测试结构及其测试方法与流程

本发明涉及相变存储技术领域，尤其涉及一种测试结构及其测试方法。

背景技术：

相变存储器为一种非挥发性随机存取存储器。相变存储器中的相变材料层可通过施加适当的电流而在结晶态与非结晶态之间转换。相变化材料的不同状态(例如结晶、半结晶、非结晶)代表不同的电阻值，用于存储数据的不同数值。

为了改变相变化材料的结晶态，须以加热器对相变化材料加热。相变材料层与一电阻加热器连接，通过操作电流控制电阻加热器对相变材料进行加热，改变相变材料的阻值，从而进行读写或擦除操作。

为了提高相变存储器的性能，降低功耗，需要尽可能减少电阻加热器与相变材料层之间的接触面积，使得加热的能量相对集中，从而可以减小操作电流的大小。

为了能够更准确的控制操作电流，需要对相变存储单元的加热器的电阻值进行测试，以更加准确的控制相变存储单元进行读写或擦除操作中的加热热量。由于加热器与相变材料层为串联结构，而电阻加热器的阻值与相变材料层相比，阻值较小，无法实现对加热器阻值的单独测量，通常仅能够获取相变材料层与加热器的串联电阻值。而由于相变材料层的阻值随着温度以及电场变化，是动态变化的，依旧无法获得串联阻值与加热器阻值之间的对应关系。

如何准确测量相变存储单元中加热器的阻值，是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种测试结构及其测试方法，能够获得相变存储单元的加热器的电阻值。

为了解决上述问题，本发明提供了一种测试结构，包括：第一子测试结构，包括第一串联结构，所述第一串联结构包括第一加热器，以及位于所述第一加热器顶部表面的第一相变层，所述第一加热器的电阻值为待测阻值；第二子测试结构，包括第二串联结构，所述第二串联结构包括第二加热器，以及位于所述第二加热器顶部表面的第二相变层，所述第二相变层与所述第一相变层的阻值相同，所述第二加热器的阻值与所述第一加热器的阻值之比小于设定值；以及所述第一子测试结构和第二子测试结构内的电连接线路的电阻相同。

可选的，所述设定值的范围为10～100。

可选的，所述第二相变层在所述第二加热器顶部表面的投影位于所述第二加热器顶部表面内。

可选的，所述第一子测试结构还包括：分别电连接至所述第一串联结构两端的第一输入端和第一输出端；所述第二子测试结构还包括分别电连接至所述第二串联结构两端的第二输入端和第二输出端。

可选的，所述第一串联结构的两端还分别电连接至第一输入电压感应端和第一输出电压感应端；所述第二串联结构的两端还分别电连接至第二输入电压感应端和第二输出电压感应端。

可选的，所述第一子测试结构的第一输入端与所述第二子测试结构的第二输入端为共享输入端。

本发明的技术方案还提供一种测试方法，包括：提供上述的测试结构；获取所述第一子测试结构对应的第一电阻值，所述第一电阻值至少包括所述第一相变层和第一加热器的串联电阻值；获取所述第二子测试结构对应的第二电阻值，所述第二电阻值至少包括第二相变层和第二加热器的串联电阻值；计算所述第一电阻值和第二电阻值的差值，以所述差值作为所述第一加热器的阻值。

可选的，获取所述第一电阻值和第二电阻值的方法包括：分别向所述第一子测试结构和第二子测试结构内输入测试电流，形成分别流经所述第一子测试结构和第二子测试结构的电流通路；根据所述电流通路两端的电压差值，以及对应的测试电流值，分别计算得到所述第一电阻值和所述第二电阻值。

可选的，所述测试电流的范围为控制使流入相变层的电流密度为10～20ma/cm²以下。

可选的，所述测试电流小于使得所述第一相变层和所述第二相变层发生相变的电流阈值。

本发明的测试结构包括结构一致的第一子测试结构和第二子测试结构，其中第一子测试结构内的加热器的阻值为待测阻值，第二子测试结构的阻值远小于第二相变层的阻值，使得第二子测试结构的串联阻值等效于相变层的阻值，从而通过分别测量两个子测试结构的电阻值，并计算差值可以获得第一子测试结构内的加热器的待测阻值，上述测试结构的结构简单，易于实现，能够实现对加热器阻值的测量，有利于实现对相变存储器的操作电流更准确的控制。

