铁电电容组成结构

日期：2021-01-11浏览：1855次

　　将铁电材料应用于存储器，是利用了铁电材料本身的极化特性，更详细的说，是利用的铁电材料在外加电场下具有极化的特性，利用正向极化到Psat和反向极化到-Psat 的相反特性可以分别存储‘0’和‘1’。并且由于在撤除外部电场后，其极化强度会得到一定程度的保留(即剩余极化强度Pr)，使得铁电存储器拥有非易失的存储特性。
 

　　而具体的将铁电材料用于存储器的方法则是先将铁电材料制备成为铁电薄膜，再将铁电薄膜制备成为铁电电容，通过将铁电电容的上下极板分别接通不同的电压，便可将电容中间的铁电薄膜极化，从而达到存储信息的目的，可以说，铁电电容就是铁电存储器的重要的部分。
 

　　一般来说，在芯片制备工艺中，我们采用金属-铁电材料-金属的三层薄膜结构组成 MFM 型铁电电容，如图2-2(a)所示，两层金属层为铁电电容的上下极板，外部电路可以通过给上下两个极板施加电压来将中间的铁电材料极化。
 

　　但是，有时为了获得更加良好的电容特性，获取更小的漏电流和更稳定的界面状态等，MFM 结构型铁电电容可能就不是*好的选择，于是便有了针对该类型铁电电容的改进，比如向铁电电容中间加入绝缘材料，如 Al2O3 等，于是就产生了如图2-2(b~d)所示的几种其他类型的电容结构。其中 MFIM 型电容是在下层金属极板和铁电层之间加入一层绝缘层，而MFIFM型电容则是将中间的铁电层一分为二，再在两层铁电层之间加入一层绝缘层。而为了增加铁电材料在半导体工艺中的集成度，一些学者抛弃铁电电容的设计转而?出铁电栅场效应晶体管。具体来说就是将场效应晶体管的栅极电介材料换为铁电材料，这种晶体管的栅极和沟道之间的结构构成 MFIS 型结构，即金属-铁电材料-绝缘层-半导体衬底的机构，这种结构的目的是直接让铁电材料的极化状态影响半导体衬底中载流子状态。

　　由于铁电电容在存储器中承担存储信息的作用，所以铁电电容必然是铁电存储器的核心所在，铁电电容本身的特性可以影响铁电存储器的特性。而铁电电容的特性主要有以下几个因素所决定：铁电电容面积、铁电薄膜厚度、铁电材料的种类以及金属极板的材料等。其中铁电电容面积直接影响铁电电容的饱和极化强度，也就是影响了铁电电容在极化时所释放出的电荷量，在本文后面的讨论中即可得知，释放出的电荷量的多少将直接影响存储阵列结构设计以及灵敏放大器设计等等。而铁电薄膜厚度、铁电材料的种类同样决定铁电电容的大极化强度，但是他们也同时影响铁电材料的饱和极化电压 Vsat，这也将影响板线驱动电路和灵敏放大器的设计。而金属极板的材料则会影响铁电材料与半导体工艺的匹配程度。一般来说，我们在铁电存储器的设计之初就应该将上述几种因素确定，然后通过电路设计来对铁电电容进行匹配，而本文的铁电存储器及其读写电路设计便是遵循以上思路，先确定铁电材料，再进行设计。