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相变存储器单元脉冲i-v特性测量方法及分析-measurement method and analysis of pulse i - v characteristics of phase change memory cells.docx

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相变存储器单元脉冲i-v特性测量方法及分析-measurement method and analysis of pulse i - v characteristics of phase change memory cells

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 相变存储器(PCRAM)具有功耗低、速度快、擦写次数高、稳定性好、与 MOS 工艺兼容良好、可多值存储等优点,被视为下一代主流存储器中最具竞争力的新型 非易失性半导体存储器。PCRAM 单元的电学性能一直是半导体信息存储领域的重要 研究内容,而电流-电压(I-V)特性是它最重要的电学特性之一。通常,PCRAM 单 元的 I-V 特性曲线是采用直流扫描的方式测量得到的,直流 I-V 存在自热和能量累积 效应,因为阶梯状电流或电压激励会对 PCRAM 单元持续地输入能量,相变材料具 有储热能特性,那么前面所有历史台阶产生的热量会叠加到下一个台阶产生的热量 上。实际上,这种效应不仅存在 PCRAM 单元的直流 I-V 测量中,还存在脉冲 I-V 及 电阻-电流和电阻-电压(R-I/R-V)测量中,其导致的直接后果就是破坏它的内部特 性。实验证明,经过多次 I-V 测量后的大部分样品都无法继续正常工作,受到不可 逆的损坏。所以开展 PCRAM 单元的自热和能量累积效应的研究是非常有意义的。 本论文采用的方法就是研究 PCRAM 单元的脉冲 I-V 特性。 由于相变材料以 Ge2Sb2Te5(GST)的性能最佳且被最广泛研究,所以采用存储 介质为 GST 的 PCRAM 样品。利用 4200-SCS 半导体特性分析仪、高精度泰克数字 示波器 DPO70064 和自主设计的 PCB 板搭建一个测量系统,开关速度快的 MOS 管、 BNC 头、开关、PCRAM 芯片等都集成在 PCB 板上。通过调节 PCB 板上的开关,测 量系统不仅可以测量 PCRAM 单元的脉冲 I-V 特性,还能测量它的一般电学性能。 采用以上装置分别测量了相变层厚度为 150nm、75nm 和 25nm 的 PCRAM 单元的直 流 I-V 特性曲线和脉冲 I-V 特性曲线。对比曲线发现脉冲 I-V 测量得到的阈值电压比 直流 I-V 的大很多,同时也得出脉冲宽度和脉冲周期都是表征 PCRAM 单元脉冲 I-V 特性不可或缺的参变量结论。假设 PCRAM 单元活动区域的温度上升引起电子活跃 性和势垒的改变,就提出了由自热效应建立的物理模型。 关键词: 相变存储器、I-V 特性、自热、能量累积、测量系统 II Abstract Phase-change random access memory (PCRAM) has many advantages such as low power consumption, high operational speed, high scalability, good stability, compatibility with the CMOS technology, multi-value storage and so on. It’s regarded as the most competitive novel nonvolatile semiconductor memory in the next generation of mainstream memory. The research on the electrical properties of PCRAM cells has been a hot topic in the field of semiconductor memory. The current-voltage (I-V) characteristic is the most important one of the electrical parameters. Normally, we explore the I-V characteristics of PCRAM cells through a direct current (DC) sweep which is step-like. Energy accumulation effect occurs in the testing procedure because the thermal energy generated by every historical increased step voltage partly remains in the cell and accumulates. In fact, the effect happens not only in DC I-V, but also in pulsed I-V, resistance-current and resistance-voltage (R-I/R-V). The direct consequence of t

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