黎華梅 侯鵬飛2)? 王金斌 宋宏甲 鐘向麗?

1) (湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 湘潭 411105)

2) (工業(yè)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(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510610)

使用器件-電路仿真方法搭建了氧化鉿基鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管讀寫電路, 研究了單粒子入射鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管存儲(chǔ)單元和外圍靈敏放大器敏感節(jié)點(diǎn)后讀寫數(shù)據(jù)的變化情況, 分析了讀寫數(shù)據(jù)波動(dòng)的內(nèi)在機(jī)制.結(jié)果表明: 高能粒子入射該讀寫電路中的鐵電存儲(chǔ)單元漏極時(shí), 處于“0”狀態(tài)的存儲(chǔ)單元產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在器件內(nèi)部堆積, 使得柵極的電場(chǎng)強(qiáng)度和鐵電極化增大, 而處于“1”狀態(tài)的存儲(chǔ)單元由于源極的電荷注入作用使得輸出的瞬態(tài)脈沖電壓信號(hào)有較大波動(dòng); 高能粒子入射放大器靈敏節(jié)點(diǎn)時(shí), 產(chǎn)生的收集電流使處于讀“0”狀態(tài)的放大器開啟, 導(dǎo)致輸出數(shù)據(jù)波動(dòng), 但是其波動(dòng)時(shí)間僅為0.4 ns, 數(shù)據(jù)沒有發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)能正常讀出.兩束高能粒子時(shí)間間隔0.5 ns先后作用鐵電存儲(chǔ)單元漏極, 比單束高能粒子產(chǎn)生更大的輸出數(shù)據(jù)信號(hào)波動(dòng), 讀寫“1”狀態(tài)的最終輸出電壓差變小.

1 引 言

航天電子器件長時(shí)間工作在太空環(huán)境下, 會(huì)受到各種輻射粒子的影響而引發(fā)各種復(fù)雜的輻照問題[1,2].鐵電存儲(chǔ)器是以鐵電薄膜的極化特性來存儲(chǔ)信息的, 具有非揮發(fā)性、高存取速度、低功耗、強(qiáng)抗輻射能力等優(yōu)點(diǎn), 在航天電子器件中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3?7].鐵電存儲(chǔ)器根據(jù)單元結(jié)構(gòu)的不同可以分為電容型(1T-1C和2T-2C)和晶體管型(1T).相對(duì)電容型鐵電存儲(chǔ)器來說, 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ferroelectric field effect transistor, FeFET)可以實(shí)現(xiàn)非破壞性讀取, 并且具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高等優(yōu)點(diǎn), 已經(jīng)引起了研究人員的廣泛關(guān)注[8?12].鐵電薄膜是FeFET的核心材料, 其尺寸效應(yīng)、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(tǒng)鈣鈦礦材料與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)工藝兼容性差, 已經(jīng)不能滿足FeFET高集成度化等的發(fā)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(xué)家發(fā)現(xiàn)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(gè)熱點(diǎn)[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(duì)氧化鉿基FeFET存儲(chǔ)陣列進(jìn)行了擦寫和讀取操作, 表明氧化鉿基FeFET存儲(chǔ)陣列可以在超低功耗下進(jìn)行讀寫.HfO2基FeFET應(yīng)用到航天電子器件時(shí), 需要考慮各種輻射粒子的影響.劉巧靈[22]發(fā)現(xiàn)了氧化鉿基FeFET柵結(jié)構(gòu)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(yōu)異的抗總劑量效應(yīng)性能.HfO2基FeFET比傳統(tǒng)FeFET的物理尺寸小, 總劑量輻射效應(yīng)相對(duì)來說較弱, 卻更容易產(chǎn)生單粒子效應(yīng)[23?25].目前, HfO2基 FeFET 存儲(chǔ)器仍在試驗(yàn)階段, 市場(chǎng)上還沒有HfO2基FeFET芯片,因此難以開展其單粒子效應(yīng)試驗(yàn)研究.而仿真模擬具有不需要成品器件且能直觀系統(tǒng)地分析器件內(nèi)部變化的優(yōu)點(diǎn), 還可以降低研發(fā)成本和對(duì)鐵電存儲(chǔ)陣列和鐵電電路進(jìn)行準(zhǔn)確的性能評(píng)估, 并在性能評(píng)估的基礎(chǔ)上再對(duì)其進(jìn)行各方面的的參數(shù)優(yōu)化.因此, 在當(dāng)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(yīng)是開展HfO2基FeFET單粒子效應(yīng)研究較為必要且可行的內(nèi)容.

