忆阻器单元研发测试方案
      神经元网络是当代科研领域之一,神经元网络的重要之一是新一代高速存储单元组成的阵列。忆阻器英文名为memristor, 用符号M表示,与电阻R,电容C,电感L构成四种基本无源电路器件,它是连接磁通量与电荷之间关系的纽带,其同时具备电阻和存储的性能,是一种新一代超高速存储单元,通常称为阻变存储器(RRAM)。
      在研发方面,尽管目前已经有多种忆阻器面市,但实现机理仍不清楚,可靠性普遍不足,涨落大,需要有好的测试系统保驾护航。
在测试方面,RRAM的表征需要向严苛方向发展,原子级的原位表征,ps级脉冲擦写及信号捕捉,大规模阵列的自动测试,这些都对测试系统的指标提出很高的要求。
       忆阻器研究可分为基础研究、性能研究以及集成研究三个阶段,此研究方法对阻变存储器(RRAM)、相变存储器(PCM)和铁电存储器(FeRAM)均适用。忆阻器基础研究阶段主要研究忆阻器材料体系和物理机制,以及对忆阻器器参数进行表征,并通过捏滞回线对忆阻器进行分类。忆阻器基础研究测试包括:直流特性、交流特性及脉冲特性测试。
      忆阻器直流特性测试通常与Forming结合,主要测试忆阻器直流V-I曲线,并以此推算SET/RESET电压/电流、HRS、LRS等忆阻器重要参数,可以进行单向扫描或双向扫描。忆阻器交流特性主要进行捏滞回线的测试,捏滞回线是鉴别忆阻器类型的关键。忆阻器脉冲测试能有效地减小直流测试积累的焦耳热的影响,同时,也可以用来研究热量对器件性能的影响。由于忆阻器表征技术正向极端化发展,皮秒级脉冲擦写及信号捕捉的需求日益强烈。
      非易失存储器性能研究是通过测试忆阻器的循环次数或耐久力(Endurance)和数据保留时间(Data Retention)来实现。在循环次数和耐久力测试中,电阻测试通常由带脉冲功能的半导体参数测试仪完成,由于被测样品数量多,耗时长,需要编程进行自动化测试。极端化表征情况下,SET / RESET 脉冲由高速任意波发生器产生。
      如果忆阻器被用于神经元方面的研究,其性能测试除了擦写次数和数据保留时间外,还需要进行神经突触阻变动力学测试。突触可塑性是大脑记忆和学习的神经生物学基础,有很多种形式。按记忆的时间长短可分为短时程可塑性 (STP)和长时程可塑性 (LTP),其中短时程可塑性包括双脉冲抑制 (PPD)、双脉冲易化 (PPF)、强直后增强 (PTP)。此外还有一些其他的可塑性, 如: 放电速率依赖可塑性 (SRDP)、放电时间依赖可塑性 (STDP)等,它们是突触进行神经信号处理、神经计算的基础。

      忆阻器的导电态可以用来表示突触权重的变化,通过改变刺激脉冲电压的形状、频率、持续时间等参数来模拟不同突触功能相应的神经刺激信号的特点,测量瞬态电流可以了解阻变动力学过程,获得神经形态特性的调控方法。同循环次数和耐久力测试相同,需要对带脉冲功能的半导体参数测试仪或高速任意波发生器编程产生相应的脉冲序列,进行自动化测试。

      作为存储器,忆阻器同样有 "置O"和 "置1"及读操作,只不过 “置O"被称为 “RESET", 即从低阻态(LRS)重置为高阻态(HRS),反之被称为SET,即置1”操作。但忆阻器在进行读写操作之前,需要做一次 “Forming",这个激发操作之后忆阻器件才具有正常的忆阻特性。在各个操作阶段,都需要对RRAM特性进行表征,测试流程如下:
●Forming 前后特性验证
   ○验证Forming前后的电阻。通常没有特殊的测试步骤,一般与忆阻器单元IV 特性测试结合在一起
●忆阻器单元1-V特性测试(通常与Forming结合)
  ○测试SET/RESET, HRS/LRS 1-V特性,忆阻器单元的基本测试
●高速脉冲测试
  ○用更窄脉宽的读/写脉冲序列进行读写测试,忆阻器单元的速度极限能力测试
●数据保留测试(Data retention)
  ○数据保存后,在不同的环境下持续读出,测试忆阻器单元保存数据的持久力
●循环次数测试 (Endurance)
  ○高频率写,持续读,验证忆阻器单元的耐受力
在忆阻器初级研发阶段,Forming及1-V特性测试为基本测试,高速脉冲测试验证RRAM的极限功能。在忆阻器深入研发阶段,注意要引入数据保留测试和循环次数,此时的测试系统不仅需要必需的仪器硬件, 更需要结合忆阻器的读写序列需要,进行软件定制化的开发。
概述:
忆阻器研发面临的挑战:
忆阻器基础研究测试:
忆阻器基础研究测试方案:
忆阻器性能研究测试:
忆阻器性能研究测试方案:
高性价比测试方案
极端化表征测试方案
忆阻器性能研究测试流程如下:
忆阻器测试流程:
●4200A-SCS+4200-SMU+4225-PMU
 ○100fA分辨率10aA加前置放大器
 ○10mHz-10Hz 极低频电容测试
 ○100µF负载电容
 ○200MS/s, 5ns采样率40v(80Vp-p) 800mA
 ○任意波形编辑产生多电平脉冲,10ns编程分辨率
●手动探针台
●软件:Clarius
1-V特性测试方案:
高速脉冲测试方案:
通用配置
●26xxSMU需有脉冲功能
●简易探针
●Kick star或客户自行编程
低成本配置