【摘要】：當今智能社會對便攜設備需求不斷提高,因而非易失性存儲器的需求也在與日俱增。伴隨著電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,器件工藝尺寸在不斷縮小,存儲容量不斷增大,浮柵存儲器則面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。為此,當務之急是研究一種低操作電壓、低功耗以及高穩(wěn)定性的新型存儲器來取代傳統(tǒng)的浮柵型存儲器。目前,研究熱點有兩類存儲器,一是在浮柵存儲器的基礎上改進的電荷俘獲存儲器(CTM, Charge trapping memory),二是全新結構的非易失性存儲器。而電荷俘獲存儲器在設計思路上秉承了傳統(tǒng)的浮柵存儲器,其外圍電路、存儲陣列及工藝與原有的浮柵存儲器基本相同,因而能與傳統(tǒng)半導體CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工藝相兼容,同時具有低操作電壓、低功耗和優(yōu)良的抗疲勞性能而受到研究者的廣泛關注,具有良好的應用前景。電荷俘獲存儲器由阻擋層、俘獲層、隧穿層構成,其原理是利用俘獲層中的缺陷來存儲電荷。TAHOS(TaN/Al2O3/HfO2/SiO2/Si)是當下電荷俘獲存儲器研究的典型結構之一。在該結構的基礎上通過研究材料的性質(zhì)來改善存儲器的性能。由于第一性原理可以避免實驗制備周期長、平臺要求高的缺點,所以本文通過第一性原理計算來分析材料的微觀參數(shù)與存儲器宏觀性能間的物理聯(lián)系。首先,研究對比了兩種體系,一種是HfO2俘獲層中無摻雜時的Vo4(四配位氧空位)缺陷體系,另一種是在該體系的基礎上摻入替位雜質(zhì)Al形成的共存缺陷體。通過第一性原理計算,結果表明摻入雜質(zhì)Al可以有效提高器件的數(shù)據(jù)保持特性和耐擦寫性。氧空位形成能的計算結果表明摻雜后共存缺陷體系更容易形成。通過控制電荷數(shù)模擬P/E操作計算了電荷俘獲能,結果顯示共存缺陷體是雙性俘獲,對載流子的俘獲能力明顯增強,載流子被擦除時所需的能量變大,對載流子的保持具有重要的作用；Bader電荷分析表明共存缺陷體系,俘獲的空穴與電子間電荷數(shù)之差較小,說明共存缺陷體更有利于電荷的數(shù)據(jù)保持。態(tài)密度與能帶結構分析表明共存缺陷體對空穴的局域能影響較強,位于缺陷能級上的空穴被激發(fā)進入價帶所需的能量變大,增強了體系的數(shù)據(jù)保持特性。通過擦寫前后的結構分析和耐受性計算,得出摻入雜質(zhì)Al可以提高器件的耐擦寫性。其次,研究了Hf02俘獲層中雜質(zhì)Al與本征缺陷V03(三配位氧空位)之間距離變化對電荷保持特性的影響,結果表明Al和Vo3之間距離為2.107A,體系具有最好的數(shù)據(jù)保持特性,同時,針對摻入Al的濃度問題展開研究,結果表明當Hf/Al摩爾比為1：1時,器件的寫速度最快,數(shù)據(jù)保持特性最好。量子態(tài)數(shù)計算結果表明當缺陷間距為2.107A時,該體系缺陷能級上總的量子態(tài)數(shù)最大,能俘獲的載流子數(shù)最多,表明此時載流子的數(shù)據(jù)保持能力最強。布局數(shù)和鍵長分析顯示當Al和V03缺陷間距離為2.107A時,布居值最小、Al-O鍵長最大,通過計算體系中寫入空穴后的鍵長大小,得出該距離下,Al-O鍵長的變化值最小,表明此距離下體系最穩(wěn)定,對數(shù)據(jù)的保持能力最強。同時,我們模擬了五種濃度結構來研究摻雜濃度不同所引起的擦寫速度的變化,確定出最優(yōu)摻雜比。通過計算電荷俘獲能和能帶偏移值,結果表明Hf/Al摩爾比為1：1時,體系中的自由電子隧穿進入俘獲層最容易,載流子的隧穿時間會縮短,能加快器件的寫速度,所以該體系具有最快的寫速度。在存在本征缺陷的前提下,摻入不同濃度的雜質(zhì)Al,通過計算氧空位形成能和電荷俘獲能發(fā)現(xiàn)Hf/Al摩爾比為1：1時,體系具有良好的數(shù)據(jù)保持能力。最后,對俘獲層和隧穿層構成的HfO2/SiO2界面進行了初步的研究,結果表明界面結合處Hf原子和Si原子形成的不飽和鍵是產(chǎn)生界面態(tài)的主要原因,可以通過摻入間隙氧來減弱界面態(tài)。文中主要研究了界面模型的建立方法和界面間隙態(tài)產(chǎn)生的原因及減弱的方法。DOS、PDOS以及bader電荷分析表明界面間隙態(tài)主要是由界面形成處Hf原子和Si原子出現(xiàn)了不飽和鍵而產(chǎn)生,研究表明通過在界面處摻入間隙氧原子可以減弱界面態(tài),對器件的保持特性起到一定的改善作用。
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【學位授予單位】：安徽大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP333

【參考文獻】

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本文編號：2408543