基于氧化铪的硅沟道铁电晶体管中的耐久性悖论

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Endurance Paradox in Hafnium-Oxide-Based Silicon-Channel Ferroelectric Transistors

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基于氧化铪的铁电场效应晶体管被广泛认为是嵌入式非易失性存储器的有力候选者，但其实际应用仍然受到过早耐久性故障的限制，通常在仅约10^4次编程/擦除循环后就会出现故障。在这里，我们展示了这种设备功能的丧失并非由铁电层本身的退化引起的。通过检查存储窗口关闭后相同电性能退化的栅极堆栈，我们发现强大的极化切换仍然得以保留，这表明即使晶体管级别的存储操作已经崩溃，铁电介质仍然具有功能性。故障的根源在于界面处，电荷捕获及其相关的静电屏蔽逐渐降低了编程状态之间的阈值电压对比度。因此，尽管底层的铁电堆栈继续切换，设备却失去了作为存储晶体管运行的能力。这些发现直接证明了基于氧化铪的铁电晶体管的耐久性主要受界面退化的影响，而不是真正的铁电疲劳。

引言

基于氧化铪（HfO2）或氧化铪-氧化锆（Hf0.5Zr0.5O2/HZO）的铁电场效应晶体管（FeFET）已迅速成为嵌入式非易失性存储技术的领先候选者。(1?14) 它们与标准CMOS工艺的兼容性、(15) 结合出色的几纳米级别的可扩展性、(2,16) 以及在纳秒时间尺度上的快速切换性能,(17) 使它们成为替代传统闪存的有力竞争者，并支持下一代能效计算范式。(18?20) 与传统的钙钛矿铁电材料不同，基于HfO2的系统即使在厚度低于10纳米的情况下也能保持稳定的极化,(21,22) 这使它们特别适合集成到先进的逻辑节点中而不牺牲静电完整性。(23?28) 尽管有这些优势，FeFET设备的一个关键限制仍然是相对较差的耐久性。实际上，基于HZO的FeFET通常在仅10^3–10^5次编程/擦除（PG/ER）循环后就会出现存储窗口（MW）退化。(29?37) 这种行为与使用相同材料系统制造的金属-铁电-金属（MFM）电容器形成了鲜明对比，后者可以维持极化切换超过10^10次循环。(5,38?41) 这种差异的根源，无论是内在的还是外在的，仍然是该领域尚未解决的核心挑战之一。(42?46) 解决这个问题对于实现FeFET在存储和逻辑应用中的可靠长期运行至关重要。

文献中广泛讨论了两种竞争性解释。一种将耐久性限制归因于内在的铁电疲劳，即反复切换逐渐抑制了极化。(47,48) 另一种观点强调外在因素，特别是HfO2/SiO2或Si/SiO2界面附近的电荷捕获。(49,50) 这些过程可以局部改变电场分布并改变沟道电位，从而降低设备性能。虽然这两种机制可能同时发挥作用，但它们的相对重要性尚未明确。迄今为止的大多数实验研究都依赖于间接指标——如阈值电压（Vth）变化、印记行为或传输曲线不对称性——来推断界面效应。(51) 然而，直接实验确认铁电退化与界面现象之间的区别基本上还不存在。

在这项工作中，我们通过将铁电切换响应(52)与同一FeFET结构中的晶体管行为分开来直接解决这种模棱两可的问题，即使在电性能退化之后也是如此。通过从已经失去存储窗口的设备中提取栅极电压（PR–VG）的剩余极化，我们证明了耐久性限制并非源于铁电性的丧失。相反，底层的HZO层即使在晶体管功能退化后，仍能表现出明确、对称的极化响应，并具有最小的印记和稳定的矫顽场。虽然先前的研究表明界面可靠性主导了FeFET的耐久性，但在同一设备堆栈内直接验证记忆故障与保持的铁电切换的共存仍然有限。(53)

我们的电学表征进一步揭示了耐久性退化与界面电荷捕获(50,54,55)和HZO/SiO2界面附近氧空位的重分布(49)密切相关。这些效应产生内部电场，扭曲表面电位景观，并部分屏蔽极化电荷，最终降低了有效的阈值电压分离。因此，在设备层面表现为“疲劳”(56)的现象实际上是由界面过程驱动的静电不稳定性(57)而非铁电相的内在退化所致。这些观察结果解决了基于HZO的电容器卓越耐久性与FeFET设备相对有限寿命之间的长期争议。它们表明，铁电层本身在超过10^4次切换循环后仍然基本保持稳健，并且真正的瓶颈在于界面的稳定性。因此，提高耐久性需要针对栅极堆栈进行有针对性的工程设计——例如通过优化电极材料、(58) 扩散屏障，或氧捕获中间层。(59) 通过明确区分内在的铁电稳定性和外在的界面效应，这项工作为设计用于未来CMOS技术的可靠且可扩展的铁电设备提供了物理基础。

