HfO2基鐵電場效應晶體管讀寫電路的單粒子翻轉效應模擬*

黎華梅 侯鵬飛2)? 王金斌 宋宏甲 鐘向麗?

1) (湘潭大學材料科學與工程學院, 湘潭 411105)

2) (工業和信息化部電子第五研究所, 電子元器件可靠性物理及其應用技術重點實驗室, 廣州 510610)

使用器件-電路仿真方法搭建了氧化鉿基鐵電場效應晶體管讀寫電路, 研究了單粒子入射鐵電場效應晶體管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, 分析了讀寫數據波動的內在機制.結果表明: 高能粒子入射該讀寫電路中的鐵電存儲單元漏極時, 處于“0”狀態的存儲單元產生的電子空穴對在器件內部堆積, 使得柵極的電場強度和鐵電極化增大, 而處于“1”狀態的存儲單元由于源極的電荷注入作用使得輸出的瞬態脈沖電壓信號有較大波動; 高能粒子入射放大器靈敏節點時, 產生的收集電流使處于讀“0”狀態的放大器開啟, 導致輸出數據波動, 但是其波動時間僅為0.4 ns, 數據沒有發生單粒子翻轉能正常讀出.兩束高能粒子時間間隔0.5 ns先后作用鐵電存儲單元漏極, 比單束高能粒子產生更大的輸出數據信號波動, 讀寫“1”狀態的最終輸出電壓差變小.

1 引 言

航天電子器件長時間工作在太空環境下, 會受到各種輻射粒子的影響而引發各種復雜的輻照問題[1,2].鐵電存儲器是以鐵電薄膜的極化特性來存儲信息的, 具有非揮發性、高存取速度、低功耗、強抗輻射能力等優點, 在航天電子器件中有獨特的優勢[3?7].鐵電存儲器根據單元結構的不同可以分為電容型(1T-1C和2T-2C)和晶體管型(1T).相對電容型鐵電存儲器來說, 鐵電場效應晶體管(ferroelectric field effect transistor, FeFET)可以實現非破壞性讀取, 并且具有結構簡單、集成度高等優點, 已經引起了研究人員的廣泛關注[8?12].鐵電薄膜是FeFET的核心材料, 其尺寸效應、保持性能和抗輻照能力直接決定FeFET的器件性能[13?15].以鋯鈦酸鉛(PZT)為代表的傳統鈣鈦礦材料與互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)工藝兼容性差, 已經不能滿足FeFET高集成度化等的發展需求[16,17], 因此需要尋找與CMOS工藝兼容的新型鐵電薄膜材料.2012年德國科學家發現摻雜HfO2薄膜具有鐵電性, 并且厚度可以薄至幾納米, 從此新型氧化鉿鐵電材料的研究成為一個熱點[18,19].Gong和Ma[20]研究了基于HfO2, PZT和SrBi2Ta2O9鐵電薄膜的FeFET的保持性能, 表明HfO2是比較適合FeFET的鐵電薄膜材料.Sharma和Roy[21]針對氧化鉿基FeFET存儲陣列進行了擦寫和讀取操作, 表明氧化鉿基FeFET存儲陣列可以在超低功耗下進行讀寫.HfO2基FeFET應用到航天電子器件時, 需要考慮各種輻射粒子的影響.劉巧靈[22]發現了氧化鉿基FeFET柵結構電容受到5 Mrad(Si)的60Co g射線輻照后剩余極化值和保持性能基本沒有變化, 證明了該器件具有優異的抗總劑量效應性能.HfO2基FeFET比傳統FeFET的物理尺寸小, 總劑量輻射效應相對來說較弱, 卻更容易產生單粒子效應[23?25].目前, HfO2基 FeFET 存儲器仍在試驗階段, 市場上還沒有HfO2基FeFET芯片,因此難以開展其單粒子效應試驗研究.而仿真模擬具有不需要成品器件且能直觀系統地分析器件內部變化的優點, 還可以降低研發成本和對鐵電存儲陣列和鐵電電路進行準確的性能評估, 并在性能評估的基礎上再對其進行各方面的的參數優化.因此, 在當前沒有HfO2基FeFET成品器件的情況下, 使用器件-混合仿真方法研究HfO2基FeFET單粒子效應是開展HfO2基FeFET單粒子效應研究較為必要且可行的內容.

