专利名称：一种用于模拟铁电电容的等效电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于模拟铁电电容的等效电路，属于半导体芯片技术领域。
铁电体是指在一定温度范围内具有自发极化性质，并且其自发极化强度可以在外电场作用下重新取向的一类固体物质。这类材料最重要的特征是如图1所示的电位移-电压(P-V)曲线为电滞回线，类似于铁磁体的H-B曲线，并因此而得名“铁电体”由于铁电材料的相对介电常数远大于1，所以可以认为极化强度P就等于电容极板上的电荷面密度Q。
近年来，利用铁电材料制造的铁电存储器(以下简称FeRAM)在低电压，低功耗，高存储密度，抗辐射等各个方面有许多优势，被认为是新一代的取代动态随机存取存储器(DRAM)的不挥发存储器。铁电存储器主要有1T/1C(1个晶体管1个电容)，1T/2C，2T/2C等几种结构，其中晶体管和铁电电容是铁电存储器的核心组成部分。设计铁电存储器首先要进行电路模拟。通用的电路模拟软件中都有晶体管的模型，但是却没有铁电电容的模型。因此，构造一个满足P-V滞回特性的铁电电容的等效电路模型就成为铁电存储器设计中的一个很重要的问题。
图2是一个已有技术中用来模拟铁电电容的等效电路模型。这个等效电路由两部分组成，图2(a)是一个逻辑控制电路，图2(b)是一个电容切换电路。逻辑控制电路的输入是铁电电容两端的电压Vi，输出是一组用来控制开关S01,S12,S11,S02的控制信号CS01、CS12,CS11,CS02。它的功能是当Vi处于负电平的上升沿时，CS01,CS12从高电平变为低电平，CS11,CS02从低电平变为高电平，对应着S01、S12从合上变为断开，S11,S02从断开变为合上；相反的，当Vi处于正电平的下降沿时，CS01,CS12从低电平变为高电平，CS11,CS02从高电平变为低电平，对应着S01,S12从断开变为合上，S11,S02从合上变为断开。电容切换电路通过A,B两个节点与外电路相连，它的功能是当S01,S12合上，S11,S02断开时，与外电路相连的是电容C0；当S01、S12断开，S11,S02合上时，与外电路相连的是电容C1这个等效电路模型虽然可以近似模拟P-V特性，但是由于它采用多个数字逻辑元件产生控制信号，在电路模拟软件中实现起来比较复杂，因此这种子电路显然就限制了实际模拟时的计算速度和规模而没有被广泛采用。
本发明的目的是提出一种用于模拟铁电电容的等效电路，以便简单，准确，实用地对铁电存储器进行电路模拟。本发明的等效电路仍然由一个控制电路和一个电容切换电路构成，但是用新的控制电路代替已有技术中的逻辑控制电路，以简化电路并提高模拟精度和计算速度。
本发明的用于模拟铁电电容的等效电路，包括控制电路和电容切换电路，控制电路的输入电压是电容切换电路的第一端口节点和第二端口节点之间的电压差；电容切换电路中的四个压控开关受控制电路的输出电压控制；所述的控制电路包括一个电压控制电压源和一个电压比较器，电压控制控电压源的两端并联有一个负载电阻，电压控制控电压源的一端与电压比较器的反向输入端相接，另一端接地，电压比较器的输出电压通过一个分压器分压后接入电压比较器的同向输入端，电压比较器的另一端接地；所述的电容切换电路通过用来模拟铁电电容两个端口的第一、第二两个端口节点与外电路相连，电容切换电路包括四个首尾相连的第一、第二、第三、第四压控开关，二个压控电容以及一个压控电压源。其中一个压控电容连接在第一，第二压控开关的节点与第二端口节点之间，另一个压控电容连接在第三，第四压控开关的节点与第二端口节点之间，压控电压源连接在第二，第三压控开关的节点与第二端口节点之间。第一，第四压控开关的接点即为与外电路相连的第一端口节点。
