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鐵電場效應(yīng)管基本結(jié)構(gòu)及性能介紹-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2021-01-14 

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鐵電場效應(yīng)管基本結(jié)構(gòu)及性能介紹-KIA MOS管


鐵電場效應(yīng)管

鐵電場效應(yīng)管也就是鐵電介質(zhì)柵極場效應(yīng)晶體管(MFSFET,Metal-Ferroelectric-Semiconductor FET):這是在MOSFET的基礎(chǔ)上,把柵極SiO2絕緣材料更換為高介電常數(shù)的鐵電材料即得。


因為MOSFET的飽和電流與柵極絕緣體材料的介電常數(shù)eox有正比例關(guān)系:Id sat = (1/2) (W/L)(εeox / dox ) (VGS-VT) 2。因此,增大柵極絕緣體材料的介電常數(shù),即可增強晶體管的驅(qū)動能力,提高開關(guān)速度,并且還可以帶來工藝上的其它好處。


在MOSFET中常用的柵極絕緣材料的介電常數(shù)值為:SiO2 (3.8),Si3N4 (6.4),Al2O3 (>7.5)。柵絕緣層是50~60nm SiO2 + Si3N4的MOS器件,稱為MNOFET;柵絕緣層是50~60nm SiO2 + Al2O3的MOS器件,稱為MAOFET。


鐵電場效應(yīng)管基本結(jié)構(gòu)及存儲機制

FFET單元基本結(jié)構(gòu)為MFS-FET結(jié)構(gòu),即用鐵電薄膜取代MOS-FET中的柵介質(zhì)層、利用鐵電薄膜的極化狀態(tài)調(diào)制半導(dǎo)體表面狀態(tài),從而調(diào)制晶體管源、漏極間的導(dǎo)通狀態(tài),區(qū)別邏輯態(tài)“0” 和“1",以達(dá)到存儲信息的目的,如圖所示


鐵電場效應(yīng)管


當(dāng)大于矯頑場的外加正向電壓加在柵極上,鐵電薄膜產(chǎn)生正極化。電場指向半導(dǎo)體表面,吸引負(fù)的補償電荷到半導(dǎo)體表面。對干于n型硅襯底,表面呈積累態(tài)、FET器件處于關(guān)斷狀態(tài)。


當(dāng)大于矯頑場的外加負(fù)向電壓加在柵極上,鐵電薄膜產(chǎn)生負(fù)的級化,吸引正的補償電荷到半導(dǎo)體表面,n型硅表面呈耗盡直至反型,此時溝道導(dǎo)通。


如果源,漏加上偏壓,可產(chǎn)生電流。因此,對應(yīng)于鐵電薄膜的正、負(fù)極化態(tài),硅表面分別呈積累、反型兩種狀態(tài)。當(dāng)源、漏施加電壓時,F(xiàn)ET呈關(guān)斷和導(dǎo)通兩態(tài),鐵電薄膜的兩個極化狀態(tài)是同樣穩(wěn)定的。


對應(yīng)的半導(dǎo)體表面穩(wěn)定,這時FFET的通、斷就可實現(xiàn)二進(jìn)制“0”和“1”的存儲,FFET的這種存儲機制稱為極化型存儲。


兩種不同的存儲機制對應(yīng)兩種不同的F/S界面狀態(tài),其C-V特性是不同的:極化型存儲對應(yīng)的MFS結(jié)構(gòu)p型襯底的C-V曲線回滯方向為順時針,n型襯底的則為逆時針,而注入型存儲對應(yīng)的C-V曲線回滯方向則完全相反。


鐵電場效應(yīng)管


材料性能

用高K材料作為柵絕緣層的場效應(yīng)晶體管即稱為MFSFET。


鐵電場效應(yīng)管


至于對高介電常數(shù)柵極絕緣材料的要求,主要是:介電常數(shù)高,并與Si和SiO2的黏附性能好。能夠很好滿足這些要求的高介電常數(shù)材料(也稱為高k材料)。


MFSFET的柵極結(jié)構(gòu),基本上是MFS(金屬——高K材料——半導(dǎo)體)型式,但性能不夠穩(wěn)定;MFIS型式比較好,其中的薄I層(SiO2等絕緣膜)能防止原子的擴散;


MFMIS型式似乎更好,其中在I層與高K材料之間又增加了一層金屬膜。MFSFET研制中需要解決的主要問題是減小柵極絕緣膜漏電,以延長信號的保存時間。




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