CN103531248A - 一种对rram存储器脉冲参数进行测试的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，包括：判断RRAM器件当前所处的状态，然后在一定电压下根据RRAM器件所处状态产生脉冲宽度L_l=L的擦除脉冲或脉冲宽度H₁=H的编程脉冲对RRAM器件进行擦除或编程操作，在擦除或编程操作后再次判断RRAM所处状态，直至RRAM器件所处状态发生改变，否则产生脉冲宽度L_n=L+(n-1)ΔL的擦除脉冲或脉冲宽度H_n=H+(n-1)ΔH的编程脉冲对RRAM器件进行擦除或编程操作，n为自然数，记录最后使RRAM器件状态发生改变的脉冲宽度L_n或H_n，即得到擦除速度或编程速度。

Description

一种对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法

技术领域

本发明涉及半导体存储器测试领域，尤其涉及一种对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法。

背景技术

阻变存储器，即在两个电阻态之间可以相互转换的存储器，是下一代非挥发性存储器中具有潜在应用的前景的存储器。然而，在实际应用中所面临的最重要的挑战之一就是其转变参数的涨落。很好地控制这些参数的变化能够降低阻变器件的波动性，提高器件可靠性。其中针对RRAM存储器件的存取过程，都是以脉冲的形式进行读写的，脉冲操作是存储器在应用中的实际操作方法。存储器脉冲参数主要包括存储器状态(高阻态或低阻态)、编程速度和擦除速度等。

现有技术中对RRAM存储器脉冲参数的测试方法如图3所示，主要包括以下步骤：首先用脉冲源发送一个足够长的编程或擦除脉冲，然后示波器捕：示波器第一通道测试RRAM上的脉冲，示波器第二通道测试RRAM与定值电阻串联支路的脉冲。测试的过程中编程或擦除速度是离散分布的，脉冲宽度过长，会造成器件损坏。用示波器手动捕获，误差较大且效率极低，测试统计过程需要大量的时间和人力。

基于上述现有技术中对RRAM存储器脉冲参数的测试方法，可以看出传统的测试方法急需改进。

目前在实验室中对这类新型器件的特性进行分析过程中，由于专用的半导体参数分析仪仅提供单独的编程和擦除操作，并且只能人为切换开关矩阵，读取RRAM器件的阻值，判断当前器件的状态，无法进行对器件的自动化测试。即使有些设备具有一定的自动化测试功能，由于其在编程和擦除条件的限制，无法一次性完成编程或擦除测试，也不能自动提取编程或擦除转变时间参数。这里RRAM器件的结构如图1所示，由上电极、下电极、阻变功能层构成。图2是RRAM器件在直流扫描情况下编程和擦除的变化曲线。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述问题，本发明提供了一种对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，以方便快速自动的获取存储器件恒定电压幅度的编程速度、擦除速度参数，以及得到编程速度、擦除速度随电压幅度变化规律。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，该方法包括：判断RRAM器件当前所处的状态，然后在一定电压下根据RRAM器件所处状态产生脉冲宽度L₁=L的擦除脉冲或脉冲宽度H₁=H的编程脉冲对RRAM器件进行擦除或编程操作，在擦除或编程操作后再次判断RRAM所处状态，直至RRAM器件所处状态发生改变，否则产生脉冲宽度L_n=L+(n-1)ΔL的擦除脉冲或脉冲宽度H_n=H+(n-1)ΔH的编程脉冲对RRAM器件进行擦除或编程操作，n为自然数，记录最后使RRAM器件状态发生改变的脉冲宽度L_n或H_n，即得到擦除速度或编程速度。

上述方案中，所述判断RRAM器件当前所处的状态，包括：对RRAM器件加载一个小电压，读出通过RRAM器件的电流，根据读出的电流即可判断RRAM器件当前所处的状态是高阻态还是低阻态。