本文使用半導(dǎo)體仿真軟件搭建了45 nm工藝HfO2基FeFET讀寫電路, 對(duì)其不同敏感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)研究, 分析了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)生變化的內(nèi)在機(jī)制, 這對(duì)航空電子器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和抗單粒子電路的搭建具有重要意義.

2 仿真設(shè)置

據(jù)報(bào)道, Hf0.5Zr0.5O2(HZO)厚度為 10 nm 時(shí)仍有良好鐵電性能, 飽和極化強(qiáng)度2Pr可達(dá)到40 μC/cm2, 矯頑場(chǎng)強(qiáng)度為 1 MV/cm[22], 本文選用HZO鐵電薄膜參數(shù)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(shù)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(chǔ)陣列的讀寫電路, 如圖2所示, SGS和SGD表示選通控制信號(hào); WL 表示字線信號(hào); BL 表示位線信號(hào); Out 1 和 Out 2 表示靈敏放大器輸出信號(hào);Sa_in表示鐵電存儲(chǔ)陣列的輸出信號(hào); Sa_ref表示參考輸入信號(hào).其中 SPICE (simulation program with integrated circuit emphasis)模型采用亞利桑那州立大學(xué)的45 nm工藝BSIM4 SPICE集約模型[27], 進(jìn)行了讀寫時(shí)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(shù)Table 1.Process parameters of HfO2-FeFET.

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

對(duì)于深亞微米級(jí)器件, 使用流體動(dòng)力學(xué)模型去描述器件的載流子輸運(yùn)過程, 流體動(dòng)力學(xué)模型有如下幾個(gè)基本方程:

圖3 2 × 2 鐵電存儲(chǔ)陣列控制仿真時(shí)序Fig.3.Control simulation timing of 2 × 2 ferroelectric memory array.

泊松方程

載流子連續(xù)性方程

電子和空穴流密度方程

其中 e 為介電常數(shù), ? ψ 為靜電勢(shì)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(shù), 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(qū)域,在數(shù)值器件模擬中為了更貼合實(shí)際器件考慮了摻雜、電場(chǎng)以及載流子之間的散射和碰撞電離模型對(duì)遷移率的影響, 主要包括摻雜SRH復(fù)合模型、Auger復(fù)合模型和高濃度摻雜下的禁帶變窄模型.通過引入量子勢(shì)(載流子濃度和濃度梯度的函數(shù))來考慮量子效應(yīng), 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(xù)方程解算量子勢(shì)方程.影響晶體管物理模型電學(xué)特性的詳見半導(dǎo)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(tài)電學(xué)特性和非飽和狀態(tài)下極化特性, 是根據(jù)Miller和Mcwhorter[28]提出的鐵電模型進(jìn)行了優(yōu)化, 引入了鐵電電容率模型, 通過搭建等效電路對(duì)鐵電極化特征進(jìn)行了全面準(zhǔn)確的描述, 同時(shí)包括飽和極化模型和非飽和極化模型.優(yōu)化模型的具體表達(dá)式如下:

附加電場(chǎng)的瞬態(tài)變化,

附加極化強(qiáng)度,

實(shí)際的極化瞬態(tài)行為,

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

采用了Gaussian分布建立單粒子輻射模型,設(shè)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(shù)由TCAD默認(rèn)設(shè)置.詳細(xì)求解高能粒子引起的電子空穴對(duì)產(chǎn)生率G的基本方程式如下:

其中 L ET_f(l) 為輻射產(chǎn)生的線性能量轉(zhuǎn)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(shí)間, shi為Gaussian時(shí)序分布特征延遲時(shí)間.

