相变存储器器件单元测试系统

　　1 引言

　　硫系化合物随机存储器，简称C-RAM。C-RAM单元结构是下电极/相变材料/上电极，其中相变材料是硫系化合物存储介质，较为成熟的是GST(Ge 2Sb2Te5)。其存储的基本原理是通过电极施加不同的脉冲信号可以使相变材料在多晶和非晶之间实现可逆相变，其中非晶电阻比多晶电阻高两个数量级左右。当加一个短而强的脉冲使相变材料温度升高到熔化温度以上 [2]，再经过快速冷却从而实现多晶到非晶的转换，在这里我们称其为写入;当施加一个长而中等强度的脉冲使相变材料温度升到熔化温度之下结晶温度之上，保持一段时间促使晶核生长从而实现非晶到多晶的转换，在这里我们称其为擦;当加一个对相变材料的相位不会产生影响的很弱的脉冲，通过测量C-RAM的电阻值来读取它的状态，在这里我们称其为读[4-5]。因此通过施加不同的脉冲信号可以实现信息的写入、擦除和读出操作。

　　2 设计原理

　　此系统的设计是从电流与电压关系测试、电压与电流关系测试、电阻与写脉冲信号高度关系测试、电阻与写脉冲信号宽度、电阻与擦脉冲信号高度、电阻与擦脉冲信号的宽度、多晶态或非晶态电阻与写擦次数关系测试这7个测试模块出发的。

　　⑴电流-电压关系测试是施加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-电压曲线上显示了不同斜率的两段曲线，通过此曲线可以研究相变存储器器件的阈值电压、阈值电流、相变前后的电阻特性。

　　⑵电压--电流关系测试是施加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，由于同样的原理也可以得到一条具有明显不同斜率的两段曲线，通过此曲线可以研究相变存储器器件的阈值电压、阈值电流、相变前后的电阻特性。

　　⑶电阻与写脉高关系的测试是施加脉冲宽度不变脉冲高度逐渐增加的脉冲信号，当脉高增加到使相变材料电阻从低阻到高阻变化时的脉冲高度正是写脉高的最优参数，从而有利于不同结构、不同材料器件的功耗研究。

　　⑷电阻与写脉宽关系的测试是施加脉冲高度不变脉冲宽度逐渐增加的脉冲信号，当脉宽增加到使相变材料从低阻到高阻变化时的脉冲宽度正是写脉宽的最优参数，从而有利于不同结构、不同材料器件的速度和功耗的研究。

　　⑸电阻与擦脉高的关系测试和电阻与擦脉宽的关系测试也是同样的原理，可以找到相变材料从高阻到低阻变化时脉冲宽度和脉冲高度的最优参数，从而有利于不同结构、不同材料器件的速度和功耗的研究。

　　⑹疲劳特性测试模块是施加一定数量的写擦脉冲信号，再测量施加如此多写擦次数的脉冲信号后相变电阻的大小，如此反复循环进行直到总的写擦次数达到使相变材料电阻发生明显变化，此时总的写擦次数即器件最大的循环寿命，从而有利于不同结构、不同材料器件的多晶态和非晶态的疲劳特性的研究。

　　本文主要是对C-RAM器件单元测试的硬件构成和软件实现，以及实验结果进行论述。

　　3 系统硬件设计

　　针对以上的设计思路设计了一套完整的C-RAM 器件单元测试系统。其硬件由控制计算机、脉冲信号发生器、数字信号源、微控探针台、控制卡、 GPIB卡以及转换连接部件构成，如图1所示。

　　⑴脉冲信号发生器是美国Agilent公司生产的 81104A型号，脉冲信号发生器可以以单通道和双通道两种模式产生单一脉冲或连续脉冲信号，目的是对器件单元进行写擦操作，电流脉冲信号的高度范围是0～400mA，电压脉冲信号的高度范围是0～ 10V，脉冲信号的宽度6.25ns～999.5s。

　　⑵数字信号源是美国Keithley公司生产的2400 型号，其功能是提供电流或电压信号源来测试相应的电压、电流或电阻，其中电流信号源的范围是 50pA～1.05A，电压信号源的范围是5μV～210V，相应的测试电流范围为10pA～1.055A，测试电压的范围是1μV～211V，测试电阻的范围是100μΩ～211MΩ。

　　⑶微控探针台是美国Cascade公司生产的RHM -06型号，微控探针台主要由样品台、探针、光学显微镜、微控旋纽、真空泵等部分组成，其主要功能是提供放置样品的平台和引入脉冲信号与测量信号并施加到样品上。

　　⑷计算机作为主控设备，所有的测试流程全部由计算机上的软件控制。计算机通过一块控制卡实现微控探针台在脉冲信号发生器和数字信号源之间的切换，通过GPIB卡实现对脉冲发生器和阻抗测试设备的控制以及数据的采集和传递，其中脉冲信号发生器、数字信号源、微控探针台均通过一个接线盒与控制卡相连，接线盒保证方便良好的连接以及充分的屏蔽。