本文使用半導體仿真軟件搭建了45 nm工藝HfO2基FeFET讀寫電路, 對其不同敏感節點進行了單粒子翻轉效應研究, 分析了存儲數據發生變化的內在機制, 這對航空電子器件結構的設計和抗單粒子電路的搭建具有重要意義.

2 仿真設置

據報道, Hf0.5Zr0.5O2(HZO)厚度為 10 nm 時仍有良好鐵電性能, 飽和極化強度2Pr可達到40 μC/cm2, 矯頑場強度為 1 MV/cm[22], 本文選用HZO鐵電薄膜參數和利用Sentaurus TCAD[26]建立45 nm工藝的HfO2基FeFET模型, 如圖1所示, 器件的具體工藝參數如表1所列.隨后利用器件-電路混合仿真方法搭建了2 × 2鐵電存儲陣列的讀寫電路, 如圖2所示, SGS和SGD表示選通控制信號; WL 表示字線信號; BL 表示位線信號; Out 1 和 Out 2 表示靈敏放大器輸出信號;Sa_in表示鐵電存儲陣列的輸出信號; Sa_ref表示參考輸入信號.其中 SPICE (simulation program with integrated circuit emphasis)模型采用亞利桑那州立大學的45 nm工藝BSIM4 SPICE集約模型[27], 進行了讀寫時序的仿真, 如圖3所示.

圖1 HfO2 基 FeFET 器件物理模型Fig.1.Device physical models of HfO2-based FeFET.

表1 HfO2 基 FeFET 工藝參數Table 1.Process parameters of HfO2-FeFET.

圖2 2 × 2 鐵電存儲陣列的讀寫電路Fig.2.Read and write circuit of 2 × 2 ferroelectric memory array.

對于深亞微米級器件, 使用流體動力學模型去描述器件的載流子輸運過程, 流體動力學模型有如下幾個基本方程:

圖3 2 × 2 鐵電存儲陣列控制仿真時序Fig.3.Control simulation timing of 2 × 2 ferroelectric memory array.

泊松方程

載流子連續性方程

電子和空穴流密度方程

其中 e 為介電常數, ? ψ 為靜電勢的梯度, q 為基本電荷量, p 和 n 為空穴和電子密度,為電離的施主和受主濃度, TL為晶格常數, μn和μp為硅材料中的電子和空穴的遷移率, nie是本征載流子濃度.

FeFET器件中鐵電層和溝道是高摻雜區域,在數值器件模擬中為了更貼合實際器件考慮了摻雜、電場以及載流子之間的散射和碰撞電離模型對遷移率的影響, 主要包括摻雜SRH復合模型、Auger復合模型和高濃度摻雜下的禁帶變窄模型.通過引入量子勢(載流子濃度和濃度梯度的函數)來考慮量子效應, 在傳輸方程中還采用了密度梯度模型、泊松方程和載流子連續方程解算量子勢方程.影響晶體管物理模型電學特性的詳見半導體器件仿真工具[26].

鐵電性能模型能描述仿真模擬鐵電電容的瞬態電學特性和非飽和狀態下極化特性, 是根據Miller和Mcwhorter[28]提出的鐵電模型進行了優化, 引入了鐵電電容率模型, 通過搭建等效電路對鐵電極化特征進行了全面準確的描述, 同時包括飽和極化模型和非飽和極化模型.優化模型的具體表達式如下:

附加電場的瞬態變化,

附加極化強度,

實際的極化瞬態行為,

上述方程式中, tE和tP為材料的附加電場弛豫時間常數和極化強度弛豫時間常數, Ps為飽和極化強度, Pr為剩余極化強度, Fc為矯頑電場, kn為材料的非線性耦合特征常數, c和Poff為鐵電材料的極化參數.

采用了Gaussian分布建立單粒子輻射模型,設置了轟擊高能粒子的初始入射半徑為0.05 μm,入射深度為1 μm, 其他參數由TCAD默認設置.詳細求解高能粒子引起的電子空穴對產生率G的基本方程式如下:

其中 L ET_f(l) 為輻射產生的線性能量轉移值(linear energy transfer, LET), l為入射深度, wt(l)為高能粒子入射半徑, t0為初始入射時間, shi為Gaussian時序分布特征延遲時間.

