基于Atlas的MFIS結(jié)構(gòu)器件電學(xué)性能模擬設(shè)計

近年來，由具有金屬-鐵電-絕緣層-半導(dǎo)體（MFIS）結(jié)構(gòu)的鐵電場效應(yīng)晶體管（FeFET）組成的鐵電存儲器，以其非破壞性讀出、存儲密度高等優(yōu)點，成為最具潛力的下一代非揮發(fā)性存儲器件之一。MFIS結(jié)構(gòu)作為FeFET的核心部件，其電學(xué)性能將影響到鐵電存儲器的存儲能力和穩(wěn)定性。在已有的研究中，研究者一方面采用實驗方法研究MFIS結(jié)構(gòu)器件的電學(xué)性能，另一方面試圖從理論上對器件的電學(xué)性能進(jìn)行研究。

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。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?；撞捎镁鶆驌诫s的p型硅，厚度達(dá)到要求。

2 模擬方法

Silvaco公司的器件模擬軟件Atlas，可以對二維和三維模式下半導(dǎo)體器件的直流、交流及時域響應(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語句中進(jìn)行設(shè)置。由于MFIS結(jié)構(gòu)器件在實際應(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器的存儲能力及穩(wěn)定性，還會影響到其與半導(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，存儲器的“0”和“1”兩個邏輯態(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器件的存儲穩(wěn)定性。

3．2 絕緣層厚度對MFIS結(jié)構(gòu)器件的影響

MFIS器件絕緣層的厚度會影響到MFIS結(jié)構(gòu)的性能。圖3中給出了不同絕緣層厚度下MFIS器件的C—V特性及記憶窗口。器件的應(yīng)用電壓為5 V，絕緣層采用CeO2，厚度從1 nm增加到5 nm。從圖中可以看出，在一定的應(yīng)用電壓下，MFIS器件的C—V曲線隨絕緣層厚度的增加變窄，記憶窗口隨之減小，這與文獻(xiàn)中報道的絕緣層厚度對MFIS器件電學(xué)性能的影響一致。這可以由加在鐵電層上的有效電場進(jìn)行解釋。鐵電層上的有效電場Ef為

其中，CG為應(yīng)用電壓；εf和εi為鐵電層和絕緣層的相對介電常數(shù)。顯然，鐵電層上的有效電場隨著絕緣層厚度的增加而減小，從而導(dǎo)致鐵電層逐漸遠(yuǎn)離飽和狀態(tài)，使得電容器的記憶窗口減小。

3．3 絕緣層材料對MFIS結(jié)構(gòu)器件的影響

由式（1）可以看出，具有高介電常數(shù)εi的絕緣層，能夠使分配在鐵電層上的有效電場增加，從而使鐵電層趨于飽和，產(chǎn)生一個較大的記憶窗口。為研究不同絕緣層材料對MFIS器件相關(guān)性能的影響，利用Arias軟件對采用SiO2、Si3N4、Y2O3、HfO2及CeO2作為絕緣層的MFIS器件的C—V特性及記憶窗口進(jìn)行了模擬和分析。

圖4給出了在5 V的應(yīng)用電壓下，分別采用不同絕緣層材料時MFIS器件的C—V特性及記憶窗口。從圖中可以看出，MFIS器件的C—V曲線隨絕緣層介電常數(shù)的增加逐漸變寬，其記憶窗口從0．36 V增大到1．09 V，并逐漸趨于飽和。

圖5為不同絕緣層材料時MFIS器件的記憶窗口隨應(yīng)用電壓的變化。從圖中可以看出，高介電常數(shù)為絕緣層jf，MFIS器件的記憶窗口在7 V時達(dá)到飽和，而低介電常數(shù)為絕緣層時，記憶窗口在15 V時仍未達(dá)到飽和。這意味著在一定厚度下，高介電常數(shù)的絕緣層能夠使MFIS器件的記憶窗口在一個較低的應(yīng)用電壓下達(dá)到飽和，從而減小工作電壓，使得其與現(xiàn)代集成電路設(shè)計工藝相兼容。

4 結(jié)束語

利用器件模擬軟件Arias，結(jié)合飽和狀態(tài)及非飽和狀態(tài)下的鐵電極化模型，研究了應(yīng)用電壓、絕緣層厚度及材料對MFIS器件的C—V特性及記憶窗口的影響。仿真結(jié)果表明，增加應(yīng)用電壓、減小絕緣層厚度及采用高介電常數(shù)材料，可以使器件的C—V曲線逐漸變寬，記憶窗口逐漸增大。但是考慮到MFIS器件與現(xiàn)代集成電路的工作電壓的兼容性，以及過薄的絕緣層可能會引起的漏電流，使得采用高介電常數(shù)的絕緣材料作為MFIS器件的絕緣層成為一個提高M(jìn)FIS器件性能的有效途徑。