一种阻变随机存储器瞬态稳定性的测试方法与流程

[0001]
本发明涉及半导体存储测试技术领域，尤其涉及一种阻变随机存储器瞬态稳定性的测试方法。


背景技术：

[0002]
信息技术的快速发展使得芯片所需处理的数据量及其复杂程度呈现指数型上升，对电子器件的存储、计算等性能提出了更高的要求。阻变随机存储器具有功耗低、存储密度高、结构简单、与cmos器件兼容等优点，被认为是最具有应用前景的新型非挥发性存储器之一。在实际应用过程中，阻变随机存储器面临的最大挑战之一是其器件阻态的稳定性，阻态的稳定性会影响数据存储的准确性。
[0003]
目前，阻变随机存储器的阻态稳定性测试主要包括阻态的波动性及保持时间。这些测试主要关注阻变随机存储器在多次循环或较长时间内的阻态稳定性。然而，随着阻变随机存储器在神经形态计算领域的逐渐应用，其短时间内的阻态稳定性尤为重要。特别是在阻变随机存储器的阻态写入后的短时间内(<1秒)，由于电导弛豫效应与随机电报噪声的影响，其阻态会出现较大的波动，如图1所示。当阻变随机存储器用于构建神经网络参与计算时，如图2所示，这种弛豫现象会极大地影响神经网络映射的准确度，导致识别精度下降，如图3所示。因此，如何测试阻变随机存储器的瞬态稳定性对于抑制器件的阻态波动性以及阻变随机存储器在神经网络中的应用具有重要的意义。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是提出一种阻变随机存储器瞬态稳定性的测试方法，针对阻变随机存储器存在的阻态写入后短时间电导大幅波动的现象，对阻变随机存储器瞬态稳定性进行测试，快速、方便地获取阻变随机存储器在不同温度下的瞬态稳定性，有利于后续进一步提高器件的阻态稳定性。
[0005]
本发明提出的阻变随机存储器瞬态稳定性的测试方法，包括以下步骤：
[0006]
(1)使用一个激活信号v0，对阻变随机存储器进行激活操作，在阻变随机存储器中形成导电细丝；
[0007]
其中的激活信号v0为直流信号或脉冲信号，其中脉冲信号的幅值范围为0到5伏特，脉冲宽度范围为100纳秒到100微秒，直流信号的幅值范围为0到4伏特；形成导电细丝是指阻变随机存储器达到低阻态，使阻变随机存储器的电阻值小于100千欧姆；
[0008]
(2)对阻变随机存储器施加多组工作信号v1，工作信号为方波脉冲信号，每组工作信号包括一个正向电压与一个负向电压，正向电压的幅值范围为0到4伏特，持续时间范围为1毫秒到1秒，负向电压范围为0到-4伏特，持续时间范围为1毫秒到1秒，施加正向电压后读取阻变随机存储器的电阻值，记为低阻态电阻值，施加负向电压后读取阻变随机存储器的电阻值，记为高阻态电阻值，施加一组工作信号后，当前后两次读取的高阻态电阻值的差值小于前次读取的高阻态电阻值的5％，且前后两次读取的低阻态电阻值的差值小于前次
读取的低阻态电阻值的5％时，认为阻变随机存储器为合格状态，重复本步骤，当连续施加10组以上工作信号v1时阻变随机存储器都处于合格状态，则认为阻变随机存储器达到了稳定状态；
[0009]
(3)设置一个测试温度t1；
[0010]
(4)阻变随机存储器在步骤(2)中达到稳定状态后，设定一个待测的电导值g0，g0的范围在阻变随机存储器的高阻态电阻值和低阻态电阻值之间，设定一个电导波动阈值λ，对阻变随机存储器的瞬态稳定性进行测量，具体过程如下：
[0011]
(4-1)对阻变随机存储器施加一个激励信号v2，激励信号为方波脉冲信号，方波脉冲信号的幅值范围为0.3～0.7伏特、持续时间为10毫秒～1微秒；
[0012]
(4-2)间隔10毫秒后，对阻变随机存储器施加一个读取信号v3，读取信号为方波脉冲信号，方波脉冲信号的幅值为0.1伏特，方波脉冲信号的持续时间为10毫秒；
[0013]
