【摘要】：當(dāng)今智能社會對便攜設(shè)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(yán)峻的挑戰(zhàn)。為此,當(dāng)務(wù)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(chǔ)上改進(jìn)的電荷俘獲存儲器(CTM, Charge trapping memory),二是全新結(jié)構(gòu)的非易失性存儲器。而電荷俘獲存儲器在設(shè)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(dǎo)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(guān)注,具有良好的應(yīng)用前景。電荷俘獲存儲器由阻擋層、俘獲層、隧穿層構(gòu)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(dāng)下電荷俘獲存儲器研究的典型結(jié)構(gòu)之一。在該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(chǔ)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(jié)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(jié)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(jié)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(qiáng),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(jié)構(gòu)分析表明共存缺陷體對空穴的局域能影響較強(qiáng),位于缺陷能級上的空穴被激發(fā)進(jìn)入價帶所需的能量變大,增強(qiáng)了體系的數(shù)據(jù)保持特性。通過擦寫前后的結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)果表明當(dāng)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(jié)果表明當(dāng)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(qiáng)。布局?jǐn)?shù)和鍵長分析顯示當(dāng)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(qiáng)。同時,我們模擬了五種濃度結(jié)構(gòu)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(jié)果表明Hf/Al摩爾比為1：1時,體系中的自由電子隧穿進(jìn)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(gòu)成的HfO2/SiO2界面進(jìn)行了初步的研究,結(jié)果表明界面結(jié)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。
[Abstract]:......
【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】：2016
【分類號】：TP333

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2408543