本发明公开了一种相变存储器单元高速擦写测试系统,该系统包括皮秒脉冲发生器、半导体特性测试仪、数字实时取样示波器、有源探头和测试电路板;也可以采用射频探针台代替测试电路板。皮秒脉冲发生器可以产生脉冲宽度极窄的电压脉冲,整个系统带宽高,测试程序可以控制皮秒脉冲发生器产生脉冲宽度在0.2ns-10ns间的准连续脉冲序列,因此系统可以通过改变擦写脉冲宽度扫描测量相变存储器单元阵列的高速擦写脉冲宽度范围。总之,本发明测试系统可以对相变存储器单元阵列进行高速擦写测试,它具有带宽高、损耗低的优点。
1.一种相变存储器单元擦写测试系统,其特征在于,该系统包括皮秒脉冲发生器(2)、半导体特性测试仪(3)、数字实时取样示波器(8)、有源探头(9)和测试电路板(10);半导体特性测试仪(3)包含内置计算机(4)、脉冲发生器(5)和源测量单元(6),以及外置的偏置器(7),内置计算机(4)对脉冲发生器(5)和源测量单元(6)进行控制,脉冲发生器(5)和源测量单元(6)分别通过同轴电缆与偏置器(7)连接;测试电路板(10)包含选址开关阵列(11)、编码电路(12)、译码电路(13)、驱动电路(14)、单稳态触发延时电路(15)、单刀单掷舌簧继电器(16)、单刀双掷舌簧继电器(17)、行单刀单掷舌簧继电器组(18)、列单刀单掷舌簧继电器组(21)和双列直插芯片测试座(19);选址开关阵列(11)、编码电路(12)、译码电路(13)和驱动电路(14)依次连接,单稳态触发延时电路(15)输出与驱动电路(14)相连,驱动电路(14)输出分别与单刀单掷舌簧继电器(16)、单刀双掷舌簧继电器(17)、行单刀单掷舌簧继电器组(18)和列单刀单掷舌簧继电器组(21)相连;有源探头(9)安装在数字实时取样示波器(8)上,半导体特性测试仪(3)、皮秒脉冲发生器(2)和数字实时取样示波器(8)通过GPIB电缆(1)相连,内置计算机(4)控制皮秒脉冲发生器(2)和数字实时取样示波器(8),内置计算机(4)控制皮秒脉冲发生器(2)产生一个电压脉冲,此脉冲用于对待测单元进行写或擦;皮秒脉冲发生器脉冲输出端口和触发信号输出端口分别通过同轴电缆与测试电路板上高速脉冲输入端口和单稳态触发延时电路输入端口连接;单刀双掷舌簧继电器(17)的两个输入端通过微带线分别与测试电路板(10)上的高速脉冲输入端口和低频信号输入端口相连,其输出端通过微带线与行单刀单掷继电器组(18)相连,行单刀单掷舌簧继电器组(18)通过微带线连接到双列直插芯片测试座(19)对应管脚,双列直插芯片测试座(19)一部分引脚通过微带线与列单刀单掷继电器组(21)连接。技术领域
本发明涉及一种相变存储器单元的高速擦写测试系统,属于半导体测试技术领域。
背景技术
相变存储器是一种基于硫系化合物的非易失性固态存储器。Ovshinsky在1968年发表了第一篇关于硫系化合物在电流作用下具有发生可逆相转变的特性的文章,这一发现激发了人们利用硫系化合物制造非易失性固态存储器的灵感。硫系化合物在多晶态和非晶态具有不同的电导率,充分晶化后其电导率可以达非晶态电导率的1万倍以上。一般来说我们可以把硫系化合物的多晶态代表数字“1”,非晶态代表数字“0”,这样就实现了数据“0”和“1”的存储。相变存储器存储状态的改变可以通过施加适当的电脉冲(电压或电流)来实现。当要使材料发生从多晶态(“1”)到非晶态(“0”)的转变(RESET)时,可以通过对存储单元施加一个幅度较高,持续时间较短,下降沿陡峭的电脉冲来实现,这样做的目的是使材料的温度在脉冲作用过程中上升到材料的熔点以上,然后快速冷却,最终使得材料停留在非晶态(“0”)。