CN113655312A - 一种光电混合相变存储器测试系统及方法 - Google Patents

一种光电混合相变存储器测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光电混合相变存储器测试系统及方法，包括：激光器模块，用于对样品提供诱导其相变材料相变的激光信号；电学测试模块，用于对样品提供测量信号并测试其相变材料相变所产生的电学性能变化；微控探针台，用于对样品引入并施加激光信号或测量信号；所述控制模块，用于根据测试指令控制激光器模块和电学测试模块在微控探针台上进行引入和切换。本发明可满足光电混合相变存储器的相变材料筛选和器件原理性验证等功能，操作简便，功能齐全。

Description

一种光电混合相变存储器测试系统及方法
技术领域
本发明涉及光电子领域，具体涉及一种光电混合相变存储器测试系统及方法。
背景技术
在半导体市场中，存储器占有重要的地位。利用相变薄膜材料作为存储介质的相变存储器(PCRAM)被认为是最有潜力的下一代非易失性存储器。PCRAM是基于S.R.Ovshinsky在20世纪60年代末、70年代初提出的奥弗辛斯基电子效应的存储器，其关键核心材料是作为存储介质的相变薄膜，Ovshinsky于1992年提出了基于电学信号的可擦写相变存储器的专利(美国专利，专利号：5166758)。PCRAM的基本原理是：施加电学脉冲信号于器件单元，使相变材料在非晶态与晶态之间产生可逆转变，利用材料在高电阻值的非晶态和低电阻值的晶态之间的电阻差异来实现数据存储。
存储器的研究一直朝着高速、高密度、低功耗、高可靠性的方向发展。从PCRAM的基本操作原理来看，PCRAM的擦除过程涉及相变材料的结晶，所需时间往往在几十甚至几百纳秒，是制约其速度的瓶颈所在。目前被用来诱导相变材料结晶的实验方法包括热退火、激光诱导和电脉冲诱导，热退火仅限于实验室研究相变材料的基本结晶性能时使用，结晶充分，但所耗时间非常长(秒级别以上)；利用激光诱导相变材料发生结晶可以在纳秒、皮秒甚至飞秒量级时间内完成，但是结晶前后相变材料的光学性能差异太小，信息存储的载噪比很低；而利用脉冲电信号诱导相变材料发生结晶，结晶前后相变材料的电学性能差异非常大，可获得很高的信息存储载噪比，但是发生结晶的时间相对较长(几十纳秒级别以上)，无法满足超高速存储要求。如果利用激光诱导相变实现信息的写入和擦除，而利用测量相变材料的电阻变化可实现信息的准确无误读出，即本专利发明人提出的一种光电混合存储的相变存储器结构及其制备方法(中国专利，专利号：ZL 201310534339.5)，借此可充分发挥传统意义的光存储和电存储的各自优势，实现超高速存储的目的。
现有针对相变存储器，测试系统的主要功能仅提供电脉冲(最短脉冲为200ps)诱导相变材料发生相变过程，实现写入和擦除操作，信息的读出通过读取相变前后电阻的变化实现，但此类测试装置及方法无法提供激光脉冲诱导相变材料产生相变，完全不能满足光电混合相变存储器的测试要求。针对光电混合相变存储技术的要求，需要重点开发相变材料和光电混合相变存储器器件单元的性能测试方法，目前国际上还没有专门的测试装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种光电混合相变存储器测试系统及方法，以完成光电混合相变存储的相变材料和器件单元性能测试。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光电混合相变存储器测试系统，包括：
激光器模块，用于对样品提供诱导其相变材料相变的激光信号；
电学测试模块，用于对样品提供测量信号并测试其相变材料相变所产生的电学性能变化；
微控探针台，用于对样品引入并施加激光信号或测量信号；
所述控制模块，用于根据测试指令控制激光器模块和电学测试模块在微控探针台上进行引入和切换。
作为本发明的进一步改进，所述激光信号为脉高或脉宽逐渐增加或减小的激光脉冲信号。
作为本发明的进一步改进，所述激光脉冲信号的脉高为0-3000μJ，所述激光脉冲信号的单个脉冲脉宽≤100ps。
作为本发明的进一步改进，所述电学测量模块提供的测量信号包括电压信号和电流信号，所述电压信号的范围为20mV-200V，所述电流信号的范围为1pA-1A。