实验

Si通道FeFET的制造

FeFET设备是在p型单晶Si(100)晶圆上实现的。首先使用标准的RCA清洗序列准备衬底表面，然后通过热氧化形成超薄界面SiO2层（约0.8纳米）。引入这一界面层以确保半导体边界处的隧道特性得到良好控制。在SiO2层之后，通过在250°C下进行原子层沉积（ALD），沉积了约5纳米厚的HZO薄膜。ALD序列安排得使得含Hf和Zr的子循环以1:1的比例交替，以获得目标薄膜组成。随后通过反应溅射沉积了120纳米厚的TaN薄膜作为栅电极，然后通过光刻定义栅极。接下来通过磷离子注入在5 × 10^15 cm^-2的剂量和30 keV的能量下引入源极和漏极。之后，进行了一次快速热退火（RTA）步骤，以激活注入的掺杂剂并结晶HZO铁电层。本研究仅制造了n型设备，因此不需要形成n阱。

图1a显示了制造过程的示意图，图1b展现了相应的栅极堆栈结构。最终的堆栈由TaN/HZO/SiO2/Si组成。横截面HR-TEM图像确认了大约5.3纳米的均匀HZO厚度以及与底层SiO2界面层约0.85纳米的清晰界面（图1b）。所有测量设备的通道长度为5微米，宽度为136微米。

图1. 设备结构及制造流程示意图。(a) 体相FeFET的制造过程，包括界面层的形成、Hf0.5Zr0.5O2的原子层沉积、栅电极沉积、600°C下的快速热退火，以及随后的间隔层和注入过程。(b) n型FeFET的横截面示意图。从Si通道向上看，堆栈由热生长的SiO2界面层（约0.85纳米）、铁电HZO层（约5.3纳米）和TaN栅电极（约120纳米）组成。源极和漏极对应于在p型硅衬底中形成的n型区域。

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电学表征

使用集成有任意波形生成单元（Keysight B1500A/B1530A）的半导体参数分析仪对FeFET设备进行了电学测量。在标准读写表征之前，通过使用±5 V的双极脉冲进行500 ns的唤醒循环来对设备进行条件处理。然后通过对栅极施加±5、±6和±7 V的500 ns电压脉冲来执行编程（PG）和擦除（ER）操作，而漏极、源极和体端保持在地电位。施加正栅极偏置会使铁电极化方向向下，导致低阈值电压（LVT）状态；而负栅极偏置则会使极化方向向上，对应于高阈值电压（HVT）状态。这种通过极化控制的表面电位调制既控制了通道导电性，也控制了阈值电压。在固定的漏极电流1 μA下提取每个编程状态的阈值电压（Vth）。通过在100 mV的漏极偏压下将栅极电压从-0.5 V扫描到+1.5 V来进行非破坏性读取。图2a显示了用于PG/ER操作的脉冲序列。

图2. (a) 用于编程和擦除两种非易失性状态的栅极电压脉冲方案。在每次操作中，单个单极脉冲施加到栅极终端，而源极、漏极和体保持接地。脉冲幅度从+5变化到+7 V，从-5变化到-7 V，脉冲宽度为500 ns，上升/下降时间为20 ns。(b) 应用于FeFET栅极终端的正-上-负-下（PUND）序列。通过减去非切换贡献（ISWP = IP – IU 和 ISWN = IN – ID）来获得铁电切换电流。总切换电荷计算为 Q = ∫t1t2(IP – IU) dt + ∫t3t4(IN – ID) dt，相应的极化通过 P = Q/A 确定。(c) 用于评估存储窗口和提取栅极堆栈的切换电流和极化响应的电压波形。

