一种优化氧化物基的阻变存储器性能的方法与流程
本申请涉及半导体存储器件技术领域，尤其涉及一种优化氧化物基的阻变存储器性能的方法。
背景技术：
存储器在现代集成电路中是最重要、最基本的元件之一，是目前微电子技术水平的重要指标。在过去的三十年里，flash取得了巨大的成功，但是随着cmos技术进入纳米量级，尺寸的不断缩小，浮栅器件在各方面都面临着技术与物理上的瓶颈。为了解决这些问题，人们提出了发展非易失性存储器，其主要包括改进型和革命型两种技术，前者以flash技术为基础，后者则提出构建一种全新的非易失性存储框架技术。而“三明治”结构的阻变存储器(rram)由于其结构简单、性能优良成为了下一代非易失性存储器的有力竞争者之一。
阻变存储器因其阻变层材料不同而表现出不同的性能，氧化物基的阻变存储器是目前公认的性能最好的一类。氧化物基的阻变存储器阻变材料多为二元阻变氧化物材料，例如nio、tio2、coo、hfo2、ta2o5、zro2等。
目前，大多数人认为氧化物基阻变存储器的电阻转变是依靠于forming过程对阻变层软击穿形成的氧空位，其阻变机制取决于氧空位的聚集和扩散。为了提高该类型器件的性能，研究人员在制备rram器件时采用了对阻变层掺杂的技术。然而，到目前为止掺杂效应对于器件性能的影响还是不够清晰，而且目前在研究掺杂效应对于器件性能的影响时，需要进行大量的实验。但是在实际实验中掺杂不同的元素也有一定的困难。另外，大量的实验不但会造成资源的严重浪费，而且在实验中由于人为因素会造成实验的不确定性及较差的可重复性。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提供了一种优化氧化物基的阻变存储器性能的方法，通过不同掺杂物浓度及类型对于激活能的影响来判断掺杂元素对于器件各种性能的影响，最终获得优化阻变存储器性能的最佳方法。本发明不需要进行大量的实验测试，过程简单，精确性高。
所述方法包括：
在将每个掺杂元素以不同浓度掺杂到氧化物基阻变存储器中时，获得每个掺杂元素的每个浓度下所述氧化物基阻变存储器对应的缺陷的激活能；其中，所述掺杂元素共有n个，n为正整数且n≥2；
基于每个掺杂元素的每个浓度下所述氧化物基阻变存储器对应的缺陷的激活能，获得所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系；
基于所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系，将所述n个掺杂元素进行分类；
确定出所述氧化物基阻变存储器性能参数；
基于分类后的n个掺杂元素和所述氧化物基阻变存储器性能参数，确定出所述分类后的n个掺杂元素对所述氧化物基阻变存储器的各个性能参数的映射关系。
优选的，所述获得每个掺杂元素的每个浓度下所述氧化物基阻变存储器对应的缺陷的激活能，包括：
获得阻变层氧化物包含96原子的超晶胞；
计算所述超晶胞分别带0及-1电荷时的总能量
对所述超晶胞进行替换掺杂，进而得到一个含有三配位数氧空位的第一缺陷晶胞；
计算所述第一缺陷晶胞分别带0电荷及-1电荷的总能量
利用下述公式计算缺陷的激活能：
优选的，所述对所述超晶胞进行替换掺杂，进而得到一个含有三配位数氧空位的第一缺陷晶胞，包括：
在所述超晶胞的中间位置找到一个三配位数的氧原子；
删除所述三配位数的氧原子，进而获得一个三配位数氧空位vo3；
用所述掺杂元素替换掉所述超晶胞中的一个金属原子，把所述超晶胞改成含有一个vo3和一个掺杂元素的第一缺陷晶胞。
优选的，所述获得每个掺杂元素的每个浓度下所述氧化物基阻变存储器对应的缺陷的激活能，包括：
获得阻变层氧化物包含96原子的超晶胞；
计算所述超晶胞分别带0及-1电荷时的总能量
对所述超晶胞进行替换掺杂，进而得到一个含有四配位数氧空位的第二缺陷晶胞；
计算所述第二缺陷晶胞分别带0电荷及-1电荷的总能量
利用下述公式计算缺陷的激活能：