上述方案中，如果RRAM器件当前所处的状态是高阻态，则在一定电压下，脉冲发生器产生一脉冲宽度L₁=L的擦除脉冲并加载至RRAM器件，然后判断RRAM器件的状态，如果RRAM器件处于高阻态，则脉冲发生器产生一脉冲宽度L₂=L+ΔL的擦除脉冲并加载至RRAM器件，再次判断RRAM器件的状态，如果RRAM器件仍处于高阻态，则脉冲发生器产生一脉冲宽度L₃=L+2ΔL的擦除脉冲并加载至RRAM器件，直至RRAM器件变为低阻态，记录使RRAM器件变为低阻态的脉冲宽度，该脉冲宽度即为擦除速度。该方法还同时记录下全部脉冲宽度。

上述方案中，如果RRAM器件当前所处的状态是低阻态，则在一定电压下，脉冲发生器产生一脉冲宽度H₁＝H的编程脉冲并加载至RRAM器件，然后判断RRAM器件的状态，如果RRAM器件处于低阻态，则脉冲发生器产生一脉冲宽度H₂＝H+ΔH的编程脉冲并加载至RRAM器件，再次判断RRAM器件的状态，如果RRAM器件仍处于低阻态，则脉冲发生器产生一脉冲宽度H₃＝H+2ΔH的编程脉冲并加载至RRAM器件，直至RRAM器件变为高阻态，记录使RRAM器件变为高阻态的脉冲宽度，该脉冲宽度即为编程速度。该方法还同时记录下全部脉冲宽度。

上述方案中，该方法还包括：改变电压的大小，重复执行上述测试步骤，得到不同电压下的擦除速度和编程速度。

上述方案中，该方法还包括：改变脉冲宽度增幅ΔL或ΔH的大小，重复执行上述测试步骤，得到擦除速度或编程速度随脉冲宽度增幅的变化规律。

上述方案中，所述改变脉冲宽度增幅ΔL或ΔH的大小，重复执行上述测试步骤，得到擦除速度或编程速度随脉冲宽度增幅的变化规律，包括：步骤1：设定擦除脉冲宽度增幅ΔL或编程脉冲宽度增幅ΔH，并设置擦除脉冲宽度或编程脉冲宽度的初始值；步骤2：从小到大的改变擦除脉冲宽度或编程脉冲宽度，得到在指定擦除脉冲宽度增幅ΔL或编程脉冲宽度增幅ΔH下的擦除或编程时间；步骤3：改变擦除脉冲宽度增幅ΔL或编程脉冲宽度增幅ΔH的大小，重复顺序执行步骤1和步骤2，得到擦除速度或编程速度随脉冲宽度增幅的变化规律。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，用户只需输入设定RRAM器件高低组态的分界阻值Rd及RRAM器件硬击穿电阻Rf，程序可以自动地判断RRAM器件当前所处的状态，然后针对RRAM器件所处状态产生编程或擦除脉冲，并测试出该脉冲幅度下编程或擦除操作后RRAM所处的状态，继续产生编程或擦除脉冲。这种方法可以明显提高测试效率。

2、本发明提供的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，用户只需输入待测器件编程或擦除速度测试所需的具体电压、初始脉宽、脉宽变化幅值等条件，程序将自动地计算每次所施加的脉冲宽度，脉冲宽度会自动累计，一旦当前操作电压下不同脉冲的速度测试完毕时，自动编程或擦除到用户设置的初始脉宽，自动计算当前脉冲电压幅度下，脉冲宽度参数，从而自动完成器件在每种操作电压及脉冲宽度下的速度参数，所以本方法极大加快了待测器件在该电压下编程擦除速度参数的提取。

3、本发明提供的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，用户只需输入不同电压下需要测试的次数，初始脉宽，脉宽变化幅值等条件，程序将自动计算总的测量次数以及每次所施加的编程或擦除脉冲的个数，以及每次所施加的脉冲宽度，脉冲宽度会自动累计，一旦当前操作电压下不同脉冲的速度测试完毕时，自动编程或擦除到初始态，自动计算当前脉冲电压幅度下，脉冲宽度参数，从而自动完成器件在每种操作电压及脉冲宽度下的速度参数，所以本方法使得器件编程速度、擦除速度随电压幅度变化参数更加方便，快速高效。

