论文部分内容阅读
目前的半导体存储器市场中，主要以挥发性的动态随机存储器(DRAM)和静态随机存储器(SRAM)及非挥发性的快闪存储器(Flash)为代表。其中，具有高编程速度、高集成度和电可擦除等优点的闪存(Flash)是增长率最快的一种半导体存储器，并且有望在将来成为存储器第一大市场。但随着市场对闪存模块日益增长的体积更小、容量更大的要求越来越高，以浮栅器件作为闪存的主流技术遇到了诸多挑战，如编程电压难以降低，增加了电路和设计的复杂度等难题，已经无法满足信息技术迅速发展对超高密度存储的要求。最近几年，国内和国际上针对可替代多晶硅浮栅存储器的下一代非挥发存储器的结构和材料进行了广泛的研究，主要包括以下几种:磁存储器（MRAM）、相变存储器(PRAM)、铁电存储器(FRAM)、阻变型存储器(RRAM)。其中，RRAM由于具有简单的MIM结构、较高的器件密度、较低的功耗、较快的擦写速度、较好的CMOS工艺兼容性等突出优点成为了新型存储器研究领域的焦点。 然而，从目前对RRAM研究的研究重点和研究成果上来看，制约RRAM尚不能实现商业化量产主要以以下两方面为主:第一，阻变器件的阻变机制尚不清楚。目前其主流观点是导电细丝机制，即RRAM的电阻转变是导电细丝的形成（低阻态）和破灭（高阻态）造成的，但到目前为止却还没有统一的认识;第二，RRAM器件在稳定性、一致性、可重复性、数据保持性等方面都存在问题。在先前的研究中，研究者们主要从优化RRAM结构和采用掺杂方法两方面控制和改进这些问题。在本文中，针对以上两方面的问题，我们采用第一性原理软件通过模拟计算的方法研究了铜(Cu)掺杂对二氧化铪（HfO2）阻变特性的影响，尝试从静态和动态两个角度建立微观粒子的运动与器件的宏观特性之间的联系，为解释HfO2阻变机制和改善其器件电学特性提供实验前可靠的理论指导。 为了探讨HfO2中Cu导电细丝的存在状态，我们从静态的角度研究了Cu细丝形成和断裂情况下Cu的分布和存在状态。首先，我们需要研究Cu与氧空位(Vo)的得失电子能力，这将有助于解释实验中导电细丝成分为何是Cu而不是另一种常见的细丝成分Vo。另外，我们也研究了HfO2中的本征缺陷Vo对Cu离子分布的的影响，这可以从微观的角度理解Cu掺杂为何能够提高RRAM的电学特性。最后，我们提出Cu导电细丝的形成与断裂的微观模型，即RRAM低阻态与高阻态下Cu的分布状态，进一步使得Cu掺杂HfO2 RRAM的阻变机制微观化、明确化。 对于改善RRAM的电学特性，之前大部分的研究者会基于往不同阻变材料中引入不同杂质的角度去考虑，而我们尝试基于Cu掺杂的基础上，从结构优化的角度和使用动态的模拟手法去改善HfO2 RRAM的电学性质。通过研究无电压下Cu在HfO2中的热运动，我们发现Cu在HfO2不同晶体方向热运动趋势是有明显差异的，其中[001]方向趋势最明显且移动最快。之后通过比较Cu在各个方向上的迁移势垒，进一步证明了[001]方向最有利于Cu在HfO2中的运动即导电细丝的形成。因此，如果在制备HfO2 RRAM中，有选择性的将电压加在HfO2的[001]方向上，那将有利于提高RRAM的响应速度和降低功耗。最后，我们也研究了Cu沿[001]方向运动是否能够形成导电通道以及HfO2材料的生长方向对Cu沿[001]方向运动的影响。