反过来要实现材料从非晶态(“0”)到多晶态(“1”)的转换(SET)可以对存储单元施加一个幅度中等,持续时间较长,下降沿较缓的电脉冲,此操作的作用是使材料的温度在脉冲作用过程中上升到结晶温度以上,熔点以下,然后相对缓慢的冷却,最终使材料停留在多晶态(“1”)。随着各种电子设备工作速度的不断提高,存储器的擦写速度成为了制约系统工作速度继续提高的瓶颈。擦写速度快是相变存储器相对于闪存(Flashxa0drive)的一大优点,闪存的擦写时间为微秒级,相变存储器的擦写时间的典型范围为10ns-500ns,优化实验条件后,其擦写时间可以小于10纳秒。目前制约相变存储器大规模应用的一个技术上的约束是处于活动状态的单元会传导热量给相邻的单元,相邻的单元的存储状态会收到扰动,这就必须给相邻的单元留有充分的安全距离,因而单元阵列的集成度会受到影响,而在使用很短的擦写脉冲时,由于脉冲作用时间短,热量累积也较少,处于活动状态的单元对邻近单元造成的扰动会大大降低,可以显著提升单元阵列的集成度。传统的相变存储器单元擦写特性测试方案的信号源带宽、传输通道带宽不能满足高速脉冲信号的产生和传输要求,无法对单元实现高速脉冲擦写(如10ns以内的短电压脉冲)。基于上述考虑,本发明拟提出一套相变存储器单元高速擦写测试系统。
发明内容
本发明提供一种相变存储器单元擦写测试系统,该系统具有带宽高和损耗低的优点。本发明提供的一种相变存储器单元擦写测试系统,其特征在于,该系统包括皮秒脉冲发生器、半导体特性测试仪、数字实时取样示波器、有源探头和测试电路板;半导体特性测试仪包含内置计算机、脉冲发生器和源测量单元,以及外置的偏置器,内置计算机对脉冲发生器和源测量单元进行控制,脉冲发生器和源测量单元分别通过同轴电缆与偏置器连接;测试电路板包含选址开关阵列、编码电路、译码电路、驱动电路、单稳态触发延时电路、单刀单掷舌簧继电器、单刀双掷舌簧继电器、行单刀单掷舌簧继电器组、列单刀单掷舌簧继电器组和双列直插芯片测试座;选址开关阵列、编码电路、译码电路和驱动电路依次连接,单稳态触发延时电路输出与驱动电路相连,驱动电路输出分别与单刀单掷舌簧继电器、单刀双掷舌簧继电器、行单刀单掷舌簧继电器组和列单刀单掷舌簧继电器组相连;有源探头安装在数字实时取样示波器上,半导体特性测试仪、皮秒脉冲发生器和数字实时取样示波器通过GPIB电缆相连,内置计算机控制皮秒脉冲发生器和数字实时取样示波器,内置计算机控制皮秒脉冲发生器产生一个电压脉冲,此脉冲用于对待测单元进行写或擦;皮秒脉冲发生器脉冲输出端口和触发信号输出端口分别通过同轴电缆与测试电路板上高速脉冲输入端口和单稳态触发延时电路输入端口连接;单刀双掷舌簧继电器的两个输入端通过微带线分别与测试电路板上的高速脉冲输入端口和低频信号输入端口相连,其输出端通过微带线与行单刀单掷继电器组相连,行单刀单掷舌簧继电器组通过微带线连接到双列直插芯片测试座对应管脚,双列直插芯片测试座一部分引脚通过微带线与列单刀单掷继电器组连接。上述技术方案中,也可以采用射频探针台代替测试电路板。本发明系统中的皮秒脉冲发生器可以产生脉冲宽度极窄的电压脉冲,整个系统带宽高,半导体特性测试仪内置计算机可以控制皮秒脉冲发生器产生脉冲宽度在0.2ns-10ns间的准连续脉冲序列,因此系统可以通过改变擦写脉冲宽度扫描测量相变存储器单元阵列的高速擦写脉冲宽度范围。总之,本发明测试系统可以对相变存储器单元阵列进行高速擦写测试,它具有带宽高、损耗低的优点,可以实现在待测单元上加载最窄0.2ns的高速电压脉冲,可以通过半导体特性测试仪内置计算机设置擦写脉冲的幅度和要扫描的脉冲宽度范围,适合测试相变存储器单元阵列在超短电压脉冲作用下的擦写脉冲宽度。