附图说明

图1至图4位本发明的具体实施方式中的测试结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的测试结构及其测试方法的具体实施方式做详细说明。

请参考图1为本发明一具体实施方式的测试结构的示意图。

所述测试结构包括第一子测试结构110和第二子测试结构120。

所述第一子测试结构110包括：第一串联结构111，所述第一串联结构111包括第一加热器1111，以及位于所述第一加热器1111顶部表面的第一相变层1112。所述第一串联结构111对应于待测试的相变存储器的存储单元中的相变层及加热器，通过测试所述第一子测试结构110内的加热器1111的阻值，可以获得对应的存储单元中的加热器的阻值。由于相变存储器中，相变层顶部均形成有上电极；对应的，该具体实施方式中，所述第一串联结构111中，所述第一相变层1112顶部也形成有第一上电极113。

所述第二子测试结构120包括：第二串联结构121，所述第二串联结构121包括第二加热器1211，以及位于所述第二加热器1211顶部表面的第二相变层1212。所述第二相变层1212顶部还形成有第二上电极123。

所述第一子测试结构110和第二子测试结构120内的相变层和加热器串联连接。相比于相变层以及加热器的阻值，电极以及电连线的阻值极小，在不考虑电连接线以及电极的阻值情况下，所述第一子测试结构110的第一阻值r1＝rgts1+rch1，其中，rgts1为第一相变层1112的阻值，rch1为第一加热器1111的阻值；所述第二子测试结构120的第二阻值r2＝rgts2+rch2，其中，rgts2为第二相变层1212的阻值，rch2为第二加热器1211的阻值。

其中，所述第二相变层1212与所述第一相变层1112的阻值相同，即rgts1＝rgts2。则r1-r2＝(rgts1+rch1)-(rgts2+rch2)＝rch1-rch2，控制所述第二加热器1211的阻值与所述第一加热器1111的阻值之比小于设定值，使得所述第二加热器1211的阻值rch2远小于所述第一加热器1111的阻值rch1，即rch2＜＜rch1。因此，在rgts1＝rgts2时，r1-r2＝rch1-rch2≈rch1。通过测试所述第一串联结构111和第二串联结构121的阻值，就能够获得近似于所述第一加热器1111的电阻值，如此可以在相变存储器的工艺过程中，经由所述第一子测试结构110和第二子测试结构120的设计，容易对第一加热器1111的阻值rch1作特性分析。

所述设定值的范围可以为10～100。由电阻的公式r＝ρ×l/a可知，控制所述第一加热器1111与所述第二加热器1211横截面积的大小比率，即可控制其电阻的比值，其中ρ为电阻率，l为待测电阻电流流径长度，a为待测电阻的横截面樍。在其他具体实施方式中，可以根据测试的精确度要求，合理设定所述设定值。

所述第二加热器1211通常为柱形，其阻值由所述第二加热器1211的横截面积决定，特别的，由所述第二加热器1211与所述第二相变层1212的接触面面积决定。为了最大限度降低所述第二加热器1211阻值，所述第二相变层1212在所述第二加热器1211顶部表面的投影位于所述第二加热器1211顶部表面内。该具体实施方式中，所述第二加热器1211的顶部表面与所述第二相变层1212的尺寸一致，使得所述第二加热器1211的整个顶部均与所述第二相变层1212接触。在其他具体实施方式中，由于可能存在对准误差，为了能够使得第二相变层1212完全与第二加热器1211表面接触，所述第二加热器1211顶部表面尺寸还可以略大于所述第二相变层1212的底部表面尺寸，使得所述第二相变层1212能够完全位于所述第二加热器1211顶部表面区域内。

