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。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，保证样品的初始的非晶或多晶状态。接着进入测试循环，首先操作偏置器将样品切至数字源表，然后操作数字源表测得所需的数据，最后判断循环是否结束，不结束继续测试，否则把测得的所有的数据准备由数据控制模块处理。
[0033](c)所述的电阻与写脉高关系的测试模块就是通过操作软件控制脉冲信号发生器发出脉冲宽度不变，脉冲高度逐渐增加或减小的脉冲信号，并将脉冲信号施加在样品上，然后通过控制软件利用数字源表测量样品的电阻，并记录、显示和保存样品的电阻-写脉高曲线。由于高度逐渐增加的脉冲信号通过存储单元转化为热能，促使相变材料的温度增加到溶化温度以上，经过快速冷却阻止了存储单元中相变材料的晶核生长，当脉高(即脉冲幅值)增加到一定的时候实现相变材料电阻从低阻到高阻的急剧变化，则此时的脉冲高度正是写脉高的最优参数。实现电阻急剧变化时脉冲的高度越小則器件工作时的功耗越低，从而有利于不同结构的不同材料的器件的功耗的研宄。其软件实验控制模块的流程图如图4所示。首先对脉冲信号发生器和数字源表进行初始化，然后操作偏置器把样品切换到脉冲信号发生器，再次操作脉冲信号发生器对样品进行一次擦操作，保证样品的初始的多晶态。然后进入测试循环，操作脉冲信号发生器进行一次写操作，再次操作偏置器将样品切换到数字源表，操作数字源表测试写过的电阻值，接着将样品切换到脉冲信号发生器，最后判定测试循环是否结束，如果没有结束则继续测试，否则把所有的测试数据准备由数据控制模块处理。其中脉冲高度随着每次的循环逐渐增加。
[0034](d)所述的电阻与擦脉高关系的测试模块就是通过操作软件控制脉冲信号发生器发出脉冲宽度不变、脉冲高度逐渐增加的脉冲信号。在擦脉高固定的情况下，利用控制计算机的对应控制软件命令脉冲信号源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样品上，然后通过控制软件利用数字源表测量样品的电阻，并记录、显示和保存样品的电阻-擦脉宽曲线。高度逐渐增加的脉冲信号通过存储单元转化为逐渐增加的热能，则相变材料的温度也在逐渐增加，当相变材料的温度增加到熔化温度以下结晶温度以上时从而实现相变材料从非晶到多晶的转化，当实现相变材料电阻从高阻到低阻变化时的脉冲高度正是擦脉冲的最优参数。实现电阻变化时脉冲的高度越小则器件工作时的功耗越低，从而有利于不同结构的不同材料的器件的功耗的研宄。其软件的流程图如图4所示。首先对脉冲信号发生器和数字源表进行初始化，然后操作偏置器把样品切换到脉冲信号发生器，再次操作脉冲信号发生器对样品进行一次写操作，保证样品的初始的非晶态。然后进入测试循环，操作脉冲信号发生器进行一次擦操作，再次操作偏置器将样品切换到数字源表，操作数字源表测试擦过的电阻值，接着将样品切换到脉冲信号发生器，最后判定测试循环是否结束，如果没有结束则继续测试，否则把所有的测试数据准备由数据控制模块处理。其中脉冲高度随着每次的循环逐渐增加。
[0035]上述相变存储器器件单元测试系统的软件操作过程，就是首先选中所要测试的模块，然后输入器件参数、脉冲参数和测试参数，再通过按钮对操作过程中的开始、暂停、结束进行全程的控制，最后把测试的数据和曲线全部保存起来。综上所述，本发明所述的相变存储器器件单元测试系统，以及利用所述的测试系统进行的相变存储器器件单元的性能测试，通过测试电流-电压曲线来判定相变存储器器件单元是否发生了相变；通过测量相变存储器器件单元的电阻判定器件单元的状态是多晶态(“O”态)还是非晶态(“I”态)；通过测试电阻与脉冲信号宽度和高度的关系确定最佳的写擦脉冲参数。
[0036]下面以两个具体的实施例进一步说明本发明。
[0037]实施例1
[0038]测试系统是由主控计算机、皮秒脉冲信号发生器、数字源表、高速示波器和器件夹具盒组成，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。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。
[0039]采用上述测试系统的电压-电流测试模块可以测试相变存储器器件单元的电压-电流曲线。具体测试方法如下: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，电压测试范围是0-20V，电流增加的步进是0.005 μΑ，记录相应的电压和电流数值可以得到电压-电流曲线(如图5所示)。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，在电压-电流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可以研宄相变存储器器件的阈值电压/电流、相变前后的电阻特性，由图5知，器件单元中相变材料发生结晶的临界相变电流为60 μ Α、临界相变电压为1.05V。
[0040]实施例2
[0041]把实施例1中所用的电压-电流测试模块改为电阻与写脉高测试模块，具体测试参数如下:脉冲电流幅值测试范围是0-7.5V，脉宽为8000ps，其余与实施例1相同，记录相应的脉高和电阻数值可以得到电阻-脉高曲线(如图6所示)。由图6知，当脉冲幅值小于4V时，电阻很低，相变薄膜仍处于多晶态，因为在较小的能量下相变材料不会熔化，因此无法得到非晶态。随脉冲幅值的增加，电阻迅速增加，说明相变材料已经熔化，转变为高阻态的非晶态。当脉冲幅值大于4V时，再增大脉冲幅值对于增加非晶态电阻已经没有太大作用了，说明对于TST相变材料来讲，4V的脉高足以实现多晶态到非晶态的转变。
【主权项】
1.一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，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的相变存储器器件单元的皮秒级脉冲测试系统，其特征在于，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。
3.根据权利要求2所述的相变存储器器件单元的皮秒级脉冲测试系统，其特征在于，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。
4.根据权利要求2所述的相变存储器器件单元的皮秒级脉冲测试系统，其特征在于，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。
5.根据权利要求2所述的相变存储器器件单元的皮秒级脉冲测试系统，其特征在于，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。
6.根据权利要求2所述的相变存储器器件单元的皮秒级脉冲测试系统，其特征在于，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。
7.根据权利要求1所述的相变存储器器件单元的皮秒级脉冲测试系统，其特征在于，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。
8.根据权利要求1所述的相变存储器器件单元的皮秒级脉冲测试系统，其特征在于，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。
【专利摘要】本发明涉及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。本发明能够表征器件单元的电学和存储性能。
【IPC分类】G11C29-08
【公开号】CN104575611
【申请号】CN201410804631
【发明人】霍如如, 王玉婵, 蔡道林, 陈小刚, 陈一峰, 朱敏, 宋志棠
【申请人】中国科学院上海微系统与信息技术研究所
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月18日