全耗盡絕緣體上硅氧化鉿基鐵電場效應晶體管存儲單元單粒子效應計算機模擬研究*

沈睿祥 張鴻2) 宋宏甲? 侯鵬飛 李波 廖敏 郭紅霞2) 王金斌 鐘向麗?

1) (湘潭大學材料科學與工程學院,湘潭 411105)

2) (西北核技術研究所,西安 710024)

1 引言

半導體存儲器件在太空環境中會受到各種粒子轟擊而引起輻射效應,最終影響其正常工作[1-3].單粒子效應作為電離輻射效應的一類.半導體存儲器件在單粒子效應作用下可電離產生電子-空穴對,這些電荷被敏感區域收集,導致器件信號突變而干擾其正常工作.在各種半導體存儲器件中,鐵電存儲器憑借其優異的存儲性能和獨特的抗輻射性能引起了科研人員廣泛的研究.鐵電存儲器根據存儲單元結構的不同可分為電容型和鐵電場效應晶體管(ferroelectric field-effect transistor,FeFET)型存儲器.與傳統的電容型鐵電存儲器相比,FeFET具有集成度高、非破壞性讀出、與互補型金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工藝兼容性好等優點[4-6],是目前非易失性存儲器件中有力競爭者.自Müller 等[7]首次發現Si 摻雜HfO2薄膜具有良好的鐵電性后,以新型HfO2基薄膜為鐵電層的FeFET 成為鐵電存儲領域的研究熱點之一[6,8-10].當前HfO2基FeFET存儲器研究仍處于實驗階段,難以開展其單粒子效應實驗研究.計算機輔助設計(TCAD)技術可以有效地研究和分析半導體器件中眾多的可靠性問題[11].通過TCAD 數值仿真對HfO2基FeFET 的單粒子效應進行研究,可以快速分析器件內部電流、電勢和電場等電學參數,從而深入理解、預測單粒子效應,為后續工藝實驗提供理論指導.本工作前期通過器件-電路仿真方法搭建了體硅結構HfO2基FeFET 讀寫電路,研究了重離子入射FeFET存儲單元和外圍靈敏放大器敏感節點后讀寫數據的變化情況[12].絕緣體上硅(silicon-on-insulator,SOI)結構采用掩埋氧化物(buried oxide,BOX)作為隔離介質將電子器件與襯底隔離開來,相較于傳統的體硅結構,這種結構的器件敏感區域較小,收集電荷的能力也較弱,具有良好的抗單粒子效應能力[13,14].Trentzsch 等[15]通過在28 nm 全耗盡絕緣體上硅(fully-depleted silicon-on-insulating,FDSOI) CMOS 平臺中實現了基于FeFET 的嵌入式非易失性存儲器技術,使HfO2基FeFET 可以滿足28 nm 及以下工藝集成的需求.目前還未見粒子入射對HfO2基FDSOI FeFET 存儲特性影響的相關報道.

本文首先構建FDSOI 結構HfO2基FeFET器件仿真模型,通過實驗數據對器件模型進行校準.其次在構建的器件基礎上,對HfO2基FDSOI FeFET 存儲單元進行讀寫操作和重離子入射仿真,探討重離子不同入射位置及角度和漏極偏置電壓對存儲單元相關特性的影響,深入分析單粒子效應的作用機理,為HfO2基FDSOI FeFET 存儲單元在輻射環境中應用提供參考.

2 器件結構和電學特征仿真

本文仿真使用的HfO2基FDSOIFeFET器件結構參數來源于文獻[15-18]的實驗結果.模擬采用二維器件結構,TCAD 軟件中默認溝道寬度為1 μm,而實驗[15,16]上器件溝道寬度為數百納米左右,這對具體電流大小有一定區別,但單粒子效應對電流變化的影響趨勢是一致的.圖1(a)為HfO2基FDSOI FeFET 器件模型的截面示意圖,圖1(b)為HfO2基FDSOI FeFET 存儲單元結構示意圖,器件結構物理參數(表1)如下:柵極長度為30 nm,隔離層長度為10 nm,源漏區高度為18.5 nm,頂層硅膜和埋氧層(BOX)厚度分別為7 nm 和25 nm.在硅溝道和鐵電層之間的柵氧層采用高介電材料HfO2,厚度為1 nm.根據參考文獻[19,20]報道,10 nm 厚度的Zr 摻雜HfO2鐵電層薄膜的介電常數為30,矯頑場Ec為1 MV/cm,剩余極化Pr為17 μC/cm2.