优选的，所述对所述超晶胞进行替换掺杂，进而得到一个含有四配位数氧空位的第二缺陷晶胞，包括：
在所述超晶胞的中间位置找到一个四配位数的氧原子；
删除所述四配位数的氧原子，进而获得一个四配位数氧空位vo4；
用所述掺杂元素替换掉所述超晶胞中的一个金属原子，把所述超晶胞改成含有一个vo4和一个掺杂元素的第二缺陷晶胞。
优选的，所述基于每个掺杂元素的每个浓度下所述氧化物基阻变存储器对应的缺陷的激活能，获得所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系，包括：
获得二维坐标，其中，在所述二维坐标中，所述氧化物基阻变存储器的缺陷激活能作为纵坐标，掺杂元素的浓度作为横坐标；
基于每个掺杂元素的每个浓度下所述氧化物基阻变存储器对应的缺陷的激活能以及对应的浓度，在所述而为坐标中得到相应的位置，进而获得所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素中每个掺杂元素的映射关系。
优选的，所述基于所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系，将所述n个掺杂元素进行分类，包括：
基于所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系，将所述n个掺杂元素分为类金属类和非类金属类。
优选的，所述基于所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系，将所述n个掺杂元素分为类金属类和非类金属类，包括：
获得第一预设区间x∈(x1，x2)；y∈(y1，y2)；其中，x表示浓度，(x1，x2)表示浓度区间；y表示缺陷的激活能，(y1，y2)表示缺陷的激活能的区间；
将所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系依次和所述第一预设区间进行对比；
若有映射关系属于所述第一预设区间，则表示对应的掺杂元素为类金属类。
优选的，所述基于所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系，将所述n个掺杂元素分为类金属类和非类金属类，包括：
获得第二预设区间x’∈(x3，x4)；y’∈(y3，y4)；其中，x’表示浓度，(x3，x4)表示浓度区间；y’表示缺陷的激活能，(y3，y4)表示缺陷的激活能的区间；
将所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系依次和所述第二预设区间进行对比；
若有映射关系属于所述第二预设区间，则表示对应的掺杂元素为非类金属类。
优选的，所述氧化物基阻变存储器性能参数包括：开关比、均一性、置位和复位电压。
通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：
本发明公开了一种优化氧化物基的阻变存储器性能的方法，先获得每个掺杂元素的每个浓度下所述氧化物基阻变存储器对应的缺陷的激活能，然后得到氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系；在依据此对所述n个掺杂元素进行分类；然后基于分类后的n个掺杂元素和确定出的氧化物基阻变存储器性能参数，确定出所述分类后的n个掺杂元素对所述氧化物基阻变存储器的各个性能参数的映射关系。本发明可以通过不同掺杂物浓度及类型对于激活能的影响来判断掺杂元素对于器件各种性能的影响，最终获得优化阻变存储器性能的最佳方法，从而不需要进行大量的实验测试，过程简单，精确性高。
附图说明
图1为本发明实施例中一种优化氧化物基的阻变存储器性能的方法的实施过程图；
图2a是氧空位是vo3时，缺陷激活能与各个掺杂元素的浓度的映射关系；
图2b是氧空位是vo4时，缺陷激活能与各个掺杂元素的浓度的映射关系；
图3为本发明实施例中掺杂元素和氧化物基阻变存储器性能参数的关系示意图。