附图说明
图1是本发明提供的测试系统的结构图。图2是本发明所适用的相变存储器单元的一种结构示意图。图3是本发明中测试系统的测试程序流程图。图4是测试系统中高速数字实时取样示波器实时捕获到的单元上的电压脉冲波形结果,脉冲宽度为0.2ns。图中1.GPIB连接电缆,2.皮秒脉冲发生器,3.半导体特性测试仪,4.内置计算机,5.内置脉冲发生器,6.内置SMU(源测量单元),7.偏置器,8.数字实时取样示波器,9.有源探头,10.测试电路板,11.选址开关阵列,12.编码电路,13.译码电路,14.驱动电路,15.单稳态触发延时电路,16.SPST(单刀单掷)舌簧继电器,17.SPDT(单刀双掷)舌簧继电器,18.行SPST舌簧继电器组,19.DIP(双列直插)芯片测试座,20.样品,21.列SPST舌簧继电器组,22.单元上电极,23.单元绝热层,24.单元相变材料层,25.单元下电极
具体实施方式
如图1所示,本发明提供的相变存储器高速擦写测试系统包括皮秒脉冲发生器2、半导体特性测试仪3、数字实时取样示波器8、有源探头9和测试电路板10,测试电路板10也可以使用射频探针台代替。半导体特性测试仪3包含内置的计算机4、脉冲发生器5和SMU6,以及外置的偏置器7,计算机4对脉冲发生器5和SMU6进行控制,脉冲发生器5和SMU6分别通过同轴电缆与偏置器7连接。测试电路板10包含选址开关阵列11、编码电路12、译码电路13、驱动电路14、单稳态触发延时电路15、SPST舌簧继电器16、SPDT舌簧继电器17、行SPST舌簧继电器组18、列SPST舌簧继电器组21和DIP芯片测试座19。选址开关阵列11、编码电路12、译码电路13和驱动电路14依次连接,单稳态触发延时电路15输出与驱动电路14相连,驱动电路14输出分别与SPST舌簧继电器16、SPDT舌簧继电器17、行SPST舌簧继电器组18和列SPST舌簧继电器组21相连。有源探头9安装在数字实时取样示波器8上,半导体特性测试仪3、皮秒脉冲发生器2和数字实时取样示波器8通过GPIB电缆1相连,半导体特性测试仪内置计算机4控制皮秒脉冲发生器2、数字实时取样示波器8,皮秒脉冲发生器脉冲输出端口和触发信号输出端口分别通过同轴电缆与测试电路板上高速脉冲输入端口和单稳态触发延时电路输入端口连接。SPDT舌簧继电器17的两个输入端通过微带线分别与测试电路板10上的高速脉冲输入端口和低频信号输入端口相连,其输出端通过微带线与行SPST继电器组18相连,行SPST舌簧继电器组18通过微带线连接到DIP芯片测试座19对应管脚,DIP芯片测试座19一部分引脚通过微带线与列SPST继电器组21连接。系统的工作过程为:先将样品安装在DIP芯片测试座19上,通过按下选址开关阵列11中的某个行开关和列开关提供待测单元的行列地址信号,此信号经编码电路12编码,编码电路12再将编码后的地址信息传递给译码电路13进行解码,译码电路13将解码后的待测单元地址信息传递给驱动电路14,驱动电路14根据收到的地址信号闭合行SPST舌簧继电器组18和列SPST舌簧继电器组21中对应的继电器,此时待测单元处于选通状态;默认情况下,SPDT舌簧继电器17处于复位状态,SPST舌簧继电器16处于闭合状态,此时皮秒脉冲发生器2的脉冲输出端口通过SPDT舌簧继电器17被接入测试电路,