相變存儲(chǔ)(phase change memory，PCM)，是一種新興的非易失性計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器技術(shù)，未來(lái)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(dá)到10億次寫(xiě)入循環(huán)，相比之下，閃存的每個(gè)區(qū)只能寫(xiě)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(dāng)前相應(yīng)的特性測(cè)試方法。

相變存儲(chǔ)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(xiě)的光存儲(chǔ)介質(zhì)的有效層，如CD和DVD。通過(guò)電脈沖施加熱量，就可以讓PCM單元快速?gòu)挠行虻慕Y(jié)晶相(電阻較低)快速切換為無(wú)序的、無(wú)定形的相(電阻較高)。從單晶相到無(wú)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(guò)程)來(lái)實(shí)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(wú)定形相的電阻值不同，這些器件可以存儲(chǔ)二進(jìn)制的數(shù)據(jù)。高電阻的無(wú)定形態(tài)代表二進(jìn)制0；低電阻的晶體態(tài)代表1。在無(wú)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(shí)被稱為RESET相，因?yàn)樗窃赗ESET操作后形成的，在該操作中，DUT的溫度升高至略超過(guò)熔點(diǎn)，然后GST突然淬火冷卻。冷卻速率對(duì)于無(wú)定形層的形成極為關(guān)鍵。

在結(jié)晶相中，GST材料具備了長(zhǎng)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?yàn)樗窃赟ET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(diǎn)，然后以稍慢的速度冷卻至容許晶粒在整個(gè)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(gè)低能量態(tài)；在材料處于無(wú)定形相時(shí)，若對(duì)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(dāng)前某些PCM設(shè)計(jì)和材料可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)截然不同的水平，例如16個(gè)結(jié)晶態(tài)而非僅僅2個(gè)，每個(gè)都具有不同的電特性。這就使得單個(gè)單元可以代表多個(gè)bit，從而大大提升了存儲(chǔ)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(gè)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(gè)無(wú)定形層的區(qū)域。與寫(xiě)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(gè)用于設(shè)定邏輯1的SET脈沖可以讓無(wú)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(cè)量

應(yīng)當(dāng)認(rèn)真選擇熔化和重結(jié)晶過(guò)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(diǎn)，然后讓材料迅速冷卻到無(wú)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(diǎn)，從而讓其有較長(zhǎng)的時(shí)間冷卻；因此，SET脈沖的脈沖寬度和下降時(shí)間應(yīng)該長(zhǎng)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(dá)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(shí)間。若脈沖的下降時(shí)間長(zhǎng)于所需要的時(shí)間時(shí)，材料可能無(wú)法有效的淬火為無(wú)定形相。雖然目前一般需要30ns~50ns，但未來(lái)的材料有可能需要更短的下降時(shí)間。

關(guān)鍵的特性參數(shù)

為了開(kāi)發(fā)出新的PCM材料，并優(yōu)化未來(lái)的器件設(shè)計(jì)，制造商們將需要能通過(guò)電測(cè)量來(lái)精確地測(cè)量若干電學(xué)參數(shù)。循環(huán)耐久性(Cycling endurance)量度存儲(chǔ)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(chǔ)單元具有更多的分立狀態(tài)，因此可以在單個(gè)單元中堆疊多個(gè)存儲(chǔ)器，這就需要人們對(duì)循環(huán)耐久性試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。制造商還必須測(cè)量單元的電阻隨時(shí)間的漂移變化，這種測(cè)試一般要在各種溫度下進(jìn)行。讀取干擾參數(shù)用于量度“讀取”過(guò)程是如何影響所存儲(chǔ)的狀態(tài)的。除非測(cè)量脈沖低于0.5V，否則有可能出現(xiàn)讀取干擾問(wèn)題。重結(jié)晶速率如今短至幾十納秒，不久可能會(huì)下降至幾個(gè)納秒，這將使得短下降時(shí)間的測(cè)量技術(shù)變得日益重要。因?yàn)镾ET相是一個(gè)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(shí)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(cè)量中最常見(jiàn)的參數(shù)。通過(guò)DUT發(fā)送一個(gè)精確的脈沖序列(圖3)即可產(chǎn)生這些曲線。第一個(gè)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(gè)DC讀取或者測(cè)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(lái)是一個(gè)SET脈沖和另一個(gè)測(cè)量脈沖。整個(gè)序列重復(fù)多次，同時(shí)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(qǐng)注意SET或者RESET脈沖之后所測(cè)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(gè)兆歐；SET電阻范圍是1個(gè)兆歐至數(shù)個(gè)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(cè)量值。