本发明设计的模拟铁电电容的等效电路，不仅准确、而且简单易于实现，用起来十分方便。这个电路模型非常有利于铁电存储器的设计。由于铁电存储器的广泛的应用前景，这项发明在非接触IC卡，MP3播放器，手持PC设备，军用芯片等许多领域都有广泛应用。
图1是铁电电容的电荷-电压滞回曲线。
图2是已有技术中用来模拟铁电电容的等效电路。其中图2a是逻辑控制电路，图2b是电容切换电路。
图3是本发明设计的用于模拟铁电电容的等效电路，其中图3a是电容切换电路，图3b是控制电路。
图4是史密特触发器的传输特性图。
图5利用本发明的电路模拟出来的滞回曲线，其中图5a是一个实测的200nm厚的SBTP-V电滞回曲线，图5b是用本发明的电路模拟出的P-V滞回曲线。
图6a和图6b分别是IT/2C电路测量的波形和用本发明的电路测量的波形。
图7是模拟电压中途有转向的电滞回曲线。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。
本发明的等效电路中，控制电路如图3b所示，其中压控电压源En的增益为1，它的作用是把1,2节点电压差V1,2转化为En的输出电压，以作为电压比较器反向端的输入。Rn是负载电阻。电压比较器是一个压控电压源当同向输入端和反向输入端之间的电压为正时，输出一个高电平；当同向输入端和反向输入端之间的电压为负时，输出一个低电平。将En的输出电压接入电压比较器的反向输入端，将电压比较器的输出电压Vc通过Ra,Rb分压后接入同向输入端。设反向输入端的电压为Vi，则Vi与Vc的传输特性曲线如图4所示，这样的电路结构被称作施密特触发器。可以看到施密特触发器的输出电压与输入电压表现出一种滞回特性。这个输出电压Vc将被用来控制图3a中的开关S01,S12,S11,S02。
模拟电路中的电容切换电路，如图3a所示其中，铁电电容的P-V特性可以用两段非线性电容来表示。如图1所示，当外加电压从高于Vs(称为饱和极化电压)的电压逐渐变低时，电容电荷Q按照ACEB段随电压V变化；而当外加电压从低于-Vs的某一点压逐渐变高时，电荷Q则按照BDA段变化。我们用两个非线性电容C0,C1，分别对应Q-V曲线上ACEB和BDA两条分支的斜率，这样便可以模拟它们的Q-V关系。压控电压源Ei的输出电压始终与1,2两个节点之间的电压相同，它的作用是在一个电容工作的同时给另一个电容保持适当的偏压。压控开关S01和S12只在Vc＞0时导通，而S02和S11只在Vc＜0时导通，这样在V12从-Vs上升时，Vc＞0,C0接在1,2节点间工作；在V1,2从Vs下降时，Vc＜0,C1接在1,2节点间工作。值得注意的是，由于Ei的作用，当开关断开/合上时，从1,2两个节点看进去的电容上的电压是连续变化的。这样，当V1,2以大于Vs的幅度周期变化时，就可以得到FEC的电滞回线了。
控制电路和电容切换电路是等效电路中两个相互关联的组成部分。控制电路的输入电压是电容切换电路第一节点和第二节点之间的电压差；电容切换电路中的四个压控开关受控制电路的输出电压控制。
图5b是用本发明的电路模拟出的P-V滞回曲线，而图5a是一个实测的200nm厚的SBT P-V电滞回线，两者的结果是相当一致的。
正是基于准确的滞回曲线，可以利用本发明的等效电路来模拟包括2T/2C,1T/1C,1T/2C在内的各种结构铁电存储器的读写过程。图6给出了1T/2C电路测量的波形和我们模拟的波形。由于铁电存储器的广泛的应用前景，这项专利在非接触IC卡，MP3播放器，手持PC设备，军用芯片等领域都有广泛应用。
