CN112444765A

CN112444765A - 翻转电压的测试方法

Info

Publication number: CN112444765A
Application number: CN201910818113.5A
Authority: CN
Inventors: 何世坤; 王明; 哀立波
Original assignee: CETHIK Group Ltd; Hikstor Technology Co Ltd
Current assignee: CETHIK Group Ltd; Hikstor Technology Co Ltd
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2021-03-05
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: CN112444765B

Abstract

本申请提供了一种翻转电压的测试方法，该测试方法包括以下步骤：将多个待测的阻变器件并联，形成待测器件组；对待测器件组的两端施加测试电信号，测量待测器件组的测试电阻，测试电信号为测试电压或者测试电流；重复施加测试电信号，直到测试电阻不再变化，得到第一关系式，第一关系式为测试电阻与测试电信号之间的关系式，且得到的至少部分测试电阻不同，每次重复过程中，当前的测试电信号大于或者小于前一次对待测器件组两端施加的测试电信号；根据第一关系式获取阻变器件的相关参数，相关参数包括翻转电压的均值和翻转电压的标准差。相较于多个器件多次测量方法，该测试方法可以有效节省测试时间，极大提升测试效率。

Description

翻转电压的测试方法

技术领域

本申请涉及存储器领域，具体而言，涉及一种翻转电压的测试方法。

背景技术

近年来发展迅速的磁性随机存储器MRAM具有优异的特性，比如，克服了SRAM面积大，尺寸微缩后漏电大的缺点；克服了DRAM需要一直进行数据刷新，功耗大的缺点；相对Flash memory，读写时间和可读写次数优越几个数量级。

作为一种存储器件，写入翻转电压是一个重要参数。在研发阶段为了获取器件翻转电压的分布，确保量产阶段产品的功能性，测试样本的选取会较多，目前，对多样本翻转电压测试，一般会逐个对样本进行测试，然后对测试数据进行统计分析，得到最终的翻转电压分布。

具体地，现有技术中测量大量MTJ器件的翻转电压的方法包括以下步骤：

步骤S101，施加一定幅值和宽度的电压脉冲作用于单个MTJ器件；

步骤S102，在较低电压下测量器件的电阻值；

步骤S103，增加施加的脉冲电压幅值，图1为步骤S101以及步骤S102的电压施加时序图，在依次递增的高电压下写入，在低电压下读取阻值，依次重复步骤S101和S102，直到电阻值发生跳变，如图2所示，记录此时施加的电压即为该器件的翻转电压；

对多个MTJ器件重复以上步骤，得到每个器件的翻转电压。统计处理数据即可得到器件的翻转电压分布，如图3所示。

上述的测试方法需要对多个MTJ逐个进行测试，需要进行若干次的IV曲线扫描才能统计得出翻转电压的分布曲线，测试花费时间长。

在背景技术部分中公开的以上信息只是用来加强对本文所描述技术的背景技术的理解，因此，背景技术中可能包含某些信息，这些信息对于本领域技术人员来说并未形成在本国已知的现有技术。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种翻转电压的测试方法，以解决现有技术中的获取翻转电压的分布曲线所需要的时间较长的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种测试方法，包括：步骤S1，将多个待测的阻变器件并联，形成待测器件组；步骤S3，对所述待测器件组的两端施加测试电信号，测量所述待测器件组的测试电阻，所述测试电信号为测试电压或者测试电流；步骤S4，重复执行所述步骤S3多次，直到所述测试电阻不再变化，得到第一关系式，所述第一关系式为所述测试电阻与所述测试电信号之间的关系式，且得到的至少部分所述测试电阻不同，每次重复过程中，当前的所述测试电信号大于或者小于前一次对所述待测器件组两端施加的所述测试电信号；步骤S5，根据所述第一关系式获取所述阻变器件的相关参数，所述相关参数包括翻转电压的均值和所述翻转电压的标准差。

