本文關(guān)鍵詞：基于Hf02的阻變存儲器缺陷效應(yīng)的研究

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【摘要】：為了克服傳統(tǒng)存儲器件所存在的缺陷,人們提出了許多新型的器件,包括相變存儲器(PcRAM)、鐵電存儲器(FeRAM)、磁存儲器(MRAM)以及阻變存儲器(RRAM)。其中,基于氧化物半導(dǎo)體材料的阻變存儲器憑借其突出優(yōu)勢得到了人們廣泛的關(guān)注,例如：簡單的金屬-氧化物-金屬三明治結(jié)構(gòu)、存儲密度高、讀寫速度快、功耗低、與CMOS兼容性好以及由于其阻變現(xiàn)象只發(fā)生于很小一部分區(qū)域?qū)е碌目s小器件尺寸和提高集成度方面的優(yōu)勢。盡管對阻變存儲器的研究最早可以追溯到50年前,但對于器件阻變現(xiàn)象的微觀機制解釋還尚未明確。然而在眾多對阻變現(xiàn)象的解釋理論中,基于導(dǎo)電細絲現(xiàn)象的兩種物理機制是被大多數(shù)人所接受的。其中一種是摻雜金屬元素的遷移所形成的金屬導(dǎo)電通道,有些金屬可以直接參與通道的產(chǎn)生。阻變現(xiàn)象的另一種微觀機制就是本征缺陷氧原子空位的產(chǎn)生與遷移。并且很多宏觀實驗都證明了向體系中摻雜金屬元素可以很好地提高阻變行為的性能參數(shù)。從而可見缺陷在器件的阻變現(xiàn)象中扮演著有決定性的角色。因此,為了了解器件的阻變機理以及提高器件的性能,就需要對缺陷在阻變體系中的作用進行深入的研究。為了研究器件的微觀機理,本文在不考慮外加電壓的情況下應(yīng)用第一性原理對基于HfOz阻變材料的RRAM器件進行了模擬計算和分析。材料晶胞中的缺陷分為兩類：摻雜和本征缺陷。本文分別對摻雜金屬和本征氧空位缺陷的效應(yīng)進行了探究。首先根據(jù)摻雜原子所存在位置的形成能大小,我們將金屬摻雜物分為兩種類型：間隙式和替位式。通過模擬摻雜體系的分波電荷密度,我們在摻有間隙式金屬原子的體系中觀察到了導(dǎo)電細絲,而在摻有替位式金屬的體系中未發(fā)現(xiàn)細絲。在對體系的態(tài)密度和分態(tài)密度的分析中我們發(fā)現(xiàn)間隙式金屬摻雜物可以直接參與導(dǎo)電細絲的形成而替位式金屬無法形成導(dǎo)電細絲。據(jù)此,我們可以將摻雜金屬進行初步分類并為基于金屬導(dǎo)電細絲器件的摻雜物選擇作出了理論指導(dǎo)。接下來我們探究了摻雜金屬與氧空位同時存在的情況下,摻雜金屬對氧空位細絲的作用,并根據(jù)結(jié)果對金屬摻雜物進行了進一步的分類。最后探究了氧空位本征缺陷在Hf0：阻變行為中的效應(yīng)。首先在十個不同方向體系中,通過計算分波電荷密度、形成能、最高等勢面值、遷移勢壘以及能帶結(jié)構(gòu),確定了氧空位導(dǎo)電細絲的最佳形成方向為[010]晶向。根據(jù)此結(jié)果,我們在[010]晶向上建立了不同的濃度模型并對它們進行模擬分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧空位濃度低于4.167at.%的體系幾乎不導(dǎo)電,無法發(fā)生阻變行為。當氧空位濃度從4.167at.%逐漸增加到6.25at.%,系統(tǒng)可以觀察到阻變現(xiàn)象,但是導(dǎo)電細絲形成難度也隨之增加。此外,高濃度系統(tǒng)卻也呈現(xiàn)出了整體的穩(wěn)定性與均勻性。研究結(jié)果對RRAM宏觀特性的理解與優(yōu)化存在一定的積極作用�？傊�,本文對基于Hf02晶胞結(jié)構(gòu)的阻變存儲器件中缺陷的效應(yīng)進行了一系列的探究。第一章概述了存儲器的分類和研究現(xiàn)狀以及面臨的一些問題,從而說明本文的選題意義。第二章對于阻變存儲器的微觀結(jié)構(gòu)和工作原理作了具體介紹,同時介紹了本文的研究方法。第三章對金屬摻雜物在Hf02體系中的效應(yīng)作了具體研究并將摻雜金屬進行初步分類,此外還研究了兩種缺陷同時存在時摻雜金屬對氧空位作用并據(jù)此對金屬摻雜物進行了進一步的分類。第四章對氧空位本征缺陷在Hf02體系中的效應(yīng)作了具體研究。最后,第五章對本文的工作做了總結(jié)和展望。
【關(guān)鍵詞】：阻變存儲器 第一性原理 金屬摻雜物 氧空位 導(dǎo)電細絲
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP333
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 半導(dǎo)體存儲器背景及發(fā)展10-14
• 1.2 阻變存儲器的背景及研究現(xiàn)狀14-16
• 1.3 本文的主要內(nèi)容和研究意義16-18
• 第二章 RRAM的工作原理及本文的研究方法18-29
• 2.1 RRAM的基本工作原理及分類18-20
• 2.2 RRAM的阻變機理20-26
• 2.2.1 電化學(xué)金屬效應(yīng)(ECM)21-24
• 2.2.2 氧化物化合價改變效應(yīng)(VCM)24-25
• 2.2.3 ECM與VCM阻變器件的等價25-26
• 2.3 本文的研究方法26-28
• 2.4 本章小結(jié)28-29
• 第三章 HfO_2中金屬摻雜物效應(yīng)的研究29-44
• 3.1 半導(dǎo)體材料中的缺陷29-31
• 3.1.1 缺陷的形成29-30
• 3.1.2 形成能30-31
• 3.2 HfO_2中金屬摻雜物的效應(yīng)31-39
• 3.2.1 金屬摻雜物的初步分類31-33
• 3.2.2 間隙式金屬摻雜物的阻變效應(yīng)33-36
• 3.2.3 替位式金屬摻雜物的阻變效應(yīng)36-39
• 3.3 金屬摻雜物對V_o導(dǎo)電細絲的效應(yīng)39-42
• 3.4 本章小結(jié)42-44
• 第四章 HfO_2中氧空位效應(yīng)的研究44-57
• 4.1 V_o導(dǎo)電細絲的方向依賴性44-50
• 4.1.1 不同方向V_o排列體系的建立44-47
• 4.1.2 V_o導(dǎo)電細絲的最佳方向47-50
• 4.2 V_o濃度的研究50-55
• 4.2.1 導(dǎo)電細絲形成的V_o濃度50-52
• 4.2.2 導(dǎo)電細絲優(yōu)化的V_o濃度52-53
• 4.2.3 高V_o濃度分析53-55
• 4.3 本章小結(jié)55-57
• 第五章 總結(jié)與展望57-60
• 5.1 工作總結(jié)57-58
• 5.2 工作展望58-60
• 參考文獻60-66
• 附圖66-68
• 附表68-69
• 致謝69-70
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文70

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 周茂秀;趙強;張偉;劉琦;代月花;;The conductive path in HfO_2:first principles study[J];半導(dǎo)體學(xué)報;2012年07期

2 王永;管偉華;龍世兵;劉明;謝常青;;阻變式存儲器存儲機理[J];物理;2008年12期

，

本文編號：660124