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进一步使用Keysight B1530A Waveform Generator/Fast Measurement Unit通过正-上-负-下（PUND）测试来检查铁电堆栈的内在切换行为。在这些测量过程中，栅电极受到施加的激励信号（VG）的驱动，同时记录相应的瞬态电流响应（IG），而漏极、源极和体端保持接地。脉冲序列包括四个三角电压激励：两个正极性（P和U）和两个负极性（N和D），每个脉冲的宽度为500 ns，上升/下降时间为20 ns。对于给定的极性，第一个脉冲（P或N）包含极化切换和非切换贡献，而第二个脉冲（U或D）仅反映非切换成分。因此，通过减法提取净铁电切换电流，即对于正分支为 (IP – IU)，对于负分支为 (IN – ID)。相关的切换电荷（QP）通过瞬态电流的时间积分获得，然后使用 P = ΔQ/A 来确定极化。从这一点出发，通过绘制瞬时极化作为施加栅极偏压的函数来重建极化-电压（P–V）响应。这样，可以区分真正的铁电贡献和寄生电容及漏电相关电流，从而直接将极化稳定性与耐久性行为相关联。完整的PUND测量配置显示在图2b中。

使用图2c所示的配置评估了基于HZO的FeFET的耐久性特性。重复对栅极终端施加一系列幅度为±5 V、上升和下降时间为20 ns、持续时间为500 ns的双极三角脉冲，而所有其他端子保持接地。每个周期都会反转铁电层的极化状态，从而模拟连续的编程和擦除操作。这种电应力累积效应允许系统地研究在长时间切换条件下的极化稳健性和界面退化。

X射线光电子能谱

使用配备两个单色X射线源（Al Kα（hν = 1486.6 eV）和Cr Kα（hν ≈ 5414.7 eV）的ULVAC–PHI（Quantes）系统进行了X射线光电子能谱（XPS）表征。低能量的Al Kα源提供了增强的表面敏感性，主要探测HZO层的顶部区域，信息深度约为2–3纳米。相比之下，高能量的Cr Kα激发将电子逃逸深度增加到约6–10纳米，从而能够访问栅极堆栈的更深部分，包括埋藏的TaN/HZO界面。为了抑制测量过程中的充电伪影，整个过程中使用了电荷中和器。在某些情况下，使用EX05离子枪进行额外的深度剖面分析（最高5 kV；在4 kV时束流电流超过5 μA）。由于溅射可以改变与氧相关的缺陷状态，这些谱图仅用于定性比较，而不是用于定量提取氧空位浓度。所有获得的谱图都使用284.5 eV处的偶然碳C 1s峰进行能量校准，然后使用高斯拟合函数进行分析。从TaN(5 nm)/HZO/p-Si堆栈获得的O1s光谱分为两个主要成分：一个位于529.9–530.2 eV的低结合能峰，对应于HZO中的晶格氧；另一个位于531–532 eV范围内的宽高结合能组分，与非晶格氧物种和与缺陷相关的键合配置有关。在本研究中，XPS主要用作定性探测工具，以追踪栅极堆栈内的氧相关化学演变，并将观察到的光谱趋势与电学表征结果相结合进行解释。

**原始器件的编程/擦除操作**
我们首先通过评估在不同漏极偏压下测量的基线传输特性（IDS–VG）来检查器件的固有电学行为（图3a），这在理解后续的极化驱动调制时提供了参考。本研究中使用的编程/擦除（PG/ER）方案如图2a所示，其中单个单极电压脉冲施加在栅极上，而源极、漏极和体端子保持在地电位。施加的脉冲幅度在±5到±7 V之间变化，标称脉冲宽度为500 ns，上升/下降时间为20 ns，除非另有说明。这种脉冲协议使得铁电层的极化切换可以被控制，从而定义了FeFET的两个非易失性状态，并允许后续读取相应的阈值电压。

**图3**
- **图3. FeFET的电学响应。**
- (a) 在任何PG/ER操作之前测量的FeFET的传输特性。
- (b) 在施加±5、±6和±7 V的单次写入脉冲后记录的传输曲线，读出在VDS = 0.1 V时进行。实线轨迹对应于由+VW编程的LVT状态，而虚线轨迹代表由?VW编程的HVT状态。随着+VW的增加，LVT分支仅出现轻微的左移，而HVT分支随着VW的进一步减小而逐渐向更高的栅极电压移动。
- (c) 相应的Gm/ID特性显示+VW的起始点几乎不变，而?VW的起始点系统性地增加。
- (d) 在栅极电压扫描下铁电栅极堆栈的剩余极化和切换电流响应。极化滞后环（蓝色）是根据PUND测量重建的，相关的切换电流（橙色）在±2 V附近显示出明显的峰值，这与铁电畴的反转一致。
- (e) 提出的机制示意图显示，正栅极脉冲将电子注入界面或边界陷阱中，从而屏蔽极化场并减弱预期的左移。在?VW下，外部场和退极化场的共同作用促进了电子的释放。

