（微电子学与固体电子学专业论文）铁电存储单元mfismfmis的制备、特性及建模.pdf

铁电存储单元mf i s / mf mi s的制备、 特性及建模中文摘要 摘要 本文研 究了非破坏 性读出 ( n d r o ) 铁 电存储器任 e r a m)存储 单元 m f i s / m f m i s 的 制备， 特性及建 模。 . 本文采用物理和数学分 析相结 合的 方法，构建了m f i s / m f m i s 结构的新 模型， 并通过合理的 近似得到了m f i s / m f m i s 单管单元的阂值电 压新的 解析模型; 在考虑mr s 结 构中 铁电 层上的分压和沟道位置的关系的 基础 上， 进一 步得到相 应的c - v和i n 曲线。分析表明， 闽值电 压解析模型 的 近似误差很小， 分析闽 值电 压解析 模型表明铁电 材料的介电 常数越低， 电 滞回线的 矩形 度越好， mf i s / m f m i s的 存储特性越好。对 c - v曲 线 相 应的物理过程的分析表明， 工作频率以 及电 滞回线是否饱和对 c -v 特性有较大影响，而c - v窗口 和m r s 结构存储特性密切相关。 对i - v曲 线 的 分 析 表明 ， 在 器 件 和电 路 结 构设 计时 ， v g 不 宜 太 大或 太小 ， v d , 越大越有利于m f i s 结 构不同 存储状态的区分。 . 结合现有的实验条件， 确定了具有静电 保护电 路的m f i s / m f mi s 单管单 元阵列的工艺制备流程。 并最终制备得到了p t / p z t / s i 0 2 ( 5 0 n m ) / s i 结构 的单管单元阵列， 以 及p t / p z t / s i o , ( 5 0 n m ) / s i 和p t / p z t / s i 0 2 ( 1 0 0 n m ) / s i 电容结构。 . 通过测试p t / p z t / s i o 2 ( 5 0 n m ) / s i 单管单 元阵列工 一 v 特性， 表明 所制 备单 元具有存储特性， 在写入电 压为+ 1 5 ( 逻辑“ 1 ” 状态) 和一 2 0 v ( 逻辑“ o 状态) 下， 读出电 压为 v g =7 v , v , =i o v 时， 1 ” 状态和 0 ” 状态的电 流- t 差可至0 . 3 6 m a ; 实验结果和模型结论相吻合。 对m f i s 电 容结 构的 c - v 特性测试， 研究不同 工作电 压，不同的介质层厚度对m f i s / mf m i s 的c - v 窗口的影响，和m f i s / m f m i s 新模型的结果相符. 关 键词: 不挥发 存储器，铁电 存 储器， m f i s , m f m i s , 模型 中图 分类 号: t n 4 0 3 陈园琦 第 i页 2 0 0 4 . 5 - 2 s 铁电存储单元 mf i s i mf mis的制备、 特性及建棋 英文摘要 a b s t r a c t me t a l- f e r r o e l e c t r i c - i n s u l a t o r - s e m i c o n d u c t o r ( m f i s ) / m e t a l - f e r r o e l e c t r ic - m e t a l- i n s u l a t o r - s e m ic o n d u c t o r ( mf mi s ) i s t h e c o r e c e l l o f n o n d e s t r u c t i v e r e a d o u t ( n d r o ) f e r r o e l e c t r i c r a n d o m a c c e s s me m o ry ( f e r a m) . i t s f a b r i c a t io n , c h a r a c t e r i s t i c s a n d m o d e l w e r e s t u d i e d in t h i s p a p e r . . a n e w m o d e l o f m f i s / m f m i s i s o b t a i n e d , b a s e d o n p h y s i c s a n d m a t h e m a t i c a l a n a l y s i s a n d a n e w a n a l y t i c a l m o d e l o f mf i s t h r e s h o l d v o l t a g e i s o b t a i n e d , b a s e d o n r e a s o n a b l e a s s u m p t i o n s . c o r r e s p o n d i n g c - v i - v c u r v e s a r e p re s e n t e d f u r t h e r , 勿c o n s i d e r in g t h e r e la t i o n b e t w e e n t h e v o lt a g e d r o p p e d o n f e r r o e l e c t r i c f i l m a n d c h a n n e l p o s i t i o n . a n a l y s i s s h o w s a p p r o x i m a t e e r r o r i s s m a l l i n t h is a n a ly t i c a l m o d e l , a n d it is i n d i c a t e d f ro m t h e t h r e s h o l d v o l t a g e m o d e l t h a t t h e l o w e r d ie l e c t r i c c o n s t a n t o f f e r r o e l e c t r i c s f i l m a n d t h e b e t t e r r e c t a n g l e r a t i o o f h y s t e r e s i s l o o p , t h e b e t t e r mr s m e m o ry p e r f o r m a n c e w i l l b e . a n a l y s i s o f c - v c u r v e s h o w s ; f r e q u e n c y a n d s a t u r a t i o n o f t h e l o o p a ff e c t c -v p r o p e r t y s i g n i f i c a n t ly , c - v w i n d o w a n d m rs m e m o r y c a p a b i l it y c o r r e la t e g r e a t l y . a n a l y s i s o f i - v c u r v e s h o w s , a m o d e r a t e v g a n d a h i g h v d s b e n e f it th e d i s c r i m i n a t i o n o f mf i s me mo ry s t a t e s . . t h e p r o c e s s fl o w o f a n mf i s i m f mi s c e ll a r r a y w it h e l e c t r o - s t a t ic - d i s c h a r g e ( e s d ) p r o t e c t i o n i s d e s i g n e d b a s e d o n o u r l a b s e x p e r i m e n t c o n d i t i o n . p t f p z t / s io 2 ( 5 0 n m 邓i c e l l a r r a y i s f a b r i c a t e d . a l s o p t / p z t / s i0 2 ( 5 0 n m ) / s i a n d p t 1 p z t / s i o 2 ( 1 0 0 n m ) / s i c a p a c it o r s a re f a b r i c a t e d . . b y t e s t in g i - v c h a r a c t e r i s t i c s o f p ti p z t / s i o 2 ( 5 0 n m ) / s i c e l l a r r a y , t h e m e m o ry c a p a b i l i t y o f p t / p z t / s i o 2 ( 5 0 n m ) / s i i s c h a r a c t e r i z e d : a ft e r w r i n g + 1 5 v ( lo g i c 1 ) a n d - 2 0 v ( l o g i c 0 ) , t h e d i ff e r e n c e o f s o u r c e - d r a i n c u r r e n t ( i d , ) b e t w e e n l o g i c 1 a n d l o g i c 0 i s 0 .3 6 m a , w h e n r e a d in g v o l t a g e i s 玲=7 v , v d , =i o v ; t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s a g r e e w i t h t h e m o d e l p r e d i c t i o n . t e s t i n g o f c - v c h a r a c t e r i s