圖1 HfO2 基FDSOI FeFET (a)器件模型的截面示意圖;(b)存儲單元結構示意圖Fig.1.HfO2-based FDSOI FeFET:(a) Schematic cross section of device model;(b) schematic diagram of storage unit structure.

表1 HfO2 基FDSOI FeFET 工藝參數Table 1.Process parameters of HfO2-based FDSOI Fe-FET.

仿真中采用的半導體器件物理模型包括費米-狄拉克統計模型、俄歇(Auger)和Shockley-Read-Hall (SRH)復合模型、禁帶變窄模型、遷移率隨摻雜濃度和電場變化以及載流子之間的散射對遷移率的影響模型以及帶帶隧穿模型.器件在實際工作中可能存在量子效應,但在仿真中較難考慮量子效應,且量子效應對器件單粒子效應的影響較小[21],因此在仿真時我們忽略這一效應.鐵電模型結合了Preisach 磁滯理論[22]的所有主要特性,能夠準確描述鐵電器件的極化歷史依賴行為.基于上述物理模型,通過準靜態仿真程序求解泊松方程和連續性方程以及電流密度方程,柵極電壓Vg從+4.8 V減小到—4.2 V 再增大到+4.8 V,漏極偏置電壓Vd固定為0.9 V,從而獲得HfO2基FDSOI FeFET的轉移特性曲線(漏極電流與柵極電壓的關系),如圖2 所示.由于鐵電層中的極化歷史依賴行為,轉移特性曲線表現出類似于磁滯的電滯現象,存儲窗口(memory window,MV)寬度約為2.0 V,漏極開關電流比大于100,這與文獻[15]中實驗結果符合較好,表明建立的模型基本可靠.

圖2 HfO2 基FDSOI FeFET 的轉移特性曲線Fig.2.Transfer characteristic curve of HfO2-based FDSOI FeFET.

在準靜態仿真的基礎上通過瞬態仿真求解存儲單元讀取狀態下輸出電壓變化來驗證其能否正常讀寫.如圖3 中插圖所示,首先在柵極施加正或負電壓脈沖寫入數據,然后施加讀取電壓脈沖,得到不同寫入狀態下的輸出電壓變化,如圖3 所示.當柵極施加負電壓脈沖時,在鐵電薄膜中誘導一個向上的極化,在漏源之間施加小電壓讀出數據,定義為二進制數據“0”;反之,施加正電壓脈沖,誘導一個向下的極化,讀出數據定義為二進制數據“1”.從圖3 可見,輸出電壓無波動,且能清晰區分,表明存儲單元能正常讀寫.

圖3 存儲單元讀取狀態下輸出電壓的變化Fig.3.Change of output voltage under the storage unit reading state.

當粒子擊中半導體器件時,產生的電子-空穴對將會干擾器件的正常運行.通過在上述物理模型中加入重離子輻射模型來模擬單粒子效應對器件的影響.仿真過程如下:首先通過瞬態仿真程序計算重離子沿軌道軸分布的電子-空穴對生成速率,然后計算新增電子-空穴對數目,進而通過瞬態仿真得到重離子入射對存儲單元存儲信息的影響.仿真過程中只考慮了單粒子效應對器件的影響,忽略了重離子輻射產生的界面電荷對器件性能影響[23].