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对于通道长度为5 μm、宽度为136 μm的器件，所得到的IDS–VG特性（图3b）显示在相反的编程极性下阈值电压（Vth）调制存在明显的不对称性。当使用正栅极脉冲（+VW）进行编程时，低Vth（LVT）分支仅随脉冲幅度的增加而发生轻微变化。相比之下，使用负脉冲（?VW）编程的高Vth（HVT）分支逐渐向更高的栅极电压移动，表明在界面处或附近有越来越多的电荷累积。这种极性依赖的行为进一步通过归一化跨导的Gm/IDS特性得到证实（图3c），这些特性显示LVT状态的起始点几乎不变，而HVT状态的起始点系统性地延迟。

为了区分固有的铁电切换和界面贡献，使用相同的栅极堆栈制备了一个伴随电容器进行了PUND测量（图2b）。在低读偏压条件（VDS = 100 mV）下，初始的存储窗口超过1 V，但它对漏极偏压有很强的依赖性，从100 mV时的1 V以上逐渐缩小到400 mV时的几乎为零，这是由于漏极诱导的势垒降低（DIBL），如图S4所示。重要的是，提取的PR–VG特性和切换电流（ISW）环显示出对称的切换电流和稳定的剩余极化，表明在传输特性中观察到的不对称性与铁电疲劳无关（图3d）。这一解释还得到了分子动力学模拟的支持，这些模拟显示在HZO/SiO2界面处有大量的缺陷态（图S3）。

**图3e** 以示意图形式总结了潜在的物理机制。在使用正栅极偏压（+VW）编程期间，电子从通道注入SiO2/HZO区域内的界面或边界陷阱中。这些被捕获的电荷屏蔽了铁电极化，从而降低了有效电场并抑制了传输曲线预期的左移。在负偏压（?VW）下，施加的场和退极化场的共同作用促进了这些电荷的部分释放，使器件恢复到初始状态。

综合这些观察结果，可以看出明显的存储窗口不对称性起源于界面介导的电荷捕获和静电屏蔽效应，而不是铁电层的固有退化。补充的结构表征支持这一结论：X射线衍射证实了HZO膜的适当结晶（图S1），而对厚度相当的参考HZO层进行的透射Kikuchi衍射测量提供了材料系统微观结构特征的额外见解（图S2）。

**图4** 分析了基于HZO的FeFETs中的印记和唤醒行为是如何演变的，通过分析首次写入脉冲后的切换电流（ISW）响应以及提取的剩余极化（PR）。图4a–c展示了在±5、±6和±7 V的写入幅度下测量的ISW特性。在最低的施加电压±5 V时，正向切换分支显示出明显的双峰特性，其中在主要切换峰之后出现一个次要峰。这个延迟的特征归因于受到内置内部场影响的区域中的部分偶极反转，这是印记的标志。相比之下，较早且更强的峰对应于已经解钉或仅被弱固定的畴。随着写入幅度从±5增加到±7 V，这个分裂特征逐渐减弱，主峰变得更强，表明更强的施加场逐渐克服了内部偏压并激活了之前受限的畴。

**图4** 初始切换行为和与印记相关的不对称性。
- (a–c) 在±5、±6和±7 V的单次PG/ER操作后测量的切换电流响应。电流是通过在指定幅度下施加500 ns的写入脉冲后，使用±2 V的扫描通过PUND提取的。在较低的写入电压下，正向趋势显示出分裂特征：一个与内部正向偏压（印记）相关的延迟峰，由非均匀的氧空位/缺陷偶极分布引起；另一个峰对应于大多数已切换的畴。
- (d) 不同写入幅度的正峰重叠显示了分裂特征的逐渐合并以及随着印记减弱和先前固定的畴开始解钉而向更低电压的移动。
- (e–g) 在5、6和7 V下的极化–电压环，根据±2 V的PUND测量重建，显示剩余极化略有增加，以及随着缺陷偶极/氧空位的重新分布，两个矫顽场都减小；同时，滞后环随着印记的减弱而重新中心化。
- (h) 放大的叠加图强调了这些趋势：环的中心向0 V移动（印记减轻），Pr在V = 0时增加，Ec随着矫顽拐点的向内移动而减小。

