一种对相变存储器单元相变能力的快速检测方法与流程

本发明属于相变材料领域，具体涉及一种对相变存储器单元相变能力的快速检测方法，特别是涉及以硫系化合物相变材料为功能层的存储器以及其器件测试。

背景技术：

以硫系相变材料为基底的相变存储器，通过两相之间巨大的电阻差异来存储信息数据，这种相变存储芯片随着尺寸减小而具有低功耗、高密度的成本优势，因而业界对纳米级相变存储器的开发极为关注。而随着现代芯片集成度的越来越高，对芯片的性能测试要求也越来越高，不仅要求可靠性检测过程能够低成本、时间短，而且要求对单元性能影响要小。

现阶段对芯片的测试一般是完整测试单元的读写擦过程，抽样测试数据保持能力，即把存储芯片视作黑箱，测试正常工作时的i/o状态来判断单元工作与否。

这种检测方式在读擦写的过程需要开关单元，造成单元寿命的减少，这类测试对多值存储器(例如mlc、tlc或qlc)的影响尤为突出，因为多值存储器的寿命很低。而且，在数据保持测试方面需要耗费大量的时间，以至于仅能从几百万单元中抽样测试。

技术实现要素：

针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，特别是，测试过程如何避免降低存储器的寿命，和/或如何减少数据保持测试的时间，本发明基于相变材料本身特性的测试方法能为此类问题提供新的解决思路。提供了一种对相变存储器单元相变能力的快速检测方法，不需要使用开关单元，而是基于相变材料活化能特性，以及基于相变材料本征特性，通过各检测步骤获得了电阻漂移系数ν与剩余寿命n的关系，以及活化能eσ与剩余寿命n的关系。通过测试与之相关联的电阻漂移过程来判断相变材料层的相变性能，不需要开关器件，而且测试过程始终为低的可读电流，不会降低器件寿命。可以依靠对照组来判断单元处于何种体质阶段，距离失效还有多远，而无需完整测试整个失效过程，大为减少测试时间。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种对相变存储器单元相变能力的快速检测方法，其中，包括如下步骤：

s1、选取多个不同厚度的相变材料层，形成多个待测目标单元，对每一个相变材料层厚度的目标单元，采用相同检测条件进行后续测试步骤；

s2、对每一个相变材料层厚度的目标单元，采用相同检测条件进行如下测试步骤：在测试温度t1下，对相变存储器单元的一对电极施加恒压源，测试预定时长，直至出现符合电阻漂移理论公式的稳定图谱，开始记录电阻值r与时间t的对应数据；所述测试温度t1属于相变存储器单元的额度工作温度范围；所施加恒压源下的测试电流比非晶化过程所需的阈值电流至少低一个数量级；

s3、拟合出测试温度t1下、每一个相变材料层厚度各自的r-t曲线图，获得各自的电阻漂移系数ν1，以及电阻漂移过程图谱；

s4、在测试温度t1至测试温度t2之间，选取若干温度值，对每一个相变材料层厚度的目标单元，在不同温度t下的活化能eσ进行测量记录；所述测试温度t2为不再发生任何相变的最小失效温度；

s5、绘制每一个相变材料层厚度各自的温度-活化能t-eσ曲线图；

s7、根据和系数k＝ν1×eσ1，获得测试温度t2下的电阻漂移系数ν2，其中eσ1为测试温度t1下的活化能；

s8、相变存储器单元的剩余寿命其中n0为相变存储器单元的标准寿命；

s9、通过对相应相变材料层厚度下测得的电阻漂移系数ν，代入步骤s8的剩余寿命公式，即可获得其相变存储器单元的剩余寿命n。

优选地，在步骤s3中，对照标准电阻漂移过程图谱，若电阻漂移系数的误差超过预定值，则判定相应的相变材料层厚度下，相变存储器单元不可靠；若电阻漂移系数的误差在预定值以内，则判定相应的相变材料层厚度下，相变存储器单元可靠。