(4-3)读取阻变随机存储器的电导值g1，根据电导值g0与电导波动阈值λ，对电导值g1进行判断，若g0+λ≥g1≥g
0-λ，则进行步骤(5)，若g1<g
0-λ，则进行步骤(4-4)；若g1>g0+λ，则进行步骤(4-6)；
[0014]
(4-4)以0.1伏特的差值，增加激励信号，即对阻变随机存储器施加一个激励信号该激励信号的幅值范围为0.4到0.8伏特、持续时间为10毫秒的方波脉冲信号，间隔10毫秒后，施加一个幅值为0.1伏特，持续时间为10毫秒的方波脉冲；读取阻变随机存储器的电导值g2；
[0015]
(4-5)根据电导值g0与波动阈值λ，对电导值g2进行判断，若g0+λ≥g2≥g
0-λ，则进行步骤(5)，若g2<g
0-λ，则返回步骤(4-4)；若g2>g0+λ，则进行步骤(4-6)；
[0016]
(4-6)对阻变随机存储器施加反向的激励信号-v2，激励信号为方波脉冲信号，方波脉冲信号的幅值范围为-0.3到-0.7伏特、持续时间为10毫秒到1微秒，间隔10毫秒后，对阻变随机存储器施加一个读取信号v3，读取信号为方波脉冲信号，方波脉冲信号的幅值为0.1伏特，方波脉冲信号的持续时间为10毫秒，读取阻变随机存储器的电导值g3；
[0017]
(4-7)根据电导值g0与波动阈值λ，对电导值g3进行判断，若g0+λ≥g3≥g
0-λ，则进行步骤(5)，若g3<g
0-λ，则返回步骤(4-4)，若g3>g0+λ，则返回步骤(4-6)；
[0018]
(4-8)以-0.1伏特的差值，增加反向激励信号-v2，即对阻变随机存储器施加一个激励信号，该激励信号的幅值范围为-0.4到-0.8伏特、持续时间为10毫秒的方波脉冲信号，间隔10毫秒后，施加一个幅值为0.1伏特，持续时间为10毫秒的方波脉冲，读取阻变随机存储器的电导值g4；
[0019]
(4-9)根据电导值g0与波动阈值λ，对电导值g4进行判断，若g0+λ≥g4≥g
0-λ，则进行步骤(5)，若g4<g
0-λ，则返回步骤(4-4)，若g4>g0+λ，则返回步骤(4-8)；
[0020]
(4-10)重复步骤(4-4)到步骤(4-7)，直至阻变随机存储器的电导值介于g
0-λ与g0+λ之间，进行步骤(5)；
[0021]
(5)计算阻变随机存储器的瞬态稳定性，具体过程如下：
[0022]
(5-1)对步骤(4)的阻变随机存储器施加多个幅值为0.1伏特、时间间隔为10毫秒的方波脉冲信号，多个脉冲信号的总持续时间为1秒，分别记录阻变随机存储器在0到1秒范围内的所有电导值g
i
，i代表测试的序号；
[0023]
(5-2)利用下式分别计算0到1秒范围内实际电导值g
i
与步骤(2)的待测电导值g0绝
对差值的标准差σ：
[0024][0025]
其中，g
i
代表测量期间阻变随机存储器的实际测量的电导值，i代表测试的序号，n为步骤5中施加方波脉冲信号测试的次数，g0为阻变随机存储器的待测电导值；
[0026]
(5-3)设定一个标准差σ的阈值ζ，对步骤(5-2)的标准差σ进行判断，若标准差σ≤阈值ζ，则判定在设定温度t1下，阻变随机存储器的电导值为g0时的瞬态稳定性良好，若标准差σ的>阈值ζ，则判定阻变随机存储器的瞬态稳定性较差。
[0027]
本发明提出的阻变随机存储器瞬态稳定性的测试方法，其特点和优点是：
[0028]
1、本发明的对阻变随机存储器瞬态稳定性的测试方法，能够快速高效地表征阻变随机存储器的瞬态稳定性，有利于比较阻变随机存储器之间的稳定性差异，筛选出瞬态稳定性良好的阻变随机存储器，并且填补了目前表征阻变随机存储器瞬态稳定性测试方法的空白。
[0029]
2、本发明的测试方法，能够快速高效地表征阻变随机存储器的瞬态稳定性，有利于后续进一步抑制阻变随机存储器的短时间波动性，并改善神经形态系统的准确率的优化策略的设计。