對(duì)器件混合電路進(jìn)行輻照模擬時(shí), 首先通過(1)—(5)式和(9)式計(jì)算器件混合電路的電學(xué)特性求得穩(wěn)態(tài)解, 然后結(jié)合單粒子輻射模型公式(10)計(jì)算出瞬態(tài)解.

3 模擬結(jié)果

3.1 HfO2基FeFET電路的讀寫

當(dāng)柵極電壓為負(fù)電壓, 鐵電極化從上指向下為負(fù)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(shù)據(jù)“0”; 當(dāng)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(xiàn)了反型層, 在漏源之間加一個(gè)小電壓讀出數(shù)據(jù)“1”, HfO2基FeFET寫入“1”和“0”狀態(tài)時(shí)器件內(nèi)部的電荷密度分布如圖4所示.輸入2 × 2鐵電存儲(chǔ)陣列讀寫電路的控制時(shí)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(hào)變化、鐵電存儲(chǔ)單元cell 1輸出信號(hào)變化和鐵電存儲(chǔ)單元cell 1 極化強(qiáng)度變化, 如圖5 所示.通過輸出電壓的大小來定義存儲(chǔ)狀態(tài)“1”和“0”, 經(jīng)過靈敏放大器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出.當(dāng)輸入正柵壓時(shí), 鐵電極化為正,輸出高電壓為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“1”; 當(dāng)輸入負(fù)柵壓時(shí)鐵電極化為負(fù), 輸出低電壓為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“0”.

3.2 單粒子入射鐵電存儲(chǔ)管漏極對(duì)存儲(chǔ)信息的影響

圖4 HfO2基FeFET寫入時(shí)器件內(nèi)部的電荷密度分布 (a)寫入“1”器件內(nèi)部電荷分布; (b)寫入“0”時(shí)器件內(nèi)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(chǔ)陣列的讀寫信號(hào) (a)靈敏放大器輸出信號(hào)變化; (b) cell 1 輸出信號(hào)變化; (c) cell 1 極化強(qiáng)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(chǔ)單元作為FeFET讀寫電路的主要敏感節(jié)點(diǎn)之一, 其對(duì)單粒子瞬態(tài)效應(yīng)的敏感度會(huì)直接影響數(shù)據(jù)的擦寫, 因此非常有必要研究高能粒子入射其漏極的瞬態(tài)效應(yīng).

圖6為單粒子入射讀寫“0”的鐵電存儲(chǔ)單元cell 1 時(shí), 漏極的各節(jié)點(diǎn)瞬態(tài)效應(yīng)變化.圖6(a)為高能粒子入射鐵電存儲(chǔ)單元cell 1漏極產(chǎn)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(chǔ)管漏極后, 在cell 1內(nèi)部產(chǎn)生了大量電子空穴對(duì), 同時(shí)部分電子或空穴被漏極收集導(dǎo)致器件被迫導(dǎo)通, 電流方向變?yōu)樨?fù), 因此鐵電存儲(chǔ)單元cell 1 輸出電壓從 0 V 變?yōu)樨?fù)電壓.如圖6(c)所示, 電子空穴對(duì)的產(chǎn)生增強(qiáng)了鐵電存儲(chǔ)單元cell 1柵極和基底的電場(chǎng)強(qiáng)度, 使得極化強(qiáng)度增大.從圖6(d)可以看出, 在讀寫“0”狀態(tài)時(shí), 高能粒子進(jìn)入cell 1內(nèi)部產(chǎn)生的微小收集電流經(jīng)靈敏放大器放大后, 僅略微增大了輸出電壓, 數(shù)據(jù)能正確讀出.

從圖7(a)鐵電存儲(chǔ)單元cell 1輸出信號(hào)變化可以看出, 在高能粒子入射鐵電存儲(chǔ)單元cell 1漏極后, 鐵電存儲(chǔ)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(nèi)部產(chǎn)生了大量電子空穴對(duì), 但是此時(shí) cell 1 處于開啟狀態(tài), 電子空穴對(duì)能及時(shí)導(dǎo)出, 內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度只是稍稍增大, 使得極化強(qiáng)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(chǔ)單元cell 1輸出瞬態(tài)電壓峰值隨著增大, 在高能粒子的LET值為 30 MeV·cm2/mg 時(shí), 鐵電存儲(chǔ)單元 cell 1 輸出電壓的峰值接近于 0 V, 在5 ns之后能恢復(fù)初始狀態(tài), 經(jīng)過靈敏放大器放大后得到圖7(c)靈敏放大器輸出信號(hào)變化, 但是輸出電壓出現(xiàn)波動(dòng)的時(shí)間只有0.5 ns, 從而數(shù)據(jù)能正常讀出.

