前言

20世纪60年代初，Moll和Tarui首次演示了薄膜铁电晶体管，开始了基于这种技术实现低功耗、高效率非易失性存储器的探索。传统铁电体的集成、扩展和可靠性挑战阻碍了它们在现代集成电路中的广泛应用。五十多年后，最近在二氧化铪和氧化锆等二元氧化物中发现了铁电性，这重新激起了对FeFET技术的兴趣。这些FeFET可以在非易失性、扩展潜力、读写速度和功耗方面提供与动态随机存取存储器、静态随机存取存储器和闪存相关的广泛改进。然而，与保持力和耐用性相关的可靠性挑战仍有待解决。事实上，最近的报告显示耐久极限为104-106个写入周期；这远远不能满足国际器件和系统路线图(IRDS)1012周期的要求。尽管如此，超大规模互补金属氧化物半导体可兼容场效应晶体管的成功演示将推动广泛的应用。

研究内容

量化和识别耐久性限制因素的表征工具的部署将促进下一代场效应晶体管的发展。分子量表达式可以量化随时间推移产生的氧化物和界面陷阱的影响。此外，根据分子量表达式，可以估算耐久性试验期间产生的陷阱浓度，而不需要数值技术计算机辅助设计模拟。普渡大学的科学家还发现，在关于编程/擦除脉冲幅度和持续时间的特定假设下，耐久性几乎不依赖于写入条件。

实验方法

普度大学的研究人员对此过程进行了数学建模分析。耐久性定义为在重复编程/擦除操作期间，0和1状态变得不可区分之前所用的时间(或总周期数)。FeFETs耐久性的主要限制因素是铁电体和半导体主体之间的氧化物夹层中的陷阱产生。这种效应是该论文工作的研究主题。这些器件耐久性的其他限制与铁电老化有关，这可能导致额外的Vth漂移、由于形成渗透路径而导致的过早击穿和剩余极化退化。在探针耐久性的应力测试期间，栅极叠层中的高电场加速了陷阱的产生。电场主要集中在氧化物中间层，而不是铁电层，因为它的介电常数较低。因此，陷阱的产生被认为只发生在氧化物/半导体界面和氧化物本身。

不同的图例显示不同的编程/擦除脉冲幅度

ΔMW与编程/擦除周期数的关系

计算ΔMW’的归一化分子量降级

结论

分子量表达式考虑了生成的界面和氧化物陷阱的影响，并通过实验数据进行了验证。他们发现，(1)微波可以用来提取氧化物和界面陷阱产生的耐久性测试；(ii)发电趋势遵循时间指数幂律；以及(iii)在特定的假设下，耐久性极限基本上与写入条件无关。从简单的分析公式中得出的结论有助于开发具有更高耐久性的下一代场效应管。

https://doi.org/10.1063/5.0021081