应用指南 | 非易失性内存技术脉冲I-V表征（下）

相变内存（PRAM、PCRAM或PCM）单元由硫族化合物合金制成（即元素周期表中第六组元素中至少一种，外加第五组和第四组中各一种元素）。这些相同类型的材料还广泛用于可重写光学介质的有源层中，比如CD和DVD。PRAM是一种阻性内存，其他阻性内存还有OxRRAM和TMO-RRAM（这两种都属于 Redox RAM）和基于阳离子的电导桥内存 (CBRAM)。图17显示了变相非易失性内存表征项目 (PRAM) 中相变内存测试包括的测试。

图17. 变相NVM项目中PRAM两端子器件测试

通过应用电脉冲形式的热能（或CD/DVD中的激光脉冲），PCM单元可以从有序晶相（低电阻）迅速切换到无序非晶相（电阻高得多）。从晶相切换到非晶相，再切换回去，是通过熔化和快速冷却（或称为再结晶的稍微慢一些的工艺）来触发的。GST [锗(Ge)、锑(Sb)和碲(Te)] 的熔化温度在500°~600°C，已经成为PCM器件使用的最有前景的材料之一（图18）。

图18. GST [锗 (Ge)、锑 (Sb) 和碲 (Te)] 结构

这些器件可以存储二进制数据，因为这些合金的晶相和非晶相有不同的电阻率。高电阻非晶相状态代表二进制0，低电阻晶相状态代表二进制1。多个电阻电平允许多位PCM，实践证明，其允许PCM定标及提供更低的每比特成本[5, 6]。这些状态随着时间推移变得稳定，这一点对任何商用应用都非常重要[7]。

在非晶相下，GST材料有短距离原子顺序和低自由电子密度，因此电阻率较高，这有时称为RESET相位，因为它通常是在RESET操作后形成的，这时单元的温度会上升到略高于熔点，然后材料突然熄灭并冷却。冷却速度对非晶相状态的形成至关重要。如果速度太慢，那么材料的非晶相会略低。对所谓的“低速材料”，冷却速度约为30ns；对“快速材料”，冷却速度约为单位数纳秒或更快[8]。脉冲的下降时间可以慢于要求的速度，重要的是脉冲顶部的下降速度，也就是单元从熔点冷却到晶状时。在达到结晶温度后，晶状顺序被冻结。例如，脉冲下降时间可能是20ns，但可能要用5ns从TMELT变成TCRYSTALLIZE。此外，某些PRAM结构会集成一个“选择二极管”或“保护二极管”，其与PRAM单元串联。除了会给I-V曲线带来某些缺点外，这个二极管会让有效下降时间变得更短。流经二极管的电流与电压呈指数级相关，因此小的电压下降会导致流经二极管的电流大幅度下降，特别是在小电流时 (~<50μA)。因此，在测试带有串联选择二极管的器件时，脉冲下降时间对小的电流测试器件并不是特别关键，允许使用标准脉冲I-V仪器进行测试，比如4225-PMU和4225-RPM。

PCRAM单元在很大程度上与其他类型的NVM技术一样，必须先成形，然后再显示一致的作为内存单元必需的开关行为。成形过程可以解释为它建立了PCRAM 小区的有源区域。有源区域是指硫族化物在非晶相和晶相状态之间跃变的那个部分。图18显示了一个半圆，表示有源区域，这是成形过程的结果。成形过程的目标是在SET和RESET状态之间可复现循环。测试新单元或未知单元的挑战之一，是为RESET和SET脉冲确定相应的脉冲参数（幅度、上升/下降时间、宽度）。这通常是一个迭代过程，先从合理的 RESET 脉冲开始，然后优化SET脉冲。pram-reset和pram-set测试用于脉冲参数的这个初始确定。与闪存一样，其可能会给单元带来过度压力，永久损坏单元。由于RESET电压是最大的，所以必须谨慎搜索相应的RESET电压。

项目中有多项相变内存器件测试 (图17)。pram-reset 测试应用一个带RESET脉冲的波形，测量到PRAM 器件的R脉冲 (图20)。pram-set测试与第一项测试类似，但测试应用的波形是一个SET脉冲后面跟着一个测量脉冲。I-V扫描测试 (iv-curve) 显示开关效应 ( 图22)。ri-curve测试显示典型的R-I曲线，这是单元电阻相对于SET脉冲的电流(R-I)关系(图24)。pramEndurance测试是一项耐受性测试，显示SET 电阻变化相对于RESET-SET波形数量的关系 (图26)。