优选地，在步骤s1中个，所述相变存储器单元为蘑菇型相变存储器单元。

优选地，在步骤s1中，相变材料层的多个不同厚度包括20nm以下的若干厚度值，以及20nm-100nm的若干厚度值。

优选地，在步骤s1中，相变材料层采用硫系化合物。

为实现上述目的，按照本发明的另一方面，还提供了一种对相变存储器单元相变能力的快速检测方法，包括如下步骤：

s1、选取多个不同厚度的相变材料层，形成多个待测目标单元，对每一个相变材料层厚度的目标单元，采用相同检测条件进行后续测试步骤；

s2、对每一个相变材料层厚度的目标单元，采用相同检测条件进行如下测试步骤：在测试温度t1下，对相变存储器单元的一对电极施加恒压源，测试预定时长，直至出现符合电阻漂移理论公式的稳定图谱，开始记录电阻值r与时间t的对应数据；所述测试温度t1属于相变存储器单元的额度工作温度范围；所施加恒压源下的测试电流比非晶化过程所需的阈值电流至少低一个数量级；

s3、拟合出测试温度t1下、每一个相变材料层厚度各自的r-t曲线图，获得各自的电阻漂移系数ν1，以及电阻漂移过程图谱；

s4、在测试温度t1至测试温度t2之间，选取若干温度值，对每一个相变材料层厚度的目标单元，在不同温度t下的活化能eσ进行测量记录；所述测试温度t2为不再发生任何相变的最小失效温度；

s5、绘制每一个相变材料层厚度各自的温度-活化能t-eσ曲线图；

s7、根据和系数k＝ν1×eσ1，获得测试温度t2下的电阻漂移系数ν2，其中eσ1为测试温度t1下的活化能；

s8、将温度-活化能t-eσ曲线图转换为温度-电阻漂移系数的t-ν曲线图；

s9、通过对相应相变材料层厚度下测得的电阻漂移系数ν，在t-ν曲线图中定位其横坐标的温度点值落入的区间[t1’，t2’]，其中测试温度t1’和测试温度t2’分别是测试温度t1至测试温度t2之间所选取的若干温度值中，在所述温度点值左右最近的两个测试温度值，将测试温度t1’和测试温度t2’分别对应的电阻漂移系数ν1’、电阻漂移系数ν2’代入相变存储器单元的剩余寿命公式即可获得其相变存储器单元的剩余寿命n，其中分度寿命n0为相变存储器单元的标准寿命。

优选地，在步骤s3中，对照标准电阻漂移过程图谱，若电阻漂移系数的误差超过预定值，则判定相应的相变材料层厚度下，相变存储器单元不可靠；若电阻漂移系数的误差在预定值以内，则判定相应的相变材料层厚度下，相变存储器单元可靠。

优选地，在步骤s1中个，所述相变存储器单元为蘑菇型相变存储器单元。

优选地，在步骤s1中，相变材料层的多个不同厚度包括20nm以下的若干厚度值，以及20nm-100nm的若干厚度值。

优选地，在步骤s1中，相变材料层采用硫系化合物。

上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的对相变存储器单元相变能力的快速检测方法，基于相变材料活化能特性，通过测试与之相关联的电阻漂移过程来判断相变材料层的相变性能，不需要开关器件，而且测试过程始终为低的可读电流，不会降低器件寿命。

2、本发明的对相变存储器单元相变能力的快速检测方法，基于相变材料本征特性，可以依靠对照组来判断单元处于何种体质阶段，距离失效还有多远，而无需完整测试整个失效过程，大为减少测试时间。

3、本发明的对相变存储器单元相变能力的快速检测方法，通过标准电阻漂移过程图谱的对照，可以通过电阻漂移系数快速判定特定厚度相变材料层的待测存储器单元是否可靠。

附图说明

图1为典型的蘑菇型相变存储器单元的结构示意图；

图2为不同厚度相变材料层的电阻漂移过程；

图3为各厚度相变材料层在各个温度阶段的活化能变化趋势。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

以典型的蘑菇型相变存储器单元为例，如图1所示，此结构从下至上依次为：

下层电极材料层110，使用典型材料是惰性电极ti3w7或活性电极pt、ag、cu等。

绝缘介质层120，使用材料为氮氧化物电介质如sio2等或非氮氧化物电介质如sic等。

相变材料层130，使用典型硫系化合物相变材料如gete等；上层电极层140，使用材料与下层电极层类似，惰性电极或活性电极均可。

其工艺过程为：

在硅基底上溅射一层下层电极110，清洗表面并经过一次光刻曝光工序形成通孔，在其上利用溅射或化学气相沉积(cvd)生长电介质层120，此后经过光刻去胶工序(剥离或刻蚀方式)去除光刻胶，露出通孔。

溅射中间层相变材料层130，再经过一次光刻曝光工序在相变材料层130上形成上层电极层140的掩膜版图形，溅射上层电极层140，经过光刻去胶工序(剥离或刻蚀方式)即可完成制备。