**图4d** 中的峰叠加图更清晰地可视化了这一趋势，其中正向切换响应演变为一个单一的、集中的峰，其中心向更低的电压移动。这种行为与带电缺陷偶极重新定向或迁移到能量更有利的配置一致。由此产生的重新分布减少了内置场，并恢复了更平衡的极化反转能量景观，从而减轻了印记。在相同的写入操作后获得的相应PR环显示在图4e–g中。在±5 V时，环明显不对称，正矫顽场（Ec+）大于负矫顽场（Ec–），表明存在一个偏向某一极化方向的内部偏压。随着写入幅度的增加，两个矫顽场变得更接近，剩余极化逐渐增加，表明之前不活跃的区域变得可切换，整体畴配置变得更加一致。因此，从宽的、不对称的滞后环到更窄、更对称的环的转变表明，更大的电场减少了与印记相关的不对称性，并稳定了铁电切换过程。

**图5** 展示了在100圈双极栅极应力后HZO基FeFETs的唤醒动态。图5a–c显示了通过PUND测量在±5、±6和±7 V的写入电压下获得的后循环ISW响应。在第一圈中，正向切换峰显示出分裂的肩部，反映了由非均匀畴行为和局部缺陷偶极产生的印记场。经过100圈后，这种分裂结构在所有编程电压下都合并为一个集中的峰。双峰的消失表明重复的极化反转推动了氧空位的重新分布、缺陷偶极的重新排列以及受限畴的解钉。这一过程减少了内部正向偏压，并恢复了均匀的切换前沿，而增强的峰值幅度和正负分支之间减少的不对称性证实了铁电活化的改善以及更一致的畴反转。

**图6** 总结了TaN/HZO/SiO2/Si FeFETs在电循环过程中的印记、电荷捕获和唤醒行为的逐渐演变。图6a展示了在±5 V的双极应力下提取的Vth的耐久特性，随后在+6 V（LVT，黑色）和?6 V（HVT，红色）下进行单次写入操作。观察到大约104次编程/擦除循环后存储窗口的崩溃，这归因于界面退化。相比之下，固有的铁电极化保持高度稳定，如MFM电容器中的耐久性超过2 × 10^10圈（46）以及在低电场应力下的FeFETs中的108圈（图S5）所证明的。随着循环次数的增加，HVT逐渐向下移动，而LVT的变化最小。这种不对称的记忆窗口演变表明，退化主要是由电荷捕获和缺陷生成引起的，特别是涉及氧空位的重新分布以及负电荷物种的释放。这些过程增强了HZO/SiO2接口附近的静电屏蔽作用，导致编程后的高阈值（HVT）降低，而低阈值（LVT）基本不受影响。因此，记忆窗口的明显关闭是由外部界面效应引起的，而不是由内在的铁电疲劳引起的。

图6展示了TaN/HZO/SiO2/Si FeFETs的耐久性循环、记忆窗口演变、印记缓解和畴解钉扎现象。(a) 在重复的±5 V、0.5 μs循环后，FeFET的耐久性，随后在±6 V下进行编程/擦除。高阈值状态随着循环次数的增加而消失，而低阈值状态几乎保持稳定，这与界面处的电荷捕获和氧空位重新分布一致。(b) 在1、102、103和104个循环后，通过±2 V PUND扫描测量负极性写入时的开关电流ISW。最初分离的正极瓣合并并向更低电压移动，表明印记减弱和畴逐渐解钉扎。(c) 正极性写入后的ISW显示，随着循环次数的增加，弱化的宽瓣得到加强并重新居中，表明印记被消除和注入的电荷屏蔽得到缓解。(d) ?VW下的极化-电压曲线显示Pr略有增加和内向矫顽力点的变化，这是唤醒效应的特征，而不是铁电疲劳。(e) +VW下的PUND提取的极化曲线证实了印记缓解和稳定的剩磁。

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图6b,c展示了在负极性和正极性写入（?VW和+VW）下，循环次数为1、102、103和104时的开关电流（ISW）的演变。在早期阶段，开关响应表现出一个小肩部和峰值分裂，随着循环次数的增加，这两个峰逐渐合并成一个更对称的峰。这种行为反映了内部偏压的逐渐减小，这是唤醒过程的特征。在较高的循环次数下，ISW的大小略有减小，这与界面陷阱的累积有关，这些陷阱部分屏蔽了施加的电场。值得注意的是，即使在104个循环后，开关峰仍然可以清晰区分，表明极化开关能力仍然保持。

从PUND测量中提取的相应PR–VG特性显示在图6d,e中。尽管矫顽场（Ec）和剩磁 polarization（Pr）有轻微的变化，但磁滞回线即使在长时间循环后仍然保持方形和对称的轮廓。这证实了铁电相仍然完好无损，且开关能力没有显著下降。因此，尽管电记忆窗口在大约104个循环后崩溃，但潜在的极化仍然存在，清楚地表明耐久性退化是由电荷捕获引起的，而不是由铁电击穿引起的。