图19显示了连接图。为获得最佳测量，连接采用源高测量低方法，参见“优化测量”部分。这些测试不使用SMU，但可以增加SMU测试。

pram-reset测试对测试器件应用一个两脉冲RESET和测量波形，捕获电压和电流波形 (图20)。这种瞬态响应数据用来确定器件的电阻和复位程度。这项测试和pram-set测试用来确定重设和设置脉冲的正确电压和脉冲宽度，并能够向测试器件发送仅重设或仅设置波形。在执行耐受性测试前，可以使用这些测试优化RESET和SET脉冲参数。

图19. PRAM测试连接图。注意PRAM测试不使用SMU或CVU

图20. 4225-PMU及4225-RPMs (用户模块pramSweep) 生成和测量的PRAM RESET波形

图21. 4225-PMU及4225-RPMs (用户模块double SweepSeg) 生成和测量的来自iv-curve测试的I-V波形

图22. 4225-PMU及4225-RPMs生成和测量的来自iv-curve测试的I-V曲线。这项测试使用的数据与图21相同，但曲线绘制是I vs. V图 (用户模块doubleSweepSeg)

图23. 4225-PMU及4225-RPMs (用户模块pramSweep) 生成和测量的R-I RESET-Measure-SET-Measure波形。这个图显示了电压 (蓝色，左面y轴) 和电流 (红色，右面y轴) 波形。这个波形内部有四个脉冲。第一个脉冲是RESET脉冲，重设PRAM材料，把它置入高阻抗非晶相状态。第二个脉冲测量RESET状态的电阻。第三个脉冲是SET脉冲，把材料置于低电阻晶相状态。第四个也是最后一个脉冲，测量材料在SET状态下的电阻。图24是一条R-I曲线，是扫描SET脉冲高度，在R-I曲线中绘制结果图得到的

图24. R-I曲线显示了4225-PMU及4225-RPM (用户模块 pramSweep) 生成和测量的SET状态电阻的电阻变化。这项测试使用从图23所示的脉冲顶部捕获的数据

图24. R-I曲线显示了4225-PMU及4225-RPM (用户模块 pramSweep) 生成和测量的SET状态电阻的电阻变化。这项测试使用从图23所示的脉冲顶部捕获的数据

I-V扫描测试使用单个倒V形脉冲，捕获PRAM开关特点。由于这项测试使用V和I采样的脉冲，因此有两种方式查看数据。图21显示了波形数据，包括电流和电压相对于时间关系图。这并不是显示特点的典型方式，但显示了测试执行方式。第二个图 ( 图22)显示了典型的PRAM I-V曲线 (电流相对于电压关系)。

R-I曲线是一种典型的变相测量。在测量RESET和SET电阻值的同时，会提高SET脉冲电压。图23显示了R-I中一个点的4脉冲波形。对这条曲线取即期中位数 (绿框)，捕获R-I曲线的测量 (图24)。注意，传统上RESET电阻是与 SET 电阻一起显示的，尽管RESET脉冲在整个扫描中不变，而这会导致RESET R变成一条直线。绘制RESET R图会指明RESET脉冲在每个SET脉冲后是否充分重设材料。图25显示了波形测量怎样与R-I结果对映。某些测试系统可能会使用SMU仪器进行电阻测量，但这要求额外的开关，测试时间大大延长。PMU+RPM相结合，可以在多个测试点上同时测量电压和电流，在保证正确测量的同时提供足够的灵活性。

PRAM耐受性测试在每log n个迭代中应用RESET+SET波形 (图23)，测量SET电阻。图26显示了耐受性曲线实例。这个例程还测量RESET电阻，因此在需要时也可以绘制图表。

图26. 4225-PMU及4225-RPM (用户模块pramEndurance) 生成和测量的PRAM耐受性曲线

变相材料或器件测试有三个模块：doubleSweep、pramSweep和pramEndurance， 其 中 使 用 一 个4225-PMU和两个4225-RPM。doubleSweep模块应用一个V形脉冲，同时采样电压和电流。

表6列出了doubleSweep模块的输入参数，它用一个4225-PMU和两个4225-RPM执行瞬态I-V扫描，从一个或两个V形脉冲中绘制I-V样本图 (图27)。这个模块用于各种NVM技术，不管是单极 (V1和V2+V) 还是双极 (V1 = +V, V2 = -V)。在PRAM中，只使用第一个脉冲，所以V2 = 0。

