基于Atlas的MFIS结构器件电学性能模拟设计

近年来，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，成为最具潜力的下一代非挥发性存储器件之一。MFIS结构作为FeFET的核心部件，其电学性能将影响到铁电存储器的存储能力和稳定性。在已有的研究中，研究者一方面采用实验方法研究MFIS结构器件的电学性能，另一方面试图从理论上对器件的电学性能进行研究。

本文将利用Silvaco公司的Atlas器件模拟软件，结合Miller等人的铁电极化模型及电荷薄片模型，对MFIS结构器件的C—V特性及记忆窗口进行模拟，讨论应用电压、绝缘层厚度及材料对MFIS结构器件的影响，探讨提高MFIS结构器件性能的有效途径。

1 MFIS器件结构

MFIS结构是在传统MOS电容器的基础上，在金属电极和绝缘层之间增加具有极化行为的铁电材料，利用铁电层的极化行为进行二进制数据存储。图1为典型MFIS结构及其等效电路，铁电层厚度为df，绝缘层厚度为di。理想情况下，不考虑各层之间的界面捕获电荷、界面态及各层内部空间电荷和杂质的影响。电容器的上电极为肖特基接触，下电极为欧姆接触。基底采用均匀掺杂的p型硅，厚度达到要求。

2 模拟方法

Silvaco公司的器件模拟软件Atlas，可以对二维和三维模式下半导体器件的直流、交流及时域响应等进行仿真和分析。为考虑MFIS结构器件中铁电层计划行为的饱和状态及非饱和状态，Miller等人提出的铁电极化模型被改进。在Model语句中引入两种状下的极化模型Ferro和Unsat．Ferro，器件的相关参数在Material语句中进行设置。由于MFIS结构器件在实际应用中多工作于高频状态，需要设置Ferro模型中Fer-roDamp参数为1。考虑到铁电薄膜、半导体基底及金属电极之间的功函数关系，MFIS结构的上电极和下电极分别被设定为肖特基接触和欧姆接触。铁电层采用BNT铁电薄膜，厚度为200 nm，其参数可以由文献中得到，具体参数如表1所示。

3 结果与讨论

3．1 应用电压对MFIS结构器件的影响

应用电压的大小不仅能影响铁电存储器的存储能力及稳定性，还会影响到其与半导体集成电路的兼容性。图2中给出了不同应用电压下MFIS器件的C—V特性及记忆窗口。绝缘层为CeO2，应用电压从2V增加到5 V。由图中可以看出，由于铁电层的极化行为，MFIS器件的C—V曲线在不同的扫描电压方向上出现平移，呈现顺时针的回线状，并且其宽度随应用电压的增加逐渐变宽。MFIS器件的记忆窗口随应用电压的增加而逐渐增大，并在8 V时达到饱和。记忆窗口的大小直接影响着MFIS器件的稳定性。在较小的记忆窗口下，存储器的“0”和“1”两个逻辑态容易出现混淆，导致数据存取失败，因此适当增加应用电压，有利于提高MFIS器件的存储稳定性。

3．2 绝缘层厚度对MFIS结构器件的影响

MFIS器件绝缘层的厚度会影响到MFIS结构的性能。图3中给出了不同绝缘层厚度下MFIS器件的C—V特性及记忆窗口。器件的应用电压为5 V，绝缘层采用CeO2，厚度从1 nm增加到5 nm。从图中可以看出，在一定的应用电压下，MFIS器件的C—V曲线随绝缘层厚度的增加变窄，记忆窗口随之减小，这与文献中报道的绝缘层厚度对MFIS器件电学性能的影响一致。这可以由加在铁电层上的有效电场进行解释。铁电层上的有效电场Ef为

其中，CG为应用电压；εf和εi为铁电层和绝缘层的相对介电常数。显然，铁电层上的有效电场随着绝缘层厚度的增加而减小，从而导致铁电层逐渐远离饱和状态，使得电容器的记忆窗口减小。

3．3 绝缘层材料对MFIS结构器件的影响

由式（1）可以看出，具有高介电常数εi的绝缘层，能够使分配在铁电层上的有效电场增加，从而使铁电层趋于饱和，产生一个较大的记忆窗口。为研究不同绝缘层材料对MFIS器件相关性能的影响，利用Arias软件对采用SiO2、Si3N4、Y2O3、HfO2及CeO2作为绝缘层的MFIS器件的C—V特性及记忆窗口进行了模拟和分析。

图4给出了在5 V的应用电压下，分别采用不同绝缘层材料时MFIS器件的C—V特性及记忆窗口。从图中可以看出，MFIS器件的C—V曲线随绝缘层介电常数的增加逐渐变宽，其记忆窗口从0．36 V增大到1．09 V，并逐渐趋于饱和。

图5为不同绝缘层材料时MFIS器件的记忆窗口随应用电压的变化。从图中可以看出，高介电常数为绝缘层jf，MFIS器件的记忆窗口在7 V时达到饱和，而低介电常数为绝缘层时，记忆窗口在15 V时仍未达到饱和。这意味着在一定厚度下，高介电常数的绝缘层能够使MFIS器件的记忆窗口在一个较低的应用电压下达到饱和，从而减小工作电压，使得其与现代集成电路设计工艺相兼容。

4 结束语

利用器件模拟软件Arias，结合饱和状态及非饱和状态下的铁电极化模型，研究了应用电压、绝缘层厚度及材料对MFIS器件的C—V特性及记忆窗口的影响。仿真结果表明，增加应用电压、减小绝缘层厚度及采用高介电常数材料，可以使器件的C—V曲线逐渐变宽，记忆窗口逐渐增大。但是考虑到MFIS器件与现代集成电路的工作电压的兼容性，以及过薄的绝缘层可能会引起的漏电流，使得采用高介电常数的绝缘材料作为MFIS器件的绝缘层成为一个提高MFIS器件性能的有效途径。