| 講演名 | 2021-01-28 ［招待講演］自発分極とトラップ電荷の分離抽出に基づく強誘電HfO2-FeFETにおけるVthウインドウ及び信頼性決定要因の解析 市原 玲華(キオクシア), |
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| 抄録(和) | HfO2-FeFETでは，自発分極の反転に加え，その効果を相殺する極性の電荷トラップがHfO2/SiO2界面近傍に生じることが知られており，その量は1014/cm2近くに及ぶことがIEDM2019で報告された[1，2]．一方，Vthウインドウやその経時変化及びサイクル特性といったメモリ性能とトラップ電荷の関わりについては，これまでも報告されてきたものの[2-5]，自発分極とトラップ電荷両方の定量的把握に基づく議論は十分にはなされていない．そこで本研究では，HfO2-FeFETにおける自発分極とトラップ電荷それぞれの振る舞いを定量的に抽出する手法を構築し，メモリ性能の支配要因を調査した[6，7]．FeFETでは，自発分極に加え，短い時間で消失する不安定なトラップ電荷と，一定時間維持される安定なトラップ電荷が生じている．前者は強誘電性と無関係に発生するが，後者は動作条件やドーパント種によらず，また保持過程においても自発分極に対し約90%の比率で連動する． 結果としてVthウインドウは広範囲に渡り抗電圧の制限を受けることなく自発分極量に比例し，保持過程では減分極電界による自発分極の消失が状態変化のきっかけとなっている．サイクルを経ると自発分極に対するトラップ電荷の比率が増大するが，この劣化は電荷トラップ/デトラップの繰り返しで加速する．このように、自発分極と完全に連動する莫大の量のトラップ電荷はメモリ特性全般を強く支配すると共に，理想状態と大きく異なる状況をもたらしている．これらの結果から，Vthウインドウと保持特性の改善には自発分極の増大と安定化が依然として有効であり，界面SiO2層を介した電荷出入りの抑制がサイクル耐性向上の鍵であるとの指針を得た． |
| 抄録(英) | It has been known that charge trapping (Qt) reduces the effect of spontaneous polarization (Ps) in HfO2 based FeFET. Recently, a huge amount of Qt at the interface close to 1014 cm-2 has been reported [1, 2]. Although it has been suggested that Qt affects the memory performance such as Vth window, retention and endurance [2-5], the accurate amount of ?Ps as well as ?Qt during memory operation has not been fully understood. In this study, we re-examine the dominant factors of Vth window and reliability of HfO2 FeFET using a new technique to extract both ?Ps and ?Qt during the memory operation. Beside Ps itself, unstable Qt (unrelated to ferroelectric) which rapidly disappears and stable Qt occur. Stable Qt is coupled to Ps with constant ratio (~90%) irrespective of the operating condition, dopants, and the retention time. Vth window is proportional to Ps for a wide range without coercive voltage limitation, and Vth shift during the long term retention is triggered by Ps change. ?Qt/?Ps ratio increases with cycling, and this degradation is accelerated by the repetition of charge trapping/de-trapping. A huge amount of Qt completely coupled to Ps strongly dominate the whole memory operation. Based on the results, we developed the improvement guideline: Ps increase/stabilization to improve Vth window/retention, and suppression of charge injection/ejection via SiO2 for higher endurance. |
| キーワード(和) | FeFET / 強誘電 / HfO2 / 信頼性 / 自発分極 / トラップ / トラップ |
| キーワード(英) | FeFET / ferroelectric / HfO2 / reliability / spontaneous polarization / trap |
| 資料番号 | SDM2020-49 |
| 発行日 | 2021-01-21 (SDM) |
| 研究会情報 | |
| 研究会 | SDM |
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| 開催期間 | 2021/1/28(から1日開催) |
| 開催地（和） | オンライン開催 |
| 開催地（英） | Online |
| テーマ（和） | 先端ＣＭＯＳデバイス・ プロセス技術（ＩＥＤＭ特集） |
| テーマ（英） | |
| 委員長氏名（和） | 平野 博茂(タワー パートナーズ セミコンダクター) |
| 委員長氏名（英） | Hiroshige Hirano(TowerPartners Semiconductor) |
| 副委員長氏名（和） | 大見 俊一郎(東工大) |
| 副委員長氏名（英） | Shunichiro Ohmi(Tokyo Inst. of Tech.) |
| 幹事氏名（和） | 森 貴洋(産総研) / 小林 伸彰(日大) |
| 幹事氏名（英） | Takahiro Mori(AIST) / Nobuaki Kobayashi(Nihon Univ.) |
| 幹事補佐氏名（和） | 野田 泰史(パナソニック) / 諏訪 智之(東北大) |
| 幹事補佐氏名（英） | Taiji Noda(Panasonic) / Tomoyuki Suwa(Tohoku Univ.) |
| 講演論文情報詳細 | |
| 申込み研究会 | Technical Committee on Silicon Device and Materials |
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| 本文の言語 | JPN |
| タイトル（和） | ［招待講演］自発分極とトラップ電荷の分離抽出に基づく強誘電HfO2-FeFETにおけるVthウインドウ及び信頼性決定要因の解析 |
| サブタイトル（和） | |
| タイトル（英） | [Invited Talk] **** |
| サブタイトル（和） | |
| キーワード(1)（和/英） | FeFET / FeFET |
| キーワード(2)（和/英） | 強誘電 / ferroelectric |
| キーワード(3)（和/英） | HfO2 / HfO2 |
| キーワード(4)（和/英） | 信頼性 / reliability |
| キーワード(5)（和/英） | 自発分極 / spontaneous polarization |
| キーワード(6)（和/英） | トラップ / trap |
| キーワード(7)（和/英） | トラップ |
| 第 1 著者 氏名（和/英） | 市原 玲華 / Reika Ichihara |
| 第 1 著者 所属（和/英） | キオクシア(略称：キオクシア) Kioxia(略称：Kioxia) |
| 発表年月日 | 2021-01-28 |
| 資料番号 | SDM2020-49 |
| 巻番号（vol） | vol.120 |
| 号番号（no） | SDM-352 |
| ページ範囲 | pp.1-2(SDM), |
| ページ数 | 2 |
| 発行日 | 2021-01-21 (SDM) |