作为本发明的进一步改进，所述激光器模块和所述电学测试模块分别与所述微控探针台之间还设有转换连接组件。
一种光电混合相变存储器的测试方法，采用如上所述的一种光电混合相变存储器测试系统，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将样品放置在微控探针台上；
S2：通过控制模块控制激光器模块通过微控探针台对样品施加一诱导其相变材料相变的激光信号；
S3：通过控制模块控制电学测试模块通过微控探针台对样品施加一测量信号；
S4：电学测试模块根据测量信号测试样品相变材料相变所产生的电学性能变化。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中电学性能变化测试包括对相变材料或光电混合相变存储器器件单元的电阻变化规律测试。
作为本发明的进一步改进，所述电阻变化规律测试包括电阻与激光脉高测试，所述电阻与激光脉高测试包括以下步骤：
在激光脉宽固定的情况下，利用控制模块控制激光器模块发出脉高逐渐增加或减小的激光脉冲信号，并把激光脉冲信号施加在样品上；
通过控制模块控制电学测试模块测量样品的电阻，并记录、显示和保存样品的电阻-激光脉高曲线。
作为本发明的进一步改进，所述电阻变化规律测试包括电阻与激光脉宽测试，所述电阻与激光脉宽测试包括以下步骤：
在激光脉高固定的情况下，利用控制模块控制激光器模块发出脉宽逐渐增加或减小的激光脉冲信号，并把激光脉冲信号施加在样品上；
通过控制模块控制电学测试模块测量样品的电阻，并记录、显示和保存样品的电阻-激光脉宽曲线。
作为本发明的进一步改进，所述电阻变化规律测试包括疲劳特性测试，所述疲劳特性测试包括以下步骤：
利用控制模块控制激光器模块发出激光脉宽和激光脉高固定的写/擦脉冲信号，并把脉冲信号施加在样品上；
通过控制模块控制电学测试模块测量样品的电阻，并记录、显示和保存样品的电阻-写/擦次数曲线，其中，写/擦脉冲信号的数量是单个或多个连续信号，写/擦脉冲信号的周期预先设定，输出写/擦脉冲信号的次数预先设定。
本发明的有益效果：本发明可实时测量相变材料和光电混合相变存储器器件单元的激光诱导相变所产生的电学性能变化，激光的脉冲最短可达皮秒、飞秒甚至阿秒量级，超短脉冲也同样可以诱导相变材料相变，即可实现皮秒甚至飞秒时间尺度的写入与擦除，故其写擦速度不仅涵盖现有电脉冲测试系统，更重要的是，采用皮秒激光器，其速度相对现有电脉冲测试系统可至少提高100倍，而采用飞秒激光器，其速度比现有测试系统可至少提高1000倍，有效集成超快激光，实现超高速光电混合相变存储器，可满足光电混合相变存储器的相变材料筛选和器件原理性验证等功能。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图；
图2是本发明方法流程示意图；
图3是本发明测试Ge2Sb2Te5存储性能的电阻与激光脉高的曲线图；
图4是本发明测试Ge2Sb2Te5存储性能的电阻与激光脉宽的曲线图；
图5是本发明测试Ge2Sb2Te5存储性能的电阻与SET/RESET写擦循环次数的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参考图1，本发明实施提供了一种光电混合相变存储器测试系统，包括：
激光器模块，用于对样品提供诱导其相变材料相变的激光信号；
电学测试模块，用于对样品提供测量信号并测试其相变材料相变所产生的电学性能变化；
微控探针台，用于对样品引入并施加激光信号或测量信号；
所述控制模块，用于根据测试指令控制激光器模块和电学测试模块在微控探针台上进行引入和切换。
具体的，激光器模块提供诱导相变材料相变的激光，激光器的种类包括但不限于微秒激光器、纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器、阿秒激光器等，该激光模块还包括必要的光路控制部件等。微控探针台模块提供放置样品的平台和引入测量信号并施加到样品上，包括但不限于样品台、探针、光学显微镜、微控旋纽、真空泵等部分组成。电学测试模块提供电流或电压信号源来测试相应的电压、电流或电阻，包括但不限于数字源表或半导体参数分析仪、连接导线等部分组成。转换连接部件是激光器模块、微控探针台模块和电学测试模块之间的互联互通和模块切换等。控制模块是实施命令的发送和数据的采集，以控制激光器模块和电学测试模块通过转换连接部件依次与微控探针台模块相连接，实现对相变材料和光电混合相变存储器器件单元的写/擦和性能测试，包括但不限于控制计算机和控制软件等部分组成。该系统可实现光写擦、电读出，其功能不同于电脉冲测试装置，即可实现皮秒甚至飞秒时间尺度的写入与擦除，速度比现有测试系统提高至少100倍。该测试系统可实时测量相变材料和光电混合相变存储器器件单元的激光诱导相变所产生的电学性能变化。