测试过程及原理如下：

对上下两电极施加源漏电源激励(源漏交换也可)，始终保持低的读取电流，一般低于阈值电流几个数量级，测试时长从100-1000s均可，直至出现符合电阻漂移理论公式r＝r0(t/t0)^ν的稳定图谱，开始记录电阻值r与时间t的对应数据，其中t0是开始记录的时间，r0是t0时刻的电阻，t为时间自变量、当前时间，r为t时刻电阻，ν为电阻漂移系数ν。

图2所示为不同厚度的相变材料层的电阻漂移过程，所有单元之后均经过另外完整读擦写验证处于良好工作状态，即单元经验证没有因电阻漂移测试而失效。实验结果经过理论电阻漂移公式拟合，所得电阻漂移系数ν随着薄膜厚度减小而减小，相较于100nm的电阻漂移系数ν为0.4，3nm相变层大幅减少至0.05。这一电阻漂移系数ν被认为与相变材料的本征特性活化能相关，并且互为倒数关系。

图3所示为各厚度相变材料层在各个温度阶段的活化能变化趋势，最左侧的数据点是室温阶段，即本例中测试的电学内容，具有较小的电阻漂移系数的3nm样本呈现出较大的活化能，而100nm样本(电阻漂移系数最大)活化最小。鉴于此类存储器活化能仅和相变层厚度相关，对于确定的相变层厚度其活化能也是确定，因此在有标准电阻漂移过程图谱对照的情况下，可以通过电阻漂移系数判断特定厚度相变层是否可靠。

图3最右侧是高温阶段活化能的数据点，此阶段不会发生任何相变过程，可以把这阶段的活化能数值视作器件失效的标志。可以看到从室温阶段到高温阶段，活化能是一个单调降低的过程(电阻偏移系数单调递增)，器件寿命处于何种阶段可以通过电阻偏移系数与初始两状态的差异来定性判断。

具体的测试步骤，包括两种方案。

第一种方案中，提供了一种对相变存储器单元相变能力的快速检测方法，其中，包括如下步骤：

s1、选取多个不同厚度的相变材料层，形成多个待测目标单元，对每一个相变材料层厚度的目标单元，采用相同检测条件进行后续测试步骤；优选地，相变材料层的多个不同厚度包括20nm以下的若干厚度值，以及20nm-100nm的若干厚度值，例如至少包括3nm、10nm、100nm这三种厚度。

s2、对每一个相变材料层厚度的目标单元，采用相同检测条件进行如下测试步骤：在测试温度t1下，对相变存储器单元的一对电极施加恒压源，测试预定时长，直至出现符合电阻漂移理论公式r＝r0(t/t0)^v的稳定图谱，开始记录电阻值r与时间t的对应数据，其中t0是开始记录的时间，r0是t0时刻的电阻，t为时间自变量、当前时间，r为t时刻电阻，ν为电阻漂移系数。所述测试温度t1属于相变存储器单元的额度工作温度范围，如图3所示的300k；所施加恒压源下的测试电流比非晶化过程所需的阈值电流至少低一个数量级，例如本例采用5v的恒压源。

s3、拟合出测试温度t1下、每一个相变材料层厚度各自的r-t曲线图，如图2所示，获得各自的电阻漂移系数ν1，以及电阻漂移过程图谱也即图2。优选地，此时，对照标准电阻漂移过程图谱，若电阻漂移系数的误差超过预定值，则判定相应的相变材料层厚度下，相变存储器单元不可靠；若电阻漂移系数的误差在预定值以内，则判定相应的相变材料层厚度下，相变存储器单元可靠。

s4、在测试温度t1至测试温度t2之间，选取若干温度值、如图3示例的400k、500k、600k等，对每一个相变材料层厚度的目标单元，在不同温度t下的活化能eσ进行测量记录；所述测试温度t2为不再发生任何相变的最小失效温度。

s5、绘制每一个相变材料层厚度各自的温度-活化能t-eσ曲线图，如图3所示。

s7、根据和系数k＝ν1×eσ1，获得测试温度t2下的电阻漂移系数ν2，其中eσ1为测试温度t1下的活化能。图2中100nm样本的电阻漂移系数为0.4，对应于活化能图谱(图3)中室温活化能0.28ev。而自然失效时(700k)活化能为0.11ev，根据两者成反比的关系，可知此时电阻漂移系数为1.02。

s8、随着器件老化，电阻漂移系数经历一个从0.4向1.02迁移的过程，相变存储器单元的剩余寿命其中n0为相变存储器单元的标准寿命，如10年。由此，可绘制电阻漂移系数ν与剩余寿命n的关系图，可更直观的看到剩余寿命。

s9、通过对相应相变材料层厚度下测得的电阻漂移系数ν，代入步骤s8的剩余寿命公式，即可获得其相变存储器单元的剩余寿命n。比如测定的电阻漂移系数为0.71，则对于一个标准寿命为10年的单元，其使用寿命剩余约为5年。

