文档介绍：湘潭大学
硕士学位论文
金属-铁电-绝缘层-半导体(MFIS)结构器件电学性能模拟
姓名:张俊杰
申请学位级别:硕士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:郑学军
20080522
湘潭大学硕士学位论文金属-铁电-绝缘层-半导体(MFIS)结构器件电学性能模拟张俊杰
摘要
近年来随着信息技术的发展,非挥发性存储器成为研究的热点。其中铁电存储器以
其读写速度快、操作电压低、功耗小等优点,成为最具潜力的非挥发性存储器之一。由
具有金属-铁电-绝缘层-半导体(MFIS)结构的铁电场效应晶体管(FeFET)组成的铁电存储
器以其非破坏性读出、存储密度高等优点引起国内外研究者的关注。本文以FeFET栅极
部分的MFIS结构电容器为主要研究对象,分别利用半导体模拟软件和传统Lue模型,对
其C-V特性、记忆窗口等性能进行了模拟;针对传统Lue模型没有考虑历史电场效应的缺
陷,对MFIS电容器C-V模型进行了改进。主要工作和结论如下:
(1) 分别利用半导体器件模拟软件Silvaco/Atlas和传统Lue模型模拟了应用电压、绝
缘层厚度以及绝缘层材料对MFIS电容器的C-V、P-V及记忆窗口的影响,定性分析了其
产生的原因。模拟结果表明,MFIS电容器的C-V、记忆窗口受到铁电层的极化状态的影
响,并且高的应用电压、薄的绝缘层厚度以及高介电常数的绝缘层材料能够改善电容器
的性能。但是Silvaco/Atlas软件和传统Lue模型都是基于Miller模型,采用简单的tanh函数
描述铁电层的极化行为,忽略了历史电场效应,对处于非饱和状态时MFIS电容器电学
性能的模拟存在局限性,并且都没有得到实验的验证。
(2) 针对Lue模型中没有考虑历史电场效应的缺陷,对MFIS电容器的C-V模型进行了
改进。在改进模型中,为了考虑历史电场效应,我们利用分布函数积分法,通过铁电偶
极子矫顽电场的分布来描述铁电层的极化。同时考虑到铁电层极化的对称性,采用对称
叠加的方法修正了Preisach模型对铁电层极化行为的描述。考虑MFIS电容器各层电位移
矢量的连续性和高斯定理,将硅基底的物理行为和铁电层的极化行为联系起来,从麦克
斯韦第一方程出发,得到了MFIS电容器C-V特性的改进模型。
(3) 根据改进模型,采用MATLAB程序,对具有Pt/SBT/ZrO2/Si和Pt/BLT/MgO/Si结
构的MFIS电容器铁电层的极化行为、电容器的C-V特性及记忆窗口进行了模拟,并且与
传统Lue模型及实验结果进行了比较。模拟结果表明,改进模型能够更精确地预测MFIS
电容器铁电层的极化行为、电容器的C-V特性及记忆窗口。同时,改进模型较传统Lue
模型具有更明确的物理意义,有助于我们更好地理解MFIS电容器工作的物理机制。这
项工作对MFIS电容器及其它MFIS类结构器件的制备和性能改善有一定的指导意义。
关键词:MFIS 电容器;Silvaco/Atlas;C-V 特性;记忆窗口
I
湘潭大学硕士学位论文金属-铁电-绝缘层-半导体(MFIS)结构器件电学性能模拟张俊杰
Abstract
Recently, much attention has been paid to the non-volatile memory during the
development of information technology. Among the non-volatile memories, the ferroelectric
memory has been considered as the most promising non-volatile memory device due to its
attractive properties such as high access speed, low operation voltage and low power
consumption. The ferroelectric field effect transistor (FeFET) with metal-ferroelectric-
insulator-semiconductor (MFIS) structure has drawn much attention because of its advantage
such as nondestructive readout and high storage density. In this paper, we focus on the gate
stack structure