具体实施方式
为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。
本发明的主要目的在于，确定出掺杂元素对于氧化物基阻变存储器各种性能的影响，以便于用最简单的方法选择出最适合的掺杂元素制备出性能优越的阻变存储器件。此方法过程简单，结果精确，误差小，可广泛应用于分析各种掺杂元素对不同氧化物材料基阻变存储器性能的影响，如nio、tio2、coo、hfo2、ta2o5、zro2等阻变存储器件。
本发明公开了一种优化氧化物基的阻变存储器性能的方法，参看图1，该方法包括：
步骤11，在将每个掺杂元素以不同浓度掺杂到氧化物基阻变存储器中时，获得每个掺杂元素的每个浓度下所述氧化物基阻变存储器对应的缺陷的激活能。
缺陷的激活能，表示缺陷能级距离半导体导带底的距离，它的大小表示缺陷里的电子跃迁到导带底的能力。
在步骤11中，所述掺杂元素共有n个，n为正整数且n≥2。本申请中的掺杂元素的数目不限，例如掺杂元素可选择si、ti、zr(锆)、al、cu等等。除此之外当然也可以选择其他。
本发明获得的缺陷的激活能是每个掺杂元素的每个浓度下所得到的缺陷的激活能，可以利用第一性原理计算，根据原子核和电子互相作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法，习惯上称为第一性原理。在本发明中，实际上选取了两种及其以上的掺杂元素，而同一种掺杂元素以不同的浓度掺杂到氧化物基的阻变存储器中，都可以得到对应的缺陷的激活能。
举例来说，本发明的掺杂元素选取了5种，分别为：si、ti、zr(锆)、al、cu。每一种掺杂元素都有很多不同的浓度，以si、ti为例，假设si有5种浓度，每个浓度不同，ti有7种浓度，每个浓度不同。那么在计算缺陷的激活能时，si元素的每种浓度都可以得到一个对应的缺陷的激活能，ti元素的每种浓度都可以得到一个对应的缺陷的激活能，进而，本发明可以得到每个掺杂元素的每个浓度下所述氧化物基阻变存储器对应的缺陷的激活能。承接上述举例，以si、ti为例，si元素得到了5个缺陷的激活能，ti元素得到了7个缺陷的激活能。
而在基于每个掺杂元素的每个浓度来计算对应的氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能时，是按照下面的方法进行计算。
第1步：获得阻变层氧化物包含96原子的超晶胞。
第2步：计算所述超晶胞分别带0及-1电荷时的总能量
第3步：对所述超晶胞进行替换掺杂，进而得到一个含有三配位数氧空位的第一缺陷晶胞。在具体的实施过程中，在所述超晶胞的中间位置找到一个三配位数的氧原子，删除所述三配位数的氧原子，进而获得一个三配位数氧空位vo3；然后用所述掺杂元素替换掉所述超晶胞中的一个金属原子，把所述超晶胞改成含有一个vo3和一个掺杂元素的第一缺陷晶胞。
第4步：计算所述第一缺陷晶胞分别带0电荷及-1电荷的总能量
第5步：利用下述公式1计算缺陷的激活能：
其中，ea表示在所述掺杂元素的预设浓度下所述氧化物基阻变存储器对应的缺陷的激活能，
当然，氧空位还可以变化，例如本发明可以根据实际情况，生成四配位数氧空位vo4，然后基于每个掺杂元素的每个浓度来计算对应的氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能。
下面请看具体的实施过程：
第1步，获得阻变层氧化物包含96原子的超晶胞；
第2步，计算所述超晶胞分别带0及-1电荷时的总能量
第3步，对所述超晶胞进行替换掺杂，进而得到一个含有四配位数氧空位的第二缺陷晶胞；在具体的实施过程中，在所述超晶胞的中间位置找到一个四配位数的氧原子；然后删除所述四配位数的氧原子，进而获得一个四配位数氧空位vo4；然后用所述掺杂元素替换掉所述超晶胞中的一个金属原子，把所述超晶胞改成含有一个vo4和一个掺杂元素的第二缺陷晶胞。
第4步，计算所述第二缺陷晶胞分别带0电荷及-1电荷的总能量