對器件混合電路進行輻照模擬時, 首先通過(1)—(5)式和(9)式計算器件混合電路的電學特性求得穩態解, 然后結合單粒子輻射模型公式(10)計算出瞬態解.

3 模擬結果

3.1 HfO2基FeFET電路的讀寫

當柵極電壓為負電壓, 鐵電極化從上指向下為負方向, 在溝道處有大量的累積電荷, 在漏源之間加小電壓讀出數據“0”; 當柵極電壓為正電壓, 鐵電極化從下指向上為正方向, 溝道處出現了反型層, 在漏源之間加一個小電壓讀出數據“1”, HfO2基FeFET寫入“1”和“0”狀態時器件內部的電荷密度分布如圖4所示.輸入2 × 2鐵電存儲陣列讀寫電路的控制時序如圖3所示, 得到了HfO2基FeFET讀寫電路的靈敏放大器輸出信號變化、鐵電存儲單元cell 1輸出信號變化和鐵電存儲單元cell 1 極化強度變化, 如圖5 所示.通過輸出電壓的大小來定義存儲狀態“1”和“0”, 經過靈敏放大器進行數據讀出.當輸入正柵壓時, 鐵電極化為正,輸出高電壓為存儲數據“1”; 當輸入負柵壓時鐵電極化為負, 輸出低電壓為存儲數據“0”.

3.2 單粒子入射鐵電存儲管漏極對存儲信息的影響

圖4 HfO2基FeFET寫入時器件內部的電荷密度分布 (a)寫入“1”器件內部電荷分布; (b)寫入“0”時器件內部電荷分布Fig.4.Charge density distribution inside the device when HfO2-based FeFET is written: (a) The internal charge distribution of the device is written with “1”; (b) the internal charge distribution of the device is written with “0”.

圖5 鐵電存儲陣列的讀寫信號 (a)靈敏放大器輸出信號變化; (b) cell 1 輸出信號變化; (c) cell 1 極化強度變化Fig.5.Reading and writing of ferroelectric memory arrays: (a) Changes in the output signal of the sense amplifier; (b) changes in the output signal of cell 1; (c) changes in the polarization of cell 1.

鐵電存儲單元作為FeFET讀寫電路的主要敏感節點之一, 其對單粒子瞬態效應的敏感度會直接影響數據的擦寫, 因此非常有必要研究高能粒子入射其漏極的瞬態效應.

圖6為單粒子入射讀寫“0”的鐵電存儲單元cell 1 時, 漏極的各節點瞬態效應變化.圖6(a)為高能粒子入射鐵電存儲單元cell 1漏極產生的漏極電流脈沖變化, 漏極電流脈沖隨著高能粒子的LET值增加而變大.如圖6(b)所示, 在高能粒子入射存儲管漏極后, 在cell 1內部產生了大量電子空穴對, 同時部分電子或空穴被漏極收集導致器件被迫導通, 電流方向變為負, 因此鐵電存儲單元cell 1 輸出電壓從 0 V 變為負電壓.如圖6(c)所示, 電子空穴對的產生增強了鐵電存儲單元cell 1柵極和基底的電場強度, 使得極化強度增大.從圖6(d)可以看出, 在讀寫“0”狀態時, 高能粒子進入cell 1內部產生的微小收集電流經靈敏放大器放大后, 僅略微增大了輸出電壓, 數據能正確讀出.

從圖7(a)鐵電存儲單元cell 1輸出信號變化可以看出, 在高能粒子入射鐵電存儲單元cell 1漏極后, 鐵電存儲單元cell 1輸出電壓隨著入射粒子的LET值增大而增大.雖然在器件內部產生了大量電子空穴對, 但是此時 cell 1 處于開啟狀態, 電子空穴對能及時導出, 內部電場強度只是稍稍增大, 使得極化強度的變化沒有圖6(c)明顯.隨著高能粒子LET值增大, 圖7(b)中鐵電存儲單元cell 1輸出瞬態電壓峰值隨著增大, 在高能粒子的LET值為 30 MeV·cm2/mg 時, 鐵電存儲單元 cell 1 輸出電壓的峰值接近于 0 V, 在5 ns之后能恢復初始狀態, 經過靈敏放大器放大后得到圖7(c)靈敏放大器輸出信號變化, 但是輸出電壓出現波動的時間只有0.5 ns, 從而數據能正常讀出.

