电阻式存储器特性测试仪及应用研究

摘要

随着电子产业发展，人们对手持式便携终端的需求量是越来越大。手机、移动硬盘、MP3、笔记本电脑等高科技产品已经日益成为人们生活中不可或缺的工具。存储器作为这些产品的重要部件，它的性能也成为人们研究的热点。为了适应产品低功耗、小型化、高速化的发展，对存储器的存储功耗、读写速度和存储密度要求也越来越高。目前市场上主流的存储器Flash的特征尺寸已经接近极限值，再继续缩小其特征尺寸值会导致栅绝缘层的厚度继续减小，当尺寸小到一定值后会导致电子的隧穿效应逐渐显现，漏电流剧增，器件的可靠性和稳定性就会受到很大的影响。所以，要提高基于该结构的Flash的存储密度将会变得更加困难。另外，便携式数据终端的低功耗要求和节能环保的社会要求也将阻碍高功耗Flash存储器的发展。目前有望代替传统Flash存储器的新型非挥发存储器主要有：铁电存储器(FeRAM)、磁性随机存储器(MRAM)、相变存储器(PCRAM)和电阻式存储器(ReRAM)等。其中电阻式存储器相比其他几种新型非挥发存储器来说具有结构简单、稳定性好、制备方便、材料丰富并与传统的COMS工艺兼容性较好等特点，近期越来越受到人们的关注。
　　由于目前还没有有关ReRAM稳定性或工作寿命方面的测试设备，本论文设计了一种相对简单的薄膜电阻开关Ⅰ-Ⅴ特性及ReRAM寿命测试装置，该装置具有实现简单、携带方便和成本低廉等特点，比较适合于实验室研究使用。本系统主要实现了(1)向器件两端输出一个由小到大的模拟电压，精度在0.05V以内；(2)实时检测器件两端的电压变化，并接收器件两端的反馈电压输入；(3)根据器件所处的不同状态，能自动切换限流保护电阻；(4)实现输出电压的循环与终止的判断，以及计数的累加。
　　本实验还利用射频磁控溅射法在重掺硅上制备了不同沉积时间的Bi2O3薄膜，通过上述自制的测试装置对薄膜的电阻开关特性和寿命进行了测试和研究。结果表明：在各个沉积时间下的Bi2O3薄膜均具有良好的单极性电阻开关特性，且随着沉积时间的增加，薄膜的Set电压、Reset电压、Reset电流和Reset功率都呈线性增加。另外，电阻开关特性的重复次数也随着沉积时间的增加而增加，但是当沉积时间增大到一定值时，重复次数的增长速率反而变小。

目录

文摘

英文文摘

第1章 文献综述

1.1 引言

1.2 新型非挥发性存储器简介

1.2.1 相变存储器

1.2.2 铁电存储器

1.2.3 磁存储器

1.2.4 电阻式磁存储器

1.3 电阻式存储器研究进展

1.3.1 电阻开关特性分类

1.3.2 电阻式存储器的材料

1.3.3 电流传导机制

1.4 电阻开关效应的机制

1.4.1 灯丝理论

1.4.2 电荷俘获和释放机制

1.4.3 肖特基发射效应

1.5 电阻式存储器的集成结构

1.5.11R结构

1.5.21T1R结构

1.5.31D1R结构

1.6 本课题研究的内容及意义

第2章 电阻式存储器特性测试仪原理

2.1 几种测试方式的比较

2.2 电阻式存储器特性测试仪的原理

2.3 电阻式存储器寿命测试中的条件判断

2.4 本章小结

第3章 电阻开关特性测试系统的硬件实现

3.1 电阻开关特性寿命测试系统的结构图

3.2 USB2813A数据采集器．

3.2.1 USB2813A的DA模拟量输出模块

3.2.2 USB2813A的AD模拟量输入模块

3.2.3 USB2813A的数字信号输入/输出模块

3.3 限流保护设计

3.3.1 限流保护部分的组成

3.3.2 多路开关芯片ADG706

3.3.3 保护电阻之间的切换

3.4 测试样品台的搭建

3.5 本章小结

第4章 电阻开关特性测试系统的软件实现

4.1 系统软件的整体设计

4.1.1 程序设计框图

4.1.2 对话框的设计与初始化

4.1.3 设备对向的创建

4.2 程序主体部分设计

4.2.1 信号的输入/输出和电阻切换

4.2.2 数据的保存与读取

4.2.3 图形的绘制

4.3 单次电阻开关特性测试

4.4 本章小结

第5章 Au/Bi2O3/Si/Al薄膜电阻存储器寿命的研究

5.1 薄膜的制备方法

5.1.1 常用的薄膜制备法

5.1.2 射频反应磁控溅射法镀膜

5.2 薄膜的性能表征

5.2.1 X射线衍射(XRD)测试

5.2.2 薄膜的光学性能测试

5.2.3 I-V特性及寿命测试

5.3 Bi2O3薄膜的制备

5.3.1 不同沉积时间Bi2O3薄膜的制备条件

5.3.2 不同沉积时间Bi2O3薄膜厚度的计算

5.3.3 不同薄膜厚度对Bi203薄膜晶体结构的影响

5.4 Bi2O3薄膜的开关特性及其寿命测试

5.4.1 不同薄膜厚度对Bi2O3薄膜电阻开关特性的影响

5.4.2 不同薄膜厚度对Bi2O3薄膜电阻开关特性寿命的影响

5.5 本章小结

第6章 结论

致谢

参考文献

附录一

附录二

附录三