SOI器件及铁电存储器特性研究

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。