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

人工智能和大數據技術的飛速發展對芯片存儲性能和算力提出了更高的需求。傳統的計算架構逐漸顯露出局限性，這促使學術界和產業界開始探索新的計算架構和信息器件。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域的潛在應用而備受關注。

泰克科技與北京大學集成電路學院唐克超課題組聯合舉辦了一場學術交流訪談會，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域的應用前景。在這次訪談交流中，講座主講人北京大學集成電路學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存儲器件的研究，特別關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，但耐久性是器件應用面臨的一個核心的挑戰。團隊的主要目標是解決耐久性問題并協同優化器件性能，研究涉及鐵電耐久性原理、耐久性和存儲密度優化以及陣列制備和應用等方面。

鐵電存儲器的特性和應用前景

張欣：您如何看待鐵電材料在集成電路領域的應用前景？

唐老師：???目前有三種主流的鐵電器件技術：FeRAM、FeFET和FTJ，各自具有獨特的特性和應用前景。在存儲技術領域，目前FTJ的成熟度相對較低，因此研究和開發主要集中在FeRAM和FeFET上，這兩種技術更接近實際應用和產業化。

FeRAM，即基于電容型的鐵電存儲器，其結構與現有的DRAM類似。基于鈣鈦礦鐵電的FeRAM已有商業化產品，而氧化鉿基FeRAM也有較好的產業化前景。它旨在提供非易失性的高速存儲方案，將快速數據訪問和低靜態功耗特性相結合，契合集成電路對速度和功耗的發展需求。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注。FeFET的優勢在于其三端器件讀寫分離的特點，這使得它可以在數據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、神經形態計算和硬件安全等新型應用。FTJ即基于隧穿結的鐵電存儲器，目前偏向于前沿研究階段。FTJ面臨的主要挑戰是其較小的讀電流，這限制了器件的讀取速度。盡管如此，FTJ在神經形態計算等低功耗應用中顯示出巨大潛力。

鐵電存儲研究中遇到的挑戰

張欣：在FeFET的研究中，您的團隊遇到了哪些挑戰？

唐老師：目前來說，FeFET面臨的最大挑戰是耐久性問題，即在反復編程和擦寫后性能衰減。我們發現，界面電場過高是導致這一問題的主要原因，而這需要系統性的優化。盡管FeFET器件在讀寫速度和功耗方面具有顯著優勢，但其耐久性問題一直是制約其廣泛應用的主要障礙。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。所以這就會導致器件在循環過程中，電場驅動界面電荷的俘獲與積累，導致新的電荷陷阱產生，同時在一定程度之后還會引起界面層的擊穿，最終導致器件的失效。團隊在這一領域取得了突破性成果，通過新型鐵電材料的引入和鐵電-界面協同優化，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生翻轉來實現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通常需要電場的作用才能翻轉，而在鐵電場效應晶體管（FeFET）中，這一現象尤為顯著。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。通過電荷連續性方程的計算，我們可以發現，該界面處的電場強度遠高于傳統金屬氧化物半導體場效應晶體管（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，界面結構和缺陷對電場的影響，以及界面層結構本身的穩定性等。

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擾問題等方面的一些測試。

轉移曲線（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速度。耐久性測試通過反復進行編程和擦寫操作，評估器件的長期穩定性和可靠性。保持性測試測量器件在無偏壓條件下保持存儲狀態的能力。陣列讀寫和串擾測試，用于評估在集成的陣列中，器件之間的相互影響和串擾問題。

張欣：在FeFET的電學表征和測量方面，您有哪些經驗和建議？

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

主要涉及四類產品。第一類是任意波形發生器（AWG），用于產生各種測試信號，特別是高速脈沖，用于測量極化翻轉速度等動力學特性；第二類是半導體參數分析儀，如4200A-SCS，用于測量FeFET的基本電學特性，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，尤其是當需要表征鐵電材料的動態行為，如亞納秒級別的快速響應時；除了這三項關鍵設備，在進行陣列測試中還需要使用到矩陣開關，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。

總結來說，FeFET的測試和表征需要一系列精密的設備和細致的測試方法，以確保能夠全面評估其電學性能和可靠性。隨著技術的發展和陣列規模的增大，測試過程的自動化將變得越來越重要。

未來商業化仍充滿挑戰

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

唐老師：預測FeFET的商業化時間表存在難度，因為前沿技術和產業發展的不確定性較高。比較近期最有可能實現商業化應用的應該是嵌入式非易失性存儲器（eNVM），盡管現階段市場相對較小，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提供有力的發展平臺。這類應用比較有希望在5年內實現。除此之外，在相對更加主流的存儲器市場，FeFET還比較有希望應用于NAND型高密度存儲器。鐵電材料的引入可以在三維NAND Flash基礎上，實現存儲密度和讀寫速度的進一步提升。當然現階段NAND型的FeFET仍面臨諸多技術挑戰，包括縮小尺寸后的存儲窗口、耐久性、保持性、一致性等，以及陣列中的串擾問題。對于這一領域，可能需要5到10年的時間實現大規模商業化生產。