CN103063950B

CN103063950B - 一种忆阻器器件单元的电学特性测试方法

Info

Publication number: CN103063950B
Application number: CN201210553579.5A
Authority: CN
Inventors: 孙华军; 徐小华; 缪向水; 张金箭; 王青; 沙鹏; 李人杰
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: CN103063950A

Abstract

本发明公开了一种忆阻器器件单元的电学特性测试系统，包括探针台、脉冲发生器、脉冲发生模块、源测量单元、示波器以及中央控制单元，其中：探针台的探针用于电接触测试样品的电极以便执行相关测试；脉冲发生器用于产生电压脉冲信号，并通过源测量单元对测试样品的相应阻值状态进行测量；脉冲发生模块用于产生交流信号，并通过示波器对测试样品的响应情况进行处理；源测量单元除了执行以上对交流特征的测量之外，还用于执行直流I-V特性测试和保持力测试测试指令。本发明还公开了相应的测试方法。通过本发明，能够以更高效率、便于操作的方式获得更为全面的忆阻器电学特性，提高测量精度和自动化程度，同时具备较强的测试扩展能力。

Description

一种忆阻器器件单元的电学特性测试方法

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，更具体地，涉及一种忆阻器器件单元的电学特性测试系统及其测试方法。

背景技术

1971年加州大学伯克利分校的蔡少棠教授理论最早预测了除电阻、电容、电感以外的第四种无源电路元件——忆阻器。它的基本特征是能够记忆流经的电荷，并以电阻的变化反应出来。由于忆阻器具备尺寸小、功耗低、速度快、非易失性等优点，因此成为了下一代非易失性存储器的重要候选。此外，忆阻器所具备的电路特性、非线性的阻变行为以及电荷记忆等特征，使得忆阻器在材料、电子、生物、化学和计算机等多个领域均获得了广泛应用，是当前国际研究的热点之一所在。

理想忆阻器的阻值会随着流经其的电荷量变化而变化，具体体现在其独特的电学特性上。当前，国内外关于忆阻器的研究正如火如荼地进行，而忆阻器器件单元的电学特性的表征至关重要，这不仅体现在忆阻材料、原型器件等基础性研究中，而且在忆阻器的功能验证、应用拓展等方向也不可或缺。现有技术中，对忆阻器的测试主要是依靠建立仿真模型来进行分析和研究，例如，CN102623062A中公开了一种忆阻器仿真模型，其中采用比较器、乘法器、积分器、忆阻器等效电阻和窗函数等来构建仿真模型，从而实现对忆阻器激活状态时阻值变化状况的检测。

然而，现有技术中的这些忆阻器检测方案，主要集中在对器件单元的忆阻特性的分析上，而缺乏对其他一些重要的电学特性例如忆阻器的多阻态特征、阻态切换耐久性、保持力特征等方面的有效检测，其测试方法比较单一，不够完善，且测量精度有待进一步提高，并没有相关的标准测试系统及其全面规范的测试方法。相应地，在相关领域中存在着对忆阻器及其器件单元的电学特性测试方式作出进一步改进的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和/或技术需求，本发明的目的在于提供一种忆阻器器件单元的电学特征测试系统及其测试方法，其中通过对测试系统功能组件及其测试方式的设计，相应能够以更高效率、便于操作的方式获得更为全面的忆阻器电学特性，提高测量精度和自动化程度，同时具备较强的测试扩展能力。

按照本发明的一个方面，提供了一种忆阻器器件单元的电学特性测试系统，该测试系统包括探针台、脉冲发生器、脉冲发生模块、源测量单元、示波器以及中央控制单元，其特征在于：

所述探针台用于放置待测量的忆阻器，并在执行测量时利用其所配备的两根探针分别电接触作为测试样品的忆阻器器件单元的上、下电极；

所述脉冲发生器用于根据中央控制单元的脉冲特性测试指令，产生电压脉冲信号作用于测试样品，所述源测量单元相应对测试样品在该脉冲信号作用后的阻值状态进行测量；

所述脉冲发生模块用于根据中央控制单元的交流特性测试指令，产生交流信号作用于测试样品，所述示波器相应对测试样品在该交流信号作用下的响应情况进行处理，由此获得反映测试样品交流特征的测试结果；

