阻变存储器电阻开关特性的测量与分析

一、实验目的

1.掌握阻变存诸器（resistive random access memory，ReRAM）原型器件的基本结构，

了解其存储原理。

2.学会使用Keithley 2400源-测单元来测量阻变存储单元的电流一电压特性，并进行

定性的分析。

二、实验原理概述

随着集成电路的技术节点不断向前推进，目前国际上非易失性存储技术研究的走势主要是两个大方向：一是尽可能将目前的主流Flash技术向更高技术代(45nm甚至32nm)推进，纳米晶存储解决方案就是其代表。另一个研究趋势就是在Flash技术达到其物理极限而无法继续推进后，采用完全不同的新的存储原理和新技术，以电阻转变存储(ReRAM)技术为代表[1]。阻变存储器是通过电流/电压信号直接调制存储材料的电阻状态以实现布尔代数（Boolean）中“1”和“0”码的编制，从而实现信息的写入与擦除。它兼具动态随机存储器(DRAM)快速写入/擦除的能力以及Flash存储器非易失性存储的特点，同时具有低工作电压及低能耗，并可实现高存储密度，能够为计算机主存和外存提供新的技术方案。在2003年国际半导体技术路线图（International Technology Roadmap for Semiconductor(ITRS)）中，电子学专家将各种新型材料及器件作了详尽的分析及比较，列出了它们的可行性及风险性。从中可以看到阻变存储器件被认为是可行性高而风险较小的纳米记忆器件[2]。

固体电解质材料是阻变存储器的主要存储材料之一。固体电解质中的导电粒子可以是阴离子，也可以是阳离子。由于导电离子需要在固体内迁移，而小的离子半径对于获得高的迁移率十分重要。因此，一般迁移离子相对于构成骨架的离子而言具有小的半径。担当电荷载流子的阳离子有Ag+、H+、Cu+、Li+、Na+等；担当电荷载流子的阴离子有O2-、F-、Cl-、I-、Br-等[3]。

阻变存储器的基本结构如图1所示。一般由导电性良好的Pt作为底电极，它不参与固体电化学反应。一般选用与固体电解质内导电离子一致的金属材料作为上电极。在电场的作用下，基于固体电化学反应机理，金属离子在介质中可自由传输，导致纳米金属丝或纳米金属颗粒团簇的形成与消失，从而实现双稳态电阻的存储，其原理示意图如图2。以金属阳离子Ag+为例，在反应电极Ag上加正电压的作用下发生氧化反应，电极Ag原子不断电离进入固体电解质，出现过饱和态，过多的金属Ag+离子在阴极附近获得电子电化学沉积，从而逐步形成导电的金属Ag纳米丝(filament)构造，这些纳米丝将正、负电极连通从而形成导电通道产生低阻态。反之，在反应金属电极Ag上加负偏压，Ag离子便不断退出固体电解质，导致其中沉积的Ag溶解，而化学稳定的非反应金属电极Pt不能变成离子进入固体电解质，这便使元件恢复为高电阻态[4]。

图1 阻变存储器的基本结构示意图图2 阻变存储器的原理示意图

阻变存诸器利用电阻在高、低状态上的转变来实现“0”和“1”两个状态的二进制信息存储，其电流-电压特性由图3给出。

1.器件上的电压低于正向阈值，器件呈高阻态(OFF state)；

2.当电压达到正向阈值，器件由高阻态(OFF stat e)打开，形成低阻态(ON state)。

3.由于器件电阻很小，电流过大，Keithley2400启用电流补偿功能，电流不再增加；

4.电压减小，器件保持在低阻态；

5.器件上施加高于负向阈值电压的负电压，器件保持在低阻态；

6.器件上电压低于负向阈值电压，器件电阻增加，转为高阻态；

7.器件上电压增加到零，器件保持在高阻态，当器件上继续施加正向电压时，进入下

一个循环，器件表现与此循环表现一致。

图3 器件开关电流-电压特性图

三、实验方法与步骤

1. 实验仪器：

Keiythley2400介绍[5]

Keiythley2400是一款专为那些要求紧密结合激励源和测量功能而设计的一种集成的电流-电压源表。此源表由一个精密、低噪声、高稳定的具有回读功能的直流电源和一个低噪声、高重复性、高输入阻抗的2

15位多功能表组成，形成了紧凑的单通道直流参数测试仪。其功能相当于电压源、电流源、电压表、电流表和电阻表的综合体。它非常适合于测试各种器件，包括二极管、电阻、电阻网络、有源电路保护器件，以及便携式电池供电设备和元件。此外，它也可以用作系统电源和IDDQ 测试应用。

Keiythley2400能够提供从5μV 到210 V 的直流电压和从50 pA 到1．05 A 的直流电流，能够测量1μV 到211 V 的直流电压和10 pA 到1．055 A 的直流电流。电阻测量范围为从100μΩ到211 M Ω。最大功耗22W 。能够使用GPIB ，RS-232等方式与主控电脑通信及传送数据。在本实验中，使用KUSB-488A USB-GPIB 转接卡及IEEE488通讯协议把2400的GPIB 接口联接到主控电脑的USB 接口，使用自行开发的控制程序控制Keithley2400完成测量及数据采集工作。

图4所示为Keithley2400的前面板，通过前面板可完成各种测量操作，具体使用方法可参考Keithley2400的使用手册，这里不予详述。在本实验中，主要采用程序控制完成电阻开关的测量及数据采集工作。

图4 Keithley2400前面板

1.测量方式选择按钮，

2.输出方式选择按钮，

3.四电极电阻测量输入接口，

4.输入输出接口，

5.输出开关及显示，

6.测量范围调节，

7.前面板控制按钮，

8.电源开关，

9.参数编辑按钮

Keithley2400控制程序简介：

本程序使用Visual C++ 6.0编译，在Windows XP 下调试成功。通过IEEE488通讯协议控制Keithley2400，完成循环伏安扫描、脉冲模式测量、直流电流/电压输出及测量、两电极/3 4