t i c s o f p t / p z t / s i o 2 ( 5 0 n m ) / s i a n d p t/ p z t / s i0 2 ( i o o n m ) / s i c a p a c i t o r s s h o w s , t h e c o n t r i b u t i o n o f t h e d i ff e r e n t o p e r a t i n g v o lt a g e a n d i n s u l a t o r t h i c k n e s s t o t h e c - v w i n d o w c o i n c i d e s w i t h t h e m o d e l p r e d i c t i o n t o o . k e y w o r d s : n o n - v o l a t i l e m e m o ry , f e r a m, m rs , mf m i s , m o d e l 陈园琦 第 11页 铁电存储单元mf i s r v i f mi s的制备、 特性及建模 第一章背景 第一章背景 1 . 1 .铁电体及铁电 特性1 1 , 2 1 铁电 体是具有自 发极化并且自 发极化能被外加电 场所转向 的一类材料。 从 本质来说， 铁电材料总是具有压电 性和热释电性。 因为成为压电 体的 必要条 件是 晶 体在构造上不具有对称中心， 热释电 体则具有自 发极化， 在3 2 种晶 体点 群中， 不具有对称中心的 共有2 1 种， 其中只 有 1 0 种含有单一对称轴的点 群可能 产生自 发极 化， 其中只有铁电 体的自 发 极化能被外电 场重新定向， 这是铁电 体最 重要的 特征， 也是导 致铁电体一系列特殊性质的原因。 在铁电体中， 极化束缚电荷在晶体内 部和外部建 立起退极化场，既然 铁电 体的自 发极 化是能被电 场重新定向 的， 晶 体内 部在退极化场的作用下， 就会分 裂 出一系 列自 发 极化方向 不同 的小区域，使其各自 所建立的 退极化电场互 相补偿， 直到 整个晶体 对内、 对外 均不呈 现电 场为 止。 这些由自 发极化方向相同的晶胞 所 组成的小区域便称为电 畴， 分隔相邻的电畴的界 面称为畴壁。 在铁电晶体中电 畴 不能任意取向，只能沿着晶 体的某几个特定方向。 如图1 . 1 所示， 铁电特性在宏观上表 现为电滞回线特性。 对于一块没有强 制 极化过的铁电 晶体， 其初始状态处于图1 . 1 的0点。 如 果沿着晶体某一可能产生 自 发极化的方向 加上电 场， 当电 场超过电畴反转的临界电 场时， 与外场方向不一 致的反平行畴与正交畴中 就有 许多新 畴产生。 随着新 畴的不断生长和4 0 0 畴壁的 侧向 移动， 与电 场方向不一致的畴逐 渐消失， 沿着电 场方向 的电 畴逐渐扩大， 直 到晶体中所有电 畴均转向外电场方向。 这一 过程对 应着 o a b曲 线。当电 场继续 增加时， 极 化强度己 不可能由 于畴的 转向 而大幅度的 增加， 只能象普通电 介质一 样， 通过电 子和离子的 线性位移沿着b c 稍稍增加。 如果减小外电场直至为零， 极化强度大体上保持着强场下的状态， 只有少数最不稳定的区域内分裂出反向 畴， 对应图1 . 1 的c i ) 段。此时的极化强 度为剩余极化强度r ， 分裂出 反向 畴是 导 致 p r 比自 发 极化强度p ， 小的 原因。 为了 获得p s 值，可将c b外推至外电 场为 零， 此时在极化轴上的 截距即p s o当 加上反向电场时， 随反向电 场的增 大， 分裂 出的反向畴增多， 当沿电场和逆电场方向的电 畴体积相等时， 晶体的宏观 极化强 度为零， 把剩余极化全部去除所需的 反向电 场强 度称为矫顽电 场强度 e c 。电场 陈园琦 第 i页 铁电存储单元mf i s /mf mi s的制备、 特性及建模 第一章背景 继续在反方向 上增加， 极化畴将全部在反 方向 上定向。 当 反向电 场重 新下降并改 变其方向时，则和前面的过程类似，经由 g h 返回到 c点，完成整个电滞回线 cdghc. 图 1 . 1铁电体的电滞回线 1 . 2 .铁电存储器的分类 因铁电 材料具有双稳态而被广泛用于二 进制信息的存储中， 铁电 存储器正是 利用铁电 材料的 这一特性进行工作的。 根据存储器单 元结 构的不同， 铁电 存储器 可以 分成两大类: . 破坏性 读出的铁电 存储器 ( d r o f e r a m ) 。 这种存储器由晶体 管和铁电电 容 两种器件组成， 类似d r a m结构， 主 要有两种单元结构: i t / 1 c( 一个晶体 管和一个铁电电 容) 和2 t / 2 c( 两个晶体管和两个铁电电 容) ， 由 于它们通过 铁电 薄膜极化状态变 化， 存储及释放电 荷来读写信息， 在读取操作时会改变 铁电 薄膜的 极化状态， 因此在读出时序之后必须紧跟一个回写时序组成一个 完整的读时 序，所以 称为 破坏性读出的 铁电存储器 ( d r o f e r a m) s a m s u n g以 及t e x a s i n s t r u m e n t s 都宣布了 他们的6 4 m的d r o铁电 存储器。 