CN1924600A - 器件特性测定系统 - Google Patents

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CN1924600A CNA2006101119418A CN200610111941A CN1924600A CN 1924600 A CN1924600 A CN 1924600A CN A2006101119418 A CNA2006101119418 A CN A2006101119418A CN 200610111941 A CN200610111941 A CN 200610111941A CN 1924600 A CN1924600 A CN 1924600A
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Abstract

在PRAM等器件的测定中，由于输入的脉冲信号变钝，因此无法精确地测定实际施加到器件上的电压或者流经器件的电流。为解决上述问题，在本发明中，设置与器件的端子接触的探针和脉冲发生器，并在同轴电缆的中间设置了测定电流用的分流电阻器，通过有源差动探针来检测该分流电阻器两端的电位差，并通过信号波形观测单元来观测与电位差对应的信号，由此来测定流经器件的电流。另外，通过在分流电阻器上并联电容器来改善频率特性。

Description

器件特性测定系统
技术领域
本发明涉及评价相变存储器(以下称为PRAM。另外也称为OUM(Ovonic Unified Memory，奥弗辛斯基电效应统一存储器))等器件特性的测定装置。
背景技术
PRAM是利用硫化物合金等从非晶态向结晶结构的状态变化来保存信息的存储器，该硫化物合金的电阻根据物质的结晶状态而变化，所述PRAM具有即使切断电源仍能保持数据，并能够存储大容量数据的特点。另外，通过设置在每一存储单元的加热器的加热来执行相变。
在对该PRAM进行器件测定时，需要精确求出向器件施加的脉冲波形的电压、电流。
有时利用示波器直接从器件测定施加给作为被测对象的PRAM器件的电压和电流(例如，参考非专利文献1、附图4)。
图17是将示波器直接连接到器件上时向电路仿真器输入的电路图。在该图中，参考符号200b表示作为被测对象的器件的等效电路，20b表示发生脉冲信号的脉冲发生器的等效电路，500表示用于观测器件200b电压的示波器的等效电路，510表示用于观测器件200b电流的示波器的等效电路，520表示在示波器510的电流观测中使用的分流电阻器(shuntresistor)，100b表示仿真器上的虚拟电流计，70表示用于连接脉冲发生器20b的输出和电压观测用示波器500的输入的同轴电缆，73表示用于连接电压观测用示波器500的输入和器件200b的一端的同轴电缆，74表示连接虚拟电流计100b和电阻器520的一端的同轴电缆。
图18是示出将图17的电路输入到电路仿真器中时各部分的电压值的曲线图。在图18中，参考符号a表示通过电压观测用示波器500观测的电压的曲线，b表示器件200b的两端电压的曲线。如图18所示，曲线a与曲线b大不相同，由此可知，通过电压观测用示波器500观测的电压并不能精确表示实际施加到器件200b上的电压。
图19是示出将图17的电路输入到电路仿真器中时各部分的电流的曲线图。在图19中，参考符号a表示通过电流观测用示波器510观测的电流的曲线，b表示流经虚拟电流计100b的电流的曲线。如图19所示，在电压相同的情况下，曲线a与曲线b大不相同，由此可知，通过电流观测用示波器510观测的电流并不能精确表示实际流经器件200b的电流。
另外，有时使用探针来测定施加给被测对象的器件的电压和电流(例如，参考非专利文献2、附图3)。
图20示出了在使用探针来测定向器件施加的电压和电流时，输入到电路仿真器中的电路图。对于与图17所示部件相同的部件，标以相同的符号并省略其说明。在该图20中，参考符号600表示探针的等效电路，参考符号700表示用于测定电流的电阻器，75表示连接电阻器700的一端和脉冲发生器20b的输出的同轴电缆，76表示连接电阻器700的一端和虚拟电流计100b的同轴电缆。
