專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于模擬鐵電電容的等效電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于模擬鐵電電容的等效電路，屬于半導(dǎo)體芯片技術(shù)領(lǐng)域。
鐵電體是指在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化性質(zhì)，并且其自發(fā)極化強(qiáng)度可以在外電場(chǎng)作用下重新取向的一類(lèi)固體物質(zhì)。這類(lèi)材料最重要的特征是如圖1所示的電位移-電壓(P-V)曲線為電滯回線，類(lèi)似于鐵磁體的H-B曲線，并因此而得名“鐵電體”由于鐵電材料的相對(duì)介電常數(shù)遠(yuǎn)大于1，所以可以認(rèn)為極化強(qiáng)度P就等于電容極板上的電荷面密度Q。
近年來(lái)，利用鐵電材料制造的鐵電存儲(chǔ)器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)FeRAM)在低電壓，低功耗，高存儲(chǔ)密度，抗輻射等各個(gè)方面有許多優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是新一代的取代動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)的不揮發(fā)存儲(chǔ)器。鐵電存儲(chǔ)器主要有1T/1C(1個(gè)晶體管1個(gè)電容)，1T/2C，2T/2C等幾種結(jié)構(gòu)，其中晶體管和鐵電電容是鐵電存儲(chǔ)器的核心組成部分。設(shè)計(jì)鐵電存儲(chǔ)器首先要進(jìn)行電路模擬。通用的電路模擬軟件中都有晶體管的模型，但是卻沒(méi)有鐵電電容的模型。因此，構(gòu)造一個(gè)滿足P-V滯回特性的鐵電電容的等效電路模型就成為鐵電存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)中的一個(gè)很重要的問(wèn)題。
圖2是一個(gè)已有技術(shù)中用來(lái)模擬鐵電電容的等效電路模型。這個(gè)等效電路由兩部分組成，圖2(a)是一個(gè)邏輯控制電路，圖2(b)是一個(gè)電容切換電路。邏輯控制電路的輸入是鐵電電容兩端的電壓Vi，輸出是一組用來(lái)控制開(kāi)關(guān)S01,S12,S11,S02的控制信號(hào)CS01、CS12,CS11,CS02。它的功能是當(dāng)Vi處于負(fù)電平的上升沿時(shí)，CS01,CS12從高電平變?yōu)榈碗娖剑珻S11,CS02從低電平變?yōu)楦唠娖?，?duì)應(yīng)著S01、S12從合上變?yōu)閿嚅_(kāi)，S11,S02從斷開(kāi)變?yōu)楹仙?；相反的，?dāng)Vi處于正電平的下降沿時(shí)，CS01,CS12從低電平變?yōu)楦唠娖?，CS11,CS02從高電平變?yōu)榈碗娖?，?duì)應(yīng)著S01,S12從斷開(kāi)變?yōu)楹仙希琒11,S02從合上變?yōu)閿嚅_(kāi)。電容切換電路通過(guò)A,B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)與外電路相連，它的功能是當(dāng)S01,S12合上，S11,S02斷開(kāi)時(shí)，與外電路相連的是電容C0；當(dāng)S01、S12斷開(kāi)，S11,S02合上時(shí)，與外電路相連的是電容C1這個(gè)等效電路模型雖然可以近似模擬P-V特性，但是由于它采用多個(gè)數(shù)字邏輯元件產(chǎn)生控制信號(hào)，在電路模擬軟件中實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，因此這種子電路顯然就限制了實(shí)際模擬時(shí)的計(jì)算速度和規(guī)模而沒(méi)有被廣泛采用。
本發(fā)明的目的是提出一種用于模擬鐵電電容的等效電路，以便簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確，實(shí)用地對(duì)鐵電存儲(chǔ)器進(jìn)行電路模擬。本發(fā)明的等效電路仍然由一個(gè)控制電路和一個(gè)電容切換電路構(gòu)成，但是用新的控制電路代替已有技術(shù)中的邏輯控制電路，以簡(jiǎn)化電路并提高模擬精度和計(jì)算速度。