进一步地，在所述步骤S1和所述步骤S3之间，所述测试方法还包括：步骤S2，初始化各所述阻变器件，使得各所述阻变器件处于相同的状态。

进一步地，所述步骤S2包括以下至少之一：对所述待测器件组的两端施加预定电压，对所述待测器件组的两端施加预定电流，在所述待测器件组所处的空间中施加预定磁场。

进一步地，所述步骤S4中，当前的所述测试电信号与前一次的所述测试电信号之间的差值为预定差值。

进一步地，所述步骤S5包括：根据所述第一关系式获取第二关系式，所述第二关系式为所述测试电阻的倒数与所述测试电信号对应的电压之间的关系式；根据所述第二关系式，得到拟合公式；根据所述拟合公式获取所述相关参数。

进一步地，根据所述第二关系式，得到拟合公式，包括：根据所述第二关系式获取第三关系式，所述第三关系式为所述阻变器件的翻转概率密度与所述测试电信号对应的电压之间的关系式；对所述第三关系式进行拟合，得到所述拟合公式。

进一步地，根据所述第二关系式获取第三关系式，包括：以所述测试电信号对应的电压为变量对所述第二关系式取微分，得到所述第三关系式，对所述第三关系式进行拟合，得到所述拟合公式，包括：对所述第三关系式进行正态分布拟合，得到所述拟合公式。

进一步地，根据所述第一关系式获取第二关系式，包括：根据所述第一关系式获取第二预定关系式；对所述第二预定关系式进行数值平滑处理，得到所述第二关系式。

进一步地，根据所述第二关系式，得到拟合公式，包括：对所述第二关系式进行累计概率分布拟合，得到所述拟合公式。

进一步地，所述测试方法还包括：根据所述拟合公式确定所述阻变器件的写入错误率的分布关系式。

进一步地，所述步骤S1包括：将多个待测的阻变器件并联，形成所述待测器件组。

应用本申请的技术方案，将多个待测的阻变器件并联，形成待测器件组，通过在待测器件组的两端施加测试电信号，测量待测器件组的测试电阻，重复上述步骤直到上述测试电阻不再发生变化，得到测试电阻与测试电信号之间的关系式。相较于现有技术中的需要逐个测试多个器件的测量方法来说，本申请采用的测试方法可以一次进行多个器件的测量，进而可以有效节省测试时间，极大提升测试效率，且测试结果可以直接反应器件的阵列统计行为，本发明利用的测试资源很少，不需要对现有测试机台进行硬件上的改进，同时对大数量个测试曲线进行数据处理，无需剔除无效器件就能得到有效的旋转分布曲线，操作简单。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术中的单个MTJ器件的电压施加时序图；

图2示出了现有技术中的单个MTJ器件的写入电压和电阻之间的关系曲线；

图3示出了现有技术中的多个MTJ器件的翻转电压分布情况示意图；

图4示出了根据本申请的一种测试方法的实施例的测试流程图；

图5示出了根据本申请的实施例的测试结构中每个MTJ两状态的电阻分布；

图6示出了根据本申请的实施例的R-V曲线图；

图7示出了根据本申请的实施例的1/R-V曲线图；

图8示出了根据本申请的实施例1中的包括待测器件组的结构示意图；

图9示出了根据本申请的实施例的正态分布拟合曲线示意图；以及

图10出了实施例2中的包括待测器件组的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、待测器件组；11、阻变器件；20、测试电极。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。

正如背景技术所介绍的，现有技术中获取翻转电压的分布曲线所需要的时间较长，为了解决这一技术问题，根据本申请的实施例，提供了一种翻转电压的测试方法。图4示出了本申请的实施例的测试方法的流程图。该测试方法包括如下步骤：

步骤S1，将多个待测的阻变器件并联，形成待测器件组；

步骤S3，对上述待测器件组的两端施加测试电信号，测量上述待测器件组的测试电阻，上述测试电信号为测试电压或者测试电流；

步骤S4，重复执行上述步骤S3多次，直到上述测试电阻不再变化，得到第一关系式，上述第一关系式为上述测试电阻与上述测试电信号之间的关系式，且得到的至少部分上述测试电阻不同，每次重复过程中，当前的上述测试电信号大于或者小于前一次对上述待测器件组两端施加的上述测试电信号，即测试电信号在此过程中单调变化，即多次重复过程中所施加的上述测试电信号为逐渐递增或者逐渐递减；