图21是向电路仿真器输入图20所示的电路时各部分的电压示意图。在图21中，参考符号a是对电压观测用示波器(在图20的等效电路中，由于信号在探针600终止，因此不出现示波器的等效电路)经由探针600而观测的电压进行仿真的曲线，b是对施加到器件200b上的电压进行仿真的曲线。在该图21中，曲线a和b几乎重合。即，仿真结果表示当使用探针600时可对施加到器件200b上的电压进行测定。但电压波形的前沿滞后，波形变得非常钝。在PRAM中，输入矩形波脉冲是非常重要的，因此，不希望变成上述那样钝的波形。
图22是示出向仿真器输入图20的电路时的流经虚拟电流计100b的电流的曲线图。如图22所示，电流波形也和电压波形一样变成前沿滞后的钝的波形。
另外，电流波形无法直接检测。在考虑将从脉冲发生器20b输出的5V电压的脉冲施加到电阻器700一端上的情况下，可通过计算来求出电流脉冲的峰值。然而，由于脉冲发生器20b的电压值的精度通常不高，因此也难以精确地求出电流脉冲的峰值。
非专利文献1：“Low-Field Amorphous State Resistance and ThresholdVoltage Drift in Chalcogenide Materials”，PIROVANO et al.，IEEETransactions on Electron Devices，Vol.51 Issue 5pp.714-719，May 2004。
非专利文献2：“Phase-change chalcogenide nonvolatile RAM completelybased on COMS technology”，Hwang，Y.N.et al.，VLSI Technology，Systems，and Applications，2003 International Symposium pp.29-31，Oct.2003。
发明内容
如上所述，难以精确地测定向置于探针上的PRAM等器件施加的电压以及其上流动的电流，并且，还存在波形与从脉冲发生器输出的波形不同，变为前沿钝的波形的问题。
本发明是鉴于上述问题而作出的，其目的在于，提供一种器件测定系统，该系统可保持波形不变钝，并能够尽可能精确地测定实际施加到作为被测对象的器件上的电压以及该器件上实际流动的电流的波形。
为了达到上述目的，本发明的器件特性测定系统包括：发生脉冲的脉冲发生器；第一探针，与器件的端子电接触；电阻器，用于测定流经器件的电流；第一电缆，将第一探针的输出端子和电阻器的一端电连接；第二电缆，将脉冲发生器的输出和电阻器的另一端电连接；第二探针，与电阻器的两端电连接，从而输出与电阻器的电位差对应的信号；以及第一信号波形观测单元，观测从第二探针输出的信号的波形。“第一信号波形观测单元”对应于示波器的特定的通道，但并不限于示波器，只要是能够观测信号波形的单元即可。
由于通过第二探针将与电阻器两端的电位差对应的信号输入到第一信号波形观测单元中，因此，能够在小的测定范围内以高分辨率观测波形。另外，由于不需要通过电阻器来产生大的电压降，因此，可以减小电阻器的值，从而能够将波形前沿的钝形控制在最小限度。
本发明的器件特性测定系统的结构中还可以包括：第三探针，与电阻器的一端电连接；和第二信号波形观测单元，观测从该第三探针输出的信号的波形。“第二信号观测单元”对应于示波器的特定的通道。另外，“第一信号观测单元”和“第二信号观测单元”既可以是同一示波器的不同通道，也可以是不同示波器。
本发明的器件特性测定系统的结构中还可以包括与电阻器并联连接的用于改善频率特性的电容器。
由于通过该电容器而降低了对于高频信号的阻抗，因此改善了波形变钝的程度。另外，通过将电容器的电容设置为使流经器件的电流的波形和通过第一信号波形观测单元而观测的波形基本相同的值，可以精确地观测实际施加到器件上的电压、流经该器件的电流的波形。
