style="width:10.34671in;height:4.9467in" /> 本文是学习GB-T 33657-2017 纳米技术 晶圆级纳米尺度相变存储单元电学操作参数测试规范. 而整理的学习笔记,分享出来希望更多人受益,如果存在侵权请及时联系我们
本标准规定了纳米尺度相变存储单元读写擦参数的晶圆测试规范，其测试结果可用于表征相变存
储材料或器件的电学可操作性能。
本标准适用于以硫系化合物为主要原料，基于半导体晶圆工艺加工制造的电极尺度小于100
nm
的相变存储单元，100 nm～300 nm 的相变存储单元也可参照本标准执行。
本标准不适用于包含外围驱动电路的存储单元。
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB 4793.1—2007 测量、控制和实验室用电气设备的安全要求
第1部分：通用要求 (IEC 61010-
1:2001,IDT)
GB/T 9178 集成电路术语
GB/T 11464 电子测量仪器术语
GB/T 13970 数字仪表基本参数术语
GB/T 13978 数字多用表
GB/T 9178、GB/T 11464、GB/T 13970 和 GB/T 13978
界定的以及下列术语和定义适用于本
文件。
3.1
相变存储单元 phase change memory cell
一种在外部电场的电热学作用下能够在多晶相和非晶相之间进行可逆的结构变化的存储器件
单元。
3.2
写操作 reset operation
相变存储单元在外部电场的作用下从多晶态转变为非晶态的过程。
3.3
擦操作 set operation
相变存储单元在外部电场的作用下从非晶态转变为多晶态的过程。
3.4
读操作 read operation
通过测量相变存储单元的电阻读出单元的存储状态。
GB/T 33657—2017
3.5
低场电阻 low field resistance
在小于0.5 V 电压作用下测量得到相变存储单元的电阻值。
3.6
高阻下限 high resistance lower limit
相变存储单元的非晶态阻值下限。
3.7
低阻上限 low resistance upper limit
相变存储单元的多晶态阻值上限。
3.8
阈值转变电流 threshold switch current
相变存储单元从高阻的非晶态变为低阻的多晶态所需的临界电流。
3.9
阈值转变电压 threshold switch voltage
流经相变存储单元的电流达到阈值转变电流的时刻相变存储单元两端的电压降。
测试流程的实施需要使用下列设备或者具备相同功能的替代设备。设备在使用过程中应符合
GB 4793.1—2007
的第6章、第7章、第9章、第10章、第14章和第16章有关防电击、防机械危险、防止
火焰蔓延、设备的温度限值和耐热、元器件、试验和测试设备的相关规定。
应具有恒定直流电压以及电流的测量和输出能力。电流测量有效范围1μA～1000μA,
最小量程
的分辨力≤1 nA; 恒定电流输出范围1μA～1000μA, 最小量程的最大允许误差≤10
nA; 电压测量有
效范围10 mV～10V, 最小量程的分辨力≤1 mV; 恒定电压输出范围10 mV～10
V,最小量程的最大
允许误差≤1 mV。
应具有通用接口总线或串行接口等外部控制接口；具有计算机编程控制功能。
应具有矩形电压脉冲信号输出功能。输出频率≥50 MHz, 输出电压幅度≥10 V,
最小输出脉冲宽 度≤25 ns,脉冲信号上升/下降沿持续时间≤3 ns,输出电流≥50
mA。 应具有通用接口总线或串行接
口等外部控制接口；具有计算机编程控制功能。
应具有8 in(1in=25.4mm)
或者更大尺寸晶圆的探测能力；能够保证测试过程中的机械结构的稳
定并提供腔体内的温度控制功能，腔内温度根据材料性能由供需双方进行协商。
应具有开关选择功能，能够提供被测试单元与不同测试设备的电路连接。应具有通用接口总线或
串行接口等外部控制接口；具有计算机编程控制功能。
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应包含与上述测试设备通信所需的线缆及控制卡等附件；应具有控制上述测试设备所需的驱动程
序以及控制程序。
相变存储单元可以被等效视为一个两端口的电阻元件，它可以通过导体材料直接引出或者经由开
关选通器件引出至探针探测点。开关选通器件可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管、双极型晶体
管、二极管。图
la)为一种典型的相变存储单元结构图，二极管为选通器件。图1b)为多个存储单元引