虽然本发明的电路只考虑了铁电电容的充放电时间，而没有考虑铁电材料内部极化反转的时间，但是已有文章报导后者在100ps左右，要比一般FeRAM电路里的RC时间常数至少小一个数量级，因此对实际电路模拟的结果影响很小。
从模型的电路结构不难看出，如果模拟时不在电容上设电压初始值的话，模拟出的铁电电容的电荷值并不等于真正的大小，从Q-V曲线上来看，是将实际的曲线向上(或向下)平移了。不过通过分析FeRAM的读写操作原理不难知道，真正有用的是铁电电容上电荷变化的相对值(这里就不详细说明了)，而电荷的绝对大小完全不会反映到电路信号里去，所以也不影响模拟。
用这个模型模拟的结果是否准确，将取决于那个用来提取参数的Q-V(或P-V)回线是否反映了实际工作时铁电电容上电荷的变化情况。比如在高频工作时，铁电电容中的电荷可能低于一般低频下测量到的值；再比如当电源电压较低时，铁电电容上的电压可能实际上达不到测量Q-V时的电压。这些都会使得实际工作是对应的电滞回线有所变化，需要根据情况选用恰当的测量数据用于模型。
本发明的等效电路模型还做了进一步的推广。上述铁电电容模型的Q-V曲线只有两条分支，由铁电材料的性质，只有在电压上升或下降的中途不变向的情况下，铁电电容的状态才是按那两条分支变化。对于大多数结构和读写时序的FeRAM来说，这个条件是满足的，或是无关紧要的(即不影响对外的输出信号)。近年来，为了改善FeRAM的读写次数，出现了一种用MOS电容作为参考单元的1T/1C结构，这种电路在工作时，铁电电容上的电压中途有可能转向，产生的“1”电位将由图1中的EFA段决定。为了模拟出这条曲线，我们修改子电路，设法记录下流过铁电电容的电流方向和电流改变方向时加在电容上的电压，然后用这两个信号以及施密特触发器的输出电压一起去控制非线性电容的切换，这样便可以模拟出在铁电电容上电压转向时的Q-V特性。图7是按照这个思路模拟出的一个P-V曲线，关于用它进行电路操作模拟的实际效果还在进一步研究中。
权利要求
1.一种用于模拟铁电电容的等效电路，其特征在于，该电路包括控制电路和电容切换电路，控制电路的输入电压是电容切换电路的第一端口节点和第二端口节点之间的电压差；电容切换电路中的四个压控开关受控制电路的输出电压控制；所述的控制电路包括一个电压控制电压源和一个电压比较器，电压控制控电压源的两端并联有一个负载电阻，电压控制控电压源的一端与电压比较器的反向输入端相接，另一端接地，电压比较器的输出电压通过一个分压器分压后接入电压比较器的同向输入端，电压比较器的另一端接地；所述的电容切换电路通过用来模拟铁电电容两个端口的第一、第二两个端口节点与外电路相连，电容切换电路包括四个首尾相连的第一、第二、第三、第四压控开关，二个压控电容以及一个压控电压源；其中一个压控电容连接在第一，第二压控开关的节点与第二端口节点之间，另一个压控电容连接在第三，第四压控开关的节点与第二端口节点之间，压控电压源连接在第二，第三压控开关的节点与第二端口节点之间，第一，第四压控开关的接点即为与外电路相连的第一端口节点。
全文摘要
本发明涉及一种用于模拟铁电电容的等效电路,包括控制电路和电容切换电路,控制电路的输入电压是电容切换电路的第一端口节点和第二端口节点之间的电压差;电容切换电路中的四个压控开关受控制电路的输出电压控制。本发明设计的模拟铁电电容的等效电路,不仅准确、而且简单易于实现。本发明设计的电路模型有利于铁电存储器的设计,由于铁电存储器的广泛应用,本发明适用于非接触IC卡,MP3播放器,手持PC设备,军用芯片等许多领域。
文档编号H01L21/66GK1303126SQ0013417
公开日2001年7月11日 申请日期2000年12月8日 优先权日2000年12月8日
发明者任天令, 李春晓, 张武全, 刘理天, 李志坚 申请人:清华大学