【铁电场效应晶体管的性质与仿真建模分析4000字】

铁电场效应晶体管的性质与仿真建模分析目录TOC\o"1-3"\h\u16660铁电场效应晶体管的性质与仿真建模分析 1166671.1铁电材料与铁电场效应晶体管 1298771.1.1铁电材料 143601.1.2铁电场效应晶体管 1245961.2基于Preisach理论的铁电晶体管模型 3272811.1.1基于Preisach理论的铁电电容器建模 3310193.1.2铁电晶体管建模 61.1铁电材料与铁电场效应晶体管1.1.1铁电材料铁电材料的突出特征是极化与电场关系的滞后曲线，称为电滞回线，如图1.1所示。铁电材料存在自发极化，在外加电场的作用下极化方向可以改变，图中标注了矫顽电场EC与剩余极化Pr。矫顽电场为极化为零时的电场大小，可以通过施加大于矫顽场的电场强度切换极化方向；当电场为零时，可能有两种稳定的极化状态，其极化大小为剩余极化，这也是铁电存储器件非易失性的主要来源图1.1铁电电滞回线1.1.2铁电场效应晶体管铁电场效应晶体管与金属氧化物半导体场效应晶体管的主要区别在于FeFET具有铁电性质的栅极绝缘体。FeFET主要有三种不同栅介质层的结构，如图1.2所示。图1.2(a)为MFS(Metal-Ferroelectric-Semiconductor)结构，用铁电材料介质替换传统晶体管的栅介质，但是由于铁电层与沟道之间的界面不兼容导致器件界面性能较差。在铁电层和沟道之间引入一层传统介质层，组成MFIS(Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor)结构，如图1.2(b)所示，可以解决铁电层与沟道的界面问题，但是由于漏源之间的沟道表面电势变化导致该方向电势放大不均匀。在栅介质和铁电层之间引入一层金属组成MFMIS(Metal-Ferroelectric-Metal-Insulator-Semiconductor)结构，如图1.2(c)所示，可以获得均匀的电势放大效果，但是会增大制造难度和漏电。MFIS结构仍然是目前的主要选择，而且随着氧化铪基铁电材料的提出,通过热氧即可在氧化铪和硅之间形成一层薄氧化硅介质层[21]。图1.2三种FeFET结构(a)MFS结构；(b)MFIS结构；(c)MFMIS结构铁电场效应晶体管的铁电层存在负电容效应，称为负电容场效应晶体管。负电容场效应晶体管可以用来提高逻辑晶体管的性能，即通过铁电负电容与常规电容串联后电容增大，使得场效应晶体管的亚阈区栅源电压摆幅突破玻尔兹曼极限而小于60mv/dec，从而在不牺牲驱动能力的情况下降低工作电压即降低功耗[22]。本文重点关注FeFET用于非易失性存储器及存内计算的研究。传统的FeFET通常采用钙钛矿基铁电体用于栅极叠层来实现存储应用，然而，尽管这些器件表现出出色的保持和耐久性能以及大的存储窗口，但所用的钙钛矿存在一系列集成和尺寸问题，阻碍这种FeFET技术的进一步发展[23]。二氧化铪基薄膜在有帽的情况下结晶可以具有铁电性，并且该材料完全兼容标准CMOS半导体制造工艺,使其有望解决上述问题并引起广泛研究兴趣[24]。铁电存储器件大致可分为两类:具有铁电薄膜组成存储电容器的FeRAM和具有铁电栅极绝缘体的FeFET。FeRAM通过将由铁电薄膜组成的存储电容器连接到寻址场效应晶体管来构建一种新型非易失性存储器，具有出色的开关和存储特性，但其读取操作是破坏性的[25]。FeFET可以实现非破坏性读取，并且因其电场驱动的写入原理使其具有比其他非易失性存储器更低的写功耗，这也是其作为非易失性存储器的一个重要优势。1.2基于Preisach理论的铁电晶体管模型基于FeFET的非易失性存储及存内计算设计需要一个可以计算出任意电压变化对应的铁电极化变化的电路兼容紧凑模型，目前主要有基于唯象的LK(Landau-Khalatnikow)模型以及多畴Preisach模型。LK模型的铁电行为由极化和电压之间的幂律关系描述[26]。但单畴假设限制了其应用，即使对于超大规模设备中极小尺寸的铁电薄膜也很难具有单一矫顽场。Preisach模型最初用来描述磁性粒子群的磁滞现象，更适用于模拟多畴铁电模型，通常采用tanh函数描述多畴铁电行为[27]。