参考图2，本发明还实施提供了一种光电混合相变存储器的测试方法，采用如上所述的一种光电混合相变存储器测试系统，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将样品放置在微控探针台上；
S2：通过控制模块控制激光器模块通过微控探针台对样品施加一诱导其相变材料相变的激光信号；
S3：通过控制模块控制电学测试模块通过微控探针台对样品施加一测量信号；
S4：电学测试模块根据测量信号测试样品相变材料相变所产生的电学性能变化。
具体的，把诱导相变的激光与电学性能测量的测试系统有机结合在一起，可实现实时的激光诱导相变所带来的相变材料或光电混合相变存储器器件单元的电阻变化规律测试，具体包括但不限于以下测试：
1)电阻与激光脉高测试模块，在激光脉宽固定的情况下，利用控制计算机的对应控制软件命令激光源发出脉高逐渐增加或减小的激光脉冲信号，并把激光脉冲信号施加在样品上，然后通过控制软件利用电学测试模块测量样品的电阻，并记录、显示和保存样品的电阻-激光脉高曲线；
2)电阻与激光脉宽测试模块，在激光脉高固定的情况下，利用控制计算机的对应控制软件命令激光源发出脉宽逐渐增加或减小的激光脉冲信号，并把激光脉冲信号施加在样品上，然后通过控制软件利用电学测试模块测量样品的电阻，并记录、显示和保存样品的电阻-激光脉宽曲线；
3)疲劳特性测试模块，利用控制计算机的对应控制软件命令激光源发出激光脉宽和激光脉高固定的写/擦脉冲信号，并把脉冲信号施加在样品上，然后通过控制软件利用电学测试模块测量样品的电阻，并记录、显示和保存样品的电阻-写/擦次数曲线，写/擦脉冲信号的数量可以是单个或多个连续信号，写/擦脉冲信号的周期可以预先设定，输出写/擦脉冲信号的次数可以预先设定。
实施例一
本实施例提供了一种光电混合相变存储器测试系统，激光器采用皮秒激光器，生产厂家为苏州帕沃激光科技有限公司，型号为PWY-532-1B，其主要性能指标包括：波长：532nm；频率：1-10Hz；脉冲能量：0.5mJ@532nm；单个脉冲宽度：≤12.5ps@532nm；光斑模式：TEM00(高斯拟合度大于80％)；发散角：＜1mrad；光束直径：＜4mm；脉冲能量稳定性：RMS<3％(连续工作4hours)；光束指向稳定性：<50μrad；
微控探针台采用香港森美协尔的SM-4型探针台，其主要性能指标包括：a)探针台本体：1个4英寸真空吸附卡盘，X-Y移动范围4英寸*4英寸，移动精度1微米并带锁死装置；卡盘平整度：5μm；标准卡盘可360度无间隙旋转，卡盘旋转微调+-15°，调节精度0.1°；卡盘尺寸：4英寸，最小可以吸住芯片尺寸为0.3mmX0.3mm的单颗芯片；卡盘电学独立悬空，带香蕉头插口，可以作为背电极使用；显微镜环绕立柱旋转式设计，便于快速移动显微镜。b)显微成像系统：1个长工作距离显微镜，最大放大倍数可达200倍；自带CCD接口；高清CCD成像系统。c)探针座：X-Y-Z直径运动行程：12mm-12mm-12mm，磁力吸附并带磁力开关；可以调节点测角度：0-30°；移动精度2um。三轴屏蔽管状探针夹具：线缆为美国Trompeter屏蔽线缆，线长2.1m；管状接口固定探针，端口为三轴公，可匹配吉时利4200源表接口；可测量微弱电流，配合屏蔽箱最大漏电为100FA，需提供测试数据。d)真空泵：1个静音无油真空泵，可24小时不间断运行。e)探针：美国原装GGB探针；探针针尖小于5um；
