CN104700876A - 一种基于铁电场效应晶体管的电流灵敏放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于铁电场效应晶体管的电流灵敏放大器，所述铁电场效应晶体管的基本结构为MFIS结构，即用铁电薄膜取代MOS管中的栅介质层并在铁电层下添加一层绝缘层，利用铁电薄膜的极化状态调制半导体表面状态。由铁电场效应晶体管组成的低电压工作的一种电流灵敏放大器，在小尺寸低工作电压下，铁电场效应晶体管能够很好的替代传统MOS管应用于集成电路，由于铁电场效应晶体管具有天然的抗辐照、损耗低等特性，使得由其组成的集成电路更具有优势。

Description

一种基于铁电场效应晶体管的电流灵敏放大器

技术领域

本发明涉及集成电路技术，特别涉及一种具有抗辐照能力的基于铁电场效应晶体管的电流灵敏放大器。

背景技术

辐照会对集成电路的性能产生严重的影响，辐射环境对集成电路主要造成总剂量效应和单粒子效应两种影响。随着微电子工艺的进步，器件特征尺寸越来越小，总剂量效应对集成电路的影响已经越来越弱，而单粒子效应的影响在不断加大。

铁电存储器由于其优异的抗辐照性能、特别适用于空间航天应用，因此关于铁电存储器的抗辐照加固技术得到学术界、产业界和军方的高度关注。尽管FeFET存储器的存储单元(非标准CMOS工艺制备)具有天然的抗辐照特性，但FeFET存储器的外围电路(如灵敏放大器、地址译码电路等)是用标准的CMOS工艺来实现的，易受单粒子效应影响，发生单粒子闭锁、单粒子功能中断等失效，影响FeFET存储器整体的抗辐照性能。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明是提供一种抗辐照性能好的基于铁电场效应晶体管的电流灵敏放大器。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种铁电场效应晶体管，所述铁电场效应晶体管包括重掺杂衬底、源区、漏区、多晶硅层、铁电层和绝缘层；漏区与源区位于所述重掺杂衬底的两端，所述漏区与源区间依次为绝缘层、铁电层和多晶硅层。

一种基于铁电场效应晶体管的电流灵敏放大器，包括铁电场效应晶体管和电阻；铁电场效应晶体管包括第一铁电场效应晶体管、第二铁电场效应晶体管、第三铁电场效应晶体管、第四铁电场效应晶体管、第五铁电场效应晶体管、第六铁电场效应晶体管、第七铁电场效应晶体管、第八铁电场效应晶体管、第九铁电场效应晶体管、第十铁电场效应晶体管、第十一铁电场效应晶体管、第十二铁电场效应晶体管；

所述第一铁电场效应晶体管和第二铁电场效应晶体管的栅极相互连接，所述第二铁电场效应晶体管的源极与第五铁电场效应晶体管的漏极相连，所述第五铁电场效应晶体管和第六铁电场效应晶体管的栅极相互连接后再与所述第二铁电场效应晶体管的源极相连；

所述第六铁电场效应晶体管的衬底与第七铁电场效应晶体管的栅极相连，漏极与第三铁电场效应晶体管的源极、第九铁电场效应晶体管的栅极相连，所述第三铁电场效应晶体管和第四铁电场效应晶体管的栅极相互连接后接地，所述第四铁电场效应晶体管的源极分别与第七铁电场效应晶体管的漏极、第八铁电场效应晶体管的栅极相连；

第十铁电场效应晶体管和第十一铁电场效应晶体管的栅极相互连接后再与所述第八铁电场效应晶体管和第十铁电场效应晶体管的源极相连，所述第十一铁电场效应晶体管与第九铁电场效应晶体管的源极相互连接后再与第十二铁电场效应晶体管的栅极相连；

