發(fā)布時間：2020-05-15 11:49

【摘要】：隨著半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點的不斷向前推進(jìn),目前主流的基于電荷存儲機制的浮柵Flash存儲器正面臨著嚴(yán)重的技術(shù)挑戰(zhàn),如浮柵耦合、電荷泄漏、相鄰單元之間的串?dāng)_問題等,因此亟需尋找下一代非揮發(fā)性存儲器。目前,國際上研究較多的新型非揮發(fā)性存儲器主要有：相變存儲器(PRAM),磁阻存儲器(MRAM),鐵電存儲器(FRAM)和可逆的電致阻變隨機存儲器(RRAM),其中對RRAM的研究如火如荼,RRAM因其結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、器件密度高、編程／擦寫速度快、且與CMOS工藝兼容等一系列突出優(yōu)點而成為替代多晶硅浮柵存儲器的有力競爭者之一,其作為一種采用非電荷存儲機制的存儲器在32nm工藝節(jié)點以下將有很大的發(fā)展空間。 目前,制約RRAM技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主要瓶頸之一是發(fā)生電阻轉(zhuǎn)變效應(yīng)的物理機制、電荷存儲機理尚不明確,同時,RRAM器件在穩(wěn)定性、均勻性、可重復(fù)性、擦寫速度以及數(shù)據(jù)保持性等方面都還存在問題,而目前對器件的研究主要是通過實驗研制、顯微表征及實時監(jiān)測基礎(chǔ)上進(jìn)行觀察和分析,存在實驗平臺要求高、表征和測試儀器高端、實驗周期長等問題。針對上述問題,本論文結(jié)合并行計算與第一性原理開展多層次、多維度的模擬手段,從物理角度解釋載流子的輸運過程和存儲機理,通過摻雜、制造缺陷和控制化合價等手段對阻變材料進(jìn)行改性,給出材料的微觀參數(shù)和存儲器的宏觀電學(xué)量的定量關(guān)系,為RRAM的優(yōu)化設(shè)計及可靠集成提供理論指導(dǎo)和設(shè)計工具。 針對RRAM的研究現(xiàn)狀進(jìn)行統(tǒng)計,了解其阻變的宏觀特性等方面的不足,研究了納米尺度下RRAM二元金屬氧化物阻變材料HfO2的氧空位(Vo)陷阱效應(yīng)、摻雜效應(yīng)(Ag)等對器件特性的影響以及阻變存儲器的微觀阻變機理。研究表明單獨Vo缺陷和單獨Ag雜質(zhì)均可以在禁帶中引入雜質(zhì)能級,且都分別可以形成導(dǎo)電細(xì)絲；針對Vo和Ag都能形成導(dǎo)電細(xì)絲的情況,研究了Ag和Vo共摻雜的復(fù)合缺陷體系,結(jié)果表明共摻雜體系的導(dǎo)電性能增強、穩(wěn)定性更好；而在相同濃度下,Ag雜質(zhì)能級能夠通過Ag離子的作用加以Hf離子的輔助下形成導(dǎo)電細(xì)絲,而Vo缺陷能級沒有導(dǎo)電細(xì)絲的形成。且在Vo存在的前提下,Ag離子的遷移將變得更加容易,即Vo可以輔助Ag離子遷移,增強了體系電化學(xué)性能。 電極以及阻變材料的選擇將直接影響著復(fù)合材料的性能,其界面結(jié)合的狀態(tài)對整個阻變存儲器的性能起著至關(guān)重要的作用,對比研究了Cu/HfO2不同切面組合的復(fù)合材料界面模型。結(jié)果表明,復(fù)合材料的界面不同,對RRAM器件的性能會產(chǎn)生很大影響。在研究的所有界面體系中,Cu(111)/HfO2(010)失配率最小,界面束縛能最大,界面體系相對最穩(wěn)定；且只有Cu(111)/HfO2(010)復(fù)合材料體系出現(xiàn)了垂直Cu電極方向完整連通的電子通道,界面處有電子的相互轉(zhuǎn)移、成鍵的存在,表明電子在此方向上具有局域性、連通性,與阻變存儲器(RRAM)器件導(dǎo)通方向一致。針對Cu(111)/HfO2(010)復(fù)合材料界面體系,探討了其整體性能,并研究了電極對界面處及阻變材料的影響。研究表明越靠近界面處,Cu和Vo缺陷越容易形成和存在,Cu原子越容易進(jìn)入HfO2體內(nèi),也即Cu將呈階梯狀往HfO2內(nèi)部擴散以形成缺陷體系,在外加電壓下易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),從而導(dǎo)致Cu導(dǎo)電細(xì)絲的形成與斷裂,更有利于RRAM器件電阻開關(guān)特性的產(chǎn)生。 對二元金屬氧化物阻變材料進(jìn)行摻雜可以改變其存儲特性、電學(xué)特性,而對于摻雜元素進(jìn)入材料體內(nèi)后所具有的價電子數(shù)或化合價態(tài)的研究較少,鑒于此,研究了摻雜金屬元素進(jìn)入阻變材料后是否具有化合價態(tài)以及不同化合價態(tài)對阻變存儲器材料性能的影響,首先通過電子親和能以及缺陷形成能確定摻雜元素得失電子情況；其次通過差分電荷密度和修正的Bader分析確定了得失電子的具體位置；最后系統(tǒng)研究了摻雜元素具有不同化合價態(tài)對RRAM阻變材料及其性能的影響。 結(jié)果將為RRAM存儲器的制備及性能提高提供理論指導(dǎo)和設(shè)計工具,必將在更深層次上理解和發(fā)展RRAM起到關(guān)鍵作用。
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP333

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2664980