本文關(guān)鍵詞：基于HfO_2電荷俘獲層氧缺陷存儲特性研究，，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,傳統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲器難以達到對存儲器保持特性的要求,故難以實現(xiàn)信息技術(shù)發(fā)展所需的高密度存儲。基于過渡金屬氧化物的高k俘獲層電荷俘獲型存儲器,由于結(jié)構(gòu)簡單,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現(xiàn)分立式電荷存儲,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。由于過渡金屬氧化物(如HfO2 ZrO2等)具有相對較高的介電常數(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,并且該類存儲器具有較大的存儲窗口,因而引起了人們的廣泛研究。在對CTM研究中,研究者主要針對存儲器性能進行改善和通過第一性原理計算從微觀闡明與存儲器性能相關(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、保持和擦寫速度等特性的微觀內(nèi)在機理研究較少。圍繞作為CTM俘獲層的高k材料HfO2,本文主要運用第一性原理計算,對HfO2俘獲層中的氧缺陷特性以及工藝制造過程中引入的雜質(zhì)Al對氧缺陷特性的影響進行了深入的研究。首先,闡述了各類改進型和新型非易失性存儲器概念,指出了各自的優(yōu)缺點,說明了CTM研究背景及意義,介紹了CTM存儲器原理以及第一性原理基本概念。通常采用存儲窗口的大小、擦寫速度的快慢,以及耐受性和保持特性來表征存儲器的基本性能,而這些特性是由材料的內(nèi)在機理所決定的。第一性原理計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),以及摻雜對晶體的影響等,通過這些計算的結(jié)果可以反映存儲器擦寫速度、保持特性等性能。系統(tǒng)的了解材料的特性,有助于工藝制造過程中對各種元素化學(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)變化造成的對俘獲層性能的影響。通過注入電荷進入帶缺陷的超胞體系來仿真存儲器件的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)果也顯示高配位價氧空位缺陷引入深缺陷能級的量子態(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)和更小的能級偏移,說明引入深缺陷能級量子態(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,說明對電荷俘獲的能力增強。由此通過改進工藝,增大高配位價的氧空位缺陷濃度,則能夠更好地改善CTM存儲器的電荷存儲特性。再次,研究了HfO2中間隙氧缺陷對俘獲層特性產(chǎn)生的影響,針對不同位置的間隙氧缺陷形成難易程度進行了研究,并與氧空位缺陷做了對比。發(fā)現(xiàn)氧化學(xué)勢增大時,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)帶底的施主能級和靠近價帶頂?shù)氖苤髂芗?因而對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,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會導(dǎo)致相對Si發(fā)生導(dǎo)帶偏移,以及A1可以提高陷阱濃度等原因,制備過程中可以通過調(diào)整A1和Hf的濃度比例來調(diào)整帶隙,以改善HfO2俘獲層特性,故對Al替位Hf的Hf02超胞中含4價氧空位缺陷的特性進行了研究。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,缺陷能級向?qū)?且價帶頂附近引入了具有大量量子態(tài)的淺能級,說明雜質(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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：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 非易失性存儲器概述13-18
• 1.2.1 鐵電存儲器(Ferroelectric RAM,FRAM)15-16
• 1.2.2 磁阻性存儲器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)16
• 1.2.3 相變存儲器(Phase Change RAM,PCRAM)16-17
• 1.2.4 阻變式隨機存儲器(Resistive Random Access Memory,RRAM)17-18
• 1.2.5 電荷俘獲型存儲器(Charge Trapping Memory,CTM)18
• 1.3 CTM研究背景與意義18-19
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容及布局19-22
• 參考文獻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存儲原理30-34
• 2.3 CTM存儲器研究概述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點采樣39
• 2.4.3 第一性原理計算概述39-41
• 參考文獻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 氧空位對高k俘獲層HfO_2的影響46-56
• 3.2.1 計算方法和模型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 計算模型和方法56-57
• 3.3.2 運算結(jié)果及討論57-63
• 3.3.3 結(jié)語63-64
• 3.4 本章小結(jié)64-65
• 參考文獻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81-84
• 第五章 雜質(zhì)Al對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模型建立及計算方法85-87
• 5.3 HfO_2中Al對4價配位氧空位缺陷的影響87-90
• 5.3.1 替位Al對4價配位氧空位形成能影響87-88
• 5.3.2 替位Al對4價氧空位電荷俘獲能影響88-89
• 5.3.3 替位Al對含4價氧空位缺陷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93-94
• 6.2 未來工作展望94-95
• 致謝95-97
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文9

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中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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

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

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

4 閭錦;陳裕斌;左正;施毅;濮林;鄭有p

本文編號：386435