為了更全面地分析單粒子入射鐵電存儲單元cell 1對存儲信息的影響, 表2列出了不同LET值下輸出端 Out 1 和 Out 2 之間的電位差變化.盡管Sa_in和Sa_ref之間的電位差隨著LET值的增加在不斷減小, 但模擬中所采用的是理想型靈敏放大器能正確放大Sa_in和Sa_ref之間微小的電位差, 因此圖7(c)中能夠正確放大讀出數據.但是實際工作中沒有理想型靈敏放大器, 靈敏放大器存在一個能夠正確放大的最小輸入電壓差.高能粒子入射鐵電存儲單元cell 1的漏極后, 在某個LET值下Sa_in和Sa_ref之間的電位差可能會小于靈敏放大器的最小分辨電壓差, 導致數據信號不能正確放大讀出以及回寫, 引發單粒子翻轉效應.

圖6 單粒子入射讀寫“0”鐵電存儲單元 cell 1 漏極的瞬態效應 (a) cell 1 漏極電流脈沖變化; (b) cell 1 輸出信號變化; (c) cell 1極化強度變化; (d)靈敏放大器輸出信號變化Fig.6.Transient effects of single-particle incident read and write “0” ferroelectric storage tube drain: (a) Change of drain current pulse; (b) change of cell 1 output signal; (c) change of cell 1 polarization intensity; (d) change of sense amplifier output signal.

圖7 單粒子入射讀寫“1”鐵電存儲單元 cell 1 漏極的瞬態效應 (a) cell 1 極化強度變化; (b) cell 1 輸出信號變化; (c) 靈敏放大器輸出信號變化Fig.7.Transient effects of single-particle incident read and write “1” ferroelectric storage tube drain: (a) Change of cell 1 polarization intensity; (b) change of cell 1 output signal; (c) change of sense amplifier output signal.

表2 輸出端 Out 1 和 Out 2 之間的電位差變化Table 2.Voltage difference change between Out 1 and Out 2.

3.3 單粒子入射放大器節點對存儲信息的影響

靈敏放大器的作用是正確放大無法正常分辨的微弱信號, 轉換為滿足數據分辨功能要求的大輸出信號, 因此放大器的靈敏節點對單粒子效應的敏感度是直接影響數據能不能正確放大讀出的關鍵.

圖8為單粒子入射讀寫“0”時靈敏放大器輸入管后鐵電存儲單元cell 1極化強度變化和靈敏放大器輸出信號變化.從圖8(a)可知高能粒子入射讀寫“0”的靈敏放大器的輸入管時, 對鐵電存儲單元cell 1極化強度幾乎沒有影響, 即數據可以正確讀寫.圖8(b)中高能粒子轟擊靈敏放大器輸入管產生了一個漏極脈沖電流, 靈敏放大器開始工作而放大輸出電壓, 靈敏放大器輸出電壓產生了很大的波動, 但是僅在 0.4 ns后就恢復了初始狀態, 因此數據能正常讀出.圖9 為讀寫“1”時, 單粒子入射靈敏放大器輸入管后鐵電存儲單元cell 1極化強度變化和靈敏放大器輸出信號變化.從圖9(a)可知鐵電存儲單元cell 1極化強度幾乎沒有影響, 存儲單元能正確讀寫.高能粒子轟擊靈敏放大器輸入管產生的漏極脈沖電流極小, 對讀“1”時處于開啟狀態的靈敏放大器工作電流幾乎沒有影響, 輸出信號數據能正常讀出, 如圖9(b)所示.

圖8 讀寫“0”時, 單粒子入射靈敏放大器輸入管的瞬態效應 (a)鐵電存儲單元 cell 1極化強度變化; (b)靈敏放大器輸出信號變化Fig.8.Transient effects of a single-particle incident sensible amplifier input tube when reading and writing “0”: (a) Change of ferroelectric cell 1 polarization intensity; (b) change of sense amplifier output signal.

圖9 讀寫“1”時, 單粒子入射靈敏放大器輸入管的瞬態效應 (a)鐵電存儲管極化強度變化; (b)靈敏放大器輸出信號變化Fig.9.Transient effects of a single-particle incident sensible amplifier input tube when reading and writing “1”: (a) Change of ferroelectric transistor polarization intensity; (b) change of sense amplifier output signal.

