相變存儲(chǔ)器器件單元測(cè)試系統(tǒng)

　　硫系化合物隨機(jī)存儲(chǔ)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(chǔ)介質(zhì)，較為成熟的是GST(Ge 2Sb2Te5)。其存儲(chǔ)的基本原理是通過電極施加不同的脈沖信號(hào)可以使相變材料在多晶和非晶之間實(shí)現(xiàn)可逆相變，其中非晶電阻比多晶電阻高兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右。當(dāng)加一個(gè)短而強(qiáng)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(shí)現(xiàn)多晶到非晶的轉(zhuǎn)換，在這里我們稱其為寫入;當(dāng)施加一個(gè)長而中等強(qiáng)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(shí)間促使晶核生長從而實(shí)現(xiàn)非晶到多晶的轉(zhuǎn)換，在這里我們稱其為擦;當(dāng)加一個(gè)對(duì)相變材料的相位不會(huì)產(chǎn)生影響的很弱的脈沖，通過測(cè)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(hào)可以實(shí)現(xiàn)信息的寫入、擦除和讀出操作。

　　2 設(shè)計(jì)原理

　　此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是從電流與電壓關(guān)系測(cè)試、電壓與電流關(guān)系測(cè)試、電阻與寫脈沖信號(hào)高度關(guān)系測(cè)試、電阻與寫脈沖信號(hào)寬度、電阻與擦脈沖信號(hào)高度、電阻與擦脈沖信號(hào)的寬度、多晶態(tài)或非晶態(tài)電阻與寫擦次數(shù)關(guān)系測(cè)試這7個(gè)測(cè)試模塊出發(fā)的。

　?、烹娏?電壓關(guān)系測(cè)試是施加幅度逐漸增加的電壓脈沖信號(hào)來測(cè)量存儲(chǔ)單元此時(shí)所對(duì)應(yīng)的電流，由于逐漸增加的電壓通過存儲(chǔ)單元轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱能，從而實(shí)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(chǔ)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(cè)試是施加幅度逐漸增加的電流脈沖信號(hào)來測(cè)量存儲(chǔ)單元此時(shí)所對(duì)應(yīng)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(chǔ)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(cè)試是施加脈沖寬度不變脈沖高度逐漸增加的脈沖信號(hào)，當(dāng)脈高增加到使相變材料電阻從低阻到高阻變化時(shí)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。

　?、入娮枧c寫脈寬關(guān)系的測(cè)試是施加脈沖高度不變脈沖寬度逐漸增加的脈沖信號(hào)，當(dāng)脈寬增加到使相變材料從低阻到高阻變化時(shí)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(cè)試和電阻與擦脈寬的關(guān)系測(cè)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(shí)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(cè)試模塊是施加一定數(shù)量的寫擦脈沖信號(hào)，再測(cè)量施加如此多寫擦次數(shù)的脈沖信號(hào)后相變電阻的大小，如此反復(fù)循環(huán)進(jìn)行直到總的寫擦次數(shù)達(dá)到使相變材料電阻發(fā)生明顯變化，此時(shí)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(duì)C-RAM器件單元測(cè)試的硬件構(gòu)成和軟件實(shí)現(xiàn)，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行論述。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　針對(duì)以上的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)了一套完整的C-RAM 器件單元測(cè)試系統(tǒng)。其硬件由控制計(jì)算機(jī)、脈沖信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字信號(hào)源、微控探針臺(tái)、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(hào)發(fā)生器是美國Agilent公司生產(chǎn)的 81104A型號(hào)，脈沖信號(hào)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(hào)，目的是對(duì)器件單元進(jìn)行寫擦操作，電流脈沖信號(hào)的高度范圍是0～400mA，電壓脈沖信號(hào)的高度范圍是0～ 10V，脈沖信號(hào)的寬度6.25ns～999.5s。

　?、茢?shù)字信號(hào)源是美國Keithley公司生產(chǎn)的2400 型號(hào)，其功能是提供電流或電壓信號(hào)源來測(cè)試相應(yīng)的電壓、電流或電阻，其中電流信號(hào)源的范圍是 50pA～1.05A，電壓信號(hào)源的范圍是5μV～210V，相應(yīng)的測(cè)試電流范圍為10pA～1.055A，測(cè)試電壓的范圍是1μV～211V，測(cè)試電阻的范圍是100μΩ～211MΩ。

