具有全环绕通道（CAA）结构的垂直铁电-金属场效应晶体管（V-FeMFET）

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Vertical Ferroelectric–Metal Field-Effect Transistor (V-FeMFET) With Channel-All-Around (CAA) Structure

HfO2基铁电场效应晶体管（FeFET）的非易失性存储器应用受限于传统MFIS结构存储窗口窄和循环耐久性差的问题，本研究提出垂直FeMFET结构，通过MFM-MIS双电容设计优化面积比，在低电压高速条件下实现3.0V宽存储窗口并提升耐久性，TCAD仿真验证了机制。

　　

摘要：

基于HfO2的铁电场效应晶体管（FeFET）因其与CMOS的兼容性和可扩展性，成为非易失性存储器（NVM）设备的有力竞争者。然而，传统的金属-铁电（FE）-界面层（IL）-硅（MFIS）结构通常存在存储窗口（MW）有限以及编程/擦除循环耐久性较差的问题，这是由于栅极堆栈中的栅极电位分布不均匀所致。为了解决这些问题，我们提出了一种新型的垂直Fe-金属场效应晶体管（V-FeMFET），该晶体管采用了金属-Fe-金属-IL-硅（MFMIS）栅极堆栈，并采用垂直通道环绕（CAA）结构。通过在圆柱形金属-IL-硅（MIS）电容器上方集成金属-Fe-金属（MFM）电容器，这种架构能够在不增加器件面积的情况下，实现铁电区域（FE area）与通道区域（channel area）之间的极小面积比（AR）。通过精确校准的技术计算机辅助设计（TCAD）仿真，对所提出的V-FeMFET的存储特性进行了全面分析。通过调节间隔层厚度，我们在低电压、高速的编程/擦除脉冲（±2V/100ns）条件下实现了3.0V的宽存储窗口。此外，该器件在界面层（IL）上的电场强度降低，从而有望提升其编程/擦除循环耐久性。结合负载线分析和电容比（CR）评估的严格分析，阐明了存储窗口扩大的机制。这些结果表明，V-FeMFET在存储窗口、可靠性、可扩展性和后端制造（BEOL）兼容性方面具有显著优势，使其成为多功能NVM应用的有前景的解决方案。