基于Atlas的MFIS结构器件电学性能模拟
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。
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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。
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