电学测试模块采用美国Keithley的4200A-SCS型半导体参数分析仪，其主要性能指标包括：a)配备2个中功率直流IV测量单元，电流表测试量程/分辨率/精度(最小：100nA/50fA/30pA，最大：105mA/50nA/3uA)，电流源输出量程/分辨率/精度(最小：100nA/5pA/30pA，最大：105mA/5uA/15uA)；电压表测试量程/分辨率/精度(最小：200mV/1uV/100uV，最大：210V/200uV/3mV)，电压源输出量程/分辨率/精度(最小：200mV/5uV/150uV，最大：210V/5mV/15mV)；电流测试等效阻抗：>10^16欧姆。b)配备1个远端前置放大器，电流表测试量程/分辨率/精度(最小：1pA/10aA/10fA)，电流源输出量程/分辨率/精度(最小：1pA/1.5fA/40fA)。c)配备2个远程放大及开关单元，扩展电流测量范围：(10mA，1mA，100μA，10μA，1μA，100nA)，实现稳态IV、脉冲IV、CV模块之间不用换线的自动切换。d)主机配置全新ClariusSoftware用户界面，包括Clarius+软件包，可以执行几乎任何类型的I-V、C-V和脉冲式I-V特性分析测试。e)系统软件具有以下功能：Windows操作，图形化界面，全集成化，无需编制程序；标准半导体器件参数测试库，拥有450多项测试应用；提供四探针法电阻率测量方案及相应硬件；
转换连接部件的主要功能是激光器模块、微控探针台模块和电学测试模块之间的互联互通和模块切换等，包含激光光路调节、光学显微镜与激光光路转换、激光器和电学测试模块与控制模块之间的连接等。
控制模块的主要功能是实施命令的发送和数据的采集，以控制激光器模块和电学测试模块通过转换连接部件依次与微控探针台模块相连接，实现对相变材料和光电混合相变存储器器件单元的写/擦和性能测试，包括但不限于控制计算机和控制软件等部分组成。
上述测试系统把诱导相变的激光与电学性能测量的测试系统有机结合在一起，可实现实时的激光诱导相变所带来的相变材料或光电混合相变存储器器件单元的电阻变化规律测试，具体包括但不限于以下测试功能：
1)电阻与激光脉高测试，在激光脉宽固定的情况下，利用控制计算机的对应控制软件命令激光源发出脉高逐渐增加或减小的激光脉冲信号(脉高变化范围为0-3000μJ)，并把激光脉冲信号施加在样品上，然后通过控制软件利用电学测试模块测量样品的电阻，并记录、显示和保存样品的电阻-激光脉高曲线。相变材料采用Ge2Sb2Te5，激光脉宽为12.5ps，激光脉高变化范围为0-3000μJ，电阻测试模式是施加电压、测试电流，电压范围为0-1V，步进为0.1V，所测得的电阻与激光脉高的曲线图如图3所示。
2)电阻与激光脉宽测试，在激光脉高固定的情况下，利用控制计算机的对应控制软件命令激光源发出脉宽逐渐增加或减小的激光脉冲信号(脉宽变化范围为12.5ps-3.75ns)，并把激光脉冲信号施加在样品上，然后通过控制软件利用电学测试模块测量样品的电阻，并记录、显示和保存样品的电阻-激光脉宽曲线。相变材料采用Ge2Sb2Te5，激光脉高为10μJ，激光脉宽变化范围为12.5ps-3.75ns，电阻测试模式是施加电压、测试电流，电压范围为0-1V，步进为0.1V，所测得的电阻与激光脉宽的曲线图如图4所示。
3)疲劳特性测试，利用控制计算机的对应控制软件命令激光源发出激光脉宽和激光脉高固定的写/擦脉冲信号，并把脉冲信号施加在样品上，然后通过控制软件利用电学测试模块测量样品的电阻，并记录、显示和保存样品的电阻-写/擦次数曲线，写/擦脉冲信号的数量可以是单个或多个连续信号，写/擦脉冲信号的周期可以预先设定，输出写/擦脉冲信号的次数可以预先设定。相变材料采用Ge2Sb2Te5，激光参数为：SET-10μJ/625ps，RESET-80μJ/12.5ps，电阻测试模式是施加电压、测试电流，电压范围为0-1V，步进为0.1V，所测得的电阻与SET/RESET写擦循环次数的曲线图如图5所示，利用此装置，可实现最快12.5ps的写擦操作，相变材料的高低阻相差近三个数量级。
实施例二
与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于，激光器采用飞秒激光器，其主要性能指标包括：泵浦光源为Coherent公司生产的掺钛蓝宝石激光器(型号：Hidra-50-F)，中心波长约800nm，脉冲宽度约为130fs，重复频率在1-1000Hz范围内可调，光斑直径约为0.5mm的。此装置可实现飞秒激光脉冲诱导相变材料相变，光电混合相变存储器的写擦时间可缩短至飞秒量级，实现超高速存储。
实施例三