今天， d r o铁电存储器的 研究已由低密度向着中、 高密度和 低成 本 陈园琦 第 2页 2 0 0 4 - 5 - 2 8 铁电存储单元mf i s / mf mi s的制备、特性及建模第一章背景 的方向发展幻 . 非破坏性读出的铁电存储器 ( n d r o f e r a m ) 。这种存储器是基于 m f s / m f i s / m f mi s 类结构， 它是利用铁电 材料作为栅介 质， 当外电场变化引 起铁电极化状态发生变化时， 会调制 沟道的导电能力使得源、 漏电流的大小 发生改变，从而存储信息。其读出操作不影响铁电薄膜的极化状态，因此称 其为非破坏性读出的 铁电存储器。至今这种存储器的研究尚处于实验室阶 段， 国 外还处于 存储单元 特性研究阶段 1 3 ,4 1 . n d r c ) 铁电存储器的研究涉及半 导体、 电 介质物理等交叉学科， 至今对 所涉及到的一些关键的科学问 题认识 还不很深入， 例如存储单元的 设计和模拟尚 无良 好的 模型可供 利用; 对铁电 薄膜制备工艺 和集成电路制备工艺的兼容性问题尚未完全解决等。 迫切需要 研究n d r ( ) 铁电 存储单元的 模型 及工艺 制备。 1 . 3 .不挥发存储器发展和比 较 近二十年来，随着计算机、 移动 通讯、存储 卡、英特网的飞速发展， 对不挥 发存 储技术的需求越来越大， 在存储 器市场中 所占 据的份额逐年上升。 2 0 0 2 年， 不挥发存储器在整个存储器市 场中的份额已 上升至 3 0 %， 预计所占比例 仍将大 幅上升 ( 数据来源: we b f e e t r e s e a r c h i n c . ) o 目 前不挥发存储器市场的主 流产品是f l a s h 。自 第一代f l as h 商业产品问世 以 来， 在提高密度和稳定性以 及降 低成本方面取得了 惊人的 成就。 但是由 于存储 电 荷的 基本要求， 浮栅不能随着集成电 路工艺的发 展无限 制地减薄， 存在技术发 展的 瓶颈。 此外， f l a s h技术的其它一些缺点也限制了它的应用， 例如数据写入 慢、 写数据时需要高电 压因 而功耗大; 需要特殊的电 压提升结构增加了电 路和设 计的复杂 度; 可擦写次 数低， 必须对指定的 单元块而不能 对指定的 单元进行写操 作等。 鉴于这种情况， 目 前世界上凡乎 所有电 子和半导体行业巨头 及其它 相关研 发机构都在竞相研发新一代不挥发存储器技术， 以期 在未来 激烈的半导体 产业竞 争中保有技术和市场优势。 铁电 存储器 被认为是最具潜力的 下一 代不挥发存储技术之一而成为 研究的热 点 8, 8j 。 还 有 两 种不 挥 发 性的 存 储 器 处 于 研 发 阶 段， 他 们 分 别 是磁 阻 随 机 存 储 器 ( ma g n e t o r e s i s t i v e r a m -m r a m) 和o u m ( o v o n i c u n i f i e d m e m o r y ) . 表 1 . 1 f l as h , f e r a m , mr a m, o u m等四种不挥发性存储器比 较 厂 p a r a m e ta e r 一一f la sh一一 厂f e r a m林 ir a m o u m 陈园琦 第 】页 铁电存储单元 mf is t mf mi s的制备、 特性及建模第一章背景 l a 唯es 宝 a r r a y b u i l t , mb 2 5 66 4i4 ce ll s i z e f a c t o r 8 - 1 0 i 81 4- 2 05 - 8 e n d u r a n c e , c y c le s l 0 ,1 0 1 从读写速度来看，除 了f l a s h 读的 速度外， f e r a m 最好: 从制造成本来看， f e r a m 需要的 掩模版最少， 成本 也最低。与m r a m 和o u m 相比， f e r a m 走在前面，已 经有商业 化的生 产线， f e r a m 最有可能代替f l a s h 成为主流的不挥发性存储器。 正因为f e r a m具有潜在的巨大的商业价值， 2 0 0 1 年的i t r s ( i n t e r n a t i o n a l t e c h n o lg y r o a d m a p f o r s e m i c o n d u c t o rs ) 收 录了 f e r a m 的 发 展 指 南 。 表1 .3 是 it r s 的 f e r a m的发展指南及 其与 d r a m的 发展指 南的比较。 可以看出， f e r a m 集成 度增加的 速度快于 d r a m 集成度增加的速度。 到2 0 1 6 年， 两者的 集成度只差 4 倍。 实际上这两年 f e r a m的 发展速度已 超过了 i t r s 的预计。 