当前相变存储材料与器件的特性测量技术

相变存储(phase change memory，PCM)，是一种新兴的非易失性计算机存储器技术，未来将能取代许多应用中的闪存。PCM要比闪存快得多，而且可靠性很高，达到10亿次写入循环，相比之下，闪存的每个区只能写入5000次。PCM还可以缩减到比闪存更小的尺度。本文就论述了PCM器件的技术基础，以及当前相应的特性测试方法。 相变存储器是如何工作的？ PCM单元由一小块硫族化合物合金构成(即，至少含有一种元素周期表中的VI族元素，外加一种V和IV族元素)。相同类型的材料也广泛用于可重写的光存储介质的有效层，如CD和DVD。通过电脉冲施加热量，就可以让PCM单元快速从有序的结晶相(电阻较低)快速切换为无序的、无定形的相(电阻较高)。从单晶相到无定形相的切换以及逆向的变化，是由熔化和快速冷却(或者一种称为重结晶的稍微慢一些的过程)来实现的。熔化温度在500oC~600oC之间的GST(锗、锑和碲)，已经成为最有前途的PCM器件材料之一。 由于上述这些合金的晶体相和无定形相的电阻值不同，这些器件可以存储二进制的数据。高电阻的无定形态代表二进制0；低电阻的晶体态代表1。在无定形相中，GST材料原子在短程内具有有序结构，自由电子密度较低，这意味着高电阻率。这有时被称为RESET相，因为它往往是在RESET操作后形成的，在该操作中，DUT的温度升高至略超过熔点，然后GST突然淬火冷却。冷却速率对于无定形层的形成极为关键。 在结晶相中，GST材料具备了长程原子有序性和高自由电子密度，从而形成了较低的电阻率。这也称为SET相，因为它是在SET操作完成后形成的，在该操作中，材料的温度上升至重结晶温度以上，但低于熔点，然后以稍慢的速度冷却至容许晶粒在整个层内形成。结晶相的电阻的范围一般是1k~10k。结晶相是一个低能量态；在材料处于无定形相时，若对其加热至接近结晶温度，它倾向于自发地切换至结晶相。 当前某些PCM设计和材料可以实现多个截然不同的水平，例如16个结晶态而非仅仅2个，每个都具有不同的电特性。这就使得单个单元可以代表多个bit，从而大大提升了存储密度。 PCM器件结构 在典型的GST PCM器件中(图1)，在GST层的下方上附着一个电阻。加热/熔化只影响电阻尖端周围很小的面积。擦除/RESET脉冲可以设定高电阻或者逻辑0，并在器件上构成了一个无定形层的区域。与写入/SET脉冲相比，擦除/RESET脉冲幅值更高、更窄，变化更为陡峭。一个用于设定逻辑1的SET脉冲可以让无定形层重新结晶，返回结晶态。