与实施例一或二采用相同的技术方案，不同之处在于，电学测试模块采用数字源表，其主要性能指标包括：泰克吉时利2450型触摸屏数字源表，电压量程20mV-200V；电流量程10nA-1A；基本准确度0.012％，亦可达到相同的技术效果。
综上，本发明为光电混合相变存储的相变材料和器件单元性能测试提供了操作简单、功能齐全的测试系统及方法，且可实现光写擦、电读出，其功能是目前电脉冲测试装置无法实现的，即可实现皮秒甚至飞秒时间尺度的写入与擦除。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种光电混合相变存储器测试系统，其特征在于：包括：
激光器模块，用于对样品提供诱导其相变材料相变的激光信号；
电学测试模块，用于对样品提供测量信号并测试其相变材料相变所产生的电学性能变化；
微控探针台，用于对样品引入并施加激光信号或测量信号；
所述控制模块，用于根据测试指令控制激光器模块和电学测试模块在微控探针台上进行引入和切换。
2.如权利要求1所述的一种光电混合相变存储器测试系统，其特征在于：所述激光信号为脉高或脉宽逐渐增加或减小的激光脉冲信号。
3.如权利要求2所述的一种光电混合相变存储器测试系统，其特征在于：所述激光脉冲信号的脉高为0-3000μJ，所述激光脉冲信号的单个脉冲脉宽≤100ps。
4.如权利要求1所述的一种光电混合相变存储器测试系统，其特征在于：所述电学测量模块提供的测量信号包括电压信号和电流信号，所述电压信号的范围为20mV-200V，所述电流信号的范围为10pA-1A。
5.如权利要求1-4中任一项所述的一种光电混合相变存储器测试系统，其特征在于：所述激光器模块和所述电学测试模块分别与所述微控探针台之间还设有转换连接组件。
6.一种光电混合相变存储器的测试方法，采用如权利要求1-5中任一项所述的一种光电混合相变存储器测试系统，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将样品放置在微控探针台上；
S2：通过控制模块控制激光器模块通过微控探针台对样品施加一诱导其相变材料相变的激光信号；
S3：通过控制模块控制电学测试模块通过微控探针台对样品施加一测量信号；
S4：电学测试模块根据测量信号测试样品相变材料相变所产生的电学性能变化。
7.如权利要求6所述的一种光电混合相变存储器的测试方法，其特征在于：所述步骤S4中电学性能变化测试包括对相变材料或光电混合相变存储器器件单元的电阻变化规律测试。
8.如权利要求7所述的一种光电混合相变存储器的测试方法，其特征在于：所述电阻变化规律测试包括电阻与激光脉高测试，所述电阻与激光脉高测试包括以下步骤：
在激光脉宽固定的情况下，利用控制模块控制激光器模块发出脉高逐渐增加或减小的激光脉冲信号，并把激光脉冲信号施加在样品上；
通过控制模块控制电学测试模块测量样品的电阻，并记录、显示和保存样品的电阻-激光脉高曲线。
9.如权利要求7所述的一种光电混合相变存储器的测试方法，其特征在于：所述电阻变化规律测试包括电阻与激光脉宽测试，所述电阻与激光脉宽测试包括以下步骤：
在激光脉高固定的情况下，利用控制模块控制激光器模块发出脉宽逐渐增加或减小的激光脉冲信号，并把激光脉冲信号施加在样品上；
通过控制模块控制电学测试模块测量样品的电阻，并记录、显示和保存样品的电阻-激光脉宽曲线。
10.如权利要求7所述的一种光电混合相变存储器的测试方法，其特征在于：所述电阻变化规律测试包括疲劳特性测试，所述疲劳特性测试包括以下步骤：
利用控制模块控制激光器模块发出激光脉宽和激光脉高固定的写/擦脉冲信号，并把脉冲信号施加在样品上；
通过控制模块控制电学测试模块测量样品的电阻，并记录、显示和保存样品的电阻-写/擦次数曲线，其中，写/擦脉冲信号的数量是单个或多个连续信号，写/擦脉冲信号的周期预先设定，输出写/擦脉冲信号的次数预先设定。
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CN114325283A (zh) * 2021-12-27 2022-04-12 哈尔滨工业大学 一种真空光辐照条件下的半导体性能测试系统及其控制方法

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