　　⑶微控探針臺(tái)是美國Cascade公司生產(chǎn)的RHM -06型號(hào)，微控探針臺(tái)主要由樣品臺(tái)、探針、光學(xué)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(tái)和引入脈沖信號(hào)與測(cè)量信號(hào)并施加到樣品上。

　?、扔?jì)算機(jī)作為主控設(shè)備，所有的測(cè)試流程全部由計(jì)算機(jī)上的軟件控制。計(jì)算機(jī)通過一塊控制卡實(shí)現(xiàn)微控探針臺(tái)在脈沖信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字信號(hào)源之間的切換，通過GPIB卡實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖發(fā)生器和阻抗測(cè)試設(shè)備的控制以及數(shù)據(jù)的采集和傳遞，其中脈沖信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字信號(hào)源、微控探針臺(tái)均通過一個(gè)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(shè)計(jì)

　　在硬件結(jié)構(gòu)確定下來后接下來是軟件設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)流程管理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊。實(shí)驗(yàn)流程管理模塊主要負(fù)責(zé)所有實(shí)驗(yàn)過程的控制，包括實(shí)驗(yàn)參數(shù)的各項(xiàng)設(shè)置、實(shí)驗(yàn)各個(gè)控制模塊的選擇與調(diào)度、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)與傳遞等;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)從各個(gè)測(cè)試模塊中獲取測(cè)試數(shù)據(jù)并根據(jù)要求進(jìn)行保存、繪圖和編輯。

　　根據(jù)C-RAM器件單元測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路主要有7個(gè)軟件測(cè)試模塊：寫脈寬與電流關(guān)系測(cè)試模塊、寫脈高與電流關(guān)系測(cè)試模塊、擦脈寬與電流關(guān)系測(cè)試模塊、擦脈高與電流關(guān)系測(cè)試模塊、疲勞特性測(cè)試模塊、電流與電壓關(guān)系測(cè)試模塊、電壓與電流關(guān)系測(cè)試模塊。各模塊由實(shí)驗(yàn)流程管理模塊統(tǒng)一調(diào)度。

　　通過控制卡模塊實(shí)現(xiàn)控制卡的操作即微控臺(tái)針臺(tái)在脈沖信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字信號(hào)源之間切換;通過脈沖發(fā)生器控制模塊和數(shù)字信號(hào)源控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字信號(hào)源的控制即對(duì)存儲(chǔ)器件的寫擦和測(cè)試;脈沖發(fā)生器控制模塊和數(shù)字信號(hào)源控制模塊同時(shí)與GPIB接口模塊通訊即發(fā)送和接受各設(shè)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(dòng)程序與硬件進(jìn)行通訊。

　　從圖2可以看出，根據(jù)測(cè)試內(nèi)容的不同軟件測(cè)試模塊部分可以進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展，即軟件結(jié)構(gòu)具有可移植性，這是模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)圖2的軟件結(jié)構(gòu)圖、各種模塊的設(shè)計(jì)思路，參考硬件結(jié)構(gòu)中各組成器件的說明書，進(jìn)行軟件編程，確認(rèn)無誤后，進(jìn)行軟件和硬件結(jié)合的總體調(diào)試，直到整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試通過。

　　5 系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)

　　為了驗(yàn)證該器件單元測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試模塊的功能，對(duì)C-RAM單元器件進(jìn)行了測(cè)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(cè)試結(jié)果。圖3(a)中可以知道此存儲(chǔ)單元的閾值電壓為0.54V;從圖 3(b)中可以知道此存儲(chǔ)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(shí)實(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)了從多晶到非晶的相變。這說明C-RAM器件單元測(cè)試系統(tǒng)是可靠的，達(dá)到了預(yù)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)。本系統(tǒng)為器件單元的電學(xué)和存儲(chǔ)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(tái)，所有的測(cè)試模塊已經(jīng)在研究中得到了應(yīng)用，提供了必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。