表1 .2 i t r s 的f e r a m的发 展指南 及其与 d r a m的发展指南的比较 f e ram y e a r 2 0 0 12 0 0 2 2 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 2 0 0 72 0 1 02 0 1 32 0 1 6 f e a 加 r e s i z e ( u m) : f 0 . 5 0 . 3 5 0 .2 50 . 1 80 . 1 80 . 1 80 . 1 30 . 10 .0 70 . 0 5 s t a n d a r d me m o ry 1 m4 m 1 6 m6 4 m6 4 01 2 8 m2 5 6 m1 g4 g1 6 0 dr am s t a n d a r d me mo ry 51 2 m5 1 2 m ig1 02 g2 g 4 g 8 g 3 2 06 4 g 铁电 存储器中的 n d r o 方式除了 具备铁电存储器所具有的共同 优点外，与 d r o 方式不同 之处在于， 在读操作后不必重写电容的 原状态: 不需 反转， 不易产 陈园琦 第 4页 铁电存储单元mf i s / mf mi s的制备、特性及建模第一章背景 生疲劳， 因 而读操作次数高: 不需增加读出后使状态返回的电 路， 因此 可以 做到 器件结构更加简单， 体积更小， 集成 度更高。 特别是这种方式易于实现多 值存储， 在相同规模下可以达到更高的存储容量，因而在提高性价比方面具有极大的优 势。 1 . 4 .研究背景 m f i s 最早是由mf s ( m e t a l - f e r r o - s e m i c o n d u c t o r ) 发展而来的， 它是单管存 储单元， 把铁电 材料作为m o s 管栅介质使用， 在栅介质铁电 材料中写入不同极 化方向 后， 即使去掉栅电 压， 由于 剩余极 化所产生的电场也可以 用来影响沟道导 电 能力， 改变阂值电 压， 从而达到存储不同状态的目 的。 非破坏性读出的 铁电 存 储 器基本思 想很 早就有人提出了， 但是因为好多技术方面以 及机理方面都需要进 一 步的深 入研究， 故至今m f i s 结构存储器的研究尚 处于实验室阶段。 现 今m r s 在结 构方 面一般为m f i s 或mf m i s ， 在介质方面 ( i 层) 和 铁电材料 ( f 层) 方面 也有多种 选择。根据2 0 0 1 i n t e rn a t i o n a l e l e c t r o n d e v i c e s m e e t i n g t e c h n i c a l d i g e s t 上 的 文 献 报 道， m .y . y a n g 13 ,7 1 等 人成 功 使 用a 1 20 3 为 介 质 材 料 ， 分 别 选 取p z t . s b t为铁电材料， 制备了m rs 结构的 存储单元， 并进行了一系列 存储 特 性 的 对比 o t a k a s h i n a k a rn u r a 14 3等 人 也 成 功的 使 用s io 2 为 介 质 材 料， p z t 为 铁 电 材料的m f m i s结构的存储单元。 虽然mf i s / m f m i s结构的存储器还处于 研 究 阶段， 但是其具有突出的 优点， 随着工艺技术的发展， 将成为下一代非挥发性 存储器中 重要的 一员。 我们实 验室正 在进行铁电应用于 现场可编程门阵列( f p g a ) 和 铁电 应用于 非 挥发 逻辑的课题， 其中都利用到m f i s / m f m i s 结构的存储单元。 电 路的设计还需 要m f i s / m f m i s 的模型作指导，需要m f i s / m f mi s 来实现。所以迫切需要研究 m f i s / m f m i s 结构存储单元的 建模和制备问 题。 1 . 5 . 论文概要 如图1 .2 所示， 论文主要包括三个主要问 题: m f i s / m f mi s 结构的存储单元 模型的建立， m f i s / m f mi s 的工艺流程及制备， mf i s 的测试。 在第二 章中， 先 详细介绍m f i s / m f m i s 的 工作原 理及 物理机制， 由 此建立m f i s / m f m i s 的基本 方程， 建立了 新的m f i s / m f mi s 模型; 进一步得到了一种新的m f i s / m f m i s 的 闭值电 压解析模型， 对得到的c v v i - v特性进行分析和讨论: 进一步利 用模 陈园琦 第 ，页 铁电存储单元mf i s i mf mi s的制备、特性及建模第一章背景 型 讨论和比 较不同的工艺参数对c - v 特性的 影响。在 第三章中根据工艺原理及实验条件， 结合模型结果， 确定了 m f i s i m f m i s的工艺 流程， 设计了版图。 在第四章介绍具体的工艺 制备及测试结果， 并与 模型结果进行了比 较。 最后是总结与展望。 