通过向第一子测试结构110内输入流经所述第一串联结构111的第一测试电流i1以及获取所述第一串联结构111两端的电压差v1，可以得到第一电阻r1；通过向第二子测试结构120内输入流经所述第二串联结构121的第二测试电流i2以及获取所述第二串联结构121两端的电压差v2，可以得到第二电阻r2；进而计算得到所述第一加热器1111的阻值rch1。

该具体实施方式中，为了保证所述第一子测试结构110以及第二子测试结构120内在除了第一加热器1111和第二加热器1211以外的其他组件之间的电性参数的统一性，所述第一子测试结构110和所述第二子测试结构120均形成于同一基底100表面，且对应的组件均分布于同一层内，通过相同工艺同步形成。所述第一相变层1112和所述第二相变层1212采用相同的材料，具有相同的尺寸，使得在工艺误差的合理范围内，所述第一相变层1112和所述第二相变层1212的阻值相同或几乎相同。较佳的，为了使得所述第一子测试结构110内的第一串联结构111与实际的相变存储单元内的相变层和加热器结构和尺寸保持一致，所述测试结构还可以与待测试的目标存储单元同步形成于同一基底上，仅需要在进行加热器的过程中，使得所述第二子测试结构120的第二加热器1212尺寸大于第一子测试结构110内的第一加热器1111、存储单元的加热器尺寸即可。

为了便于进行测试，所述测试结构还包括测试端，以便进行测试信号的输入及输出。具体的，所述第一子测试结构110还包括：分别电连接至所述第一串联结构111两端的第一输入端115和第一输出端116，分别用于输入和输出第一测试电流i1；所述第二子测试结构120还包括电连接至所述第二串联结构121两端的第二输入端125和第二输出端126，分别用于输入和输出第一测试电流i2。上述电连接均可以通过电连接线以及导电通孔实现。

该具体实施方式中，所述第一子测试结构110和所述第二子测试结构120均形成于基底100上。所述基底100可以包括半导体衬底及形成于所述半导体衬底表面的介电层，所述半导体衬底内可以形成有晶体管等半导体器件。所述基底100表面形成有底层金属层m0，所述底层金属层m0内包括电连接线以及电极等；所述基底100上还形成有介电层101，所述第一串联结构111和所述第二串联结构121均形成于所述介电层101内。所述介质层101上形成有上层金属层m1，所述第一输入端115和第一输出端116，以及第二输入端125以及第二输出端126均位于所述上层金属层m1内。在其他具体实施方式中，所述第一串联结构111和第二串联结构121还可以形成于介电层内的任意两层金属层之间。

具体的，所述底层金属层m0内形成有第一底部电极112和第二底部电极122。所述第一加热器1111形成于所述第一底部电极112表面，所述第一相变层1112形成于所述第一加热器1111顶部，所述第一加热器1111的横截面积较小，仅与所述第一相变层1112局部区域接触；所述第一相变层1112顶部形成有第一上电极113，为了减小所述第一上电极113的电阻，所述第一上电极113覆盖整个所述第一相变层1112顶部表面。所述第一子测试结构110的第一输入端115和第一输出端116均形成于所述介电层101表面，用于与外部电信号连接。具体的，所述第一输入端115通过第一导电通孔114连接至所述第一上电极113，所述第一导电通孔114贯穿部分介电层101与所述第一上电极113连接。所述第一输出端116通过贯穿所述介电层101的第二导电通孔117电连接至所述第一底电极112，由此，所述第一子测试结构110包括顺次连接的第一输入端115、第一导电通孔114、第一上电极113、第一相变层1112、第一加热器1111、第一底电极112、第二导电通孔117以及第一输出端116，构成串联通路。该串联通路中，第一输入端115、第一导电通孔114、第一上电极113以及所述第一底电极112、第二导电通孔117以及第一输出端116作为电连接线路，电阻较小。通过所述第一输入端115向所述第一子测试结构110内输入第一测试电流i1，并从第一输出端116输出，形成电流通路，并根据所述第一输入端115和第一输出端116之间的电压差，可以测得所述第一子测试结构110的第一电阻值r1，所述第一电阻值r1＝rgts1+rch1+rl1，其中rl1为所述第一子测试结构110内的电连接线路的电阻。