出电路示意图。图1c)为测试结构的版图。
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a) 相变存储单元结构图 c) 测试结构的版图
图 1 相变存储单元测试结构
探针探测点被用于完成测试设备和存储单元的电学连接。且其与存储单元的连线距离应尽可
能短。
由于不同应用环境对操作速度的要求有所区别，通常情况下所用脉冲宽度应在10
ns～500 ns
(士3ns)范围内选用，并在实验报告中说明。
在后续正规测试进行之前，宜根据相变存储单元的实际电学特性规定相变存储单元的高阻下限以
及低阻上限。在后续写操作过程中的低场电阻值高于高阻下限则判定相变存储单元处于非晶态；擦操
作后的低场电阻值低于低阻上限则判定相变存储单元处于多晶态。
为了选取合适的高阻下限，可先施加幅度不超过1mA
的直流电流于相变存储单元上，这一脉冲足
以使得相变存储单元被置于多晶的低阻态。然后，在相变存储单元上依次施加幅度按照一定步长增加
且脉宽为500 ns
的矩形电压脉冲，并记录每个脉冲作用后相变存储单元的低场电阻值。图2简示了这
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一电压脉冲测试中相变存储单元电阻随脉冲电压的变化曲线。在此曲线上电阻陡然增加的部分划一条
直线a,
在随脉冲电压几乎不变的部分划一条直线b,可采用不小于两直线交点对应的电阻(R₁)
作为高
阻下限。在确定了高阻下限后便可进一步选择低阻上限，这一阻值一般宜小于100
kΩ,并且应保证高
阻下限与低阻上限的比值至少不小于2。
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写操作电压/v
图 2 相变存储单元写操作电压-写操作电阻曲线
根据测试设备制造厂商的说明书进行4.1～4.4所述设备的连接和校准。测试设备与主控计算机
的电气连接参见附录 A。
按照晶圆探针台的操作手册完成晶圆的载入及安放，应确保相变存储单元的引出电极与探针正确
连接。
首先应使用数字多用表对相变存储单元的低场电阻值进行测量。测量过程中应使用直流电压输出
的方法，并确保电压幅度≤0.5 V。
7.4 相变存储单元的初始化操作及低场电阻值测量
宜使用直流电流或者物理加热的方法对相变存储单元进行初始化操作(参见附录
B), 并记录初始
化操作后的低场电阻值。
在相变存储单元上施加幅度按照一定步长增加的矩形电压脉冲(按照6.1所述的要求选择一个脉
冲宽度进行测试),并记录每个脉冲作用后相变存储单元的低场电阻值。测试过程中应保证矩形电压脉
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冲的步长≤0.1 V, 电压脉冲的起始幅度≤电压脉冲的步长，终止电压脉冲幅度=10.0
V。 在测试过程
中如果相变存储单元的电阻值连续3次高于6.2中选择的高阻下限，则认为对这一相变存储单元的写
操作已经完成，此时应终止后续的写操作测试。
擦操作应分成两个步骤进行：
a)
对相变存储单元施加第一步直流电流扫描，测试设备输出幅度连续增加的直流电流的同时记
录相应偏置下相变存储单元上的电压值。电流步长≤1μA,
起始电流≤电流步长，终止电流 为100μA。
在这一扫描过程中，如果前一个电压采样值大于后一个电压采样值2倍以上，则
判定前一个电压采样值为相变存储单元的阈值转变电压，它对应的电流为阈值转变电流。
b) 对相变存储单元进行第二步直流电流扫描操作。起始电流10μA, 电流步长10
μA, 终止电流 ≤1mA。
如果在这一过程中出现因电流过大导致的断路失效，应适当降低终止电流。最后需
要记录擦操作后的相变存储单元低场电阻值，如果这一阻值低于规定的低阻上限则判定擦操
作完成。
按照6.1所述要求依次选择不同的写电压脉冲宽度并重复7.5和7.6测试，直至所有脉冲宽度全部
测试完毕。
测试完成后的实验报告应包含下述内容：
——测试单位名称和地址；
——送样单位的名称和地址；
——测试规范标准代号(GB/T××××) 和测试日期；
— 测 试 者 ；
——测试环境温度；
—— 晶圆的详细编号；
——所使用的仪器的类型、品牌、型号；
——测试相变存储单元总数；
——低场电阻测试电压；
——相变存储单元的高阻下限和低阻上限；
——初始低场电阻值；
— 初始化电流的幅度；
——初始化操作后的低场电阻值；
——写操作电压脉冲宽度；
写操作电压起始高度以及步长；
——写操作终止电压；
——写操作后的低场电阻值；
擦操作参数测试中第一步直流扫描的起始电流幅度以及步长；
— 阈值转变电压和阈值转变电流；
——擦操作参数测试中第二步直流扫描的终止电流幅度；
