基于Hf02的阻变存储器缺陷效应的研究

发布时间：2017-08-12 06:15

  本文关键词：基于Hf02的阻变存储器缺陷效应的研究

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【摘要】：为了克服传统存储器件所存在的缺陷,人们提出了许多新型的器件,包括相变存储器(PcRAM)、铁电存储器(FeRAM)、磁存储器(MRAM)以及阻变存储器(RRAM)。其中,基于氧化物半导体材料的阻变存储器凭借其突出优势得到了人们广泛的关注,例如：简单的金属-氧化物-金属三明治结构、存储密度高、读写速度快、功耗低、与CMOS兼容性好以及由于其阻变现象只发生于很小一部分区域导致的缩小器件尺寸和提高集成度方面的优势。尽管对阻变存储器的研究最早可以追溯到50年前,但对于器件阻变现象的微观机制解释还尚未明确。然而在众多对阻变现象的解释理论中,基于导电细丝现象的两种物理机制是被大多数人所接受的。其中一种是掺杂金属元素的迁移所形成的金属导电通道,有些金属可以直接参与通道的产生。阻变现象的另一种微观机制就是本征缺陷氧原子空位的产生与迁移。并且很多宏观实验都证明了向体系中掺杂金属元素可以很好地提高阻变行为的性能参数。从而可见缺陷在器件的阻变现象中扮演着有决定性的角色。因此,为了了解器件的阻变机理以及提高器件的性能,就需要对缺陷在阻变体系中的作用进行深入的研究。为了研究器件的微观机理,本文在不考虑外加电压的情况下应用第一性原理对基于HfOz阻变材料的RRAM器件进行了模拟计算和分析。材料晶胞中的缺陷分为两类：掺杂和本征缺陷。本文分别对掺杂金属和本征氧空位缺陷的效应进行了探究。首先根据掺杂原子所存在位置的形成能大小,我们将金属掺杂物分为两种类型：间隙式和替位式。通过模拟掺杂体系的分波电荷密度,我们在掺有间隙式金属原子的体系中观察到了导电细丝,而在掺有替位式金属的体系中未发现细丝。在对体系的态密度和分态密度的分析中我们发现间隙式金属掺杂物可以直接参与导电细丝的形成而替位式金属无法形成导电细丝。据此,我们可以将掺杂金属进行初步分类并为基于金属导电细丝器件的掺杂物选择作出了理论指导。接下来我们探究了掺杂金属与氧空位同时存在的情况下,掺杂金属对氧空位细丝的作用,并根据结果对金属掺杂物进行了进一步的分类。最后探究了氧空位本征缺陷在Hf0：阻变行为中的效应。首先在十个不同方向体系中,通过计算分波电荷密度、形成能、最高等势面值、迁移势垒以及能带结构,确定了氧空位导电细丝的最佳形成方向为[010]晶向。根据此结果,我们在[010]晶向上建立了不同的浓度模型并对它们进行模拟分析。结果发现氧空位浓度低于4.167at.%的体系几乎不导电,无法发生阻变行为。当氧空位浓度从4.167at.%逐渐增加到6.25at.%,系统可以观察到阻变现象,但是导电细丝形成难度也随之增加。此外,高浓度系统却也呈现出了整体的稳定性与均匀性。研究结果对RRAM宏观特性的理解与优化存在一定的积极作用。总之,本文对基于Hf02晶胞结构的阻变存储器件中缺陷的效应进行了一系列的探究。第一章概述了存储器的分类和研究现状以及面临的一些问题,从而说明本文的选题意义。第二章对于阻变存储器的微观结构和工作原理作了具体介绍,同时介绍了本文的研究方法。第三章对金属掺杂物在Hf02体系中的效应作了具体研究并将掺杂金属进行初步分类,此外还研究了两种缺陷同时存在时掺杂金属对氧空位作用并据此对金属掺杂物进行了进一步的分类。第四章对氧空位本征缺陷在Hf02体系中的效应作了具体研究。最后,第五章对本文的工作做了总结和展望。
【关键词】：阻变存储器 第一性原理 金属掺杂物 氧空位 导电细丝
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 半导体存储器背景及发展10-14
• 1.2 阻变存储器的背景及研究现状14-16
• 1.3 本文的主要内容和研究意义16-18
• 第二章 RRAM的工作原理及本文的研究方法18-29
• 2.1 RRAM的基本工作原理及分类18-20
• 2.2 RRAM的阻变机理20-26
• 2.2.1 电化学金属效应(ECM)21-24
• 2.2.2 氧化物化合价改变效应(VCM)24-25
• 2.2.3 ECM与VCM阻变器件的等价25-26
• 2.3 本文的研究方法26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 HfO_2中金属掺杂物效应的研究29-44
• 3.1 半导体材料中的缺陷29-31
• 3.1.1 缺陷的形成29-30
• 3.1.2 形成能30-31
• 3.2 HfO_2中金属掺杂物的效应31-39
• 3.2.1 金属掺杂物的初步分类31-33
• 3.2.2 间隙式金属掺杂物的阻变效应33-36
• 3.2.3 替位式金属掺杂物的阻变效应36-39
• 3.3 金属掺杂物对V_o导电细丝的效应39-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第四章 HfO_2中氧空位效应的研究44-57
• 4.1 V_o导电细丝的方向依赖性44-50
• 4.1.1 不同方向V_o排列体系的建立44-47
• 4.1.2 V_o导电细丝的最佳方向47-50
• 4.2 V_o浓度的研究50-55
• 4.2.1 导电细丝形成的V_o浓度50-52
• 4.2.2 导电细丝优化的V_o浓度52-53
• 4.2.3 高V_o浓度分析53-55
• 4.3 本章小结55-57
• 第五章 总结与展望57-60
• 5.1 工作总结57-58
• 5.2 工作展望58-60
• 参考文献60-66
• 附图66-68
• 附表68-69
• 致谢69-70
• 攻读学位期间发表的论文70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 周茂秀;赵强;张伟;刘琦;代月花;;The conductive path in HfO_2:first principles study[J];半导体学报;2012年07期

2 王永;管伟华;龙世兵;刘明;谢常青;;阻变式存储器存储机理[J];物理;2008年12期

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本文编号：660124