為了獲取I-V(電流-電壓)曲線(圖4)，向一個(gè)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(fù)載電阻的情況下，從高阻至低阻態(tài)的動(dòng)態(tài)切換就可以產(chǎn)生一個(gè)表述其特性的RI曲線，曲線上帶有一個(gè)對(duì)應(yīng)著負(fù)電阻的回降區(qū)(Snapback)。回降是長(zhǎng)久以來(lái)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(cè)試技術(shù)的特征。

圖4，電流-電壓(I-V)掃描[1]

在標(biāo)準(zhǔn)的R負(fù)載測(cè)量技術(shù)中(如圖5所示)，一個(gè)電阻與DUT串聯(lián)，從而可以通過(guò)對(duì)負(fù)載電阻兩端的電壓的測(cè)量來(lái)測(cè)量出流過(guò)DUT的電流。借助高阻抗的有源探針和示波器可以記錄負(fù)載電阻兩端的電壓。流過(guò)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(fù)載電阻。負(fù)載電阻的量值的范圍往往是1k~3k。該技術(shù)存在一個(gè)折衷，若負(fù)載電阻太高，則RC效應(yīng)和R負(fù)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(guò)低，則將影響到電流的分辨率。

圖5，標(biāo)準(zhǔn)的R負(fù)載技術(shù)

PCM特性測(cè)量新技術(shù)

最近開(kāi)發(fā)出一種限流測(cè)量技術(shù)，它可以消除采用負(fù)載電阻的必要性。該技術(shù)通過(guò)嚴(yán)密控制電流輸出的水平，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)RI曲線的低電流段的更為精密的測(cè)試。這一新技術(shù)(圖6)綜合采用了一個(gè)高速的脈沖源和測(cè)量?jī)x器，從而可以在單個(gè)脈沖掃描中同時(shí)獲得I-V和RI曲線。吉時(shí)利的雙通道4225型PMU超快速I(mǎi)-V模塊可以在輸出電壓信號(hào)的同時(shí)，高精度的同步獲得電壓和電流響應(yīng)，而其上升和下降時(shí)間短至20ns。不過(guò)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(guò)特定范圍的速度，因?yàn)檫@對(duì)應(yīng)著結(jié)晶發(fā)生的溫度范圍。因?yàn)檫@種技術(shù)消除了負(fù)載電阻，故也消除了回降效應(yīng)。

圖6，利用超快I－V模塊實(shí)現(xiàn)的限流技術(shù)

RPM遠(yuǎn)程放大器/開(kāi)關(guān)，用于吉時(shí)利4200－SCS特性測(cè)試系統(tǒng)" src="http://files.chinaaet.com/images/2012/03/06/7ba3e1d2-5923-41fc-b4fd-42bd9d2a12e1.jpg" />

圖7，吉時(shí)利4225－PMU超快速I(mǎi)－V模塊和2個(gè)4225型RPM遠(yuǎn)程放大器/開(kāi)關(guān)，用于吉時(shí)利4200－SCS特性測(cè)試系統(tǒng)

吉時(shí)利4225型PMU和4225型RPM遠(yuǎn)程放大器/開(kāi)關(guān)可以擴(kuò)展單元的靈敏度(圖7)，可集成到4200-SCS型半導(dǎo)體特性測(cè)試系統(tǒng)中，這不僅提供了測(cè)試PCM器件所需的其他測(cè)量功能，還可以讓整個(gè)測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化。