CN111948507A - 一种不同写操作下相变存储芯片热稳定性预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种不同写操作下相变存储芯片热稳定性预测方法，包括以下步骤：(1)将存储单元通过写脉冲操作到非晶态；(2)对所述存储单元进行电学V‑I测试，得到所述写脉冲操作电流下的所述存储单元的V‑I数据；(3)根据设定的电流步长调整写脉冲操作电流，并重复步骤(2)，得到不同写脉冲操作下的存储单元V‑I数据；(4)采用数理统计方法对不同写脉冲操作下的存储单元的V‑I数据进行处理和分析，实现对所述存储单元的热稳定性进行预测。本发明避免了高温环境下的繁琐测试流程以及高温对相变存储单元的损伤。

Description

一种不同写操作下相变存储芯片热稳定性预测方法
技术领域
本发明涉及相变存储器测试技术领域，特别是涉及一种不同写操作下相变存储芯片热稳定性预测方法及系统。
背景技术
存储器主要用于存储程序和各种数据，是现代信息技术的重要组成部分。半导体存储器自20世纪60年代出现以来，以高性能、低成本、应用便捷等优势迅速占据了市场。相变存储器作为下一代新型非易失性存储器，有着高速、低功耗、寿命长的优点，以及与先进CMOS工艺有着很好的兼容性。相变存储器的基本原理是利用非晶态(高阻)和晶态(低阻)时的电阻值差异代表二进制数值‘0’和‘1’，从而完成信息的存储。目前相变存储器颗粒已经开始量产，且针对不同的商业应用，进行了独立的产品研发。
相变存储器作为新兴的存储器在未来有着很大的应用场景，然而在量产过程中，仍然有很多问题需要解决。相变存储器的相变是一个高热场和电场的过程，会引起很多可靠性的问题，在不同的应用场景中，针对存储器的热稳定性有着不同的要求。相变存储器芯片热稳定性为存储单元在高温环境下一定时间内失效单元比例，为了检查存储器热稳定性的可靠性指标，需要在高温环境下对芯片进行测试，在一定程度上对芯片有着损害且测试过程繁琐。因此，如何提供一种更便捷、有效的方式来预测热稳定性，以改善现有测试方法，实以成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种不同写操作下相变存储芯片热稳定性预测方法，解决现有技术的繁琐操作和高温环境下对存储单元造成的影响。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种不同写操作下相变存储芯片热稳定性预测方法，包括以下步骤：
(1)将存储单元通过写脉冲操作到非晶态；
(2)对所述存储单元进行电学V-I测试，得到所述写脉冲操作电流下的所述存储单元的V-I数据；
(3)根据设定的电流步长调整写脉冲操作电流，并重复步骤(2)，得到不同写脉冲操作下的存储单元V-I数据；
(4)采用数理统计方法对不同写脉冲操作下的存储单元的V-I数据进行处理和分析，实现对所述存储单元的热稳定性进行预测。
所述步骤(1)前还包括将所述存储单元操作到晶态的步骤。
所述步骤(2)中在进行电学V-I测试前，对所述存储单元进行读电阻测试，得到写脉冲操作电流下的所述存储单元的电阻值。
所述步骤(2)中在进行电学V-I测试前，对所述存储单元进行读电阻测试，得到写脉冲操作电流下的所述存储单元的电阻值。
所述步骤(2)中进行电学V-I测试时，施加到所述存储单元的电压低于所述存储单元的阈值电压。
所述步骤(3)中根据设定的电流步长调整写脉冲操作电流时，从一个设定的最小电流值逐渐增大到一个设定的最大电流值。
所述步骤(4)中采用数理统计方法对不同写脉冲操作下的存储单元的V-I数据进行处理和分析具体为：对V-I数据中的电流数据进行对数化处理，得到V-Log(I)曲线，对得到的V-Log(I)曲线进行拟合，得到在亚阈值区域所需部分曲线的斜率STS值，根据STS值预测所述存储单元的热稳定性。
所述对V-I数据中的电流数据进行对数化处理之前，还包括对不同写脉冲操作下的所述存储单元的电阻值进行统计，得到电阻分布变化，并去除未达到非晶态要求的电阻值所对应的V-I数据的步骤。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明结合微观结构对相变存储单元电学特性表征，通过统计学分析对相变存储单元进行筛选，即保证了相变存储单元的热稳定性，又保证了写操作效果，且避免了高温环境下的繁琐测试流程以及高温对相变存储单元的损伤。
附图说明
图1是本发明实施方式所需的实验装置示意图；
图2是本发明实施方式的测试操作流程图；
图3是本发明实施方式的数据处理及预测热稳定性的流程图；
图4是不同写操作后得到相变存储单元的电阻值分布图；
图5是不同写操作后得到相变存储单元的STS值分布图；
图6是不同写操作后得到相变存储单元热稳定性的测试数据图；