由重離子引起的電荷生成速率G(l,w,t) 計算公式如下[24]:

其中,R(w,l)和T(t) 分別是空間變化和時間變化函數,GLET(l) 是線性能量轉移(linear energy transfer,LET)生成密度.本文將R(w,l)和T(t) 定義為高斯函數,重離子軌道采用高斯分布建模.模擬中設定重離子徑跡徑向半徑為10 nm[25,26],高斯時間分布以10.5 ns 為中心,特征時序為5 ps.在離子軸方向硅膜厚度為幾十納米的情況下,LET 值沿軌道軸保持恒定[27].所研究的HfO2基FDSOI FeFET 器件面向空間地球俘獲帶中低軌道航天存儲器件應用.在空間輻射背景下,要求航天器件不發生單粒子軟錯誤的指標[28]是LET 閾值≥ 15 MeV·cm2·mg—1.之前研究中常用LET 值為10 MeV·cm2·mg—1的重離子研究單粒子效應對器件的影響[29].為了更好對比之前的研究結果,本文選擇的重離子LET 值也為10 MeV·cm2·mg—1.

3 單粒子效應仿真結果與討論

3.1 重離子入射位置對極化狀態及輸出電壓的影響

鐵電存儲器的存儲原理是基于鐵電材料的雙穩態自發極化,鐵電材料處于向上(或向下)的極化狀態,決定了相應鐵電存儲單元的數據信息為“0”(或“1”).重離子輻射后,HfO2鐵電層中相應的極化狀態對于鐵電存儲單元的存儲信息十分重要,因此本研究考慮了重離子從4 個不同位置(漏區中央、漏-體結、溝道中央和源區中央)垂直入射對存儲單元讀數據“1”和“0”時極化狀態的影響,結果如圖4 所示.從圖4 可知,不論存儲單元讀數據“1”還是“0”,重離子入射位置均在某種程度上影響了HfO2鐵電層的極化強度,但極化強度變化大小不超過0.25 μC/cm2,存儲單元極化狀態均未發生反向、存儲信息未發生改變.

為了分析存儲單元在讀數據“1”和“0”時的敏感區域,本文考慮了重離子從4 個不同位置垂直入射對存儲單元讀數據“1”和“0”時輸出電壓的影響,分別如圖5(a)和圖5(b)所示.從圖5(a)可見,當存儲單元讀數據“1”時,重離子擊中漏-體結、溝道中央、漏區中央和源區中央產生的輸出電壓瞬態峰值分別下降了6.4 mV,5.7 mV,5.4 mV 和1.2 mV,說明漏-體結、溝道中央和漏區中央這3 個區域對重離子入射較為敏感.圖5(b)中,讀數據“0”時,重離子擊中漏-體結和溝道中央產生的輸出電壓瞬態峰值變化超過0.45 mV,而重離子擊中漏區中央和源區中央產生的輸出電壓瞬態峰值變化不超過0.1 mV,說明漏-體結和溝道中央對重離子入射較為敏感.總的來說,漏區中央僅對讀數據“1”時重離子入射較為敏感;溝道中央對讀數據“1”和讀數據“0”時重離子入射都較為敏感;不論讀數據“1”還是“0”,重離子擊中漏-體結區域所對應的輸出電壓瞬態峰值都最大,這表明存儲單元最敏感區域靠近漏-體結區域.

圖5 重離子入射存儲單元不同位置時輸出電壓瞬態變化 (a)讀數據“1”時;(b)讀數據“0”時Fig.5.Transient change of output voltage when heavy particles incident on different positions of the storage unit:(a) When reading “1”;(b) when reading “0”.

分析認為,存儲單元讀數據“1”時,鐵電薄膜極化向下,使得溝道區域發生強反型,形成連通N+源區和N+漏區的N 型溝道.由于載流子之間的散射作用,重離子入射器件產生的大量電子-空穴對會使溝道電子遷移率發生變化[30],重離子不同位置入射時距離溝道底部5 nm 處的水平切割線的電子遷移率分布如圖6 所示.從圖6 可知,重離子入射漏-體結、溝道和漏區中央,溝道電子遷移率下降較明顯,其中擊中漏-體結區域時溝道電子遷移率最低.電子遷移率下降越多,電子電流密度也將下降越多,從而產生更向下的負瞬態電壓脈沖.

