相變存儲器器件單元測試系統 - 全文

　　1 引言

　　硫系化合物隨機存儲器，簡稱C-RAM。C-RAM單元結構是下電極/相變材料/上電極，其中相變材料是硫系化合物存儲介質，較為成熟的是GST(Ge 2Sb2Te5)。其存儲的基本原理是通過電極施加不同的脈沖信號可以使相變材料在多晶和非晶之間實現可逆相變，其中非晶電阻比多晶電阻高兩個數量級左右。當加一個短而強的脈沖使相變材料溫度升高到熔化溫度以上 [2]，再經過快速冷卻從而實現多晶到非晶的轉換，在這里我們稱其為寫入;當施加一個長而中等強度的脈沖使相變材料溫度升到熔化溫度之下結晶溫度之上，保持一段時間促使晶核生長從而實現非晶到多晶的轉換，在這里我們稱其為擦;當加一個對相變材料的相位不會產生影響的很弱的脈沖，通過測量C-RAM的電阻值來讀取它的狀態，在這里我們稱其為讀[4-5]。因此通過施加不同的脈沖信號可以實現信息的寫入、擦除和讀出操作。

　　2 設計原理

　　此系統的設計是從電流與電壓關系測試、電壓與電流關系測試、電阻與寫脈沖信號高度關系測試、電阻與寫脈沖信號寬度、電阻與擦脈沖信號高度、電阻與擦脈沖信號的寬度、多晶態或非晶態電阻與寫擦次數關系測試這7個測試模塊出發的。

　　⑴電流-電壓關系測試是施加幅度逐漸增加的電壓脈沖信號來測量存儲單元此時所對應的電流，由于逐漸增加的電壓通過存儲單元轉化為相應的熱能，從而實現了相變材料從非晶到多晶的轉化，由于非晶和多晶電阻的明顯差別在電流-電壓曲線上顯示了不同斜率的兩段曲線，通過此曲線可以研究相變存儲器器件的閾值電壓、閾值電流、相變前后的電阻特性。

　　⑵電壓--電流關系測試是施加幅度逐漸增加的電流脈沖信號來測量存儲單元此時所對應的電壓，由于同樣的原理也可以得到一條具有明顯不同斜率的兩段曲線，通過此曲線可以研究相變存儲器器件的閾值電壓、閾值電流、相變前后的電阻特性。

　　⑶電阻與寫脈高關系的測試是施加脈沖寬度不變脈沖高度逐漸增加的脈沖信號，當脈高增加到使相變材料電阻從低阻到高阻變化時的脈沖高度正是寫脈高的最優參數，從而有利于不同結構、不同材料器件的功耗研究。

　　⑷電阻與寫脈寬關系的測試是施加脈沖高度不變脈沖寬度逐漸增加的脈沖信號，當脈寬增加到使相變材料從低阻到高阻變化時的脈沖寬度正是寫脈寬的最優參數，從而有利于不同結構、不同材料器件的速度和功耗的研究。

　　⑸電阻與擦脈高的關系測試和電阻與擦脈寬的關系測試也是同樣的原理，可以找到相變材料從高阻到低阻變化時脈沖寬度和脈沖高度的最優參數，從而有利于不同結構、不同材料器件的速度和功耗的研究。

　　⑹疲勞特性測試模塊是施加一定數量的寫擦脈沖信號，再測量施加如此多寫擦次數的脈沖信號后相變電阻的大小，如此反復循環進行直到總的寫擦次數達到使相變材料電阻發生明顯變化，此時總的寫擦次數即器件最大的循環壽命，從而有利于不同結構、不同材料器件的多晶態和非晶態的疲勞特性的研究。

　　本文主要是對C-RAM器件單元測試的硬件構成和軟件實現，以及實驗結果進行論述。

　　3 系統硬件設計

　　針對以上的設計思路設計了一套完整的C-RAM 器件單元測試系統。其硬件由控制計算機、脈沖信號發生器、數字信號源、微控探針臺、控制卡、 GPIB卡以及轉換連接部件構成，如圖1所示。

