相變存儲器器件單元測試系統(tǒng)

　　硫系化合物隨機存儲器，簡稱C-RAM。C-RAM單元結(jié)構(gòu)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(zhì)，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(xiàn)可逆相變，其中非晶電阻比多晶電阻高兩個數(shù)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(jīng)過快速冷卻從而實現(xiàn)多晶到非晶的轉(zhuǎn)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(jié)晶溫度之上，保持一段時間促使晶核生長從而實現(xiàn)非晶到多晶的轉(zhuǎn)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(chǎn)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(tài)，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(xiàn)信息的寫入、擦除和讀出操作。

　　2 設計原理

　　此系統(tǒng)的設計是從電流與電壓關(guān)系測試、電壓與電流關(guān)系測試、電阻與寫脈沖信號高度關(guān)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(tài)或非晶態(tài)電阻與寫擦次數(shù)關(guān)系測試這7個測試模塊出發(fā)的。

　?、烹娏?電壓關(guān)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(zhuǎn)化為相應的熱能，從而實現(xiàn)了相變材料從非晶到多晶的轉(zhuǎn)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。

　?、齐妷?-電流關(guān)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。

　?、请娮枧c寫脈高關(guān)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(yōu)參數(shù)，從而有利于不同結(jié)構(gòu)、不同材料器件的功耗研究。

　　⑷電阻與寫脈寬關(guān)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(yōu)參數(shù)，從而有利于不同結(jié)構(gòu)、不同材料器件的速度和功耗的研究。

　?、呻娮枧c擦脈高的關(guān)系測試和電阻與擦脈寬的關(guān)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(yōu)參數(shù)，從而有利于不同結(jié)構(gòu)、不同材料器件的速度和功耗的研究。

　?、势谔匦詼y試模塊是施加一定數(shù)量的寫擦脈沖信號，再測量施加如此多寫擦次數(shù)的脈沖信號后相變電阻的大小，如此反復循環(huán)進行直到總的寫擦次數(shù)達到使相變材料電阻發(fā)生明顯變化，此時總的寫擦次數(shù)即器件最大的循環(huán)壽命，從而有利于不同結(jié)構(gòu)、不同材料器件的多晶態(tài)和非晶態(tài)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(gòu)成和軟件實現(xiàn)，以及實驗結(jié)果進行論述。

　　3 系統(tǒng)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(tǒng)。其硬件由控制計算機、脈沖信號發(fā)生器、數(shù)字信號源、微控探針臺、控制卡、 GPIB卡以及轉(zhuǎn)換連接部件構(gòu)成，如圖1所示。

　?、琶}沖信號發(fā)生器是美國Agilent公司生產(chǎn)的 81104A型號，脈沖信號發(fā)生器可以以單通道和雙通道兩種模式產(chǎn)生單一脈沖或連續(xù)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。

　?、茢?shù)字信號源是美國Keithley公司生產(chǎn)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(chǎn)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。

　?、扔嬎銠C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(xiàn)微控探針臺在脈沖信號發(fā)生器和數(shù)字信號源之間的切換，通過GPIB卡實現(xiàn)對脈沖發(fā)生器和阻抗測試設備的控制以及數(shù)據(jù)的采集和傳遞，其中脈沖信號發(fā)生器、數(shù)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(tǒng)軟件設計

　　在硬件結(jié)構(gòu)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(tǒng)的操作界面[6]，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。軟件主要包括實驗流程管理模塊和數(shù)據(jù)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(shù)的各項設置、實驗各個控制模塊的選擇與調(diào)度、實驗數(shù)據(jù)的檢驗與傳遞等;實驗數(shù)據(jù)管理模塊主要負責從各個測試模塊中獲取測試數(shù)據(jù)并根據(jù)要求進行保存、繪圖和編輯。

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

　　通過控制卡模塊實現(xiàn)控制卡的操作即微控臺針臺在脈沖信號發(fā)生器和數(shù)字信號源之間切換;通過脈沖發(fā)生器控制模塊和數(shù)字信號源控制模塊實現(xiàn)對脈沖信號發(fā)生器和數(shù)字信號源的控制即對存儲器件的寫擦和測試;脈沖發(fā)生器控制模塊和數(shù)字信號源控制模塊同時與GPIB接口模塊通訊即發(fā)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(nèi)核層安裝好的驅(qū)動程序與硬件進行通訊。

　　從圖2可以看出，根據(jù)測試內(nèi)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(jié)構(gòu)具有可移植性，這是模塊化設計的優(yōu)點。根據(jù)圖2的軟件結(jié)構(gòu)圖、各種模塊的設計思路，參考硬件結(jié)構(gòu)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(jié)合的總體調(diào)試，直到整個系統(tǒng)調(diào)試通過。

　　5 系統(tǒng)測試試驗

　　為了驗證該器件單元測試系統(tǒng)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(guān)系、電壓與電流、電阻與寫脈高的關(guān)系、電阻與寫脈寬關(guān)系的測試結(jié)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(xiàn)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(xiàn)了從多晶到非晶的相變。這說明C-RAM器件單元測試系統(tǒng)是可靠的，達到了預期的要求。

　　6 結(jié)束語

　　C-RAM目前仍在研發(fā)階段，國內(nèi)外還沒有相關(guān)的標準測試系統(tǒng)。本系統(tǒng)為器件單元的電學和存儲性能(如閾值電壓和電流、讀/寫/擦最佳操作參數(shù)、疲勞特性、可靠性等)的表征提供了良好的平臺，所有的測試模塊已經(jīng)在研究中得到了應用，提供了必要的實驗數(shù)據(jù)。