另外，本发明的器件测定系统包括：发生脉冲的脉冲发生器；第一探针，与器件的端子电接触；串联组合电阻器，由串联连接的第一电阻器和第二电阻器构成，用于测定流经器件的电流；第一电缆，将第一探针的输出端子和串联组合电阻器的一端电连接；第二电缆，将脉冲发生器的输出和串联组合电阻器的另一端电连接；第二探针，与串联组合电阻器的两端电连接，从而输出与串联组合电阻器的电位差对应的信号；第一信号波形观测单元，观测从第二探针输出的信号的波形；第一电容器，与串联组合电阻器并联连接，用于改善频率特性；以及第二电容器，与串联组合电阻器的另一端、以及第一电阻器和第二电阻器的串联连接点电连接。
即，由于形成了通过第一电容器的通路和通过第二电容器的通路这两条通路，因此，可通过适当地设定第一电容器和第二电容器的容量以及第一电阻器和第二电阻器的电阻值来修正脉冲信号的传输通路的频率等特性。
另外，还包括与串联组合电阻器的一端电连接的第三探针，和观测从第三探针输出的信号的波形的第二信号波形观测单元，由此还可测定电压。
另外，作为测定对象的器件被制作在半导体晶片上，第一探针被设置在晶片探测器等半导体探测器内。另外，本发明的器件特性测定系统在作为测定对象的器件就如相变存储器那样被施加极短的脉冲信号时尤其有效。
第二探针和第三探针可由输入阻抗高于输出阻抗的有源探针构成，第一电缆和第二电缆可由同轴电缆构成。
如上所述，根据本发明，当施加规定的脉冲来测定器件的特性时，能够在波形不变钝的情况下尽可能精确地测定施加到作为被测对象的器件上的电压以及实际流经该器件的电流的波形。
附图说明
图1是示出本发明实施方式的器件测定系统的结构的概要图；
图2示出了用于将图1的电路输入到电路仿真器中的等效电路；
图3是示出使用图2所示的等效电路进行仿真时的各部分的电压波形的曲线图；
图4是示出使用图2所示的等效电路进行仿真时的各部分的电流波形的曲线图；
图5是示出本发明另一实施方式的器件测定系统的结构的概要图；
图6是图1和图5所示的器件测定系统的等效电路，该等效电路被输入到电路仿真器中；
图7是示出使用图6所示的等效电路进行仿真时的各部分的电压的曲线图；
图8是示出使用图6所示的等效电路进行仿真时的各部分的电流波形的曲线图；
图9是对改变图5所示电容器的电容时的被测电压进行仿真的曲线图；
图10是对改变图5所示电容器的电容时的被测电流进行仿真的曲线图；
图11是示出在图1、图5所示的实施方式中改变分流电阻器的值、同轴电缆的长度、器件的电阻值时的电容器电容的最优值的表；
图12是示出本发明再一实施方式的器件测定系统的结构的概要图；
图13是图1和图12所示的器件测定系统的等效电路，该等效电路被输入到电路仿真器中；
图14是示出使用图13所示的等效电路进行仿真时的各部分的电压的曲线图；
图15是示出使用图13所示的等效电路进行仿真时的各部分的电流波形的曲线图；
图16是用于说明图1、图12所示的实施方式用于何种场合的等效电路图；
图17是示出了将示波器直接连接在器件上时向电路仿真器输入的等效电路图；
图18是示出向电路仿真器输入图17的电路时的各部分的电压值的曲线图；
图19是示出向电路仿真器输入图17的电路时的各部分的电流的曲线图；
图20示出了使用探针来测定施加在器件上的电压和电流时，输入到电路仿真器中的等效电路图；
图21是向仿真器输入图20所示的电路时的各部分的电压示意图；
图22是示出向仿真器输入图20所示的电路时的流经虚拟电流计的电流的曲线图。
具体实施方式
下面，基于附图来说明本发明的实施方式。
图1是示出本发明实施方式的器件测定系统的结构的概要图。在该图1中，参考符号10表示用于与半导体晶片上的PRAM等器件电接触的晶片探测器，参考符号20表示输出电压恒定的脉冲的脉冲发生器，参考符号30表示对施加到器件上的电压以及流经器件的电流进行测定的示波器，参考符号40表示用于测量流经器件的电流的有源差动探针，参考符号50表示用于测定向器件施加的电压的有源探针，参考符号60表示为测定流经器件的电流而使电压下降的100Ω的分流电阻器，参考符号71表示将晶片探测器10和分流电阻器60的一端连接起来的长度为10cm的同轴电缆，参考符号72表示将分流电阻器60的另一端和脉冲发生器20的输出连接起来的长度为200cm的同轴电缆。