验证 总结与展望 图1 .2论文结构 陈园琦 第 吞页 劲 a 4 - 5 - a 习 铁电存储单元mf i s / mf mi s的制备、特性及建模 第二章m f 工 s / m f m 工 5建模 第二章mfi s / m f m i s 建模 2 . 1 . mf s / mf i s / mf mi s工作原理 2 . 1 . 1 . mf s结构 早 在 1 4 7 4 年，s h u - y a n w u 首先在m a s 场效应晶 体管的 基础上提出新型结 构的 金属铁电半导体场效应晶体管作为二进制存储器件的 设想阁。 这种结构的存储器是用铁电 薄膜取代传统的m o s f e t中的 栅氧 化层构成的 新型不 挥发非 破坏性读出 存储器。 它是利用铁电 薄膜的不同的极 化方向 来调制 半导体沟道的电导，从而实现二进制数据的存储。 f i g 2 . 1 m f s f e t 结构剖面图 当m f s 铁电 存 储 器 件的 栅极 加 足 够 大的 正 向 电 压v : 时 ， 铁电 材 料 的 极 化 方 向 从铁电 材料指向 半导体衬 底， 总的效果是在半导体表面诱发出负电 荷， 在源极 和漏极间 会形成导电 通道， 晶体管导 通。 当 外电 场去除后， 剩余极化强度诱发的 电 场依然吸引 半导体中的负电 荷到半 导体的 表面， 半导体表面仍处于导通状态。 如f i g 2 .2 ( a ) 所示。 v g a c 杏 铁 电 薄 腆 l d 牡 : 3 sa e d n + . o ; p s i 似0 任 ， p 5 主 ( a ) 沟道开启状态 ( 日 )沟道关闭 状态 f i g 2 . 2 m f s 存储器件的工作原理图 当mf s 铁电 存储器件的 栅极 加足够大的负向电 压 ( v g o ) 时， 铁电 材料的 极化方向 发生翻转， 从半导体衬底指向铁电 材料， 此时半导体沟道中诱发出正电 陈园琦 第 7页 铁电存储单元mf i s nf mi s的制备、特性及建模 第二章m f i s i m f m i s建模 荷。 当 外电场去除后， 剩余 极化强 度诱发的电 场依然吸引半导体中的 正电 荷到半 导 体 的 表 面 ， 半 导 体 通 道处 于 关 闭 状 态 加f ig l 2 (b ) 所 示 19 1 2 . 1 . 2 . mrs结构 在m i f t s 结构铁电存储器中，由 于铁电薄膜和半导体衬底直接接触，其 界面 之间 存在着许多 缺陷。 如界面的陷阱密度较高; 漏电 流较大; 铁电材料与硅衬底 表面 之间 粘附性不好; 同 时还存在着铁电 薄膜与半导体衬底之间的相互扩散等问 题。 为了克服 m / f / s结构铁电存储器存在的问题，研究人员提出了新结构的 m f i s - t y p e 铁电 存储器，即 在半导体衬底 和铁电薄膜之间增加一层介质层以 改善 f i g 2 . 3 m r s 结构存储器剖面图 其界面特性， 提高 器件的性能. 目 前， m r s结构是一 种比 较理想的 铁电 存储器结 构。 m rs 结构 f e t具有 以下几个特点: i . 在铁电薄膜和半导体衬底之间 增加了 一层绝缘层， 改善了 界面特性， 降 低 了 界面中的缺陷: 2 . 解决了铁电 薄膜与半导体衬 底之间的 相互扩散问题， 提高铁电 薄膜与半导 体衬底之间的 毅附 性; 3 降 低了静 态漏电 流， 提高了m r s 存储单元的保持特 性: 4 . 去除自 然氧化层的影响， 使离子陷阱密度大大减少， 有效 地抑制了电荷 从 硅向 铁电薄膜的扩散. 2 . 1 . 3 . mf m i s 结 构 然而m r s 结构的f e t 依然有难以克 服的问 题 l0 , l t ) 第一， m rs 结构其实相当 于两个电 容的串 连， 这样使得外加电 压在 铁电薄 膜 和绝缘介质之间进行了分 配， 由 于铁电 薄膜介电 常数一般都比 较大， 而绝缘层材 陈园琦 第 .页 铁电存储单元mf i s t mf mi s的制备、特性及建模 第二章m f i s i m f m t s 建模 料( 如s i o 2 ) 的介电 常数一般都比较小，所以大部分电压都落在i 层上，铁电 上分 不到足够大的电压， 所以 在低的 工作电 压时， m f i s结 构的铁电电滞回线一般是 极度不饱和，存储窗口 较小。 第二， m r s有一个致命的弱点，即mf i s单管单元存储器的保持特性差， 一般认为是两个原因造成: 漏电流。 退极化场。因为在单管单元存储器静态时， 通常是让m rs 的 栅极接地，因 为m r s 是m f m和m i s 两个电容串连， 所以在静态时，因为m i s 的存 在， 使得m f m电 容总是处在一个和其极化方向 相反的电 场中， 称之为退极化场， 使得铁电存储的电荷逐渐的减少。 ( a ) 1 : 1 ( b ) i :n 图2 .4 m f m i s 结构剖面图 由 此 提出 了 一 种 新 结 构的m f m i s - ty p e 铁 电 存 储 器。 在f 层 和i 层间 加 入了 一 层 金 属层m ( 如p t ) ， 改善了界 面， 应力匹 配等问 题。