基于Atlas的MFIS结构器件电学性能模拟

　　3．2 绝缘层厚度对MFIS结构器件的影响

　　MFIS器件绝缘层的厚度会影响到MFIS结构的性能。图3中给出了不同绝缘层厚度下MFIS器件的C—V特性及记忆窗口。器件的应用电压为5 V，绝缘层采用CeO2，厚度从1 nm增加到5 nm。从图中可以看出，在一定的应用电压下，MFIS器件的C—V曲线随绝缘层厚度的增加变窄，记忆窗口随之减小，这与文献中报道的绝缘层厚度对MFIS器件电学性能的影响一致。这可以由加在铁电层上的有效电场进行解释。铁电层上的有效电场Ef为

　　其中，CG为应用电压；εf和εi为铁电层和绝缘层的相对介电常数。显然，铁电层上的有效电场随着绝缘层厚度的增加而减小，从而导致铁电层逐渐远离饱和状态，使得电容器的记忆窗口减小。

 　　3．3 绝缘层材料对MFIS结构器件的影响

　　由式(1)可以看出，具有高介电常数εi的绝缘层，能够使分配在铁电层上的有效电场增加，从而使铁电层趋于饱和，产生一个较大的记忆窗口。为研究不同绝缘层材料对MFIS器件相关性能的影响，利用Arias软件对采用SiO2、Si3N4、Y2O3、HfO2及CeO2作为绝缘层的MFIS器件的C—V特性及记忆窗口进行了模拟和分析。

　　图4给出了在5 V的应用电压下，分别采用不同绝缘层材料时MFIS器件的C—V特性及记忆窗口。从图中可以看出，MFIS器件的C—V曲线随绝缘层介电常数的增加逐渐变宽，其记忆窗口从0．36 V增大到1．09 V，并逐渐趋于饱和。

　　图5为不同绝缘层材料时MFIS器件的记忆窗口随应用电压的变化。从图中可以看出，高介电常数为绝缘层jf，MFIS器件的记忆窗口在7 V时达到饱和，而低介电常数为绝缘层时，记忆窗口在15 V时仍未达到饱和。这意味着在一定厚度下，高介电常数的绝缘层能够使MFIS器件的记忆窗口在一个较低的应用电压下达到饱和，从而减小工作电压，使得其与现代集成电路设计工艺相兼容。

　　4 结束语

　　利用器件模拟软件Arias，结合饱和状态及非饱和状态下的铁电极化模型，研究了应用电压、绝缘层厚度及材料对MFIS器件的C—V特性及记忆窗口的影响。仿真结果表明，增加应用电压、减小绝缘层厚度及采用高介电常数材料，可以使器件的C—V曲线逐渐变宽，记忆窗口逐渐增大。但是考虑到MFIS器件与现代集成电路的工作电压的兼容性，以及过薄的绝缘层可能会引起的漏电流，使得采用高介电常数的绝缘材料作为MFIS器件的绝缘层成为一个提高MFIS器件性能的有效途径。