相变存储单元测试结构及测试方法、相变存储器的制造方法

相变存储单元测试结构及测试方法、相变存储器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种相变存储单元测试结构及测试方法、相变存储器。
【背景技术】
[0002]信息技术的飞速发展需要大量的高性能存储器件，低压、低功耗、高速与高密度是存储技术的必然发展趋势。相变存储器(PCRAM,Phase Change Random Access Memory)是在CMOS集成电路基础上发展起来的新一代非挥发固态半导体存储器，在器件特征尺寸进入纳米尺度并不断缩小的过程中，用于存储的可逆相变材料在更小的纳米尺度上反而会表现出更优异性能(低功耗、高速等)，因此比商用化的FLASH存储技术体现出更优越的综合性能，被公认为继FLASH后存储技术的重大突破，在低压、低功耗、高速和高密度存储方面具有广阔的商用前景。
[0003]相变存储器的基本原理是利用电操作电压作用于相变电阻上，使相变电阻中的相变材料(如GST)在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。
[0004]相变存储器的读、写、擦操作就是在相变电阻上施加不同宽度和高度的电压或电流操作电压:擦操作(RESET)，当施加一个短且强的操作电压使相变电阻中的相变材料温度升高到熔点温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“0”态到“1”态的转换；写操作(SET)，当施加一个长且中等強度的操作电压使相变材料温度升到熔化温度之下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“1”态到“0”态的转换；读操作(READ)，当施加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的操作电压后，通过测量相变电阻的电阻值来读取它的状态。
[0005]为了推动相变存储器的研究进程，其器件单元的电学和存储性能(如阈值电压和电流、读/写/擦最佳操作參数、疲劳特性等)的表征是非常重要的。我们通常会设计相应的相变存储单元的测试结构(Test Key)，通过测试其中的擦电流来表征相变存储器器件单元的电学和存储性能。现有相变存储单元测试结构至少包括相变电阻，和与相变电阻串联的选通管。由于擦电流是擦操作时通过器件单元的电流，而擦操作是通过对相变电阻施加操作电压来实现的，因此需要通过测试擦操作电压来计算擦电流。
[0006]而采用现有相变存储单元测试结构测试时，在写操作完成后，继续进行后续擦操作；进行擦操作时，需要先捕捉施加在相变电阻上的擦操作电压的波形，然后再计算擦电流。这样一来，由于相变材料具有很强的记忆能力，每一次写操作后相变电阻的阻值和后续擦操作之间具有密切的关系，且由于每次写操作完成后相变电阻的阻值都会发生变化，每次得到的阻值之间相差较大，从而使得对应的擦操作完成后相变电阻的阻值均不相同，并且相变电阻中相变材料从晶态转为非晶态，其阻值也是动态变化的，无法十分精确的测得相变电阻的动态阻值，因此计算得到的擦电流也不准确。此外，现有擦电流的测试方法较为复杂，测试效率也较低。
[0007]为了能够更好地表征相变存储器器件单元的电学和存储性能，避免擦电流和相变电阻的动态阻值的测试结果不准确，现急需设计新的相变存储单元测试结构和新的测试方法。

