ZrO₂种子层提升Hf₀.₅Zr₀.₅O₂铁电场效应晶体管存储窗口与耐久性：快脉冲表征

摘要

采用金属/铁电体/绝缘体/半导体（MFIS）栅极堆叠的HfO₂基铁电场效应晶体管（FeFET）是高密度、高速非易失性存储器的有力候选。尽管其保持性能满足工业需求，但存储窗口（MW）和耐久性仍未达大规模部署的严苛要求。本研究利用快电压脉冲测量，考察晶态ZrO₂种子层对Hf₀.₅Zr₀.₅O₂（HZO）FeFET的MW、保持和耐久性的影响。引入ZrO₂种子层的HZO FeFET展现出1.4 V的初始MW、0.9 V的10年外推MW，且耐久性显著改善（超过10⁴次开关循环），优于无种子层器件。研究证实，直接晶态高k/Si栅极堆叠可进一步提升HfO₂基FeFET的性能与可靠性。

背景

HfO₂衍生的铁电薄膜因兼容CMOS工艺和优异的可扩展性，备受FeFET栅极堆叠关注。在众多栅极堆叠架构中，MFIS结构尤为吸引人，因其契合现有MOS器件设计，可与高k金属栅（HKMG）技术集成。因此，MFIS FeFET被探索用于嵌入式非易失性存储器、负电容FET、神经形态器件和存算一体电路[1-8]。采用HKMG工艺制备的最先进MFIS FeFET已展示高集成密度和快速写入速度[9,10]。然而，非易失性存储应用要求大MW、稳健的保持和耐久性[11-14]。HfO₂基FeFET通常提供可靠保持（10年外推）[15-17]，但耐久性在10⁴至10⁷次开关循环间[17-23]。理论研究表明高k绝缘层可降低MFIS堆叠电场，缓解能带弯曲，从而改善MW和耐久性[12,14]。实验上，增加超薄绝缘层介电常数（如用SiON替代SiO₂）可增强耐久性和MW[13]。前期工作也指出插入晶态ZrO₂层能改善HZO薄膜结晶质量并抑制有害单斜相，用直流扫描测得MW达2.8 V[24]。

本文系统研究了有无晶态ZrO₂种子层的HZO FeFET的MW、保持和耐久性，采用快正负电压脉冲表征，讨论种子层如何影响铁电性能、电可靠性和整体器件性能。

方法

两种n沟道FeFET（有无ZrO₂种子层）均采用栅极后制工艺制备，详见参考文献[24]。ZrO₂种子层和HZO层在300°C下用原子层沉积（ALD）沉积。器件几何结构见图1a，沟道宽W=80 μm，长L=7 μm。此外，还制备了TaN/HZO/TaN和TaN/HZO/ZrO₂/TaN电容以评估HZO薄膜铁电性能。极化-电压（P-V）滞回环用Radiant Technologies RT66A铁电测试仪测量，FeFET特性用配备脉冲发生器（B1525A）的Agilent B1500A分析仪记录[20]。

采用两套主要测试序列（图1b,c）。MW和保持研究中，先对FeFET栅极施加编程/擦除（P/E）脉冲，随后在不同时间间隔用I_D-V_G扫描读取（V_D=0.1 V）。在漏极电流10⁻⁷ A·W/L处提取阈值电压V_TH[25]，MW定义为编程态和擦除态V_TH之差。耐久性通过特定次数交替P/E脉冲后测量MW评估。

结果与讨论

图2a展示TaN/HZO/TaN和TaN/HZO/ZrO₂/TaN电容的P-V滞回环。晶态ZrO₂种子层的加入显著改善铁电响应，与前人报道一致[26]，证实种子层提升HZO薄膜结晶度并抑制单斜相[24]。

FeFET中逆时针I_D-V_G特性确认MW源于铁电极化翻转而非电荷捕获。带ZrO₂种子层的FeFET实现1.4 V MW——近乎无种子层器件0.8 V的1.8倍，匹配迄今报道最佳值[9,11,14,17,21-23,27]。

保持性能通过室温下P/E脉冲后测量V_TH评估（图3）。两器件V_TH随log(时间)大致线性变化。外推至10年，种子层器件MW为0.9 V，无种子层器件为0.6 V。ZrO₂/SiO₂堆叠较大的等效氧化层厚度（CET，1.5 nm/2.6 nm）增加去极化场，表明减薄SiO₂层可进一步提升保持。

图4追踪±7 V/100 ns交替P/E循环下I_D-V_G曲线演变。无种子层器件早期循环即显著漂移和斜率退化，擦除态斜率损失更大。相反，种子层器件仅显示擦除态微小正向漂移——归因于唤醒效应[13,28-32]——编程态在1×10³循环内几乎无漂移。两态斜率退化均轻微，表明界面陷阱生成减少。

利用亚阈值摆幅变化ΔSS=(ΔN_it kT ln 10)/(C_FI φ_F)[34,35]导出界面陷阱密度（ΔN_it）。图5显示，无种子层器件ΔN_it从最初几个循环急剧上升，擦除态显著更高。种子层器件在1×10³循环内ΔN_it几乎不变，且始终低于无种子层器件。高k种子层降低栅极堆叠电场，减弱能带弯曲，抑制界面陷阱生成[12,14]。

栅极漏电流（I_G-V_G）也反映种子层影响（图6）。无种子层器件漏电流从早期循环剧烈上升，种子层器件在5×10²循环内变化可忽略，且始终保持较低漏电。因界面陷阱可增强漏电，种子层器件抑制陷阱生成解释了其稳定性。

最后，从I_D-V_G曲线提取的P/E循环下V_TH演变（图7）显示，种子层器件始终维持更大MW。无种子层MW快速退化，种子层MW在1×10³循环内仅轻微下降，甚至1×10⁴循环后仍超0.9 V——约为无种子层器件0.4 V MW的2.3倍。达到饱和极化态所需电场降低可能是耐久性优势的根本原因。

结论

对TaN/HZO/SiO₂/Si和TaN/HZO/ZrO₂/SiO₂/Si MFIS栅极堆叠的HZO FeFET快脉冲测量表明，晶态ZrO₂种子层显著提升存储窗口和耐久性。种子层器件实现1.4 V初始MW、0.9 V十年外推MW，且10⁴次P/E循环后MW维持0.9 V以上——大幅优于无种子层对应器件。改进源于HZO层结晶度提升和栅极堆叠电场降低导致的界面陷阱生成抑制。结果提示，集成直接晶态高k/Si栅极堆叠将进一步提升HfO₂基FeFET的MW和可靠性，为其在下一代存储和存算一体技术中的应用铺平道路。

数据与材料可用性

支持本文结论的数据集包含在文中。

缩略语

CMOS：

互补金属氧化物半导体

FeFET：

铁电场效应晶体管

FeFETs：

铁电场效应晶体管

HKMG：

高k金属栅

HZO：

Hf₀.₅Zr₀.₅O₂

I_D：

漏极电流

L：

长度

MFIS：

金属/铁电体/绝缘体/半导体

MW：

存储窗口

P/E：

编程/擦除

P-V：

极化-电压

SS：

亚阈值摆幅

V_G：

栅极电压

V_TH：

阈值电压

W：

宽度

ΔN_it：

生成的界面陷阱