晶片探测器10具有：安装半导体晶片12并能够移动以进行探测定位的卡盘11；RF(射频)探针14；以及用于固定RF探针14的探针卡13。RF探针14的顶端能够与半导体晶片12的被测器件的端子电接触。
脉冲发生器20输出电压为5V(伏)、脉冲宽度为20纳秒并且上升时间为2纳秒的脉冲。来自有源差动探针40的输出信号输入示波器30的Ch(通道)1中，有源探针50的输出信号输入该示波器30的Ch2中。
有源差动探针40的两个输入端子与分流电阻器60的两端相连以输出其电位差。另外，有源差动探针40将输入信号放大后输出，其输入端为高阻抗，输出端为低阻抗。有源探针50连接在分流电阻器60与同轴电缆71的连接点上，将输入信号放大后输出，其输入端为高阻抗，输出端为低阻抗。由于所述探针40、50构成为在探针内部终止的结构，因而等效电路不受示波器的影响。
在基板80上进行布线并固定同轴电缆71的左端部、同轴电缆72的右端部、分流电阻器60、有源差动探针40的输入、以及有源探针50的输入。
图2示出了用于将图1的电路加在电路仿真器上的等效电路。
在该图2中，参考符号20a是脉冲发生器的等效电路，以脉冲发射源和电阻器的串联电路来表示。脉冲发生器20的输出阻抗为50Ω。参考符号40a表示有源差动探针40的等效电路，表示为两个输入分别并联连接25kΩ的电阻器和0.56pF的电容器后接地。参考符号50a表示有源探针50的等效电路，表示为从输入并联连接25kΩ的电阻器和0.56pF的电容器后接地。
参考符号200表示半导体晶片12上的PRAM等作为被测对象的器件的等效电路，以1kΩ的电阻器来表示。参考符号100是仿真时的虚拟电流计，用于通过仿真来算出流经器件的电流，但在实际的电路中不进行设置。
参考符号60a、71a以及72a在电路仿真器上分别表示分流电阻器60、同轴电缆71以及同轴电缆72。
图3是示出使用图2所示等效电路进行仿真时的各部分的电压波形的曲线图。在图3中，参考符号a是对经由有源探针50而输入到示波器30的Ch2中并被测定的电压进行仿真的曲线，参考符号b是对施加在作为被测对象的器件上的电压进行仿真的曲线。如该图3所示，电压波形几乎基本重合，这说明了能够精确地进行测定。另外，仿真的结果说明：尽管波形稍显钝但比图21所示的电压曲线前沿陡峭，并且接近于从脉冲发生器20输出的脉冲的电压波形被施加在器件上，而且可以观测到该电压波形。
之所以曲线比图20、图21的情况更接近于脉冲发生器20的脉冲，是由于在图20的情况下，分流电阻器700的值是1kΩ，而在图2的情况下，分流电阻器60为100Ω这样的很小的值，从而极大地减轻了波形变钝的程度。在图2的情况下可以使用小阻值的分流电阻器60，是因为使用了差动探针。即，若要在图20的情况下测定电流，则需要测定电阻器700两端的电位差，如果将脉冲发生器20的电压设为5V，则因为示波器分辨率的关系，需要得到比该值相对大一些的电压降。与此相对，在图2的情况下，由于有源差动探针40输出与分流电阻器60两端的电位差对应的信号，从而能够将示波器30的测定范围设定得较小来获得高分辨率，因此，可以使用100Ω左右的小阻值的分流电阻器60。
图4是示出使用图2所示等效电路进行仿真时的各部分的电流波形的曲线图。在图4中，参考符号a是对经由有源差动探针40而输入到示波器30的Ch1中并被测定的电流进行仿真的曲线，参考符号b是对流经虚拟电流计100的电流、即流经作为被测对象的器件的电流进行仿真的曲线。如图4所示，尽管曲线a、b所示的波形差异很大，但是在从脉冲的前沿经过一定时间段后波形变稳的时刻，也就是说在图4的曲线图中以定时T1表示的时刻附近，两个波形所示的电流基本相同。因此，如果在从脉冲发生器20所输出的脉冲的前沿经过一定时间段后波形变稳的时候，通过示波器30进行观测，则可以精确地求出与曲线b的电流脉冲的峰值相同的电流值。另外，由于曲线a的正尖峰和负尖峰是基于相同的时间常数的，因此呈上下对称的形状，从而可通过这些正尖峰和负尖峰来修正波形，这样还可以获得期望的电流波形和电流值。
图5是示出本发明另一实施方式的器件测定系统的结构的概要图。该图5是图1所示的基板80附近的放大图，其它部分的结构与图1相同。对于与图1相同的部分，标以相同的符号，并省略重复说明。在图5中，参考符号90是118pF的电容器，该电容器90与分流电阻器60并联。
