一种相变存储器器件单元的皮秒级脉冲测试系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微纳电子学技术领域中相变存储器器件单元的高性能测试技术，特别是涉及一种相变存储器器件单元的皮秒级脉冲测试系统。
【背景技术】
[0002]相变存储技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys.Rev.Lett., 21, 1450 ?1453，1968) 70 年代初(App1.phys.1ett., 18，254 ?257，1971)提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器器件。相变存储器可以做在硅晶衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。
[0003]相变存储器的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号:写操作(RESET)，当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“O”态到” I”态的转换；擦操作(SET)，当施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料升高到熔化温度以下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“I”态到“O”态的转换；读操作，当加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。读、写、擦操作的脉冲信号参数需要优化。
[0004]另外，目前世界上从事相变存储器研发工作的机构大多数是半导体行业的大公司，其关注的焦点都集中在如何尽快实现相变存储器的商业化上，因此相应的研宄热点也就围绕其器件工艺展开:降低功耗；提高存储密度和速度；增加器件的使用寿命等，其中器件单元的失效问题是制约其寿命的主要因素，必需深入研宄，其相应的器件单元疲劳特性测试系统研制是关键所在。同时，相变存储器性能的实现和直观表征也是其产业化研宄过程中的关键步骤。
[0005]因此，为了推动相应存储器的研宄进程，其器件单元的电学和存储性能(如阈值电压和电流、读/写/擦操作参数、疲劳特性等)的表征是非常重要的，但是由于相变存储器目前仍处于研发阶段，国内外还没有相关测试系统。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种相变存储器器件单元的皮秒级脉冲测试系统，能够表征器件单元的电学和存储性能。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种相变存储器器件单元的皮秒级脉冲测试系统，包括主控计算机、皮秒脉冲信号发生器、数字源表和器件夹具盒，所述主控计算机分别与所述皮秒脉冲信号发生器和数字源表相连；所述皮秒脉冲信号发生器和数字源表还分别与所述器件夹具盒内的偏置器相连；所述器件夹具盒的两根探针分别连接被测相变存储器的上电极和下电极，构成一个完整的存储单元测试连接回路；所述主控计算机通过控制软件进行命令及数据传输，实现命令的发送和数据的采集。
[0008]所述主控计算机通过控制软件实现电流-电压测试、电压-电流测试、电阻与写脉高测试、电阻与擦脉高测试。
[0009]所述电流-电压测试是通过测试软件控制数字源表发出幅度逐渐增加的电压脉冲信号来测量被测相变存储器的存储单元所对应的电流。
[0010]所述电压-电流测试是通过操作软件控制数字源表发出幅度逐渐增加的电流脉冲信号来测量被测相变存储器的存储单元所对应的电压。
[0011]所述电阻与写脉高测试是通过操作软件控制皮秒脉冲信号发生器发出脉冲宽度不变、脉冲幅值逐渐增加或减小的脉冲信号，并将脉冲信号施加在被测相变存储器上，然后通过控制软件利用数字源表测量被测相变存储器的电阻。
[0012]所述电阻与擦脉高测试是通过操作软件控制皮秒脉冲信号发生器发出脉冲宽度不变、脉冲幅值逐渐增加的脉冲信号，在擦脉高固定的情况下，利用主控计算机的控制软件命令皮秒脉冲信号发生器发出脉宽逐渐增加或减小的脉冲信号，并把脉冲信号施加在被测相变存储器上，然后通过控制软件利用数字源表测量被测相变存储器的电阻。
[0013]所述主控计算机通过GPIB接口总线与所述皮秒级脉冲信号发生器和数字源表相连。
[0014]所述夹具盒内的偏置器通过控制电缆与脉冲信号发生器和数字源表相连。
[0015]有益效果