步骤S5，根据上述第一关系式获取上述阻变器件的相关参数，上述相关参数包括翻转电压的均值和上述翻转电压的标准差，上述相关参数用来评价所获取的翻转电压的分布曲线的性能。

上述测试方法，将多个待测的阻变器件并联形成待测器件组进行测试，多次对上述待测器件组的两端施加测试电信号并测量上述待测器件组的测试电阻，当前的上述测试电信号大于或者小于前一次对上述待测器件组两端施加的上述测试电信号，直到上述测试电阻不再变化，得到上述第一关系式为上述测试电阻与上述测试电信号之间的关系式，根据该关系式获取上述阻变器件的相关参数，上述相关参数包括翻转电压的均值和上述翻转电压的标准差。相较于多个器件多次测量方法，该测试方法可以有效节省测试时间，极大提升测试效率，测试结果可以直接反应器件的阵列统计行为，本实施例利用的测试资源很少，不需要对现有测试机台进行硬件上的改进，同时对大数量个测试曲线进行数据处理，无需剔除无效器件就能得到有效的旋转分布曲线，操作简单。

为了更准确地评价阻变器件的性能，从而增大测试方法的应用范围，本申请的一种实施例中，在上述实施例的步骤S1和步骤S3之间，测试方法还包括步骤S2：初始化各阻变器件，使得各阻变器件处于相同的状态，上述步骤S2中初始化各阻变器件，使得各阻变器件处于相同的状态是为了使得所有的阻变器件的磁性层都可以翻转，进一步保证了该测试过程中的有效测试样本的数量更多，从而提高测试的精度。

当然，上述测试电信号不仅仅可以是测试电压或者测试电流，上述测试电信号还可以为其它的激励源信号，本申请的一种实施例中，步骤S2可包括以下至少之一：对待测器件组的两端施加预定电压，对待测器件组的两端施加预定电流，在待测器件组所处的空间中施加预定磁场。也就是说，实现初始化各上述阻变器件的方式可以为这三种方式的任意一种，也可以为多种的混合，只要能够使得各上述阻变器件处于相同的状态即可。

实际上，重复执行上述步骤S3多次的过程中，每次测试电信号增加的步长可以相同，也可以不同，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的步长，为了更精确地表示所施加的电信号的性能，本申请的一种实施例中，步骤S4中当前的测试电信号与前一次的测试电信号之间的差值为预定差值，即测试电信号等步长地增加或者减少。

本申请的一种实施例中，步骤S5中包括根据第一关系式获取第二关系式，第二关系式为测试电阻的倒数与测试电信号对应的电压之间的关系式；根据第二关系式，得到拟合公式；根据拟合公式获取相关参数。该过程的具体实现过程可以根据实际情况来确定，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的根据第二关系式得到拟合公式的方式。

将测试电信号设为S，本实施例中的第一关系式为R～S关系曲线，第二关系式为1/R～S关系曲线，通过对第二关系式进行拟合，得到拟合公式，进而根据拟合公式获取相关参数，快速得到翻转电压的分布曲线。

为了更精确地表示测试方法的测试原理，本申请的一种实施例中，根据上述第二关系式，得到拟合公式，包括：根据第二关系式获取第三关系式，第三关系式为阻变器件的翻转概率密度与测试电信号对应的电压之间的关系式；对上述第三关系式进行拟合，得到上述拟合公式。第三关系式为阻变器件的翻转概率密度与测试电信号对应的电压之间的关系式，通过阻变器件的翻转概率密度这一参数与测试电信号之间的对应关系，和对第三关系式的数据拟合可获得更多的先关参数，从而快速得到翻转电压的分布曲线。

本申请的一种具体的实施例中，根据第二关系式获取第三关系式，包括：以测试电信号对应的电压为变量对第二关系式取微分，得到第三关系式，对第三关系式进行拟合，得到拟合公式，包括：对第三关系式进行正态分布拟合，得到拟合公式，即得到正态拟合函数。上述方式进一步地限定了第三关系式的获取方法，并且对第三关系式所做的拟合处理，从而快速得到翻转电压的分布曲线。

需要说明的是，本申请中的获取拟合公式的方式并不限于上述的正态拟合的方式，还可以其他任何可行的方式，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的方式进行拟合，例如，泰勒展开拟合和傅里叶展开拟合等，对应地，获得的拟合公式分别为泰勒展开式和傅里叶展开式。