所述源测量单元除了执行以上对交流特征的测量之外，还用于根据中央控制单元的直流I-V特性测试指令，产生一系列幅值递增的电压或电流激励信号并实时测试样品对应的电流或电压反馈值；或是根据中央控制单元的保持力测试测试指令，使得测试样品处于一定阻态，并对测试样品在无信号激励下的阻态保持时间进行测量。

作为进一步优选地，所述脉冲发生器为皮秒脉冲发生器，且其所产生的电压脉冲信号的幅值范围为－7.5V～7.5V，其脉冲宽度范围为0.1-10ns。

作为进一步优选地，所述脉冲发生模块的脉冲脉宽范围为10ns～1s，其幅值范围为-5V～5V。

作为进一步优选地，所述源测量单元电流源的输出电流/分辨率参数被设定为100nA/5pA～100mA/5μA，其测试范围/分辨率参数被设定为100nA/100fA～100mA/100nA；源测量单元电压源的输出电压/分辨率参数被设定为200mV/5μV～200V/5mV，其测试范围/分辨率参数被设定为200mV/1μV～200V/200μV。

作为进一步优选地，所述脉冲发生器、示波器和中央控制单元之间通过GPIB电缆彼此相连；所述探针台与脉冲发生器、脉冲发生模块和源测量单元之间利用同轴电缆并通过转换连接组件相连接。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的测试方法，该测试方法包括下列步骤：

（a）将待测试的忆阻器放置在探针台上，并利用探针台配置的两根探针分别电接触作为测试样品的忆阻器器件单元的上、下电极；

（b）首先执行对测试样品的直流I-V特性测试：源测量单元根据中央控制单元的直流I-V特性测试指令，产生一系列幅值递增的电压或电流激励信号，并实时测试样品对应的电流或电压反馈值；

（c）接着，根据不同的测试要求，选择性执行以下测试步骤中的至少一项：

（c1）脉冲发生器用于根据中央控制单元的脉冲特性测试指令，产生电压脉冲信号作用于测试样品，并利用源测量单元相应对测试样品在该脉冲信号作用后的阻值状况进行测量；

（c2）脉冲发生模块用于根据中央控制单元的交流特性测试指令，产生交流信号作用于测试样品，然后利用示波器相应对测试样品在该交流信号作用下的响应情况进行处理，由此获得反映测试样品交流特征的测试结果；

（c3）源测量单元根据中央控制单元的保持力测试测试指令，使得测试样品处于一定阻态，并对测试样品在无信号激励下的阻态保持时间进行测量。

作为进一步优选地，在步骤（b）中，源测量单元所产生的激励信号包括单向和双向激励信号。

作为进一步优选地，在步骤（c1）中，具体包括对测试样品的多阻态特性、阻态切换速率和切换幅制，以及阻态切换耐久性等状况的测试过程。

作为进一步优选地，在步骤（c3）中，通过加大温度应力的方式执行加速寿命试验，相应对测试样品在无信号激励下的阻态保持时间进行测量。

总体而言，按照本发明的电学特性测试系统及其测试方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过构建包括以上功能组件的电学特性整体测试系统，能够便于执行对忆阻器器件单元更为全面、规范的特性测试，实现对忆阻器包括直流I-V特性、脉冲特性、交流特性和保持力特性等关键电学特性的测量，同时能够保证测试结果的一致性与准确率；

2、由于功能模块与中央控制单元之间通过GPIB电缆相连，方便引入新的功能模块，或进行相应功能模块的升级或改造；此外，同轴电缆及其相应的转换连接组件使得使得测试模块与与探针台之间能够实现更高效率的通信，并有助于提高测量精度；

3、按照本发明的测试系统整体结构紧凑、自动化程度高，便于操作人员的测试操作且测试精度更高，因此尤其适用于各类忆阻器的电学特性测试用途。

附图说明

图1是按照本发明的忆阻器器件单元的电学特性测试系统的整体结构示意图；

图2a是按照本发明测试方法所获得的忆阻器直流I-V特性的单向和双向扫描示意图；

图2b是按照本发明测试方法所获得的忆阻器器件单元的电流-电压曲线图；

图3是按照本发明测试方法所获得的忆阻器器件单元的电流-电压多阻态特性曲线图；

图4是按照本发明测试方法所获得的忆阻器器件单元的脉冲多阻态特性曲线图；

图5是按照本发明测试方法所获得的忆阻器器件单元的阻态切换速率测试曲线图；

图6是按照本发明测试方法所获得的忆阻器器件单元的阻态切换幅值曲线图；

图7是按照本发明测试方法所获得的忆阻器器件单元的阻态切换耐久性曲线图；

图8是按照本发明测试方法所获得的忆阻器器件单元的正弦激励响应曲线图；

图9是按照本发明测试方法所获得的忆阻器器件单元的保持力曲线图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-探针台 2-脉冲发生器 3-脉冲发生模块 4-源测量单元 5-示波器 6-中央控制单元 7-测试样品 8-GPIB电缆 9-同轴电缆 10-选择开关 11-偏置器