——擦操作后的低场电阻值。
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(资料性附录)
相变存储单元测试系统的构建
A.1 概 述
构建纳米相变存储单元的晶圆级电学测试系统所需的设备包括数字多用表、脉冲信号发生器、晶圆
探针台，切换设备以及主控计算机。其中数字多用表、信号发生器以及切换设备需要具备计算编程控制
功能。主控计算机通过电气连接(例如：通用接口总线)实现对测试设备以及测试流程的控制。
A.2 相变存储单元测试系统的构建
图 A.1 所示的是相变存储单元测试系统的原理图。
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晶圆探针台
图 A.1 相变存储单元测试系统的原理图
图 A.1 中 ：
主控计算机的功能在于通过控制卡向数字多用表和信号发生器发出指令。这些指令通过控制总线
送达测试设备，它们不仅可以配置设备所需的测试参数还能够控制设备测试操作的开启与关闭。同时
主控计算也能够通过控制总线配置切换设备的开关状态，使得晶圆探针台在不同测试阶段连接至相应
的测试设备。
数字多用表和脉冲信号发生器一方面通过控制总线接收来自主控计算机的指令，另一方面其测试
端口通过导线连接至切换设备。
切换设备通过控制总线接收来自控制计算机的指令，在这一指令的控制下将晶圆探针台连接至相
应的测试设备。
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(资料性附录)
相变存储单元的初始化方法
B.1 概 述
在相变存储单元测试过程中我们首先需要对其进行初始化的操作，该操作的目的在于：
a)
相变存储单元的制造工艺不同会导致其初始状态不一致，为了降低这一因素对后续操作参数
提取的影响可以在写擦操作前将相变存储单元尽可能置于相同的初始状态。
b) 相变存储单元在写操作过程中实际发生相变的区域，即有效区域，
一般而言仅局限在相变材
料和底电极接触的区域。为了提升电操作的加热效率，需要将电学操作通道上其余区域的电
阻值尽量降低。由于位线金属部分的电阻不可能发生较大改变，因此可行的操作方法是将相
变存储单元的非有效区域的电阻尽可能的降低，即将这一区域的相变材料尽可能的结晶至
低阻。
初始化操作可以采用两种方法实现：电学初始化方法和热学初始化方法。电学初始化方法的优点
在于除了能将相变存储单元置于较为一致的低阻态还能有效降低相变材料和电极材料之间的界面电
阻，从而减少界面电阻在读写擦过程中的分压，提升测试结果的准确性。热学初始化方法的优点是可以
同时将待测试晶圆上的所有单元进行初始化操作，但是受到工艺条件的限制可能导致这种方法不能有
效降低相变材料和电极材料之间的界面电阻，因此在实际实验过程中可能需要先使用热学初始化方法
后再使用电学初始化方法以达到更优的实验效果。
B.2 相变存储单元的电学初始化方法
电学初始化方法通过对相变存储单元施加以较大的直流电流将电学操作回路上的所有相变区域尽
可能的操作至结晶状态。以本标准建议的相变存储单元尺寸为例，施加电流的上限不宜大于1
mA。 具体实施初始化操作时，宜从较小的电流(一般小于100μA)
开始对相变存储单元施加幅度不断增加的
直流电流，并在每次施加直流电流后记录相变存储单元的低场电阻值。如果直流电流大小每增加
100μA相应的低场电阻值的减小幅度小于5%,则可以停止电学初始化操作，并记录当前直流电流幅度
为该单元的初始化电流幅度。
需要注意的是电学初始化操作以不将相变材料或者电极材料误操作至断路为前提，如果出现因大
电流导致相变存储单元误操作至断路的情况，后续单元的初始化的方法应做适当调整。如果施加幅度
不断增加的直流电流至前述断路电流的20%仍不能满足正常初始化操作完成的条件，则应该将后续操
作方法改变为连续施加幅度恒定不变的大小为断路电流20%的直流电流，并记录操作后相变存储单元
的低场电阻值。如果5次操作后单元的低场电阻值的减小幅度小于5%则可以停止电学初始化操作，
并记录当前直流电流幅度为该单元的初始化电流幅度。
B.3 相变存储单元的热学初始化方法
热学初始化方法在后段工艺(包括相变存储单元的制造工艺)完成后，实施对晶圆的高温烘烤。此
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方法进行前，需结合实际情况充分考虑所选相变材料本身的挥发特性、耐高温特性以及当前工艺条件下
相变存储单元物理结构的稳定性。
一般建议烘烤温度不高于250℃,不低于150℃。烘烤时间不低于
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