本文關(guān)鍵詞：基于HfO_2電荷俘獲層氧缺陷存儲(chǔ)特性研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：半導(dǎo)體器件尺寸隨著制造工藝和集成電路技術(shù)迅速發(fā)展而持續(xù)的等比例縮小,隧穿氧化層厚度也隨之不斷減薄,致使泄漏電流增大；存儲(chǔ)單元間隔不斷減小,浮柵與控制柵間耦合降低,導(dǎo)致相鄰浮柵串?dāng)_增強(qiáng),傳統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器難以達(dá)到對(duì)存儲(chǔ)器保持特性的要求,故難以實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)發(fā)展所需的高密度存儲(chǔ)�；谶^(guò)渡金屬氧化物的高k俘獲層電荷俘獲型存儲(chǔ)器,由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,繼承了傳統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu),完全兼容傳統(tǒng)的CMOS工藝,并且利用其中的相互隔離的電荷陷阱實(shí)現(xiàn)分立式電荷存儲(chǔ),從而消除了相鄰浮柵串?dāng)_和SILC效應(yīng),有效抑制了浮柵結(jié)構(gòu)的電荷泄漏。由于過(guò)渡金屬氧化物(如HfO2 ZrO2等)具有相對(duì)較高的介電常數(shù)、較好的熱穩(wěn)定性和寬的禁帶,作為俘獲層具有較好的俘獲電荷效率,并且該類存儲(chǔ)器具有較大的存儲(chǔ)窗口,因而引起了人們的廣泛研究。在對(duì)CTM研究中,研究者主要針對(duì)存儲(chǔ)器性能進(jìn)行改善和通過(guò)第一性原理計(jì)算從微觀闡明與存儲(chǔ)器性能相關(guān)的特性。然而,關(guān)于HfO2中與氧缺陷相關(guān)的CTM俘獲層電荷俘獲、保持和擦寫(xiě)速度等特性的微觀內(nèi)在機(jī)理研究較少。圍繞作為CTM俘獲層的高k材料HfO2,本文主要運(yùn)用第一性原理計(jì)算,對(duì)HfO2俘獲層中的氧缺陷特性以及工藝制造過(guò)程中引入的雜質(zhì)Al對(duì)氧缺陷特性的影響進(jìn)行了深入的研究。首先,闡述了各類改進(jìn)型和新型非易失性存儲(chǔ)器概念,指出了各自的優(yōu)缺點(diǎn),說(shuō)明了CTM研究背景及意義,介紹了CTM存儲(chǔ)器原理以及第一性原理基本概念。通常采用存儲(chǔ)窗口的大小、擦寫(xiě)速度的快慢,以及耐受性和保持特性來(lái)表征存儲(chǔ)器的基本性能,而這些特性是由材料的內(nèi)在機(jī)理所決定的。第一性原理計(jì)算可以研究晶體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、電子布局、能帶、態(tài)密度、光學(xué)特性(如：介電函數(shù),反射,折射率),以及摻雜對(duì)晶體的影響等,通過(guò)這些計(jì)算的結(jié)果可以反映存儲(chǔ)器擦寫(xiě)速度、保持特性等性能。系統(tǒng)的了解材料的特性,有助于工藝制造過(guò)程中對(duì)各種元素化學(xué)配比的控制。其次,研究了高k材料HfO2中氧空位缺陷本身及其所引起的晶格結(jié)構(gòu)變化造成的對(duì)俘獲層性能的影響。通過(guò)注入電荷進(jìn)入帶缺陷的超胞體系來(lái)仿真存儲(chǔ)器件的P/E操作,得出氧空位缺陷間距影響電荷俘獲的程度很小,基本上可以忽略,而氧空位缺陷數(shù)影響則較大,且高配位價(jià)氧空位缺陷俘獲電子能力大。態(tài)密度分析結(jié)果也顯示高配位價(jià)氧空位缺陷引入深缺陷能級(jí)的量子態(tài)數(shù)大,且受缺陷間距離的影響小,俘獲電子的幾率大。高配位價(jià)的氧空位缺陷能夠產(chǎn)生更多的態(tài)密度(Density of states, DOS)和更小的能級(jí)偏移,說(shuō)明引入深缺陷能級(jí)量子態(tài)數(shù)更多,且數(shù)據(jù)保持特性更好：氧空位缺陷引起的晶格結(jié)構(gòu)變化使電荷局域能也明顯增大,說(shuō)明對(duì)電荷俘獲的能力增強(qiáng)。由此通過(guò)改進(jìn)工藝,增大高配位價(jià)的氧空位缺陷濃度,則能夠更好地改善CTM存儲(chǔ)器的電荷存儲(chǔ)特性。再次,研究了HfO2中間隙氧缺陷對(duì)俘獲層特性產(chǎn)生的影響,針對(duì)不同位置的間隙氧缺陷形成難易程度進(jìn)行了研究,并與氧空位缺陷做了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)氧化學(xué)勢(shì)增大時(shí),間隙氧缺陷形成更容易；最容易形成間隙氧缺陷的位置上缺陷能夠產(chǎn)生靠近導(dǎo)帶底的施主能級(jí)和靠近價(jià)帶頂?shù)氖苤髂芗?jí),因而對(duì)電子和空穴間都能夠俘獲,但俘獲電子的幾率比俘獲空穴的幾率要小,而且被俘獲的載流子主要聚集在間隙氧原子附近；當(dāng)間隙氧缺陷之間的間距增大時(shí),缺陷間相互作用由吸引逐漸變?yōu)榕懦饫^而減弱,造成受主能級(jí)數(shù)量與深度都發(fā)生明顯變化,量子態(tài)數(shù)顯著增加,從而有利于增大空穴隧穿氧化層電流。最后,考慮到Hf02和A1203多層堆疊柵俘獲層中A1會(huì)導(dǎo)致相對(duì)Si發(fā)生導(dǎo)帶偏移,以及A1可以提高陷阱濃度等原因,制備過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)整A1和Hf的濃度比例來(lái)調(diào)整帶隙,以改善HfO2俘獲層特性,故對(duì)Al替位Hf的Hf02超胞中含4價(jià)氧空位缺陷的特性進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)A1使中性氧空位缺陷形成更容易,被俘獲電荷主要分布在與兩者相距最小的氧原子附近,氧空位缺陷的電荷俘獲能力也顯著增強(qiáng),缺陷能級(jí)向?qū)?且價(jià)帶頂附近引入了具有大量量子態(tài)的淺能級(jí),說(shuō)明雜質(zhì)A1的引入有利于改善器件P/E操作速度。