进一步的证据来自于电荷泵测量。如补充图S6所示，电荷泵电流（ICP）随着循环次数的增加而稳定增长，同时界面陷阱密度（Nit）也系统性地上升，尤其是在负偏压条件下。这些结果直接证实了电活性界面缺陷的逐步积累。同时，栅极泄漏电流在104个循环之前基本上保持不变（见图S6d），表明退化与栅极堆栈的灾难性故障无关。综合来看，电荷泵结果强烈支持耐久性退化是由界面陷阱生成和由此引起的铁电响应的静电屏蔽所驱动的。

XPS提供了关于HZO基FeFETs在耐久性循环过程中氧状态演变的直接光谱洞察，突出了伴随唤醒和印记缓解的化学稳定机制。图7a–c显示了第一次、第103次和第105次编程/擦除循环后PG状态的XPS O 1s核心能级光谱。光谱被拟合为与缺陷相关的氧空位（VO），表现为532 eV附近的肩部。我们估计晶格氧浓度为100%-VO%。最初，VO占主导地位，表明有大量的非晶格氧物种和带电缺陷偶极子，这些导致印记和内部场的不对称性。随着循环次数的增加，VO的强度逐渐减弱，而O1峰恢复，表明氧空位的重新分布或部分湮灭以及局部键合环境的重新排序。图7d通过绘制从峰值拟合中提取的相对氧组成作为循环次数的函数来量化这种转变。PG和ER状态都表现出一致的趋势：晶格氧浓度随循环次数的增加而增加，而与缺陷相关的氧减少。PG状态显示出更明显的恢复，这与正栅极偏压下更强的场诱导的空位迁移一致。这种化学演变证实了电学观察结果，表明唤醒循环不仅解除了铁电畴的钉扎，还驱动了HZO晶格的原子级重构。这一解释也与补充图S6中的电荷泵结果一致，后者直接显示了界面陷阱密度的逐渐增加。VO含量的减少与分裂的开关峰的消失、矫顽窗口的缩小和PR的稳定直接相关。这种化学稳定性还得到了补充图S5中显示的延长耐久性数据的支持，在该图中，带有Al2O3界面层的FeFETs在±4 V应力作用下可维持阈值调制长达108个循环。

图7展示了在耐久性循环过程中氧状态和电荷动态的演变。(a–c) 第一次、第1000次和第100,000次循环后PG状态的XPS O 1s光谱，显示空位肩部（532 eV）的逐渐减少和晶格氧（530 eV）的恢复。(d) 从峰值解卷积中提取的量化氧组成，显示PG和ER状态下的晶格氧增加和空位分数随循环次数的减少。(e) PG/ER操作和耐久性循环的示意图。在早期循环中，电子注入和空位重新分布起主导作用（唤醒），而在长时间循环中，电荷捕获和界面饱和抑制了阈值调制。

这些结果进一步支持了FeFETs的耐久性退化主要由界面电荷捕获和氧空位相关缺陷的逐步饱和引起的结论。同时，铁电层本身即使在长时间循环下也保持化学稳定和电活性。其潜在机制在图7e中以示意图形式说明。在最初的编程/擦除操作之后，与氧空位相关的局部带电缺陷状态在HZO/SiO2界面附近形成，产生一个内部电场，促进载流子从沟道的注入。在+VW编程过程中，电子被注入到界面或边界陷阱中，部分屏蔽了极化电荷。随着循环的进行，这些被捕获的电荷和与空位相关的偶极子逐渐重新分布：电子倾向于向沟道侧移动，而带正电的缺陷向栅极电极移动。这种空间重排减少了有效的印记场，导致矫顽电压分布的缩小。因此，观察到PR略有增加，而Vth的可测量分离减小。因此，观察到的耐久性退化来源于陷阱辅助的电荷动态和载流子注入过程，而不是铁电相的内在退化。尽管铁电层继续可靠地切换，但界面电荷的积累逐渐屏蔽了其双稳态极化，导致记忆窗口的明显关闭，尽管极化仍然存在。

讨论

本研究的结果为阐明Hf0.5Zr0.5O2/HZO基FeFETs耐久性退化的机制提供了一个坚实的框架。虽然之前的研究已经将界面陷阱和氧空位迁移与可靠性限制联系起来，但这些结论通常依赖于间接指标，包括阈值电压变化、印记发展或应力后的恢复行为。相比之下，本研究提供了来自同一栅极堆栈的直接实验证据，明确地将界面退化与内在的铁电疲劳分开。

