T-CSTM 01003-2023 相變存儲器電性能測試方法

Measurementmethodsforelectricalproperties2023-03-07發(fā)布2023-I 請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由中國材料與試驗標(biāo)準(zhǔn)化委員會基礎(chǔ)與共性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域委員會（CSTM/FC00本文件由中國材料與試驗標(biāo)準(zhǔn)化委員會基礎(chǔ)與共性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域委員會（CSTM/FC00器件性能測試包括電流-電壓特性、存儲窗口、置位時間、置位電壓、復(fù)位時間、復(fù)位電壓、功耗；器1相變存儲器電性能測試方法能測試包括電流-電壓特性、存儲窗口、置位時間、置位電壓、復(fù)位時間、復(fù)位電壓、功耗；器件可靠GB/T33657納米技術(shù)晶圓級納米尺度相變存儲單元電學(xué)操作參數(shù)測元阻值降低，即置1操作。使相變存儲器件置入不表示零的規(guī)定狀態(tài)的置通常施加一個寬度較窄而幅度較高的電脈沖，電能轉(zhuǎn)變成熱能,使相變材料溫度迅速升高到熔化溫向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而實現(xiàn)相變存儲單元阻值升高，即置0操作。使相變存儲器件恢復(fù)到規(guī)定的不必一2使相變材料的溫度上升到結(jié)晶溫度以上。讀取相變存儲單元存儲狀態(tài)的操直流電流—電壓特性dccurrent-加速測試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計預(yù)測其可靠性。相變存儲器的數(shù)據(jù)保持力可以通過高溫累積實驗進(jìn)行測量。根據(jù)3Arrhenius模型，在高溫環(huán)境下， （1）4儀器與組網(wǎng)4.1測試系統(tǒng)組成探針臺或者測試夾具和溫度測試系統(tǒng)。整個測試系統(tǒng)需在校準(zhǔn)有效期4.2源測量單元操作。它能夠為相變存儲單元提供I-V及脈沖相關(guān)的電特性測試。用戶可通過操作界面對測試項目進(jìn)行4.2.2測試相變存儲器所使用的源測量單元，其電壓源輸出范圍應(yīng)不小于±10V，μV；電流源輸出范圍不小于±100mA，電流測量分辨率1nA，4.3信號發(fā)生器出電壓范圍在開路負(fù)載時不小于±10V，輸出脈沖最小寬度10ns，上升/下降沿不大于10ns4.4探針臺4變存儲器單元）的平臺并引入操作脈沖信號和測量信號施加到測試樣品上。探針臺需具備以下特數(shù)字示波器及探頭技術(shù)參數(shù)需符合測試平臺的要求，對相變存儲器單元的動態(tài)過程進(jìn)行濕度65%RH。相變存儲器直流電流-電壓特性通過施加電流掃描，測試相變存儲器兩端電壓的方式來獲得。電流掃描過程如圖2所示，所施加直流電流從0μA壓發(fā)生突變；對于初始狀態(tài)為晶態(tài)的相變單元，直流I-V特性通常為單調(diào)遞增的2）將待測對象接入圖1所示的測試系統(tǒng)中；5電流的方法，過程中應(yīng)確保輸出電壓≤0.1V，以防止相變單元電阻發(fā)生改變，記錄此時相變單元電阻4）施加復(fù)位脈沖對選擇的器件單元進(jìn)行RESET操作，使其處于高阻狀態(tài)10V，脈沖上升/下降沿不大于10ns；5）直流電流掃描過程如圖2所示，其中初始電流和終止電流可根據(jù)待測樣品適當(dāng)調(diào)節(jié)，通常6）最后由源測量單元進(jìn)行數(shù)據(jù)分析取得初始態(tài)為非晶7）重復(fù)步驟7.1.2.5)和7.1.2.6)，得到晶態(tài)的I2）將待測對象接入圖1所示的測試系統(tǒng)中；3）對選擇的器件單元進(jìn)行直流電流掃描，掃描范圍需大于其閾值電流，使樣品處于較低的阻值狀4）設(shè)置信號發(fā)生器輸出連續(xù)的方波脈沖，脈沖的電壓幅值從0V開始以0.2V步進(jìn)逐漸增加，將脈5）根據(jù)測試數(shù)據(jù)畫出電壓-電阻曲線，如圖4所示。其中，當(dāng)阻值變化到較高阻值區(qū)間且不再明顯6）對圖4中的曲線進(jìn)行分段線性擬合，選取其中低阻向高阻跳變后連續(xù)5個點平均值作為存儲器的高阻值RH；類似地，在低阻態(tài)區(qū)域選取連續(xù)5個點平均值作為低阻值RL，按照以下公式（2）計算得到存儲窗口W。W=RH/RL6記錄如圖4所示的測試曲線及根據(jù)公式（2）計算得到的相變存儲器存儲窗口W。如圖5所示，在某一固定置位幅值下逐漸增大脈沖的寬度，施加在初始態(tài)為非晶態(tài)的相變存儲單元2）將待測對象接入圖1所示的測試系統(tǒng)中；3）對選擇的器件單元先進(jìn)行RESET操作，使其處于高沖寬度。測試記錄每次施加脈沖后器件阻值的數(shù)值沖幅值下的最小有效置位時間，記為tSET。記錄如圖6所示的測試曲線及相變存儲器置位時間tSET。