一种忆阻器件的阻抗谱测试与拟合方法与流程

本发明涉及一种忆阻器件的阻抗谱测试与拟合方法，属于微电子技术与半导体器件
技术领域：
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背景技术：
：忆阻器件具有尺寸小，读写速度快，功耗低，非易失性存储，集成度极高，与cmos工艺兼容等优点，是第四种基本无源器件。目前如sram，dram和flash等成熟的存储技术均采用晶体管构建存储位元，随着微电子技术与工艺集成度的不断增加，传统的cmos工艺尺寸已经逐渐接近其物理极限，忆阻器件的出现很有可能解决这一计算存储墙问题，使摩尔定律得以延续。阻抗谱的测量经过几十年的发展与完善，已经在电池，材料表征，电学分析等众多科研和工业生产领域取得了广泛的应用。阻抗测量方法具有测定频率范围广，精确度高，从不同角度评价并区分材料的电学性能等优点。2013年，华南理工大学王立世等人(专利号：cn101871974b)发明了一种阻抗谱的测量方法，但测试频率范围仅可以实现1hz-100khz，不适用于忆阻系统的测试。然而，目前国内外对于阻抗谱的测量与分析在忆阻系统中的应用仍然比较有限，等效电路的不唯一，复合阻抗谱每一部分的物理解释不明确等限制了阻抗谱在忆阻系统中测试表征上的分析与使用。本专利基于此提出了将阻抗谱应用于忆阻系统电学性能分析的具有普适性的测量与拟合方法，可丰富忆阻系统物理机制的研究，加速忆阻器件的商业化发展，延续摩尔定律。技术实现要素：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的在于分析忆阻器件阻抗谱与电阻开关机制的内在联系，为忆阻系统内部物理机制的研究提供有效合理的分析手段，即提供一种忆阻器件的阻抗谱测试与拟合方法，实现快速精确的阻抗谱测试与拟合。为了实现上述发明目的，解决已有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种忆阻器件的阻抗谱测试方法，包括以下步骤：步骤1、自制测量夹具，采用是德科技16048h测试夹具，重新组装，具体包括以下子步骤：(a)将16048h测试夹具上的lcur端与lpot端经过t型转换头连接，形成第一个输出端口101；(b)将16048h测试夹具上的hcur端与hpot端经过t型转换头连接，形成第二个输出端口102；(c)将第一个输出端口101经过三同轴转换头连接，形成第三个输出端口103；(d)将第二个输出端口102经过三同轴转换头连接，形成第四个输出端口104，测量夹具自制完成；步骤2、连接阻抗分析仪与测试探针台，将被测器件放入测试探针台的真空腔室中，再将自制测量夹具的a端与aglient4294a/keithleye4990a/hp4192a阻抗分析仪相连，自制测量夹具的b端中的103、104输出端口分别与测试探针台相连，通过自制测量夹具实现阻抗分析仪与测试探针台的连接；步骤3、设置阻抗分析仪测量环境，首先对阻抗分析仪初始化，然后进行适配器配置，接着进行补偿校准，包括开路与短路的校准；步骤4、忆阻器件低阻态阻抗谱的测试，将测试探针台与keithley4200-scs/keysightb1500a半导体参数分析仪连接，设置限制电流为10-12-0.105a，对被测的忆阻器件施加直流电压0.1-60v，忆阻器件开启，变为低阻态，再将阻抗分析仪与测试探针台连接，设置交流振荡幅值为0.1-1.0v，偏压为0.1-0.5v，设置测试频率范围为5hz-110mhz，调节显示方式为r-x/|z|-θ/g-b，最后，通过gpib电缆传输到电脑端采集数据，完成对忆阻器件低阻态阻抗谱的测试；步骤5、忆阻器件高阻态阻抗谱的测试，将测试探针台与keithley4200-scs/keysightb1500a半导体参数分析仪连接，对被测的忆阻器件施加直流电压扫描范围为-60-0v，忆阻器件翻转为高阻态，再将阻抗分析仪与测试探针台连接，设置交流振荡幅值为0.1-1.0v，偏压为0.1-0.5v，设置测试频率范围为5hz-110mhz，调节显示方式为r-x/|z|-θ/g-b，最后，通过gpib电缆传输到电脑端采集数据，完成对忆阻器件高阻态阻抗谱的测试。