非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器阻變機(jī)理及性能研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷向前推進(jìn)，目前主流的基于電荷存儲(chǔ)機(jī)制的浮柵Flash存儲(chǔ)器正面臨著嚴(yán)重的技術(shù)挑戰(zhàn)，如浮柵耦合、電荷泄漏、相鄰單元之間的串?dāng)_問題等，因此亟需尋找下一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。目前，國(guó)際上研究較多的新型非揮發(fā)性存儲(chǔ)器主要有:相變存儲(chǔ)器(PRAM)，磁阻存儲(chǔ)器(MRAM)，鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)和可逆的電致阻變隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)，其中對(duì)RRAM的研究如火如荼，RRAM因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、器件密度高、編程/擦寫速度快、且與

2、CMOS工藝兼容等一系列突出優(yōu)點(diǎn)而成為替代多晶硅浮柵存儲(chǔ)器的有力競(jìng)爭(zhēng)者之一，其作為一種采用非電荷存儲(chǔ)機(jī)制的存儲(chǔ)器在32 nm工藝節(jié)點(diǎn)以下將有很大的發(fā)展空間。
　　目前，制約RRAM技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主要瓶頸之一是發(fā)生電阻轉(zhuǎn)變效應(yīng)的物理機(jī)制、電荷存儲(chǔ)機(jī)理尚不明確，同時(shí)，RRAM器件在穩(wěn)定性、均勻性、可重復(fù)性、擦寫速度以及數(shù)據(jù)保持性等方面都還存在問題，而目前對(duì)器件的研究主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)研制、顯微表征及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上進(jìn)行觀察和分析，存在實(shí)驗(yàn)

3、平臺(tái)要求高、表征和測(cè)試儀器高端、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)等問題。針對(duì)上述問題，本論文結(jié)合并行計(jì)算與第一性原理開展多層次、多維度的模擬手段，從物理角度解釋載流子的輸運(yùn)過(guò)程和存儲(chǔ)機(jī)理，通過(guò)摻雜、制造缺陷和控制化合價(jià)等手段對(duì)阻變材料進(jìn)行改性，給出材料的微觀參數(shù)和存儲(chǔ)器的宏觀電學(xué)量的定量關(guān)系，為RRAM的優(yōu)化設(shè)計(jì)及可靠集成提供理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)工具。
　　針對(duì)RRAM的研究現(xiàn)狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，了解其阻變的宏觀特性等方面的不足，研究了納米尺度下RRAM二元金屬氧化

4、物阻變材料HfO2的氧空位(Vo)陷阱效應(yīng)、摻雜效應(yīng)(Ag)等對(duì)器件特性的影響以及阻變存儲(chǔ)器的微觀阻變機(jī)理。研究表明單獨(dú)Vo缺陷和單獨(dú)Ag雜質(zhì)均可以在禁帶中引入雜質(zhì)能級(jí)，且都分別可以形成導(dǎo)電細(xì)絲;針對(duì)Vo和Ag都能形成導(dǎo)電細(xì)絲的情況，研究了Ag和Vo共摻雜的復(fù)合缺陷體系，結(jié)果表明共摻雜體系的導(dǎo)電性能增強(qiáng)、穩(wěn)定性更好;而在相同濃度下，Ag雜質(zhì)能級(jí)能夠通過(guò)Ag離子的作用加以Hf離子的輔助下形成導(dǎo)電細(xì)絲，而Vo缺陷能級(jí)沒有導(dǎo)電細(xì)絲的形成。且在

5、Vo存在的前提下，Ag離子的遷移將變得更加容易，即Vo可以輔助Ag離子遷移，增強(qiáng)了體系電化學(xué)性能。
　　電極以及阻變材料的選擇將直接影響著復(fù)合材料的性能，其界面結(jié)合的狀態(tài)對(duì)整個(gè)阻變存儲(chǔ)器的性能起著至關(guān)重要的作用，對(duì)比研究了Cu/HfO2不同切面組合的復(fù)合材料界面模型。結(jié)果表明，復(fù)合材料的界面不同，對(duì)RRAM器件的性能會(huì)產(chǎn)生很大影響。在研究的所有界面體系中，Cu(111)/HfO2(010)失配率最小，界面束縛能最大，界面體系相對(duì)最

6、穩(wěn)定;且只有Cu(111)/HfO2(010)復(fù)合材料體系出現(xiàn)了垂直Cu電極方向完整連通的電子通道，界面處有電子的相互轉(zhuǎn)移、成鍵的存在，表明電子在此方向上具有局域性、連通性，與阻變存儲(chǔ)器(RRAM)器件導(dǎo)通方向一致。針對(duì)Cu(111)/HfO2(010)復(fù)合材料界面體系，探討了其整體性能，并研究了電極對(duì)界面處及阻變材料的影響。研究表明越靠近界面處，Cu和Vo缺陷越容易形成和存在，Cu原子越容易進(jìn)入HfO2體內(nèi)，也即Cu將呈階梯狀往HfO

7、2內(nèi)部擴(kuò)散以形成缺陷體系，在外加電壓下易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致Cu導(dǎo)電細(xì)絲的形成與斷裂，更有利于RRAM器件電阻開關(guān)特性的產(chǎn)生。
　　對(duì)二元金屬氧化物阻變材料進(jìn)行摻雜可以改變其存儲(chǔ)特性、電學(xué)特性，而對(duì)于摻雜元素進(jìn)入材料體內(nèi)后所具有的價(jià)電子數(shù)或化合價(jià)態(tài)的研究較少，鑒于此，研究了摻雜金屬元素進(jìn)入阻變材料后是否具有化合價(jià)態(tài)以及不同化合價(jià)態(tài)對(duì)阻變存儲(chǔ)器材料性能的影響，首先通過(guò)電子親和能以及缺陷形成能確定摻雜元素得失電子情況;其次通過(guò)差分