非揮發(fā)性阻變存儲器阻變機理及性能研究.pdf

1、隨著半導體技術(shù)節(jié)點的不斷向前推進，目前主流的基于電荷存儲機制的浮柵Flash存儲器正面臨著嚴重的技術(shù)挑戰(zhàn)，如浮柵耦合、電荷泄漏、相鄰單元之間的串擾問題等，因此亟需尋找下一代非揮發(fā)性存儲器。目前，國際上研究較多的新型非揮發(fā)性存儲器主要有:相變存儲器(PRAM)，磁阻存儲器(MRAM)，鐵電存儲器(FRAM)和可逆的電致阻變隨機存儲器(RRAM)，其中對RRAM的研究如火如荼，RRAM因其結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、器件密度高、編程/擦寫速度快、且與

2、CMOS工藝兼容等一系列突出優(yōu)點而成為替代多晶硅浮柵存儲器的有力競爭者之一，其作為一種采用非電荷存儲機制的存儲器在32 nm工藝節(jié)點以下將有很大的發(fā)展空間。
　　目前，制約RRAM技術(shù)發(fā)展和應用的主要瓶頸之一是發(fā)生電阻轉(zhuǎn)變效應的物理機制、電荷存儲機理尚不明確，同時，RRAM器件在穩(wěn)定性、均勻性、可重復性、擦寫速度以及數(shù)據(jù)保持性等方面都還存在問題，而目前對器件的研究主要是通過實驗研制、顯微表征及實時監(jiān)測基礎(chǔ)上進行觀察和分析，存在實驗

3、平臺要求高、表征和測試儀器高端、實驗周期長等問題。針對上述問題，本論文結(jié)合并行計算與第一性原理開展多層次、多維度的模擬手段，從物理角度解釋載流子的輸運過程和存儲機理，通過摻雜、制造缺陷和控制化合價等手段對阻變材料進行改性，給出材料的微觀參數(shù)和存儲器的宏觀電學量的定量關(guān)系，為RRAM的優(yōu)化設(shè)計及可靠集成提供理論指導和設(shè)計工具。
　　針對RRAM的研究現(xiàn)狀進行統(tǒng)計，了解其阻變的宏觀特性等方面的不足，研究了納米尺度下RRAM二元金屬氧化

4、物阻變材料HfO2的氧空位(Vo)陷阱效應、摻雜效應(Ag)等對器件特性的影響以及阻變存儲器的微觀阻變機理。研究表明單獨Vo缺陷和單獨Ag雜質(zhì)均可以在禁帶中引入雜質(zhì)能級，且都分別可以形成導電細絲;針對Vo和Ag都能形成導電細絲的情況，研究了Ag和Vo共摻雜的復合缺陷體系，結(jié)果表明共摻雜體系的導電性能增強、穩(wěn)定性更好;而在相同濃度下，Ag雜質(zhì)能級能夠通過Ag離子的作用加以Hf離子的輔助下形成導電細絲，而Vo缺陷能級沒有導電細絲的形成。且在

5、Vo存在的前提下，Ag離子的遷移將變得更加容易，即Vo可以輔助Ag離子遷移，增強了體系電化學性能。
　　電極以及阻變材料的選擇將直接影響著復合材料的性能，其界面結(jié)合的狀態(tài)對整個阻變存儲器的性能起著至關(guān)重要的作用，對比研究了Cu/HfO2不同切面組合的復合材料界面模型。結(jié)果表明，復合材料的界面不同，對RRAM器件的性能會產(chǎn)生很大影響。在研究的所有界面體系中，Cu(111)/HfO2(010)失配率最小，界面束縛能最大，界面體系相對最

6、穩(wěn)定;且只有Cu(111)/HfO2(010)復合材料體系出現(xiàn)了垂直Cu電極方向完整連通的電子通道，界面處有電子的相互轉(zhuǎn)移、成鍵的存在，表明電子在此方向上具有局域性、連通性，與阻變存儲器(RRAM)器件導通方向一致。針對Cu(111)/HfO2(010)復合材料界面體系，探討了其整體性能，并研究了電極對界面處及阻變材料的影響。研究表明越靠近界面處，Cu和Vo缺陷越容易形成和存在，Cu原子越容易進入HfO2體內(nèi)，也即Cu將呈階梯狀往HfO

7、2內(nèi)部擴散以形成缺陷體系，在外加電壓下易發(fā)生電化學反應，從而導致Cu導電細絲的形成與斷裂，更有利于RRAM器件電阻開關(guān)特性的產(chǎn)生。
　　對二元金屬氧化物阻變材料進行摻雜可以改變其存儲特性、電學特性，而對于摻雜元素進入材料體內(nèi)后所具有的價電子數(shù)或化合價態(tài)的研究較少，鑒于此，研究了摻雜金屬元素進入阻變材料后是否具有化合價態(tài)以及不同化合價態(tài)對阻變存儲器材料性能的影響，首先通過電子親和能以及缺陷形成能確定摻雜元素得失電子情況;其次通過差分