[发明专利]一种铁电场效应晶体管模型的建立方法和系统

说明书

本发明涉及一种铁电场效应晶体管模型的建立方法和系统，属于有限元建模技术领域。其中，所述方法包括：建立介电层可视的场效应晶体管的固体域计算模型；建立铁电薄膜电畴的相场模型；基于相场模型，对固体域计算模型进行修正，得到铁电场效应晶体管模型。从而不但能够实现准确模拟电场作用下介电层电畴演变过程，以及观察其畴结构和畴翻转情况，而且能模拟在不同畴结构下体现晶体管宏观性能，以及电势分布和载流子浓度分布情况。

技术领域

本发明实施例涉及铁电存储器技术领域，具体涉及一种铁电场效应晶体管模型的建立方法和系统。

背景技术

集成电路产业是信息技术产业的核心，是支撑我国经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。根据世界半导体贸易统计组织(WSTS)的统计，存储器在集成电路产品构成中占据着首要地位。随着半导体器件尺寸越来越小，基于电荷存储的存储技术越来越接近尺寸缩减的物理极限，半导体工艺制程也将越来越接近极限，超越摩尔定律的新型存储技术将是全球存储技术发展的最终方向，新一代信息功能材料及器件被列为重点领域及优先主题之一。铁电存储器是一种采用铁电薄膜作为存储介质，通过微电子工艺技术与半导体集成所制成的非挥发性存储器。作为当前应用范围最广的新型存储器之一，具有抗辐照、非挥发、高读写速度、抗疲劳性能突出、低功耗几大核心优势，在轨道交通、工业控制、计量电表、医疗和消费电子等许多领域已经得到了应用。据调研，每年铁电存储器的市场销售额在30-40亿美元，且市场销售额正以每年15％左右的增长速度向前发展，而预期未来5年市场份额可达每年1500亿美元。

按照器件结构和工作原理的不同，铁电存储器可以分为两大类：电容结构的铁电随机存储器(FeRAM)和晶体管型铁电存储器(FeFET)。FeRAM于上个世纪90年代已经实现了商业化生产，但由于它里面所包含的铁电电容所占空间比较大，很难实现高密度集成。FeFET是以铁电薄膜取代常规场效应晶体管中的栅绝缘层，通过铁电薄膜的极化状态实现对半导体表面附近载流子反型和积累的调制，来实现信息的存储。FeFET比FeRAM预期具有更高的存储密度和更低的功耗。因此，多数国际著名半导体公司认为，铁电存储器的最终发展趋势是FeFET。虽然各半导体公司在FeFET投入了大量人力与物力，但至今为止也没有推出任何一款可商用的FeFET型铁电存储器。要实现真正的商业化，还有一些失效问题需要解决，这些问题主要包括保持性能损失、疲劳、漏电流。铁电场效应晶体管要实现突破性进展并最终取代主流存储器，首先必须找出导致存储器失效的根本因素。

FeFET是以铁电薄膜替代传统场效应晶体管栅极中的绝缘氧化物层。假设N沟道增强型FeFET存储器沟道导通时存储信息为“0”，沟道截止时存储信息为“1”。当在晶体管栅极加上正电压时，栅极铁电薄膜被极化，且极化向下，吸引P型硅衬底中的电子(少子)在硅表面积聚。当施加足够大的正栅压，硅表面将从耗尽态转变为反型态，沟道导通，存储信息为“0”。反之，当在栅极加上负电压，铁电薄膜的极化向上，吸引P型硅中的空穴(多子)到P型硅表面，使得硅表面呈积累态，沟道截止，存储信息为“1”。读取信息时，在源、漏两端加上偏压，如若存储的信息为“0”，将会产生一个比较大的漏-源电流I_d，如若存储的信息为“1”，漏-源电流I_d几乎为0。由此可见，晶体管所存储的信息状态由宏观的漏-源电流的大小来反映，而漏-源电流的大小是由铁电薄膜的极化状态所控制。铁电薄膜在内部电场和应变场的作用下一般处于多畴状态。畴指的是具有相同极化方向的连续区域，相邻电畴之间的界面称为畴壁。因此，FeFET的漏-源电流的大小与铁电薄膜畴结构及畴演化紧密相连，而FeFET的宏观失效过程本质上是特定极化方向上的电畴的尺寸和数目变小和变少的结果。由此可见，畴结构与畴演化才是影响晶体管漏-源电流大小的根本因素。深入研究铁电薄膜中畴结构与畴演化等微观结构对漏-源电流的影响机理及影响规律对揭示FeFET的失效机理及主观利用这些微观因素来预防其失效有着重要意义。