表6. doubleSweep和doubleSweepSeg模块中的参数

图27. doubleSweep的多脉冲波形

这项测试返回两个波形：RPM1上的电压波形，RPM2上的电流波形 (参见图19中的连接图)。注意，V1和V2可以是任意极性。脉冲的基本电压是0V。返回的数据是来自RPM1的电压 (V_FORCE)和来自 RPM2的电流 (I_MEAS)。数据可以绘制成相对于时间关系图( 图21，只显示V1)， 也可以绘制成I-V(图22)。doubleSweep和doubleSweepSeg的区别在于，doubleSweepSeg模块作为单独的阵列返回上下段，允许用单独的颜色绘制曲线的每个部分，帮助区分每个部分对磁带或其他相对复杂的I-V结果的作用。图22显示了这个例程实例，其中上扫用绿色表示，下扫用蓝色表示。

对FeRAM，会同时使用两个脉冲 (图31)。这个模块也用于ReRAM、CBRAM及其他传导桥或离子传送技术的材料表征，许多都基于过渡金属氧化物(TMO) 材料。这项测试返回的数据可以用来创建“蝴蝶”曲线，这是TMO ReRAM表征使用的标准技术。

表7列出了pramSweep模块的输入参数。这个模块从setStartV到setStopV执行SET电压幅度扫描，步进数由参数迭代设置。图28显示了波形图。在扫描的每一步中，都会从RPM1上的电压波形及RPM2上的电流波形中提取多项测量 (图28中的绿框 )：RESET电阻 (测量RESET脉冲后的单元电阻)，SET电阻 (测量SET脉冲后的单元电阻)，Set V和Set I (SET脉冲顶部的电流和电压)。测量从脉冲顶部30%~90%中提取 (图28中的绿框)，避免电流设置问题，提供相对较宽的窗口，降低测量中的噪声。除每次扫描的标量测量 (Reset R, Set V, Set I, Set R) 外，这个例程还从扫描的一个步进中返回一个电流和电压波形。选择捕获和返回哪个波形由iteration值设定。

表7. pramSweep模块中的参数

图28. PRAM波形定义

为增强查看电阻变化的能力，>1MΩ的值设成等于1MΩ。这可以防止偶尔在量程噪底上进行电流测量时会引起很大的R值 (5MΩ~几百MΩ)。注意，脉冲顶部测量的大小参数 (setR_size, resetR_size, setV_size, setI_size) 都必须设置成相同的值 (setR_size = resetR_size = setV_size = setI_size)。类似的，对采样波形阵列，大小必须设置成相同的值 (VForce_size = IMeas_size = Time_size)。

表8列出了pramEndurance模块的输入参数。这个 模 块对PRAM单元进行压力测试，它应用RESET+SET 波形 (图28) max_loops次，测量RESET和SET电 阻。压 力/测量周期数量由iteration_size值确定，其在max_loops内部以log10间隔发生。

表8. pramDurance模块中的参数

铁电非易失性内存表征项目拥有FeRAM (或FRAM)和独立式 (1C) 器件中使用的两端子铁电材料的多项测试，如图29所示。图30显示了连接图。为获得最佳测量，连接使用“优化测量”部分描述的源高测量低方法。

图29. FeRAM器件测试

图30. FeRAM测试连接图。注意FeRAM测试不使用SMU或CVU

FeRAM内存效应依赖电容器中的电荷存储，但使用铁电层，而不是典型电容器的电介质层。FeRAM内存机制基于铁电材料中的偏振位移^{[9, 10, 11, 12]}。铁电材料在应用的电场(E)和偏振(P)之间存在着强烈的非线性相关关系。在电场达到临界水平时，晶相结构内部的离子从一种状态位置移动到另一个位置。这种位移会伴随着铁电域墙壁位移。在电气上，它用磁滞图表示(图32)，显示电场和偏振之间的相关性。一种状态与另一种状态之间的切换由磁滞面积表征，其表示在再偏振过程中移动的电荷数量。

表征铁电电容器的挑战在于，基础特点是铁电材料偏振状态开关，这要求在变化时测量电容器上的偏振电荷。一般来说，测试中会使用负载电容器、脉冲发生器和示波器，通常在Sawyer-Tower电路中进行。在这种方法中，可以使用示波器或采样器，透过负载电容器测量瞬态电压，这代表着流进FE材料中的电荷。但是，这种方法有几个缺点。

图31. 4225-PMU及4225-RPM (用户模块doubleSweepSeg) 生成和测量的磁滞波形。这个图显示了应用到FE电容器的电压波形 (蓝色)。红色曲线显示了电流流动。图32显示了典型的磁滞电荷相对于电压关系曲线。

图32. 4225-PMU及4225-RPM (用户模块double SweepSeg)生成和测量的磁滞曲线。这个图显示了透过材料的电压变化时极性电荷变化。Ec是矫顽磁场，Pr是剩余极化，这些都是表明 FeRAM性能的关键参数。良好的非泄漏器件上正确的测试参数应显示完整的环路，起点和终点都在0V。