附图说明

图1是RRAM器结构的示意图；

图2是RRAM器件在直流扫描情况下编程和擦除的变化曲线；

图3是现有技术中对RRAM存储器脉冲参数的测试方法；

图4是本发明提供的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法流程图；

图5是依照本发明实施例的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法流程图；

图6是图5中对RRAM器件在指定电压增幅下编程操作的方法流程图；

图7是图5中对RRAM器件在指定电压增幅下擦除操作的方法流程图；

图8是对RRAM存储器脉冲参数进行测试的的另一个实例。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图4所示，图4是本发明提供的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法流程图，该方法具体包括以下步骤:判断RRAM器件当前所处的状态，然后在一定电压下根据RRAM器件所处状态产生脉冲宽度L₁＝L的擦除脉冲或脉冲宽度H₁=H的编程脉冲对RRAM器件进行擦除或编程操作，在擦除或编程操作后再次判断RRAM所处状态，直至RRAM器件所处状态发生改变，否则产生脉冲宽度L_n＝L+(n-1)ΔL的擦除脉冲或脉冲宽度H_n=H+(n-1)ΔH的编程脉冲对RRAM器件进行擦除或编程操作，n为自然数，记录最后使RRAM器件状态发生改变的脉冲宽度L_n或H_n，即得到擦除速度或编程速度。

其中，所述判断RRAM器件当前所处的状态，包括:对RRAM器件加载一个小电压，读出通过RRAM器件的电流，根据读出的电流即可判断RRAM器件当前所处的状态是高阻态还是低阻态。

如果RRAM器件当前所处的状态是高阻态，则在一定电压下，脉冲发生器产生一脉冲宽度L₁＝L的擦除脉冲并加载至RRAM器件，然后判断RRAM器件的状态，如果RRAM器件处于高阻态，则脉冲发生器产生一脉冲宽度L₂＝L+ΔL的擦除脉冲并加载至RRAM器件，再次判断RRAM器件的状态，如果RRAM器件仍处于高阻态，则脉冲发生器产生一脉冲宽度L₃＝L+2ΔL的擦除脉冲并加载至RRAM器件，直至RRAM器件变为低阻态，记录使RRAM器件变为低阻态的脉冲宽度，该脉冲宽度即为擦除速度。该方法还同时记录下全部脉冲宽度。

如果RRAM器件当前所处的状态是低阻态，则在一定电压下，脉冲发生器产生一脉冲宽度H₁＝H的编程脉冲并加载至RRAM器件，然后判断RRAM器件的状态，如果RRAM器件处于低阻态，则脉冲发生器产生一脉冲宽度H₂=H+ΔH的编程脉冲并加载至RRAM器件，再次判断RRAM器件的状态，如果RRAM器件仍处于低阻态，则脉冲发生器产生一脉冲宽度H₃＝H+2ΔH的编程脉冲并加载至RRAM器件，直至RRAM器件变为高阻态，记录使RRAM器件变为高阻态的脉冲宽度，该脉冲宽度即为编程速度。该方法还同时记录下全部脉冲宽度。

