鐵電電容組成結構

日期：2021-01-11瀏覽：2644次

　　將鐵電材料應用于存儲器，是利用了鐵電材料本身的極化特性，更詳細的說，是利用的鐵電材料在外加電場下具有極化的特性，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‘0’和‘1’。并且由于在撤除外部電場后，其極化強度會得到一定程度的保留(即剩余極化強度Pr)，使得鐵電存儲器擁有非易失的存儲特性。
 

　　而具體的將鐵電材料用于存儲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，從而達到存儲信息的目的，可以說，鐵電電容就是鐵電存儲器的重要的部分。
 

　　一般來說，在芯片制備工藝中，我們采用金屬-鐵電材料-金屬的三層薄膜結構組成 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，外部電路可以通過給上下兩個極板施加電壓來將中間的鐵電材料極化。
 

　　但是，有時為了獲得更加良好的電容特性，獲取更小的漏電流和更穩定的界面狀態等，MFM 結構型鐵電電容可能就不是*好的選擇，于是便有了針對該類型鐵電電容的改進，比如向鐵電電容中間加入絕緣材料，如 Al2O3 等，于是就產生了如圖2-2(b~d)所示的幾種其他類型的電容結構。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體工藝中的集成度，一些學者拋棄鐵電電容的設計轉而?出鐵電柵場效應晶體管。具體來說就是將場效應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構構成 MFIS 型結構，即金屬-鐵電材料-絕緣層-半導體襯底的機構，這種結構的目的是直接讓鐵電材料的極化狀態影響半導體襯底中載流子狀態。

　　由于鐵電電容在存儲器中承擔存儲信息的作用，所以鐵電電容必然是鐵電存儲器的核心所在，鐵電電容本身的特性可以影響鐵電存儲器的特性。而鐵電電容的特性主要有以下幾個因素所決定：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度，也就是影響了鐵電電容在極化時所釋放出的電荷量，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陣列結構設計以及靈敏放大器設計等等。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度，但是他們也同時影響鐵電材料的飽和極化電壓 Vsat，這也將影響板線驅動電路和靈敏放大器的設計。而金屬極板的材料則會影響鐵電材料與半導體工藝的匹配程度。一般來說，我們在鐵電存儲器的設計之初就應該將上述幾種因素確定，然后通過電路設計來對鐵電電容進行匹配，而本文的鐵電存儲器及其讀寫電路設計便是遵循以上思路，先確定鐵電材料，再進行設計。