基于Atlas的MFIS結(jié)構(gòu)器件電學(xué)性能模擬

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　　本文將利用Silvaco公司的Atlas器件模擬軟件，結(jié)合Miller等人的鐵電極化模型及電荷薄片模型，對(duì)MFIS結(jié)構(gòu)器件的C—V特性及記憶窗口進(jìn)行模擬，討論應(yīng)用電壓、絕緣層厚度及材料對(duì)MFIS結(jié)構(gòu)器件的影響，探討提高M(jìn)FIS結(jié)構(gòu)器件性能的有效途徑。

　　1 MFIS器件結(jié)構(gòu)

　　MFIS結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)MOS電容器的基礎(chǔ)上，在金屬電極和絕緣層之間增加具有極化行為的鐵電材料，利用鐵電層的極化行為進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。圖1為典型MFIS結(jié)構(gòu)及其等效電路，鐵電層厚度為df，絕緣層厚度為di。理想情況下，不考慮各層之間的界面捕獲電荷、界面態(tài)及各層內(nèi)部空間電荷和雜質(zhì)的影響。電容器的上電極為肖特基接觸，下電極為歐姆接觸。基底采用均勻摻雜的p型硅，厚度達(dá)到要求。

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　　2 模擬方法

　　Silvaco公司的器件模擬軟件Atlas，可以對(duì)二維和三維模式下半導(dǎo)體器件的直流、交流及時(shí)域響應(yīng)等進(jìn)行仿真和分析。為考慮MFIS結(jié)構(gòu)器件中鐵電層計(jì)劃行為的飽和狀態(tài)及非飽和狀態(tài)，Miller等人提出的鐵電極化模型被改進(jìn)。在Model語(yǔ)句中引入兩種狀下的極化模型Ferro和Unsat.Ferro，器件的相關(guān)參數(shù)在Material語(yǔ)句中進(jìn)行設(shè)置。由于MFIS結(jié)構(gòu)器件在實(shí)際應(yīng)用中多工作于高頻狀態(tài)，需要設(shè)置Ferro模型中Fer-roDamp參數(shù)為1。考慮到鐵電薄膜、半導(dǎo)體基底及金屬電極之間的功函數(shù)關(guān)系，MFIS結(jié)構(gòu)的上電極和下電極分別被設(shè)定為肖特基接觸和歐姆接觸。鐵電層采用BNT鐵電薄膜，厚度為200 nm，其參數(shù)可以由文獻(xiàn)中得到，具體參數(shù)如表1所示。

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 應(yīng)用電壓對(duì)MFIS結(jié)構(gòu)器件的影響

　　應(yīng)用電壓的大小不僅能影響鐵電存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)能力及穩(wěn)定性，還會(huì)影響到其與半導(dǎo)體集成電路的兼容性。圖2中給出了不同應(yīng)用電壓下MFIS器件的C—V特性及記憶窗口。絕緣層為CeO2，應(yīng)用電壓從2V增加到5 V。由圖中可以看出，由于鐵電層的極化行為，MFIS器件的C—V曲線在不同的掃描電壓方向上出現(xiàn)平移，呈現(xiàn)順時(shí)針的回線狀，并且其寬度隨應(yīng)用電壓的增加逐漸變寬。MFIS器件的記憶窗口隨應(yīng)用電壓的增加而逐漸增大，并在8 V時(shí)達(dá)到飽和。記憶窗口的大小直接影響著MFIS器件的穩(wěn)定性。在較小的記憶窗口下，存儲(chǔ)器的“0”和“1”兩個(gè)邏輯態(tài)容易出現(xiàn)混淆，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存取失敗，因此適當(dāng)增加應(yīng)用電壓，有利于提高M(jìn)FIS器件的存儲(chǔ)穩(wěn)定性。

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