在本发明中，该方法还包括：改变电压的大小，重复执行上述测试步骤，得到不同电压下的擦除速度和编程速度。

在本发明中，该方法还包括：改变脉冲宽度增幅ΔL或ΔH的大小，重复执行上述测试步骤，得到擦除速度或编程速度随脉冲宽度增幅的变化规律，包括：

步骤1：设定擦除脉冲宽度增幅ΔL或编程脉冲宽度增幅ΔH，并设置擦除脉冲宽度或编程脉冲宽度的初始值；

步骤2：从小到大的改变擦除脉冲宽度或编程脉冲宽度，得到在指定擦除脉冲宽度增幅ΔL或编程脉冲宽度增幅ΔH下的擦除或编程时间；

步骤3：改变擦除脉冲宽度增幅ΔL或编程脉冲宽度增幅ΔH的大小，重复顺序执行步骤1和步骤2，得到擦除速度或编程速度随脉冲宽度增幅的变化规律。

如图5所示，图5是依照本发明实施例的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法流程图，本发明实施例是基于半导体参数测试仪Keithley4200-SCS(S4200)及四个具有1A/20W能力的大功率SMU，开关矩阵与脉冲发生器等多种外围设备组成的测试系统。S4200为控制平台，SUM可以发送恒压或扫描电压，开关矩阵控制着不同的通道切换。S4200作为控制平台，控制SUM发送不同的电压，控制着开关矩阵的切换，以及脉冲发生器发送不同的脉冲。本发明实施例基于以上系统对一种对阻变存储器(RRAM，Resistive Random Access Memory)脉冲参数进行测试的方法，具体包括以下步骤：

针对RRAM器件判断RRAM器件当前所处的状态，如图5所示，针对RRAM所处状态，继续产生编程或擦除脉冲的方法为：

a、首先进行脉冲的初始化配置，切换至直流测试模式，S4200控制SUM发送一个小电压，读出电流，计算出RRAM器件的阻值R，该过程简称为直流模式读电阻；

b、比较当前RRAM器件阻值R是否大于Rf(Rf为RRAM器件硬击穿电阻，用户可以根据器件特性，改变大小)，若RRAM器件阻值R大于Rf，则执行步骤c；若RRAM器件阻值R不大于Rf，则执行步骤f；

c、S4200控制开关矩阵，切换至脉冲测试模式，比较RRAM器件阻值R是否大于Rd(Rd为RRAM器件高低组态的分界阻值)，若RRAM器件阻值R大于Rd，则执行步骤d；若RRAM器件阻值R不大于Rd，则执行步骤e；

d、产生编程脉冲，将用户设置的脉宽pulseWidth_set记忆到PulseWidth中，切换至直流模式，读取RRAM器件的阻值R，设置flag(flag为编程模式的判断标志)值为1；设置flag_reset(flag_reset为擦除模式判断标志)的值为0；设置set_SUM(set_SUM为编程脉冲的累计脉宽)为PulseWidth_set；进入编程模式；

e、产生擦除脉冲，将用户设置的脉宽PulseWidth_reset记忆到pulseWidth中，切换开关矩阵，读取RRAM器件的阻值R，设置flag(flag为编程模式的判断标志)值为0；设置flag_reset(flag_reset为擦除模式判断标志)的值为1；设置time_SUM(time_SUM为编程脉冲的累计脉宽)为PulseWidth_reset；进入擦除模式；

f、返回数值-1，结束操作。

针对RRAM器件工作速度对电压敏感的特点，该方法可以将器件编程脉冲或擦除脉冲设定到指定的值，改变电压的大小，测试出电压的大小对编程或擦除时间的影响规律，从而得到不同电压下的编程速度、擦除速度;或者，将电压设定到指定的值，改变编程脉冲或擦除脉冲的增幅，得到擦除速度或编程速度随脉冲宽度增幅的变化规律。

