关键词：
新型半导体存储器
器件紧凑模型
非晶铟镓锌氧化物
铪基铁电
器件可靠性
三维集成
摘要：
随着云计算与大数据等尖端技术的迅猛进展,数据存储的规模与复杂性攀升至史无前例的高度,人们对低功耗、高密度器件的需求不断增加。在过去的几十年里,集成电路按照摩尔定律的预测持续发展,在高集成度和高性能方面取得了巨大进步。然而,随着后摩尔时代的到来,技术节点推进到5 nm以下,器件逐渐趋于物理极限,栅极漏电流、短沟道效应以及寄生耦合效应等问题也随之加剧,导致器件性能和存储单元可靠性急剧下降。为了满足信息技术日益增长的需求,迫切需要基于新的器件结构、材料和集成方案的存储器。
在新材料方面,非晶铟镓锌氧化物(amorphous Indium-Gallium-Zinc-Oxide,a-InGaZnO)基于其低温工艺、宽禁带、高迁移率以及高均一性等特点,被认为是替代动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)单元中硅沟道最有前景的材料,后端工艺兼容和极低泄漏电流有助于建立无电容的存储单元,带来了非破坏性读取操作的独特优势,为高密度3D-DRAM提供了可能的解决方案。然而,非晶材料引入局域态载流子和复杂的无序传输,因此存储设计与优化难度增加。除此之外,自从在Si掺杂的HfO2中发现铁电性以来,其优异的纳米级非挥发性和与CMOS工艺兼容性也重新激起了业界对铁电存储器研究的兴趣。但其复杂的多晶结构、微缩导致随机性以及电荷捕获,导致了更加严重的可靠性问题。在器件结构方面,独立双栅结构、MFMIS结构等复杂的器件结构导致了多栅耦合效应和浮栅电荷捕获效应,增加了电势分布预测难度,从而导致器件建模难度增加。为解决以上存储设计与优化中所面临的问题,需要发展以设计工艺协同优化(Design Technology Co-Optimization,DTCO)为核心的电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)技术,实现性能、功耗与可靠性的联动平衡设计。然而,上述新技术中复杂器件物理机制是阻碍模型开发和可靠性分析的关键问题,因此本文针对上述挑战开展了新型器件工作机制分析、新型器件模型搭建、电路仿真设计等系列相关工作,主要分为以下几个方面的研究内容:
1、独立双栅极技术具有操作灵活性、自适应阈值和栅极可控性,有望克服单栅极器件微缩后带来的性能下降和栅极可控性变差的问题,实现更高密度的设计。因此,为研究纳米尺度器件特性与工作机理,制备了超大规模非对称独立双栅 a-InGaZnO 晶体管(Independent Dual-Gate a-InGaZnO Field-Effect Transistor,IDG a-InGaZnO FET)并对其进行了建模。该模型以经典DG a-InGaZnO FET模型为基础,还考虑了栅极耦合效应、有限尺寸无序传输以及牛顿修正,并和不同沟道长度的实验数据进行了校准。研究了短沟道对亚阈值摆幅、迁移率和阈值电压的影响,通过传输线模型测量并提取了接触电阻。此外,还全面研究了微缩导致的器件可靠性问题,包括顶部栅极对准、多器件制造随机性、偏置温度不稳定性和寄生效应,并将其纳入模型,从而实现了电路级评估和优化。最后,针对无电容存储器,提出了一种基于独立双栅晶体管的可靠性感知的多值存储单元,提取了寄生参数,解决了器件级退化和波动引起的电路不稳定问题。
2、基于 a-InGaZnO 的铁电晶体管(Ferroelectric field-effect transistor,FeFET)有望实现非易失性存储器和无硅铁电存储器的三维集成,然而新型器件物理模型尚不完善。因此,本文从物理角度分析了由铁电材料和非晶有源层组成的无序系统,并开发了基于表面势的a-InGaZnO FeFETs紧凑模型。该模型考虑了基于Preisach理论的铁电极化电荷,同时包含了晶体管固有特性、捕获动力学和铁电多畴效应的复杂耦合对无序系统的影响。模型校准了不同电压和温度下的实验数据,提取了有效迁移率,深入了解了无序材料输运机制的温度依赖性。最后,提出了新型FeNAND Flash阵列结构,并验证了 FeNAND串的可行性,是评估未来基于a-InGaZnO FeFET的温度感知的后道工艺兼容集成电路设计的实用工具。
3、铪基FeFET作为一项新兴技术,在工业界和学术界都是研究的热点,然而FeFET技术存在固有的可靠性问题,限制了其保持特性、耐久性以及可变性。因此,为明确FeFET的可靠性物理机制,首先分析了不同操作模式下FDSOI FeFET的低频噪声(Low Frequency Noise,LFN)来源;通过LFN的缺陷分析方法,提取FeFET栅氧化物内部缺陷浓度分布;基于该器件小栅压下的电荷捕获回滞,分别讨论了铁电极化、电荷捕获/释放和缺陷产生对可靠性的影响;通过正/负电压脉冲法测量了栅介质分别为S