同 时通过调整中间 的m层的 面 积， 使得铁电电 容的 面积可以 远小于介质层电容的面积， 使分压关系得到改 善， 铁电 上的分压可以显著的 增强。 /准/ (e) r不 气 .1!个! 价任。勺已uo.日1仁.一几 铁电电容和介质层电容面积比为 1 : 1 和 l : n 的m f m i s 结构如图2 . 4 : 2 . 1 .4 铁电电 容模型 m f i s ( m f mi s建模需要铁电电 容的解析模型， 下面简要介绍文中 使用的两种铁电电 容解析 模型: 1 ) m il le r 双曲 函 数 模型 m ille r 121等 人 提出 的 一 种 模 型， 它将铁电电 容在不同幅度的外加电 图2 . 5双曲函数的解析模型 陈园琦 第 9页 铁电存储单元mf i s / mf mi s的制备、特性及建棋第二章m f i s 八f m i s建模 压下所测的电滞回线分为两类: 饱和电 滞回线 和非饱和电滞回线。 对 于饱和电 滞 回线可以 用两个双曲正 切函数 ( 2 -1 )式分别逼近上半曲 线和下半曲 线， 如图 2 . 5 所示。 其中参数p s , p ， 和e 。 分别为 饱和极化强 度、 剩余极 化强 度和矫 顽电 场， e f 为 铁电的 线性介电常数。 而非饱和电 滞回线根据 ( 2 - 2 ) 式由 饱和电 滞回 线求 出。 p o , ( e ) = p s tanh( e 28 tanh e + e ( 28 ) + e f e o e l)2) (2-(2- p _ - , ( e ) =p s 十 f s , e a p _ p ap0 a e怒 其 中 : 常 “ “ 二 ; in 1+ p f( f1- p, jp,一 函 ” r e (0,i. 双曲函数数学模型提供了描述铁电电容电 滞回线特性的一种比较精确的方 法， 和测试结果祸合得也很好， 但 是其非饱和电 滞回线需要边界条 件 才可以求出。 2 ) h a n g - t in g l u e t33 电 滞回 线 模型 针对m i l l e r 模型的非饱和电 滞回 线难于 计算的 情况， h .t l u e 等人提 出了新的不饱和滞回线的 模型， 非 饱和电 滞回线由铁电 薄膜能受到的 最大电 场 ( e m ) 参数决定: p , - 1 5 p .c 耐 p s3 o c k m 2 石=s o n v po 口 v t3o 一-t-iiie - 75 kv1cm 旧k v/ c m e月20在礴 飞各生丫夕，鱼 a 6 0 - 1 e 0 s 0 0 s o 1 0 0 e l e c t ri c f lo w ( k v t o m ) 图2 . 6 h .t l u e 电 滞 回 线 模 型 11 21 / 、 二 )= p tanh(e 2e )+cfspe+i (p tanh(e2se)一“ tanh( e - e0 l z p -(e，二 = p tanh(e ze (+ s,、 一2 p, tanhce2se)一 。 tanhi e -e,l 2,5 ) ( 2 -3 ) 当铁电薄膜的外加电 场等于最大电 场铁 ( e m ) 时， 铁电薄 膜的 极化强度为最大极 化 强 度 ( p d ) , h a n g -t in g l u e 模型 中 最 大 极 化 强 度 和最 大 电 场的 关 系 式 为 : 。 、 )= 、 二 1: tan (e, + e,2(p, tanhi 2s 一 : tanhl e e) i2s 陈园琦 第 1 0页 ( 2 -4 ) 2 0 0 4 - 5 . 2 8 铁电存储单元mf i s i mf mi s的制备、特性及建模 第二章m f i s / m f m i s建模 h .l , l u e 的模型比 较新， 没有足够的数据来验证， 而且在极度非饱 和情况 下和 实际情况有些差别。 2 . 2 . m f i s i mf mi s模型 研究 当前关于 m r s类结构的研究， 主要 集中于基本结构的 工艺制作， 关于 器件 的物 理模型 和数学分析的研究1 1 4 , 1 5 , 1 6 1 ， 以及器件 特性的表征、分析都很少， 但这 部分工作对于器件制作、 性能改 进及电 路设计都有至 关重要的意义。 目 前的 模型 大 都 采 用 了 较大 的 近 似 处 理 方 法， m il le r e t a l.114 1模 型 简单 地 认为 铁电 层 里 的电 场是常数，和沟道位置无关，因此这个模型只适用于漏源电压较低的情况。 h a n g -t in g l u e i 1模 型 未 分 析 闭 值电 压， 对c - v曲 线 也 没 有 严 格的 分 析。 已 有 文献中，关于阐值电 压， 频率及铁电 是否饱和对该结构 c - v及相应 存储特性影 响的分析几乎没有。 本文针对这些情况， 从基本物理方程出发， 得出阂 值电 压的 新解析 模型， 和新的m f i s / m f m i s 模型， 据此得出 在不同条件下的c -v , i - v 曲 线， 并对曲 线所 对应的 物理过程和机 理进行了 详细的分析。 