本發(fā)明的用于模擬鐵電電容的等效電路，包括控制電路和電容切換電路，控制電路的輸入電壓是電容切換電路的第一端口節(jié)點(diǎn)和第二端口節(jié)點(diǎn)之間的電壓差；電容切換電路中的四個(gè)壓控開(kāi)關(guān)受控制電路的輸出電壓控制；所述的控制電路包括一個(gè)電壓控制電壓源和一個(gè)電壓比較器，電壓控制控電壓源的兩端并聯(lián)有一個(gè)負(fù)載電阻，電壓控制控電壓源的一端與電壓比較器的反向輸入端相接，另一端接地，電壓比較器的輸出電壓通過(guò)一個(gè)分壓器分壓后接入電壓比較器的同向輸入端，電壓比較器的另一端接地；所述的電容切換電路通過(guò)用來(lái)模擬鐵電電容兩個(gè)端口的第一、第二兩個(gè)端口節(jié)點(diǎn)與外電路相連，電容切換電路包括四個(gè)首尾相連的第一、第二、第三、第四壓控開(kāi)關(guān)，二個(gè)壓控電容以及一個(gè)壓控電壓源。其中一個(gè)壓控電容連接在第一，第二壓控開(kāi)關(guān)的節(jié)點(diǎn)與第二端口節(jié)點(diǎn)之間，另一個(gè)壓控電容連接在第三，第四壓控開(kāi)關(guān)的節(jié)點(diǎn)與第二端口節(jié)點(diǎn)之間，壓控電壓源連接在第二，第三壓控開(kāi)關(guān)的節(jié)點(diǎn)與第二端口節(jié)點(diǎn)之間。第一，第四壓控開(kāi)關(guān)的接點(diǎn)即為與外電路相連的第一端口節(jié)點(diǎn)。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的模擬鐵電電容的等效電路，不僅準(zhǔn)確、而且簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，用起來(lái)十分方便。這個(gè)電路模型非常有利于鐵電存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)。由于鐵電存儲(chǔ)器的廣泛的應(yīng)用前景，這項(xiàng)發(fā)明在非接觸IC卡，MP3播放器，手持PC設(shè)備，軍用芯片等許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。


圖1是鐵電電容的電荷-電壓滯回曲線。
圖2是已有技術(shù)中用來(lái)模擬鐵電電容的等效電路。其中圖2a是邏輯控制電路，圖2b是電容切換電路。
圖3是本發(fā)明設(shè)計(jì)的用于模擬鐵電電容的等效電路，其中圖3a是電容切換電路，圖3b是控制電路。
圖4是史密特觸發(fā)器的傳輸特性圖。
圖5利用本發(fā)明的電路模擬出來(lái)的滯回曲線，其中圖5a是一個(gè)實(shí)測(cè)的200nm厚的SBTP-V電滯回曲線，圖5b是用本發(fā)明的電路模擬出的P-V滯回曲線。
圖6a和圖6b分別是IT/2C電路測(cè)量的波形和用本發(fā)明的電路測(cè)量的波形。
圖7是模擬電壓中途有轉(zhuǎn)向的電滯回曲線。
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
本發(fā)明的等效電路中，控制電路如圖3b所示，其中壓控電壓源En的增益為1，它的作用是把1,2節(jié)點(diǎn)電壓差V1,2轉(zhuǎn)化為En的輸出電壓，以作為電壓比較器反向端的輸入。Rn是負(fù)載電阻。電壓比較器是一個(gè)壓控電壓源當(dāng)同向輸入端和反向輸入端之間的電壓為正時(shí)，輸出一個(gè)高電平；當(dāng)同向輸入端和反向輸入端之間的電壓為負(fù)時(shí)，輸出一個(gè)低電平。將En的輸出電壓接入電壓比較器的反向輸入端，將電壓比較器的輸出電壓Vc通過(guò)Ra,Rb分壓后接入同向輸入端。設(shè)反向輸入端的電壓為Vi，則Vi與Vc的傳輸特性曲線如圖4所示，這樣的電路結(jié)構(gòu)被稱(chēng)作施密特觸發(fā)器?？梢钥吹绞┟芴赜|發(fā)器的輸出電壓與輸入電壓表現(xiàn)出一種滯回特性。這個(gè)輸出電壓Vc將被用來(lái)控制圖3a中的開(kāi)關(guān)S01,S12,S11,S02。
