金屬-鐵電-絕緣層-半導(dǎo)體(MFIS)結(jié)構(gòu)器件電學(xué)性能模擬.pdf

1、近年來隨著信息技術(shù)的發(fā)展，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器成為研究的熱點(diǎn)。其中鐵電存儲(chǔ)器以其讀寫速度快、操作電壓低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，成為最具潛力的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器之一。由具有金屬-鐵電-絕緣層-半導(dǎo)體(MFIS)結(jié)構(gòu)的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FeFET)組成的鐵電存儲(chǔ)器以其非破壞性讀出、存儲(chǔ)密度高等優(yōu)點(diǎn)引起國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。本文以FeFET柵極部分的MFIS結(jié)構(gòu)電容器為主要研究對(duì)象，分別利用半導(dǎo)體模擬軟件和傳統(tǒng)Lue模型，對(duì)其C-V特性、記憶窗口等性能進(jìn)行了模擬

2、；針對(duì)傳統(tǒng)Lue模型沒有考慮歷史電場(chǎng)效應(yīng)的缺陷，對(duì)MFIS電容器C-V模型進(jìn)行了改進(jìn)。主要工作和結(jié)論如下：
　　 (1) 分別利用半導(dǎo)體器件模擬軟件Silvaco/Atlas和傳統(tǒng)Lue模型模擬了應(yīng)用電壓、絕緣層厚度以及絕緣層材料對(duì)MFIS電容器的C-V、P-V及記憶窗口的影響，定性分析了其產(chǎn)生的原因。模擬結(jié)果表明，MFIS電容器的C-V、記憶窗口受到鐵電層的極化狀態(tài)的影響，并且高的應(yīng)用電壓、薄的絕緣層厚度以及高介電常數(shù)的絕緣層

3、材料能夠改善電容器的性能。但是Silvaco/Atlas軟件和傳統(tǒng)Lue模型都是基于Miller模型，采用簡(jiǎn)單的tanh函數(shù)描述鐵電層的極化行為，忽略了歷史電場(chǎng)效應(yīng)，對(duì)處于非飽和狀態(tài)時(shí)MFIS電容器電學(xué)性能的模擬存在局限性，并且都沒有得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。
　　 (2) 針對(duì)Lue模型中沒有考慮歷史電場(chǎng)效應(yīng)的缺陷，對(duì)MFIS電容器的C-V模型進(jìn)行了改進(jìn)。在改進(jìn)模型中，為了考慮歷史電場(chǎng)效應(yīng)，我們利用分布函數(shù)積分法，通過鐵電偶極子矯頑電場(chǎng)

4、的分布來描述鐵電層的極化。同時(shí)考慮到鐵電層極化的對(duì)稱性，采用對(duì)稱疊加的方法修正了Preisach模型對(duì)鐵電層極化行為的描述?？紤]MFIS電容器各層電位移矢量的連續(xù)性和高斯定理，將硅基底的物理行為和鐵電層的極化行為聯(lián)系起來，從麥克斯韋第一方程出發(fā)，得到了MFIS電容器C-V特性的改進(jìn)模型。
　　 (3) 根據(jù)改進(jìn)模型，采用MATLAB程序，對(duì)具有Pt/SBT/ZrO2/Si和Pt/BLT/MgO/Si結(jié)構(gòu)的MFIS電容器鐵電層的極