数字实时取样示波器8和有源探头通过SPST舌簧继电器16被接入测试电路,内置计算机4控制皮秒脉冲发生器2产生一个电压脉冲,此脉冲对待测单元进行写或擦,擦写脉冲被数字实时取样示波器8通过有源探头9捕获,得到待测单元上实际接收到的脉冲波形数据,在产生擦写脉冲的同时皮秒脉冲发生器2产生一个触发脉冲信号,单稳态触发延时电路15在接收到此触发脉冲信号后开启第一段预定的延时,在此时间内单稳态触发延时电路15输出电平保持不变,延时结束后,单稳态触发延时电路15输出电平翻转并开启第二段预定的延时,在第二段延时时间内输出电平保持不变,电平翻转的同时SPDT舌簧继电器17进入置位状态,同时SPST舌簧继电器16断开,此时皮秒脉冲发生器2、数字实时取样示波器8和有源探头9从测试电路中去除,而偏置器7的输出通过SPDT舌簧继电器17被接入测试电路,内置SMU6对待测单元进行电阻测量操作,延时时间结束后,单稳态触发延时电路15输出电平翻转,此时SPDT舌簧继电器17回到复位状态,同时SPST舌簧继电器16闭合,等待下一个擦写脉冲信号的到来。若使用射频探针台代替测试电路板10,则可以将皮秒脉冲发生器2脉冲输出端和数字实时取样示波器8输入端口通过射频探针连接到待测单元两端,半导体特性测试仪3外置的偏置器7的输出端则通过直流探针连接到待测单元上,对待测单元进行选址可以通过移动探针座到相应的单元处实现。上述测试系统可适用于多种相变存储器单元的高速擦写测试,图2列举了其中一种相变存储器单元的结构,它包括单元上电极22,单元绝热层23,单元相变材料层24,以及单元下电极25。测试程序运行于半导体特性测试仪内置计算机4上。如图3所示,测试系统的流程描述如下:1)对系统进行初始化,定义变量Res0、num、R_ratio、PulseAmpl等并赋初值;Rratio表示预设的单元非晶态电阻值与初始晶态电阻值的比,一般取Rratio=10,PulseAmpl是预设的脉冲序列的幅度值,取值在0-7.5V间。2)定义并初始化存储脉冲序列宽度数组t_w[n]、晶态电阻值存储数组R_set[n]和非晶态电阻值存储数组R_reset[n];3)测量待测单元的初始直流电阻Res0;4)设定RESET脉冲序列的宽度初始值、结束值和步长;5)计算脉冲序列的数目num,定义循环控制变量i,令i=0;6)计算脉冲宽度值t_w[i],将结果发送给皮秒脉冲发生器;7)皮秒脉冲发生器触发产生一个RESET脉冲;8)延时t1;9)测量待测单元的直流电阻R_reset[i];10)延时t2;11)判断R_reset[i]是否大于R_ratio*Res0,若是,执行第12)步骤,若否则执行13)步骤;12)施加一个SET脉冲;13)延时t3;14)测量待测单元的直流电阻R_set[i];15)导出数据t_w[i]、R_reset[i]和R_set[i];16)延时t4;17)判断i是否小于num,若是,令i=i+1,然后程序跳转到步骤6),若否,执行步骤18);18)绘制电阻-脉冲宽度曲线;具体测试过程为:将封装好的样品安装在DIP芯片测试座上,选择待测试单元,启动测试程序,程序结束后保存结果,选择下一个待测试单元,重复操作。