[0016]由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果:本发明通过调整控制操作软件中的电流与电压、电压与电流、电阻与写脉高、电阻与擦脉高等四个测试模块，并且配合脉冲信号器、数字源表、器件夹具盒等实现对存储单元的可逆相变操作、读写擦测试、相变操作窗口优化等电学性能进行表征。
【附图说明】
[0017]图1是相变存储器器件单元测试系统的硬件结构示意图；
[0018]图2是相变存储器器件单元测试系统的操作流程图；
[0019]图3是相变存储器器件单元测试系统的电流与电压关系或电压与电流关系测试模块的软件流程图；
[0020]图4是相变存储器器件单元测试系统的电阻与写/擦脉高两个测试模块的软件流程图；
[0021]图5是相变存储器器件单元的电压-电流曲线图；
[0022]图6是相变存储器器件单元的电阻-写电压脉高关系曲线图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0024]本发明的实施方式涉及一种相变存储器器件单元的皮秒级脉冲测试系统，由主控计算机、皮秒脉冲信号发生器、数字源表和器件夹具盒组成，通过GPIB接口总线使主控计算机与皮秒级高速脉冲信号发生器和数字源表相连，通过控制电缆使脉冲信号发生器和数字源表与夹具盒内的偏置器相连。主控计算机通过GPIB卡在脉冲信号发生器和数字源表之间进行命令的传递和数据的采集。器件夹具盒的两个探针分别连接被测相变存储器的上电极和下电极，构成一个完整的存储单元测试连接回路。
[0025]调整控制操作软件中的测试模块，并且配合脉冲信号器、数字源表、器件夹具盒等实现对存储单元的可逆相变操作、读写擦测试、疲劳特性、相变操作窗口优化等电学性能进行表征。相变存储器器件单元测试系统各组件的具体功能如下:
[0026]I)主控计算机主要是通过控制软件进行命令及数据传输，实现命令的发送和数据的采集，以控制脉冲信号发生器和数字源表，再通过偏置器与夹具盒内的探针相连接，实现对相变存储器器件单元的写/擦以及相关电学性能测试。
[0027]2)脉冲信号发生器为单通道模式产生脉冲信号。电压脉冲信号的高度为0-7.5V，脉冲信号的宽度为lOOps-lOns。
[0028]3)数字源表提供的电流信号范围是电流调节范围为1ρΑ-3.03A，电压信号范围是I μ A-40.4Vo
[0029]4)器件夹具盒内部包含有偏置器和信号探针，其中，偏置器用于样品信号切换，信号探针用于连接存储单元。
[0030]所述的存储器单元测试系统的不同的测试内容通过相对应的操作软件模块控制实现，操作软件模块主要包括电流-电压测试模块、电压-电流测试模块、电阻与写脉高测试模块、电阻与檫脉高测试模块等四个测试模块，操作软件的流程图如图2所示。流程控制模块中，首先输入样品的参数，然后判定样品的参数是否合理，如果不合理需重新输入，如果合理则选择相应的测试试验，然后输入测试试验的所需的脉冲发生器的参数和数字源表的参数，再次判定输入参数是否合理，如果不合理需重新输入，否则启动相应的测试模块，当相应的测试模块结束后进入数据控制模块，对测得的数据进行绘图并编辑，然后保存所得的测试数据，整个实验结束。各模块的主要功能如下:
[0031](a)所述的电流-电压测试模块就是通过测试软件控制数字源表发出幅度逐渐增加的电压脉冲信号来测量存储单元此时所对应的电流，由于逐渐增加的电压通过存储单元转化为相应的热能从而促进存储单元中相变材料的晶核生长，实现了相变材料从非晶态到多晶态的转化，由于非晶和多晶电阻的明显差别在电流-电压曲线上就显示了一条具有明显不同斜率的两段曲线，通过此测试曲线可以研宄相变存储器器件的阈值电压和电流、相变前后的电阻特性。其软件的实验控制模块的流程图如图3所示。进入实验控制模块后，首先对脉冲信号发生器和数字源表进行初始化，然后操作偏置器将样品探针连接切换至脉冲信号发生器，然后操作脉冲信号发生器对样品进行一次写或擦操作，保证样品的初始态为非晶态或多晶态。接着进入测试循环，首先操作偏置器将样品切至数字源表，操作数字源表测得所需的数据，最后判断循环是否结束，若不结束则继续测试，否则结束测试并把测得的所有的数据准备由交由数据控制模块处理。
[0032](b)所述的电压-电流测试模块就是通过操作软件控制数字源表发出幅度逐渐增加的电流脉冲信号来测量存储单元此时所对应的电压，由于逐渐增加的电流通过存储单元转化为相应的热能从而促进存储单元中相变材料的晶核生长，实现了相变材料从非晶到多晶的转化，由于非晶和多晶电阻的明显差别在电流-电压曲线上就显示了一条具有明显不同斜率的两段曲线，通过此测试曲线从而