所述第二加热器1211形成于所述第二底部电极122表面，所述第二相变层1212形成于所述第二加热器1211顶部，所述第二相变层1212顶部形成有第二上电极123，为了减小所述第二上电极123的电阻，所述第二上电极123覆盖整个所述第二相变层1212顶部表面。所述第二子测试结构120的第一输入端125和第二输出端126均形成于所述介电层101表面，用于与外部电信号连接。具体的，所述第二输入端125通过第三导电通孔124连接至所述第二上电极123，所述第三导电通孔124贯穿部分介电层101与所述第二上电极123连接。所述第二输出端126通过贯穿所述介电层101的第四导电通孔127电连接至所述第二底电极122，由此，所述第二子测试结构120包括顺次连接的第二输入端125、第三导电通孔124、第二上电极123、第二相变层1212、第二加热器1211、第二底电极122、第四导电通孔127以及第二输出端126，构成串联通路。该串联通路中，第二输入端125、第三导电通孔124、第二上电极123以及所述第二底电极122、第四导电通孔127以及第二输出端126作为电连接线路，电阻较小。通过所述第二输入端125向所述第二子测试结构120内输入第二测试电流i2，并从第二输出端126输出，形成电流通路，并根据所述第二输入端125和第二输出端126之间的电压差，可以测得所述第二子测试结构120的第二电阻值r2，所述第二电阻值r2＝rgts2+rch2+rl2≈rgts2+rl2。

所述第一子测试结构110和所述第二子测试结构120内仅有第一加热器1111和第二加热器1211的尺寸不同，其他的组件及电连接线路结构和电性参数均一致，因此，通过计算第一电阻值和第二电阻值的差值就能够获得第一加热器的阻值，即r1-r2＝rch1-rch2≈rch1。在背景条件一致的情况下rl1＝rl2。

请参考图2，为本发明一具体实施方式的测试结构的俯视示意图。

所述测试结构包括第一子测试结构210和第二子测试结构220。

所述第一子测试结构210包括位于底层金属层内的第一底部电极211，形成于所述第一底部电极211上的第一加热器212，以及位于所述第一加热器212上的第一相变层213及其表面的第一上电极(图中未示出)。第一输入端215位于上层金属层内，通过上层金属层内的电连接线214以及导电通孔(图中未示出)电连接至所述第一相变层213。第一底部电极211通过导电通孔2110连接至位于上层金属层内的电连接线216，并通过所述电连接线216连接至所述第一输出端217。该具体实施方式中，所述第一子测试结构110的第一相变层213还电连接至上层金属层内的第一输入电压感应端218，所述第一底部电极211还通过导电通孔2111连接至位于上层金属层内的第一输出电压感应端219。所述第一输入电压感应端218更靠近所述第一相变层213，通过所述第一输出电压感应端219和所述第一输入电压感应端218分别获得所述第一相变层213和第一加热器212所构成的第一串联结构的两端电压。由于工艺的误差存在，第一子测试结构210与第二子测试结构220内的电连接线路电阻很难做到完全相同，通过所述第一输出电压感应端219和所述第一输入电压感应端218的电压差及第一测试电流i1获得的电阻值更接近第一相变层213和第一加热器212的串联电阻，能够减少电连接线路对测量结果的影响。

所述第二子测试结构220包括位于底层金属层内的第二底部电极221，形成于所述第二底部电极221上的第二加热器222，以及位于所述第二加热器222上的第一相变层223及其表面的第二上电极(图中未示出)。第二输入端225位于上层金属层内，通过上层金属层内的电连接线224以及导电通孔(图中未示出)电连接至所述第二相变层223。第二底部电极221通过导电通孔2210连接至位于上层金属层内的电连接线226，并通过所述电连接线226连接至所述第二输出端227。该具体实施方式中，所述第二子测试结构220的第二相变层223还电连接至上层金属层内的第二输入电压感应端228，所述第二底部电极221还通过导电通孔2211连接至位于上层金属层内的第二输出电压感应端229。所述第二输入电压感应端228更靠近所述第二相变层223，通过所述第二输出电压感应端229和所述第二输入电压感应端228分别获得所述第二相变层223和第二加热器222所构成的第二串联结构的两端电压。

