CN109959850B - 一种测量结型器件温度及自热效应的方法 - Google Patents

一种测量结型器件温度及自热效应的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量结型器件温度及自热效应的方法。传统的测试方法只能测得器件的平均温度。随着电路的频率不断增大，平均温度和瞬时温度的差异不断扩大，相应的，器件的参数在两种情况下的偏差进一步增大。本发明利用瞬时的电学响应和温度间的关系，得到器件在任意时刻的温度。通过高速的脉冲，探测过程对于原有状态的影响可以进一步减小。通过使用磁隧穿结在平行态下电阻不随温度和电压改变的性质，可以获得施加在器件上的真实电压，这一过程能够消除电压幅值不稳定所引入的测试误差，从而获得准确的器件温度变化。本发明方法能够使得对于结型器件的参数表征更加准确，从而使得器件与电路设计得到改善。

Description

一种测量结型器件温度及自热效应的方法
技术领域
本发明属于电学器件测试领域，尤其涉及一种测量结型器件温度及自热效应的方法。
背景技术
结型器件包括PN结，隧穿结等器件，在现代集成电路中广泛应用。随着电路频率上升，器件的功耗不断增加，同时在每个指令下，器件的工作时间不断减小。在现有的技术下，电路的温度会达到125℃，器件的工作时间减小到纳秒级别。由于器件在工作时处于较高的温度，其特性都会发生改变。这一和预期不一致的改变首先会使得电路偏离其设计性能，其次，玻尔兹曼分布决定了在高温下器件的可靠性会受到影响，从而使得电路在使用寿命内失效，影响产品的使用。然而，随着器件的工作时间缩短，器件温度在时间尺度的波动增大，传统的DC测试方法不能获得器件在工作时间下的真实温度。基于CN 107797045A专利中公开的测试系统，使用本技术方案，我们能够测量结型器件的工作时的温度。自旋转移力矩-磁随机存储器(STT-MRAM)基于一种有广泛使用前景的结型器件，即磁隧穿结(MTJ)。磁隧穿结中数据的保存时间对于温度的倒数呈指数关系，从而在温度上升时，数据的保存时间会快速下降。可以证明，当器件温度变化时，真实的保存时间将会小于直接使用平均温度计算得到的保存时间。因此，得到器件的真实温度将会是有实际意义的。同时，在磁性隧穿结中，其电阻与自旋极化率有关，而自旋极化率受到温度影响，从而其电阻具有一个正的温度系数。这一关系可以用来建立温度与电阻的映射。对于两种阻态，即反平行与平行态，所述温度系数差异极大。事实上，平行态的电阻几乎不随温度发生改变。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种测量结型器件温度及自热效应的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种测量结型器件温度及自热效应的方法，所述方法包括：
测量结型器件在不同环境温度下对于探测电压的电学信号响应；
依据所述环境温度下的所述电学信号响应，建立所述环境温度和所述电学信号的一对一映射；
在目标温度下，对于结型器件施加工作电压；
在施加所述工作电压后，施加所述探测电压，并测量探测电压下的电学信号响应；
依照所述一对一映射，将所述探测电压下的电学信号响应转换为器件在工作电压下的温度。
进一步地，所述探测电压为方波信号。
进一步地，所述电学信号响应是电流。
进一步地，所述结型器件为磁隧穿结器件。
进一步地，所述工作电压极性为正电压，其中电压的正方向定义为使磁隧穿结置为反平行态的极性；施加与所述工作电压极性相反，绝对值相同的校准电压；通过器件在校准电压下的响应电流，以及器件在校准电压下阻值不变的特性，获取真实工作电压，即为电流和电阻之积。按照所述真实工作电压，获得所述器件的电阻，并通过所述一对一映射转换得到所述器件的温度。
进一步地，所述探测电压的时间长度远小于工作电压的时间长度，从而使得所述电学响应在所述探测电压下基本不变。
进一步地，测量自热效应时，使用所述工作电压作为所述探测电压。
本发明的有益效果是：在实际电路中，器件的温度随器件开启与关闭而变化。传统的测试方法只能测得器件的平均温度。随着电路的频率不断增大，平均温度和瞬时温度的差异不断扩大，相应的，器件的参数在两种情况下的偏差进一步增大。本发明利用瞬时的电学响应和温度间的关系，得到器件在任意时刻的温度。通过高速的脉冲，探测过程对于原有状态的影响可以进一步减小。通过使用磁隧穿结在平行态下电阻不随温度和电压改变的性质，可以获得施加在器件上的真实电压，这一过程能够消除电压幅值不稳定所引入的测试误差，从而获得准确的器件温度变化。本发明方法能够使得对于结型器件的参数表征更加准确，从而使得器件与电路设计得到改善。
附图说明
图1为自热效应测试所使用的电压和对应的器件温度示意图；
图2为不同温度下的磁隧穿结电阻随磁场的变化。
图3为不同电压下的磁隧穿结电阻随电压的变化。
具体实施方式
在下面的具体实施方式中，参考形成本发明的一部分的附图，其中通过图解的方式示出可实施本发明的具体实施方式。应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可利用其它实施方式且可进行结构或逻辑的改变。例如，对于一个实施方式而示出或描述的特征可用于或结合其它实施方式以产生又一实施方式。其目的在于本发明包括这些修改和变化。使用特定的语言(其不应被解释为限制所附权利要求书的范围)描述实施方式。附图未按比例绘制且仅供说明之用。
本发明提出的一种测量结型器件温度及自热效应的方法，所述方法包括：
测量结型器件在不同环境温度下对于探测电压的电学信号响应；具体地，探测电压为方波信号；电学信号响应是电流；
依据所述环境温度下的所述电学信号响应，建立所述环境温度和所述电学信号的一对一映射；
在目标温度下，对于结型器件施加工作电压；
在施加所述工作电压后，施加所述探测电压，并测量探测电压下的电学信号响应；具体地，所述探测电压的时间长度远小于工作电压的时间长度，从而使得所述电学响应在所述探测电压下基本不变；
依照所述一对一映射，将所述探测电压下的电学信号响应转换为器件在工作电压下的温度。测量自热效应时，使用所述工作电压作为所述探测电压。
在以下实施方式中，测试器件为磁隧穿结。测试系统基于变温探针台以及微波测试系统。微波测试系统用于产生并测量高频电信号。
将磁隧穿结的反平行电阻记为Rap，平行态电阻记为Rp。假设将磁隧穿结置为反平行态的电压极性为正电压。假设磁隧穿结是纯阻性的器件。
在10℃到225℃之间，每隔10摄氏度作为一个温度测试点。将探针台温度设置为该温度，并实行下述步骤甲：
1.在器件两端加脉冲宽度为50ns，幅值为1V的正电压，以将器件置于反平行态。
2.在器件两端加脉冲宽度为1ns，幅值为V1的正电压，即探测电压，测量探测电压下的电流。由于所施加探测电压的时间极短，器件温度几乎不发生改变，相应地，其电流也不发生改变，记为Iap(V1)。
3.将电压V1从0.1V到1V进行改变，得到Iap与V1的对应关系。相应地，Rap和V1的关系可以通过Rap＝V1/Iap得到。
由此我们可以通过内插的方式，获得任意温度和电压下器件在反平行状态下的电阻Rap(T，V)。
其中固定电压的Rp(T)与Rap(T)如图2所示，固定温度的Rp(V)和Rap(V)如图3所示。
基于平行态电阻不依赖电压和温度的特性，按照如下步骤乙获得平行态电阻：
1.在器件两端加脉冲宽度为50ns，幅值为-1V的负电压，以将器件置于平行态。
2.在器件两端加脉冲宽度为1ns，幅值为-10mV的负电压，测量这一电压下的电流Ip。
3.平行态的电阻Rp即为10mV/Ip。
假设我们需要在25℃下，测量器件在宽度为100ns，幅值为1V的方波下的温度。我们可以实行下述步骤丙：
1.在器件两端加脉冲宽度为50ns，幅值为-1V的负电压，以将器件置于平行态。
2.在器件两端加载宽度为100ns，幅值为-1V的负电压，记录电流为Ip(t)。
3.按照V(t)＝|Ip(t)×Rp|，获得施加在器件上的真实电压V(t)。
4.在器件两端加脉冲宽度为50ns，幅值为1V的正电压，以将器件置于反平行态。
5.在器件两端加载宽度为100ns，幅值为1V的正电压，其温度变化如图1所示，记录电流为Iap(t)。
6.通过步骤丙3中获得的真实电压V(t)，在该正电压下器件的电阻即为R(t)＝V(t)/Iap(t)。
7.通过使用步骤甲所获得的反平行态电阻与温度和电压的关系Rap(V，T)，并使用步骤丙3中获得的电压V(t)，可以转换得到器件在该工作状态下待测的温度T(t)。

