基于自然老化5年以上的氧化铪铁电晶体管的长寿命可靠性研究：面向高能效嵌入式存储器的缺陷机理与波形工程调控

《Cell Reports Physical Science》：Long-term reliability of naturally aged hafnium oxide ferroelectric transistors for energy-efficient embedded memory

本研究针对长期自然老化（>5年）的硅掺杂氧化铪（HSO）铁电晶体管（FeFET）在嵌入式非易失性存储器（NVM）应用中的可靠性问题展开系统性探索。通过电荷泵浦（CP）技术解析界面陷阱（Nit）和氧化物陷阱（Nox）的演化规律，揭示老化器件在循环应力下记忆窗口（MW）缩窄的物理机制。进一步提出脉冲波形优化策略（如延长上升/下降时间tr/tf），显著抑制陷阱激活，将器件耐久性提升至>104次循环（85°C）且保持10年级数据保留（55°C）。该工作为氧化铪基FeFET在工业级嵌入式存储与存算一体系统中的长期稳定运行提供了关键理论与技术支撑。

　　

随着物联网、边缘计算和人工智能的快速发展，对高能效、非易失性嵌入式存储器的需求日益迫切。传统的浮栅闪存（Flash）技术面临电压高、功耗大、耐久性有限等瓶颈，难以满足下一代智能设备对低功耗和长寿命的要求。在此背景下，基于氧化铪（HfO₂）的铁电场效应晶体管（FeFET）因其可与先进CMOS工艺兼容、读写速度快、操作电压低等优势，被视为极具潜力的替代方案。然而，FeFET的实际应用长期受制于对其长期可靠性的担忧——尤其是在经历多年自然老化后，其性能是否仍能保持稳定，此前缺乏系统性的实验证据。

为了回答这一关键问题，由Asim Senapati、Apu Das等人组成的研究团队在《Cell Reports Physical Science》上发表了题为“Long-term reliability of naturally aged hafnium oxide ferroelectric transistors for energy-efficient embedded memory”的研究论文。该工作首次对经过5年以上自然老化（在温湿度受控的实验室环境中存储）的硅掺杂氧化铪（HSO）FeFET进行了全面的可靠性评估。研究发现，即使经历长期老化，器件仍能保持清晰的铁电开关特性和大于1 V的记忆窗口，其耐久性在85°C高温下仍超过10⁴次编程/擦除（PG/ER）循环，并且在55°C下的数据保留时间通过外推预计可超过10年。

研究过程中，作者主要采用了以下几项关键技术方法：利用基于300 mm高k金属栅（HKMG）工艺平台的CMOS兼容流程制备FeFET器件；通过变基压电荷泵浦（charge pumping, CP）技术在不同温度下定量表征界面陷阱密度（N_it）和氧化物陷阱密度（N_ox）的演化；借助正向上负向下（PUND）测量验证铁电极化开关的稳定性；采用自定义波形发生器进行脉冲形状工程（如调节t_r/t_f）以研究其对耐久性的影响；并通过热加速测试（最高150°C）结合阿伦尼乌斯模型外推器件的长期数据保留寿命。

自然老化HSO-FeFET的电学特性

研究人员首先展示了老化超过5年的FeFET的转移特性曲线（I_D-V_G）。结果显示，器件在经历60次PG/ER循环后仍能呈现出清晰分离的高阈值电压（HVT）和低阈值电压（LVT）状态，记忆窗口约为0.7 V（在±5 V脉冲下）。阈值电压的累积分布函数表明，40个被测器件的HVT和LVT状态分布分离良好，未出现显著退化或随机涨落加剧的现象。通过500 ns写入脉冲扫描±3 V至±5.5 V的范围，观察到开关行为与新鲜器件相似，证实了铁电极化在长期老化后依然稳定。双扫I_D-V_G曲线显示出明显的顺时针滞后现象，尤其在LVT状态下更为显著，这被归因于在特定电场对齐条件下电子陷阱的增强捕获。

温度与循环应力下的可靠性

随着温度从25°C升高至150°C，记忆窗口从约1.12 V收缩至约0.66 V，同时两种状态的阈值电压发生漂移，这与热增强的陷阱效应和载流子重新分布一致。尽管窗口收窄，但铁电开关跃迁仍然清晰可重复，表明基本铁电响应在高温下得以保持。在5 V双极脉冲循环下进行耐久性测试，经历10⁴次循环后，HVT状态逐渐正向漂移，而LVT状态相对稳定，这种不对称演化表明偏压依赖的施主型陷阱生成是导致记忆窗口逐渐关闭的主要原因。栅极泄漏电流在循环前后几乎不变，排除了介质层击穿的可能性，确认退化源于陷阱动力学而非结构损坏。在55°C下的保留特性测试显示，阈值状态在超过10⁷秒（约10年）的外推时间内仍能保持良好分离。

电荷泵浦揭示的陷阱动力学

通过变基压电荷泵浦测量，研究人员定量提取了循环过程中N_it和N_ox的演变。发现在LVT状态下，由于陷阱电荷与铁电极化场（E_FE）之间的有利对齐，界面陷阱激活增强。N_it随基压（V_B）的变化显示，在负偏压下出现强烈的施主型陷阱生成，这表明重复循环在界面附近诱导了带正电的缺陷，加剧了去极化并降低了器件稳定性。幂律模型拟合表明，陷阱生成遵循偏压依赖的动力学，较高偏压会加速缺陷形成。温度依赖的N_it曲线显示，随着温度从室温升高至85°C，陷阱密度显著增加，反映了先前非活性位点的热激活。

脉冲整形抑制陷阱激活的策略

研究证明，通过优化PG/ER脉冲的波形可以有效缓解陷阱诱导的退化。具体而言，采用较慢的上升/下降时间（如将t_r/t_f延长至约2 μs）可以显著减少记忆窗口的退化，相比快速跳变脉冲，耐久性得到大幅提升。去卷积的陷阱密度分布表明，快速边沿会加速导带附近的施主型缺陷产生，而较慢的边沿则强烈抑制了陷阱激活。能量分辨的分布进一步证实，较长的脉冲过渡时间能有效抑制对耐久性最为有害的中间能隙施主陷阱（E_c以下0.2-0.5 eV）的激活。其物理机制在于，快速瞬变虽然能有效注入载流子，但阻碍了脱陷过程，导致陷阱累积；而渐变的边沿增强了复合和脱陷，稳定了缺陷群体，从而延缓了退化。

本研究通过系统评估自然老化超过5年的HSO-FeFET，证实了氧化铪铁电材料在长期环境存储下的内在耐久性。器件在老化后仍保持稳定的开关特性、超过10⁴次循环的耐久性以及10年级的数据保留能力，关键性能指标符合IRDS路线图对嵌入式NVM的预期。研究进一步揭示了老化器件性能退化的核心机制是界面和氧化物陷阱的积累，而非铁电本体或介质层的灾难性失效。尤为重要的是，工作表明通过脉冲波形工程这一电路级手段，可以有效抑制陷阱激活，显著延长器件寿命。这些发现不仅消除了对FeFET长期可靠性的疑虑，为其在嵌入式闪存替代、存储级内存和存算一体等应用场景中的商业化部署提供了坚实依据，也为未来设计高可靠性、高能效的非易失性存储器指明了通过协同优化材料、器件和电路操作策略来提升系统级稳定性的可行路径。