一种采用所述的测试方法的忆阻器件的阻抗谱拟合方法，包括以下步骤：步骤1、确定忆阻器件阻抗谱的等效电路模型，根据所述的测试方法，得到的忆阻器件高、低阻态阻抗谱的测试结果与相关文献提出的电路模型，确定忆阻器件高、低阻态阻抗谱的等效电路模型；步骤2、获得忆阻器件阻抗谱等效电路中各元件参数，将所述的测试方法，得到的忆阻器件高、低阻态阻抗谱数据经过zview软件进行拟合，得到忆阻器件高、低阻态阻抗谱等效电路中各元件参数；步骤3、导出步骤2中zview软件内的原始数据与拟合数据到origin中作图。本发明有益效果是：一种忆阻器件的阻抗谱测试与拟合方法，其中，测试方法，包括以下步骤：(1)自制测量夹具，(2)连接阻抗分析仪与测试探针台，(3)设置阻抗分析仪测量环境，(4)忆阻器件低阻态阻抗谱的测试，(5)忆阻器件高阻态阻抗谱的测试。拟合方法，包括以下步骤：(1)确定忆阻器件阻抗谱的等效电路模型，(2)获得忆阻器件阻抗谱等效电路中各元件参数，(3)导出zview软件中的原始数据与拟合数据到origin中作图。与已有技术相比，本发明可以快速获得忆阻器件的阻抗谱，为忆阻系统薄膜微结构的研究提供了有效测试与分析手段，可丰富忆阻系统开关机制的研究，对完善忆阻系统内部物理机制具有非常重要的研究意义。附图说明图1是本发明阻抗谱测试方法步骤流程图。图2是本发明自制测量夹具制作过程连接示意图。图3是本发明阻抗谱拟合方法步骤流程图。图4是一种tin/hfo2/tin结构忆阻器件高、低阻态的直流电流-电压特性曲线图。图5是一种tin/hfo2/tin结构忆阻器件低阻态时阻抗谱实部与虚部随频率变化曲线图。图6是一种tin/hfo2/tin结构忆阻器件高阻态时阻抗谱实部与虚部随频率变化曲线图。图7是一种tin/hfo2/tin结构忆阻器件低阻态阻抗谱的等效电路模型图。图8是一种tin/hfo2/tin结构忆阻器件低阻态阻抗谱的拟合结果图。图9是一种tin/hfo2/tin结构忆阻器件高阻态阻抗谱的等效电路模型图。图10是一种tin/hfo2/tin结构忆阻器件高阻态阻抗谱的拟合结果图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，一种忆阻器件的阻抗谱测试方法，包括以下步骤：步骤1、自制测量夹具，采用是德科技16048h测试夹具，重新组装，具体包括以下子步骤：(a)将16048h测试夹具上的lcur端与lpot端经过t型转换头连接，形成第一个输出端口101；(b)将16048h测试夹具上的hcur端与hpot端经过t型转换头连接，形成第二个输出端口102；(c)将第一个输出端口101经过三同轴转换头连接，形成第三个输出端口103；(d)将第二个输出端口102经过三同轴转换头连接，形成第四个输出端口104，测量夹具自制完成，制作过程连接示意图如图2所示。步骤2、连接阻抗分析仪与测试探针台，将一种tin/hfo2/tin结构忆阻器件放入测试探针台的真空腔室中，再将自制测量夹具的a端与aglient4294a阻抗分析仪相连，自制测量夹具的b端中的103、104输出端口分别与测试探针台相连，通过自制测量夹具实现阻抗分析仪与测试探针台的连接。步骤3、设置阻抗分析仪测量环境，首先对阻抗分析仪初始化，然后进行适配器配置，选择adapter[]-[none]，接着进行补偿校准，包括开路与短路的校准；开路校准：[cal]-fixturecompen-open，openonoff变为openonoff；短路校准：把自制测量夹具与测试探针台连接，将两个探针轻轻触碰，[cal]-fixturecompen-short，shortonoff变为shortonoff。