【发明内容】

[0008]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种相变存储单元测试结构及擦电流和动态阻值的测试方法，以及具有该相变存储单元测试结构的相变存储器，用于解决现有技术中擦电流和相变电阻的动态阻值的测试结果不准确，测试效率较低，从而影响表征相变存储器器件单元的电学和存储性能的问题。
[0009]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种相变存储单元测试结构，其中，所述相变存储单元测试结构至少包括:字线、位线、源线、监测线、相变电阻和选通管；
[0010]所述位线连接所述相变电阻的一端，用以向所述相变电阻施加写或擦操作电压；
[0011]所述相变电阻的另一端连接所述选通管的一端，所述选通管的另一端连接所述源线，其中，所述源线接地；
[0012]所述字线连接所述选通管的控制端，用以控制所述选通管导通或截止，并向所述选通管施加控制电压；
[0013]所述监测线连接在所述相变电阻和所述选通管之间，用以向所述选通管施加扫描电压。
[0014]优选地，所述选通管为晶体管、二极管或者三极管。
[0015]优选地，所述选通管为N型晶体管或P型晶体管。
[0016]本发明还提供一种相变存储器，其中，所述相变存储器至少包括:M个存储阵列；其中，Μ为自然数；每个存储阵列至少包括:至少一个如上所述的相变存储单元测试结构。
[0017]本发明还提供一种相变存储单元测试结构擦电流的测试方法，其中，所述相变存储单元测试结构擦电流的测试方法至少包括如下步骤:
[0018]步骤S1，提供一如上所述的相变存储单元测试结构；
[0019]步骤S2，由所述字线控制所述选通管导通，并通过所述字线向所述选通管施加Ν个控制电压；同时通过所述监测线向所述选通管施加扫描电压；根据Ν个控制电压及其所对应的扫描电压，测量扫描电流，以得到Ν条1-V扫描曲线；在得到Ν条1-V扫描曲线后，由所述字线控制所述选通管截止，同时停止通过所述监测线向所述选通管施加扫描电压；其中，Ν为自然数；
[0020]步骤S3，通过所述位线向所述相变电阻施加擦操作电压，同时由所述字线控制所述选通管导通，并通过所述字线向所述选通管施加测试控制电压；测量所述监测线的当前监测电压；其中，所述操作电压为脉冲信号，所述测试控制电压与Ν个控制电压中的一个相同；
[0021 ] 步骤S4，从Ν条1-V扫描曲线中选取所述测试控制电压对应的1-V扫描曲线，根据所述当前监测电压在选取的1-ν扫描曲线上的位置，计算得到相应的擦电流。
[0022]优选地，所述步骤S1中，Ν个控制电压为由小至大以相同脉冲增幅倍数增长的脉冲电压，所述扫描电压为由零至设定电压值之间阶梯变化的直流电压。
[0023]优选地，所述步骤S2中，所述监测线适于采用示波器测量，以得到所述当前监测电压。
[0024]本发明还提供一种相变电阻动态阻值的测试方法，其中，所述相变电阻动态阻值的测试方法至少包括如下步骤:采用如上所述的相变存储单元测试结构擦电流的测试方法，得到所述擦电流；所述相变电阻的电压为所述擦操作电压和所述当前监测电压之差，根据所述相变电阻的电压和所述擦电流，通过欧姆定律计算所述相变电阻的动态阻值。
[0025]本发明还提供一种相变存储单元测试结构，其中，所述相变存储单元至少包括:字线，位线，监测线，相变电阻以及负载电阻；
[0026]所述位线连接所述相变电阻的一端，用以向所述相变电阻施加写或擦操作电压；
[0027]所述相变电阻的另一端连接所述负载电阻的一端，所述负载电阻的另一端连接所述字线，其中，所述字线接地；
[0028]所述监测线连接在所述相变电阻和所述负载电阻之间，用以向所述负载电阻施加预置电流或电压。
[0029]优选地，所述字线，所述位线，以及所述监测线相互平行设置。
[0030]优选地，所述字线与所述位线之间的距离，和所述位线与所述监测线之间的距离相同。
[0031]本发明还提供一种相变存储器，其特征在于，所述相变存储器至少包括:M个存储阵列；其中，Μ为自然数；每个存储阵列至少包括:至少一个如上所述的相变存储单元测试结构。
[0032]本发明还提供一种相变存储单元测试结构擦电流的测试方法，其中，所述相变存储单元测试结构擦电流的测试方法至少包括如下步骤:
[0033]步骤S1，提供一如上所述的相变存储单元测试结构；
[0034]步骤S2，通过所述监测线向所述负载电阻施加预置电流或电压，测量与所述预置电流或电压相应的电压或电流，通过欧姆定律计算所述负载电阻的阻值；在得到所述负载电阻的阻值后，停止通过所述监测线向所述负载电阻施加预置电流或电压；
[0035]步骤S3，通过所述位线向所述相变电阻施加操作电压，测量所述监测线的当前监测电压，其中，所述操作电压为脉冲信号；在得到所述当前监测电压后，停止通过所述位线向所述相变电阻施加操作电压；
[0036]步骤S4，通过所述位线向所述相变电阻施加预置电流或电压，测量与所述预置电流或电压相应的电压或电流，通过欧姆定律计算所述相变电阻的当前阻值；根据所述相变电阻的当前阻值判断所述相变电阻处于写状态还是擦状态；
[0037]步骤S5，在判断所述相变电阻处于写状态时，所述操作电压为写操作电压，提升所述操作电压的脉冲幅度后，重复步骤S3和步骤S4 ;在判断所述相变电阻处于擦状态时，所述操作电压为擦操作电压，根据所述当前监测电压和所述负载电阻的阻值，通过欧姆定律计算得到擦电流。
[0038]优选地，所述步骤S3中，所述监测线适于采用示波器测量，以得到所述当