為了更全面地分析單粒子入射鐵電存儲(chǔ)單元cell 1對(duì)存儲(chǔ)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(shù)據(jù).但是實(shí)際工作中沒有理想型靈敏放大器, 靈敏放大器存在一個(gè)能夠正確放大的最小輸入電壓差.高能粒子入射鐵電存儲(chǔ)單元cell 1的漏極后, 在某個(gè)LET值下Sa_in和Sa_ref之間的電位差可能會(huì)小于靈敏放大器的最小分辨電壓差, 導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)不能正確放大讀出以及回寫, 引發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng).

圖6 單粒子入射讀寫“0”鐵電存儲(chǔ)單元 cell 1 漏極的瞬態(tài)效應(yīng) (a) cell 1 漏極電流脈沖變化; (b) cell 1 輸出信號(hào)變化; (c) cell 1極化強(qiáng)度變化; (d)靈敏放大器輸出信號(hào)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(chǔ)單元 cell 1 漏極的瞬態(tài)效應(yīng) (a) cell 1 極化強(qiáng)度變化; (b) cell 1 輸出信號(hào)變化; (c) 靈敏放大器輸出信號(hào)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(jié)點(diǎn)對(duì)存儲(chǔ)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(hào), 轉(zhuǎn)換為滿足數(shù)據(jù)分辨功能要求的大輸出信號(hào), 因此放大器的靈敏節(jié)點(diǎn)對(duì)單粒子效應(yīng)的敏感度是直接影響數(shù)據(jù)能不能正確放大讀出的關(guān)鍵.

圖8為單粒子入射讀寫“0”時(shí)靈敏放大器輸入管后鐵電存儲(chǔ)單元cell 1極化強(qiáng)度變化和靈敏放大器輸出信號(hào)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(shí), 對(duì)鐵電存儲(chǔ)單元cell 1極化強(qiáng)度幾乎沒有影響, 即數(shù)據(jù)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(chǎn)生了一個(gè)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(chǎn)生了很大的波動(dòng), 但是僅在 0.4 ns后就恢復(fù)了初始狀態(tài), 因此數(shù)據(jù)能正常讀出.圖9 為讀寫“1”時(shí), 單粒子入射靈敏放大器輸入管后鐵電存儲(chǔ)單元cell 1極化強(qiáng)度變化和靈敏放大器輸出信號(hào)變化.從圖9(a)可知鐵電存儲(chǔ)單元cell 1極化強(qiáng)度幾乎沒有影響, 存儲(chǔ)單元能正確讀寫.高能粒子轟擊靈敏放大器輸入管產(chǎn)生的漏極脈沖電流極小, 對(duì)讀“1”時(shí)處于開啟狀態(tài)的靈敏放大器工作電流幾乎沒有影響, 輸出信號(hào)數(shù)據(jù)能正常讀出, 如圖9(b)所示.

圖8 讀寫“0”時(shí), 單粒子入射靈敏放大器輸入管的瞬態(tài)效應(yīng) (a)鐵電存儲(chǔ)單元 cell 1極化強(qiáng)度變化; (b)靈敏放大器輸出信號(hào)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(shí), 單粒子入射靈敏放大器輸入管的瞬態(tài)效應(yīng) (a)鐵電存儲(chǔ)管極化強(qiáng)度變化; (b)靈敏放大器輸出信號(hào)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(chǎng)強(qiáng)度對(duì)存儲(chǔ)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(chǎng)對(duì)研究結(jié)果的影響, 將使該模擬工作更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.鐵電薄膜的存儲(chǔ)能力決定了存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)性能.圖10(a)為不同剩余極化和矯頑場(chǎng)強(qiáng)度的HZO鐵電薄膜下的鐵電存儲(chǔ)單元cell 1極化強(qiáng)度.高能粒子在 7 ns時(shí)進(jìn)入 cell 1 漏極后, 管內(nèi)電荷增加使得 cell 1 極化強(qiáng)度增高.從圖10(b)可知, 鐵電薄膜的剩余極化強(qiáng)度越大, 鐵電存儲(chǔ)單元抗單粒子的能力越強(qiáng), 在輻射環(huán)境下工作更加穩(wěn)定.

