GB/T 33657-2017 纳米技术 晶圆级纳米尺度相变存储单元电学操作参数测试规范

　　ICS 3 1 . 200 L 56

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 33657—2017

　　纳米技术 晶圆级纳米尺度相变存储单元电学操作参数测试规范

　　Nanotechnologies—Electricaloperatingparametertest

　　specificationofwaferlevelnano-scalephasechangememorycells

　　2017-05-12 发布 2017-12-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 33657—20 17

　　GB/T 33657—20 17

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

　　本标准由中国科学院提出。

　　本标准由全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC 279)归口 。

　　本标准起草单位：中国科学院上海微系统与信息技术研究所。

　　本标准主要起草人：陈一峰、陈小刚、宋志棠。

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　　引

　　言

　　相变存储器是一种非易失性存储器，其存储单元在外部电场的电热学作用下可在高阻的非晶态和低阻的多晶态间进行高速可逆的结构变化，变化前后的电阻差别可达 10 倍以上，从而实现数据存储的功能。

　　相变存储单元的电学操作参数包括写操作参数以及擦操作参数。 这些参数可以通过本标准的测试规范准确的提取。 它们不仅可以有效评估由相变存储单元构成的相变存储器的若干性能指标，还将为相变存储器的驱动电路、读出电路以及存储阵列的设计提供依据。

　　相变存储单元可使用的相变材料种类繁多，可实现的器件结构也不唯 一 。本标准的测试规范可以为不同相变材料、不同相变单元器件结构的性能表征以及相变存储器量产过程中工艺稳定性的监控提供有效的手段。

　　由于操作电流和相变存储单元的电极尺寸关系密切，过大的电极尺寸会导致操作电流和功耗激增，相应的电学操作参数测试规范也可能超出本标准规定的范围。 具体到本标准，我们制定适用于存储器的电极尺度小于 100 nm 的相变存储单元，100 nm~300 nm 的相变存储单元也可参照本标准执行。

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　　纳米技术 晶圆级纳米尺度相变存储

　　单元电学操作参数测试规范

　　1 范围

　　本标准规定了纳米尺度相变存储单元读写擦参数的晶圆测试规范，其测试结果可用于表征相变存储材料或器件的电学可操作性能。

　　本标准适用于以硫系化合物为主要原料，基于半导体晶圆工艺加工制造的电极尺度小于 100 nm的相变存储单元，100 nm~300 nm 的相变存储单元也可参照本标准执行。

　　本标准不适用于包含外围驱动电路的存储单元。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB 4793 . 1—2007 测量、控制和实验室用电气设备的安全要求 第 1 部分：通用要求 (IEC 61010- 1:2001, IDT)

　　GB/T

　　GB/T

　　GB/T

　　GB/T

　　集成电路术语

　　电子测量仪器术语

　　数字仪表基本参数术语

　　数字多用表

　　3 术语和定义

　　GB/T 9178、GB/T 11464、GB/T 13970 和 GB/T 13978 界定的 以 及 下 列 术 语 和 定 义 适 用 于 本文件。

　　3.1

　　相变存储单元 phasechangememorycell

　　一种在外部电场的电热学作用下能够在多晶相和非晶相之间进行可逆的结构变化的存储器件单元。

　　3.2

　　写操作 resetoperation

　　相变存储单元在外部电场的作用下从多晶态转变为非晶态的过程。

　　3.3

　　擦操作 setoperation

　　相变存储单元在外部电场的作用下从非晶态转变为多晶态的过程。

　　3.4

　　读操作 readoperation

　　通过测量相变存储单元的电阻读出单元的存储状态。

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　　3.5

　　低场电阻 low fieldresistance

　　在小于 0 . 5 V 电压作用下测量得到相变存储单元的电阻值。

　　3.6

　　高阻下限 highresistancelowerlimit

　　相变存储单元的非晶态阻值下限。

　　3.7

　　低阻上限 low resistanceupperlimit

　　相变存储单元的多晶态阻值上限。

　　3.8

　　阈值转变电流 thresholdswitchcurrent

　　相变存储单元从高阻的非晶态变为低阻的多晶态所需的临界电流。

　　3.9

　　阈值转变电压 thresholdswitchvoltage

　　流经相变存储单元的电流达到阈值转变电流的时刻相变存储单元两端的电压降。

　　4 测试仪器和设备

　　4 . 1 概述

　　测试流程的实施需要使用下列设备或者具备相同功能的替代设备。 设备在使用过程中应符合GB 4793 . 1—2007 的第 6 章、第 7 章、第 9 章、第 10 章、第 14 章和第 16 章有关防电击、防机械危险、防止火焰蔓延、设备的温度限值和耐热、元器件、试验和测试设备的相关规定。