大约经过104次PG/ER循环后，FeFET表现出记忆窗口的完全崩溃，并伴随明显的不对称阈值电压退化。然而，对同一退化堆栈进行的PUND测量显示了持续的、稳定的铁电开关特性，其特征是尖锐的电流峰、对称的磁滞回线和稳定的剩磁。这些发现证实了铁电相在结构和功能上仍然是完整的，观察到的耐久性故障主要是由铁电/半导体界面处的外部静电屏蔽引起的，而不是HZO层内部的畴钉扎或极化损失。

这项研究的主要新颖之处在于将铁电堆栈的可靠性与FeFETs的可靠性分开，这一点通过同一堆栈的PUND提取得到了验证。这种方法首次明确证明了界面退化，而不是真正的铁电疲劳，是耐久性的限制因素。通过解决MFM电容器可靠性（>10^10循环）和FeFET性能（约10^4循环）之间的长期差异，我们的结果阐明了缩放铁电晶体管可靠性的物理起源。从这个意义上说，这项工作不仅仅重申了界面陷阱的重要性；相反，它直接在同一受压栅极堆栈上证明了晶体管记忆故障和铁电故障不是同一事件。

值得注意的是，这项研究的目的不是实现超低电压操作或超过传统的104循环耐久性阈值，而是确定故障的根本原因并制定改进策略。光谱数据表明，反复的双极应力诱导氧空位向HZO/SiO2界面迁移，最终导致陷阱饱和和极化场的畸变。这些效应在电学上屏蔽了双稳态极化，抑制了有效的沟道调制，同时保持了铁电层的内在可切换性。

这种PR的明显稳定性与先前的报告一致，当测量方法和操作条件被仔细区分时。Cai等人（64）表明，HZO基铁电场效应晶体管中的记忆窗口缩窄可以由两种不同的机制引起：高电压循环下的界面退化和低电压循环下的真正铁电疲劳。我们的操作条件属于前者，其中晶体管级别的退化可以在没有内在极化损失的情况下发生。同样，Zhang等人（65）表明，HZO电容器的剩磁极化变化受到厚度缩放、氧空位钉扎和低温操作的强烈影响；重要的是，他们的室温循环结果也表明，在重复开关下，内在的铁电极化可以保持稳定。因此，这里观察到的PR的保持与界面驱动的耐久性故障机制一致，而不是内在的铁电疲劳。

这些见解强调了界面工程在实现耐用HfO2基FeFETs中的关键作用。未来的改进可能涉及优化的界面氧化物形成、扩散屏障的引入或靶向的氧清除层，以减轻空位积累和电荷捕获。这些进展对于实现铁电晶体子在先进逻辑和非易失性存储应用中的可靠集成至关重要。

表1将本研究与文献中关于Hf0.5Zr0.5O2基FeFETs的代表性报告进行了对比。比较包括这些研究中报告的主要结构、操作和可靠性相关特性，特别强调了耐久性行为、记忆窗口退化和故障的物理起源。如表中所总结的，先前的研究表明，FeFETs的耐久性上限通常由界面和栅极堆栈的退化决定，而不是内在的铁电疲劳。本研究通过在同一堆栈上的实验验证，扩展了这一理解，表明晶体管记忆窗口可能会消失，即使潜在的铁电层继续切换。因此，表1不仅是一个文献综述，还是一个简洁的基准框架，强调了本研究的新颖性和重要性。

表1。本工作的基准测试是与基于HfO2的FeFETs中界面驱动退化的代表性研究相对的。参考文献和结论明确了该工作的核心证据，并指出了现有研究中的模糊之处以及本工作提供的独特证据。