图6是图5所示器件测定系统的等效电路，在电路仿真器中使用该等效电路来进行仿真。在图6中，对于与图2相同的部分，标以相同的符号并省略重复说明。参考符号90a表示输入电路仿真器中的电容器90的等效电路。
图7是示出使用图6所示等效电路进行仿真时的各部分的电压的曲线图。在该图7中，参考符号a是对经由有源探针50而输入到示波器30的Ch2中并被测定的电压进行仿真的曲线，参考符号b是对施加在作为被测对象的器件上的电压进行仿真的曲线。如该图7所示，电压波形几乎基本重合，这说明了能够精确地进行测定。另外，波形比图3所示的更为陡峭，并与原本从脉冲发生器20输出的脉冲的上升时间几乎相同，为2纳秒，由此可知仿真的波形与从脉冲发生器20输出的脉冲波形几乎相同。
图8是示出使用图6所示等效电路进行仿真时的各部分的电流波形的曲线图。在图8中，参考符号a是对经由有源差动探针40而输入到示波器30的Ch1中并被测定的电流进行仿真的曲线，参考符号b是对流经虚拟电流计100的电流、即流经作为被测对象的器件的电流进行仿真的曲线。如该图8所示，与测电压时的情况相同，波形与从脉冲发生器20输出的脉冲波形几乎相同。
通过如上述那样连接电容器90可改善特性的因为是，脉冲的高频分量经由电容器90的电容容易在电阻器60两端之间传递。
图9、图10分别是在从118pF开始改变电容器90的电容的情况下对被测电压、电流进行仿真的曲线图。在所述图9、图10中，参考符号a、b、c、d分别表示电容器90的电容量为0pF、60pF、120pF、180pF时的曲线。从这些曲线可知，仅通过设置任意电容的电容器90，就可使电压波形的前沿变得陡峭，从而极大地改善了电压波形。但是，需要调节电容器90的电容来使被测波形与实际波形基本相同。电容器90的电容由分流电阻器60和电容90的并联电路的阻抗与同轴电缆71和器件的串联电路的阻抗之间的相对值来确定。即，电容器90的电容是由分流电阻器60的值、同轴电缆71的长度以及器件200的电阻值来确定的值。
图11是示出在改变分流电阻器60的值、同轴电缆71的长度、器件200的电阻值的情况下的电容器90电容的最优值的表。严格来说，并不能通过这些要素值来精确地确定电容器90的值，需要通过可调电容器来进行调节。
与图4相同，在图10中，即使在曲线a、b、d这样的电容器电容未被充分调节的状态下，正尖峰和负尖峰也由于基于相同的时间常数而具有上下对称的形状，因此，可通过这些正尖峰和负尖峰来修正波形，这样还可以获得期望的电流波形或电流值。
图12是示出本发明再一实施方式的器件测定系统的结构的概要图。该图12是图1所示的基板80附近的放大图，其它部分的结构与图1相同。对于与图1相同的部分，标以相同的符号并省略重复说明。如图12所示，在同轴电缆71、72之间串联连接了分流电阻器61和分流电阻器62。并且还在分流电阻器61上并联连接了电容器91。另外，在分流电阻器61和分流电阻器62的串联组合电阻器上还并联了电容92。分流电阻器61和分流电阻器62的电阻值分别是150Ω、50Ω，电容器91、92的电容分别是40pF、35pF。
图13是图12所示的器件测定系统的等效电路，在电路仿真器中使用该等效电路来进行仿真。在图13中，对于与图2相同的部分，标以相同的符号并省略重复说明。在图13中，参考符号61a、62a是在仿真器中表示的分流电阻器61、62的电路，参考符号91a、92a在仿真器中表示的电容器91、92的电路。
图14是示出使用图13的等效电路进行仿真时的各部分的电压的曲线图。在该图14中，参考符号a是对经由有源探针50而输入到示波器30的Ch2中并被测定的电压进行仿真的曲线，参考符号b是对施加在作为被测对象的器件上的电压进行仿真的曲线。
图15是示出使用图13所示等效电路进行仿真时的各部分的电流波形的曲线图。在图15中，参考符号a是对经由有源差动探针40而输入到示波器30的Ch2中并被测定的电流进行仿真的曲线，参考符号b是对流经虚拟电流计100的电流、即流经作为被测对象的器件的电流进行仿真的曲线。在图15的曲线b中明显地显示出波形在前沿部分发生了变化并生成了锐角部分，这说明频率得到了修正。