【關(guān)鍵詞】：CTM 高k材料 HfO_2 缺陷 第一性原理
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN303
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-8
• 目錄8-11
• 第一章 緒論11-29
• 1.1 引言11-13
• 1.2 非易失性存儲(chǔ)器概述13-18
• 1.2.1 鐵電存儲(chǔ)器(Ferroelectric RAM,FRAM)15-16
• 1.2.2 磁阻性存儲(chǔ)器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)16
• 1.2.3 相變存儲(chǔ)器(Phase Change RAM,PCRAM)16-17
• 1.2.4 阻變式隨機(jī)存儲(chǔ)器(Resistive Random Access Memory,RRAM)17-18
• 1.2.5 電荷俘獲型存儲(chǔ)器(Charge Trapping Memory,CTM)18
• 1.3 CTM研究背景與意義18-19
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容及布局19-22
• 參考文獻(xiàn)22-29
• 第二章 CTM發(fā)展、原理及研究方法概述29-46
• 2.1 CTM發(fā)展歷史29-30
• 2.2 CTM存儲(chǔ)原理30-34
• 2.3 CTM存儲(chǔ)器研究概述34-36
• 2.4 基于第一性原理的研究方法概述36-41
• 2.4.1 密度泛函理論(Densty Functional Theory,DFT)37-39
• 2.4.2 布里淵區(qū)k點(diǎn)采樣39
• 2.4.3 第一性原理計(jì)算概述39-41
• 參考文獻(xiàn)41-46
• 第三章 高k俘獲層HfO_2中氧空位特性研究46-68
• 3.1 引言46
• 3.2 氧空位對(duì)高k俘獲層HfO_2的影響46-56
• 3.2.1 計(jì)算方法和模型47-48
• 3.2.2 結(jié)果分析與討論48-55
• 3.2.3 結(jié)語(yǔ)55-56
• 3.3 氧空位引起的晶格變化產(chǎn)生的影響56-64
• 3.3.1 計(jì)算模型和方法56-57
• 3.3.2 運(yùn)算結(jié)果及討論57-63
• 3.3.3 結(jié)語(yǔ)63-64
• 3.4 本章小結(jié)64-65
• 參考文獻(xiàn)65-68
• 第四章 高k俘獲層HfO_2中間隙氧特性研究68-84
• 4.1 引言68-69
• 4.2 計(jì)算方法及模型69-70
• 4.3 結(jié)果與討論70-79
• 4.3.1 間隙O缺陷能級(jí)和DOS72-75
• 4.3.2 缺陷俘獲電荷能75-78
• 4.3.3 間隙O原子間距的影響78-79
• 4.4 本章小結(jié)79-81
• 參考文獻(xiàn)81-84
• 第五章 雜質(zhì)Al對(duì)HfO_2中氧空位特性影響84-93
• 5.1 引言84-85
• 5.2 Al替位Hf的含氧空位缺陷HfO_2模型建立及計(jì)算方法85-87
• 5.3 HfO_2中Al對(duì)4價(jià)配位氧空位缺陷的影響87-90
• 5.3.1 替位Al對(duì)4價(jià)配位氧空位形成能影響87-88
• 5.3.2 替位Al對(duì)4價(jià)氧空位電荷俘獲能影響88-89
• 5.3.3 替位Al對(duì)含4價(jià)氧空位缺陷HfO_2的態(tài)密度影響89-90
• 5.4 本章小結(jié)90-91
• 參考文獻(xiàn)91-93
• 第六章 總結(jié)與展望93-95
• 6.1 論文研究主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)93-94
• 6.2 未來(lái)工作展望94-95
• 致謝95-97
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文9

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 Paul Rako;;模擬浮柵技術(shù)獲得承認(rèn)[J];電子設(shè)計(jì)技術(shù);2010年03期

2 Rainer Bonitz;;恒憶閃存抗X射線[J];電子設(shè)計(jì)技術(shù);2010年06期

3 劉張李;鄒世昌;張正選;畢大煒;胡志遠(yuǎn);俞文杰;陳明;王茹;;浮柵存儲(chǔ)器的單粒子輻射效應(yīng)研究進(jìn)展[J];功能材料與器件學(xué)報(bào);2010年05期

4 閭錦;陳裕斌;左正;施毅;濮林;鄭有p

本文編號(hào)：386435