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是按照本发明的忆阻器器件单元的电学特性测试系统的整体结构示意图。如图1中所示，按照本发明用于忆阻器器件单元的电学特性测试系统主要包括探针台1、脉冲发生器2、脉冲发生模块3、源测量单元4、示波器5以及中央控制单元6，并通过这些功能组件来实现对忆阻器包括直流I-V特性、脉冲特性、交流特性和保持力特性等在内的更为全面、精确的电学特性测量过程。

探针台1用于放置待测量的忆阻器测试样品2，并在执行测量时利用其所配备的两根探针分别电接触忆阻器器件单元的上、下电极。脉冲发生器2、示波器5和中央控制器6分别通过GPIB电缆8彼此相连，探针台1与脉冲发生器2、脉冲发生模块3、源测量单元（SMU）4之间分别利用同轴电缆9并通过转换连接组件相连接。所述转换连接组件包含选择开关10和偏置器11，用于实现不同测试过程之间的转换。

在一些优选实施方式中，脉冲发生器2譬如为皮秒脉冲发生器，且其所产生的电压脉冲信号的幅值范围为－7.5V～7.5V，其脉冲宽度范围为0.1-10ns。脉冲发生模块3的功能是用来产生脉冲波形及一些常见的交流波形，如正弦波、方波等，其脉冲脉宽范围为10ns～1s，幅值范围为-5V～5V。对于源测量单元4，其电流源的输出电流/分辨率参数被设定为100nA/5pA～100mA/5μA，其测试范围/分辨率参数被设定为100nA/100fA～100mA/100nA；源测量单元电压源的输出电压/分辨率参数被设定为200mV/5μV～200V/5mV，其测试范围/分辨率参数被设定为200mV/1μV～200V/200μV。

当需要对测试样品2执行直流I-V特性测试时，源测量单元4根据中央控制器6所给出的直流I-V特性测试指令，产生一系列幅值递增的电压或电流激励信号并实时测试样品对应的电流或电压反馈值。

当需要对测试样品2执行脉冲特性测试时，脉冲发生器2则根据中央控制单元6所给出的脉冲特性测试指令，产生电压脉冲信号作用于测试样品7，然后通过源测量单元4相应对测试样品2在该脉冲信号作用后的阻值状态进行测量，该阻值状态具体可包括多阻态特性、阻态切换速率和切换幅制，以及阻态切换耐久性等，由此实现对测试样品脉冲特性的测试过程。

具体而言，所述多阻态特性的测试过程为：脉冲发生器依次产生多个正脉冲或负脉冲信号并作用于测试样品，然后再依次产生多个负脉冲或正脉冲信号作用于测试样品，源测量单元相应对测试样品在这些脉冲信号作用后的阻值状况进行测量。所述阻态切换速率和切换幅制的测试过程为：脉冲发生器在脉冲幅值不变的情况下依次变化脉冲宽度、或是脉冲宽度不变的情况下依次变化脉冲幅值并作用于测试样品，然后通过源测量单元相应对测试样品在这些脉冲信号作用时的阻值变化进行测量。所述阻态切换耐久性的测试过程为：脉冲发生器交替产生脉冲幅值和脉宽参数相同的正、负脉冲信号并作用于测试样品，然后通过源测量单元相应对测试样品在不同脉冲信号作用时的阻值进行测量。

当需要对测试样品执行交流特性测试时，脉冲发生模块3则根据中央控制单元6的交流特性测试指令，产生交流信号作用于测试样品2，示波器5相应对测试样品在该交流信号作用下的响应情况进行处理，由此获得反映测试样品交流特征的测试结果。

当需要对测试样品执行保持力特性测试时，源测量单元4根据中央控制单元6的保持力测试测试指令，使得测试样品处于一定阻态，并对测试样品在无信号激励下的阻态保持时间进行测量，由此获得保持力特性测试结果。

