HfO2-FeFETs中的电荷捕获动态与耐久性研究：来自电荷泵技术的洞察

《IEEE Electron Device Letters》：Trapping Dynamics and Endurance in HfO2-FeFETs: An Insight From Charge Pumping

HfO2基铁电场效应晶体管（FeFET）的耐久性退化通过电荷泵（CP）技术分析界面态（it）和近界面氧化物陷阱（ox）得出。经10^4次±5V、100ns脉冲编程/擦除循环后，it密度增至初始的2倍，记忆窗口（MW）从1.2V降至0.45V。温度高于50℃时陷阱生成加速，导致CP电流降低。优化脉冲参数（如延长上升/下降时间、缩短保持时间）可有效抑制it积累和MW退化。提取平均界面陷阱密度达4×10^12 cm^-2 eV^-1，证实陷阱工程对提升FeFET耐久性的关键作用，为非易失存储器应用提供指导。

　　

摘要：

我们通过分析界面态和近界面氧化物陷阱，利用两级电荷泵浦（CP）技术研究了基于氧化铪（HfO?）的铁电场效应晶体管（FeFETs）的耐久性退化。在±5 V、100 ns的条件下，经过10^4次编程/擦除（PG/ER）循环后，界面态的数量增加了约2倍，存储窗口（Memory Window, MW）从1.2 V降低到0.45 V。温度依赖性测量表明，在50°C以上时，随着电荷泵浦电流（CP max）的减小，氧化物陷阱的生成速率加快，这是由于氧化物陷阱的深度占据增加所致。脉冲参数的调整显示，较长的上升/下降时间和较短的保持时间可以减轻存储窗口的退化。循环后，平均界面陷阱密度达到了约4×10^12 cm2·eV?1。这些结果强调了陷阱工程在提高FeFET耐久性、从而适用于大规模非易失性存储器应用中的重要作用。

引言

在HfO?中发现铁电性催生了一类新的存储和逻辑器件，FeFETs具有快速操作、低功耗和与CMOS兼容的特点。然而，其应用受到可靠性的限制——尤其是由于反复的编程/擦除循环导致的耐久性退化。[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]。为了确保FeFET的长期性能，必须优化诸如保持性、耐久性和变化性等可靠性指标。其中，由反复开关循环引起的耐久性退化尤为关键。在本研究中，我们利用CP技术分析了掺硅（Si）的HfO?（HSO）FeFETs的耐久性损失机制。[23] 通过让FeFETs经历大量的PG/ER循环来进行耐久性测试。CP测量结果揭示了界面态数量的显著增加，表明界面状态的生成非常明显。此外，研究还指出，与这些界面陷阱状态的填充相关的栅极堆栈退化受到栅极电压脉冲参数的影响。[19], [20], [21], [22], [23] 我们的发现揭示了FeFET耐久性退化背后的关键机制，并提出了缓解这些问题的策略。理解这些因素有助于指导未来更可靠的器件设计。