相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)及測試方法、相變存儲器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)及測試方法、相變存儲器。
【背景技術(shù)】
[0002]信息技術(shù)的飛速發(fā)展需要大量的高性能存儲器件，低壓、低功耗、高速與高密度是存儲技術(shù)的必然發(fā)展趨勢。相變存儲器(PCRAM,Phase Change Random Access Memory)是在CMOS集成電路基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代非揮發(fā)固態(tài)半導(dǎo)體存儲器，在器件特征尺寸進(jìn)入納米尺度并不斷縮小的過程中，用于存儲的可逆相變材料在更小的納米尺度上反而會表現(xiàn)出更優(yōu)異性能(低功耗、高速等)，因此比商用化的FLASH存儲技術(shù)體現(xiàn)出更優(yōu)越的綜合性能，被公認(rèn)為繼FLASH后存儲技術(shù)的重大突破，在低壓、低功耗、高速和高密度存儲方面具有廣闊的商用前景。
[0003]相變存儲器的基本原理是利用電操作電壓作用于相變電阻上，使相變電阻中的相變材料(如GST)在非晶態(tài)與多晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變，通過分辨非晶態(tài)時(shí)的高阻與多晶態(tài)時(shí)的低阻，可以實(shí)現(xiàn)信息的寫入、擦除和讀出操作。
[0004]相變存儲器的讀、寫、擦操作就是在相變電阻上施加不同寬度和高度的電壓或電流操作電壓:擦操作(RESET)，當(dāng)施加一個(gè)短且強(qiáng)的操作電壓使相變電阻中的相變材料溫度升高到熔點(diǎn)溫度以上后，再經(jīng)過快速冷卻從而實(shí)現(xiàn)相變材料多晶態(tài)到非晶態(tài)的轉(zhuǎn)換，即“0”態(tài)到“1”態(tài)的轉(zhuǎn)換；寫操作(SET)，當(dāng)施加一個(gè)長且中等強(qiáng)度的操作電壓使相變材料溫度升到熔化溫度之下、結(jié)晶溫度之上后，并保持一段時(shí)間促使晶核生長，從而實(shí)現(xiàn)非晶態(tài)到多晶態(tài)的轉(zhuǎn)換，即“1”態(tài)到“0”態(tài)的轉(zhuǎn)換；讀操作(READ)，當(dāng)施加一個(gè)對相變材料的狀態(tài)不會產(chǎn)生影響的很弱的操作電壓后，通過測量相變電阻的電阻值來讀取它的狀態(tài)。
[0005]為了推動相變存儲器的研究進(jìn)程，其器件單元的電學(xué)和存儲性能(如閾值電壓和電流、讀/寫/擦最佳操作參數(shù)、疲勞特性等)的表征是非常重要的。我們通常會設(shè)計(jì)相應(yīng)的相變存儲單元的測試結(jié)構(gòu)(Test Key)，通過測試其中的擦電流來表征相變存儲器器件單元的電學(xué)和存儲性能?，F(xiàn)有相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)至少包括相變電阻，和與相變電阻串聯(lián)的選通管。由于擦電流是擦操作時(shí)通過器件單元的電流，而擦操作是通過對相變電阻施加操作電壓來實(shí)現(xiàn)的，因此需要通過測試擦操作電壓來計(jì)算擦電流。
[0006]而采用現(xiàn)有相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)測試時(shí)，在寫操作完成后，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)擦操作；進(jìn)行擦操作時(shí)，需要先捕捉施加在相變電阻上的擦操作電壓的波形，然后再計(jì)算擦電流。這樣一來，由于相變材料具有很強(qiáng)的記憶能力，每一次寫操作后相變電阻的阻值和后續(xù)擦操作之間具有密切的關(guān)系，且由于每次寫操作完成后相變電阻的阻值都會發(fā)生變化，每次得到的阻值之間相差較大，從而使得對應(yīng)的擦操作完成后相變電阻的阻值均不相同，并且相變電阻中相變材料從晶態(tài)轉(zhuǎn)為非晶態(tài)，其阻值也是動態(tài)變化的，無法十分精確的測得相變電阻的動態(tài)阻值，因此計(jì)算得到的擦電流也不準(zhǔn)確。此外，現(xiàn)有擦電流的測試方法較為復(fù)雜，測試效率也較低。