第二种方案中，还提供了一种对相变存储器单元相变能力的快速检测方法，包括如下步骤：

s1、选取多个不同厚度的相变材料层，形成多个待测目标单元，对每一个相变材料层厚度的目标单元，采用相同检测条件进行后续测试步骤；优选地，相变材料层的多个不同厚度包括20nm以下的若干厚度值，以及20nm-100nm的若干厚度值，例如至少包括3nm、10nm、100nm这三种厚度。

s2、对每一个相变材料层厚度的目标单元，采用相同检测条件进行如下测试步骤：在测试温度t1下，对相变存储器单元的一对电极施加恒压源，测试预定时长，直至出现符合电阻漂移理论公式r＝r0(t/t0)^v的稳定图谱，开始记录电阻值r与时间t的对应数据，其中t0是开始记录的时间，r0是t0时刻的电阻，t为时间自变量、当前时间，r为t时刻电阻，ν为电阻漂移系数。所述测试温度t1属于相变存储器单元的额度工作温度范围，如图3所示的300k；所施加恒压源下的测试电流比非晶化过程所需的阈值电流至少低一个数量级，例如本例采用5v的恒压源。

s3、拟合出测试温度t1下、每一个相变材料层厚度各自的r-t曲线图，如图2所示，获得各自的电阻漂移系数ν1，以及电阻漂移过程图谱也即图2。优选地，此时，对照标准电阻漂移过程图谱，若电阻漂移系数的误差超过预定值，则判定相应的相变材料层厚度下，相变存储器单元不可靠；若电阻漂移系数的误差在预定值以内，则判定相应的相变材料层厚度下，相变存储器单元可靠。

s4、在测试温度t1至测试温度t2之间，选取若干温度值、如图3示例的400k、500k、600k等，对每一个相变材料层厚度的目标单元，在不同温度t下的活化能eσ进行测量记录；所述测试温度t2为不再发生任何相变的最小失效温度。

s5、绘制每一个相变材料层厚度各自的温度-活化能t-eσ曲线图，如图3所示。

s7、根据和系数k＝ν1×eσ1，获得测试温度t2下的电阻漂移系数ν2，其中eσ1为测试温度t1下的活化能。图2中100nm样本的电阻漂移系数为0.4，对应于活化能图谱(图3)中室温活化能0.28ev。而自然失效时(700k)活化能为0.11ev，根据两者成反比的关系，可知此时电阻漂移系数为1.02。

s8、将温度-活化能t-eσ曲线图转换为温度-电阻漂移系数的t-ν曲线图；

s9、通过对相应相变材料层厚度下测得的电阻漂移系数ν，在t-ν曲线图中定位其横坐标的温度点值落入的区间[t1’，t2’]，其中测试温度t1’和测试温度t2’分别是测试温度t1至测试温度t2之间所选取的若干温度值中，在所述温度点值左右最近的两个测试温度值，将测试温度t1’和测试温度t2’分别对应的电阻漂移系数ν1’、电阻漂移系数ν2’代入相变存储器单元的剩余寿命公式即可获得其相变存储器单元的剩余寿命n，其中分度寿命n0为相变存储器单元的标准寿命。例如当测得的电阻漂移系数ν的温度点值落在400k与500k之间，则ν2’取500k的值，ν1’取400k的值，n0’取2.5年(按照10年寿命被四等分)，再计算相变存储器单元的剩余寿命n。

在中间温度值取值较多时，将形成多个散点数据，则第二种方案的检测方法较第一种方案的检测方法的检测精度更高。

本发明基于相变材料活化能特性，通过测试与之相关联的电阻漂移过程来判断相变材料层的相变性能，不需要开关器件，而且测试过程始终为低的可读电流，不会降低器件寿命。

本发明基于相变材料本征特性，可以依靠对照组来判断单元处于何种体质阶段，距离失效还有多远，而无需完整测试整个失效过程，大为减少测试时间。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。