圖10 單粒子作用于不同剩余極化和矯頑場(chǎng)的HZO鐵電薄膜下的鐵電存儲(chǔ)單元cell 1的信號(hào)變化 (a) 鐵電存儲(chǔ)單元的極化強(qiáng)度變化; (b)靈敏放大器輸出信號(hào)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(duì)存儲(chǔ)信息的影響

兩束LET值均為60 MeV·cm2/mg的高能粒子先后進(jìn)入寫“1”鐵電存儲(chǔ)單元cell 1后各節(jié)點(diǎn)的信號(hào)變化見圖11, 時(shí)間間隔為0.5 ns.在圖11(a)中的脈沖電流有兩個(gè)峰值, 時(shí)間間隔為0.5 ns.在圖11(b)和圖12(a)中, 由于內(nèi)部大量的電子空穴對(duì)使得極化強(qiáng)度增加, 其中圖12(a)由于處于關(guān)態(tài),極化強(qiáng)度明顯增大.從圖7(c)可知單個(gè)單粒子入射cell 1漏極后, 輸出數(shù)據(jù)信號(hào)能迅速回復(fù)初始位置.但是, 在圖11(c)可以看到輸出信號(hào)不能回復(fù)的初始狀態(tài), 且出現(xiàn)了雙峰值, 最后兩端輸出的電壓差減小, 影響數(shù)據(jù)正常的讀出.圖12為兩束LET值為60 MeV·cm2/mg高能粒子在時(shí)間間隔為 0.5 ns先后進(jìn)入寫“1”狀態(tài)的鐵電存儲(chǔ)單元 cell 1后各節(jié)點(diǎn)的信號(hào)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(chǔ)單元漏極都沒有致使輸出信號(hào)發(fā)生明顯的波動(dòng), 說明處于關(guān)態(tài)的存儲(chǔ)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(chǔ)單元 cell 1 漏極的瞬態(tài)效應(yīng) (a) cell 1 漏極電流脈沖變化; (b) cell 1 極化強(qiáng)度變化; (c)靈敏放大器輸出信號(hào)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(chǔ)單元 cell 1 漏極的瞬態(tài)效應(yīng) (a) cell 1 極化強(qiáng)度變化; (b) 靈敏放大器輸出信號(hào)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(jié) 論

使用半導(dǎo)體仿真軟件 Sentaurus TCAD對(duì)HfO2基FeFET讀寫電路不同敏感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)研究, 分析了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)生變化的內(nèi)在機(jī)制.仿真結(jié)果表明, 當(dāng)單粒子入射HfO2基FeFET讀寫電路的鐵電存儲(chǔ)單元時(shí), 發(fā)生了數(shù)據(jù)信號(hào)的波動(dòng), 但是在0.5 ns后可以回復(fù)初始狀態(tài),不會(huì)引起數(shù)據(jù)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn), 說明該鐵電存儲(chǔ)單元有很好的抗單粒子翻轉(zhuǎn)的性能.當(dāng)單粒子入射HfO2基FeFET讀寫電路的靈敏放大器輸入管時(shí), 放大器在讀“0”狀態(tài)的輸出信號(hào)瞬態(tài)脈沖在0.4 ns可以回復(fù)初始狀態(tài), 因此數(shù)據(jù)可以正確讀出,HfO2基FeFET讀寫電路具有優(yōu)異的抗單粒子能力.兩束高能粒子先后間隔 0.5 ns進(jìn)入讀寫“1”狀態(tài)的存儲(chǔ)單元漏極, 輸出數(shù)據(jù)信號(hào)的波動(dòng)較大, 電壓差的減少容易造成數(shù)據(jù)的讀出出錯(cuò).