[0007]為了能夠更好地表征相變存儲器器件單元的電學(xué)和存儲性能，避免擦電流和相變電阻的動態(tài)阻值的測試結(jié)果不準(zhǔn)確，現(xiàn)急需設(shè)計(jì)新的相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)和新的測試方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)及擦電流和動態(tài)阻值的測試方法，以及具有該相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)的相變存儲器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中擦電流和相變電阻的動態(tài)阻值的測試結(jié)果不準(zhǔn)確，測試效率較低，從而影響表征相變存儲器器件單元的電學(xué)和存儲性能的問題。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)，其中，所述相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)至少包括:字線、位線、源線、監(jiān)測線、相變電阻和選通管；
[0010]所述位線連接所述相變電阻的一端，用以向所述相變電阻施加寫或擦操作電壓；
[0011]所述相變電阻的另一端連接所述選通管的一端，所述選通管的另一端連接所述源線，其中，所述源線接地；
[0012]所述字線連接所述選通管的控制端，用以控制所述選通管導(dǎo)通或截止，并向所述選通管施加控制電壓；
[0013]所述監(jiān)測線連接在所述相變電阻和所述選通管之間，用以向所述選通管施加掃描電壓。
[0014]優(yōu)選地，所述選通管為晶體管、二極管或者三極管。
[0015]優(yōu)選地，所述選通管為N型晶體管或P型晶體管。
[0016]本發(fā)明還提供一種相變存儲器，其中，所述相變存儲器至少包括:M個(gè)存儲陣列；其中，Μ為自然數(shù)；每個(gè)存儲陣列至少包括:至少一個(gè)如上所述的相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)。
[0017]本發(fā)明還提供一種相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)擦電流的測試方法，其中，所述相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)擦電流的測試方法至少包括如下步驟:
[0018]步驟S1，提供一如上所述的相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)；
[0019]步驟S2，由所述字線控制所述選通管導(dǎo)通，并通過所述字線向所述選通管施加Ν個(gè)控制電壓；同時(shí)通過所述監(jiān)測線向所述選通管施加掃描電壓；根據(jù)Ν個(gè)控制電壓及其所對應(yīng)的掃描電壓，測量掃描電流，以得到Ν條1-V掃描曲線；在得到Ν條1-V掃描曲線后，由所述字線控制所述選通管截止，同時(shí)停止通過所述監(jiān)測線向所述選通管施加掃描電壓；其中，Ν為自然數(shù)；
[0020]步驟S3，通過所述位線向所述相變電阻施加擦操作電壓，同時(shí)由所述字線控制所述選通管導(dǎo)通，并通過所述字線向所述選通管施加測試控制電壓；測量所述監(jiān)測線的當(dāng)前監(jiān)測電壓；其中，所述操作電壓為脈沖信號，所述測試控制電壓與Ν個(gè)控制電壓中的一個(gè)相同；
[0021 ] 步驟S4，從Ν條1-V掃描曲線中選取所述測試控制電壓對應(yīng)的1-V掃描曲線，根據(jù)所述當(dāng)前監(jiān)測電壓在選取的1-ν掃描曲線上的位置，計(jì)算得到相應(yīng)的擦電流。
