[发明专利]相变存储器单元的脉冲I-V特性测试方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于微电子学技术领域，涉及一种非易失性固态存储器单元的电特性测试方法，具体涉及一种相变存储器单元的脉冲I-V特性测试方法和装置。 

背景技术

相变存储器（PCRAM）是一种非易失性固态存储器，当电源供给中断时仍然能保存已存储的数据。这种存储器中的相变材料（例如Ge2Sb2Te5）能够在晶态与非晶态之间发生可逆转变，通过这两种稳定状态下具有不同的电阻值来记录数据“1”和“0”。图1是相变存储器单元的结构示意图，图2是八单元相变存储器的测试结构示意图。 

在相变随机存储器电学特性的测试领域中，I-V特性曲线是相变存储器单元电学特性的重要特征曲线。通过I-V特性曲线，可以判断所测的相变存储单元是否存在记忆特性，换言之，是否存在在晶态和非晶态之间可逆相变，可以获得从非晶态到晶态转变的阈值电压和阈值电流等。现在，在相变随机存储器测试领域里，一般是采用直流扫描的方式获得相变存储器单元的直流I-V特性曲线，图3a是直流扫描电压的直流I-V曲线示意图，图3b是直流电流扫描的直流I-V曲线示意图，上述两曲线是存储单元直流特性的表征。参见图4，直流扫描的方式是电压或者电流以阶梯状形式对相变单元持续地输入能量，由于相变存储单元具有储热能特性，那么每一个历史台阶产生的 热量对后施加的台阶产生的热量有叠加的影响，即自身热量产生的能量积累效应。这种现象会在两方面对相变存储器的测试造成不利影响：1）改变相变存储器存储单元晶态与非晶态相互转变的方法是由施加短脉冲产生的焦耳热来实现的，直流I-V特性并不能精确表征单元的脉冲特性，换言之，电压脉冲或电流脉冲的宽度也是单元的I-V特性不可或缺的参变量；2）对于微纳尺寸的相变存储器单元而言，直流扫描的每个台阶电压或电流一般持续20ms以上，并且持续到整个阶梯结束，这对于纳秒级即能相变的单元来说时间过长，长时间的电流激励容易对单元造成破坏性的不可逆的损伤，实验证明，经过多次直流I-V测试后大部分样品都会受到损坏，无法继续相变。 

为了表征相变存储单元脉冲作用下的I-V特性和避免因自热对微纳相变存储单元的损坏，需要发明一种适合于两端口的相变存储器以及两端口的微纳电子器件的脉冲I-V特性测试方法和装置，这正是本发明的出发点。 

发明内容

本发明的目的是提供一种相变存储器单元的脉冲I-V特性测试方法，能够精细地表征相变随机存储器单元脉冲作用下的电学特性，避免因直流I-V特性扫描中自热导致的能量积累效应对被测微纳相变存储器件的损坏。 

本发明的另一目的还在于提供实现上述方法的测试装置。 

相变存储器单元的脉冲I-V特性测试方法，具体为： 

将被测相变存储器单元的下电极与CMOS管的漏极串接； 

向CMOS管的栅极施加等幅度等脉宽的脉冲序列，并同时向相变存储器单元的上电极施加由零至设定电压值线性变化的直流扫描电压； 

在脉冲序列的作用下CMOS管周期性地开启和关闭；CMOS管开启时，工作在线性区，此时相变存储器单元两端的电压等值于直流扫描电压，同时通过取样电阻测量得到相变存储器单元的电流；在CMOS管周期性地开启和关闭过程中，实时记录相变存储器单元两端的电压和电流序列值，最终实现脉冲I-V特性的测试。 

进一步地，在I-V特性测试前还包括相变存储器单元的Set/Reset操作测试步骤，具体为： 

读取相变存储器单元的电阻，判断相变存储器单元是否为高阻态； 

如果相变存储器单元为高阻态，则采用直流扫描方式检测相变存储器单元是否有相变曲线，如果有相变曲线，则说明相变存储器单元的Set操作工作正常；或者向相变存储器单元施加Set脉冲，若相变存储器单元回到低阻态，则说明相变存储器单元的Set操作工作正常； 

如果相变存储器单元为低阻态，则向相变存储器单元施加Reset脉冲，若相变存储器单元回到高阻态，则说明相变存储器单元的Reset操作工作正常。 

实现所述的脉冲I-V特性测试方法的测试装置，包括CMOS管、DC模块、脉冲模块、转换器RBT头、示波器、功率分配器和处理器； 

处理器连接脉冲模块的输入端、DC模块的输入端和示波器的输出端，脉冲模块的输出端通过功率分配器连接CMOS管的栅极，CMOS管的漏极连接相变存储器单元的下电极，CMOS管的源极接地；DC模块的输出端连接转换器RBT头的直流激励输入端，转换器RBT头的输出端连接相变存储器单元的上电极；示波器的第一采样通道连接功率分配器，示波器的第二采样通道连接RBT头的交流输入端；