一種相變存儲器熱串擾測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種相變存儲器的熱串擾測試方法，該方法利用相變存儲單元中的相變材料本身作為溫度探測器，通過在一個相變存儲單元上施加激勵信號，在另一個相鄰的相變存儲單元上施加測試信號，采集相鄰的相變存儲單元上的響應信號，利用相變材料在不同溫度下電學性能及性質的差異來測量相變存儲單元編程過程中相鄰的單元所受到的熱串擾影響大小，從而對相變存儲器熱串擾穩(wěn)定性進行評估。本發(fā)明適用于一般的相變存儲單元結構，不需要集成其他部件，提高了熱串擾測試的可靠性。
【專利說明】一種相變存儲器熱串擾測試方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子器件領域，更具體地，涉及一種相變存儲器熱串擾測試方法。

【背景技術】
[0002]相變存儲器(PCRAM)是目前發(fā)展最快的一種新型非揮發(fā)性存儲器，它是利用相變材料在晶態(tài)和非晶態(tài)時表征的具有極大差異的電阻值來存儲信息的。在現有的存儲技術中，相變存儲器由于具有高速讀取、高可擦寫次數、抗輻射、非易失性、元件尺寸小、可實現多級存儲、以及與CMOS工藝兼容性好的優(yōu)點，被國際半導體工業(yè)協(xié)會認為最有可能取代目前的閃存存儲器而成為未來存儲器主流產品之一，也是最先可能商用化的下一代存儲器件。
[0003]傳統(tǒng)相變存儲器的編程過程分為寫入過程(RESET)和擦除過程(SET)。寫入過程(RESET)是對相變存儲單元施加一個具有較高幅值，較窄寬度并具有陡峭下降沿的電壓或電流脈沖，在脈沖作用下相變材料的溫度升高到熔點溫度以上，并迅速冷卻至結晶溫度以下，使相變材料處于高阻的非晶態(tài)，記為“I”。擦除過程(SET)是對相變存儲單元施加一個幅度較低脈寬較長的脈沖，使相變材料的溫度升高到晶化溫度與熔點溫度之間并持續(xù)一段時間，脈沖之后相變材料被固定于低阻的晶態(tài)，記為“O”。
[0004]由于相變存儲器是根據熱效應來轉換狀態(tài)工作的，在每次操作的過程中相變存儲單元中心溫度都會達到一個較高的溫度點，熱擴散嚴重的情況下，相鄰單元的溫度可能會直接升高到晶化溫度之上，這時如果該單元處于非晶態(tài)(高阻態(tài))，單元會被部分晶化、阻值降低，甚至降低至晶態(tài)(低阻態(tài))，導致該單元上存儲的數據被擦除。這就是熱串擾所帶來的主要而直接的可靠性問題，這也是熱串擾明顯的表現。即使熱串擾沒有嚴重到直接將單元中存儲的數據擦除，那擴散的熱量讓相鄰單元的溫度升高，帶來的影響也會使單元電學性能或性質產生變化，如set操作時的晶化過程加速、閾值電壓漂移等，具體表現出來就是晶化時間的縮短或者所需set電流/電壓的降低、閾值電壓改變。因此單元與單元之間的熱干擾是不得不考慮的問題，而且隨著存儲容量和存儲密度的不斷提升，相鄰單元之間的距離不斷減小，陣列中單元之間熱串擾的影響將尤為突出。因此，鄰近單元的熱串擾是制約著相變存儲器商用化的一個重要因素。
[0005]但是目前對與相變存儲器單元之間的熱串擾問題的研究還比較少，提出的模型及理論并沒有實驗數據支持，也沒有提出確實的實驗方法來測出熱串擾。因此，對于相變存儲器陣列中的熱串擾的模型及實驗問題有待于進一步深入的研究。


【發(fā)明內容】

[0006]針對現有技術的以上缺陷或技術需求，本發(fā)明的目的在于提供一種相變存儲器的熱串擾測試方法。
[0007]本發(fā)明提供了一種相變存儲器熱串擾的測試方法，其特征在于，分別給相鄰的兩個相變存儲單元施加激勵信號與測試信號，其中一相變存儲單元接收激勵信號，接收測試信號的相鄰相變存儲單元中自身的相變材料作為溫度探測器，獲得該相變存儲單元所受到的來自的相鄰的相變存儲單元的熱串擾下測試信號的響應信號；
[0008]進一步地，所述測試方法包括兩個階段，預測試階段和測試階段；所述預測試階段，對相變存儲單元施加一定數目的激勵信號脈沖，測量相鄰的相變存儲單元的電阻值；所述測試階段，對相變存儲單元施加單個或連續(xù)的激勵信號脈沖脈沖，測量相鄰的相變存儲單元的電學參數；