图1，典型的PCM器件结构
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PCM器件的特性测量 应当认真选择熔化和重结晶过程所使用的RESET和SET脉冲。RESET脉冲应该让温度恰好高于材料的熔点，然后让材料迅速冷却到无定形相。SET脉冲应该让温度恰好高于重结晶温度，但低于熔点，从而让其有较长的时间冷却；因此，SET脉冲的脉冲宽度和下降时间应该长于RESET脉冲的。1ms或更短的脉冲宽度所产生的能量，往往足以熔化PCM材料或者使其重结晶。某些材料和技术的脉冲电压需要高于6V以达到熔化温度。电流值的范围一般为0.3mA~3mA。 所采用的PCM技术的状态决定了RESET脉冲的最小下降时间。若脉冲的下降时间长于所需要的时间时，材料可能无法有效的淬火为无定形相。虽然目前一般需要30ns~50ns，但未来的材料有可能需要更短的下降时间。 关键的特性参数 为了开发出新的PCM材料，并优化未来的器件设计，制造商们将需要能通过电测量来精确地测量若干电学参数。循环耐久性(Cycling endurance)量度存储器单元能成功编程为0和1状态的次数。更新的多态存储单元具有更多的分立状态，因此可以在单个单元中堆叠多个存储器，这就需要人们对循环耐久性试验进行改进。制造商还必须测量单元的电阻随时间的漂移变化，这种测试一般要在各种温度下进行。读取干扰参数用于量度“读取”过程是如何影响所存储的状态的。除非测量脉冲低于0.5V，否则有可能出现读取干扰问题。重结晶速率如今短至几十纳秒，不久可能会下降至几个纳秒，这将使得短下降时间的测量技术变得日益重要。因为SET相是一个能量更低的状态，PCM材料倾向于自发重结晶。结晶的速率与温度相关；于是数据保持能力可以定义为，让数据(即SET态)可以在一定时间内(一般是10年)保持不变和稳定的最高温度。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 电阻-电流(RI)曲线(图2)是PCM特性测量中最常见的参数。通过DUT发送一个精确的脉冲序列(图3)即可产生这些曲线。第一个是RESET脉冲，可以将DUT的电阻设定为高值。该脉冲之后是一个DC读取或者测量脉冲(往往是0.5V或者更低，以避免影响DUT的状态)。再接下来是一个SET脉冲和另一个测量脉冲。整个序列重复多次，同时让SET脉冲的幅值缓慢升高至RESET脉冲的量值。在图2所示的RI曲线上，请注意SET或者RESET脉冲之后所测量到的电阻值。曲线表示这些值随SET脉冲中的电流变化的关系。RESET值略高于一个兆欧；SET电阻范围是1个兆欧至数个千欧，具体取决于SET电流的量值。

图2，电阻－电流(RI)曲线(红色)
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图3，用于生成RI曲线的脉冲序列。高的红色曲线是RESET。较短的红色脉冲是SET脉冲。短的矩形黑色脉冲是电阻(R)测量值。
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为了获取I-V(电流-电压)曲线(图4)，向一个已经RESET至其高阻态的DUT发送的电压从低扫描至高电平。在存在负载电阻的情况下，从高阻至低阻态的动态切换就可以产生一个表述其特性的RI曲线，曲线上带有一个对应着负电阻的回降区(Snapback)。回降是长久以来用于获取RI和I-V曲线的R加载技术的副作用，而非PCM或者PCM测试技术的特征。

图4，电流-电压(I-V)扫描[1]
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《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 在标准的R负载测量技术中(如图5所示)，一个电阻与DUT串联，从而可以通过对负载电阻两端的电压的测量来测量出流过DUT的电流。借助高阻抗的有源探针和示波器可以记录负载电阻两端的电压。流过DUT的电流将等于所施加的电压(VAPPLIED)减去器件两端的电压(VDEV)，再除以负载电阻。负载电阻的量值的范围往往是1k~3k。该技术存在一个折衷，若负载电阻太高，则RC效应和R负载与DUT之间的电压分压将限制该技术的性能；然而，若电阻值过低，则将影响到电流的分辨率。

图5，标准的R负载技术
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PCM特性测量新技术 最近开发出一种限流测量技术，它可以消除采用负载电阻的必要性。该技术通过严密控制电流输出的水平，来实现对RI曲线的低电流段的更为精密的测试。这一新技术(图6)综合采用了一个高速的脉冲源和测量仪器，从而可以在单个脉冲扫描中同时获得I-V和RI曲线。吉时利的双通道4225型PMU超快速I-V模块可以在输出电压信号的同时，高精度的同步获得电压和电流响应，而其上升和下降时间短至20ns。不过这并不意味着，仪器不能用于所谓的“快速材料”。重要的是在电压下降穿过特定范围的速度，因为这对应着结晶发生的温度范围。因为这种技术消除了负载电阻，故也消除了回降效应。

图6，利用超快I－V模块实现的限流技术
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图7，吉时利4225－PMU超快速I－V模块和2个4225型RPM远程放大器/开关，用于吉时利4200－SCS特性测试系统
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吉时利4225型PMU和4225型RPM远程放大器/开关可以扩展单元的灵敏度(图7)，可集成到4200-SCS型半导体特性测试系统中，这不仅提供了测试PCM器件所需的其他测量功能，还可以让整个测试过程自动化。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载