From MFM Capacitors Toward Ferroelectric Transistors: Endurance and Disturb Characteristics of ${\rm HfO}_{2}$-Based FeFET Devices

铁电性 电容器 掺杂剂 材料科学 晶体管 场效应晶体管 光电子学 电气工程 兴奋剂 电介质 工程类 电压
作者
Stefan Mueller,Johannes Müller,Raik Hoffmann,Ekaterina Yurchuk,T. Schlösser,Roman Boschke,Jan Paul,M. Goldbach,T. Herrmann,Alban Zaka,U. Schröder,Thomas Mikolajick
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:60 (12): 4199-4205 被引量:134
标识
DOI:10.1109/ted.2013.2283465
摘要

Ferroelectric Si: HfO2 has been investigated starting from metal-ferroelectric-metal (MFM) capacitors over metal-ferroelectric-insulator-semiconductor (MFIS) and finally ferroelectric field-effect-transistor (FeFET) devices. Endurance characteristics and field cycling effects recognized for the material itself are shown to also translate to highly scaled 30-nm FeFET devices. Positive-up negative-down as well as pulsed I-d-V-g measurements illustrate how ferroelectric material characteristics of MFM capacitors can also be identified in more complex MFIS and FeFET structures. Antiferroelectric-like characteristics observed for relatively high Si dopant concentration reveal significant trapping superimposed onto the ferroelectric memory window limiting the general program/erase endurance of the devices to 10(4) cycles. In addition, worst case disturb scenarios for a V-DD/2 and V-DD/3 scheme are evaluated to prove the viability of one-transistor memory cell concepts. The ability to tailor the ferroelectric properties by appropriate dopant concentration reveals disturb resilience up to 10(6) disturb cycles while maintaining an ION to I-OFF ratio of more than four orders of magnitude.

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