附图说明
[0030]
图1是已有的阻变随机存储器的阻态写入后的短时间内的阻态波动现象的示意图。
[0031]
图2是用于文字或图片识别的三层神经网络示意图。
[0032]
图3是神经网络执行手写数字任务时，电导波动对其识别率的影响。
[0033]
图4是本发明提出的对阻变随机存储器的瞬态稳定性进行测试的方法的流程框图。
[0034]
图5是本发明瞬态稳定性测试时的编程过程与读取过程施加脉冲信号图。
[0035]
图6是本发明阻变随机存储器瞬态稳定性测试后的电导-时间图。
具体实施方式
[0036]
本发明提出的阻变随机存储器瞬态稳定性的测试方法，其流程框图如图4所示，包括以下步骤：
[0037]
(1)使用一个激活信号v0，对阻变随机存储器进行激活操作，在阻变随机存储器中形成导电细丝；
[0038]
其中的激活信号v0为直流信号或脉冲信号，其中脉冲信号的幅值范围为0到5伏特，脉冲宽度范围为100纳秒到100微秒，直流信号的幅值范围为0到4伏特；形成导电细丝是指阻变随机存储器达到低阻态，使阻变随机存储器的电阻值小于100千欧姆；
[0039]
(2)对阻变随机存储器施加多组工作信号v1，工作信号为方波脉冲信号，每组工作信号包括一个正向电压与一个负向电压，正向电压的幅值范围为0到4伏特，持续时间范围
为1毫秒到1秒，负向电压范围为0到-4伏特，持续时间范围为1毫秒到1秒，施加正向电压后读取阻变随机存储器的电阻值，记为低阻态电阻值，施加负向电压后读取阻变随机存储器的电阻值，记为高阻态电阻值，施加一组工作信号后，当前后两次读取的高阻态电阻值的差值小于前次读取的高阻态电阻值的5％，且前后两次读取的低阻态电阻值的差值小于前次读取的低阻态电阻值的5％时，认为阻变随机存储器为合格状态，重复本步骤，当连续施加10组以上工作信号v1时阻变随机存储器都处于合格状态，则认为阻变随机存储器达到了稳定状态；
[0040]
(3)设置一个测试温度t1；
[0041]
(4)阻变随机存储器在步骤(2)中达到稳定状态后，设定一个待测的电导值g0，g0的范围在阻变随机存储器的高阻态电阻值和低阻态电阻值之间，设定一个电导波动阈值λ，对阻变随机存储器的瞬态稳定性进行测量，具体过程如下：
[0042]
(4-1)对阻变随机存储器施加一个激励信号v2，激励信号为方波脉冲信号，方波脉冲信号的幅值范围为0.3～0.7伏特、持续时间为10毫秒～1微秒；
[0043]
(4-2)间隔10毫秒后，对阻变随机存储器施加一个读取信号v3，读取信号为方波脉冲信号，方波脉冲信号的幅值为0.1伏特，方波脉冲信号的持续时间为10毫秒；
[0044]
(4-3)读取阻变随机存储器的电导值g1，根据电导值g0与电导波动阈值λ，对电导值g1进行判断，若g0+λ≥g1≥g
0-λ，则进行步骤(5)，若g1<g
0-λ，则进行步骤(4-4)；若g1>g0+λ，则进行步骤(4-6)；
[0045]
(4-4)以0.1伏特的差值，增加激励信号，即对阻变随机存储器施加一个激励信号该激励信号的幅值范围为0.4到0.8伏特、持续时间为10毫秒的方波脉冲信号，间隔10毫秒后，施加一个幅值为0.1伏特，持续时间为10毫秒的方波脉冲；读取阻变随机存储器的电导值g2；
[0046]
(4-5)根据电导值g0与波动阈值λ，对电导值g2进行判断，若g0+λ≥g2≥g
0-λ，则进行步骤(5)，若g2<g
0-λ，则返回步骤(4-4)；若g2>g0+λ，则进行步骤(4-6)；
[0047]
(4-6)对阻变随机存储器施加反向的激励信号-v2，激励信号为方波脉冲信号，方波脉冲信号的幅值范围为-0.3到-0.7伏特、持续时间为10毫秒到1微秒，间隔10毫秒后，对阻变随机存储器施加一个读取信号v3，读取信号为方波脉冲信号，方波脉冲信号的幅值为0.1伏特，方波脉冲信号的持续时间为10毫秒，读取阻变随机存储器的电导值g3；