7如圖7所示，在某一固定脈沖寬度下逐漸提高脈沖的電壓幅值，施加在初始態(tài)為非晶態(tài)的相變存儲2）將待測對象接入圖1所示的測試系統(tǒng)中；3）對選擇的器件單元先進(jìn)行RESET操作，使其處于高4）設(shè)定信號發(fā)生器的初始電壓脈沖寬度為固定值200ns，上升/下初始電壓寬度不同，通常為50ns~500ns；5）控制電壓幅值從0V逐漸增加到1.5V，步進(jìn)0.1V，作用于器件單元。不同規(guī)格適用的脈沖幅值沖寬度下的最小有效置位電壓，記為VSET。記錄如圖8所示的測試曲線及相變存儲器置位電壓VSET。8如圖9所示，在某一固定幅值下逐漸增大脈沖的寬度，施加在初始態(tài)為晶態(tài)的相變存儲單元上，在2）將待測對象接入圖1所示的測試系統(tǒng)中；3）對選擇的器件單元先進(jìn)行SET操作，使其處于低4）設(shè)定信號發(fā)生器的初始電壓脈沖幅值為3V。不同規(guī)格適用的脈沖幅值不同，通常為1V~5V；單元。測試記錄每次施加脈沖后器件電阻的6）對圖10中曲線進(jìn)行分段線性擬合，轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)時交點位置所對應(yīng)的脈沖寬度就是該恒定復(fù)位脈沖幅值下的最小有效復(fù)位時間，記為tRESET。記錄如圖10所示的測試曲線及相變存儲器復(fù)位時間tRESET。92）將待測對象接入圖1所示的測試系統(tǒng)中；3）對選擇的器件單元先進(jìn)行SET操作，使其處于低4）設(shè)定信號發(fā)生器的初始電壓脈沖寬度為固定值40nsns~150ns；脈沖寬度下的最小有效復(fù)位電壓，記為VRESET。記錄如圖12所示的測試曲線及相變存儲器復(fù)位電壓VRESET。P-置位/復(fù)位操作能耗；PSET=（VSET2/R）×tSET（4）PSET-置位操作功耗；R-器件單元在施加VSET對應(yīng)的電阻值；tSET-器件對應(yīng)的置位脈沖寬度。PRESET=（VRESET2/R）×tRESET（5）PRESET-復(fù)位操作功耗；VRESET-最小復(fù)位電壓；R-器件單元在施加VRESET對應(yīng)的電阻值；tRESET-器件對應(yīng)的復(fù)位脈沖寬度。——復(fù)位脈沖寬度tRESET;——復(fù)位脈沖幅值VRESET;——置位脈沖寬度tSET;——置位脈沖幅值VSET。2）將待測對象接入圖1所示的測試系統(tǒng)中；周期時，每隔10i次循環(huán)周期對器件讀取一次高低阻值(i=0,1,2…4）器件在經(jīng)歷若干SET和RESET操作脈沖后，其高低阻值窗口W已小于10，表明器件已經(jīng)失效，此時其經(jīng)歷的SET和RESET操作次數(shù)N即為此器件環(huán)境下，累積測試存儲單元的失效時間，溫度與累積時間適合于Arrhenius方程，如樣品阻值降低至低于存儲窗口時該溫度下樣品的數(shù)據(jù)保持時3）繪制如圖15所示的失效時間擬合曲線，基于Arrhenius方程t=τexp(Ea/kBT)，將所得到的溫度和失效時間數(shù)據(jù)放入（t-1/T）坐標(biāo)系中，其中縱軸為時間，橫軸為溫度橫坐標(biāo)85℃位置，對應(yīng)的縱坐標(biāo)時間即為樣品的數(shù)據(jù)保持時間tretention85℃。A.1樣品處理A.2儀器自檢按照圖1所示的設(shè)備組網(wǎng)圖搭建好電性能測試系統(tǒng)，并完成主要設(shè)備的自檢操作，確保儀器可正常A.3性能測試過程3）在測試儀中得到其I-V曲線，完成直流電流-電壓特性測試；6）測試記錄每次施加脈沖后器件電阻的變化，并畫出電壓-電阻曲線，完成存儲窗口特8）設(shè)定信號發(fā)生器初始脈沖寬度為40ns，電壓幅值從0V逐漸增加到4V，作用在樣品上；9）測試記錄每次施加脈沖后器件電阻的變化，并畫出電壓-電阻曲線，完成復(fù)位電壓特性12）測試記錄每次施加脈沖后器件電阻的變化，并畫出脈沖寬度-電阻曲線，完成復(fù)位時間特性測18）測試記錄每次施加脈沖后器件電阻的變化，并畫出脈沖寬度-電阻曲線，完成置位時間特性測A.4可靠性測試過程4）開始計時，同時多次測量樣品的電阻，直至電阻降低至某一數(shù)值并且不再發(fā)生變化，繪制該溫5）改變溫度，重復(fù)上一步驟，獲得不同溫度下樣品電阻隨時間的變化曲線，完成數(shù)據(jù)保持時間測A.5數(shù)據(jù)處理A.5.1圖A.1是通過步驟A.3.3）得到的I-V特性曲線，標(biāo)出其相態(tài)轉(zhuǎn)換點即其閾值，當(dāng)電態(tài)區(qū)域選取低阻值RL，計算存儲窗口W。樣品單元在40ns脈沖寬度條件下所對應(yīng)的最小有效復(fù)位脈沖電壓VRES圖A.4幅值為5V下單元阻值與復(fù)位脈沖寬度關(guān)系曲線在循環(huán)到5×104次數(shù)時，相變存儲單元的晶體電阻已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)其經(jīng)歷的SET和RESET操作次數(shù)5×104即為此器件的復(fù)位置t=τexp(Ea/kB