相变材料及器件的电学测试方法与方案

概述

在芯片工艺不断演进的今天，材料的物理特性与器件层面的可靠性测试正变得前所未有的重要。近日，在泰克云上大讲堂关于《芯片的物理表征和可靠性测试》的直播中，大家就新型存储技术、先进材料电学表征等话题展开了热烈讨论。相变存储作为新一代非易失性存储的代表，其器件性能的测试与优化自然也成为了焦点之一。

本文将结合直播中提及的实测案例与关键测试技术，深入探讨相变材料及器件的电学测试方法与方案，并介绍如何借助Keithley 4200A-SCS参数分析仪及其模块，进行准确、高效的电学特性研究。

在本次直播《芯片的物理表征和可靠性测试》中，我们不仅展示了以上方案的实测案例，还讲解了如何从晶圆级材料表征过渡到器件级性能评估，包括：

? 如何在高连接电容情况下实现低电流精确采集？

? 如何通过脉冲驱动方式模拟相变写入行为？

? 如何构建用于可靠性测试的自动脚本流程？

相变存储器件：测试挑战与关键参数

相变存储器（PCM）基于材料在晶态与非晶态之间的可逆转变实现数据的写入与保持。其核心挑战不仅在于材料层的可控性，更在于对其I-V、R-T曲线、热稳定性、SET/RESET循环性能、保持时间与多级态控制能力的准确测试。

在实际测试中，工程师面临以下主要难点：

? SET/RESET电压窗口精准提取

? 不同状态下的高低电阻比对与一致性统计

? 纳秒级脉冲驱动下的动态行为测量

? 器件的高温保持与多周期循环老化验证

这些都要求一整套可编程、低噪声、可扩展的电学测试系统来实现批量采集与长期跟踪。

完整的电学测试方案设计

为满足上述测试需求，Tektronix与Keithley联合推出了基于4200A-SCS平台的相变材料及器件表征测试方案，涵盖从材料层电阻响应到完整SET/RESET循环测试的全流程。

测试连接框图

1基础电学参数测量

使用4201-SMU/4211-SMU模块可实现高阻态与低阻态的稳定测量，特别适用于高连接电容下的低电流测试场景。

支持皮安级电流读取

可编程电压扫描，精准捕捉转变区

配合CVU模块可拓展容值/耗散因子测试

2SET/RESET脉冲控制

通过4200A-SCS控制AFG31000任意波形发生器输出窄脉冲信号，模拟高速写入行为。

纳秒至微秒级脉宽

可配置脉冲电压、电流限制

程控同步测量，获取每次写入后的器件电阻状态

图示为典型的PCRAM波形

使用4200A的PMU可以很容易的生成对应脉冲序列

3保持/老化与可靠性评估

采用4200A-CVU与SMU组合，通过循环寿命测试脚本评估器件在长时间、高温或多次写入后的性能变化，支持自动化批量统计。

R-T曲线测量：分析材料热稳定性

1000+次SET/RESET循环测试

状态漂移监测：保持时间与误码率评估

结语：测试能力决定器件上限

无论是在实验室进行新型相变材料探索，还是在产品开发阶段进行器件良率评估，一套准确、自动化、可扩展的电学测试平台都至关重要。Keithley 4200A-SCS正是这样一个面向下一代存储技术的关键工具。