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新型铪基铁电存储器工艺、器件模型和电路设计研究

王健健  
【摘要】:相比于传统的闪存存储器(Flash),铁电存储器(FRAM)因其高读写速度、低功耗、高保持特性以及高耐久性,被广泛认为是具有发展前景的一种非易失性存储器。然而Pb(Zr,Ti)O_3(PZT)、Bi_4Ti_3O_(12)(BIT)和Sr Bi_2Ta_2O_9(SBT)等传统铁电材料难以等比例缩小,这使得铁电器件从低密度集成到高密度集成、从平面集成向三维集成的技术变革极其困难,传统铁电存储器的技术发展遇到了阻碍,因此对新型材料铁电存储器的研究迫在眉睫。本文工作围绕新型铪基铁电存储器项目展开,主要内容如下:首先,利用原子层淀积方法制备了9nm厚度的铪锆氧(HZO)铁电薄膜,通过淀积Ti N顶/底电极形成HZO铁电电容,研究了退火工艺和机械夹持工艺对铁电电容电学性能的影响。实验结果表明,经过退火工艺和机械夹持工艺的HZO铁电电容,电学性能有明显提高。其极化强度-电压(Polarization-Voltage,P-V)曲线为电滞回线形曲线,剩余极化强度达到31.7μC/cm~2,矫顽电压约为1.6V。该研究表明退火工艺和机械夹持工艺可以优化HZO铁电电容的电学性能。其次,基于HZO铁电电容测试所得P-V曲线,建立了用于电路仿真的铁电电容宏模型。该宏模型采用SPICE网表文件描述,并基于Hspice电路仿真软件对铁电电容宏模型进行仿真验证。宏模型仿真结果与实验测试所得P-V特性曲线高度吻合,表明建立的模型具有较好的精确度。此外,基于上述建立的铁电电容宏模型,提出了6-晶体管和2-铁电电容(6T2C)结构的nv SRAM(非易失静态随机存取存储器)单元,并对其进行空间单粒子效应仿真研究。仿真过程中,利用独立双指数电流源注入电路的敏感节点,模拟重离子诱发的单粒子瞬态电流。仿真结果表明,瞬态脉冲电流可以使存储单元的逻辑状态由1翻转为0,但翻转后能否在短时间内恢复取决于注入粒子的线性能量转移(LET)的值。此外通过改变铁电电容模型的关键参数可以优化电路抗单粒子效应的能力。最后,基于Silterra 0.18μm CMOS工艺,设计了4K bit(512×8位)容量的嵌入式铁电存储器电路,包括存储阵列、灵敏放大器、字线位线译码等外围电路。电路仿真结果显示,铁电存储器在3.3V电压下,数据写入和读出时间都可达到20ns。本文所设计的新型铪基铁电存储器电路为今后大容量、产品化的新型铁电存储器研究奠定了一定的基础。


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