图中，1-待测相变存储芯片；2-晶圆自动探测机Prober；3-自动化测试设备ATE；4-主控计算机；5-数据处理模块。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种不同写操作下相变存储芯片热稳定性预测方法，包括以下步骤：(1)将存储单元通过写脉冲操作到非晶态；(2)对所述存储单元进行电学V-I测试，得到所述写脉冲操作电流下的所述存储单元的V-I数据；(3)根据设定的电流步长调整写脉冲操作电流，并重复步骤(2)，得到不同写脉冲操作下的存储单元V-I数据；(4)采用数理统计方法对不同写脉冲操作下的存储单元的V-I数据进行处理和分析，实现对所述存储单元的热稳定性进行预测。
由此可见，本实施方式的方法主要包括：数据收集、数据处理、预测存储单元热稳定性三部分。数据收集部分需对芯片测试，首先要将所述存储单元通过相同擦脉冲操作到晶态，保证不同写脉冲前存储单元的初始条件相同处在晶态，随后对存储单元施加不同的写脉冲。写操作完成后，对相变单元进行读电阻和V-I测试，得到了存储单元在非晶状态下的V-I曲线数据，测试V-I曲线的电压需要低于存储单元的阈值电压。写脉冲的条件从一个设定好的最小电流值逐渐增大到一个设定的最大值，且保证每一个写操作后都需要收集对应的一组V-I曲线数据。数据处理部分为对符合要求的V-I测试数据中电流I取对数得到log(I)，然后做V-log(I)曲线的拟合可以得到在亚阈值区域所需部分曲线的斜率即STS。预测单元热稳定性部分为根据第二部分的数据处理可以得到不同的写操作条件下的STS，而STS越小的写操作得到的存储单元状态热稳定性越好。
本实施方式利用微观晶体结构和宏观电学特性联系对相变存储单元进行电学表征，预测相变存储单元的热稳定性。其原理为不同写操作导致微观下相变存储单元的缺陷密度不同，在宏观上具体表现为存储单元电阻在高温下的变化速率不同，并且也反映在了电学特性上有差异，即通过对相变存储单元V-I数据处理得到STS，根据STS的变化规律可以预测相变存储单元的热稳定性。判断热稳定性的标准：相变存储单元的STS随着写操作电流变大而逐渐减小至饱和，而STS越小，热稳定性越好即相变存储单元电阻值在高温下变化越小；当STS饱和后对应的不同写操作得到的相变存储单元的热稳定性几乎相同。
由此可见，本发明是在大量数据测试结果下分析得到的，利用统计学的原理保证了分析的可靠和普适性。本发明既保证了写操作的效果，又得到了热稳定性好即可靠性高的相变存储芯片，在热稳定性和写操作电流之间找到了一个合适的平衡点。本发明对相变存储单元的损伤较小，且对其它后续可靠性测试没有影响，避免了高温环境下的繁琐流程以及高温对相变存储单元的损伤，所以本发明属于一种无损预测方法。
如图1所示，本实施方式中包含的所需实验测试装置包括：自动化测试设备ATE，晶圆自动探测机Prober，主控计算机。所述自动化测试设备ATE为包含数十种测试模块来自动化快速执行测量的复杂系统，其作用是提供测试过程中所需的地址、数据、时序及其它各种信号，对芯片进行读电阻测试和V-I电学特性测试。所述的晶圆自动探测机Prober用于连接自动化测试设备ATE的测试通道和待测芯片的管脚，进行对晶圆的定位。所述的主控计算机是用于编写测试任务、控制测试流程、发出测试指令以及处理测试得到的数据。
本实施方式的测试操作流程如图2所示，数据处理以及预测热稳定性如图3所示，具体操作步骤如下：
步骤一：将待测芯片放在晶圆自动探测机Prober上，探针扎在芯片相应的Pad上，确保接触良好。根据芯片的现有测试手册，设置好测试芯片写操作的电流脉冲高度值的下限和上限，以及写操作的电流变化步长，使芯片能够正常工作。
步骤二：使自动化测试设备ATE与晶圆自动探测机Prober相连，通过主控计算机设置好测试流程以及参数来控制自动化测试设备ATE发出各种所需信号，对芯片进行擦操作使被选中的相变存储单元为晶态，然后采用写操作脉冲参数对相变存储单元进行操作。
步骤三：写操作完成后，通过自动化测试设备ATE对上述中的相变存储单元先进行读电阻测试，随后是电学V-I测试。在V-I测试中通过给定扫描电压来测量相应的电流，且扫描电压需要低于相变存储单元的阈值电压，得到该写操作电流下的相变存储单元的电阻值和V-I数据。
步骤四：根据设定的电流步长增大写操作电流，重复步骤二、步骤三中操作，使写操作电流从下限逐渐增大至上限，从而得到了不同写操作下的相变存储单元的电阻值和V-I数据。
步骤五：采用数理统计方法对上述步骤中获得的数据进行处理和分析。先对不同写操作下的相变存储单元电阻值进行统计处理得到相应的电阻分布变化，舍弃不符合要求的电阻(没有达到非晶态电阻值要求)对应的写操作数据，然后对剩下的写操作电流下的V-I数据处理，如图3所示，得到V-Log(I)曲线，对曲线进行拟合得到相应的STS数据分布。
