相变存储器器件单元测试系统 - 全文

　　1 引言

　　硫系化合物随机存储器，简称C-RAM。C-RAM单元结构是下电极/相变材料/上电极，其中相变材料是硫系化合物存储介质，较为成熟的是GST(Ge 2Sb2Te5)。其存储的基本原理是通过电极施加不同的脉冲信号可以使相变材料在多晶和非晶之间实现可逆相变，其中非晶电阻比多晶电阻高两个数量级左右。当加一个短而强的脉冲使相变材料温度升高到熔化温度以上 [2]，再经过快速冷却从而实现多晶到非晶的转换，在这里我们称其为写入;当施加一个长而中等强度的脉冲使相变材料温度升到熔化温度之下结晶温度之上，保持一段时间促使晶核生长从而实现非晶到多晶的转换，在这里我们称其为擦;当加一个对相变材料的相位不会产生影响的很弱的脉冲，通过测量C-RAM的电阻值来读取它的状态，在这里我们称其为读[4-5]。因此通过施加不同的脉冲信号可以实现信息的写入、擦除和读出操作。

　　2 设计原理

　　此系统的设计是从电流与电压关系测试、电压与电流关系测试、电阻与写脉冲信号高度关系测试、电阻与写脉冲信号宽度、电阻与擦脉冲信号高度、电阻与擦脉冲信号的宽度、多晶态或非晶态电阻与写擦次数关系测试这7个测试模块出发的。

　　⑴电流-电压关系测试是施加幅度逐渐增加的电压脉冲信号来测量存储单元此时所对应的电流，由于逐渐增加的电压通过存储单元转化为相应的热能，从而实现了相变材料从非晶到多晶的转化，由于非晶和多晶电阻的明显差别在电流-电压曲线上显示了不同斜率的两段曲线，通过此曲线可以研究相变存储器器件的阈值电压、阈值电流、相变前后的电阻特性。

　　⑵电压--电流关系测试是施加幅度逐渐增加的电流脉冲信号来测量存储单元此时所对应的电压，由于同样的原理也可以得到一条具有明显不同斜率的两段曲线，通过此曲线可以研究相变存储器器件的阈值电压、阈值电流、相变前后的电阻特性。

　　⑶电阻与写脉高关系的测试是施加脉冲宽度不变脉冲高度逐渐增加的脉冲信号，当脉高增加到使相变材料电阻从低阻到高阻变化时的脉冲高度正是写脉高的最优参数，从而有利于不同结构、不同材料器件的功耗研究。

　　⑷电阻与写脉宽关系的测试是施加脉冲高度不变脉冲宽度逐渐增加的脉冲信号，当脉宽增加到使相变材料从低阻到高阻变化时的脉冲宽度正是写脉宽的最优参数，从而有利于不同结构、不同材料器件的速度和功耗的研究。

　　⑸电阻与擦脉高的关系测试和电阻与擦脉宽的关系测试也是同样的原理，可以找到相变材料从高阻到低阻变化时脉冲宽度和脉冲高度的最优参数，从而有利于不同结构、不同材料器件的速度和功耗的研究。

　　⑹疲劳特性测试模块是施加一定数量的写擦脉冲信号，再测量施加如此多写擦次数的脉冲信号后相变电阻的大小，如此反复循环进行直到总的写擦次数达到使相变材料电阻发生明显变化，此时总的写擦次数即器件最大的循环寿命，从而有利于不同结构、不同材料器件的多晶态和非晶态的疲劳特性的研究。

　　本文主要是对C-RAM器件单元测试的硬件构成和软件实现，以及实验结果进行论述。

　　3 系统硬件设计

　　针对以上的设计思路设计了一套完整的C-RAM 器件单元测试系统。其硬件由控制计算机、脉冲信号发生器、数字信号源、微控探针台、控制卡、 GPIB卡以及转换连接部件构成，如图1所示。

　　⑴脉冲信号发生器是美国Agilent公司生产的 81104A型号，脉冲信号发生器可以以单通道和双通道两种模式产生单一脉冲或连续脉冲信号，目的是对器件单元进行写擦操作，电流脉冲信号的高度范围是0～400mA，电压脉冲信号的高度范围是0～ 10V，脉冲信号的宽度6.25ns～999.5s。

