基于HfO2的RRAM阻變特性研究.pdf

1、由于以flash為代表的傳統(tǒng)存儲(chǔ)器遇到了技術(shù)瓶頸，人們提出了許多新型存儲(chǔ)器，其中阻變存儲(chǔ)器（RRAM）憑借著其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、低壓低功耗、操作速度快、可伸縮性并且它與傳統(tǒng)COMS工藝技術(shù)兼容等優(yōu)點(diǎn)，從而成為人們的研究焦點(diǎn)。然而目前對(duì)于RRAM存儲(chǔ)器阻變現(xiàn)象的微觀機(jī)制解釋眾說(shuō)不一，在眾多對(duì)阻變現(xiàn)象的解釋理論中，導(dǎo)電細(xì)絲模型逐漸被大多數(shù)人所認(rèn)同。導(dǎo)電細(xì)絲模型分為兩種情況:一種是摻雜金屬元素的遷移所形成的金屬導(dǎo)電通道;另一種是本征缺陷氧空位的產(chǎn)生

2、與遷移形成的氧空位導(dǎo)電細(xì)絲。很多的實(shí)驗(yàn)都證明了這兩種阻變機(jī)制，并且這兩種缺陷對(duì)改善RRAM器件的宏觀特性具有很大的作用。因此，我們深入的研究這兩種缺陷在阻變體系中的作用，這對(duì)于了解RRAM器件的阻變機(jī)理以及提高RRAM器件的宏觀性能具有很重要的作用和意義。
　　為了研究RRAM中氧空位導(dǎo)電細(xì)絲的微觀過(guò)程，首先研究了氧空位的團(tuán)簇以及團(tuán)簇形成能，得到局部氧空位細(xì)絲最容易形成的方向與團(tuán)簇形狀;然后探討了整體氧空位細(xì)絲的形狀和方向，我們得

3、到了氧空位導(dǎo)電細(xì)絲的最佳方向和最優(yōu)形狀;緊接著計(jì)算分析了導(dǎo)電細(xì)絲的成分，說(shuō)明了氧空位導(dǎo)電細(xì)絲的導(dǎo)電機(jī)理;最后我們又計(jì)算了氧空位的遷移勢(shì)壘，通過(guò)分析得到氧空位在HfO2超胞中的遷移路徑。這些詳細(xì)的分析與計(jì)算將有助于改善器件的某些宏觀特性。比如在制備基于HfO2材料的RRAM時(shí)，通過(guò)控制導(dǎo)電細(xì)絲的方向與形狀可以降低RRAM器件的形成電壓，改善器件的存儲(chǔ)穩(wěn)定性等。
　　為了研究氧空位導(dǎo)電細(xì)絲與金屬導(dǎo)電細(xì)絲同時(shí)存在的情況下對(duì)RRAM性能的

4、影響，我們首先討論了金屬Ni在阻變材料HfO2中的存在形式，通過(guò)形成能的計(jì)算得出金屬Ni在HfO2中是以間隙式存在，然后通過(guò)對(duì)5種Ni摻雜濃度模型的形成能，分波電荷態(tài)密度圖，最大等勢(shì)面值的比較，得到在HfO2材料中形成Ni導(dǎo)電細(xì)絲的最佳濃度。緊接著我們討論了氧空位的存在對(duì)金屬Ni導(dǎo)電細(xì)絲的影響以及金屬Ni摻雜對(duì)氧空位導(dǎo)電細(xì)絲的影響。首先我們通過(guò)計(jì)算體系的分波電荷態(tài)密度圖，分析得到氧空位對(duì)金屬導(dǎo)電細(xì)絲具有改善其均勻性的作用;然后通過(guò)分析體

5、系的分波電荷態(tài)密度圖和最大等勢(shì)面值得到金屬Ni對(duì)氧空位導(dǎo)電細(xì)絲具有聚集的作用，調(diào)節(jié)氧空位導(dǎo)電細(xì)絲的形成和斷開(kāi);這有利于改善器件的開(kāi)關(guān)比，穩(wěn)定性;最后還考慮了兩種細(xì)絲相對(duì)位置的影響，得出兩種導(dǎo)電細(xì)絲相距最近時(shí)，相互作用最大，此時(shí)體系中形成一條穩(wěn)定的導(dǎo)電細(xì)絲，穩(wěn)定性最強(qiáng);當(dāng)Ni與氧空位相對(duì)位置最遠(yuǎn)時(shí)，兩者之間的影響很弱;而當(dāng)金屬Ni與氧空位的位置相鄰近時(shí)可以得到兩條導(dǎo)電細(xì)絲，但此時(shí)器件的導(dǎo)電性最差。
　　總之，本文對(duì)基于HfO2阻變材