所述第二子测试结构220与所述第一子测试结构210相比，区别仅在于第一加热器212和第二加热器222的横截面积尺寸上，其它结构均相同。

请参考图3，为本发明一具体实施方式的测试结构的俯视示意图。

所述测试结构包括第一子测试结构310和第二子测试结构320。

该具体实施方式中，所述第一子测试结构310的第一输入端315以及连接至所述第一相变层313的电连接线路314均位于上层金属层内；所述第一输出端317位于上层金属层内，通过位于底层金属层内的电连接线316连接至所述第一底部电极311，所述第一底部电极311与所述第二输出端317之间通过贯穿介电层的导电通孔3110形成层间互连。所述第一子测试结构310的第一相变层313还电连接至上层金属层内的第一输入电压感应端318，所述第一底部电极311还通过导电通孔3111连接至位于上层金属层内的第一输出电压感应端319。

所述第二子测试结构320的结构与所述第一子测试结构320的结构保持一致，所述第二子测试结构320的第二输入端325以及连接至所述第二相变层323的电连接线路324均位于上层金属层内；而所述第二输出端327位于上层金属层内，通过位于底层金属层内的电连接线326连接至所述第二底部电极321，所述第二底部电极321与所述第二输出端327之间通过贯穿介电层的导电通孔3210形成层间互连。所述第二子测试结构320的第二相变层323还电连接至上层金属层内的第二输入电压感应端328，所述第二底部电极321还通过导电通孔3211连接至位于上层金属层内的第二输出电压感应端329。

请参考图4，为本发明另一具体实施方式的测试结构的俯视示意图。

该具体实施方式中，所述第一子测试结构410和第二子测试结构420共享同一个输入端400，所述输入端400既作为所述第一子测试结构410的第一输入端，也作为所述第二子测试结构420的第二输入端。所述输入端400位于上层金属层内，通过电连接线314连接至第一相变层313，以及通过电连接线324连接至所述第二相变层323。

在其他具体实施方式中，所述第一子测试结构和所述第二子测试结构也可以分别具有对应的输入端，而共享输出端。

在其他具体实施方式中，本领域技术人员也可以根据实际的布线要求，在底层金属层和上层金属层内设置合适的电连接线路，将子测试结构内的相变层以及加热器构成的串联结构分别连接至输入端和输出端，以形成测试回路，本发明的具体实施方式中，并不限定电连接的线路布线及实现方式。

上述具体实施方式的测试结构，包括结构一致的第一子测试结构和第二子测试结构，其中第一子测试结构内的加热器的阻值为待测阻值，第二子测试结构内的加热器的阻值远小于第一子测试结构内的加热器的阻值，从而通过分别测量两个子测试结构的电阻值，并计算差值可以获得第一子测试结构内的加热器的待测阻值，上述测试结构的结构简单，易于实现，能够实现对加热器阻值的测量与特性分析，有利于实现对相变存储器的操作电流更准确的控制。

本发明的具体实施方式还提供一种测试方法，用于测试相变存储单元内的加热器的阻值。

在一个具体实施方式中，所述测试方法包括如下步骤：

步骤1：提供如上述具体实施方式中所述的测试结构。

该具体实施方式中，所述测试结构如图1所示，在此不在赘述。

步骤2：获取所述第一子测试结构对应的第一电阻值，所述第一电阻值至少包括所述第一相变层和第一加热器的串联电阻值。

具体的，通过向所述第一输入端115向第一串联结构111内输入第一测试电流i1，并自所述第一输出端116流出，构成电流通路，通过所述第一输入端115以及第一输出端116之间的电压差v1，以及所述第一测试电流i1，获得第一电阻值r1＝v1/i1。所述第一电阻值r1包括所述第一相变层1112和第一加热器1111以及电连接线路的串联电阻值。