[0048]
(4-7)根据电导值g0与波动阈值λ，对电导值g3进行判断，若g0+λ≥g3≥g
0-λ，则进行步骤(5)，若g3<g
0-λ，则返回步骤(4-4)，若g3>g0+λ，则返回步骤(4-6)；
[0049]
(4-8)以-0.1伏特的差值，增加反向激励信号-v2，即对阻变随机存储器施加一个激励信号，该激励信号的幅值范围为-0.4到-0.8伏特、持续时间为10毫秒的方波脉冲信号，间隔10毫秒后，施加一个幅值为0.1伏特，持续时间为10毫秒的方波脉冲，读取阻变随机存储器的电导值g4；
[0050]
(4-9)根据电导值g0与波动阈值λ，对电导值g4进行判断，若g0+λ≥g4≥g
0-λ，则进行步骤(5)，若g4<g
0-λ，则返回步骤(4-4)，若g4>g0+λ，则返回步骤(4-8)；
[0051]
(4-10)重复步骤(4-4)到步骤(4-7)，直至阻变随机存储器的电导值介于g
0-λ与g0+λ之间，进行步骤(5)；
[0052]
(5)计算阻变随机存储器的瞬态稳定性，具体过程如下：
[0053]
(5-1)对步骤(4)的阻变随机存储器施加多个幅值为0.1伏特、时间间隔为10毫秒的方波脉冲信号，多个脉冲信号的总持续时间为1秒，分别记录阻变随机存储器在0到1秒范围内的所有电导值g
i
，i代表测试的序号；
[0054]
(5-2)利用下式分别计算0到1秒范围内实际电导值g
i
与步骤(2)的待测电导值g0绝对差值的标准差σ：
[0055][0056]
其中，g
i
代表测量期间阻变随机存储器的实际测量的电导值，i代表测试的序号，n为步骤5中施加方波脉冲信号测试的次数，g0为阻变随机存储器的待测电导值；
[0057]
(5-3)设定一个标准差σ的阈值ζ，对步骤(5-2)的标准差σ进行判断，若标准差σ≤阈值ζ，则判定在设定温度t1下，阻变随机存储器的电导值为g0时的瞬态稳定性良好，若标准差σ的>阈值ζ，则判定阻变随机存储器的瞬态稳定性较差。
[0058]
本发明的一个实施例中，标准差σ的阈值ζ为0.5微西门子。
[0059]
在使用本发明方法时，可以根据测试要求，选择多个测试温度，重复本发明的各步骤，以提高测试精度。
[0060]
以下结合附图实施例作进一步详细说明，旨在便于对本发明的了解，使本发明的目的、技术方案及优点更加详细清楚，其特定的参数与细节仅是表示描述示例实施例的目的，对其不起任何限定作用。
[0061]
实施例1：
[0062]
本实施例中，阻变随机存储器的瞬态稳定性测试方法包括：阻变随机存储器的激活过程；施加多次工作信号使阻变随机存储器达到稳定状态；设定测试温度；设定待测电导值g0并施加激励信号使阻变随机存储器电导值达到g0；测试阻变随机存储器的瞬态稳定性。
[0063]
步骤1：将阻变随机存储器进行激活过程，施加3伏特的激活电压，直到器件切换至低阻态(<100千欧姆)后，激活过程完成。
[0064]
步骤2：对阻变随机存储器施加50组工作信号v1，工作信号为方波脉冲信号，每组工作信号包括一个正向电压与一个负向电压，正向电压的幅值为3伏特，持续时间范围为10毫秒，负向电压范围为-3伏特，持续时间范围为10毫秒，施加正向电压后读取阻变随机存储器的电阻值，记为低阻态电阻值，施加负向电压后读取阻变随机存储器的电阻值，记为高阻态电阻值，施加一组工作信号后，对前后两次读取的高阻态电阻值和低阻态电阻值进行比较，当前后两次读取的高阻态电阻值的差值小于前次读取的高阻态电阻值的5％，且前后两次读取的低阻态电阻值的差值小于前次读取的低阻态电阻值的5％时，认为阻变随机存储器为合格状态，重复本步骤，当连续施加10组以上工作信号v1时阻变随机存储器都处于合格状态，则认为阻变随机存储器达到了稳定状态；