为了得到更加准确地拟合公式，从而获取更加准确的相关参数以及翻转电压的分布，本申请的一种实施例中，根据第一关系式获取第二关系式，包括：根据第一关系式获取第二预定关系式；对第二预定关系式进行数值平滑处理，得到第二关系式。通过对第二预定关系式进行数值平滑处理，有助于第三关系式的获取，有助于数据拟合，从而快速得到翻转电压的分布曲线。

激励信号设为S，上述实施例中的第一关系式为R～S关系曲线，对第一关系式进行处理得到第二预定关系式1/R～S关系曲线，对第二预定关系式进行数值平滑处理得到第二关系式。

为了更精确地表示测试方法的测试原理，本申请的实施例中，对第二关系式进行拟合，得到拟合公式，包括：对第二关系式进行累计概率分布拟合，得到累计概率密度函数的拟合公式。通过对第二关系式进行累计概率分布拟合得到拟合公式，从而快速得到翻转电压的分布曲线。

假设激励信号为S，本实施例中的第二关系式为1/R～S关系曲线，对第二关系式进行累计概率分布拟合。

为了获取更多的性能参数，从而更加全面地了解阻变器件的性能，为存储器的性能作参考，本申请的一种实施例中，测试方法还包括：根据拟合公式确定阻变器件的写入错误率的分布关系式。表征电压分布翻转检测结果的拟合公式可用来确定阻变器件的写入错误率的分布情况，其中，阻变器件写入错误率的分布情况的计算公式为：

其中，C₀、V₀、σ为正态分布拟合得到的参数，具体参考实施例1中的P₁₂(V)表达式，带入计算公式即可得到写入错误率的分布。

一种具体的实施例中，步骤S2包括将多个待测的阻变器件并联，形成待测器件组，这样可以更加方便测试。

需要说明的是，本申请中的测试电信号包括但不限于电压、电流等，对于电流信号和电压信号来说，都可以为一定脉冲宽度的脉冲信号，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的信号作为测试电信号。

还需要说明的是，在实际的测试过程中，为了更加方便地向待测器件组施加测试电信号，本申请的一种具体的实施例中，在待测器件组的两端分别连接一个或者多个测试电极(Pad)，通过向两个测试电极之间测试电信号来实施具体的测试。

本申请还对还对测试方法进行了仿真运算，运算方法为：假设测试结构为1000个MTJ的并联结构，其中每个MTJ的各项参数分布如表1所示。测试结构中每个MTJ两状态的电阻分布如图5所示。对测试结构施加不同幅值的脉冲电压，测量测试结构的阻值R，得到不同电压下阻值的变化关系(R-V曲线图)，如图6所示。

表1

	均值(Ω)	变异系数(CV，％)
			第一阻态电阻(R1)	3000Ω	8％
第二阻态电阻(R2)	7500Ω	9％
			翻转电压(Vc)	0.5V	8％

对如图6所示的R-V曲线进行处理得到1/R-V曲线如图7所示，对1/R-V曲线对V取微分得到翻转电压的概率分布函数P₁₂(V)，对概率分布函数进行正态拟合，拟合公式为：

拟合结果为μ＝0.5048，σ＝0.041，所以仿真结果翻转电压均值为0.505V，CV为8.13％，与假设在误差允许的范围内一致。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明本申请的技术方案。

实施例1

本实施例的测试方法包括以下步骤：

步骤S1，将多个待测的阻变器件11并联，形成待测器件组10，各阻变器件11为MTJ，在待测器件组10的两端分别串联一个测试电极20，形成图8所示的结构。

步骤S2，初始化状态检测：在两个测试电极之间施加一个足够大的电压V₀使所有MTJ全部处于同一状态(假设为第一阻态)。

步骤S3，以反向的电压施加预定脉冲宽度及幅值的电压脉冲(Vwrite)，然后测量并联电阻R，记录电压与阻值的关系曲线。

步骤S4，电压幅值增加预定差值Vstep，重复步骤S3，直至并联电阻值R不再随着Vwrite发生变化。即可得到R-V关系曲线(由第一阻态变为第二阻态)，R-V关系曲线如图6所示。

