基于第一性原理的電荷俘獲存儲(chǔ)器的特性研究.pdf

1、隨著科技的不斷發(fā)展，對(duì)電子產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，這推動(dòng)了半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展。隨著集成度的不斷提高，傳統(tǒng)的Complementary Metal-Oxide-Semiconductor(CMOS)器件已不能滿足現(xiàn)在存儲(chǔ)器的集成發(fā)展。上世紀(jì)，浮柵非揮發(fā)性存儲(chǔ)器得到廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)?，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器具有成本較低、存儲(chǔ)容量較大和功耗較小等優(yōu)點(diǎn)。最主要的是因?yàn)镕lash存儲(chǔ)器與傳統(tǒng)的CMOS工藝相兼容。但是隨著集成度的提高，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器也遇

2、到了嚴(yán)重的問(wèn)題，即器件尺寸與器件信息存儲(chǔ)可靠性之間的矛盾。這一問(wèn)題嚴(yán)重限制了Flash存儲(chǔ)器的應(yīng)用。為了緩解這一矛盾，研究下一代存儲(chǔ)器具有十分重要的意義。電荷俘獲存儲(chǔ)器(Charge Trapping Memories，CTM)由于運(yùn)用高k材料作為器件的俘獲層和阻擋層，這將大大的減小器件的物理厚度，可以緩解器件尺寸與存儲(chǔ)容量之間的矛盾;同時(shí)，CTM的存儲(chǔ)是采用分立存儲(chǔ)，這大大的提高了器件對(duì)信息存儲(chǔ)的可靠性。因此，CTM被作為下一代非揮發(fā)

3、器件而被廣泛的關(guān)注。
　　近年，為了更好的提高CTM的相關(guān)性能，研究人員做了大量的研究。Si3N4和HfO2作為高k材料被廣泛的應(yīng)用于CTM，因此，對(duì)Si3N4和HfO2的研究有助于提高CTM的相關(guān)性能。本文的研究主要是采用基于密度泛函理論的第一性原理的VASP軟件對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)相關(guān)計(jì)算方法處理計(jì)算數(shù)據(jù)，最后得出相關(guān)的結(jié)論。這為提高CTM的相關(guān)性能提供理論指導(dǎo)。本文的內(nèi)容主要包含四個(gè)部分，如下所示:
　　第一章

4、主要介紹了存儲(chǔ)器的發(fā)展、相關(guān)特性參數(shù)以及CTM的器件結(jié)構(gòu)，CTM的擦、寫、存儲(chǔ)機(jī)制;然后，介紹本文所研究的結(jié)構(gòu)模型及相關(guān)參數(shù);最后，介紹本文的研究方法。
　　第二章主要研究以HfO2作為俘獲層的CTM的寫速度。對(duì)俘獲層材料進(jìn)行微觀分析，了解其微觀特性并與宏觀特性（如電流、電壓等）相聯(lián)系。通過(guò)分析哪些微觀因素會(huì)影響宏觀特性，以此說(shuō)明改變俘獲層的微觀特性，可以提高CTM的相關(guān)性能。本章主要分析了3價(jià)氧空位(VO3)、4價(jià)氧空位(VO4

5、)、鉿空位(VHf)以及間隙摻雜氧原子(IO)下的能帶偏移值、電荷俘獲能以及俘獲密度，主要說(shuō)明了載流子隧穿進(jìn)入俘獲層的難度，電荷被俘獲的速度以及電荷被俘獲的概率。對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)的分析表明，不同缺陷對(duì)其寫速度的影響，并找出寫速度最快的缺陷。通過(guò)本章的研究，了解影響CTM寫速度的因素，為提高CTM的寫速度提供理論指導(dǎo)。
　　第三章主要研究了CTM的過(guò)擦現(xiàn)象。主要通過(guò)對(duì)比研究Si3N4和HfO2擦寫操作后的微觀表現(xiàn)，從而分析出CTM在Si3

6、N4作為俘獲層時(shí)，CTM發(fā)生過(guò)擦現(xiàn)象的原因。本章首先通過(guò)計(jì)算Si3N4和HfO2中不同缺陷的形成能確定了氧(O)空位和氮(N)空位作為本章的研究模型;然后分別計(jì)算了這兩種模型擦寫后體系的能量變化、Bader電荷和差分電荷、吸附能、態(tài)密度(DOS)，從而說(shuō)明Si3N4在擦寫操作后，體系的電子數(shù)發(fā)生變化，相對(duì)于未進(jìn)行擦寫操作前結(jié)構(gòu)中的電子數(shù)變少，而HfO2則沒(méi)有這種表現(xiàn)。最后，通過(guò)對(duì)比計(jì)算數(shù)據(jù)，表明CTM發(fā)生過(guò)擦的原因是Si3N4中的原子對(duì)