第5步，利用下述公式2计算缺陷的激活能：
其中，ea’表示在所述掺杂元素的预设浓度下所述氧化物基阻变存储器对应的缺陷的激活能，
在具体的实施过程中，上述两个公式实际上是相同的，只是具体的数值不同而已，利用上述公式1就能得到在vo3存在的情况下掺杂元素的激活能。相应地，对于四配位数的氧空位(用vo4表示)存在的情况，只需要将前面所述的vo3换成vo4即可。对于不同的掺杂浓度，只需要在上述掺杂过程中分别用不同数量的掺杂元素来替换超晶胞中的金属元素即可。按照以上步骤，可以分别得到vo3、vo4情况下，不同浓度的掺杂元素的缺陷激活能。
步骤12，基于每个掺杂元素的每个浓度下所述氧化物基阻变存储器对应的缺陷的激活能，获得所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系。
在具体的实施过程中，可以用图示表示这种映射关系。例如：获得二维坐标，其中，在所述二维坐标中，所述氧化物基阻变存储器的缺陷激活能作为纵坐标，掺杂元素的浓度作为横坐标；
基于每个掺杂元素的每个浓度下所述氧化物基阻变存储器对应的缺陷的激活能以及对应的浓度，在所述二维坐标中得到相应的位置，进而获得所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素中每个掺杂元素的映射关系。
举例来说，请参看图2a-图2b，这两个图都是获得的阻变存储器掺杂类金属和非类金属类的缺陷激活能与浓度的映射关系图。其中，图2a是氧空位是vo3时，缺陷激活能与各个掺杂元素的浓度的映射关系。图2b是氧空位是vo4时，缺陷激活能与各个掺杂元素的浓度的映射关系。
步骤13，基于所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系，将所述n个掺杂元素进行分类。
本实施例可以将n个掺杂元素分为类金属类和非类金属类。故而，在分类之后，可根据类金属及非类金属缺陷激活能受缺陷浓度的影响，获得类金属掺杂或者非类金属掺杂后的缺陷激活能随掺杂浓度变化的结果，根据两类掺杂元素计算获得的缺陷激活能的大小，把不同掺杂元素及浓度的变化分成两类：既类金属的掺杂缺陷激活能的变化和非类金属的掺杂缺陷激活能的变化。
进一步的，在具体的分类过程中，可设置多个预设区间，例如，其中的一个预设区间(第一预设区间)的形式为：x∈(x1，x2)；y∈(y1，y2)，其中，x表示浓度，(x1，x2)表示浓度区间。y表示缺陷的激活能，(y1，y2)表示缺陷的激活能的区间。如果落入这个预设区间内则表示掺杂元素为类金属类。另一个预设区间的形式为(第二预设区间)：x’∈(x3，x4)；y’∈(y3，y4)，其中，x’表示浓度，(x3，x4)表示浓度区间，(y3，y4)表示缺陷的激活能的区间。y’表示缺陷的激活能。如果落入这个预设区间内则表示掺杂元素为非类金属类。确定好预设区间之后，则根据上述映射关系，依次判断掺杂元素为类金属类还是非类金属类。
具体来说，基于所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系，将所述n个掺杂元素分为类金属类和非类金属类，包括：
获得第一预设区间x∈(x1，x2)；y∈(y1，y2)；其中，x表示浓度，(x1，x2)表示浓度区间；y表示缺陷的激活能，(y1，y2)表示缺陷的激活能的区间；
将所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系依次和所述第一预设区间进行对比；
若有映射关系属于所述第一预设区间，则表示对应的掺杂元素为类金属类。
在另一种可选的实施例中，基于所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系，将所述n个掺杂元素分为类金属类和非类金属类，包括：