本文基于多畴Preisach理论建立FeFET模型，利用矫顽电压的二维正态分布来判断极化变化而非tanh函数拟合，更直观的模拟FeFET的多畴效应[28]。1.1.1基于Preisach理论的铁电电容器建模尽管Preisach理论来源于磁性，但从数学角度考虑同样可以应用于具有滞回现象的铁电薄膜系统，Preisach理论主要用来描述多畴铁电体极化与外加电压的关系[29]。根据Preisach理论，铁电层的自发极化可以用公式(1.1)表示。Pt=VC+其中μ(VC+,图1.3FeFET矫顽电压的二维正态分布Pi(t)代表t时刻单个畴的自发极化值，其随外加电压变化的滞回曲线如图1.4所示，图中Vc+i、VPit=+1(V图1.4单个铁电畴的自发极化多畴铁电体的自发极化为满足一定矫顽电压分布的单畴自发极化的叠加，即公式(3.1)。基于上述多畴Preisach理论的分析，本文利用Verilog-A硬件描述语言建立了铁电电容模型，将模型导入与其兼容的Hspice进行器件级仿真。铁电电容模型的参数根据文献[30]中氧化铪锆（HZO）参考器件的剩余极化（17.7μC/cm2）和矫顽电场（图1.5显示了该铁电电容模型饱和极化与外加电压关系曲线的仿真结果，铁电体总极化为自发极化和感应极化之和。图1.5(a)为遵循公式(3.1)的铁电自发极化；图1.5(b)为铁电体的感应极化，感应极化的大小等于外加电场与铁电层介电常数εfe的乘积；图1.5(c)为铁电体总极化，当自发极化趋于饱和后，继续增大电压则极化增加量全为感应极化，该部分的反向延长线与极化轴的交点等于自发极化值Ps。图1.5(c)即为静态饱和铁电极化-电压滞回线，图中标注了整个铁电层的剩余极化Pr和矫顽电压VC+、EC=V图1.5(a)铁电自发极化；（b）铁电感应极化；（c）铁电总极化根据铁电材料的多畴理论，铁电的极化状态是由当前外加电压和历史状态共同决定的[31]。当所加电压未使铁电层达到饱和极化时发生电压反转，会存在小回路，即不饱和极化-外加电压滞回曲线。铁电层的不饱和极化不仅取决于反转后的电压，还与电压转折点的位置（历史状态）有关。施加如图1.6(a)蓝色实线所示的随时间变化的外加电压Vfe，铁电层的静态极化-电压滞回曲线如图1.实际铁电层的极化翻转是动态的，为拟合铁电动态翻转机制，本文在铁电模型中加入了依赖于时间和电压的动态模块，即铁电层的极化变化滞后于电压变化，铁电极化取决于Veff而非Vfe。本模型采用RC时间延迟模拟该机制，Veff由公式(1.4)计算，其中τ为动态翻转的时间常数，Veff随时间滞后于VfedVeff(t)图1.6(a)铁电动态翻转机制；（b）铁电静态/动态极化3.1.2铁电晶体管建模在Hspice中将上一节建立的铁电电容模型与MOSFET的栅极串联组成FeFET，如图1.7所示，MOSFET使用level-49（BSIM3V3）模型。由于FeFET的铁电层集成在MOSFET的栅极叠层中，公式(1.5)中的两个等式需要同时满足，即满足电荷守恒定律以及分压原理。QfeVfe图1.7FeFET紧凑模型公式（1.5）中的两个等式可以基于迭代的方法求解，迭代方法框架如图1.8所示。对于任意时刻的输入电压VG，假设MOSFET分压为Vmos，根据BSIM模型可以求解出MOSFET的电荷Qmos。由公式得到Vfe=VG−V图1.8迭代方法的框架本文用Hspice对FeFET模型的电学性能进行仿真，FeFET的存储窗口（Memorywindow，MW）用来衡量FeFET用作存储器时的读取裕度，其大小被定义为两个极化方向对应的平带电压偏移[32]。FeFET的栅极电压分压和电位移连续边界条件如公式（1.6）所示，Vfe、VI、ΨS分别代表铁电层、绝缘层分压以及半导体表面势,εI、εsiVG=Vfe在平带条件下，表面势ΨS=0，根据高斯定理得出的公式（1.7）并结合公式（1.6），可以得到VI与铁电层的极化均为0，平带电压等于铁电层分压。因此平带电压的偏移量等于铁电极化为0时的铁电层电压偏移，在编程、擦除电压脉冲使得铁电层极化饱和时对应的存储窗口最大，可以用公式（1.8）表示，其中EC、εsiε0MW=2·EC·通过施加VG=−5V的擦除电压脉冲，FeFET处于高阈值电压状态，其漏极电流随正向扫描的