　　⑴脈沖信號發生器是美國Agilent公司生產的 81104A型號，脈沖信號發生器可以以單通道和雙通道兩種模式產生單一脈沖或連續脈沖信號，目的是對器件單元進行寫擦操作，電流脈沖信號的高度范圍是0～400mA，電壓脈沖信號的高度范圍是0～ 10V，脈沖信號的寬度6.25ns～999.5s。

　　⑵數字信號源是美國Keithley公司生產的2400 型號，其功能是提供電流或電壓信號源來測試相應的電壓、電流或電阻，其中電流信號源的范圍是 50pA～1.05A，電壓信號源的范圍是5μV～210V，相應的測試電流范圍為10pA～1.055A，測試電壓的范圍是1μV～211V，測試電阻的范圍是100μΩ～211MΩ。

　　⑶微控探針臺是美國Cascade公司生產的RHM -06型號，微控探針臺主要由樣品臺、探針、光學顯微鏡、微控旋紐、真空泵等部分組成，其主要功能是提供放置樣品的平臺和引入脈沖信號與測量信號并施加到樣品上。

　　⑷計算機作為主控設備，所有的測試流程全部由計算機上的軟件控制。計算機通過一塊控制卡實現微控探針臺在脈沖信號發生器和數字信號源之間的切換，通過GPIB卡實現對脈沖發生器和阻抗測試設備的控制以及數據的采集和傳遞，其中脈沖信號發生器、數字信號源、微控探針臺均通過一個接線盒與控制卡相連，接線盒保證方便良好的連接以及充分的屏蔽。

　　4 系統軟件設計

　　在硬件結構確定下來后接下來是軟件設計部分，其采用Microsoft visual C++ 編寫出具有Win dows傳統的操作界面[6]，結構圖如圖2所示。軟件主要包括實驗流程管理模塊和數據管理模塊。實驗流程管理模塊主要負責所有實驗過程的控制，包括實驗參數的各項設置、實驗各個控制模塊的選擇與調度、實驗數據的檢驗與傳遞等;實驗數據管理模塊主要負責從各個測試模塊中獲取測試數據并根據要求進行保存、繪圖和編輯。

　　根據C-RAM器件單元測試系統的設計思路主要有7個軟件測試模塊：寫脈寬與電流關系測試模塊、寫脈高與電流關系測試模塊、擦脈寬與電流關系測試模塊、擦脈高與電流關系測試模塊、疲勞特性測試模塊、電流與電壓關系測試模塊、電壓與電流關系測試模塊。各模塊由實驗流程管理模塊統一調度。

　　通過控制卡模塊實現控制卡的操作即微控臺針臺在脈沖信號發生器和數字信號源之間切換;通過脈沖發生器控制模塊和數字信號源控制模塊實現對脈沖信號發生器和數字信號源的控制即對存儲器件的寫擦和測試;脈沖發生器控制模塊和數字信號源控制模塊同時與GPIB接口模塊通訊即發送和接受各設備的信息;控制卡模塊與GPIB接口模塊均通過內核層安裝好的驅動程序與硬件進行通訊。

　　從圖2可以看出，根據測試內容的不同軟件測試模塊部分可以進行相應的擴展，即軟件結構具有可移植性，這是模塊化設計的優點。根據圖2的軟件結構圖、各種模塊的設計思路，參考硬件結構中各組成器件的說明書，進行軟件編程，確認無誤后，進行軟件和硬件結合的總體調試，直到整個系統調試通過。

　　5 系統測試試驗

　　為了驗證該器件單元測試系統的測試模塊的功能，對C-RAM單元器件進行了測試[7]。圖3中的 (a)，(b)，(c)，(d)是電流與電壓關系、電壓與電流、電阻與寫脈高的關系、電阻與寫脈寬關系的測試結果。圖3(a)中可以知道此存儲單元的閾值電壓為0.54V;從圖 3(b)中可以知道此存儲單元的閾值電壓為0.46V;從圖3(c)中可以知道在寫脈寬為30nS固定不變的情況下擦電流為3.5mA時實現了從多晶到非晶的相變;從圖3(d)可以知道在寫電流為3.5mA固定不變的情況下些脈寬為30nS時實現了從多晶到非晶的相變。這說明C-RAM器件單元測試系統是可靠的，達到了預期的要求。