下面将以多个具体实施例来分别说明采用本发明的测试系统执行各种电学特性测试的过程。其中，作为测试样品的忆阻器器件单元的Pt下电极薄膜的厚度为200nm，Pt上电极薄膜的厚度为200nm，中间TaOx功能薄膜的厚度约35nm，上下电极之间的直径为10μm。所采用的测试单元或模块包括：型号为DP070604、由美国Tektronix制造的数字荧光示波器，其带宽为6GHz，最高采样率达25GS/s；型号为S300的微控探针台，包括探针、光学显微镜、微控旋钮和真空泵等部件；型号为10070A、由美国PicosecondPulse Labs制造的皮秒脉冲发生器，其脉宽范围/分辨率最小为0.1ns/2.5ps，脉宽范围最大为10.2ns；电压幅值范围-7.5V-7.5V。

实施例1

由于直流I-V特征能够直观地反映忆阻器的整体电学特征，因此在测试过程中通常将其作为首要的测试步骤。在本实施例中，中央控制单元通过测试指令，控制源测量单元发生幅值递增的电压信号来测量忆阻器此时对应的电流，电压测试范围为-0.9V-0.9V，电压增加的步进为0.05V，扫描模式为双向扫描，记录相应的电压电流值可以得到电流-电压曲线（如图2b所示）。通过此测试曲线可以研究忆阻器器件单元的阈值电压/电流特性、阻变特性。由图2b可知，忆阻器发生阻值变化的阈值电压为0.55V/-0.62V，高、低阻值为10.02KΩ/0.36KΩ。图3所示为忆阻器器件单元的电流-电压多阻态特性曲线，其通过多次直流I-V特性扫描得到，由图可明确地看出忆阻器器件单元在直流作用下的多阻态特性。

实施例2

在本实施例中，中央控制单元发出相应的测试指令，将实施例1中的直流I-V特性测试改为忆阻器的脉冲作用下的多阻态特性测试，具体测试参数如下：正、负脉冲数分别设置为5个/5个，脉宽分别为1us/800ns，幅值分别为0.7V/-0.6V，其余与实施例1相同，记录相应的脉冲次数和电阻值得到忆阻器器件单元的多阻态特性曲线（如图4所示）。由图4可知，忆阻器在正脉冲作用下，阻值依次由10KΩ降为4KΩ；在负脉冲作用下，阻值由4KΩ重新回到10KΩ，且阻值在增大或减小的过程中出现多个阻态。

实施例3

在本实施例中，中央控制单元发出相应的测试指令，将实施例1中的直流I-V特性测试改为忆阻器的阻态切换速率与切换幅值测试，具体测试参数如下：将脉冲幅值设置为1V，脉冲宽度由2ns依次增加到70ns，步进为2ns，其余与实施例1相同，记录相应的脉冲宽度和电阻值得到忆阻器器件单元的阻态切换速率曲线（如图5所示）；将脉冲宽度设置为1us，脉冲幅值由400mV依次增加到1V，步进为20mv，其余与实施例1相同，记录相应的脉冲幅值和电阻值得到忆阻器器件单元的阻态切换幅值曲线（如图6所示）。由图5可知，在脉冲幅值为1V的前提下，忆阻器发生阻变的所需最小脉宽约为42ns；由图6可知，在脉冲宽度保持为1us的前提下，忆阻器发生阻变的所需最小幅值约为590mV。

实施例4

中央控制单元发出相应的测试指令，将实施例1中的直流I-V特性测试改为忆阻器的阻态切换耐久性测试，具体测试参数如下：将正、负脉冲幅值分别设置为0.9V/-1.0V，脉冲宽度分别设置为1us/850ns，其余与实施例1相同，记录相应的脉冲次数和电阻值得到忆阻器器件单元的阻态切换耐久性曲线（如图7所示）。由图7可知，忆阻器经过10⁴次切换，阻值仍未发生明显的紊乱，高、低阻值约为8.5KΩ/0.95KΩ。

实施例5

中央控制单元发出相应的测试指令，将实施例1中的直流I-V特性测试改为忆阻器的交流特性测试，具体测试参数如下：设置脉冲发生模块输出幅值为1.2V，频率10Hz，记录忆阻器器件单元的响应曲线。图8为所获得的忆阻器器件单元的正弦激励响应曲线图。由图8可知，忆阻器在交流信号作用下，仍能体现一定的忆阻特性。