步骤4、忆阻器件低阻态阻抗谱的测试，将测试探针台与keithley4200-scs半导体参数分析仪连接，设置限制电流为0.1na，对被测的tin/hfo2/tin结构忆阻器件施加直流电压0-3v，忆阻器件开启，变为低阻态，如图4中黑色实线所示，再将阻抗分析仪与测试探针台连接，设置交流振荡幅值为100mv，偏压为100mv，设置测试频率范围为40hz-10mhz，具体操作方法为[sweep]-parameter[]-freq-[start]-40hz-[stop]-10m，调节显示方式为r-x，具体操作方法为[display]-[r-x]，最后，通过gpib电缆传输到电脑端采集数据，完成对一种tin/hfo2/tin结构忆阻器件低阻态阻抗谱的测试；一种tin/hfo2/tin结构忆阻器件低阻态时的阻抗谱实部与虚部随频率的变化曲线如图5所示。步骤5、忆阻器件高阻态阻抗谱的测试，将测试探针台与keithley4200-scs半导体参数分析仪连接，对被测的tin/hfo2/tin结构忆阻器件施加直流电压扫描范围为-3-0v，忆阻器件翻转为高阻态，如图4中虚线所示，再将阻抗分析仪与测试探针台连接，设置交流振荡幅值为100mv，偏压为100mv，设置测试频率范围为40hz-20mhz，具体操作方法为[sweep]-parameter[]-freq-[start]-40hz-[stop]-20m，调节显示方式为r-x，具体操作方法为[display]-[r-x]，最后，通过gpib电缆传输到电脑端采集数据，完成对一种tin/hfo2/tin结构忆阻器件高阻态阻抗谱的测试。一种tin/hfo2/tin结构忆阻器件高阻态时的阻抗实部与虚部随频率的变化曲线，如图6所示。如图3所示，一种忆阻器件的阻抗谱拟合方法，包括以下步骤：步骤1、确定忆阻器件阻抗谱的等效电路模型，根据本发明的一种忆阻器件的阻抗谱测试方法，得到的tin/hfo2/tin结构忆阻器件低阻态阻抗谱的测试结果，如图8中的空心圆曲线所示，确定tin/hfo2/tin结构忆阻器件低阻态阻抗谱等效电路模型图，如图7所示，它是由电阻rp和电容cp并联后再与电阻rs1相串联；得到的忆阻器件高阻态阻抗谱的测试结果，如图10中的空心矩形曲线所示，确定tin/hfo2/tin结构忆阻器件高阻态阻抗谱等效电路模型图，如图9所示，它是由并联组件r2c2与并联组件r1c1串联后再与rs2相串联。步骤2、获得忆阻器件阻抗谱等效电路中各元件参数，将本发明的一种忆阻器件的阻抗谱测试方法，测试得到的tin/hfo2/tin结构忆阻器件高、低阻态阻抗谱数据经过zview软件进行拟合，得到忆阻器件高、低阻态阻抗谱等效电路中各元件参数。其中：tin/hfo2/tin结构忆阻器件低阻态阻抗谱等效电路中各元件参数，如表1所示。tin/hfo2/tin结构忆阻器件高阻态阻抗谱等效电路中各元件参数，如表2所示。步骤3、导出步骤2中zview软件内的原始数据与拟合数据到origin中作图，其中：tin/hfo2/tin结构忆阻器件低阻态阻抗谱的拟合结果图，如图8所示，tin/hfo2/tin结构忆阻器件高阻态阻抗谱的拟合结果图，如图10所示。表1元件值拟合误差误差百分比rs1297.43.46031.1635rp612742.1790.688cp2.05e-101.19e-120.251表2元件值误差误差百分比rs2131.713.38710.165r1292.413.8385.7585c16.17e-116.405e-1210.377r2237.280.61933.988c21.77e-096.687e-1037.769当前第1页12