基于HO2的阻變存儲器缺陷效應的研究.pdf

1、為了克服傳統(tǒng)存儲器件所存在的缺陷，人們提出了許多新型的器件，包括相變存儲器(PcRAM)、鐵電存儲器(FeRAM)、磁存儲器(MRAM)以及阻變存儲器(RRAM)。其中，基于氧化物半導體材料的阻變存儲器憑借其突出優(yōu)勢得到了人們廣泛的關注，例如:簡單的金屬-氧化物-金屬三明治結構、存儲密度高、讀寫速度快、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)域導致的縮小器件尺寸和提高集成度方面的優(yōu)勢。
　　盡管對阻變存儲器

2、的研究最早可以追溯到50年前，但對于器件阻變現(xiàn)象的微觀機制解釋還尚未明確。然而在眾多對阻變現(xiàn)象的解釋理論中，基于導電細絲現(xiàn)象的兩種物理機制是被大多數(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電通道，有些金屬可以直接參與通道的產生。阻變現(xiàn)象的另一種微觀機制就是本征缺陷氧原子空位的產生與遷移。并且很多宏觀實驗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理以及提高器件的性能，就需要對缺陷在阻變體系中的作用進行深入的研究。
　　為了研究器件的微觀機理，本文在不考慮外加電壓的情況下應用第一性原理對基于HfO2阻變材料的RRAM器件進行了模擬計算和分析。材料晶胞中的缺陷分為兩類:摻雜和本征缺陷。本文分別對摻雜金屬和本征氧空位缺陷的效應進行了探究。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型:間隙式和替位式。通過模擬摻雜體系的分波電荷密度，我們在

4、摻有間隙式金屬原子的體系中觀察到了導龜細絲，而在摻有替位式金屬的體系中未發(fā)現(xiàn)細絲。在對體系的態(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電細絲的形成而替位式金屬無法形成導電細絲。據(jù)此，我們可以將摻雜金屬進行初步分類并為基于金屬導電細絲器件的摻雜物選擇作出了理論指導。接下來我們探究了摻雜金屬與氧空位同時存在的情況下，摻雜金屬對氧空位細絲的作用，并根據(jù)結果對金屬摻雜物進行了進一步的分類。最后探究了氧空位本征缺陷在HfO2阻

5、變行為中的效應。首先在十個不同方向體系中，通過計算分波電荷密度、形成能、最高等勢面值、遷移勢壘以及能帶結構，確定了氧空位導電細絲的最佳形成方向為[010]晶向。根據(jù)此結果，我們在[010]晶向上建立了不同的濃度模型并對它們進行模擬分析。結果發(fā)現(xiàn)氧空位濃度低于4.167at.％的體系幾乎不導電，無法發(fā)生阻變行為。當氧空位濃度從4.167at.％逐漸增加到6.25at.％，系統(tǒng)可以觀察到阻變現(xiàn)象，但是導電細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。研究結果對RRAM宏觀特性的理解與優(yōu)化存在一定的積極作用。
　　總之，本文對基于HfO2晶胞結構的阻變存儲器件中缺陷的效應進行了一系列的探究。第一章概述了存儲器的分類和研究現(xiàn)狀以及面臨的一些問題，從而說明本文的選題意義。第二章對于阻變存儲器的微觀結構和工作原理作了具體介紹，同時介紹了本文的研究方法。第三章對金屬摻雜物在HfO2體系中的效應作了具體研究并將摻雜金屬進行初步分類。此外還研究了兩種缺