Al掺杂对HfO2俘获层可靠性影响第一性原理研究

采用基于MS(Materials Studio)软件和密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了HfO₂ 俘获层的电荷俘获式存储器(Charge Trapping Memory, CTM)中电荷的保持特性以及耐擦写性. 在对单斜晶HfO₂中四配位氧空位(V_O4) 缺陷和V_O4 与Al替位Hf掺杂的共存缺陷体(Al+V_O4)两种超晶胞模型进行优化之后, 分别计算了其相互作用能、形成能、Bader电荷、态密度以及缺陷俘获能. 相互作用能和形成能的计算结果表明共存缺陷体中当两种缺陷之间的距离为2.216 Å时, 结构最稳定、缺陷最容易形成; 俘获能计算结果表明, 共存缺陷体为双性俘获, 且与V_O4缺陷相比, 俘获能显著增大; Bader电荷分析表明共存缺陷体更有利于电荷保持; 态密度的结果说明共存缺陷体对空穴的局域能影响较强; 计算两种模型擦写电子前后的能量变化表明共存缺陷体的耐擦写性明显得到了改善. 因此在HfO₂俘获层中可以通过加入Al杂质来改善存储器的保持特性和耐擦写性. 本文的研究可为改善CTM数据保持特性和耐擦写性提供一定的理论指导.     

电荷俘获存储器数据保持特性第一性原理研究

本文研究HfO₂掺入Al替位Hf杂质和氧空位共同掺杂对电荷俘获型存储器存储特性的影响. HfO₂作为高介电常数材料由于具有缩小器件尺寸、提高器件性能等优势, 被广泛用于CTM的俘获层. 采用MS和VASP研究了HfO₂俘获层中掺入Al对氧空位形成能的影响. 同时计算了两种缺陷在不同距离下的相互作用能. 计算结果表明在HfO₂中掺入Al使得氧空位的形成能降低, 并且三配位氧空位的形成能比四配位氧空位的形成能降低的更多. 通过研究Al和三配位氧空位两种缺陷间不同距离的三种情况, 计算结果表明当缺陷间距为2.107 Å时, 体系的电荷俘获能最大; 量子态数最多; 布居数最小、Al–O键最长. 通过研究三种体系写入空穴后键长的变化, 得出当缺陷间距为2.107 Å时, 写入空穴后体系的Al–O键长变化最小. 以上研究结果表明, 掺入Al后可以有效提高电荷俘获型存储器的数据保持能力. 因而本文的研究为改善电荷俘获型存储器数据保持特性提供一定的理论指导.     

变组分Al对HfO_2阻变特性影响:第一性原理研究

为了改善HfO_2的阻变特性,提高氧空位(VO)导电细丝形成的一致性和均匀性,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了掺杂Al的HfO_2阻变材料的微观特性.结果表明,间隙Al (Int-Al)更适合掺入到HfO_2中,并且Int-Al与VO相对位置越近,阻变材料趋于稳定的收敛速度越快,形成能越小.不同IntAl浓度对含有VO缺陷的HfO_2超胞的影响结果显示,当掺杂Int-Al浓度为4.04%时,分波电荷态密度图能够形成相对较好的电荷通道,最大等势面和临界等势面值均为最高,有利于改善HfO_2阻变材料中导电细丝形成的一致性和均匀性;形成能计算结果显示,当Int-Al浓度低于4.04%时形成能变化缓慢,当高于4.04%时则异常增大,表明缺陷体系随Int-Al浓度增大越来越难以形成;进一步研究掺杂Int-Al浓度为4.04%时晶格结构的变化,结果显示缺陷形成能显著降低,有利于形成完美的导电通道.该研究为改善基于HfO_2阻变存储材料的性能有一定的借鉴意义.     

电荷俘获存储器的过擦现象

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法和VASP软件对电荷俘获存储器过擦现象进行了分析研究.通过形成能的计算,确定了含有氮空位缺陷的Si3N4和含有间隙氧缺陷的Hf O2作为研究的对象;俘获能的计算结果表明两种体系对电子的俘获能力比对空穴的大,因而对两体系擦写载流子确定为电子.分别计算了Hf O2和Si3N4擦写前后的能量、擦写前后电荷分布变化、吸附能和态密度,以说明过擦的微观机理.对能量和擦写电荷变化的研究,表明Si3N4相比于Hf O2,其可靠性较差,且Si3N4作为俘获层,在一个擦写周期后,晶胞中电子出现减少现象;界面吸附能的研究表明,Si3N4相比于Hf O2在缺陷处更容易与氧进行电子交换;最后,通过对态密度的分析表明Si3N4和Hf O2在对应的缺陷中均有缺陷能级俘获电子,前者为浅能级俘获,后者为深能级俘获.综上分析表明,Si3N4在氮空位的作用下,缺陷附近原子对电子的局域作用变弱,使得Si3N4作为俘获层时,材料本身的电子被擦出,使得擦操作时的平带偏移电压增大,导致存储器发生过擦.本文的研究结果揭示了过擦的本质,对提高电荷俘获存储器的可靠性以及存储特性有着重要的指导意义.     

密度泛函理论研究氧空位对HfO2晶格结构和电学特性影响?

HfO2因高k值、热稳定性良好和相对Si导带偏移良好等特点,作为电荷俘获型存储器栅介质材料得到了广泛研究。为了明确高k俘获层提高CTM电荷俘获效率的原因,运用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了氧空位引起HfO2的晶格变化及其影响计算结果显示优化后氧空位最近邻氧原子间距明显减小,次近邻O与Hf间距变化稍小。优化后氧空位明显改变局部晶格,而对较远晶格影响逐渐减弱,即引起了局部晶格变化深能级和导带电子态密度主要是Hf原子贡献,而价带则是O原子贡献。优化后各元素局部电子态密度和总电子态密度都明显大于未优化体系,局部电子态密度之和比总电子态密度小。优化后俘获电荷主要在氧空位周围和相邻氧原子上,而未优化时电荷遍布整个体系。优化后缺陷体系电荷局域能增大,电荷量增加时未优化体系电荷局域能明显减小,即晶格变化无饱和特性对电荷局域影响大。说明晶格变化对电荷的俘获能力较强,有利于改善存储器特性。     

HfO_2中影响电荷俘获型存储器的氧空位特性第一性原理研究

随着器件尺寸进一步等比例缩小,高k材料HfO2作为俘获层的电荷俘获型存储器展现了较好的耐受性和较强的存储能力,且工艺相对简单,与传统半导体工艺完全兼容,因此得到了广泛的研究.为研究HfO2中氧空位引入的缺陷能级对电荷俘获型存储器存储特性的影响,运用第一性原理计算分析了HfO2中的氧空位缺陷.通过改变缺陷超胞中的电子数模拟器件的写入和擦除操作,发现氧空位对电荷的俘获基本上不受氧空位之间距离的影响,而氧空位个数则影响对电子的俘获,氧空位数多,俘获电子的能力就强.此外,四价配位的氧空位俘获电子的能力比三价配位的氧空位大.态密度分析发现四价配位的氧空位引入深能级量子态数大,并且受氧空位之间的距离影响小,对电子的俘获概率大.结果表明,HfO2中四价配位的氧空位缺陷有利于改善电荷俘获型存储器的存储特性.