后摩爾時代專題，泰克張欣與北大集成電路學(xué)院唐克超老師共話鐵電晶體管、存儲計算科研進展

人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展對芯片存儲性能和算力提出了更高的需求。傳統(tǒng)的計算架構(gòu)逐漸顯露出局限性，這促使學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界開始探索新的計算架構(gòu)和信息器件。在后摩爾時代，鐵電晶體管（FeFET）作為一種新型的信息器件，因其在存儲和計算領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。

泰克科技與北京大學(xué)集成電路學(xué)院唐克超課題組聯(lián)合舉辦了一場學(xué)術(shù)交流訪談會，旨在探討高耐久性氧化鉿基鐵電晶體管（FeFET）器件及其在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用前景。在這次訪談交流中，講座主講人北京大學(xué)集成電路學(xué)院的唐克超老師分享了他們團隊在鐵電材料和器件研究方面的最新成果，并探討了當(dāng)前研究的難點痛點以及未來可能的解決之道。

唐克超老師團隊專注于鐵電材料及相關(guān)存儲器件的研究，特別關(guān)注氧化鉿基鐵電材料。他指出氧化鉿基鐵電存儲器由于其高密度集成潛力而受到重視，但耐久性是器件應(yīng)用面臨的一個核心的挑戰(zhàn)。團隊的主要目標(biāo)是解決耐久性問題并協(xié)同優(yōu)化器件性能，研究涉及鐵電耐久性原理、耐久性和存儲密度優(yōu)化以及陣列制備和應(yīng)用等方面。

鐵電存儲器的特性和應(yīng)用前景

張欣：您如何看待鐵電材料在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用前景？

唐老師：???目前有三種主流的鐵電器件技術(shù)：FeRAM、FeFET和FTJ，各自具有獨特的特性和應(yīng)用前景。在存儲技術(shù)領(lǐng)域，目前FTJ的成熟度相對較低，因此研究和開發(fā)主要集中在FeRAM和FeFET上，這兩種技術(shù)更接近實際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。

FeRAM，即基于電容型的鐵電存儲器，其結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的DRAM類似?；阝}鈦礦鐵電的FeRAM已有商業(yè)化產(chǎn)品，而氧化鉿基FeRAM也有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。它旨在提供非易失性的高速存儲方案，將快速數(shù)據(jù)訪問和低靜態(tài)功耗特性相結(jié)合，契合集成電路對速度和功耗的發(fā)展需求。FeFET，即基于晶體管型的鐵電存儲器，是我們團隊的研究重點。這種存儲器以其高集成密度、高速讀寫和低功耗而受到關(guān)注。FeFET的優(yōu)勢在于其三端器件讀寫分離的特點，這使得它可以在數(shù)據(jù)讀取后不需要進行重寫，提高器件操作效率，并非常適合存算一體、神經(jīng)形態(tài)計算和硬件安全等新型應(yīng)用。FTJ即基于隧穿結(jié)的鐵電存儲器，目前偏向于前沿研究階段。FTJ面臨的主要挑戰(zhàn)是其較小的讀電流，這限制了器件的讀取速度。盡管如此，F(xiàn)TJ在神經(jīng)形態(tài)計算等低功耗應(yīng)用中顯示出巨大潛力。

鐵電存儲研究中遇到的挑戰(zhàn)

張欣：在FeFET的研究中，您的團隊遇到了哪些挑戰(zhàn)？

唐老師：目前來說，F(xiàn)eFET面臨的最大挑戰(zhàn)是耐久性問題，即在反復(fù)編程和擦寫后性能衰減。我們發(fā)現(xiàn)，界面電場過高是導(dǎo)致這一問題的主要原因，而這需要系統(tǒng)性的優(yōu)化。盡管FeFET器件在讀寫速度和功耗方面具有顯著優(yōu)勢，但其耐久性問題一直是制約其廣泛應(yīng)用的主要障礙。FeFET耐久性問題的核心原因就是因為它在進行寫操作的時候，界面層的電場非常的高，甚至可以超過氧化硅的擊穿電場。所以這就會導(dǎo)致器件在循環(huán)過程中，電場驅(qū)動界面電荷的俘獲與積累，導(dǎo)致新的電荷陷阱產(chǎn)生，同時在一定程度之后還會引起界面層的擊穿，最終導(dǎo)致器件的失效。團隊在這一領(lǐng)域取得了突破性成果，通過新型鐵電材料的引入和鐵電-界面協(xié)同優(yōu)化，顯著提升了FeFET器件的耐久性。

張欣：對于鐵電器件，它就是通過局域電場讓鐵電發(fā)生翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)0和1的表征。對于這個問題，豈不是鐵電材料與生俱來的嗎？