模擬電路中的電容切換電路，如圖3a所示其中，鐵電電容的P-V特性可以用兩段非線性電容來(lái)表示。如圖1所示，當(dāng)外加電壓從高于Vs(稱(chēng)為飽和極化電壓)的電壓逐漸變低時(shí)，電容電荷Q按照ACEB段隨電壓V變化；而當(dāng)外加電壓從低于-Vs的某一點(diǎn)壓逐漸變高時(shí)，電荷Q則按照BDA段變化。我們用兩個(gè)非線性電容C0,C1，分別對(duì)應(yīng)Q-V曲線上ACEB和BDA兩條分支的斜率，這樣便可以模擬它們的Q-V關(guān)系。壓控電壓源Ei的輸出電壓始終與1,2兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電壓相同，它的作用是在一個(gè)電容工作的同時(shí)給另一個(gè)電容保持適當(dāng)?shù)钠珘骸嚎亻_(kāi)關(guān)S01和S12只在Vc＞0時(shí)導(dǎo)通，而S02和S11只在Vc＜0時(shí)導(dǎo)通，這樣在V12從-Vs上升時(shí)，Vc＞0,C0接在1,2節(jié)點(diǎn)間工作；在V1,2從Vs下降時(shí)，Vc＜0,C1接在1,2節(jié)點(diǎn)間工作。值得注意的是，由于Ei的作用，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)/合上時(shí)，從1,2兩個(gè)節(jié)點(diǎn)看進(jìn)去的電容上的電壓是連續(xù)變化的。這樣，當(dāng)V1,2以大于Vs的幅度周期變化時(shí)，就可以得到FEC的電滯回線了。
控制電路和電容切換電路是等效電路中兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的組成部分?？刂齐娐返妮斎腚妷菏请娙萸袚Q電路第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)之間的電壓差；電容切換電路中的四個(gè)壓控開(kāi)關(guān)受控制電路的輸出電壓控制。
圖5b是用本發(fā)明的電路模擬出的P-V滯回曲線，而圖5a是一個(gè)實(shí)測(cè)的200nm厚的SBT P-V電滯回線，兩者的結(jié)果是相當(dāng)一致的。
正是基于準(zhǔn)確的滯回曲線，可以利用本發(fā)明的等效電路來(lái)模擬包括2T/2C,1T/1C,1T/2C在內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)鐵電存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)過(guò)程。圖6給出了1T/2C電路測(cè)量的波形和我們模擬的波形。由于鐵電存儲(chǔ)器的廣泛的應(yīng)用前景，這項(xiàng)專(zhuān)利在非接觸IC卡，MP3播放器，手持PC設(shè)備，軍用芯片等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。
雖然本發(fā)明的電路只考慮了鐵電電容的充放電時(shí)間，而沒(méi)有考慮鐵電材料內(nèi)部極化反轉(zhuǎn)的時(shí)間，但是已有文章報(bào)導(dǎo)后者在100ps左右，要比一般FeRAM電路里的RC時(shí)間常數(shù)至少小一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此對(duì)實(shí)際電路模擬的結(jié)果影響很小。
從模型的電路結(jié)構(gòu)不難看出，如果模擬時(shí)不在電容上設(shè)電壓初始值的話，模擬出的鐵電電容的電荷值并不等于真正的大小，從Q-V曲線上來(lái)看，是將實(shí)際的曲線向上(或向下)平移了。不過(guò)通過(guò)分析FeRAM的讀寫(xiě)操作原理不難知道，真正有用的是鐵電電容上電荷變化的相對(duì)值(這里就不詳細(xì)說(shuō)明了)，而電荷的絕對(duì)大小完全不會(huì)反映到電路信號(hào)里去，所以也不影響模擬。
用這個(gè)模型模擬的結(jié)果是否準(zhǔn)確，將取決于那個(gè)用來(lái)提取參數(shù)的Q-V(或P-V)回線是否反映了實(shí)際工作時(shí)鐵電電容上電荷的變化情況。比如在高頻工作時(shí)，鐵電電容中的電荷可能低于一般低頻下測(cè)量到的值；再比如當(dāng)電源電壓較低時(shí)，鐵電電容上的電壓可能實(shí)際上達(dá)不到測(cè)量Q-V時(shí)的電壓。這些都會(huì)使得實(shí)際工作是對(duì)應(yīng)的電滯回線有所變化，需要根據(jù)情況選用恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量數(shù)據(jù)用于模型。
