Understanding HZO Thickness Scaling in Si FeFETs: Low Operating Voltage, Fast Wake-Up, and Suppressed Charge Trapping

俘获 缩放比例 唤醒 光电子学 材料科学 电荷(物理) 电压 物理 电气工程 工程类 几何学 生态学 数学 量子力学 生物 热力学
作者
Zuocheng Cai,Kasidit Toprasertpong,Zhenhong Liu,Mitsuru Takenaka,Shinichi Takagi
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71 (6): 3633-3639
标识
DOI:10.1109/ted.2024.3386508
摘要

$\text{Hf}_{\text{0.5}}$ $\text{Zr}_{\text{0.5}}$ $\text{O}_{\text{2}}$ (HZO)-based ferroelectric field effect transistor (FeFET) has been recognized as a promising nonvolatile memory due to its excellent scalability and CMOS process compatibility. To realize memory operation with low operating voltage, it is essential to gain a systematic understanding of HZO scaling effects, especially under the thickness of HZO $<$ 10 nm conditions. In this work, we study n-FeFET with HZO thickness ranging from 4.1 to 11 nm and analyze the HZO scaling effects in FeFET. Differing from metal–ferroelectric–metal (MFM) with thin HZO, FeFET with thin HZO shows no strong wake-up effect. Besides, the low-voltage operation, low subthreshold swing (SS) value, and higher current memory window (MW) (or $\textit{I}_{\biosc{on}}$ / $\textit{I}_{\biosc{off}}$ ratio) brought by HZO scaling are revealed. Moreover, the lower charge trapping density is observed in FeFETs with HZO thinner than 10 nm and improved read-after-write delay is observed in 5.2-nm FeFET. This work sets up a systematical direction for understanding the scaling impacts of HZO on the electrical characteristics of Si FeFET.
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