[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究提出了一种实验方法，可直接提取并验证在具有TiN/Hf0.5Zr0.5O2/SiO2/Si（MFIS）栅结构的FeFET中，耐久疲劳过程中被捕获电荷的增加。通过测量金属栅极和Si衬底中的电荷，作者证明记忆窗口退化是由上带隙中电子捕获的增加所致，而非铁电极化退化或空穴捕获。

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.

研究动机与目标

• 对具有TiN/HfZrO2/SiO2/Si栅堆栈的FeFET在耐久疲劳过程中进行电荷捕获的实验提取与量化。
• 解决HfZrO2基FeFET中记忆窗口退化根源的长期争议。
• 建立测量到的捕获电荷与耐久循环过程中观察到的记忆窗口减小之间的关联。
• 对耐久应力过程中铁电极化开关与电荷捕获动力学之间的相互作用进行建模。
• 确定铁电性能是否退化，或捕获态密度的增加是否为性能损失的主要原因。

提出的方法

• 采用双探针方法，在编程/擦除循环过程中测量TiN栅电极和Si衬底中的电荷积累。
• 利用电容-电压（C-V）测量，通过平带电压偏移和栅极电荷提取总捕获电荷。
• 应用基于物理的仿真模型，将实验提取的捕获电荷与铁电极化开关行为相关联。
• 利用电荷提取数据和C-V分析，分析HfZrO2层上带隙中陷阱密度的演化。
• 通过将实验记忆窗口衰减与模拟的极化及陷阱电荷行为进行比较，隔离出主导退化机制。
• 通过确保测量到的电荷提取与模拟的电荷捕获动力学在多次耐久循环中的一致性，对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在TiN/Hf0.5Zr0.5O2/SiO2/Si FeFET中，耐久循环过程中实际积累的被捕获电荷数量是多少？
• RQ2 Hf0.5Zr0.5O2的铁电极化在耐久疲劳过程中是否退化，还是记忆窗口减小由其他机制引起？
• RQ3 记忆窗口减小主要是由电子捕获还是空穴捕获/去捕获引起？
• RQ4 在耐久应力下，HfZrO2层上带隙中的陷阱密度如何演化？
• RQ5 能否使用基于物理的电荷捕获与极化开关模型，一致地模拟出实验提取的捕获电荷？

主要发现

• 在耐久循环过程中，被捕获电荷数量显著增加，这是首次通过实验直接提取的结果。
• 记忆窗口退化并非由于Hf0.5Zr0.5O2中铁电极化退化所致，这一点通过一致的极化滞回环得到证实。
• HfZrO2层上带隙中的陷阱密度随耐久循环次数增加，表明陷阱生成或活化。
• 记忆窗口减小的主要原因是编程操作后电子捕获，而非空穴捕获或去捕获。
• 基于提取的电荷和极化行为的模拟数据与实验结果高度一致，验证了模型的可靠性。
• 本研究证实，在该FeFET结构中，电荷捕获而非铁电疲劳是主导退化机制。