浮体铁电场效应晶体管极化复位中的空穴动力学与开关辅助脉冲擦除优化

《ACS Applied Electronic Materials》：Role of Hole Dynamics in Polarization Reset and Switching-Assist Pulse-Based Erase Optimization of Floating Body Ferroelectric Field-Effect Transistors

　　

基于HfO₂的浮体（FB）铁电场效应晶体管（FeFETs）因其在嵌入式非易失性存储器、先进逻辑器件和高密度存储存储器等广泛领域的适用性而日益引起人们的关注。然而，由于缺乏向隔离FB直接供应空穴的路径，这些器件中的高效擦除（ERS）操作从根本上受到阻碍，且控制替代空穴产生途径及其在极化复位中作用的机制仍知之甚少。特别是，在三维铁电NAND（3D FeNAND）的块级ERS操作期间，空穴产生不足以及向浮置串沟道的供应不足，对ERS电压和ERS速度均造成了显著限制，这凸显了深入理解空穴动力学的必要性。本研究通过阐明空穴动力学与极化复位之间的相关性，系统性地识别了FB FeFETs中ERS操作的关键使能因素。对绝缘体上硅（SOI）FeFETs的深入电学表征揭示，在采用负栅极偏压的传统ERS方案中，极化复位由栅极至源/漏带间隧穿（BTBT）诱导的空穴产生所驱动，而随后FB中的空穴积累会导致异常的阈值电压（V_th）转变。为提高ERS效率，研究提出了一种开关辅助脉冲方案，该方案在降低ERS电压的同时提升了复位速度和复位程度。这些发现为高密度3D FeNAND中优化ERS方案提供了实用的设计指南。

**论文解读：浮体铁电场效应晶体管极化复位中的空穴动力学机制与开关辅助脉冲擦除优化策略**

**一、研究背景与问题**

基于HfO₂的铁电场效应晶体管（FeFETs）因其低功耗、优异的可微缩性以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的兼容性，在嵌入式非易失性存储器、先进逻辑器件和高密度存储存储器等领域展现出广阔的应用前景。特别是，FeFETs凭借其快速开关速度和低工作电压，已成为神经形态计算和存内计算平台的关键构建模块。在过去十年中，体硅FeFETs得到了广泛研究，其极化置位和复位操作均具有高效率：置位过程中，源/漏（S/D）区域提供的电子有效屏蔽铁电极化；复位过程中，来自体区的空穴发挥相同作用。然而，许多新兴FeFET架构，如绝缘体上硅（SOI）FeFETs、环栅（GAA）FeFETs和三维铁电NAND（3D FeNAND），共同具有与体硅衬底电学隔离的浮体（FB）结构。在FB FeFETs中，极化复位期间从衬底到FB的空穴供应路径被有效中断，导致整个器件堆叠表现为简单的电容分压器，铁电层上的电压降变得可忽略不计，使得高效极化复位面临根本性挑战。在传统擦除（ERS）方案中，栅极至S/D带间隧穿（BTBT）被认为是主要的空穴产生途径，但空穴动力学与极化复位之间的相关性仍不明确。此外，在3D FeNAND架构中，串沟道本质上是浮置的，块级ERS操作需在多个垂直堆叠的单元上同时执行，空穴产生和供应不足对ERS电压和ERS速度构成显著限制。因此，深入理解空穴动力学对于优化FB FeFETs和3D FeNAND的ERS操作至关重要。

**二、主要技术方法**

研究人员采用8英寸p型（100）SOI晶圆，通过后栅CMOS工艺制备了具有不同栅极长度（L_G）和欠叠余量长度（L_UM）的FB FeFETs。器件制备采用磷（P）注入定义n+ S/D区域，1000 °C快速热退火（RTA）激活掺杂，低压力化学气相沉积（LPCVD）沉积SiO₂层间介质，热原子层沉积（ALD）制备10 nm厚的Hf_0.5Zr_0.5O₂（HZO）铁电层，射频溅射沉积TiN栅电极，500 °C RTA实现铁电结晶。电学表征采用半导体参数分析仪（Keysight B1500A）和波形发生器/快速测量单元（WGFMU，Keysight B1530A）进行脉冲测量，LCR表（Keysight E4980AL）获取电容-电压特性，Sentaurus TCAD工具进行器件仿真。结构表征采用截面透射电子显微镜（TEM）和能量色散X射线光谱（EDS），相位分析采用掠入射X射线衍射（GIXRD）。

