1 引言

　　硫系化合物隨機(jī)存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱C-RAM。C-RAM單元結(jié)構(gòu)是下電極/相變材料/上電極，其中相變材料是硫系化合物存儲(chǔ)介質(zhì)，較為成熟的是GST(Ge 2Sb2Te5)。其存儲(chǔ)的基本原理是通過(guò)電極施加不同的脈沖信號(hào)可以使相變材料在多晶和非晶之間實(shí)現(xiàn)可逆相變，其中非晶電阻比多晶電阻高兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右。當(dāng)加一個(gè)短而強(qiáng)的脈沖使相變材料溫度升高到熔化溫度以上 [2]，再經(jīng)過(guò)快速冷卻從而實(shí)現(xiàn)多晶到非晶的轉(zhuǎn)換，在這里我們稱其為寫(xiě)入;當(dāng)施加一個(gè)長(zhǎng)而中等強(qiáng)度的脈沖使相變材料溫度升到熔化溫度之下結(jié)晶溫度之上，保持一段時(shí)間促使晶核生長(zhǎng)從而實(shí)現(xiàn)非晶到多晶的轉(zhuǎn)換，在這里我們稱其為擦;當(dāng)加一個(gè)對(duì)相變材料的相位不會(huì)產(chǎn)生影響的很弱的脈沖，通過(guò)測(cè)量C-RAM的電阻值來(lái)讀取它的狀態(tài)，在這里我們稱其為讀[4-5]。因此通過(guò)施加不同的脈沖信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)信息的寫(xiě)入、擦除和讀出操作。

　　2 設(shè)計(jì)原理

　　此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是從電流與電壓關(guān)系測(cè)試、電壓與電流關(guān)系測(cè)試、電阻與寫(xiě)脈沖信號(hào)高度關(guān)系測(cè)試、電阻與寫(xiě)脈沖信號(hào)寬度、電阻與擦脈沖信號(hào)高度、電阻與擦脈沖信號(hào)的寬度、多晶態(tài)或非晶態(tài)電阻與寫(xiě)擦次數(shù)關(guān)系測(cè)試這7個(gè)測(cè)試模塊出發(fā)的。

　　⑴電流-電壓關(guān)系測(cè)試是施加幅度逐漸增加的電壓脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量存儲(chǔ)單元此時(shí)所對(duì)應(yīng)的電流，由于逐漸增加的電壓通過(guò)存儲(chǔ)單元轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱能，從而實(shí)現(xiàn)了相變材料從非晶到多晶的轉(zhuǎn)化，由于非晶和多晶電阻的明顯差別在電流-電壓曲線上顯示了不同斜率的兩段曲線，通過(guò)此曲線可以研究相變存儲(chǔ)器器件的閾值電壓、閾值電流、相變前后的電阻特性。

　　⑵電壓--電流關(guān)系測(cè)試是施加幅度逐漸增加的電流脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量存儲(chǔ)單元此時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓，由于同樣的原理也可以得到一條具有明顯不同斜率的兩段曲線，通過(guò)此曲線可以研究相變存儲(chǔ)器器件的閾值電壓、閾值電流、相變前后的電阻特性。

　　⑶電阻與寫(xiě)脈高關(guān)系的測(cè)試是施加脈沖寬度不變脈沖高度逐漸增加的脈沖信號(hào)，當(dāng)脈高增加到使相變材料電阻從低阻到高阻變化時(shí)的脈沖高度正是寫(xiě)脈高的最優(yōu)參數(shù)，從而有利于不同結(jié)構(gòu)、不同材料器件的功耗研究。

　　⑷電阻與寫(xiě)脈寬關(guān)系的測(cè)試是施加脈沖高度不變脈沖寬度逐漸增加的脈沖信號(hào)，當(dāng)脈寬增加到使相變材料從低阻到高阻變化時(shí)的脈沖寬度正是寫(xiě)脈寬的最優(yōu)參數(shù)，從而有利于不同結(jié)構(gòu)、不同材料器件的速度和功耗的研究。

