基于Atlas的MFIS結(jié)構(gòu)器件電學(xué)性能模擬

摘要 利用Atlas器件模擬軟件，對(duì)MFIS結(jié)構(gòu)器件的C—V特性及記憶窗口進(jìn)行模擬。討論了應(yīng)用電壓、絕緣層厚度及絕緣層材料等因素，對(duì)MFIS結(jié)構(gòu)器件記憶能力及穩(wěn)定性的影響，為MFIS結(jié)構(gòu)器件的設(shè)計(jì)和性能提高提供了參考。
關(guān)鍵詞 MFIS；記憶窗口；C—V特性；Atlas

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(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)，成為最具潛力的下一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)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(chǔ)器的存儲(chǔ)能力和穩(wěn)定性。在已有的研究中，研究者一方面采用實(shí)驗(yàn)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(duì)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(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。

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(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。