　　4 . 2 数字多用表

　　应具有恒定直流电压以及电流的测量和输出能力。 电流测量有效范围 1 μA~1 000 μA,最小量程的分辨力 ≤1 nA;恒定电流输出范围 1 μA~1 000 μA, 最小量程的最大允许误差 ≤10 nA;电压测量有效范围 10 mV~10 V, 最小量程的分辨力 ≤1 mV;恒定电压输出范围 10 mV~10 V, 最小量程的最大允许误差 ≤1 mV。 应具有通用接口总线或串行接口等外部控制接口;具有计算机编程控制功能。

　　4 . 3 脉冲信号发生器

　　应具有矩形电压脉冲信号输出功能。 输出频率 ≥50 MHz,输出电压幅度 ≥10 V,最小输出脉冲宽度 ≤25 ns,脉冲信号上升/下降沿持续时间 ≤3 ns,输出电流 ≥50 mA。 应具有通用接口总线或串行接口等外部控制接口;具有计算机编程控制功能。

　　4 . 4 晶圆探针台

　　应具有 8 in( 1 in=25 . 4 mm)或者更大尺寸晶圆的探测能力;能够保证测试过程中的机械结构的稳定并提供腔体内的温度控制功能，腔内温度根据材料性能由供需双方进行协商。

　　4 . 5 切换设备

　　应具有开关选择功能，能够提供被测试单元与不同测试设备的电路连接。 应具有通用接口总线或串行接口等外部控制接口;具有计算机编程控制功能。

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　　4 . 6 主控计算机

　　应包含与上述测试设备通信所需的线缆及控制卡等附件;应具有控制上述测试设备所需的驱动程序以及控制程序。

　　5 测试样本结构

　　相变存储单元可以被等效视为一个两端口的电阻元件，它可以通过导体材料直接引出或者经由开关选通器件引出至探针探测点。 开关选通器件可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管、双极型晶体管、二极管。 图 1a)为一种典型的相变存储单元结构图，二极管为选通器件。 图 1b)为多个存储单元引出电路示意图。 图 1c)为测试结构的版图。

　　图 1 相变存储单元测试结构

　　探针探测点被用于完成测试设备和存储单元的电学连接。 且其与存储单元的连线距离应尽可能短。

　　6 测试参数的选择

　　6 . 1 写操作脉冲宽度的选择

　　由于不同应用环境对操作速度的要求有所区别，通常情况下所用脉冲宽度应在 10 ns~ 500 ns ( ±3 ns)范围内选用，并在实验报告中说明。

　　6 . 2 高阻下限和低阻上限的选择

　　在后续正规测试进行之前，宜根据相变存储单元的实际电学特性规定相变存储单元的高阻下限以及低阻上限。 在后续写操作过程中的低场电阻值高于高阻下限则判定相变存储单元处于非晶态;擦操作后的低场电阻值低于低阻上限则判定相变存储单元处于多晶态。

　　为了选取合适的高阻下限，可先施加幅度不超过 1 mA 的直流电流于相变存储单元上，这一脉冲足以使得相变存储单元被置于多晶的低阻态。 然后，在相变存储单元上依次施加幅度按照一定步长增加且脉宽为 500 ns 的矩形电压脉冲，并记录每个脉冲作用后相变存储单元的低场电阻值。 图 2 简示了这

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　　一电压脉冲测试中相变存储单元电阻随脉冲电压的变化曲线。 在此曲线上电阻陡然增加的部分划一条直线 a，在随脉冲电压几乎不变的部分划一条直线 b，可采用不小于两直线交点对应的电阻(R1)作为高阻下限。 在确定了高阻下限后便可进一步选择低阻上限，这一阻值一般宜小于 100 kΩ,并且应保证高阻下限与低阻上限的比值至少不小于 2 。

