T-CSTM 01003-2023 相变存储器电性能测试方法

Measurementmethodsforelectricalproperties2023-03-07发布2023-I 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国材料与试验标准化委员会基础与共性技术标准化领域委员会（CSTM/FC00本文件由中国材料与试验标准化委员会基础与共性技术标准化领域委员会（CSTM/FC00器件性能测试包括电流-电压特性、存储窗口、置位时间、置位电压、复位时间、复位电压、功耗；器1相变存储器电性能测试方法能测试包括电流-电压特性、存储窗口、置位时间、置位电压、复位时间、复位电压、功耗；器件可靠GB/T33657纳米技术晶圆级纳米尺度相变存储单元电学操作参数测元阻值降低，即置1操作。使相变存储器件置入不表示零的规定状态的置通常施加一个宽度较窄而幅度较高的电脉冲，电能转变成热能,使相变材料温度迅速升高到熔化温向非晶态的转化，进而实现相变存储单元阻值升高，即置0操作。使相变存储器件恢复到规定的不必一2使相变材料的温度上升到结晶温度以上。读取相变存储单元存储状态的操直流电流—电压特性dccurrent-加速测试和数据统计预测其可靠性。相变存储器的数据保持力可以通过高温累积实验进行测量。根据3Arrhenius模型，在高温环境下， （1）4仪器与组网4.1测试系统组成探针台或者测试夹具和温度测试系统。整个测试系统需在校准有效期4.2源测量单元操作。它能够为相变存储单元提供I-V及脉冲相关的电特性测试。用户可通过操作界面对测试项目进行4.2.2测试相变存储器所使用的源测量单元，其电压源输出范围应不小于±10V，μV；电流源输出范围不小于±100mA，电流测量分辨率1nA，4.3信号发生器出电压范围在开路负载时不小于±10V，输出脉冲最小宽度10ns，上升/下降沿不大于10ns4.4探针台4变存储器单元）的平台并引入操作脉冲信号和测量信号施加到测试样品上。探针台需具备以下特数字示波器及探头技术参数需符合测试平台的要求，对相变存储器单元的动态过程进行湿度65%RH。相变存储器直流电流-电压特性通过施加电流扫描，测试相变存储器两端电压的方式来获得。电流扫描过程如图2所示，所施加直流电流从0μA压发生突变；对于初始状态为晶态的相变单元，直流I-V特性通常为单调递增的2）将待测对象接入图1所示的测试系统中；5电流的方法，过程中应确保输出电压≤0.1V，以防止相变单元电阻发生改变，记录此时相变单元电阻4）施加复位脉冲对选择的器件单元进行RESET操作，使其处于高阻状态10V，脉冲上升/下降沿不大于10ns；5）直流电流扫描过程如图2所示，其中初始电流和终止电流可根据待测样品适当调节，通常6）最后由源测量单元进行数据分析取得初始态为非晶7）重复步骤7.1.2.5)和7.1.2.6)，得到晶态的I2）将待测对象接入图1所示的测试系统中；3）对选择的器件单元进行直流电流扫描，扫描范围需大于其阈值电流，使样品处于较低的阻值状4）设置信号发生器输出连续的方波脉冲，脉冲的电压幅值从0V开始以0.2V步进逐渐增加，将脉5）根据测试数据画出电压-电阻曲线，如图4所示。其中，当阻值变化到较高阻值区间且不再明显6）对图4中的曲线进行分段线性拟合，选取其中低阻向高阻跳变后连续5个点平均值作为存储器的高阻值RH；类似地，在低阻态区域选取连续5个点平均值作为低阻值RL，按照以下公式（2）计算得到存储窗口W。W=RH/RL6记录如图4所示的测试曲线及根据公式（2）计算得到的相变存储器存储窗口W。如图5所示，在某一固定置位幅值下逐渐增大脉冲的宽度，施加在初始态为非晶态的相变存储单元2）将待测对象接入图1所示的测试系统中；3）对选择的器件单元先进行RESET操作，使其处于高冲宽度。测试记录每次施加脉冲后器件阻值的数值冲幅值下的最小有效置位时间，记为tSET。记录如图6所示的测试曲线及相变存储器置位时间tSET。