基于HO2的阻變存儲(chǔ)器缺陷效應(yīng)的研究.pdf

1、為了克服傳統(tǒng)存儲(chǔ)器件所存在的缺陷，人們提出了許多新型的器件，包括相變存儲(chǔ)器(PcRAM)、鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM)、磁存儲(chǔ)器(MRAM)以及阻變存儲(chǔ)器(RRAM)。其中，基于氧化物半導(dǎo)體材料的阻變存儲(chǔ)器憑借其突出優(yōu)勢(shì)得到了人們廣泛的關(guān)注，例如:簡(jiǎn)單的金屬-氧化物-金屬三明治結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)密度高、讀寫(xiě)速度快、功耗低、與CMOS兼容性好以及由于其阻變現(xiàn)象只發(fā)生于很小一部分區(qū)域?qū)е碌目s小器件尺寸和提高集成度方面的優(yōu)勢(shì)。
　　盡管對(duì)阻變存儲(chǔ)器

2、的研究最早可以追溯到50年前，但對(duì)于器件阻變現(xiàn)象的微觀機(jī)制解釋還尚未明確。然而在眾多對(duì)阻變現(xiàn)象的解釋理論中，基于導(dǎo)電細(xì)絲現(xiàn)象的兩種物理機(jī)制是被大多數(shù)人所接受的。其中一種是摻雜金屬元素的遷移所形成的金屬導(dǎo)電通道，有些金屬可以直接參與通道的產(chǎn)生。阻變現(xiàn)象的另一種微觀機(jī)制就是本征缺陷氧原子空位的產(chǎn)生與遷移。并且很多宏觀實(shí)驗(yàn)都證明了向體系中摻雜金屬元素可以很好地提高阻變行為的性能參數(shù)。從而可見(jiàn)缺陷在器件的阻變現(xiàn)象中扮演著有決定性的角色。因此，為

3、了了解器件的阻變機(jī)理以及提高器件的性能，就需要對(duì)缺陷在阻變體系中的作用進(jìn)行深入的研究。
　　為了研究器件的微觀機(jī)理，本文在不考慮外加電壓的情況下應(yīng)用第一性原理對(duì)基于HfO2阻變材料的RRAM器件進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析。材料晶胞中的缺陷分為兩類(lèi):摻雜和本征缺陷。本文分別對(duì)摻雜金屬和本征氧空位缺陷的效應(yīng)進(jìn)行了探究。首先根據(jù)摻雜原子所存在位置的形成能大小，我們將金屬摻雜物分為兩種類(lèi)型:間隙式和替位式。通過(guò)模擬摻雜體系的分波電荷密度，我們?cè)?/p>

4、摻有間隙式金屬原子的體系中觀察到了導(dǎo)龜細(xì)絲，而在摻有替位式金屬的體系中未發(fā)現(xiàn)細(xì)絲。在對(duì)體系的態(tài)密度和分態(tài)密度的分析中我們發(fā)現(xiàn)間隙式金屬摻雜物可以直接參與導(dǎo)電細(xì)絲的形成而替位式金屬無(wú)法形成導(dǎo)電細(xì)絲。據(jù)此，我們可以將摻雜金屬進(jìn)行初步分類(lèi)并為基于金屬導(dǎo)電細(xì)絲器件的摻雜物選擇作出了理論指導(dǎo)。接下來(lái)我們探究了摻雜金屬與氧空位同時(shí)存在的情況下，摻雜金屬對(duì)氧空位細(xì)絲的作用，并根據(jù)結(jié)果對(duì)金屬摻雜物進(jìn)行了進(jìn)一步的分類(lèi)。最后探究了氧空位本征缺陷在HfO2阻

5、變行為中的效應(yīng)。首先在十個(gè)不同方向體系中，通過(guò)計(jì)算分波電荷密度、形成能、最高等勢(shì)面值、遷移勢(shì)壘以及能帶結(jié)構(gòu)，確定了氧空位導(dǎo)電細(xì)絲的最佳形成方向?yàn)閇010]晶向。根據(jù)此結(jié)果，我們?cè)赱010]晶向上建立了不同的濃度模型并對(duì)它們進(jìn)行模擬分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧空位濃度低于4.167at.％的體系幾乎不導(dǎo)電，無(wú)法發(fā)生阻變行為。當(dāng)氧空位濃度從4.167at.％逐漸增加到6.25at.％，系統(tǒng)可以觀察到阻變現(xiàn)象，但是導(dǎo)電細(xì)絲形成難度也隨之增加。此外，高濃度

6、系統(tǒng)卻也呈現(xiàn)出了整體的穩(wěn)定性與均勻性。研究結(jié)果對(duì)RRAM宏觀特性的理解與優(yōu)化存在一定的積極作用。
　　總之，本文對(duì)基于HfO2晶胞結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器件中缺陷的效應(yīng)進(jìn)行了一系列的探究。第一章概述了存儲(chǔ)器的分類(lèi)和研究現(xiàn)狀以及面臨的一些問(wèn)題，從而說(shuō)明本文的選題意義。第二章對(duì)于阻變存儲(chǔ)器的微觀結(jié)構(gòu)和工作原理作了具體介紹，同時(shí)介紹了本文的研究方法。第三章對(duì)金屬摻雜物在HfO2體系中的效應(yīng)作了具體研究并將摻雜金屬進(jìn)行初步分類(lèi)。此外還研究了兩種缺