其中，第一阻态对应的电阻值为R₁，第二阻态对应的电阻值为R₂，总的并联电阻表示为：

对等式两边取微分，可得器件的翻转概率分布为：

得到微分曲线关系d(1/R)/dv与v的曲线关系，对该曲线进行正态分布拟合：

其中拟合参数

V₀＝V_mean即为翻转电压的均值，σ＝V_sigma即为翻转电压的标准差。

正态分布拟合曲线如图9所示。由P₁₂(V)的表达关系式可得，通过各个电压下并联电阻的大小，即可计算出翻转电压的分布，同理可得，上式也可表示第二阻态到第一阻态的翻转电压分布。

实施例2

与实施例1的区别在于：步骤S1中，将多个待测的阻变器件11并联形成待测器件组10，且待测器件组10的一端同时连接两个测试电极20，另一端同时连接两个测试电极20，如图10所示。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

应用本申请的技术方案，将多个待测的阻变器件并联，形成待测器件组，通过在待测器件组的两端施加测试电信号，测量待测器件组的测试电阻，重复上述步骤直到上述测试电阻不再发生变化，得到测试电阻与测试电信号之间的关系式。相较于多个器件多次测量方法，本申请采用的测试方法可以有效节省测试时间，极大提升测试效率，测试结果可以直接反应器件的阵列统计行为，本发明利用的测试资源很少，不需要对现有测试机台进行硬件上的改进，同时对大数量个测试曲线进行数据处理，无需剔除无效器件就能得到有效的旋转分布曲线，操作简单。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种翻转电压的测试方法，其特征在于，包括：

步骤S1，将多个待测的阻变器件并联，形成待测器件组；

步骤S3，对所述待测器件组的两端施加测试电信号，测量所述待测器件组的测试电阻，所述测试电信号为测试电压或者测试电流；

步骤S4，重复执行所述步骤S3多次，直到所述测试电阻不再变化，得到第一关系式，所述第一关系式为所述测试电阻与所述测试电信号之间的关系式，且得到的至少部分所述测试电阻不同，每次重复过程中，当前的所述测试电信号大于或者小于前一次对所述待测器件组两端施加的所述测试电信号；

步骤S5，根据所述第一关系式获取所述阻变器件的相关参数，所述相关参数包括阻变器件阵列翻转电压的均值和所述翻转电压的标准差。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在所述步骤S1和所述步骤S3之间，所述测试方法还包括：

步骤S2，初始化各所述阻变器件，使得各所述阻变器件处于相同的状态。

3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下至少之一：

对所述待测器件组的两端施加预定电压，

对所述待测器件组的两端施加预定电流，

在所述待测器件组所处的空间中施加预定磁场。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S4中，当前的所述测试电信号与前一次的所述测试电信号之间的差值为预定差值。

5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

根据所述第一关系式获取第二关系式，所述第二关系式为所述测试电阻的倒数与所述测试电信号对应的电压之间的关系式；

根据所述第二关系式，得到拟合公式；

根据所述拟合公式获取所述相关参数。

6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，根据所述第二关系式，得到拟合公式，包括：

根据所述第二关系式获取第三关系式，所述第三关系式为所述阻变器件的翻转概率密度与所述测试电信号对应的电压之间的关系式；

对所述第三关系式进行拟合，得到所述拟合公式。

7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，

根据所述第二关系式获取第三关系式，包括：以所述测试电信号对应的电压为变量对所述第二关系式取微分，得到所述第三关系式，

对所述第三关系式进行拟合，得到所述拟合公式，包括：对所述第三关系式进行正态分布拟合，得到所述拟合公式。

8.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，根据所述第一关系式获取第二关系式，包括：

根据所述第一关系式获取第二预定关系式；

对所述第二预定关系式进行数值平滑处理，得到所述第二关系式。

9.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，根据所述第二关系式，得到拟合公式，包括：

对所述第二关系式进行累计概率分布拟合，得到所述拟合公式。

10.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述测试方法还包括：

根据所述拟合公式确定所述阻变器件的写入错误率的分布关系式。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

将多个待测的阻变器件并联，形成所述待测器件组。