7如图7所示，在某一固定脉冲宽度下逐渐提高脉冲的电压幅值，施加在初始态为非晶态的相变存储2）将待测对象接入图1所示的测试系统中；3）对选择的器件单元先进行RESET操作，使其处于高4）设定信号发生器的初始电压脉冲宽度为固定值200ns，上升/下初始电压宽度不同，通常为50ns~500ns；5）控制电压幅值从0V逐渐增加到1.5V，步进0.1V，作用于器件单元。不同规格适用的脉冲幅值冲宽度下的最小有效置位电压，记为VSET。记录如图8所示的测试曲线及相变存储器置位电压VSET。8如图9所示，在某一固定幅值下逐渐增大脉冲的宽度，施加在初始态为晶态的相变存储单元上，在2）将待测对象接入图1所示的测试系统中；3）对选择的器件单元先进行SET操作，使其处于低4）设定信号发生器的初始电压脉冲幅值为3V。不同规格适用的脉冲幅值不同，通常为1V~5V；单元。测试记录每次施加脉冲后器件电阻的6）对图10中曲线进行分段线性拟合，转变为高阻态时交点位置所对应的脉冲宽度就是该恒定复位脉冲幅值下的最小有效复位时间，记为tRESET。记录如图10所示的测试曲线及相变存储器复位时间tRESET。92）将待测对象接入图1所示的测试系统中；3）对选择的器件单元先进行SET操作，使其处于低4）设定信号发生器的初始电压脉冲宽度为固定值40nsns~150ns；脉冲宽度下的最小有效复位电压，记为VRESET。记录如图12所示的测试曲线及相变存储器复位电压VRESET。P-置位/复位操作能耗；PSET=（VSET2/R）×tSET（4）PSET-置位操作功耗；R-器件单元在施加VSET对应的电阻值；tSET-器件对应的置位脉冲宽度。PRESET=（VRESET2/R）×tRESET（5）PRESET-复位操作功耗；VRESET-最小复位电压；R-器件单元在施加VRESET对应的电阻值；tRESET-器件对应的复位脉冲宽度。——复位脉冲宽度tRESET;——复位脉冲幅值VRESET;——置位脉冲宽度tSET;——置位脉冲幅值VSET。2）将待测对象接入图1所示的测试系统中；周期时，每隔10i次循环周期对器件读取一次高低阻值(i=0,1,2…4）器件在经历若干SET和RESET操作脉冲后，其高低阻值窗口W已小于10，表明器件已经失效，此时其经历的SET和RESET操作次数N即为此器件环境下，累积测试存储单元的失效时间，温度与累积时间适合于Arrhenius方程，如样品阻值降低至低于存储窗口时该温度下样品的数据保持时3）绘制如图15所示的失效时间拟合曲线，基于Arrhenius方程t=τexp(Ea/kBT)，将所得到的温度和失效时间数据放入（t-1/T）坐标系中，其中纵轴为时间，横轴为温度横坐标85℃位置，对应的纵坐标时间即为样品的数据保持时间tretention85℃。A.1样品处理A.2仪器自检按照图1所示的设备组网图搭建好电性能测试系统，并完成主要设备的自检操作，确保仪器可正常A.3性能测试过程3）在测试仪中得到其I-V曲线，完成直流电流-电压特性测试；6）测试记录每次施加脉冲后器件电阻的变化，并画出电压-电阻曲线，完成存储窗口特8）设定信号发生器初始脉冲宽度为40ns，电压幅值从0V逐渐增加到4V，作用在样品上；9）测试记录每次施加脉冲后器件电阻的变化，并画出电压-电阻曲线，完成复位电压特性12）测试记录每次施加脉冲后器件电阻的变化，并画出脉冲宽度-电阻曲线，完成复位时间特性测18）测试记录每次施加脉冲后器件电阻的变化，并画出脉冲宽度-电阻曲线，完成置位时间特性测A.4可靠性测试过程4）开始计时，同时多次测量样品的电阻，直至电阻降低至某一数值并且不再发生变化，绘制该温5）改变温度，重复上一步骤，获得不同温度下样品电阻随时间的变化曲线，完成数据保持时间测A.5数据处理A.5.1图A.1是通过步骤A.3.3）得到的I-V特性曲线，标出其相态转换点即其阈值，当电态区域选取低阻值RL，计算存储窗口W。样品单元在40ns脉冲宽度条件下所对应的最小有效复位脉冲电压VRES图A.4幅值为5V下单元阻值与复位脉冲宽度关系曲线在循环到5×104次数时，相变存储单元的晶体电阻已经发生严其经历的SET和RESET操作次数5×104即为此器件的复位置t=τexp(Ea/kB