基于HfO_2电荷俘获层氧缺陷存储特性研究

发布时间：2017-05-22 18:02

  本文关键词：基于HfO_2电荷俘获层氧缺陷存储特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：半导体器件尺寸随着制造工艺和集成电路技术迅速发展而持续的等比例缩小,隧穿氧化层厚度也随之不断减薄,致使泄漏电流增大；存储单元间隔不断减小,浮栅与控制栅间耦合降低,导致相邻浮栅串扰增强,传统浮栅结构的非挥发性存储器难以达到对存储器保持特性的要求,故难以实现信息技术发展所需的高密度存储。基于过渡金属氧化物的高k俘获层电荷俘获型存储器,由于结构简单,继承了传统浮栅结构,完全兼容传统的CMOS工艺,并且利用其中的相互隔离的电荷陷阱实现分立式电荷存储,从而消除了相邻浮栅串扰和SILC效应,有效抑制了浮栅结构的电荷泄漏。由于过渡金属氧化物(如HfO2 ZrO2等)具有相对较高的介电常数、较好的热稳定性和宽的禁带,作为俘获层具有较好的俘获电荷效率,并且该类存储器具有较大的存储窗口,因而引起了人们的广泛研究。在对CTM研究中,研究者主要针对存储器性能进行改善和通过第一性原理计算从微观阐明与存储器性能相关的特性。然而,关于HfO2中与氧缺陷相关的CTM俘获层电荷俘获、保持和擦写速度等特性的微观内在机理研究较少。围绕作为CTM俘获层的高k材料HfO2,本文主要运用第一性原理计算,对HfO2俘获层中的氧缺陷特性以及工艺制造过程中引入的杂质Al对氧缺陷特性的影响进行了深入的研究。首先,阐述了各类改进型和新型非易失性存储器概念,指出了各自的优缺点,说明了CTM研究背景及意义,介绍了CTM存储器原理以及第一性原理基本概念。通常采用存储窗口的大小、擦写速度的快慢,以及耐受性和保持特性来表征存储器的基本性能,而这些特性是由材料的内在机理所决定的。第一性原理计算可以研究晶体的结构、性质、电子布局、能带、态密度、光学特性(如：介电函数,反射,折射率),以及掺杂对晶体的影响等,通过这些计算的结果可以反映存储器擦写速度、保持特性等性能。系统的了解材料的特性,有助于工艺制造过程中对各种元素化学配比的控制。其次,研究了高k材料HfO2中氧空位缺陷本身及其所引起的晶格结构变化造成的对俘获层性能的影响。通过注入电荷进入带缺陷的超胞体系来仿真存储器件的P/E操作,得出氧空位缺陷间距影响电荷俘获的程度很小,基本上可以忽略,而氧空位缺陷数影响则较大,且高配位价氧空位缺陷俘获电子能力大。态密度分析结果也显示高配位价氧空位缺陷引入深缺陷能级的量子态数大,且受缺陷间距离的影响小,俘获电子的几率大。高配位价的氧空位缺陷能够产生更多的态密度(Density of states, DOS)和更小的能级偏移,说明引入深缺陷能级量子态数更多,且数据保持特性更好：氧空位缺陷引起的晶格结构变化使电荷局域能也明显增大,说明对电荷俘获的能力增强。由此通过改进工艺,增大高配位价的氧空位缺陷浓度,则能够更好地改善CTM存储器的电荷存储特性。再次,研究了HfO2中间隙氧缺陷对俘获层特性产生的影响,针对不同位置的间隙氧缺陷形成难易程度进行了研究,并与氧空位缺陷做了对比。发现氧化学势增大时,间隙氧缺陷形成更容易；最容易形成间隙氧缺陷的位置上缺陷能够产生靠近导带底的施主能级和靠近价带顶的受主能级,因而对电子和空穴间都能够俘获,但俘获电子的几率比俘获空穴的几率要小,而且被俘获的载流子主要聚集在间隙氧原子附近；当间隙氧缺陷之间的间距增大时,缺陷间相互作用由吸引逐渐变为排斥继而减弱,造成受主能级数量与深度都发生明显变化,量子态数显著增加,从而有利于增大空穴隧穿氧化层电流。最后,考虑到Hf02和A1203多层堆叠栅俘获层中A1会导致相对Si发生导带偏移,以及A1可以提高陷阱浓度等原因,制备过程中可以通过调整A1和Hf的浓度比例来调整带隙,以改善HfO2俘获层特性,故对Al替位Hf的Hf02超胞中含4价氧空位缺陷的特性进行了研究。研究发现杂质A1使中性氧空位缺陷形成更容易,被俘获电荷主要分布在与两者相距最小的氧原子附近,氧空位缺陷的电荷俘获能力也显著增强,缺陷能级向导带偏移,且价带顶附近引入了具有大量量子态的浅能级,说明杂质A1的引入有利于改善器件P/E操作速度。