图16是示出图12所示的实施方式用于何种场合的等效电路图。在图16中，参考符号400是开关，参考符号410是电压电流特性测定装置的等效电路。电压电流特性测定装置410用于在对测定对象施加规定的电压的情况下进行电流测定，或者在对测定对象施加规定的电流的情况下进行电压测定的场合。在该图16的结构中，通过开关400来切换使用电压电流特性测定装置410。当将这种开关40设置在信号的传输通路上时，频率特性可能会发生变化，但在图1、图12所示的实施方式中可对该频率特性进行修正。即，从脉冲发生器20输出的脉冲的高频分量可经由电容器91和分流电阻器62的通路以及电容器92的通路而通过，从而可通过这两条通路的阻抗来修正信号的频率特性。
另外，在图12所示的实施方式中具有两个分流电阻器以及用于与所述分流电阻器并联连接的两个电容器，但也可以使用N个(N为3以上的整数)的分流电阻器和电容器来构成。
另外，在上述的实施方式中，将探针40、50的输出分别连接在示波器30的ch1、ch2上，但也可以输入到不同的示波器中。

Claims (12)

1.一种器件特性测定系统，测定作为被测对象的器件的特性，其特征在于，包括：
发生脉冲的脉冲发生器；
第一探针，与所述器件的端子电接触；
电阻器，用于测定流经所述器件的电流；
第一电缆，将所述第一探针的输出端子和所述电阻器的一端电连接；
第二电缆，将所述脉冲发生器的输出和所述电阻器的另一端电连接；
第二探针，与所述电阻器的两端电连接，输出与所述电阻器的电位差对应的信号；以及
第一信号波形观测单元，观测从所述第二探针输出的信号的波形。
2.如权利要求1所述的器件特性测定系统，其特征在于，还包括：
第三探针，与所述电阻器的所述一端电连接；和
第二信号波形观测单元，观测从所述第三探针输出的信号的波形。
3.如权利要求2所述的器件特性测定系统，其特征在于，所述第三探针是输入阻抗高于输出阻抗的有源探针。
4.如权利要求1至3中任一项所述的器件特性测定系统，其特征在于，还包括与所述电阻器并联连接的用于改善频率特性的电容器。
5.如权利要求4所述的器件特性测定系统，其特征在于，所述电容器具有使流经所述器件的电流的波形和通过所述第一信号波形观测单元而观测的波形基本相同的电容值。
6.一种器件特性测定系统，测定作为被测对象的器件的特性，其特征在于，包括：
发生脉冲的脉冲发生器；
第一探针，与所述器件的端子电接触；
串联组合电阻器，由串联连接的第一电阻器和第二电阻器构成，用于测定流经所述器件的电流；
第一电缆，将所述第一探针的输出端子和所述串联组合电阻器的一端电连接；
第二电缆，将所述脉冲发生器的输出和所述串联组合电阻器的另一端电连接；
第二探针，与所述串联组合电阻器的两端电连接，输出与所述串联组合电阻器的电位差对应的信号；
第一信号波形观测单元，观测从所述第二探针输出的信号的波形；
第一电容器，与所述串联组合电阻器并联连接，用于改善频率特性；和
第二电容器，与所述串联组合电阻器的所述另一端、以及所述第一电阻器和所述第二电阻器的串联连接点电连接。
7.如权利要求6所述的器件特性测定系统，其特征在于，还包括：
第三探针，与所述串联组合电阻器的所述一端电连接；和
第二信号波形观测单元，观测从所述第三探针输出的信号的波形。
8.如权利要求7所述的器件特性测定系统，其特征在于，所述第三探针是输入阻抗高于输出阻抗的有源探针。
9.如权利要求1至8中任一项所述的器件特性测定系统，其特征在于，所述器件被制作在半导体晶片上，所述第一探针被设置在半导体探测器内。
10.如权利要求1至9中任一项所述的器件特性测定系统，其特征在于，所述第二探针是输入阻抗高于输出阻抗的有源探针。
11.如权利要求1至10中任一项所述的器件特性测定系统，其特征在于，所述器件是相变存储器。
12.如权利要求1至11中任一项所述的器件特性测定系统，其特征在于，所述第一电缆和所述第二电缆是同轴电缆。
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