　　图 2 相变存储单元写操作电压-写操作电阻曲线

　　7 测试流程

　　7 . 1 设备连接与校准

　　根据测试设备制造厂商的说明书进行 4 . 1 ~4 . 4 所述设备的连接和校准。 测试设备与主控计算机的电气连接参见附录 A。

　　7 . 2 晶圆安放及探测

　　按照晶圆探针台的操作手册完成晶圆的载入及安放，应确保相变存储单元的引出电极与探针正确连接。

　　7 . 3 相变存储单元初始电阻的测量

　　首先应使用数字多用表对相变存储单元的低场电阻值进行测量。 测量过程中应使用直流电压输出的方法，并确保电压幅度 ≤0 . 5 V。

　　7 . 4 相变存储单元的初始化操作及低场电阻值测量

　　宜使用直流电流或者物理加热的方法对相变存储单元进行初始化操作(参见附录 B),并记录初始化操作后的低场电阻值。

　　7 . 5 相变存储单元的写操作参数测试

　　在相变存储单元上施加幅度按照一定步长增加的矩形电压脉冲(按照 6 . 1 所述的要求选择一个脉冲宽度进行测试)，并记录每个脉冲作用后相变存储单元的低场电阻值。 测试过程中应保证矩形电压脉

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　　冲的步长 ≤0 . 1 V, 电压脉冲的起始幅度 ≤电压脉冲的步长，终止电压脉冲幅度= 10 . 0 V。 在测试过程中如果相变存储单元的电阻值连续 3 次高于 6 . 2 中选择的高阻下限，则认为对这一相变存储单元的写操作已经完成，此时应终止后续的写操作测试。

　　7 . 6 相变存储单元的擦操作参数测试

　　擦操作应分成两个步骤进行：

　　a) 对相变存储单元施加第一步直流电流扫描，测试设备输出幅度连续增加的直流电流的同时记录相应偏置下相变存储单元上的电压值。 电流步长 ≤1 μA,起始电流 ≤电流步长，终止电流为 100 μA。 在这一扫描过程中，如果前一个电压采样值大于后一个电压采样值 2 倍以上，则判定前一个电压采样值为相变存储单元的阈值转变电压，它对应的电流为阈值转变电流。

　　b ) 对相变存储单元进行第二步直流电流扫描操作。 起始电流 10 μA, 电流步长 10 μA,终止电流≤1 mA。 如果在这一过程中出现因电流过大导致的断路失效，应适当降低终止电流。 最后需要记录擦操作后的相变存储单元低场电阻值，如果这一阻值低于规定的低阻上限则判定擦操作完成。

　　按照 6 . 1 所述要求依次选择不同的写电压脉冲宽度并重复 7 . 5 和 7 . 6 测试，直至所有脉冲宽度全部测试完毕。

　　8 测试报告

　　测试完成后的实验报告应包含下述内容：

　　— 测试单位名称和地址;

　　— 送样单位的名称和地址;

　　— 测试规范标准代号(GB/T × × × ×)和测试日期;

　　— 测试者;

　　— 测试环境温度;

　　— 晶圆的详细编号;

　　— 所使用的仪器的类型、品牌、型号;

　　— 测试相变存储单元总数;

　　— 低场电阻测试电压;

　　— 相变存储单元的高阻下限和低阻上限;

　　— 初始低场电阻值;

　　— 初始化电流的幅度;

　　— 初始化操作后的低场电阻值;

　　— 写操作电压脉冲宽度;

　　— 写操作电压起始高度以及步长;

　　— 写操作终止电压;

　　— 写操作后的低场电阻值;

　　— 擦操作参数测试中第一步直流扫描的起始电流幅度以及步长;

　　— 阈值转变电压和阈值转变电流;

　　— 擦操作参数测试中第二步直流扫描的终止电流幅度;

　　— 擦操作后的低场电阻值。

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　相变存储单元测试系统的构建

　　A.1 概述

　　构建纳米相变存储单元的晶圆级电学测试系统所需的设备包括数字多用表、脉冲信号发生器、晶圆探针台，切换设备以及主控计算机。 其中数字多用表、信号发生器以及切换设备需要具备计算编程控制功能。 主控计算机通过电气连接(例如：通用接口总线)实现对测试设备以及测试流程的控制。