3.4 不同剩余極化和矯頑場強度對存儲信息的影響

生長工藝、摻雜水平、厚度等原因致使HZO鐵電薄膜具有不同的鐵電性能.因此, 分析HZO鐵電薄膜有不同的剩余極化和矯頑場對研究結果的影響, 將使該模擬工作更具有實際應用價值.鐵電薄膜的存儲能力決定了存儲單元的存儲性能.圖10(a)為不同剩余極化和矯頑場強度的HZO鐵電薄膜下的鐵電存儲單元cell 1極化強度.高能粒子在 7 ns時進入 cell 1 漏極后, 管內電荷增加使得 cell 1 極化強度增高.從圖10(b)可知, 鐵電薄膜的剩余極化強度越大, 鐵電存儲單元抗單粒子的能力越強, 在輻射環境下工作更加穩定.

圖10 單粒子作用于不同剩余極化和矯頑場的HZO鐵電薄膜下的鐵電存儲單元cell 1的信號變化 (a) 鐵電存儲單元的極化強度變化; (b)靈敏放大器輸出信號變化Fig.10.Signal change of ferroelectric memory cell cell 1 under single-particle HZO ferroelectric thin film with different remanent polarization and coercive field: (a) Change of ferroelectric transistor polarization intensity; (b) change of sense amplifier output signal.

3.5 多束高能粒子對存儲信息的影響

兩束LET值均為60 MeV·cm2/mg的高能粒子先后進入寫“1”鐵電存儲單元cell 1后各節點的信號變化見圖11, 時間間隔為0.5 ns.在圖11(a)中的脈沖電流有兩個峰值, 時間間隔為0.5 ns.在圖11(b)和圖12(a)中, 由于內部大量的電子空穴對使得極化強度增加, 其中圖12(a)由于處于關態,極化強度明顯增大.從圖7(c)可知單個單粒子入射cell 1漏極后, 輸出數據信號能迅速回復初始位置.但是, 在圖11(c)可以看到輸出信號不能回復的初始狀態, 且出現了雙峰值, 最后兩端輸出的電壓差減小, 影響數據正常的讀出.圖12為兩束LET值為60 MeV·cm2/mg高能粒子在時間間隔為 0.5 ns先后進入寫“1”狀態的鐵電存儲單元 cell 1后各節點的信號變化.由圖6(d)和圖12(b)可以看出, 一束和兩束高能粒子作用存儲單元漏極都沒有致使輸出信號發生明顯的波動, 說明處于關態的存儲單元有很好的抗單粒子的能力.

圖11 兩束單粒子入射讀寫“1”鐵電存儲單元 cell 1 漏極的瞬態效應 (a) cell 1 漏極電流脈沖變化; (b) cell 1 極化強度變化; (c)靈敏放大器輸出信號變化Fig.11.Transient effects of two single-particle incident read and write “1” ferroelectric storage tube drain: (a) Change of drain current pulse; (b) change of cell 1 polarization intensity; (c) change of sense amplifier output signal.

圖12 兩束單粒子入射讀寫“0”鐵電存儲單元 cell 1 漏極的瞬態效應 (a) cell 1 極化強度變化; (b) 靈敏放大器輸出信號變化Fig.12.Transient effects of two single-particle incident read and write “0” ferroelectric storage tube drain: (a) Change of cell 1 polarization intensity; (b) change of sense amplifier output signal.

4 結 論

使用半導體仿真軟件 Sentaurus TCAD對HfO2基FeFET讀寫電路不同敏感節點進行了單粒子翻轉效應研究, 分析了存儲數據發生變化的內在機制.仿真結果表明, 當單粒子入射HfO2基FeFET讀寫電路的鐵電存儲單元時, 發生了數據信號的波動, 但是在0.5 ns后可以回復初始狀態,不會引起數據發生單粒子翻轉, 說明該鐵電存儲單元有很好的抗單粒子翻轉的性能.當單粒子入射HfO2基FeFET讀寫電路的靈敏放大器輸入管時, 放大器在讀“0”狀態的輸出信號瞬態脈沖在0.4 ns可以回復初始狀態, 因此數據可以正確讀出,HfO2基FeFET讀寫電路具有優異的抗單粒子能力.兩束高能粒子先后間隔 0.5 ns進入讀寫“1”狀態的存儲單元漏極, 輸出數據信號的波動較大, 電壓差的減少容易造成數據的讀出出錯.