分析得 到的结 论可 应用于器件与电路结构的设计。 本文所采用的物理与数学分析相结 合的 方法适用 于所有m r s 类的结构， 包括m f s d 2 . 2 . 1 . mf i s i m f mi s 基本方 程组 下面通过物理分析构建m f i s / m f m i s 结构的 基本方程组。为了使计 算简 化， 并结合实际应用中的 情况， 作如下假设: i ) 半导体内 部深处电 势为 零; 2 ) 介质均匀， 无体分 布极 化电荷; 3 ) 无自由 界面电 荷， 所以界面电 位移矢量连续; 4 )一 维近似; 5 )由 于m i m和m f m电 容的 厚度z , 编， 所以可以 近似为无限大平行板电容。 如f ig 2 .3 所示 ， 设m f is / m f m i s 结 构 外 加 栅 电 压 为v g ， 铁电 ， 介 质 层 ， 半 导 体 层 上的 压降 分 别 为vf , v , , w ,显 然 : v a = +v ， 十 v , + 玲 ( 2 - 5 ) 对于 m f i s结构， 根据铁电 层和介质层界面的电 位移矢量连续， 可以 得到 ( 2 - 6 a ) : s o e f + p f = s , -, o e , ( 2 一 6 a ) 陈园琦第 1 1页2 4 0 4 - 5 - 2 8 铁电存储单元m f i s i m f m i s 的制备、 特性及建模 第二章m f i s 加刚工 5 建模 对于 mf mi s结构，则利用中间的 m层电荷守恒 ，得到 ( 2 -6 b ) : (e, e , + p, ” 一 e186 e , 1s i ， e,e , + p, 二 舒 二，co e , ( 2 一6 b ) 根据介质层和半导体界面电位移矢量连续，得到: e , c o e , - e s r # o e s , ( 2 -7 a) 其中e f , e l , e s r 分别是加在铁电 ， 介质 层和半导 体层上的电 场强度， p f 为 铁电的 极 化 强 度 ， 二 。 ， : ， ， : ， 分 别 是 真 空 、 介 质 层和 半 导 体 的 介电 常 数， s f , si 分 别 是 铁电电容和介质层电容面积。 由 高斯定理， 进入硅表 面的电 场与电 荷的 关系为: e s e . e s , = 一 么( 2 -7 b ) 其中 a 。 为 半 导 体 的 空间 电 荷 面 密 度。 从 ( 2 - 7 a ) 和 ( 2 -7 b )可以 得到: e f e o e l “ - q s, ( 2 - 7 ) 利 用 空 间 电 荷 面 密 度与 表 面 势的 关 系 ” 7 得 到 下式 : 给 士 2ktesso (e4ln一 、 一i+ n p (e- 一 、 一 i) 、 二 2eo ,kt = k t u = _ kt w ,i n = 4 ,f ( 2 一s ) q , k , t分 别 为电 子 电 量 ， 玻 尔 兹 曼 常 数 和温 度 ; p , n 分 别 为 空 穴 和 电 子 中中 其其 浓度。 利用铁电体的 饱和电滞回线解析模型 1 2 1 得出: p +(e )- : tanh (e 2 8e 9 + 6 fe,e f p 一 (e )一 : tanh(e 2 s ) + 6 feoe f 了了 _ p _ 宜 ip 1 a二 e , l i n i 一扁 i i ， 二 p 日 l p) ) 其 中，e 是 矫 顽 电 场， p . 是剩余极化强 度。p + ( e ) ( 2 一9 ) 陈园琦 是 铁电 的 线 性 介电 常 数， p 是 铁 电 的 饱 和 极 化 强 度 ， ， 尸 一 ( e ) 分别代表电 滞回 线的正向 增压和反向 减压曲 第 1 2页2 0 0 4 - s - 2 s 铁电存储单元 mf i s i mf mi s的制备、特性及建模 第二章m f i s / m f m 工 5建模 线。 ( 2 - 5 )至 ( 2 - 9 ) 式描述了m f i s / m f m i s 结构 各个物理量之间的 关系， 包 括 六 个 变 量 :v g , v n v f iffy , p f ， q y ， 组 成 了 求 解m f i s / m f m i s 结 构 各 种 物理特性的基本方程组。 2 . 2 . 2 .阐值电压 片 阐值电 压是衡量晶体管性能的重要参数， m rs的闹值电压 v t 的定义参照 m a s结构的 定义， 它是使 得半导体表面强 反型 所需加 在金属电极上的电 压。 所 以 ， 当 外 加电 压 等 于阂 值电 压 v t 时 ， 半 导 体 上 的 压 降 w , ) 应该 等 于 两 倍 的 费 米势: 俨 : 0 2 1i , f k t . ( n , ) wf 一 m1 i y t拼 ) ( 2 一1 0 ) 既 然v ， 可以 从( 2 - 1 0 ) 得 到， 所以 闭 值电 压 可以 通 过m r s 的 基 本 方 程 组 求出 。 很 显然这是个超越方 程组