**三、研究结果**

**（一）FB FeFETs擦除操作评估**

通过增量步进脉冲编程（PGM）和擦除（ERS）测量发现，只有L_UM为0.2 μm的器件表现出成功的ERS操作，而L_UM大于0.5 μm的器件即使在高ERS电压（V_ERS）下也无极化复位现象，这归因于厚埋氧层（BOX）导致的电容分压效应。正-负-正-负（PUND）测量结果与此一致，仅L_UM为0.2 μm的器件在负栅压下表现出明显的开关电流峰。ERS速度特性进一步证实，L_UM超过0.5 μm的器件因电容分压而无法实现极化复位。与之形成对比的是，无论L_UM大小，PGM操作均能在纳秒级实现快速极化置位，这是因为n+ S/D区域直接提供的电子可有效屏蔽铁电极化，抑制了BOX层的电容分压效应。

**（二）极化复位期间空穴动力学的验证**

栅极电容（C_G）-栅极电压（V_G）频率相关测量显示，仅L_UM为0.2 μm的器件在大负栅压下表现出明显的频率依赖响应，该响应归因于BTBT诱导的空穴产生。直流I_D-V_G特性表明，L_UM为0.2 μm的器件即使在低漏极电压（V_D）下也表现出显著升高的关态电流，而L_UM为0.5 μm的器件即使在高V_D下也无可测泄漏电流。这是因为较短的L_UM使栅极边缘更接近n+ S/D区域，增强了栅极与S/D边缘耗尽区之间的静电耦合，从而促进BTBT诱导的空穴产生。TCAD仿真验证了实验观察：包含BTBT模型时，铁电层电场（E_FE）足以实现极化复位；不包含BTBT模型时，E_FE低于矫顽场，无法实现极化复位。偏置保持测量揭示了自限制空穴发射动力学：在漏极偏置条件下，FB中存储的空穴通过正向偏置的漏极-体区结发射，导致V_th先下降后饱和。研究进一步提出了三阶段极化复位机制：第一阶段，S/D区域附近BTBT诱导的空穴增强退极化场（E_DEP），引起部分极化反向开关和V_th增加；第二阶段，FB中的空穴积累提升体电位，导致V_th降低；第三阶段，积累的空穴进一步增强E_FE，实现完全极化复位并伴随V_th进一步增加。

**（三）开关辅助脉冲擦除优化**

基于对空穴动力学作用的认识，研究提出了开关辅助脉冲（SWAP）方案。通过优化SWAP脉冲宽度（200 ns），系统比较了三种SWAP配置：SWAP first、SWAP last和SWAP all。实验结果表明，SWAP first因初始产生的空穴在到达有效复位区间前部分复合而受限；SWAP last因紧随其后的较长ERS脉冲而表现出更强的极化补偿；SWAP all则通过重复空穴产生在短脉冲宽度下实现持续补偿。选择性应用SWAP于第三和第四脉冲宽度区间，可分别改善复位速度和复位程度，其组合应用即使在降低的V_ERS（-3 V）下也能显著增强两项指标，同时抑制异常V_th转变。此外，在L_Ch为10 μm的器件上也观察到类似的SWAP配置依赖性。

**四、讨论与结论**

基于系统性的实验表征和TCAD仿真，研究人员阐明了FB FeFETs中ERS操作的空穴动力学机制。栅极至S/D的BTBT诱导空穴产生被确定为极化复位的主要使能因素，其作用机制包括三个阶段：BTBT空穴产生、FB空穴积累和向上铁电极化开关。基于这一机制理解，SWAP方案通过时间控制空穴产生，显著提升了复位速度和复位程度，即使在降低的V_ERS下也能有效工作，同时抑制异常V_th转变。研究结论指出，这些发现为理解FB FeFETs的ERS操作提供了理论基础，并为高密度3D FeNAND应用中实施高效ERS方案提供了实用设计指南。在3D FeNAND架构中，栅致漏极泄漏（GIDL）辅助ERS方案中空穴的时序和数量控制对ERS电压和速度具有决定性影响，本研究的SWAP方案为此提供了重要的器件级验证和设计参考。该研究成果发表于《ACS Applied Electronic Materials》。