[0022]優(yōu)選地，所述步驟S1中，Ν個(gè)控制電壓為由小至大以相同脈沖增幅倍數(shù)增長的脈沖電壓，所述掃描電壓為由零至設(shè)定電壓值之間階梯變化的直流電壓。
[0023]優(yōu)選地，所述步驟S2中，所述監(jiān)測線適于采用示波器測量，以得到所述當(dāng)前監(jiān)測電壓。
[0024]本發(fā)明還提供一種相變電阻動態(tài)阻值的測試方法，其中，所述相變電阻動態(tài)阻值的測試方法至少包括如下步驟:采用如上所述的相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)擦電流的測試方法，得到所述擦電流；所述相變電阻的電壓為所述擦操作電壓和所述當(dāng)前監(jiān)測電壓之差，根據(jù)所述相變電阻的電壓和所述擦電流，通過歐姆定律計(jì)算所述相變電阻的動態(tài)阻值。
[0025]本發(fā)明還提供一種相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)，其中，所述相變存儲單元至少包括:字線，位線，監(jiān)測線，相變電阻以及負(fù)載電阻；
[0026]所述位線連接所述相變電阻的一端，用以向所述相變電阻施加寫或擦操作電壓；
[0027]所述相變電阻的另一端連接所述負(fù)載電阻的一端，所述負(fù)載電阻的另一端連接所述字線，其中，所述字線接地；
[0028]所述監(jiān)測線連接在所述相變電阻和所述負(fù)載電阻之間，用以向所述負(fù)載電阻施加預(yù)置電流或電壓。
[0029]優(yōu)選地，所述字線，所述位線，以及所述監(jiān)測線相互平行設(shè)置。
[0030]優(yōu)選地，所述字線與所述位線之間的距離，和所述位線與所述監(jiān)測線之間的距離相同。
[0031]本發(fā)明還提供一種相變存儲器，其特征在于，所述相變存儲器至少包括:M個(gè)存儲陣列；其中，Μ為自然數(shù)；每個(gè)存儲陣列至少包括:至少一個(gè)如上所述的相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)。
[0032]本發(fā)明還提供一種相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)擦電流的測試方法，其中，所述相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)擦電流的測試方法至少包括如下步驟:
[0033]步驟S1，提供一如上所述的相變存儲單元測試結(jié)構(gòu)；
[0034]步驟S2，通過所述監(jiān)測線向所述負(fù)載電阻施加預(yù)置電流或電壓，測量與所述預(yù)置電流或電壓相應(yīng)的電壓或電流，通過歐姆定律計(jì)算所述負(fù)載電阻的阻值；在得到所述負(fù)載電阻的阻值后，停止通過所述監(jiān)測線向所述負(fù)載電阻施加預(yù)置電流或電壓；
[0035]步驟S3，通過所述位線向所述相變電阻施加操作電壓，測量所述監(jiān)測線的當(dāng)前監(jiān)測電壓，其中，所述操作電壓為脈沖信號；在得到所述當(dāng)前監(jiān)測電壓后，停止通過所述位線向所述相變電阻施加操作電壓；
[0036]步驟S4，通過所述位線向所述相變電阻施加預(yù)置電流或電壓，測量與所述預(yù)置電流或電壓相應(yīng)的電壓或電流，通過歐姆定律計(jì)算所述相變電阻的當(dāng)前阻值；根據(jù)所述相變電阻的當(dāng)前阻值判斷所述相變電阻處于寫狀態(tài)還是擦狀態(tài)；
[0037]步驟S5，在判斷所述相變電阻處于寫狀態(tài)時(shí)，所述操作電壓為寫操作電壓，提升所述操作電壓的脈沖幅度后，重復(fù)步驟S3和步驟S4 ;在判斷所述相變電阻處于擦狀態(tài)時(shí)，所述操作電壓為擦操作電壓，根據(jù)所述當(dāng)前監(jiān)測電壓和所述負(fù)載電阻的阻值，通過歐姆定律計(jì)算得到擦電流。
[0038]優(yōu)選地，所述步驟S3中，所述監(jiān)測線適于采用示波器測量，以得到所述當(dāng)