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鐵電電容組成結(jié)構(gòu)
日期：2021-01-11瀏覽：2025次
將鐵電材料應(yīng)用于存儲(chǔ)器，是利用了鐵電材料本身的極化特性，更詳細(xì)的說(shuō)，是利用的鐵電材料在外加電場(chǎng)下具有極化的特性，利用正向極化到Psat和反向極化到-Psat 的相反特性可以分別存儲(chǔ)‘0’和‘1’。并且由于在撤除外部電場(chǎng)后，其極化強(qiáng)度會(huì)得到一定程度的保留(即剩余極化強(qiáng)度Pr)，使得鐵電存儲(chǔ)器擁有非易失的存儲(chǔ)特性。
而具體的將鐵電材料用于存儲(chǔ)器的方法則是先將鐵電材料制備成為鐵電薄膜，再將鐵電薄膜制備成為鐵電電容，通過(guò)將鐵電電容的上下極板分別接通不同的電壓，便可將電容中間的鐵電薄膜極化，從而達(dá)到存儲(chǔ)信息的目的，可以說(shuō)，鐵電電容就是鐵電存儲(chǔ)器的重要的部分。
一般來(lái)說(shuō)，在芯片制備工藝中，我們采用金屬-鐵電材料-金屬的三層薄膜結(jié)構(gòu)組成 MFM 型鐵電電容，如圖2-2(a)所示，兩層金屬層為鐵電電容的上下極板，外部電路可以通過(guò)給上下兩個(gè)極板施加電壓來(lái)將中間的鐵電材料極化。
但是，有時(shí)為了獲得更加良好的電容特性，獲取更小的漏電流和更穩(wěn)定的界面狀態(tài)等，MFM 結(jié)構(gòu)型鐵電電容可能就不是*好的選擇，于是便有了針對(duì)該類型鐵電電容的改進(jìn)，比如向鐵電電容中間加入絕緣材料，如 Al2O3 等，于是就產(chǎn)生了如圖2-2(b~d)所示的幾種其他類型的電容結(jié)構(gòu)。其中 MFIM 型電容是在下層金屬極板和鐵電層之間加入一層絕緣層，而MFIFM型電容則是將中間的鐵電層一分為二，再在兩層鐵電層之間加入一層絕緣層。而為了增加鐵電材料在半導(dǎo)體工藝中的集成度，一些學(xué)者拋棄鐵電電容的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)而?出鐵電柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。具體來(lái)說(shuō)就是將場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極電介材料換為鐵電材料，這種晶體管的柵極和溝道之間的結(jié)構(gòu)構(gòu)成 MFIS 型結(jié)構(gòu)，即金屬-鐵電材料-絕緣層-半導(dǎo)體襯底的機(jī)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的目的是直接讓鐵電材料的極化狀態(tài)影響半導(dǎo)體襯底中載流子狀態(tài)。
由于鐵電電容在存儲(chǔ)器中承擔(dān)存儲(chǔ)信息的作用，所以鐵電電容必然是鐵電存儲(chǔ)器的核心所在，鐵電電容本身的特性可以影響鐵電存儲(chǔ)器的特性。而鐵電電容的特性主要有以下幾個(gè)因素所決定：鐵電電容面積、鐵電薄膜厚度、鐵電材料的種類以及金屬極板的材料等。其中鐵電電容面積直接影響鐵電電容的飽和極化強(qiáng)度，也就是影響了鐵電電容在極化時(shí)所釋放出的電荷量，在本文后面的討論中即可得知，釋放出的電荷量的多少將直接影響存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及靈敏放大器設(shè)計(jì)等等。而鐵電薄膜厚度、鐵電材料的種類同樣決定鐵電電容的大極化強(qiáng)度，但是他們也同時(shí)影響鐵電材料的飽和極化電壓 Vsat，這也將影響板線驅(qū)動(dòng)電路和靈敏放大器的設(shè)計(jì)。而金屬極板的材料則會(huì)影響鐵電材料與半導(dǎo)體工藝的匹配程度。一般來(lái)說(shuō)，我們?cè)阼F電存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該將上述幾種因素確定，然后通過(guò)電路設(shè)計(jì)來(lái)對(duì)鐵電電容進(jìn)行匹配，而本文的鐵電存儲(chǔ)器及其讀寫電路設(shè)計(jì)便是遵循以上思路，先確定鐵電材料，再進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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