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

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。

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。

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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