电极-铁电界面层厚度变厚，硅表面势放大效应变弱，亚阈值摆幅变大(亚阈值斜率变小)。该研究结果对低功耗新型铁电场效应晶体管的设计具有很好的指导意义。
　　4、由于铁电薄膜负电容明显地依赖于温度(T)，基于此，在280 K~360 K的温度范围，我们对负电容铁电场效应晶体管的电学性能从理论上进行了研究。研究结果表明：对于一定厚度铁电薄膜的场效应晶体管，硅表面势的放大效应可以通过温度来调节；存在一个最佳的温度使得铁电薄膜负电容效应最强，硅表面势放大效应最明显。超过这个最佳温度，晶体管的转移特性和输出特性随温度的升高(或者降低)逐渐变差，原因是当温度达到最佳值时，铁电薄膜负电容效应最明显，温度若再升高(或者降低)，铁电薄膜负电容效应逐渐减弱直至消失。该研究成果抓住了环境温度这一关键因素，对低功耗场效应晶体管在特定环境温度下的设计与应用具有重要的指导意义。
　　5、考虑铁电薄膜的负电容效应，我们针对环栅新型铁电场效应晶体管提出了一个理论模型，并运用该模型对其电学性能包括电容-电压(C-V)、电流-电压(I-V)进行了研究。研究结果表明：负电容环栅铁电场效应晶体管表现出比传统正电容环栅场效应晶体管优越的一些电学性能，比如栅电极能更好地控制沟道静电势、小的亚阈值摆幅(<60 mV/dec)、以及大的输出电流等。该成果能很好地指导高速转换、低功耗环栅铁电场效应晶体管的设计。

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第1章 绪 论

1.1 铁电体及铁电薄膜材料

1.2 铁电薄膜存储器

1.3 铁电薄膜存储器的研究现状及其存在的问题

1.4 本论文的研究意义和主要内容

第2章 MFIS结构电容的保持性能

2.1 引言

2.2 MFIS结构电容保持性能模型

2.3 不同参数对MFIS结构电容保持性能的影响

2.4 本章小结

第3章 基于铁电负电容效应的双栅MFIS-FET电学性能

3.1 引言

3.2 铁电薄膜负电容

3.3 NC-MFIS-FET物理模型的建立

3.4 DG-NC-MFIS-FET电学性能的模拟

3.5 本章小结

第4章 界面效应对负电容FeFET电学性能的影响

4.1 引言

4.2 铁电-金属电极界面层模型

4.3 铁电-金属电极界面层DG-NC-FeFET物理模型的建立

4.4 界面效应对DG-NC-FeFET电学性能的影响

4.5 本章小结

第5章 温度对双栅负电容FeFET电学性能的影响

5.1 引言

5.2铁电薄膜负电容的温度依赖特性

5.3 双栅负电容FeFET电学性能模型

5.4 温度对DG-NC-FeFET电学性能的影响

5.5 本章小结

第6章 环栅负电容铁电场效应晶体管的电学性能

6.1 引言

6.2 环栅负电容铁电场效应晶体管模型的建立

6.3 环栅负电容铁电场效应晶体管电学性能的模拟

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间论文发表情况