所述第一铁电场效应晶体管、第二铁电场效应晶体管、第三铁电场效应晶体管、第四铁电场效应晶体管、第八铁电场效应晶体管、第九铁电场效应晶体管、第十铁电场效应晶体管、第十一铁电场效应晶体管、第十二铁电场效应晶体管的漏极均接地；

所述第一铁电场效应晶体管、第五铁电场效应晶体管、第六铁电场效应晶体管、第七铁电场效应晶体管、第八铁电场效应晶体管、第九铁电场效应晶体管的源极相连后经电阻与所述第十二铁电场效应晶体管的源极相连，所述第十二铁电场效应晶体管的源极作为电流灵敏放大器的输出端。

所述铁电场效应晶体管包括重掺杂衬底、源区、漏区、多晶硅层、铁电层和绝缘层；漏区与源区位于所述重掺杂衬底的两端，所述漏区与源区间依次为绝缘层、铁电层和多晶硅层。

本发明的铁电场效应晶体管的基本结构为MFIS结构，即用铁电薄膜取代MOS管中的栅介质层并在铁电层下添加一层绝缘层，利用铁电薄膜的极化状态调制半导体表面状态。由铁电场效应晶体管组成的低电压工作的一种电流灵敏放大器，在小尺寸低工作电压下，铁电场效应晶体管能够很好的替代传统MOS管应用于集成电路，由于铁电场效应晶体管具有天然的抗辐照、损耗低等特性，使得由其组成的集成电路更具有优势。

附图说明

图1是本发明的MFIS结构N沟道铁电场效应晶体管的结构示意图；

图2是本发明基于铁电场效应晶体的共源共栅电流镜、非门、与非门和或非门电压传输特性曲线图；

图3是本发明电流灵敏放大器的电路结构图；

图4是本发明电流灵敏放大器对“0”和“1”数据读取的输出电压特性图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，为本发明N沟道铁电场效应晶体管的剖面结构示意图。包括重掺杂衬底101、漏区102、绝缘层103、铁电层104、多晶硅层105和源区106；漏区102与源区106位于重掺杂衬底101的两端，漏区102与源区106间依次为绝缘层103、铁电层104和多晶硅层105。漏区102与电压VDS相连，源区106与重掺杂衬底101相连接地。

如图2所示，(a)为由nFeFET和pFeFET构成的共源共栅电流镜的电流曲线图，根据图中可知输出电流能根据宽长比之比很好的复制和倍分参考电流；(b)、(c)、(d)分别为由nFeFET和pFeFET构成的CMOS非门、与非门和或非门的电压传输特性曲线，由于铁电薄膜在低电压下产生的微小极化，能使得电压传输特性存在非常小的电压窗口。

如图3所示，本实施例的基于FeFET的电流灵敏放大器包括：

本发明的一种基于铁电场效应晶体管的电流灵敏放大器，分为参考电压发生电路、电流放大电路、比较电路，包括铁电场效应晶体管包括第一铁电场效应晶体管M₁、第二铁电场效应晶体管M₂、第三铁电场效应晶体管M₃、第四铁电场效应晶体管M₄、第五铁电场效应晶体管M₅、第六铁电场效应晶体管M₆、第七铁电场效应晶体管M₇、第八铁电场效应晶体管M₈、第九铁电场效应晶体管M₉、第十铁电场效应晶体管M₁₀、第十一铁电场效应晶体管M₁₁、第十二铁电场效应晶体管M₁₂和电阻R_D。

第一铁电场效应晶体管M₁和第二铁电场效应晶体管M₂的栅极相互连接，第二铁电场效应晶体管M₂的源极与第五铁电场效应晶体管M₅的漏极相连，第五铁电场效应晶体管M₅和第六铁电场效应晶体管M₆的栅极相互连接后再与第二铁电场效应晶体管M₂的源极相连；