　　⑵数字信号源是美国Keithley公司生产的2400 型号，其功能是提供电流或电压信号源来测试相应的电压、电流或电阻，其中电流信号源的范围是 50pA～1.05A，电压信号源的范围是5μV～210V，相应的测试电流范围为10pA～1.055A，测试电压的范围是1μV～211V，测试电阻的范围是100μΩ～211MΩ。

　　⑶微控探针台是美国Cascade公司生产的RHM -06型号，微控探针台主要由样品台、探针、光学显微镜、微控旋纽、真空泵等部分组成，其主要功能是提供放置样品的平台和引入脉冲信号与测量信号并施加到样品上。

　　⑷计算机作为主控设备，所有的测试流程全部由计算机上的软件控制。计算机通过一块控制卡实现微控探针台在脉冲信号发生器和数字信号源之间的切换，通过GPIB卡实现对脉冲发生器和阻抗测试设备的控制以及数据的采集和传递，其中脉冲信号发生器、数字信号源、微控探针台均通过一个接线盒与控制卡相连，接线盒保证方便良好的连接以及充分的屏蔽。

　　4 系统软件设计

　　在硬件结构确定下来后接下来是软件设计部分，其采用Microsoft visual C++ 编写出具有Win dows传统的操作界面[6]，结构图如图2所示。软件主要包括实验流程管理模块和数据管理模块。实验流程管理模块主要负责所有实验过程的控制，包括实验参数的各项设置、实验各个控制模块的选择与调度、实验数据的检验与传递等;实验数据管理模块主要负责从各个测试模块中获取测试数据并根据要求进行保存、绘图和编辑。

　　根据C-RAM器件单元测试系统的设计思路主要有7个软件测试模块：写脉宽与电流关系测试模块、写脉高与电流关系测试模块、擦脉宽与电流关系测试模块、擦脉高与电流关系测试模块、疲劳特性测试模块、电流与电压关系测试模块、电压与电流关系测试模块。各模块由实验流程管理模块统一调度。

　　通过控制卡模块实现控制卡的操作即微控台针台在脉冲信号发生器和数字信号源之间切换;通过脉冲发生器控制模块和数字信号源控制模块实现对脉冲信号发生器和数字信号源的控制即对存储器件的写擦和测试;脉冲发生器控制模块和数字信号源控制模块同时与GPIB接口模块通讯即发送和接受各设备的信息;控制卡模块与GPIB接口模块均通过内核层安装好的驱动程序与硬件进行通讯。

　　从图2可以看出，根据测试内容的不同软件测试模块部分可以进行相应的扩展，即软件结构具有可移植性，这是模块化设计的优点。根据图2的软件结构图、各种模块的设计思路，参考硬件结构中各组成器件的说明书，进行软件编程，确认无误后，进行软件和硬件结合的总体调试，直到整个系统调试通过。

　　5 系统测试试验

　　为了验证该器件单元测试系统的测试模块的功能，对C-RAM单元器件进行了测试[7]。图3中的 (a)，(b)，(c)，(d)是电流与电压关系、电压与电流、电阻与写脉高的关系、电阻与写脉宽关系的测试结果。图3(a)中可以知道此存储单元的阈值电压为0.54V;从图 3(b)中可以知道此存储单元的阈值电压为0.46V;从图3(c)中可以知道在写脉宽为30nS固定不变的情况下擦电流为3.5mA时实现了从多晶到非晶的相变;从图3(d)可以知道在写电流为3.5mA固定不变的情况下些脉宽为30nS时实现了从多晶到非晶的相变。这说明C-RAM器件单元测试系统是可靠的，达到了预期的要求。

　　6 结束语

　　C-RAM目前仍在研发阶段，国内外还没有相关的标准测试系统。本系统为器件单元的电学和存储性能(如阈值电压和电流、读/写/擦最佳操作参数、疲劳特性、可靠性等)的表征提供了良好的平台，所有的测试模块已经在研究中得到了应用，提供了必要的实验数据。