[논문 리뷰] Experimental Extraction and Simulation of Charge Trapping during Endurance of FeFET with TiN/HfZrO/SiO2/Si (MFIS) Gate Structure

Shujing Zhao, Fengbin Tian외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 30.

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices참고 문헌 32인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 TiN/Hf0.5Zr0.5O2/SiO2/Si (MFIS) 게이트 구조를 가진 FeFET에서 내구성 피로 동안 갇힌 전하의 증가를 직접 추출하고 검증하기 위한 실험적 방법을 제안한다. 금속 게이트와 Si 기판에서의 전하를 측정함으로써, 저자들은 메모리 윈도우의 열화가 페로일렉트릭 극성도 열화나 정공 갇힘 때문이 아니라 상부 금속간역대에 전자 갇힘 증가 때문임을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• TiN/HfZrO2/SiO2/Si 게이트 스택을 가진 FeFET에서 내구성 피로 동안 갇힌 전하를 실험적으로 추출하고 정량화하는 것.
• HfZrO2 기반 FeFET에서 메모리 윈도우 열화의 근본 원인에 대한 오랫동안 지속된 논쟁을 해결하는 것.
• 내구성 사이클링 동안 측정된 갇힌 전하와 관측된 메모리 윈도우 감소 사이의 상관관계를 수립하는 것.
• 내구성 스트레스 중 페로일렉트릭 극성도 스위칭과 전하 갇힘 역학 간의 상호작용을 모델링하는 것.
• 페로일렉트릭 성질이 열화되는지, 아니면 갇힘 농도 증가가 성능 저하의 주요 원인인지 규명하는 것.

제안 방법

• 프로그램/지우기 사이클 중 TiN 게이트 전극과 Si 기판에서의 전하 축적을 측정하기 위해 双프로브 방법을 사용하는 것.
• 평탄한 밴드 전압의 이동과 게이트 전하로부터 총 갇힌 전하를 추출하기 위해 용량-전압(C-V) 측정을 사용하는 것.
• 실험적으로 추출된 갇힌 전하와 페로일렉트릭 극성도 스위칭 행동 간의 상관관계를 설정하기 위해 물리 기반 시뮬레이션 모델을 적용하는 것.
• 전하 추출 데이터와 C-V 분석을 사용하여 HfZrO2 층의 상부 금속간역대에서의 갇힘 농도의 변화를 분석하는 것.
• 실험적 메모리 윈도우 감소와 시뮬레이션된 극성도 및 갇힘 전하 행동을 비교하여 주요 열화 메커니즘을 분리하는 것.
• 다중 내구성 사이클에 걸쳐 측정된 전하 추출과 시뮬레이션된 전하 갇힘 역학 간의 일관성을 확보함으로써 모델을 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TiN/Hf0.5Zr0.5O2/SiO2/Si FeFET에서 내구성 사이클링 중 실제로 갇힌 전하의 수는 얼마인가?
• RQ2 Hf0.5Zr0.5O2의 페로일렉트릭 극성도는 내구성 피로 동안 열화되는가, 아니면 메모리 윈도우 감소는 다른 메커니즘 때문인가?
• RQ3 메모리 윈도우 감소의 주요 원인은 전자 갇힘인지, 아니면 게이트 스택에서의 정공 갇힘 또는 탈간직인가?
• RQ4 HfZrO2 층의 상부 금속간역대에서의 갇힘 농도는 내구성 스트레스 동안 어떻게 변화하는가?
• RQ5 실험적으로 추출된 갇힌 전하를 물리 기반 모델을 사용해 일관되게 시뮬레이션할 수 있는가?

주요 결과

• 내구성 사이클링 중 갇힌 전하의 수가 상당히 증가하며, 이는 처음으로 직접 실험적으로 추출된 바 있다.
• 메모리 윈도우 열화가 Hf0.5Zr0.5O2의 페로일렉트릭 극성도 열화 때문이 아니며, 일관된 극성도 히스테리시스 루프로 확인되었다.
• HfZrO2 층의 상부 금속간역대에서의 갇힘 농도는 내구성 사이클이 증가함에 따라 증가하여 갇힘 생성 또는 활성화를 시사한다.
• 메모리 윈도우 감소의 주요 원인은 프로그램 동작 후 전자 갇힘으로, 정공 갇힘 또는 탈간직이 아니다.
• 추출된 전하 및 극성도 행동 기반의 시뮬레이션 데이터는 실험 결과와 뛰어난 일치를 보이며 모델의 타당성을 입증한다.
• 이 연구는 전하 갇힘, 즉 페로일렉트릭 피로가 아닌, 이 FeFET 구조에서 주요 열화 메커니즘이라는 것을 확인한다.