相變存儲(phase change memory，PCM)，是一種新興的非易失性計算機存儲器技術(shù)，未來將能取代許多應(yīng)用中的閃存。PCM要比閃存快得多，而且可靠性很高，達到10億次寫入循環(huán)，相比之下，閃存的每個區(qū)只能寫入5000次。PCM還可以縮減到比閃存更小的尺度。本文就論述了PCM器件的技術(shù)基礎(chǔ)，以及當前相應(yīng)的特性測試方法。

相變存儲器是如何工作的？

PCM單元由一小塊硫族化合物合金構(gòu)成(即，至少含有一種元素周期表中的VI族元素，外加一種V和IV族元素)。相同類型的材料也廣泛用于可重寫的光存儲介質(zhì)的有效層，如CD和DVD。通過電脈沖施加熱量，就可以讓PCM單元快速從有序的結(jié)晶相(電阻較低)快速切換為無序的、無定形的相(電阻較高)。從單晶相到無定形相的切換以及逆向的變化，是由熔化和快速冷卻(或者一種稱為重結(jié)晶的稍微慢一些的過程)來實現(xiàn)的。熔化溫度在500oC~600oC之間的GST(鍺、銻和碲)，已經(jīng)成為最有前途的PCM器件材料之一。

由于上述這些合金的晶體相和無定形相的電阻值不同，這些器件可以存儲二進制的數(shù)據(jù)。高電阻的無定形態(tài)代表二進制0；低電阻的晶體態(tài)代表1。在無定形相中，GST材料原子在短程內(nèi)具有有序結(jié)構(gòu)，自由電子密度較低，這意味著高電阻率。這有時被稱為RESET相，因為它往往是在RESET操作后形成的，在該操作中，DUT的溫度升高至略超過熔點，然后GST突然淬火冷卻。冷卻速率對于無定形層的形成極為關(guān)鍵。

在結(jié)晶相中，GST材料具備了長程原子有序性和高自由電子密度，從而形成了較低的電阻率。這也稱為SET相，因為它是在SET操作完成后形成的，在該操作中，材料的溫度上升至重結(jié)晶溫度以上，但低于熔點，然后以稍慢的速度冷卻至容許晶粒在整個層內(nèi)形成。結(jié)晶相的電阻的范圍一般是1k~10k。結(jié)晶相是一個低能量態(tài)；在材料處于無定形相時，若對其加熱至接近結(jié)晶溫度，它傾向于自發(fā)地切換至結(jié)晶相。

當前某些PCM設(shè)計和材料可以實現(xiàn)多個截然不同的水平，例如16個結(jié)晶態(tài)而非僅僅2個，每個都具有不同的電特性。這就使得單個單元可以代表多個bit，從而大大提升了存儲密度。

PCM器件結(jié)構(gòu)

在典型的GST PCM器件中(圖1)，在GST層的下方上附著一個電阻。加熱/熔化只影響電阻尖端周圍很小的面積。擦除/RESET脈沖可以設(shè)定高電阻或者邏輯0，并在器件上構(gòu)成了一個無定形層的區(qū)域。與寫入/SET脈沖相比，擦除/RESET脈沖幅值更高、更窄，變化更為陡峭。一個用于設(shè)定邏輯1的SET脈沖可以讓無定形層重新結(jié)晶，返回結(jié)晶態(tài)。

圖1，典型的PCM器件結(jié)構(gòu)

PCM器件的特性測量

應(yīng)當認真選擇熔化和重結(jié)晶過程所使用的RESET和SET脈沖。RESET脈沖應(yīng)該讓溫度恰好高于材料的熔點，然后讓材料迅速冷卻到無定形相。SET脈沖應(yīng)該讓溫度恰好高于重結(jié)晶溫度，但低于熔點，從而讓其有較長的時間冷卻；因此，SET脈沖的脈沖寬度和下降時間應(yīng)該長于RESET脈沖的。1ms或更短的脈沖寬度所產(chǎn)生的能量，往往足以熔化PCM材料或者使其重結(jié)晶。某些材料和技術(shù)的脈沖電壓需要高于6V以達到熔化溫度。電流值的范圍一般為0.3mA~3mA。

所采用的PCM技術(shù)的狀態(tài)決定了RESET脈沖的最小下降時間。若脈沖的下降時間長于所需要的時間時，材料可能無法有效的淬火為無定形相。雖然目前一般需要30ns~50ns，但未來的材料有可能需要更短的下降時間。

關(guān)鍵的特性參數(shù)