其中，所述将电压设定到指定的值，改变编程脉冲或擦除脉冲的增幅，得到擦除速度或编程速度随脉冲宽度增幅的变化规律，具体包括：

步骤1：设定擦除脉冲宽度增幅或编程脉冲宽度增幅，并设置擦除脉冲宽度或编程脉冲宽度的初始值；

步骤2：从小到大的改变擦除脉冲宽度或编程脉冲宽度，得到在指定擦除脉冲宽度增幅或编程脉冲宽度增幅下的擦除或编程时间；

步骤3：改变擦除脉冲宽度增幅或编程脉冲宽度增幅的大小，重复顺序执行步骤1和步骤2，得到擦除速度或编程速度随脉冲宽度增幅的变化规律。

图5是针对RRAM器件判断当前状态进去编程或擦除模式的流程图。首先用户对RRAM参数进行配置，然后对RRAM器件加载一个小电压，读出通过RRAM器件的电流，根据读出的电流算出电阻R即可判断RRAM器件当前所处的状态是高阻态还是低阻态，针对RRAM器件的当前状态，进行编程或擦除操作。若R小于击穿电阻Rf，则结束操作。若产生编程脉冲，将用户设置的脉宽pulseWidth_set记忆到pulseWidth中，读取RRAM器件的阻值R，设置flag(flag为编程模式的判断标志)值为1；设置flag_reset(flag_reset为擦除模式判断标志)的值为0；设置set_SUM(set_SUM为编程脉冲的累计脉宽)为PulseWidth_set；进入编程模式；若产生擦除脉冲，将用户设置的脉宽PulseWidth_reset记忆到PulseWidth中，切换开关矩阵，读取RRAM器件的阻值R，设置flag(flag为编程模式的判断标志)值为0；设置flag_reset(flag_reset为擦除模式判断标志)的值为1；设置time_SUM(time_SUM为编程脉冲的累计脉宽)为PulseWidth_reset；进入擦除模式。流程图中的参数名称所对应的含义如下表1：

图6是针对RRAM器件在指定电压幅度下编程的流程图，判断RRAM器件当前状态后，若RRAM阻值R小于击穿电阻Rf，则结束操作；若产生编程脉冲，将用户设置的脉宽PulseWidth_set记忆到PulseWidth中，用开关矩阵切换开关，读取RRAM器件的阻值R，设置flag(flag为编程模式的判断标志)值为1；设置flag_reset(flag_reset为擦除模式判断标志)的值为0；设置set_SUM(set_SUM为编程脉冲的累计脉宽)为0；用开关矩阵切换开关，产生编程脉冲，脉冲宽度为PulseWidth_set；再次设置脉宽PulseWidth_set＝PulseWidth_set*pow(lO，SET_step)；用开关矩阵切换开关，读取RRAM器件的阻值R，若R不小于SET_Rd，则继续产生编程脉冲，脉冲宽度为PulseWidth_set，否则设置flag＝0。

图7是针对RRAM器件在指定电压幅度下擦除的流程图。判断RRAM器件当前状态后，若RRAM阻值R小于击穿电阻Rf，则结束操作；产生擦除脉冲，将甩户设置的脉宽PulseWidth_reset记忆到PulseWidth中，用开关矩阵切换开关，读取RRAM器件的阻值R，设置flag(flag为编程模式的判断标志)值为0；设置flag_reset(flag_reset为擦除模式判断标志)的值为1；设置time_SUM(set_SUM为编程脉冲的累计脉宽)为0；用开关矩阵切换开关，产生编程脉冲，脉冲宽度为PulseWidth_reset；再次设置脉宽PulseWidth_reset＝PulseWidth_reset^*pow(lO，RESET_step)；用开关矩阵切换开关，读取RRAM器件的阻值R，若R小于RESET_Rd，则继续产生擦除脉冲，脉冲宽度为PulseWidth_reset，否则设置flag＝1。流程图中的参数名称所对应的含义如下表2：

图8是RRAM器件测试的编程和擦除脉冲，编程或擦除时间的变化曲线，得到编程速度、擦除速度随电压幅度变化规律。编程脉冲为脉冲宽度逐渐变宽的正脉冲，后一个脉宽是前一个脉宽的10^step倍，即PulseWidth_set=PulseWidth*pow(10,step)；擦除脉冲为脉冲宽度逐渐变宽的负脉冲，同样后一个脉宽也是前一个脉宽的1O^step倍，即PulseWidth_set=PulseWidth*pow(10,step)；所对应的含义如下表3