与FE电容相比，负载电容必须相对较大，以保证透过负载电容器的电压下跌不明显，否则必须应用一些略微不令人满意的假设，获得透过FE单元的电压。但是，这种大的负载电容意味着传感电压相当小。这种小的电压使用示波器或模数转换器是很难准确测量的。PMU+RPM解决方案不要求负载电容器方法，因为它直接同时测量电流和电压，因此可以准确确定总电荷。电荷从高速电流测量中计算得出，电流在测量期间以一致的方式采样，得到高速电荷测量。注意，报告的值是电荷，而不是每单位面积电荷。然而，通过使用Formulator，可以从提供的电荷值中简便地计算出每单位面积电荷。

FeRAM单元在很大程度上与PCRAM和其他NVM材料一样，要求成形步骤或流程，然后单元才会显现可复现的开关特点。可以使用PUND或FERAM耐受性测试，应用成形脉冲。在成形要求的脉冲数量较小时，PUND测试是合适的；而在要求的脉冲数量较多时，最好进行耐受性测试。磁滞曲线可以指明测试器件是否充分成形 ( 参见图32中0V处的缺口 )。

PUND测试表征铁电材料中的极性变化。之所以称为PUND，是因为顺序应用四个脉冲：

正(Positive)，上(Up)，负(Negative)，下(Down) (图33)。注意两个上脉冲 ( 红色P和红色U) 之间的电流形状变化，两个下脉冲 ( 红色N和红色D) 类似。第一个脉冲要求额外的电荷/电流改变偏振 ( 红色P或红色N)，第二个脉冲只有电容充电 ( 红色U或红色D)。这两个脉冲之差 (P-U或N-D) 代表着偏振电荷或内存效应。PSW是脉冲期间的偏振变化 (PSW = 红色 P - 红色U)。QSW是来自两个极性的两个电荷的平均数 ( 两个上脉冲和两个下脉冲，QSW = (( 红色P - 红色U) + ( 红色N - 红色D)) / 2)。除基础器件和材料表征外，PUND测试还用来为耐受性测试确定正确的电压和定时。

图33. 4225-PMU及4225-RPM (用户模块pundTest) 生成的测量的PUND波形。这个图表显示了应用的电压脉冲及电流响应。P、U、N和D值都从电流波形中提取得出

耐受性测试显示偏振电荷随着应用的脉冲数量提高而下降。对某些器件，偏振电荷在初始脉冲压力过程中可能会略微提高，然后在压力数量大大提高时下降^[13]。图34显示了Q_SW和P_SW范例结果。Q_SW在1100万周期开始劣化。劣化开端与脉冲幅度强相关，因此不同的材料和PUND电压会提供明显不同的劣化曲线。图35显示了P、U、N、D的电荷变化，决定了图34中所示的数据。

图34. FeRAM耐受性，显示PSW和QSW劣化 (用户模块pundEndurance)。某些FeRAM耐受性曲线只显示QSW。这些数据是由4225-PMU及4225-RPM获得的

图35. FeRAM耐受性，显示了P、U、N、D值劣化 ( 用户模块 pundEndurance)。这些数据用来创建图34中的数据。这些数据是由4225-PMU及4225-RPM获得的

铁电材料或器件测试模块有三个：doubleSweep，pundTest，pundEndurance。

这个模块与PRAM测试iv-curve中使用的模块相同。但是，PRAM测试只使用其中一个V形脉冲，而FE电容器磁滞测试则使用两个脉冲 (图27显示了定义，图31和图32显示了FeRAM测试结果)。表6列出doubleSweep模块的输入参数。

这个模块应用构成PUND测试的4个脉冲，表9和表10简要介绍了其参数。这项测试使用两个4225-RPM连接到4200A-SCS机箱中第一个4225-PMU (图30)。RPM1输出电压脉冲，测量应用的电压。RPM2测量流经测试器件的电流。返回的值包括电压 (来自RPM1)、电流 (来自RPM2) 和时间阵列。此外，还会返回每个脉冲跃变的电荷。图36显示了脉冲参数定义。

表9. pundTest模块中的输入参数

表10. pundTest模块中的输出参数

图36. pundTest的脉冲波形参数

这个模块是一项压力/测量测试，对测试器件应用构成PUND测试的4个脉冲max_loops次， 表11和表12简要介绍了相关参数。在应用压力PUND波形max_loops次时，测量间隔数量由fatigue_count设置。每项测量之间的压力波形数量在log10基础上计算。返回的参数与pundTest类似，图36显示了脉冲参数定义。

表11. pundEndurance模块中的输入参数

表12. pundEndurance模块中的输出参数

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