- Cho等人（TED 2024, 66）：在超薄HZO中的“唤醒”现象主要由界面层软击穿（IL-SBD）而非内在铁电性主导。他们的研究关注的是“唤醒”过程而非耐久性衰减，并未直接验证FeFET失效后的铁电完整性。
- Toprasertpong等人（IEDM 2019, 67）：界面电荷捕获机制主导了FeFET的工作原理和耐久性变化。他们通过准静态C-V电压测量和霍尔效应测量直接追踪了被捕获的电荷与移动电荷之间的关系，但未能在相同应力条件下将耐久性衰减与铁电稳定性联系起来。我们通过展示同一堆栈中的耐久性衰减与铁电性的关系，并通过PUND（Photoluminescence Energy Distribution）和光谱学方法进行了验证。
- Cai等人（VLSI 2023, 64）：HZO厚度的变化使得FeFET能够在更低电压下工作，并提高了其耐久性。他们发现，从界面退化到铁电疲劳的转变机制发生了变化。尽管他们的研究揭示了疲劳恢复的新特性，但并未提供将界面退化与铁电退化区分开来的证据。
- Tasneem等人（IEDM 2021, 68）：陷阱捕获/发射动态决定了金属-氧层（MW）的演变、唤醒现象和疲劳过程。他们通过分离空穴/电子电流并提取陷阱时间常数来研究这些现象，但未能在耐久性衰减后直接验证铁电性。我们通过XPS（X-ray Photoelectron Spectroscopy）和HAXPES（Hard X-ray Absorption Spectroscopy）以及同一堆栈中的PUND方法证明了即使金属-氧层闭合，铁电性仍然保持完整。
- Ravikumar等人（IIRW 2024, 56）：TDDB（Thermal Density Distribution Behavior）和可靠性主要受界面/边界陷阱的影响；双极应力会加速器件击穿。他们的研究主要关注电容器，未能验证FeFET在应力作用后的铁电性。我们展示了即使在金属-氧层闭合后，FeFET的铁电切换仍然存在，从而弥合了电容器和FeFET之间的差距。
- Passlack等人（JAP 2024, 69）：记忆窗口的闭合源自HZO/SiO2和SiO2/Si界面处的缺陷演变；铁电切换功能保持完整。他们的研究通过定量缺陷分析（Dit, Nit）、PUND和DIVE（Deep Ion-Implantation Ventilation）建模揭示了电容器和FeFET行为之间的紧密联系，但两者之间的区别仍然不明显。我们通过同一堆栈中的耐久性衰减和光谱学空位重分布证明了是界面捕获而非铁电疲劳限制了FeFET的耐久性。

本工作的主要贡献在于明确了由界面驱动的耐久性退化与内在铁电疲劳之间的区别。我们通过同一堆栈中的PUND和XPS/HAXPES空位重分布直接证明了是界面陷阱而非铁电疲劳限制了FeFET的耐久性（10^4次循环后的衰减）。之前的研究缺乏直接的应力后铁电性验证。我们的研究提供了三个方面的综合证据：FeFET记忆窗口在约10^4次循环后闭合，同一堆栈中的PUND验证了铁电性的稳健迟滞效应，以及光谱学空位重分布表明是界面捕获而非铁电疲劳限制了耐久性。

**结论**：本研究通过直接的实验证据解决了基于氧化铪的铁电场效应晶体管长期存在的耐久性悖论，即记忆窗口的过早闭合是由界面退化而非内在铁电疲劳引起的。尽管传统的铁电场效应晶体管在经过一定次数的编程-擦除循环后（通常在1000到10万次循环之间）阈值电压分离会迅速缩小，但铁电栅极堆栈本身在这一明显限制之外仍能保持稳定的极化切换特性。在电性能退化的器件上进行的极化-电压测量显示，即使晶体管失去了双稳态记忆功能，也仍能观察到尖锐、对称的迟滞回路以及稳定的剩余极化。同时，电学特性显示出由电子注入和铁电层与界面氧化物边界处的氧空位重分布引起的渐进性电荷捕获和阈值电压不对称性。这些观察结果清楚地表明了晶体管通道的特性与铁电材料的固有行为之间的区别。表面上的耐久性限制实际上是外部静电屏蔽和与界面相关的缺陷所引起的内部场畸变所致，而非畴钉扎、相不稳定或氧化铪-锆层内的极化 loss。补充的XPS分析显示，在循环过程中氧态逐渐重组，与印记的减轻和初始唤醒阶段的切换动态稳定相关。然而，长时间循环最终会饱和界面陷阱，掩盖了器件层面的铁电双稳态。这些发现解释了金属-铁电-金属电容器（通常能进行超过100亿次切换）与集成铁电场效应晶体管的有限耐久性之间的显著差异。研究表明，只要界面效应得到最小化，氧化铪-锆铁电相本身就具备适合长期可靠运行的稳健性。因此，未来可以通过优化沉积条件、插入扩散障碍层或引入氧清除层来提高器件的可靠性。这些策略有望将铁电场效应晶体管的耐久性提高几个数量级，为氧化铪铁电材料在先进非易失性存储和节能逻辑应用中的广泛应用铺平道路。