[0065]
步骤3：设置测试温度为300k。
[0066]
步骤4：阻变随机存储器在步骤2中达到稳定状态后，设定一个待测的电导值g0＝20微西门子，波动阈值λ＝0.5微西门子，再进行瞬态稳定性测量，具体过程如下：
[0067]
步骤4-1：对阻变随机存储器施加一个激励信号v2，激励信号为方波脉冲信号，方
波脉冲信号的幅值范围为0.3伏特、持续时间为10毫秒；
[0068]
步骤4-2：间隔10毫秒后，对阻变随机存储器施加一个读取信号v3，读取信号为方波脉冲信号，方波脉冲信号的幅值为0.1伏特，方波脉冲信号的持续时间为10毫秒；
[0069]
步骤4-3：读取阻变随机存储器的电导值g1，根据电导值g0与波动阈值λ，对电导值g1进行判断，若20.5微西门子≥g1≥19.5微西门子，则进行步骤5，若g1<19.5微西门子，则进行步骤4-4；若g1>20.5微西门子，则进行步骤4-6；加载过程如图5的编程过程所示。
[0070]
步骤4-4：以0.1伏特的差值，增加激励信号v2，即对阻变随机存储器施加一个幅值为0.4伏特、持续时间为10毫秒的方波脉冲信号，间隔10毫秒后，施加一个幅值为0.1伏特，持续时间为10毫秒的方波脉冲；读取阻变随机存储器的电导值g2。
[0071]
步骤4-5：若20.5微西门子≥g2≥19.5微西门子，则进行步骤5，若g2<19.5微西门子，则继续返回步骤4-4；若g2>20.5微西门子，则进行步骤4-6。
[0072]
步骤4-6：施加反向的激励信号-v2，激励信号为方波脉冲信号，方波脉冲信号的幅值为-0.3伏特、持续时间为10毫秒；间隔10毫秒后，对阻变随机存储器施加一个读取信号v3，读取信号为方波脉冲信号，方波脉冲信号的幅值为0.1伏特，方波脉冲信号的持续时间为10毫秒，读取阻变随机存储器的电导值g3。
[0073]
步骤4-7：若20.5微西门子≥g3≥19.5微西门子，则进行步骤5，若g3<19.5微西门子，则返回步骤4-4；若g3>20.5微西门子，则进行步骤4-8。
[0074]
步骤4-8：以-0.1伏特的差值，增加反向激励信号-v2，即对阻变随机存储器施加一个幅值为-0.4伏特、持续时间为10毫秒的方波脉冲信号，间隔10毫秒后，施加一个幅值为0.1伏特，持续时间为10毫秒的方波脉冲；读取阻变随机存储器的电导值g4。
[0075]
步骤4-9：若20.5微西门子≥g4≥19.5微西门子，则进行步骤5，若g4<19.5微西门子，则返回步骤4-4；若g4>20.5微西门子，则返回步骤4-8。
[0076]
步骤4-10：重复步骤4-4到步骤4-9，直至阻变随机存储器的电导值介于19.5微西门子与20.5微西门子之间，进行步骤5；
[0077]
步骤5：测试阻变随机存储器的瞬态稳定性，具体过程如下：
[0078]
步骤5-1：对步骤4的阻变随机存储器施加多个幅值为0.1伏特、时间间隔为10毫秒的方波脉冲信号，多个脉冲信号的总持续时间为1秒，加载过程如图5的读取过程所示，分别记录阻变随机存储器在0到1秒范围内的所有电导值g
i
，i代表测试的序号；测试结果如图6所示。
[0079]
步骤5-2：利用下式分别计算0到1秒范围内实际电导值g
i
与步骤2的待测电导值g0绝对差值的标准差σ：
[0080][0081]
其中，g
i
代表测量期间阻变随机存储器的实际测量的电导值，i代表测试的序号，n为步骤5中施加方波脉冲信号测试的次数，g0为阻变随机存储器的待测电导值；
[0082]
步骤5-3：设定一个标准差σ的阈值ζ＝0.5微西门子，对步骤5-2的标准差σ进行判断，若标准差σ≤阈值ζ，则判定在设定温度t1下，阻变随机存储器的电导值为g0时的瞬态稳
定性良好，若标准差σ大于阈值ζ，则判定阻变随机存储器的瞬态稳定性较差。