電荷成分解析によるHfO₂-FeFETのインプリント下での分極反転と電荷トラップの理解

2023年11月15日

新規高速メモリの候補としてFeFET(Ferroelectric Field Effect Transistor)が注目を集めています。FeFETはトランジスタのゲート絶縁膜に強誘電体膜を使った構造で、ゲート電圧で強誘電体の分極方向を制御でき、分極方向に応じてトランジスタの閾値電圧V_thが変化する不揮発性メモリです。中でも、強誘電体膜としてHfO₂を使ったHfO₂-FeFETは、低電圧・高速動作が可能なうえ、CMOSプロセスとの整合性が良いというメリットがあります。

私たちはFeFETの信頼性課題の一つであるインプリントに着目しました。インプリントは分極状態保持中に分極反転に必要なゲート電圧（抗電圧V_c）が変化する現象です（図1）。キャパシタ構造（MFM^*1）ではインプリントの影響を受けて自発分極P_sとゲート電圧V_gの関係（ヒステリシス）が左右にシフトします。FeFET(MFIS^*2)は、低誘電率の界面SiO₂があるため、インプリントによるV_cシフトだけでなく界面トラップ電荷による内部電界の変化も考慮する必要があります。しかしながら、測定で得られる電荷は自発分極P_sとトラップ電荷が混ざった状態で観測されます。そこで、私たち独自の手法^[1]で、FeFETの自発分極P_sとトラップ電荷を実験で定量的に切り分けて抽出し、FeFETにおけるインプリントの描像を明らかにしました。

図2(a)は私たちが独自の手法^[1]で抽出したMFIS構造の自発分極P_sのゲート電圧依存性です。同じP_sが得られるV_cがネガティブインプリントからポジティブインプリントへシフトし、MFIS構造においても典型的なインプリントの振る舞いが確認されました（①）。図2(b)はMFIS構造のV_thのゲート電圧依存性です。V_thにはP_sとトラップ電荷両方の情報が含まれています。図2 (a)で分かったポジティブインプリントとネガティブインプリントの同じP_sとなるゲート電圧を図2(b)で比較すると、異なるインプリントの状態間でV_cシフト（①）に加えてV_thシフト（②）も見られました。今回の実験で新たにMFIS構造では分極状態が同じにもかかわらず、2つのインプリント状態で異なるV_thを取ることが分かりました。

上述した通り①のV_cシフトが生じる原因はMFM構造でも観測されたインプリントです。②の分極状態が同じにもかかわらずV_thが異なる理由は、界面トラップ電荷の差で説明できます。図3はV_cにおけるネガティブインプリントとポジティブインプリントの分極状態とトラップ電荷の模式図です。ポジティブインプリントはネガティブインプリントと比較してV_cの絶対値が高電圧化します。より絶対値の高いV_cを印加することで、界面近傍に強誘電体の分極で生じた電荷と逆の極性のホールがトラップされます。このため、V_cの異なるネガティブインプリントとポジティブインプリントの状態は消去後に界面に生じたトラップ電荷密度が変わりV_thの変調が観測されたと考えられます。

FeFETではインプリントによるV_cシフトに加えて、トラップ電荷によるV_th変調が起こることを見出しました。この結果はFeFETの信頼性向上に向けた有益な知見であると考えます。