為了開發(fā)出新的PCM材料，并優(yōu)化未來的器件設(shè)計，制造商們將需要能通過電測量來精確地測量若干電學參數(shù)。循環(huán)耐久性(Cycling endurance)量度存儲器單元能成功編程為0和1狀態(tài)的次數(shù)。更新的多態(tài)存儲單元具有更多的分立狀態(tài)，因此可以在單個單元中堆疊多個存儲器，這就需要人們對循環(huán)耐久性試驗進行改進。制造商還必須測量單元的電阻隨時間的漂移變化，這種測試一般要在各種溫度下進行。讀取干擾參數(shù)用于量度“讀取”過程是如何影響所存儲的狀態(tài)的。除非測量脈沖低于0.5V，否則有可能出現(xiàn)讀取干擾問題。重結(jié)晶速率如今短至幾十納秒，不久可能會下降至幾個納秒，這將使得短下降時間的測量技術(shù)變得日益重要。因為SET相是一個能量更低的狀態(tài)，PCM材料傾向于自發(fā)重結(jié)晶。結(jié)晶的速率與溫度相關(guān)；于是數(shù)據(jù)保持能力可以定義為，讓數(shù)據(jù)(即SET態(tài))可以在一定時間內(nèi)(一般是10年)保持不變和穩(wěn)定的最高溫度。

電阻-電流(RI)曲線(圖2)是PCM特性測量中最常見的參數(shù)。通過DUT發(fā)送一個精確的脈沖序列(圖3)即可產(chǎn)生這些曲線。第一個是RESET脈沖，可以將DUT的電阻設(shè)定為高值。該脈沖之后是一個DC讀取或者測量脈沖(往往是0.5V或者更低，以避免影響DUT的狀態(tài))。再接下來是一個SET脈沖和另一個測量脈沖。整個序列重復多次，同時讓SET脈沖的幅值緩慢升高至RESET脈沖的量值。在圖2所示的RI曲線上，請注意SET或者RESET脈沖之后所測量到的電阻值。曲線表示這些值隨SET脈沖中的電流變化的關(guān)系。RESET值略高于一個兆歐；SET電阻范圍是1個兆歐至數(shù)個千歐，具體取決于SET電流的量值。

圖2，電阻－電流(RI)曲線(紅色)

圖3，用于生成RI曲線的脈沖序列。高的紅色曲線是RESET。較短的紅色脈沖是SET脈沖。短的矩形黑色脈沖是電阻(R)測量值。

為了獲取I-V(電流-電壓)曲線(圖4)，向一個已經(jīng)RESET至其高阻態(tài)的DUT發(fā)送的電壓從低掃描至高電平。在存在負載電阻的情況下，從高阻至低阻態(tài)的動態(tài)切換就可以產(chǎn)生一個表述其特性的RI曲線，曲線上帶有一個對應(yīng)著負電阻的回降區(qū)(Snapback)?；亟凳情L久以來用于獲取RI和I-V曲線的R加載技術(shù)的副作用，而非PCM或者PCM測試技術(shù)的特征。

圖4，電流-電壓(I-V)掃描[1]

在標準的R負載測量技術(shù)中(如圖5所示)，一個電阻與DUT串聯(lián)，從而可以通過對負載電阻兩端的電壓的測量來測量出流過DUT的電流。借助高阻抗的有源探針和示波器可以記錄負載電阻兩端的電壓。流過DUT的電流將等于所施加的電壓(VAPPLIED)減去器件兩端的電壓(VDEV)，再除以負載電阻。負載電阻的量值的范圍往往是1k~3k。該技術(shù)存在一個折衷，若負載電阻太高，則RC效應(yīng)和R負載與DUT之間的電壓分壓將限制該技術(shù)的性能；然而，若電阻值過低，則將影響到電流的分辨率。

圖5，標準的R負載技術(shù)

PCM特性測量新技術(shù)

最近開發(fā)出一種限流測量技術(shù)，它可以消除采用負載電阻的必要性。該技術(shù)通過嚴密控制電流輸出的水平，來實現(xiàn)對RI曲線的低電流段的更為精密的測試。這一新技術(shù)(圖6)綜合采用了一個高速的脈沖源和測量儀器，從而可以在單個脈沖掃描中同時獲得I-V和RI曲線。吉時利的雙通道4225型PMU超快速I-V模塊可以在輸出電壓信號的同時，高精度的同步獲得電壓和電流響應(yīng)，而其上升和下降時間短至20ns。不過這并不意味著，儀器不能用于所謂的“快速材料”。重要的是在電壓下降穿過特定范圍的速度，因為這對應(yīng)著結(jié)晶發(fā)生的溫度范圍。因為這種技術(shù)消除了負載電阻，故也消除了回降效應(yīng)。

圖6，利用超快I－V模塊實現(xiàn)的限流技術(shù)

RPM遠程放大器/開關(guān)，用于吉時利4200－SCS特性測試系統(tǒng)" src="http://files.chinaaet.com/images/2012/03/06/7ba3e1d2-5923-41fc-b4fd-42bd9d2a12e1.jpg" />

圖7，吉時利4225－PMU超快速I－V模塊和2個4225型RPM遠程放大器/開關(guān)，用于吉時利4200－SCS特性測試系統(tǒng)

吉時利4225型PMU和4225型RPM遠程放大器/開關(guān)可以擴展單元的靈敏度(圖7)，可集成到4200-SCS型半導體特性測試系統(tǒng)中，這不僅提供了測試PCM器件所需的其他測量功能，還可以讓整個測試過程自動化。