第六铁电场效应晶体管M₆的衬底与第七铁电场效应晶体管M₇的栅极相连，漏极与第三铁电场效应晶体管M₃的源极、第九铁电场效应晶体管M₉的栅极相连，第三铁电场效应晶体管M₃和第四铁电场效应晶体管M₄的栅极相互连接后接地，第四铁电场效应晶体管M₄的源极分别与第七铁电场效应晶体管M₇的漏极、第八铁电场效应晶体管M₈的栅极相连；

第十铁电场效应晶体管M₁₀和第十一铁电场效应晶体管M₁₁的栅极相互连接后再与第八铁电场效应晶体管M₈和第十铁电场效应晶体管M₁₀的源极相连，第十一铁电场效应晶体管M₁₁与第九铁电场效应晶体管M₉的源极相互连接后再与第十二铁电场效应晶体管M₁₂的栅极相连；

第一铁电场效应晶体管M₁、第二铁电场效应晶体管M₂、第三铁电场效应晶体管M₃、第四铁电场效应晶体管M₄、第八铁电场效应晶体管M₈、第九铁电场效应晶体管M₉、第十铁电场效应晶体管M₁₀、第十一铁电场效应晶体管M₁₁、第十二铁电场效应晶体管M₁₂的漏极均接地；

第一铁电场效应晶体管M₁、第五铁电场效应晶体管M₅、第六铁电场效应晶体管M₆、第七铁电场效应晶体管M₇、第八铁电场效应晶体管M₈、第九铁电场效应晶体管M₉的源极相连后经电阻R_D与第十二铁电场效应晶体管M₁₂的源极相连，第十二铁电场效应晶体管M₁₂的源极作为电流灵敏放大器的输出端。

其中第一铁电场效应晶体管M₁和偏置电流I_bias主要用来产生第二铁电场效应晶体管M₂的栅极电压V_REF；第二铁电场效应晶体管M₂，第五铁电场效应晶体管M₅和第六铁电场效应晶体管M₆，第七铁电场效应晶体管M₇为镜像结构，用来产生预充电电流。

第三铁电场效应晶体管M₃、第四铁电场效应晶体管M₄、第六铁电场效应晶体管M₆、第七铁电场效应晶体管M₇和参考电流I_REF、存储电流I_C构成电流灵敏放大器的基本结构，能将由于存储电流I_C和参考电流I_REF的不同转化成电压的差值输出为V_REF。第八铁电场效应晶体管M₈、第九铁电场效应晶体管M₉、第十铁电场效应晶体管M₁₀、第十一铁电场效应晶体管M₁₁、第十二铁电场效应晶体管M₁₂、电阻R_D和两个偏置电流I_bias构成两级放大电路，第一级为差分放大器，差分放大器的输入分别是输出节点REF和BL处的电压，第二级为共源反相器，最终能将存储单元不同信息转化成高低电平。

本发明灵敏放大器中各晶体管的尺寸如下表所示：

晶体管	L(μm)
		M1＝M2＝M3＝M4＝M8＝M9	1μm
M5＝M6＝M7＝M10＝M11	0.5μm
		M12	0.2μm

仿真结果表明，由FeFET构成的电流灵敏放大电路能正确的读取“0”和“1”数据，由于其存在铁电层的特殊性，在数据读取完成后断开存储单元电流时，输出节点REF的电压不能完全与预充电后的VREF重合。

本发明提出的针对N沟道和P沟道铁电场效应晶体管，其实现方式与常规N沟道场效应晶体管大致相同，所增加铁电层可用常规CMOS制造工艺在绝缘层制备后制备。

上述的N沟道和P沟道铁电场效应晶体管中，铁电层具体参数为：铁电层厚度为100nm，饱和极化为25μC/cm²，剩余极化为20μC/cm²，矫顽场为120kV/cm。

在有nFeFET与pFeFET构成共源共栅电流镜中，通过设置不同的宽长比之比得到与之成比例的的输出电流；在非门、与非门和或非门中，通过观察其电压传输特性曲线得到，与传统MOS管组成的电路相比，多了一个微小的电压窗口，且随着电压的降低，其窗口可以忽略不计。如图2所示，为本发明基于铁电场效应晶体的共源共栅电流镜、非门、与非门和或非门电压传输特性曲线图。由此得出，在低电压环境中，FeFET能替代MOS管用于集成电路。