本發(fā)明的等效電路模型還做了進(jìn)一步的推廣。上述鐵電電容模型的Q-V曲線只有兩條分支，由鐵電材料的性質(zhì)，只有在電壓上升或下降的中途不變向的情況下，鐵電電容的狀態(tài)才是按那兩條分支變化。對(duì)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)和讀寫(xiě)時(shí)序的FeRAM來(lái)說(shuō)，這個(gè)條件是滿足的，或是無(wú)關(guān)緊要的(即不影響對(duì)外的輸出信號(hào))。近年來(lái)，為了改善FeRAM的讀寫(xiě)次數(shù)，出現(xiàn)了一種用MOS電容作為參考單元的1T/1C結(jié)構(gòu)，這種電路在工作時(shí)，鐵電電容上的電壓中途有可能轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生的“1”電位將由圖1中的EFA段決定。為了模擬出這條曲線，我們修改子電路，設(shè)法記錄下流過(guò)鐵電電容的電流方向和電流改變方向時(shí)加在電容上的電壓，然后用這兩個(gè)信號(hào)以及施密特觸發(fā)器的輸出電壓一起去控制非線性電容的切換，這樣便可以模擬出在鐵電電容上電壓轉(zhuǎn)向時(shí)的Q-V特性。圖7是按照這個(gè)思路模擬出的一個(gè)P-V曲線，關(guān)于用它進(jìn)行電路操作模擬的實(shí)際效果還在進(jìn)一步研究中。
權(quán)利要求
1.一種用于模擬鐵電電容的等效電路，其特征在于，該電路包括控制電路和電容切換電路，控制電路的輸入電壓是電容切換電路的第一端口節(jié)點(diǎn)和第二端口節(jié)點(diǎn)之間的電壓差；電容切換電路中的四個(gè)壓控開(kāi)關(guān)受控制電路的輸出電壓控制；所述的控制電路包括一個(gè)電壓控制電壓源和一個(gè)電壓比較器，電壓控制控電壓源的兩端并聯(lián)有一個(gè)負(fù)載電阻，電壓控制控電壓源的一端與電壓比較器的反向輸入端相接，另一端接地，電壓比較器的輸出電壓通過(guò)一個(gè)分壓器分壓后接入電壓比較器的同向輸入端，電壓比較器的另一端接地；所述的電容切換電路通過(guò)用來(lái)模擬鐵電電容兩個(gè)端口的第一、第二兩個(gè)端口節(jié)點(diǎn)與外電路相連，電容切換電路包括四個(gè)首尾相連的第一、第二、第三、第四壓控開(kāi)關(guān)，二個(gè)壓控電容以及一個(gè)壓控電壓源；其中一個(gè)壓控電容連接在第一，第二壓控開(kāi)關(guān)的節(jié)點(diǎn)與第二端口節(jié)點(diǎn)之間，另一個(gè)壓控電容連接在第三，第四壓控開(kāi)關(guān)的節(jié)點(diǎn)與第二端口節(jié)點(diǎn)之間，壓控電壓源連接在第二，第三壓控開(kāi)關(guān)的節(jié)點(diǎn)與第二端口節(jié)點(diǎn)之間，第一，第四壓控開(kāi)關(guān)的接點(diǎn)即為與外電路相連的第一端口節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于模擬鐵電電容的等效電路,包括控制電路和電容切換電路,控制電路的輸入電壓是電容切換電路的第一端口節(jié)點(diǎn)和第二端口節(jié)點(diǎn)之間的電壓差;電容切換電路中的四個(gè)壓控開(kāi)關(guān)受控制電路的輸出電壓控制。本發(fā)明設(shè)計(jì)的模擬鐵電電容的等效電路,不僅準(zhǔn)確、而且簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的電路模型有利于鐵電存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì),由于鐵電存儲(chǔ)器的廣泛應(yīng)用,本發(fā)明適用于非接觸IC卡,MP3播放器,手持PC設(shè)備,軍用芯片等許多領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01L21/66GK1303126SQ0013417
公開(kāi)日2001年7月11日 申請(qǐng)日期2000年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月8日
發(fā)明者任天令, 李春曉, 張武全, 劉理天, 李志堅(jiān) 申請(qǐng)人:清華大學(xué)