Claims (6)

1.一种测量结型器件温度及自热效应的方法，其特征在于，所述结型器件为磁隧穿结器件；所述方法包括：
测量结型器件在不同环境温度下对于探测电压的电学信号响应；
依据所述环境温度下的所述电学信号响应，建立所述环境温度和所述电学信号的一对一映射；
在目标温度下，对于结型器件施加工作电压；
在施加所述工作电压后，施加所述探测电压，并测量探测电压下的电学信号响应；
所述工作电压由高速信号源产生，所述探测电压下的电学信号响应由示波器测量；
测量过程所使用的测量电路结构为所述高速信号源、所述结型器件、所述示波器的串联；
所述结型器件的测量基于变温探针台；
依照所述一对一映射，将所述探测电压下的电学信号响应转换为器件在工作电压下的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测电压为方波信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电学信号响应是电流。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作电压极性为正电压，其中电压的正方向定义为使磁隧穿结置为反平行态的极性；施加与所述工作电压极性相反，绝对值相同的校准电压；通过器件在校准电压下的响应电流，以及器件在校准电压下阻值不变的特性，获取真实工作电压，即为电流和电阻之积；按照所述真实工作电压，获得所述器件的电阻，并通过所述一对一映射转换得到所述器件的温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测电压的时间长度远小于工作电压的时间长度，从而使得所述电学响应在所述探测电压下基本不变。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量自热效应时，使用所述工作电压作为所述探测电压。
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