圖6 存儲單元讀數據“1”時,重離子擊中不同位置,T=10.5 ns 時在距離溝道底部5 nm 處的水平切割線電子遷移率的變化Fig.6.Electron mobility variation of the horizontal cutting line 5 nm away from the bottom of the channel when the memory cell reading “1” after heavy ions hit different positions at T=10.5 ns.

存儲單元讀數據“0”時,鐵電薄膜極化向上,使得溝道關斷.溝道關斷狀態下,由于SOI 器件溝道超薄,溝道電勢易受重離子入射產生的電子-空穴對影響而發生變化,重離子不同位置入射前(T=10.45 ns)、后(T=10.5 ns)距離溝道底部5 nm處的水平切割線的靜電勢分布如圖7 所示.從圖7可見,重離子入射會導致溝道區域靜電勢抬升,使得溝道區域與源區的靜電勢差減小,從而產生寄生雙極晶體管效應[21],最終使得存儲單元輸出電壓瞬態峰值變大.其中,擊中漏-體結和溝道中央區域時,上述現象更為明顯,因而輸出電壓瞬態峰值最大.

圖7 存儲單元讀數據“0”時,重離子擊中不同位置,T=10.5 ns 時在距離溝道底部5 nm 處的水平切割線入射前后靜電勢的變化Fig.7.Electrostatic potential variation for the horizontal cutting line of 5 nm away from the bottom of the channel when the memory cell reading “0” before and after heavy ions hit different positions at T=10.5 ns.

3.2 重離子入射角度對輸出電壓的影響

本文模擬和分析了不同入射角度對存儲單元讀數據“0”和“1”時輸出電壓的影響.為了更好分析入射角度對存儲單元讀數據“0”和“1”時輸出電壓瞬態峰值的影響,于是繪制了相對輸出電壓峰值隨入射角度變化曲線,如圖8 所示,圖中相對輸出電壓峰值表示相對于重離子未入射器件前輸出電壓峰值的變化.由圖8 可見,入射角度從0° 增大到90°,相對輸出電壓峰值逐漸減小,低角度入射對輸出電壓瞬態峰值影響較大.入射角度定義如下:重離子入射方向以溝道中央為軸線,沿軸線順時針旋轉,分別與坐標X軸(與溝道方向平行)成90°,60°,30°,0°夾角.相對于讀取數據“1”時,存儲單元讀數據“0”時,入射角度變化對輸出電壓的影響更為明顯.不同重離子入射角度下相對輸出電壓峰值不同,主要是由于不同角度重離子入射將在敏感區域電離產生不同的電荷密度分布,進而影響讀取數據時溝道電子遷移率分布和溝道靜電勢分布所致.重離子不同角度入射器件電離產生的電荷密度分布如圖9 所示.從圖9 可知,隨著入射角度的減小,重離子入射軌跡的中心距離漏-體結區域越近,在漏-體結區域產生的電子-空穴對密度越大.讀數據“0”時,大的電子-空穴對密度將導致如圖10(a)所示的溝道區域靜電勢逐漸抬升,寄生雙極晶體管效應增大,進而相對輸出電壓峰值增大.讀數據“1”時,大的電子-空穴對密度將導致如圖10(b)所示的溝道區域電子遷移率降低,從而相對輸出電壓峰值增大.

圖8 存儲單元讀數據“1”和“0”時輸出電壓瞬態峰值隨入射角度的變化Fig.8.Variations of output voltage transient peak value with incident angle when the memory cell reading “1” and “0”.

圖9 不同角度重離子入射存儲單元時電荷密度變化Fig.9.Changes in the charge density when the heavy ions with different angle entering the storage unit.

