基于第一性原理的电荷俘获存储器的特性研究

发布时间：2017-09-13 15:29

  本文关键词：基于第一性原理的电荷俘获存储器的特性研究

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【摘要】：随着科技的不断发展,对电子产品的要求越来越高,这推动了半导体存储器的发展。随着集成度的不断提高,传统的Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS)器件已不能满足现在存储器的集成发展。上世纪,浮栅非挥发性存储器得到广泛的应用,这是因为,Flash存储器具有成本较低、存储容量较大和功耗较小等优点。最主要的是因为Flash存储器与传统的CMOS工艺相兼容。但是随着集成度的提高,Flash存储器也遇到了严重的问题,即器件尺寸与器件信息存储可靠性之间的矛盾。这一问题严重限制了Flash存储器的应用。为了缓解这一矛盾,研究下一代存储器具有十分重要的意义。电荷俘获存储器(Charge Trapping Memories, CTM)由于运用高k材料作为器件的俘获层和阻挡层,这将大大的减小器件的物理厚度,可以缓解器件尺寸与存储容量之间的矛盾；同时,CTM的存储是采用分立存储,这大大的提高了器件对信息存储的可靠性。因此,CTM被作为下一代非挥发器件而被广泛的关注。近年,为了更好的提高CTM的相关性能,研究人员做了大量的研究。Si3N4和Hf02作为高k材料被广泛的应用于CTM,因此,对Si3N4和Hf02的研究有助于提高CTM的相关性能。本文的研究主要是采用基于密度泛函理论的第一性原理的VASP软件对相关结构进行模拟计算,通过相关计算方法处理计算数据,最后得出相关的结论。这为提高CTM的相关性能提供理论指导。本文的内容主要包含四个部分,如下所示：第一章主要介绍了存储器的发展、相关特性参数以及CTM的器件结构,CTM的擦、写、存储机制；然后,介绍本文所研究的结构模型及相关参数；最后,介绍本文的研究方法。第二章主要研究以Hf02作为俘获层的CTM的写速度。对俘获层材料进行微观分析,了解其微观特性并与宏观特性(如电流、电压等)相联系。通过分析哪些微观因素会影响宏观特性,以此说明改变俘获层的微观特性,可以提高CTM的相关性能。本章主要分析了3价氧空位(V03)、4价氧空位(V04)、铪空位(VHf)以及间隙掺杂氧原子(Io)下的能带偏移值、电荷俘获能以及俘获密度,主要说明了载流子隧穿进入俘获层的难度,电荷被俘获的速度以及电荷被俘获的概率。对计算数据的分析表明,不同缺陷对其写速度的影响,并找出写速度最快的缺陷。通过本章的研究,了解影响CTM写速度的因素,为提高CTM的写速度提供理论指导。第三章主要研究了CTM的过擦现象。主要通过对比研究Si3N4和HfO2擦写操作后的微观表现,从而分析出CTM在Si3N4作为俘获层时,CTM发生过擦现象的原因。本章首先通过计算Si3N4和HfO2中不同缺陷的形成能确定了氧(O)空位和氮(N)空位作为本章的研究模型；然后分别计算了这两种模型擦写后体系的能量变化、Bader电荷和差分电荷、吸附能、态密度(DOS),从而说明Si3N4在擦写操作后,体系的电子数发生变化,相对于未进行擦写操作前结构中的电子数变少,而HfO2则没有这种表现。最后,通过对比计算数据,表明CTM发生过擦的原因是Si3N4中的原子对电荷的局域作用变弱。同时,本章还通过对Si3N4中发生过擦的原子做替换处理,通过增加原子对电子的局域作用,使Si3N4的过擦现象消失。本章主要计算了相互作用能、擦写Bader电荷和差分电荷密度、DOS,从而说明通过提高电荷局域,可以使Si3N4作为俘获层时的CTM可以避免过擦,以提高CTM的可靠性。第四章主要是对本文的研究作结论总结,指出本文的研究意义。同时对未来的研究方向作简单展望。
【关键词】：电荷俘获存储器 过擦 氮化硅 第一性原理
【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
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 引言9-11
• 1.2 CTM研究11-17
• 1.2.1 CTM的工作原理12-16
• 1.2.2 CTM俘获层材料16-17
• 1.2.3 研究方法及软件介绍17
• 1.3 本章小结17-18
• 第二章 电荷俘获存储器的编程速度研究18-28
• 2.1 CTM结构与模拟方法19-21
• 2.1.1 CTM结构模型19-20
• 2.1.2 俘获层模拟20-21
• 2.2 编程速度研究与分析21-27
• 2.2.1 俘获能21-22
• 2.2.2 能带偏移22-24
• 2.2.3 俘获密度24-27
• 2.3 本章小结27-28
• 第三章 电荷俘获存储器的过擦特性研究28-45
• 3.1 结构模型与计算模拟方法29-30
• 3.2 过擦本质研究30-38
• 3.2.1 体系能量32-34
• 3.2.2 电荷结构变化34-36
• 3.2.3 吸附能36-37
• 3.2.4 态密度37-38
• 3.3 Si_3N_4的过擦改善38-43
• 3.3.1 计算结构模型与方法38-40
• 3.3.2 巴德电荷40-41
• 3.3.3 相互作用能41-42
• 3.3.4 分波态密度42-43
• 3.4 本章小结43-45
• 第四章 总结与展望45-47
• 4.1 总结45
• 4.2 展望45-47
• 参考文献47-51
• 附图51-53
• 附表53-54
• 致谢54-55
• 攻读学位期间发表的论文55

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

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本文编号：844525