实例1:皮秒脉冲发生器2由美国皮秒脉冲实验室公司(Picosecondxa0pulsexa0labs)生产,型号为10070A,产生的脉冲信号主要规格为:脉冲幅度范围在-7.5V和7.5V间,脉冲宽度范围为0.1ns-10ns,步进为0.1ns,脉冲上升沿典型值为40ps,脉冲下降沿典型值为80ps;半导体特性测试仪3由美国吉时力公司生产,型号为4200-SCS,它由内置计算机4、内置脉冲发生器5、内置SMU6等组成,SMU6提供的激励电流范围为50aA-105mA,激励电压范围为5μV-210V,电流测量范围为10aA-105mA,电压测量范围为1μV-210V,内置脉冲发生器5的规格为:脉冲幅度范围在-20V和20V之间,脉冲宽度在10ns-1s之间,脉冲上升沿和下降沿范围为10ns-1s;数字实时取样示波器8由美国泰克(Tektronix)公司生产,型号为DPO70604,-3dB带宽为6GHz,最大等效实时取样率为25Gs/s,有源探针9型号是P7260,直流输入电阻为20kΩ,针尖输入电容小于0.5pF,-3dB带宽为6GHz;测试电路板10基材为FR-4,铜箔层数为4层,厚度是1mm;SPST舌簧继电器16、行SPST舌簧继电器18组和列SPST舌簧继电器组21型号为德国Meder公司生产,-3dB带宽为7GHz;SPDT舌簧继电器17为日本欧姆龙(Omron)公司生产的G6Z-1F-A,标称带宽为3GHz;-3dB带宽为7GHz;DIP芯片测试座19引脚数为24;选址开关阵列11、编码电路12、译码电路13和驱动电路14构成选址电路,用来对样品进行选址;单稳态触发延时电路15和驱动电路14按照预定的时序关系控制SPDT舌簧继电器17在皮秒脉冲发生器脉冲2输出端口和偏置器7输出端口间进行通道选择,分时将脉冲和直流测量信号接入到测试电路板10上;若使用射频探针台代替测试电路板10,可以用于此系统的一种射频探针台型号为Cascadexa0S300。待测相变存储器单元的结构如图2所示,它由上电极层(TiW)22、绝缘层(SiO₂)23、相变层(Ge₂Sb₂Te₅)24和下电极层(TiW)25组成,单元采用T型结构,圆孔内区域为相变活动区。在测试程序执行时,程序控制皮秒脉冲发生器2的脉冲输出端口发出一个RESET脉冲,与此同时皮秒脉冲发生器2的触发信号输出端口输出一个触发脉冲,此脉冲触发单稳态触发延时电路15控制测试电路板上的SPDT舌簧继电器继电器17在高速脉冲通道和低频信号通道间切换,以交替传输高速脉冲信号和直流测量信号,在收到触发信号后,单稳态触发延时电路15有两次动作,先是在触发信号到来之后100ms,输出变为低电平,然后保持输出为低电平400ms,输出再变回高电平。在程序体内要对时序进行控制,参考如图3所示程序流程图,时序可以通过设定延时时间来控制,相应的延时时间分别为t1=120ms、t2=10ms、t3=60ms和t4=810ms,执行一次完整操作的总延时为1s。测试电路板10在测试过程中有如下动作:在高速脉冲触发之前500ms时,SPDT舌簧继电器17回到复位状态,准备接收下一个高速脉冲,在高速脉冲作用完后延时100ms,SPDT舌簧继电器17变成置位状态并维持此状态400ms,在此期间SMU6测量待测单元的直流电阻,同时在满足条件时对待测单元进行SET操作。实例2:测试系统配置与实施例1中相同,不同之处在于此实例的目的是寻找待测单元的高速SET脉冲宽度参数范围,为此只需将如图3测试程序流程图中的参数数组R_reset[n],R_set[n]交换一下位置,并改为判定R_reset[i]是否小于R_ratio*Res0,若结果为真则执行一次RESET操作。以上所述为本发明的较佳实施例而已,但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改,都落入本发明保护的范围。