步骤六：将步骤五里的对应不同写操作电流下的STS数据进行统计分布，然后找到STS分布随着写操作电流的变化规律，而STS越小对应的写操作电流得到的存储单元热稳定性最好。
从图4中可以看出，0.6mA及其以上的写操作电流已经可以使相变存储单元到非晶态电阻要求，但是从图5中可以看出，0.6mA及其以上的写操作电流对应的STS值分布有着明显区别，而且图6也反映出了不同写操作后的相变存储单元的热稳定有差异，斜率越小代表热稳定性越好。可以看出不同写操作条件有着不同STS值，而STS越小，相变存储单元的热稳定越好。随着写操作电流的增大，电阻值虽然都符合非晶态要求，但是STS越来越小逐渐饱和，且分布一致性变好，热稳定性也在变好，饱和时写操作电流在0.85mA。因此可以将写操作电流设置为0.85mA，既保证了写操作效果，热稳定又好。
不同写操作对应的电阻分布如图4所示，STS分布如图5所示，不同写操作后单元热稳定性如图6所示，结合以上三张图分析，在写操作电流从0.6mA变化至1.1mA过程中，操作后的相变存储单元电阻分布都处在非晶状态，但是STS分布有着明显区别。STS在写操作电流高至0.85mA后达到饱和，且不再随着写操作电流增大变化。STS饱和对应的最小写操作电流得到的存储单元热稳定性达到最好，又保证了写操作的效果。因此，相比传统方法的繁琐操作，本发明只要测试写操作后的STS大小，就可以此预测存储单元热稳定性。
综上所述，本发明提供一种新型便捷的预测相变存储芯片热稳定性的方法，用以改善现有的测试相变存储芯片热稳定性方案，相比传统的相变存储单元的热稳定性测试方法带来的繁琐操作、对芯片造成损害的缺点，本发明将方向转化到芯片内部存储单元缺陷上，通过对存储单元的V-I电学特性测试，得到不同写操作后单元的状态，最终可以预测不同写操作电流后存储单元的热稳定性。通过本发明方法的测试，芯片热稳定性可以得到较为精确的评估，避免了在高温测试下带来的损伤，也得到了合适的写操作电流，该发明方法具有操作简单方便、测试成本低、对芯片无伤测试等优点。所以本发明有效改善了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用的价值。

Claims (7)

1.一种不同写操作下相变存储芯片热稳定性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将存储单元通过写脉冲操作到非晶态；
(2)对所述存储单元进行电学V-I测试，得到所述写脉冲操作电流下的所述存储单元的V-I数据；
(3)根据设定的电流步长调整写脉冲操作电流，并重复步骤(2)，得到不同写脉冲操作下的存储单元V-I数据；
(4)采用数理统计方法对不同写脉冲操作下的存储单元的V-I数据进行处理和分析，实现对所述存储单元的热稳定性进行预测。
2.根据权利要求1所述的不同写操作下相变存储芯片热稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤(1)前还包括将所述存储单元操作到晶态的步骤。
3.根据权利要求1所述的不同写操作下相变存储芯片热稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中在进行电学V-I测试前，对所述存储单元进行读电阻测试，得到写脉冲操作电流下的所述存储单元的电阻值。
4.根据权利要求1所述的不同写操作下相变存储芯片热稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中进行电学V-I测试时，施加到所述存储单元的电压低于所述存储单元的阈值电压。
5.根据权利要求1所述的不同写操作下相变存储芯片热稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中根据设定的电流步长调整写脉冲操作电流时，从一个设定的最小电流值逐渐增大到一个设定的最大电流值。
6.根据权利要求1所述的不同写操作下相变存储芯片热稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤(4)中采用数理统计方法对不同写脉冲操作下的存储单元的V-I数据进行处理和分析具体为：对V-I数据中的电流数据进行对数化处理，得到V-Log(I)曲线，对得到的V-Log(I)曲线进行拟合，得到在亚阈值区域所需部分曲线的斜率STS值，根据STS值预测所述存储单元的热稳定性。
7.根据权利要求6所述的不同写操作下相变存储芯片热稳定性预测方法，其特征在于，所述对V-I数据中的电流数据进行对数化处理之前，还包括对不同写脉冲操作下的所述存储单元的电阻值进行统计，得到电阻分布变化，并去除未达到非晶态要求的电阻值所对应的V-I数据的步骤。
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