圖10 不同角度重離子入射2 ps 后,在距離溝道底部5 nm 處的水平切割線靜電勢和電子遷移率的變化 (a)存儲單元讀數據“0”時靜電勢的變化;(b)存儲單元讀數據“1”時電子遷移率的變化Fig.10.Variations of electrostatic potential and electron mobility at the horizontal cutting line 5 nm away from the bottom of the channel after heavy ions are incident at different angles for 2 ps:(a) Electrostatic potential variation when the memory cell reading “0”;(b) electron mobility variation when the memory cell reading “1”.

3.3 漏極偏置電壓對輸出電壓的影響

本文還研究了漏極偏置電壓對存儲單元讀數據“0”和“1”時輸出電壓的影響,結果如圖11 所示,其中偏置電壓Vd分別設置為0.7 V,0.9 V,1.1 V,1.3 V,重離子擊中存儲單元漏-體結區域.從圖11可見,相對輸出電壓峰值表現出一定的漏極偏置電壓依賴性,隨著漏極偏置電壓的增大,相對輸出電壓峰值呈現增大趨勢,存儲單元讀數據“1”時依賴性更為明顯.根據漂移電荷收集機制,重離子入射產生的電子-空穴對在外電場作用下定向運動形成瞬態電流,進而形成瞬態電壓.偏置電壓的改變會影響器件電場的分布.從圖12 器件溝道處的一維電場分布可知,不論是存儲單元讀數據“0”還是“1”,漏-體結區域的電場強度都隨漏極偏置電壓Vd的增大而增大.因此漏-體結區域電場強度增大,瞬態電流增大,進而相對輸出電壓峰值增大.當存儲單元讀數據“1”時,器件處于開態狀態,電子漂移運動占主導,故更容易受漏極偏置電壓的影響.

圖11 存儲單元讀數據“1”和“0”時輸出電壓瞬態峰值隨漏極偏置電壓的變化Fig.11.Variation of transient peak value for the output voltage with drain bias voltage when the memory cell reading “1” and “0”.

圖12 重離子擊中存儲單元2 ps 后,距離溝道底部5 nm,沿x 軸切割線的一維電場分布 (a)讀數據“1”時;(b)讀數據“0”時Fig.12.One-dimensional electric field distribution along the x-axis cutting line which is 5 nm away from the bottom of the channel after 2 ps for the heavy ions incident in the storage cell:(a) The memory cell reading “1”;(b) The memory cell reading “0”.

4 結論

本文通過TCAD 軟件構建了HfO2基FDSOI FeFET 器件仿真模型,研究了重離子不同入射位置及角度和漏極偏置電壓對存儲單元極化狀態和輸出電壓的影響.結果顯示:重離子不同入射位置對存儲單元HfO2鐵電層中相應的極化強度變化影響很小,極化狀態未發生反向;存儲單元輸出電壓瞬態變化與重離子入射位置及角度強相關,存儲單元最敏感區域靠近漏-體結區域,且隨著入射角度的減小,漏-體結區域沉積電荷增加,輸出電壓峰值也增大,其中存儲單元讀數據“0”時入射角度變化的影響更為明顯;漏極偏置電壓決定了存儲單元漏-體結區域電場,輸出電壓峰值受漏極偏置電壓調制,存儲單元讀數據“1”時調制效應更為明顯.研究結果為分析HfO2基FDSOI FeFET 存儲單元單粒子效應和損傷機理提供一定的理論依據,所建立的模型為HfO2基FDSOI FeFET 存儲單元工藝設計和抗輻射加固奠定了一定基礎.后續工作可考慮襯底偏置電壓、器件柵極長度以及粒子LET值等一系列相關因素對HfO2基FDSOI FeFET器件單粒子效應的影響,以全面揭示HfO2基FD SOI FeFET 器件單粒子輻照效應的微觀機制.另外,本模擬工作聚焦工藝層級,后續可開展器件層級與電路層級聯合仿真,探討器件層級的單粒子效應對存儲電路性能的影響.