hfo2中影响电荷俘获型存储器的氧空位特性第一性原理研究 - 物理学报.pdfVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 12 (2014) 123101 HfO 中影响电荷俘获型存储器的氧空位 特性第一性原理研究 代广珍 代月花 徐太龙 汪家余 赵远洋 陈军宁 刘琦 1)(安徽工程大学电气工程学院, 安徽省检测及自动化重点实验室, 芜湖 241000) 2)(安徽大学电子信息工程学院, 安徽省集成电路设计重点实验室, 合肥 230601) 3)(中国科学院微电子研究所, 北京 100029) ( 2014 年1 月21 日收到; 2014 年3 月7 日收到修改稿) 随着器件尺寸进一步等比例缩小, 高 材料HfO 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HfO 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HfO 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, HfO 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. 关键词: 第一性原理, 氧空位, 电荷俘获, HfO PACS: 31.15.A–, 23.40.–s, 81.05.Hd, 73.23.–b DOI: 10.7498/aps.63.123101 技术人员广泛开展了下一代非挥发性存储器的研 1 引 言 究46 . 基于分立式电荷存储的电荷俘获型存储器 避免了浮栅耦合和泄漏电流效应, 与传统互补金属 自Kang 和Sze1 于1976 年提出浮栅结构非挥 氧化物半导体(CMOS) 工艺完全兼容, 并且在设计 发存储器以来, 基于栅堆叠金属氧化物半导体 上很好地继承了传统浮栅结构存储技术, 成为人们 (MOS) 结构的浮栅半导体存储器由于成本、容量和 的研究热点之一. 它利用介质薄膜中相互之间独立 功耗等方面的优势, 逐渐成为半导体存储器的发展 的缺陷来存储电荷, 从而避免了传统浮栅结构中可 主线. 但是随着微电子技术节点的不断发展, 持续 78 能因一个漏电通道产生而造成电荷全部泄漏 . 等比例缩小使得传统浮栅结构的Flash 存储器面临 着发展瓶颈. 一方面, 隧穿氧化层厚度持续减薄已 近年来, 针对电荷俘获型存储器(charge trap- 经达到极限, 继续减薄会使泄漏电流增大, 达不到 ping memory, CTM) 性能的改善, 研究人员做了大