唐老師：鐵電材料的極化狀態(tài)通常需要電場的作用才能翻轉(zhuǎn)，而在鐵電場效應(yīng)晶體管（FeFET）中，這一現(xiàn)象尤為顯著。FeFET的大部分電場實際上并不是直接作用于鐵電層，而是集中在鐵電層與溝道之間的1至2納米的界面上。通過電荷連續(xù)性方程的計算，我們可以發(fā)現(xiàn)，該界面處的電場強度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的界面電場。因此在FeFET中，界面處的可靠性問題會被進一步放大。要解決這一問題，需要從多個角度進行全面的考量，包括鐵電材料本身對電場的響應(yīng)，界面結(jié)構(gòu)和缺陷對電場的影響，以及界面層結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性等。

測量方法及測量表征建議

張欣：如果要做FeFET測試和表征的話，需要有哪些量測方法？

唐老師：FeFET器件很多不同的角度的測試，包括像轉(zhuǎn)移曲線Id-Vg、讀寫速度、耐久性和保持性的測試，以及還需要在陣列的讀寫功能和串?dāng)_問題等方面的一些測試。

轉(zhuǎn)移曲線（Id-Vg）測試是測量器件在不同柵極電壓下的電流-電壓特性，以評估其開關(guān)特性、閾值電壓和存儲能力。讀寫速度測試，用來評估FeFET在實際工作條件下的響應(yīng)速度。耐久性測試通過反復(fù)進行編程和擦寫操作，評估器件的長期穩(wěn)定性和可靠性。保持性測試測量器件在無偏壓條件下保持存儲狀態(tài)的能力。陣列讀寫和串?dāng)_測試，用于評估在集成的陣列中，器件之間的相互影響和串?dāng)_問題。

張欣：在FeFET的電學(xué)表征和測量方面，您有哪些經(jīng)驗和建議？

唐老師：我們需要精確測量FeFET在快速操作下的電流和電荷，這要求測試設(shè)備具備高速度和高精度。我們通常使用AWG、半導(dǎo)體參數(shù)分析儀和高帶寬示波器來進行這些測試。

主要涉及四類產(chǎn)品。第一類是任意波形發(fā)生器（AWG），用于產(chǎn)生各種測試信號，特別是高速脈沖，用于測量極化翻轉(zhuǎn)速度等動力學(xué)特性；第二類是半導(dǎo)體參數(shù)分析儀，如4200A-SCS，用于測量FeFET的基本電學(xué)特性，例如Ig-Vd，并搭載源測量單元（SMU）或脈沖測量單元（PMU）進行讀和寫操作，多用于可靠性和保持性的測試；另外，測量非常高速的信號還要用到高帶寬示波器，尤其是當(dāng)需要表征鐵電材料的動態(tài)行為，如亞納秒級別的快速響應(yīng)時；除了這三項關(guān)鍵設(shè)備，在進行陣列測試中還需要使用到矩陣開關(guān)，以便能夠快速選擇并測試陣列中的單個器件，而不需要手動逐一連接。

總結(jié)來說，F(xiàn)eFET的測試和表征需要一系列精密的設(shè)備和細(xì)致的測試方法，以確保能夠全面評估其電學(xué)性能和可靠性。隨著技術(shù)的發(fā)展和陣列規(guī)模的增大，測試過程的自動化將變得越來越重要。

未來商業(yè)化仍充滿挑戰(zhàn)

張欣：那像鐵電FeFET目前還是在實驗室處于科研的階段。未來商業(yè)化量產(chǎn)可能會在什么樣的時間節(jié)點？

唐老師：預(yù)測FeFET的商業(yè)化時間表存在難度，因為前沿技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不確定性較高。比較近期最有可能實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的應(yīng)該是嵌入式非易失性存儲器（eNVM），盡管現(xiàn)階段市場相對較小，競爭也比較激烈，但長久來看仍可為高性能存儲和新型計算架構(gòu)提供有力的發(fā)展平臺。這類應(yīng)用比較有希望在5年內(nèi)實現(xiàn)。除此之外，在相對更加主流的存儲器市場，F(xiàn)eFET還比較有希望應(yīng)用于NAND型高密度存儲器。鐵電材料的引入可以在三維NAND Flash基礎(chǔ)上，實現(xiàn)存儲密度和讀寫速度的進一步提升。當(dāng)然現(xiàn)階段NAND型的FeFET仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，包括縮小尺寸后的存儲窗口、耐久性、保持性、一致性等，以及陣列中的串?dāng)_問題。對于這一領(lǐng)域，可能需要5到10年的時間實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。