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金属—铁电—绝缘层—半导体（MFIS）结构器件电学性能模拟

2020-12-02阅读(421)

金属—铁电—绝缘层—半导体（MFIS）结构器件电学性能模拟

论文摘要

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。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 非挥发性存储器
  • 1.1.1 非挥发性随机存储器
  • 1.1.2 铁电存储技术及铁电存储器
  • 1.2 铁电存储器的发展、分类及应用
  • 1.2.1 铁电存储器的发展及分类
  • 1.2.2 铁电存储器的应用
  • 1.3 1T结构铁电存储器
  • 1.3.1 MFS及MFIS结构场效应晶体管
  • 1.3.2 MFIS 结构器件的实验研究
  • 1.3.3 MFIS结构器件的理论研究
  • 1.3.4 MFIS结构器件面临的挑战
  • 1.4 本文的选题依据和主要工作
  • 1.4.1 本文的选题依据
  • 1.4.2 本文的主要工作
  • 第2章 Silvaco/Atlas模拟软件及其对MFIS电容器电学性能的模拟
  • 2.1 Silvaco/Atlas模拟软件
  • 2.1.1 Silvaco/Atlas模拟软件简介
  • 2.1.2 Silvaco/Atlas对半导体器件模拟的基本方法
  • 2.1.3 Silvaco/Atlas对铁电层极化的描述
  • 2.2 MFIS电容器
  • 2.2.1 MFIS电容器的结构及参数
  • 2.2.2 MFIS电容器的C-V特性
  • 2.3 应用电压及绝缘层对MFIS电容器性能的影响
  • 2.3.1 应用电压对MFIS电容器相关性能的影响
  • 2.3.2 绝缘层厚度对MFIS电容器相关性能的影响
  • 2.3.3 绝缘层材料对MFIS电容器相关性能的影响
  • 2.4 本章小结
  • 第3章 传统Lue模型对MFIS电容器电学性能的模拟
  • 3.1 MFIS电容器的传统模型
  • 3.2 MFIS电容器结构及其参数确定
  • 3.2.1 MFIS电容器结构
  • 3.2.2 MFIS电容器参数的确定
  • 3.3 MFIS电容器低频时的C-V特性分析
  • 3.4 MFIS电容器高频时的C-V特性及相关性能模拟
  • 3.4.1 应用电压对MFIS电容器相关性能的影响
  • 3.4.2 绝缘层厚度对MFIS电容器相关性能的影响
  • 3.4.3 绝缘层材料对MFIS电容器的相关性能的影响
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 MFIS电容器模型的改进
  • 4.1 已有的模型及其存在的缺陷
  • 4.2 MFIS电容器模型的改进
  • 4.2.1 基本思路与方法
  • 4.2.2 铁电层极化模型的改进
  • 4.2.3 MFIS电容器各层的电压及电位移方程
  • 4.2.4 MFIS电容器的C-V模型
  • 4.3 改进模型对MFIS电容器性能的模拟
  • 4.3.1 铁电层极化行为的模拟
  • 4.3.2 MFIS电容器C-V特性的模拟
  • 4.3.3 MFIS电容器记忆窗口的模拟
  • 4.4 本章小结
  • 第5章 总结及展望
  • 5.1 论文总结
  • 5.2 工作展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读学位期间发表论文目录

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