通过向所述第二输入端125向第二串联结构121内输入第二测试电流i2，并自所述第二输出端126流出，构成电流通路，通过所述第二输入端125以及第二输出端126之间的电压差v2，以及所述第一测试电流i2，获得第二电阻值r2＝v2/i2。所述第二电阻值r2包括所述第二相变层1212和第二加热器1211以及电连接线路的串联电阻值。

步骤3：计算所述第一电阻值r1和第二电阻值r2的差值，以所述差值作为所述第一加热器的阻值。

由于所述第二子测试结构120内的第二加热器1211的电阻远小于所述第一子测试结构110内的第一加热器1111的电阻；并且所述第一子测试结构110和第二子测试结构120内的电连接线路结构一致，阻值相同或差异较小，从而使得所述第一电阻值r1和第二电阻值r2的差值等于第一加热器1111的阻值。

进一步的，在测试过程中，可以使得所述第一测试电流i1与所述第二测试电流i2相同，以减少由于测试电流不同带来的测试误差。

由于测试电流经过所述第一加热器1111和第二加热器1211会产生热量，对所述第一相变层1112和第二相变层1212进行一定程度的加热。而由于所述第一加热器1111和第二加热器1211的阻值不同，两者产生的热量也会有差异，为了避免产生的热量差异导致所述第一相变层1112和第二相变层1212的电阻不同，在测试过程中，控制所述测试电流小于使得所述第一相变层和第二相变层发生阻值变化的电流阈值。较佳的，控制所述测试电流范围控制在使流入相变层的电流密度(currentdensity)为10～20ma/cm²以下。

因此，上述测试方法，仅需要通过分别获取测试结构内两个子测试结构的电阻值，就能够得到存储单元的加热器的阻值，所述阻值与相变层阻值无关，能够准确反映出存储单元内操作电流对相变层的加热效果，从而有利于对存储单元实现更准确的电流控制。

在本发明的另一些具体实施方式中，为了进一步消除电连接线路的电阻对测量结果的影响，可以进一步仅获取子测试结构内相变层和加热器构成的串联结构两端的电压差。在一个具体实施方式中，可以采用如图2所示的测试结构，通过所述第一输入电压感应端218和所述第一输出电压感应端219获取第一测试电流流经所述第一子测试结构210时，在所述第一相变层213和第一加热器212组成的串联结构两端的电压差v1’，由于所述第一输入电压感应端218和所述第一输出电压感应端219在电路上更接近所述第一相变层213和第一加热器212，而且在所述电压感应端218、219上没有电流流动，消除压降效应。因此，可以更准确的获得所述第一加热器212和第一相变层213的串联电阻值，消除与第一输入端215和第一输出端217之间较长的电连接线路的阻值影响。

同样的，可以通过第二子测试结构220内的第二输出电压感应端228和第二输出电压感应端229获得所述第二相变层223和第二加热器222组成的串联结构两端的电压差v2’。

上述具体实施方式中，所述第一加热器212的电阻rch1＝v1’/i1-v2’/i2。

在另一具体实施方式中，可以采用图4所示的测试结构。由于所述测试结构的第一子测试结构410和第二子测试结构420共享一个输入端400，因此，在进行测试时，在向所述输入端400输入第一测试电流i1时，需要保持第二输出端327保持浮空，使得所述第二子测试结构420内无法形成电流通路，使得第一测试电流i1仅通过所述第一子测试结构410。同样，在向所述输入端400输入第二测试电流i2时，需要保持第一输出端317保持断开，使得所述第一子测试结构410内无法形成电流通路，使得第二测试电流i2仅通过所述第二子测试结构420。

在其他具体实施方式中，若所述测试结构内的第一测试结构和第二测试结构分别具有输入端而共享输出端，则每次仅对一个子测试结构的输入端输入测试电流，使得另一子测试结构内无法形成电流通路。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。