　　⑸電阻與擦脈高的關(guān)系測(cè)試和電阻與擦脈寬的關(guān)系測(cè)試也是同樣的原理，可以找到相變材料從高阻到低阻變化時(shí)脈沖寬度和脈沖高度的最優(yōu)參數(shù)，從而有利于不同結(jié)構(gòu)、不同材料器件的速度和功耗的研究。

　　⑹疲勞特性測(cè)試模塊是施加一定數(shù)量的寫(xiě)擦脈沖信號(hào)，再測(cè)量施加如此多寫(xiě)擦次數(shù)的脈沖信號(hào)后相變電阻的大小，如此反復(fù)循環(huán)進(jìn)行直到總的寫(xiě)擦次數(shù)達(dá)到使相變材料電阻發(fā)生明顯變化，此時(shí)總的寫(xiě)擦次數(shù)即器件最大的循環(huán)壽命，從而有利于不同結(jié)構(gòu)、不同材料器件的多晶態(tài)和非晶態(tài)的疲勞特性的研究。

　　本文主要是對(duì)C-RAM器件單元測(cè)試的硬件構(gòu)成和軟件實(shí)現(xiàn)，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行論述。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　針對(duì)以上的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)了一套完整的C-RAM 器件單元測(cè)試系統(tǒng)。其硬件由控制計(jì)算機(jī)、脈沖信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字信號(hào)源、微控探針臺(tái)、控制卡、 GPIB卡以及轉(zhuǎn)換連接部件構(gòu)成，如圖1所示。

　　⑴脈沖信號(hào)發(fā)生器是美國(guó)Agilent公司生產(chǎn)的 81104A型號(hào)，脈沖信號(hào)發(fā)生器可以以單通道和雙通道兩種模式產(chǎn)生單一脈沖或連續(xù)脈沖信號(hào)，目的是對(duì)器件單元進(jìn)行寫(xiě)擦操作，電流脈沖信號(hào)的高度范圍是0～400mA，電壓脈沖信號(hào)的高度范圍是0～ 10V，脈沖信號(hào)的寬度6.25ns～999.5s。

　　⑵數(shù)字信號(hào)源是美國(guó)Keithley公司生產(chǎn)的2400 型號(hào)，其功能是提供電流或電壓信號(hào)源來(lái)測(cè)試相應(yīng)的電壓、電流或電阻，其中電流信號(hào)源的范圍是 50pA～1.05A，電壓信號(hào)源的范圍是5μV～210V，相應(yīng)的測(cè)試電流范圍為10pA～1.055A，測(cè)試電壓的范圍是1μV～211V，測(cè)試電阻的范圍是100μΩ～211MΩ。

　　⑶微控探針臺(tái)是美國(guó)Cascade公司生產(chǎn)的RHM -06型號(hào)，微控探針臺(tái)主要由樣品臺(tái)、探針、光學(xué)顯微鏡、微控旋紐、真空泵等部分組成，其主要功能是提供放置樣品的平臺(tái)和引入脈沖信號(hào)與測(cè)量信號(hào)并施加到樣品上。

　　⑷計(jì)算機(jī)作為主控設(shè)備，所有的測(cè)試流程全部由計(jì)算機(jī)上的軟件控制。計(jì)算機(jī)通過(guò)一塊控制卡實(shí)現(xiàn)微控探針臺(tái)在脈沖信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字信號(hào)源之間的切換，通過(guò)GPIB卡實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖發(fā)生器和阻抗測(cè)試設(shè)備的控制以及數(shù)據(jù)的采集和傳遞，其中脈沖信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字信號(hào)源、微控探針臺(tái)均通過(guò)一個(gè)接線盒與控制卡相連，接線盒保證方便良好的連接以及充分的屏蔽。