　　A.2 相变存储单元测试系统的构建

　　图 A. 1 所示的是相变存储单元测试系统的原理图。

　　图 A.1 相变存储单元测试系统的原理图

　　图 A. 1 中：

　　主控计算机的功能在于通过控制卡向数字多用表和信号发生器发出指令。 这些指令通过控制总线送达测试设备，它们不仅可以配置设备所需的测试参数还能够控制设备测试操作的开启与关闭。 同时主控计算也能够通过控制总线配置切换设备的开关状态，使得晶圆探针台在不同测试阶段连接至相应的测试设备。

　　数字多用表和脉冲信号发生器一方面通过控制总线接收来自主控计算机的指令，另一方面其测试端口通过导线连接至切换设备。

　　切换设备通过控制总线接收来自控制计算机的指令，在这一指令的控制下将晶圆探针台连接至相应的测试设备。

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　　附 录 B

　　(资料性附录)

　　相变存储单元的初始化方法

　　B.1 概述

　　在相变存储单元测试过程中我们首先需要对其进行初始化的操作，该操作的目的在于：

　　a) 相变存储单元的制造工艺不同会导致其初始状态不一致，为了降低这一因素对后续操作参数提取的影响可以在写擦操作前将相变存储单元尽可能置于相同的初始状态。

　　b ) 相变存储单元在写操作过程中实际发生相变的区域，即有效区域，一般而言仅局限在相变材料和底电极接触的区域。 为了提升电操作的加热效率，需要将电学操作通道上其余区域的电阻值尽量降低。 由于位线金属部分的电阻不可能发生较大改变，因此可行的操作方法是将相变存储单元的非有效区域的电阻尽可能的降低，即将这一区域的相变材料尽可能的结晶至低阻。

　　初始化操作可以采用两种方法实现：电学初始化方法和热学初始化方法。 电学初始化方法的优点在于除了能将相变存储单元置于较为一致的低阻态还能有效降低相变材料和电极材料之间的界面电阻，从而减少界面电阻在读写擦过程中的分压，提升测试结果的准确性。 热学初始化方法的优点是可以同时将待测试晶圆上的所有单元进行初始化操作，但是受到工艺条件的限制可能导致这种方法不能有效降低相变材料和电极材料之间的界面电阻，因此在实际实验过程中可能需要先使用热学初始化方法后再使用电学初始化方法以达到更优的实验效果。

　　B.2 相变存储单元的电学初始化方法

　　电学初始化方法通过对相变存储单元施加以较大的直流电流将电学操作回路上的所有相变区域尽可能的操作至结晶状态。 以本标准建议的相变存储单元尺寸为例，施加电流的上限不宜大于 1 mA。具体实施初始化操作时，宜从较小的电流(一般小于 100 μA)开始对相变存储单元施加幅度不断增加的直流电流，并在每次施加直流电流后记录相变存储单元的低场电阻值。 如果直流电流大小每增加 100 μA相应的低场电阻值的减小幅度小于 5%,则可以停止电学初始化操作，并记录当前直流电流幅度为该单元的初始化电流幅度。

　　需要注意的是电学初始化操作以不将相变材料或者电极材料误操作至断路为前提，如果出现因大电流导致相变存储单元误操作至断路的情况，后续单元的初始化的方法应做适当调整。 如果施加幅度不断增加的直流电流至前述断路电流的 20%仍不能满足正常初始化操作完成的条件，则应该将后续操作方法改变为连续施加幅度恒定不变的大小为断路电流 20%的直流电流，并记录操作后相变存储单元的低场电阻值。 如果 5 次操作后单元的低场电阻值的减小幅度小于 5%则可以停止电学初始化操作，并记录当前直流电流幅度为该单元的初始化电流幅度。

　　B.3 相变存储单元的热学初始化方法

　　热学初始化方法在后段工艺(包括相变存储单元的制造工艺)完成后，实施对晶圆的高温烘烤。 此

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　　方法进行前，需结合实际情况充分考虑所选相变材料本身的挥发特性、耐高温特性以及当前工艺条件下相变存储单元物理结构的稳定性。 一般建议烘烤温度不高于 250 ℃ ,不低于 150 ℃ 。烘烤时间不低于

　　30 min, 不高于 120 min。