[論文レビュー] Experimental Extraction and Simulation of Charge Trapping during Endurance of FeFET with TiN/HfZrO/SiO2/Si (MFIS) Gate Structure

Shujing Zhao, Fengbin Tian+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2021

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、FeFETの耐久疲労中に捕獲された電荷の増加を直接抽出・検証する実験的手法を提案する。TiN/Hf0.5Zr0.5O2/SiO2/Si（MFIS）ゲート構造を有するFeFETにおいて、金属ゲートおよびSi基板内の電荷を測定することで、メモリウインドウの劣化はフェロエレクトリック分極の劣化やホール捕獲によるものではなく、上位バンドギャップにおける電子捕獲の増加に起因することを実証した。

ABSTRACT

We investigate the charge trapping during endurance fatigue of FeFET with TiN/Hf0.5Zr0.5O2/SiO2/Si (MFIS) gate structure. We propose a method of experimentally extracting the number of trapped charges during the memory operation, by measuring the charges in the metal gate and Si substrate. We verify that the amount of trapped charges increases during the endurance fatigue process. This is the first time that the trapped charges are directly experimentally extracted and verified to increase during endurance fatigue. Moreover, we model the interplay between the trapped charges and ferroelectric polarization switching during endurance fatigue. Through the consistency of experimental results and simulated data, we demonstrate that as the memory window decreases: 1) The ferroelectric characteristic of Hf0.5Zr0.5O2 is not degraded. 2) The trap density in the upper bandgap of the gate stacks increases. 3) The reason for memory window decrease is increased trapped electrons after program operation but not related to hole trapping/de-trapping. Our work is helpful to study the charge trapping behavior of FeFET and the related endurance fatigue process.

研究の動機と目的

• TiN/HfZrO2/SiO2/Siゲートスタックを有するFeFETにおける耐久疲労中における捕獲電荷を実験的に抽出・定量すること。
• HfZrO2ベースのFeFETにおけるメモリウインドウ劣化の根本的要因について長年の議論を解消すること。
• 耐久サイクリング中に観測されたメモリウインドウの減少と測定された捕獲電荷との相関を確立すること。
• 耐久ストレス中におけるフェロエレクトリック分極スイッチングと電荷捕獲ダイナミクスの相互作用をモデル化すること。
• フェロエレクトリック特性が劣化するのか、それとも捕獲状態密度の増加が性能低下の主因であるのかを特定すること。

提案手法

• プログラム/リセットサイクル中にTiNゲート電極およびSi基板内の電荷蓄積を測定するためのデュアルプローブ法を採用する。
• フラットバンド電圧のシフトとゲート電荷から全捕獲電荷を抽出するための容量-電圧（C-V）測定を用いる。
• 実験的に抽出された捕獲電荷とフェロエレクトリック分極スイッチング挙動との相関をとらえるため、物理に基づくシミュレーションモデルを適用する。
• 電荷抽出データとC-V解析を用いて、HfZrO2層の上位バンドギャップにおけるトラップ密度の変化を分析する。
• 実験的メモリウインドウ劣化と、シミュレートされた分極およびトラップ電荷挙動を比較し、支配的劣化機構を特定する。
• 複数回の耐久サイクルにわたる測定電荷抽出とシミュレートされた電荷捕獲ダイナミクスの整合性を確認することで、モデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TiN/Hf0.5Zr0.5O2/SiO2/Si FeFETにおける耐久サイクリング中に実際にどれほどの捕獲電荷が蓄積されるか？
• RQ2 Hf0.5Zr0.5O2のフェロエレクトリック分極は耐久疲労中に劣化するのか、それとも他のメカニズムによるメモリウインドウ減少なのか？
• RQ3 メモリウインドウ劣化の主な原因は電子捕獲か、それともゲートスタック内のホール捕獲／脱捕獲か？
• RQ4 HfZrO2層の上位バンドギャップにおけるトラップ密度は耐久ストレス中にどのように変化するか？
• RQ5 実験的に抽出された捕獲電荷は、電荷捕獲と分極スイッチングの物理ベースモデルを用いて一貫してシミュレート可能か？

主な発見

• 耐久サイクリング中に捕獲電荷の数が顕著に増加し、本研究ではこれが初めて直接実験的に抽出された。
• メモリウインドウ劣化は、一貫した分極ヒステリシスループから確認されたように、Hf0.5Zr0.5O2におけるフェロエレクトリック分極の劣化によるものではない。
• HfZrO2層の上位バンドギャップにおけるトラップ密度は耐久サイクルに伴い増加し、トラップの生成または活性化を示唆する。
• メモリウインドウ減少の主な原因は、プログラム操作後の電子捕獲であり、ホール捕獲または脱捕獲によるものではない。
• 抽出された電荷および分極挙動に基づくシミュレートデータは、実験結果と優れた一致を示し、モデルの妥当性が裏付けられた。
• 本研究では、フェロエレクトリック疲労ではなく、電荷捕獲がこのFeFET構造における支配的劣化機構であると確認された。