Defect Dynamics in Silicon-Doped HfO2-Based Front-End-of-Line FeFETs: Insights From Low-Frequency Noise on Doping Concentration, Interfaces, and Write Cycling

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作者
Yannick Raffel,Daniel Hessler,Gautham Kumar,Ricardo Revello Olivo,Luca Pirro,Talha Chohan,Konrad Seidel,Raik Hoffmann,Deepanshi Bhatnagar,Apu Das,Maximilian Lederer,Sourav De,Johannes Heitmann
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:72 (6): 3307-3313 被引量:5
标识
DOI:10.1109/ted.2025.3564270
摘要

This article comprehensively examines the defect distribution and dynamics through low-frequency noise (LFN) characteristics in hafnium-oxide (HfO2)-based ferroelectric field-effect transistors (FeFETs). We delve into the intricate effects of varying silicon (Si) doping levels of the hafnium (Hf)-based ferroelectric, the choice of interfacial layer (IL) materials, and the implications of write cycling on LFN performance. Our findings indicate that increased Si doping levels significantly reduce carrier mobility fluctuations while preserving stable and consistent defect distributions. Notably, devices incorporating silicon-oxynitride (SiON) as an IL between Si channel and HfO2improve the noise immunity of FeFETs compared with those with Si dioxide as an IL, a benefit attributed to enhance defect passivation properties present inSiON. In addition, the advantages and dependencies of different doping concentrations, as well as two different interface materials related to the noise behavior, are discussed with regard to the physical view of the flicker noise investigation method based on the model of Ghibaudo. Moreover, the endurance testing reveals a crucial shift in defect distributions, transitioning from predominantly bulk traps to a predominance of interface traps. This shift directly impacts the memory window’s (MW) closure, potentially influencing device performance over prolonged use. This study ultimately contributes valuable insights toward optimizing FeFET technology, particularly in the context of advanced memory applications, paving the way for more reliable and efficient memory storage solutions.
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