1 引言

　　硫系化合物隨機存儲器，簡稱C-RAM。C-RAM單元結(jié)構(gòu)是下電極/相變材料/上電極，其中相變材料是硫系化合物存儲介質(zhì)，較為成熟的是GST(Ge 2Sb2Te5)。其存儲的基本原理是通過電極施加不同的脈沖信號可以使相變材料在多晶和非晶之間實現(xiàn)可逆相變，其中非晶電阻比多晶電阻高兩個數(shù)量級左右。當(dāng)加一個短而強的脈沖使相變材料溫度升高到熔化溫度以上 [2]，再經(jīng)過快速冷卻從而實現(xiàn)多晶到非晶的轉(zhuǎn)換，在這里我們稱其為寫入;當(dāng)施加一個長而中等強度的脈沖使相變材料溫度升到熔化溫度之下結(jié)晶溫度之上，保持一段時間促使晶核生長從而實現(xiàn)非晶到多晶的轉(zhuǎn)換，在這里我們稱其為擦;當(dāng)加一個對相變材料的相位不會產(chǎn)生影響的很弱的脈沖，通過測量C-RAM的電阻值來讀取它的狀態(tài)，在這里我們稱其為讀[4-5]。因此通過施加不同的脈沖信號可以實現(xiàn)信息的寫入、擦除和讀出操作。

　　2 設(shè)計原理

　　此系統(tǒng)的設(shè)計是從電流與電壓關(guān)系測試、電壓與電流關(guān)系測試、電阻與寫脈沖信號高度關(guān)系測試、電阻與寫脈沖信號寬度、電阻與擦脈沖信號高度、電阻與擦脈沖信號的寬度、多晶態(tài)或非晶態(tài)電阻與寫擦次數(shù)關(guān)系測試這7個測試模塊出發(fā)的。

　　⑴電流-電壓關(guān)系測試是施加幅度逐漸增加的電壓脈沖信號來測量存儲單元此時所對應(yīng)的電流，由于逐漸增加的電壓通過存儲單元轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱能，從而實現(xiàn)了相變材料從非晶到多晶的轉(zhuǎn)化，由于非晶和多晶電阻的明顯差別在電流-電壓曲線上顯示了不同斜率的兩段曲線，通過此曲線可以研究相變存儲器器件的閾值電壓、閾值電流、相變前后的電阻特性。

　　⑵電壓--電流關(guān)系測試是施加幅度逐漸增加的電流脈沖信號來測量存儲單元此時所對應(yīng)的電壓，由于同樣的原理也可以得到一條具有明顯不同斜率的兩段曲線，通過此曲線可以研究相變存儲器器件的閾值電壓、閾值電流、相變前后的電阻特性。

　?、请娮枧c寫脈高關(guān)系的測試是施加脈沖寬度不變脈沖高度逐漸增加的脈沖信號，當(dāng)脈高增加到使相變材料電阻從低阻到高阻變化時的脈沖高度正是寫脈高的最優(yōu)參數(shù)，從而有利于不同結(jié)構(gòu)、不同材料器件的功耗研究。

　?、入娮枧c寫脈寬關(guān)系的測試是施加脈沖高度不變脈沖寬度逐漸增加的脈沖信號，當(dāng)脈寬增加到使相變材料從低阻到高阻變化時的脈沖寬度正是寫脈寬的最優(yōu)參數(shù)，從而有利于不同結(jié)構(gòu)、不同材料器件的速度和功耗的研究。

　?、呻娮枧c擦脈高的關(guān)系測試和電阻與擦脈寬的關(guān)系測試也是同樣的原理，可以找到相變材料從高阻到低阻變化時脈沖寬度和脈沖高度的最優(yōu)參數(shù)，從而有利于不同結(jié)構(gòu)、不同材料器件的速度和功耗的研究。

　?、势谔匦詼y試模塊是施加一定數(shù)量的寫擦脈沖信號，再測量施加如此多寫擦次數(shù)的脈沖信號后相變電阻的大小，如此反復(fù)循環(huán)進行直到總的寫擦次數(shù)達到使相變材料電阻發(fā)生明顯變化，此時總的寫擦次數(shù)即器件最大的循環(huán)壽命，從而有利于不同結(jié)構(gòu)、不同材料器件的多晶態(tài)和非晶態(tài)的疲勞特性的研究。

　　本文主要是對C-RAM器件單元測試的硬件構(gòu)成和軟件實現(xiàn)，以及實驗結(jié)果進行論述。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　針對以上的設(shè)計思路設(shè)計了一套完整的C-RAM 器件單元測試系統(tǒng)。其硬件由控制計算機、脈沖信號發(fā)生器、數(shù)字信號源、微控探針臺、控制卡、 GPIB卡以及轉(zhuǎn)換連接部件構(gòu)成，如圖1所示。

　?、琶}沖信號發(fā)生器是美國Agilent公司生產(chǎn)的 81104A型號，脈沖信號發(fā)生器可以以單通道和雙通道兩種模式產(chǎn)生單一脈沖或連續(xù)脈沖信號，目的是對器件單元進行寫擦操作，電流脈沖信號的高度范圍是0～400mA，電壓脈沖信號的高度范圍是0～ 10V，脈沖信號的寬度6.25ns～999.5s。

　?、茢?shù)字信號源是美國Keithley公司生產(chǎn)的2400 型號，其功能是提供電流或電壓信號源來測試相應(yīng)的電壓、電流或電阻，其中電流信號源的范圍是 50pA～1.05A，電壓信號源的范圍是5μV～210V，相應(yīng)的測試電流范圍為10pA～1.055A，測試電壓的范圍是1μV～211V，測試電阻的范圍是100μΩ～211MΩ。

　?、俏⒖靥结樑_是美國Cascade公司生產(chǎn)的RHM -06型號，微控探針臺主要由樣品臺、探針、光學(xué)顯微鏡、微控旋紐、真空泵等部分組成，其主要功能是提供放置樣品的平臺和引入脈沖信號與測量信號并施加到樣品上。

　?、扔嬎銠C作為主控設(shè)備，所有的測試流程全部由計算機上的軟件控制。計算機通過一塊控制卡實現(xiàn)微控探針臺在脈沖信號發(fā)生器和數(shù)字信號源之間的切換，通過GPIB卡實現(xiàn)對脈沖發(fā)生器和阻抗測試設(shè)備的控制以及數(shù)據(jù)的采集和傳遞，其中脈沖信號發(fā)生器、數(shù)字信號源、微控探針臺均通過一個接線盒與控制卡相連，接線盒保證方便良好的連接以及充分的屏蔽。