【关键词】：CTM 高k材料 HfO_2 缺陷 第一性原理
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN303
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-29
• 1.1 引言11-13
• 1.2 非易失性存储器概述13-18
• 1.2.1 铁电存储器(Ferroelectric RAM,FRAM)15-16
• 1.2.2 磁阻性存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)16
• 1.2.3 相变存储器(Phase Change RAM,PCRAM)16-17
• 1.2.4 阻变式随机存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM)17-18
• 1.2.5 电荷俘获型存储器(Charge Trapping Memory,CTM)18
• 1.3 CTM研究背景与意义18-19
• 1.4 本文主要研究内容及布局19-22
• 参考文献22-29
• 第二章 CTM发展、原理及研究方法概述29-46
• 2.1 CTM发展历史29-30
• 2.2 CTM存储原理30-34
• 2.3 CTM存储器研究概述34-36
• 2.4 基于第一性原理的研究方法概述36-41
• 2.4.1 密度泛函理论(Densty Functional Theory,DFT)37-39
• 2.4.2 布里渊区k点采样39
• 2.4.3 第一性原理计算概述39-41
• 参考文献41-46
• 第三章 高k俘获层HfO_2中氧空位特性研究46-68
• 3.1 引言46
• 3.2 氧空位对高k俘获层HfO_2的影响46-56
• 3.2.1 计算方法和模型47-48
• 3.2.2 结果分析与讨论48-55
• 3.2.3 结语55-56
• 3.3 氧空位引起的晶格变化产生的影响56-64
• 3.3.1 计算模型和方法56-57
• 3.3.2 运算结果及讨论57-63
• 3.3.3 结语63-64
• 3.4 本章小结64-65
• 参考文献65-68
• 第四章 高k俘获层HfO_2中间隙氧特性研究68-84
• 4.1 引言68-69
• 4.2 计算方法及模型69-70
• 4.3 结果与讨论70-79
• 4.3.1 间隙O缺陷能级和DOS72-75
• 4.3.2 缺陷俘获电荷能75-78
• 4.3.3 间隙O原子间距的影响78-79
• 4.4 本章小结79-81
• 参考文献81-84
• 第五章 杂质Al对HfO_2中氧空位特性影响84-93
• 5.1 引言84-85
• 5.2 Al替位Hf的含氧空位缺陷HfO_2模型建立及计算方法85-87
• 5.3 HfO_2中Al对4价配位氧空位缺陷的影响87-90
• 5.3.1 替位Al对4价配位氧空位形成能影响87-88
• 5.3.2 替位Al对4价氧空位电荷俘获能影响88-89
• 5.3.3 替位Al对含4价氧空位缺陷HfO_2的态密度影响89-90
• 5.4 本章小结90-91
• 参考文献91-93
• 第六章 总结与展望93-95
• 6.1 论文研究主要内容及创新点93-94
• 6.2 未来工作展望94-95
• 致谢95-97
• 攻读学位期间发表论文9

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本文编号：386435