国家标准 GB/T33657一2017 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 Nanoteehnoogies一Eleetriealoperatingparametertest speeificationofwaferlevelnan0-scalephasechangememoryeells 2017-05-12发布 2017-12-01实施国家质量监督检验检疫总局发布国家标准化管理委员会国家标准
GB/33657一2017 前言本标准按照GB/T1.1一2009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科学院提出本标准由全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC279)归口本标准起草单位: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
GB/T33657一2017 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淮,我们制定适用于存储器的电极尺度小于100nm的相变存储单元l00nm一300nm的相变存储单元也可参照本标准执行 IN
GB/33657一2017 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100nm 的相变存储单元,100 )nmm~300nm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 GB4793.1一2007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(IEC61010- 1:2001,lDT GB/T9178集成电路术语 GB/T11464电子测量仪器术语 GB/T13970数字仪表基本参数术语 GB/T13978数字多用表术语和定义 GB/T9178,GB/T11464.GB/T13970和GB/T13978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 -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品态转变为非晶态的过程 3.3 擦操作 setoperatio 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
GB/T33657一2017 3.5 lowfieldresistance 低场电阻在小于0.5V电压作用下测量得到相变存储单元的电阻值 3.6 resistancelowerlimit 高阻下限high 相变存储单元的非晶态阻值下限 3.7 limit 低阻上限lowresistaneeupper 相变存储单元的多晶态阻值上限 3.8 thresholdswitchcurrent 阔值转变电流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 thresholdswitchvoltage 阔值转变电压流经相变存储单元的电流达到阀值转变电流的时刻相变存储单元两端的电压降测试仪器和设备 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 GB4793.1一2007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1A一1000A,最小量程的分辨力<1nA;恒定电流输出范围1A~1000uA，最小量程的最大允许误差<10nA;电压测量有效范围10mV~10V，最小量程的分辨力<1mV;恒定电压输出范围10mV~10V，最小量程的最大允许误差<1nmV 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>50MHz,输出电压幅度>10V,最小输出脉冲宽度 <25ns,脉冲信号上升/下降沿持续时间<3ns,输出电流>50mA 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晶圆探针台应具有8in(1in=25.4mm)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
GB/33657一2017 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le)为测试结构的版图位线相变电阻引出电路示意图 b) 选通二极管 P型衬底 o) 测试结构的版图相变存储单元结构图 D 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10ns500ns 士3ns)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1mA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500ns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
GB/T33657一2017 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(R)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100kQ.并且应保证高阻下限与低阻上限的比值至少不小于2 200 R 150 100 50 写操作电压图2相变存储单元写操作电压-写操作电阻曲线测试流程 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4.1一4.4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人及安放,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<0.5V 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
GB/33657一2017 冲的步长<0.1V,电压脉冲的起始幅度<电压脉冲的步长,终止电压脉冲幅度=10.0V 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<1AA,起始电流<电流步长,终止电流为100MA 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闵值转变电压,它对应的电流为闵值转变电流 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10MA,电流步长10A,终止电流 <1mA 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; 闵值转变电压和阂值转变电流; 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
GB/T33657一2017 附录 A 资料性附录) 相变存储单元测试系统的构建概述 A.1 构建纳米相变存储单元的品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控制总线口多用表脉冲信号发生器控制卡 m "口控制总线口切换设备控制卡主控计算机晶探针台图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
GB/33657一2017 录B 附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 a 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1mA 具体实施初始化操作时,宜从较小的电流(一般小于100MA)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 100A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
GB/T33657一2017 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250C,不低于150C 烘烤时间不低于 30min,不高于120min.

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GB/T33657-2017解读

随着信息技术的快速发展，对存储器件的性能和容量都提出了更高的要求。而纳米技术作为一种新兴技术，给存储器件的发展带来了无限可能。

1. 纳米尺度相变存储单元

纳米尺度相变存储单元是近年来研究的热点之一。它由一个薄膜或纳米线构成，通过加热或冷却来改变其电阻率状态，从而实现数据的读取和存储。

2. 电学操作参数测试规范

为了保证纳米尺度相变存储单元的可靠性和稳定性，需要对其进行电学操作参数测试。GB/T33657-2017《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》是目前应用最广泛的测试标准之一。

3. 测试内容

在进行纳米尺度相变存储单元电学操作参数测试时，需要考虑多个因素，如电流密度、操作时间、温度等。其中，电流密度是一个非常关键的因素，它会直接影响到设备的寿命和可靠性。

4. 测试方法

针对不同的测试内容，需要采用不同的测试方法。例如，在测试纳米尺度相变存储单元的电阻率状态时，可以采用电阻测量法；在测试器件的写入和擦除速度时，则需要采用脉冲测试法。

5. 测试结果的分析与解读

在完成测试后，需要对测试结果进行分析和解读。通过分析测试结果，可以了解到器件在不同条件下的性能表现，进而优化设备的设计和制造工艺。

6. 总结

纳米技术晶圆级纳米尺度相变存储单元是未来存储器件发展的重要方向之一。而GB/T33657-2017《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》为企业和研究机构提供了一个完善的测试标准，能够保证设备的可靠性和稳定性。希望本文能够帮助读者了解这个领域的基础知识和规范标准。