基于Atlas的MFIS结构器件电学性能模拟

摘要 利用Atlas器件模拟软件，对MFIS结构器件的C—V特性及记忆窗口进行模拟。讨论了应用电压、绝缘层厚度及绝缘层材料等因素，对MFIS结构器件记忆能力及稳定性的影响，为MFIS结构器件的设计和性能提高提供了参考。
关键词 MFIS；记忆窗口；C—V特性；Atlas

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。