[0009]其中在執(zhí)行所述預測試階段時，若被施加測試信號的相變存儲器單元的電阻值下降至原電阻值的二分之一以下，則預測試階段不通過，不執(zhí)行測試階段的操作。
[0010]進一步地，所述激勵信號脈沖為相變存儲單元進行正常操作時的RESET脈沖。
[0011]進一步地，所述測試信號和響應信號用來測試得到包括相變存儲單元在不同溫度下的閾值電壓、晶化脈沖幅度、晶化脈沖寬度、晶化時間。
[0012]進一步地，所述預測試階段中，被施加測試信號的相變存儲器單元的初態(tài)電阻值被預先設置為高阻。
[0013]本發(fā)明使用相變存儲器中的相變材料本身作為溫度探測器，利用相變材料在不同溫度下電學性能及性質的差異來測量相變存儲器編程過程中相鄰的單元所受到的熱串擾影響大小，從而對相變存儲器熱串擾穩(wěn)定性進行評估。由于在不同溫度下，相變存儲單元電學性能或性質變化的程度是不同的，因此在相變存儲器工作過程中對相鄰單元電學性能或性質進行測試可以反推出相變存儲單元在熱串擾影響下的溫度變化。
[0014]本發(fā)明適用于一般的相變存儲單元結構，不需要集成其他部件，用于對相變存儲器中的熱串擾問題進行測試。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是根據本發(fā)明的相變存儲器熱串擾測試中的相變存儲單元的示意圖；
[0016]圖2是執(zhí)行本發(fā)明實施例一的相變存儲器熱串擾測試方法的測試裝置示意圖；
[0017]圖3是按照本發(fā)明的相變存儲器熱串擾測試方法操作示意圖；
[0018]圖4是按照本發(fā)明的相變存儲器熱串擾測試方法流程框圖；
[0019]圖5是相變存儲單元在不同溫度下的性能仿真比較圖；
[0020]圖6是按照本發(fā)明的相變存儲器熱串擾測試方法實施例一；
[0021]圖7是按照本發(fā)明的相變存儲器熱串擾測試方法實施例二 ；
[0022]圖8是按照本發(fā)明的相變存儲器熱串擾測試方法實施例三；

【具體實施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]圖1為按照本發(fā)明的熱串擾測試的相鄰的相變存儲單元的結構框圖。圖中包括相變存儲陣列中的兩個相鄰的相變存儲器單元，被編程單元11以及其相鄰單元12。兩個相變存儲器單元均由上電極101、相變材料層102、下電極103構成。對被編程單元11進行激勵信號的施加操作，同時對相鄰單元12進行測試。
[0025]此測試方法其實質就是將相鄰單元12中的存儲材料層102作為溫度感應器，利用相變存儲材料在不同溫度下的電學性能及性質差異，來確定出在相變存儲器工作過程中，被編程單元11產生的熱量對相鄰單元12的影響，并且得出相鄰單元12在此影響下升高的溫度范圍。
[0026]圖2是根據本發(fā)明實施例一的相變存儲器熱串擾測試方法的測試裝置示意圖。測試裝置包括信號產生裝置一 21產生信號源一用以提供激勵信號、信號產生裝置二 22產生信號源二用以提供測試信號、溫控探針臺23、樣品24 ;控制裝置20用來控制信號產生裝置一 21、信號產生裝置二 22發(fā)出所需的激勵或測試信號，以及兩路信號的時序，當然也可由信號產生裝置一 21和信號產生裝置二 22分別控制自己的激勵信號和測試信號的時序，對于激勵信號和測試信號的產生方式和控制方式是本領域技術人員根據現有的控制技術所能夠實現的，在此不再贅述。
[0027]兩路信號產生裝置均集成有脈沖發(fā)生卡、SMU、4200_RBT，可以發(fā)出脈沖信號或直流信號以及其它可以根據測試需要調整的信號；信號產生裝置一 21、信號產生裝置二 22的輸出通過溫控探針臺23分別與樣品24中的被編程單元11以及相鄰單元12的上電極相連，其中信號產生裝置一 21與被編程單元11相連，信號產生裝置二 22與相鄰單元12相連，被編程單元11相鄰單元12的下電極共同接地。
[0028]在熱串擾嚴重時，相變存儲單元的電阻值會有很明顯的變化，而一般情況下，相變存儲單元在熱串擾嚴重時表現不明顯，且測試較復雜，因此將測試分為兩個階段，預測試階段與測試階段，利用這兩個階段，對相變存儲單元的熱串擾的影響進行區(qū)分，預測試階段對于相變存儲器的熱串擾影響做一個初步的判斷，對于熱串擾影響嚴重的，不需要進一步進行測試，而直接被認定為劣質品。
