原创 相变存储器：基本原理与测量技术——对PCM材料进行特征分析的关键参数

开发新的PCM材料[1]并优化器件设计的能力在很大程度上取决于制造商对几个参数进行特征分析的能力：

• 再结晶速率——目前的再结晶速率为几十纳秒的量级，但是它们可能很快会下降到几纳秒的量级。这将会缩短测量所需的时间，使其变得越来越紧张。
• 数据保持——如前所述，SET状态是一种能量较低的状态，PCM材料往往会自然地再结晶。结晶的速率与温度有关。因此，数据保持时间可以定义为在某个最高温度下，数据（即RESET状态）保持不变和稳定的特定时间周期（通常为10年）。
• 反复耐久性——这个参数衡量的是一个存储单元能被成功编程为0和1状态的次数。签名提到的具有多种额外独特状态的新型多态存储单元能够在一个单元中存储更多信息，这种特性改变了反复耐久性的测试方法。
• 漂移——这个参数衡量的是存储单元的电阻随时间变化的大小，通常要在各种温度下进行测量。
• 读出干扰——这个参数衡量的是“读数”过程对存储数据的影响情况。测量脉冲的电压必须低于0.5V。过高的电压会导致读出干扰问题。
• 电阻-电流（RI）曲线——RI曲线[2]（如图2所示）是PCM特征分析过程中最常用的参数之一。对DUT发送一个脉冲序列[3]（如图3所示）。首先是一个RESET脉冲，将DUT的电阻设置为较高的值。然后是一个直流读（即MEASURE）脉冲，脉冲幅值通常为0.5V或者更低，以避免影响DUT的状态。接下来是一个SET脉冲和另外一个MEASURE脉冲[4]。整个脉冲序列重复多次，其中SET脉冲的幅值逐渐增加到RESET脉冲的值。在图2中的RI曲线中，注意观察SET或RESET脉冲之后测量到的电阻值。这些值对应着SET脉冲的电流标出。RESET值略高于1MΩ；根据SET电流大小的改变，SET电阻值的范围从1兆欧到几千欧不等。

图2. 红色的为RI曲线

图3. 产生RI曲线的脉冲序列。较高的红色脉冲是RESET脉冲。较矮的红色脉冲是SET脉冲。较矮的长方形脉冲是电阻（R）测量。

图4. I-V电流电压扫描的例子 [3]

·         I-V（电流-电压）曲线[5]——这里，对之前处于RESET状态到其高电阻状态的DUT施加的电压从低到高进行扫描（如图4所示）。在存在负载电阻的情况下，从高电阻态到低电阻态进行的这种动态转换将产生一条RI特征曲线，其中带有回折（snapback），即负电阻区域。回折本身并不是PCM或者PCM测试的特征，而是R负载技术的副作用，人们很久以前就采用这种技术来获取RI和I-V曲线。

开发新的PCM材料[1]并优化器件设计的能力在很大程度上取决于制造商对几个参数进行特征分析的能力：

• 再结晶速率——目前的再结晶速率为几十纳秒的量级，但是它们可能很快会下降到几纳秒的量级。这将会缩短测量所需的时间，使其变得越来越紧张。
• 数据保持——如前所述，SET状态是一种能量较低的状态，PCM材料往往会自然地再结晶。结晶的速率与温度有关。因此，数据保持时间可以定义为在某个最高温度下，数据（即RESET状态）保持不变和稳定的特定时间周期（通常为10年）。
• 反复耐久性——这个参数衡量的是一个存储单元能被成功编程为0和1状态的次数。签名提到的具有多种额外独特状态的新型多态存储单元能够在一个单元中存储更多信息，这种特性改变了反复耐久性的测试方法。
• 漂移——这个参数衡量的是存储单元的电阻随时间变化的大小，通常要在各种温度下进行测量。
• 读出干扰——这个参数衡量的是“读数”过程对存储数据的影响情况。测量脉冲的电压必须低于0.5V。过高的电压会导致读出干扰问题。
• 电阻-电流（RI）曲线——RI曲线[2]（如图2所示）是PCM特征分析过程中最常用的参数之一。对DUT发送一个脉冲序列[3]（如图3所示）。首先是一个RESET脉冲，将DUT的电阻设置为较高的值。然后是一个直流读（即MEASURE）脉冲，脉冲幅值通常为0.5V或者更低，以避免影响DUT的状态。接下来是一个SET脉冲和另外一个MEASURE脉冲[4]。整个脉冲序列重复多次，其中SET脉冲的幅值逐渐增加到RESET脉冲的值。在图2中的RI曲线中，注意观察SET或RESET脉冲之后测量到的电阻值。这些值对应着SET脉冲的电流标出。RESET值略高于1MΩ；根据SET电流大小的改变，SET电阻值的范围从1兆欧到几千欧不等。

图2. 红色的为RI曲线

图3. 产生RI曲线的脉冲序列。较高的红色脉冲是RESET脉冲。较矮的红色脉冲是SET脉冲。较矮的长方形脉冲是电阻（R）测量。

图4. I-V电流电压扫描的例子 [3]

·         I-V（电流-电压）曲线[5]——这里，对之前处于RESET状态到其高电阻状态的DUT施加的电压从低到高进行扫描（如图4所示）。在存在负载电阻的情况下，从高电阻态到低电阻态进行的这种动态转换将产生一条RI特征曲线，其中带有回折（snapback），即负电阻区域。回折本身并不是PCM或者PCM测试的特征，而是R负载技术的副作用，人们很久以前就采用这种技术来获取RI和I-V曲线。