如图4所示，为本发明电流灵敏放大器对“0”和“1”数据读取的输出电压特性图。在电流灵敏放大电路中，电流灵敏放大器中对数据“0”和“1”读取时，取读取电流分别为180μA和380μA，参考电流为300μA，电路的偏置电流500μA，电源电压2V。

以下实施例将详细说明N沟道铁电场效应晶体管，但以下实施例仅是说明，本发明并不受以下实施例的限制。

1)选用P型掺杂半导体衬底，硼掺杂，浓度为1×10¹⁸cm^-3；

3)制作绝缘层，厚度为10nm；

3)制作铁电层，厚度为100nm；

4)制作栅极多晶硅层，60nm；

5)制作深掺杂源漏区，光刻出轻掺杂源漏区区域，砷掺杂，注入剂量为1×10¹⁶cm^-2，

以上所述具体实施例，旨在进一步详细说明本发明，帮助进一步理解本发明，在本发明的精神和原则之内，各种替换和修改均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种铁电场效应晶体管，其特征在于，所述铁电场效应晶体管包括重掺杂衬底、源区、漏区、多晶硅层、铁电层和绝缘层；漏区与源区位于所述重掺杂衬底的两端，所述漏区与源区间依次为绝缘层、铁电层和多晶硅层。

2.一种基于铁电场效应晶体管的电流灵敏放大器，其特征在于，包括铁电场效应晶体管和电阻；铁电场效应晶体管包括第一铁电场效应晶体管、第二铁电场效应晶体管、第三铁电场效应晶体管、第四铁电场效应晶体管、第五铁电场效应晶体管、第六铁电场效应晶体管、第七铁电场效应晶体管、第八铁电场效应晶体管、第九铁电场效应晶体管、第十铁电场效应晶体管、第十一铁电场效应晶体管、第十二铁电场效应晶体管；

所述第一铁电场效应晶体管和第二铁电场效应晶体管的栅极相互连接，所述第二铁电场效应晶体管的源极与第五铁电场效应晶体管的漏极相连，所述第五铁电场效应晶体管和第六铁电场效应晶体管的栅极相互连接后再与所述第二铁电场效应晶体管的源极相连；

所述第六铁电场效应晶体管的衬底与第七铁电场效应晶体管的栅极相连，漏极与第三铁电场效应晶体管的源极、第九铁电场效应晶体管的栅极相连，所述第三铁电场效应晶体管和第四铁电场效应晶体管的栅极相互连接后接地，所述第四铁电场效应晶体管的源极分别与第七铁电场效应晶体管的漏极、第八铁电场效应晶体管的栅极相连；

第十铁电场效应晶体管和第十一铁电场效应晶体管的栅极相互连接后再与所述第八铁电场效应晶体管和第十铁电场效应晶体管的源极相连，所述第十一铁电场效应晶体管与第九铁电场效应晶体管的源极相互连接后再与第十二铁电场效应晶体管的栅极相连；

所述第一铁电场效应晶体管、第二铁电场效应晶体管、第三铁电场效应晶体管、第四铁电场效应晶体管、第八铁电场效应晶体管、第九铁电场效应晶体管、第十铁电场效应晶体管、第十一铁电场效应晶体管、第十二铁电场效应晶体管的漏极均接地；

所述第一铁电场效应晶体管、第五铁电场效应晶体管、第六铁电场效应晶体管、第七铁电场效应晶体管、第八铁电场效应晶体管、第九铁电场效应晶体管的源极相连后经电阻与所述第十二铁电场效应晶体管的源极相连，所述第十二铁电场效应晶体管的源极作为电流灵敏放大器的输出端。