[0029]圖3為按照本發(fā)明的相變存儲器熱串擾測試方法操作示意圖。預測試階段，首先用信號產生裝置二 22產生測試信號將相鄰單元12寫至高阻態(tài)，并讀取電阻值；然后用信號產生裝置一 21對被編程單元11施加連續(xù)的η個寫脈沖，其中寫脈沖的脈寬、間隔、幅值、個數η均可根據需要調節(jié)；脈沖激勵施加完后，再次讀取相鄰單元12的電阻值，若電阻值下降幅度大，則表明熱串擾影響嚴重，一般取下降到原電阻值的幅度的1/2以下。測試階段，首先用信號產生裝置二 22將相鄰單元12寫至高阻態(tài)，并讀取電阻值；然后用信號產生裝置一21對被編程單元11施加連續(xù)的η個寫脈沖，其中寫脈沖的脈寬、間隔、幅值、個數η均可根據需要調節(jié)；在對編程單元11進行操作的同時，對相鄰單元進行測試；為使被編程單元充分加熱，對相鄰單元12的測試操作開始時間相對于連續(xù)寫脈沖的開始時間有一定時延；測試完成后停止對編程單元11施加寫脈沖。對相鄰單元12的測試可以為SET脈沖測試、閾值電壓測試等，每個測試的項目在測試階段之前要在不同溫度下進行測試并記錄數據，用來與測試階段中所得的數據進行對比，以確定相鄰單元達到的大致溫度范圍。圖4是按照本發(fā)明的相變存儲器熱串擾測試方法流程框圖。
[0030]圖5是模擬的相變存儲單元在不同溫度下的性能比較圖；圖中結果為使用HSPICE模型對相變存儲器在不同溫度下所需的SET脈沖寬度進行模擬，結果表明，相變存儲器的性能在不同溫度之下確實會有一定差異，因此驗證了用本發(fā)明來進行熱串擾的測試的可行性。
[0031]圖6是按照本發(fā)明的相變存儲器熱串擾測試方法實施例一；在對編程單元11施加連續(xù)寫脈沖的同時，對相鄰單元12所需的SET脈沖進行測試:在一定的脈寬下確定其幅度或者在一定的幅度下確定其脈寬；測量不同溫度下相變存儲單元的SET脈沖參數進行對比。
[0032]圖7是按照本發(fā)明的相變存儲器熱串擾測試方法實施例二 ；在對編程單元11施加連續(xù)寫脈沖的同時，對相鄰單元12進行IV掃描，以測試出閾值電壓；與不同溫度下相變存儲單元的閾值電壓進行對比。
[0033]圖8是按照本發(fā)明的相變存儲器熱串擾測試方法實施例三；在對編程單元11施加連續(xù)寫脈沖的同時，對相鄰單元12施加一個較小的電流，該電流小于相變存儲器閾值電流和SET脈沖幅值，并檢測單元兩端電壓，電壓降至1/2時停止，記錄時間t ;與不同溫度下的t進行對比。
[0034]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種相變存儲器熱串擾的測試方法，其特征在于，分別給相鄰的兩個相變存儲單元施加激勵信號與測試信號，其中一相變存儲單元接收激勵信號，接受測試信號的相鄰相變存儲單元中自身的相變材料作為溫度探測器，獲得該相變存儲單元所受到的來自的相鄰的相變存儲單元的熱串擾下測試信號的響應信號。
2.如權利要求1所述的相變存儲器熱串擾的測試方法，其特征在于，所述測試方法包括兩個階段，預測試階段和測試階段；所述預測試階段，對相變存儲單元施加一定數目的激勵信號脈沖，測量相鄰的相變存儲單元的電阻值；所述測試階段，對相變存儲單元施加單個或連續(xù)的激勵信號脈沖脈沖，測量相鄰的相變存儲單元的電學參數； 其中在執(zhí)行所述預測試階段時，若被施加測試信號的相變存儲器單元的電阻值下降至原電阻值的二分之一以下，則預測試階段不通過，不執(zhí)行測試階段的操作。
3.如權利要求2中所述的熱串擾測試方法，其特征在于，所述激勵信號脈沖為相變存儲單元進行正常操作時的RESET脈沖。
4.如權利要求1或2所述的熱串擾測試方法，其特征在于，所述測試信號和響應信號用來測試得到包括相變存儲單元在不同溫度下的閾值電壓、晶化脈沖幅度、晶化脈沖寬度、晶化時間。
5.如權利要求2所述的熱串擾測試方法，其特征在于，所述預測試階段中，被施加測試信號的相變存儲器單元的初態(tài)電阻值被預先設置為高阻。
【文檔編號】G11C29/02GK104051021SQ201410256649
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權日:2014年6月10日
【發(fā)明者】李震, 劉暢, 賴志博, 繆向水, 程曉敏 申請人:華中科技大學