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，其特征在于，该方法包括：

判断RRAM器件当前所处的状态，然后在一定电压下根据RRAM器件所处状态产生脉冲宽度L₁＝L的擦除脉冲或脉冲宽度H₁＝H的编程脉冲对RRAM器件进行擦除或编程操作，在擦除或编程操作后再次判断RRAM所处状态，直至RRAM器件所处状态发生改变，否则产生脉冲宽度L_n＝L+(n-1)ΔL的擦除脉冲或脉冲宽度H_n＝H+(n-1)ΔH的编程脉冲对RRAM器件进行擦除或编程操作，n为自然数，记录最后使RRAM器件状态发生改变的脉冲宽度L_n或H_n，即得到擦除速度或编程速度。

2.根据权利要求1所述的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，其特征在于，所述判断RRAM器件当前所处的状态，包括:

对RRAM器件加载一个小电压，读出通过RRAM器件的电流，根据读出的电流即可判断RRAM器件当前所处的状态是高阻态还是低阻态。

3.根据权利要求2所述的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，其特征在于，如果RRAM器件当前所处的状态是高阻态，则在一定电压下，脉冲发生器产生一脉冲宽度L₁＝L的擦除脉冲并加载至RRAM器件，然后判断RRAM器件的状态，如果RRAM器件处于高阻态，则脉冲发生器产生一脉冲宽度L₂＝L+ΔL的擦除脉冲并加载至RRAM器件，再次判断RRAM器件的状态，如果RRAM器件仍处于高阻态，则脉冲发生器产生一脉冲宽度L₃＝L+2ΔL的擦除脉冲并加载至RRAM器件，直至RRAM器件变为低阻态，记录使RRAM器件变为低阻态的脉冲宽度，该脉冲宽度即为擦除速度。

4.根据权利要求3所述的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，其特征在于，该方法还同时记录下全部脉冲宽度。

5.根据权利要求2所述的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，其特征在于，如果RRAM器件当前所处的状态是低阻态，则在一定电压下，脉冲发生器产生一脉冲宽度H₁＝H的编程脉冲并加载至RRAM器件，然后判断RRAM器件的状态，如果RRAM器件处于低阻态，则脉冲发生器产生一脉冲宽度H₂=H+ΔH的编程脉冲并加载至RRAM器件，再次判断RRAM器件的状态，如果RRAM器件仍处于低阻态，则脉冲发生器产生一脉冲宽度H₃＝H+2ΔH的编程脉冲并加载至RRAM器件，直至RRAM器件变为高阻态，记录使RRAM器件变为高阻态的脉冲宽度，该脉冲宽度即为编程速度。

6.根据权利要求5所述的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，其特征在于，该方法还同时记录下全部脉冲宽度。

7.根据权利要求1所述的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，其特征在于，该方法还包括：

改变电压的大小，重复执行上述测试步骤，得到不同电压下的擦除速度和编程速度。

8.根据权利要求1所述的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，其特征在于，该方法还包括：

改变脉冲宽度增幅ΔL或ΔH的大小，重复执行上述测试步骤，得到擦除速度或编程速度随脉冲宽度增幅的变化规律。

9.根据权利要求8所述的对RRAM存储器脉冲参数进行测试的方法，其特征在于，所述改变脉冲宽度增幅ΔL或ΔH的大小，重复执行上述测试步骤，得到擦除速度或编程速度随脉冲宽度增幅的变化规律，包括：

步骤1：设定擦除脉冲宽度增幅ΔL或编程脉冲宽度增幅ΔH，并设置擦除脉冲宽度或编程脉冲宽度的初始值；

步骤2：从小到大的改变擦除脉冲宽度或编程脉冲宽度，得到在指定擦除脉冲宽度增幅ΔL或编程脉冲宽度增幅ΔH下的擦除或编程时间；

步骤3：改变擦除脉冲宽度增幅ΔL或编程脉冲宽度增幅ΔH的大小，重复顺序执行步骤1和步骤2，得到擦除速度或编程速度随脉冲宽度增幅的变化规律。

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