获得第二预设区间x’∈(x3，x4)；y’∈(y3，y4)；其中，x’表示浓度，(x3，x4)表示浓度区间；y’表示缺陷的激活能，(y3，y4)表示缺陷的激活能的区间；
将所述氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系依次和所述第二预设区间进行对比；
若有映射关系属于所述第二预设区间，则表示对应的掺杂元素为非类金属类。
当然在此基础上，本发明还可以融入一种新的判断方式。例如，在经历上述分类方式之后，还可以进一步对一系列掺杂元素进行分类。方法为：假设半导体的化学式为mxoy(“m”表示金属元素，“o”表示氧元素)，在一系列掺杂元素中，将价电子数与“m”相同的掺杂元素分为一组，称为“类金属类”，其余掺杂元素称为“非类金属类”。
步骤14，确定出所述氧化物基阻变存储器性能参数。
氧化物基阻变存储器性能参数包括：开关比、均一性、置位和复位电压等等，当然还包括其他。
步骤15，基于分类后的n个掺杂元素和所述氧化物基阻变存储器性能参数，确定出所述分类后的n个掺杂元素对所述氧化物基阻变存储器的各个性能参数的映射关系。
将氧化物基阻变存储器性能参数和缺陷激活能的变化关系联立，获得类金属掺杂和非类金属掺杂与将氧化物基阻变存储器性能参数的对应关系；最终获得类金属掺杂和非类金属掺杂元素对阻变存储器器件性能的影响。例如，缺陷能级靠近导带或者价带的掺杂元素会使器件的置位与复位电压降低。掺杂浓度的增加对缺陷激活能影响较小的元素会使器件的均一性提升，并且会使器件的开关比降低或者不变。
例如图3，先根据类金属类和非类金属类进行分类，然后确定出氧化物基阻变存储器性能参数，然后再根据分类，获得类金属掺杂和非类金属掺杂元素对阻变存储器器件性能的影响。当然，此可以利用表格的方式进行体现。在获得类金属掺杂和非类金属掺杂元素对阻变存储器器件性能的影响之后，使用者可以直接得到掺杂元素对于氧化物基阻变存储器性能的影响，该方法避免了进行大量的实验和因实验所造成的资源的严重浪费，达到了用最简单的方法选择最适合的掺杂元素制备出性能优越的阻变存储器件的目标。
另外，利用本发明，可以对多种氧化物基阻变存储器进行掺杂元素分析，例如nio、tio2、coo、hfo2、ta2o5、zro2等，达到对各种氧化物基阻变存储器性能优化的目的。
以hfo2基阻变存储器为例，所选择的掺杂元素有si、ti、zr、al、cu等元素。按照步骤一计算每种掺杂元素的激活能，此处第一性原理模块使用castep模块，计算出每种元素不同掺杂浓度的缺陷的激活能。获得hfo2阻变存储器掺杂类金属和非类金属元素的缺陷激活能与浓度的关系图，结果如图2a-图2b所示。按照缺陷的激活能将掺杂元素分类，上述掺杂元素中si、ti、zr等为类金属类，而al、cu等为非类金属类。最后结合步骤六和七，得到掺杂元素对rram器件性能的影响，如图3所示。当然，图3中的ge、ta也会按照上述方法进行操作，进而得到这两种元素对rram器件性能的影响。
通过本发明的一个或者多个实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：
本发明公开了一种优化氧化物基的阻变存储器性能的方法，先获得每个掺杂元素的每个浓度下所述氧化物基阻变存储器对应的缺陷的激活能，然后得到氧化物基阻变存储器的缺陷的激活能和n个掺杂元素的映射关系；在依据此对所述n个掺杂元素进行分类；然后基于分类后的n个掺杂元素和确定出的氧化物基阻变存储器性能参数，确定出所述分类后的n个掺杂元素对所述氧化物基阻变存储器的各个性能参数的映射关系。本发明可以通过不同掺杂物浓度及类型对于激活能的影响来判断掺杂元素对于器件各种性能的影响，最终获得优化阻变存储器性能的最佳方法，从而不需要进行大量的实验测试，过程简单，精确性高。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
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