实施例6

中央控制单元发出相应的测试指令，将实施例1中的直流I-V特性测试改为忆阻器的保持力测试，具体测试方法如下：通过加大温度应力的方式执行加速寿命试验，并对忆阻器器件单元的阻值进行监控，读取电流为1uA，采取一定周期内抽样的方式观测阻值的变化情况。图9为忆阻器器件单元在温度约350K下的保持力曲线，其中抽样周期为10分钟。由图9可知，忆阻器器件单元在350K下经历了约320分钟后阻值开始发生变化。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于对忆阻器器件单元执行电学特性测试的方法，其特征在于，所采用的测试系统包括探针台、脉冲发生器、脉冲发生模块、源测量单元、示波器以及中央控制单元，其中脉冲发生器、示波器和中央控制单元分别通过GPIB电缆彼此相连，而探针台与脉冲发生器、脉冲发生模块、源测量单元之间分别利用同轴电缆及转换连接组件相连，该方法包括下列步骤：

(a)将待测试的忆阻器放置在探针台上，并利用探针台配置的两根探针分别电接触作为测试样品的忆阻器器件单元的上、下电极；

(b)首先执行对测试样品的直流I-V特性测试：在此操作中，所述源测量单元根据所述中央控制单元的直流I-V特性测试指令，产生一系列幅值递增的电压或电流激励信号，并实时测试样品对应的电流或电压反馈值，由此获得反映忆阻器器件单元的阈值电压/电流特性和阻变特性的电流-电压测试曲线；

(c)接着，根据所述中央控制单元的指令，分别对测试样品执行脉冲特性、交流特性和保持力特性多个方面的测试，其操作过程如下：

(c1)脉冲特性测试包括多阻态特性的测试、阻态切换速率和切换幅值的测试，以及阻态切换耐久性的测试，其中，对于多阻态特性的测试而言，所述脉冲发生器依次产生多个正脉冲或负脉冲信号作用于测试样品，然后再依次产生多个负脉冲或正脉冲信号作用于测试样品，所述源测量单元相应对测试样品在这些脉冲信号作用后的阻值状况进行测量，由此实现对多阻态特征的测试过程；对于阻态切换速率和切换幅值的测试而言，所述脉冲发生器在脉冲幅值不变的情况下依次变化脉冲宽度、或者在脉冲宽度不变的情况下依次变化脉冲幅值并作用于测试样品，然后通过所述源测量单元相应对试样品在这些脉冲信号作用时的阻值变化进行测量，由此实现阻态切换速率和切换幅值的测试过程；对于阻态切换耐久性的测试而言，所述脉冲发生器交替产生脉冲幅值和脉宽参数相同的正、负脉冲信号并作用于测试样品，然后通过所述源测量单元相应对测试样品在不同脉冲信号作用时的阻值进行测量，由此实现阻态切换耐久性的测试过程；

(c2)对于交流特性测试而言，所述脉冲发生模块根据所述中央控制单元的交流特性测试指令，产生交流信号作用于测试样品，然后利用所述示波器相应对测试样品在该交流信号作用下的响应情况进行处理，由此获得反映测试样品交流特征的测试结果；

(c3)对于保持力特性测试而言，所述源测量单元根据所述中央控制单元的保持力特性测试指令，使得测试样品处于一定阻态，并对测试样品在无信号激励下的阻态保持时间进行测量，由此获得保持力特性测试结果。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲发生器为皮秒脉冲发生器，且其所产生的电压脉冲信号的幅值范围被设定为－7.5V～7.5V，其脉冲宽度范围被设定为0.1ns-10ns。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲发生模块的脉冲脉宽范围被设定为10ns～1s，其幅值范围被设定为-5V～5V。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述源测量单元电流源的输出电流/分辨率参数被设定为100nA/5pA～100mA/5μA，其测试范围/分辨率参数被设定为100nA/100fA～100mA/100nA；所述源测量单元电压源的输出电压/分辨率参数被设定为200mV/5μV～200V/5mV，其测试范围/分辨率参数被设定为200mV/1μV～200V/200μV。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(c3)中，通过加大温度应力的方式执行加速寿命试验，相应对测试样品在无信号激励下的阻态保持时间进行测量。