相變存儲(chǔ)器：基本原理與測(cè)量技術(shù)

相變存儲(chǔ)器(可縮略表示為PCM、PRAM或PCRAM)是一種新興的非易失性計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器技術(shù)。它可能在將來(lái)代替閃存，因?yàn)樗粌H比閃存速度快得多，更容易縮小到較小尺寸，而且復(fù)原性更好，能夠?qū)崿F(xiàn)一億次以上的擦寫次數(shù)。本文將為您介紹相變存儲(chǔ)器的基本原理及其最新的測(cè)試技術(shù)。

何為PCM，它是如何工作的?

PCM存儲(chǔ)單元是一種極小的硫族合金顆粒，通過(guò)電脈沖的形式集中加熱的情況下，它能夠從有序的晶態(tài)(電阻低)快速轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序的非晶態(tài)(電阻高得多)。同樣的材料還廣泛用于各種可擦寫光學(xué)介質(zhì)的活性涂層，例如CD和DVD。從晶態(tài)到非晶態(tài)的反復(fù)轉(zhuǎn)換過(guò)程是由熔化和快速冷卻機(jī)制觸發(fā)的(或者一種稍慢的稱為再結(jié)晶的過(guò)程)。最有應(yīng)用前景的一種PCM材料是GST(鍺、銻和碲)，其熔點(diǎn)范圍為500º–600ºC。

這些合金材料的晶態(tài)和非晶態(tài)電阻率大小的差異能夠存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。高電阻的非晶態(tài)用于表示二進(jìn)制0;低電阻的晶態(tài)表示1。最新的PCM設(shè)計(jì)與材料能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同的值[1]，例如，具有16種晶態(tài)，而不僅僅是兩種狀態(tài)，每種狀態(tài)都具有不同的電氣特性。這使得單個(gè)存儲(chǔ)單元能夠表示多個(gè)比特，從而大大提高了存儲(chǔ)密度，這是目前閃存無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

非晶態(tài)與晶態(tài)

簡(jiǎn)單介紹非晶態(tài)與晶態(tài)之間的差異有助于我們搞清楚PCM器件的工作原理。

在非晶態(tài)下，GST材料具有短距離的原子能級(jí)和較低的自由電子密度，使得其具有較高的電阻率。由于這種狀態(tài)通常出現(xiàn)在RESET操作之后，我們一般稱其為RESET狀態(tài)，在RESET操作中DUT的溫度上升到略高于熔點(diǎn)溫度，然后突然對(duì)GST淬火將其冷卻。冷卻的速度對(duì)于非晶層的形成至關(guān)重要。非晶層的電阻通?？沙^(guò)1兆歐。

在晶態(tài)下，GST材料具有長(zhǎng)距離的原子能級(jí)和較高的自由電子密度，從而具有較低的電阻率。由于這種狀態(tài)通常出現(xiàn)在SET操作之后，我們一般稱其為SET狀態(tài)，在SET操作中，材料的溫度上升高于再結(jié)晶溫度但是低于熔點(diǎn)溫度，然后緩慢冷卻使得晶粒形成整層。晶態(tài)的電阻范圍通常從1千歐到10千歐。晶態(tài)是一種低能態(tài);因此，當(dāng)對(duì)非晶態(tài)下的材料加熱，溫度接近結(jié)晶溫度時(shí)，它就會(huì)自然地轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)。

PCM器件的結(jié)構(gòu)

圖1中的原理圖給出了一種典型GST PCM器件的結(jié)構(gòu)。一個(gè)電阻連接在GST層的下方。加熱/熔化過(guò)程只影響該電阻頂端周圍的一小片區(qū)域。擦除/RESET脈沖施加高電阻即邏輯0，在器件上形成一片非晶層區(qū)域。擦除/RESET脈沖比寫/SET脈沖要高、窄和陡峭。SET脈沖用于置邏輯1，使非晶層再結(jié)晶回到結(jié)晶態(tài)。

圖1. PCM器件的典型結(jié)構(gòu)

對(duì)PCM器件進(jìn)行特征分析的脈沖需求

我們必須仔細(xì)選擇所用RESET和SET脈沖的電壓和電流大小，以產(chǎn)生所需的熔化和再結(jié)晶過(guò)程。RESET脈沖應(yīng)該將溫度上升到恰好高于熔點(diǎn)，然后使材料迅速冷卻形成非晶態(tài)。SET脈沖應(yīng)該將溫度上升到恰好高于再結(jié)晶溫度但是低于熔點(diǎn)，然后通過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間冷卻它;因此，SET脈沖的脈寬和下降時(shí)間應(yīng)該比RESET脈沖長(zhǎng)。

1微秒左右的脈沖寬度通常就足夠了。這種長(zhǎng)度的脈沖將產(chǎn)生足夠的能量使PCM材料熔化或者再結(jié)晶。脈沖電壓應(yīng)該高達(dá)6V，要想達(dá)到熔化溫度則需要更高的電壓。電流大小范圍在0.3～3mA之間。

RESET脈沖的下降時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)[2]。PCM技術(shù)的狀態(tài)決定了所需的最小下降時(shí)間。目前，一般的需求是30～50納秒。更新的材料將需要更短的下降時(shí)間。如果脈沖的下降時(shí)間長(zhǎng)于所需的時(shí)間，那么材料可能無(wú)法有效淬火形成非晶態(tài)。

對(duì)PCM材料進(jìn)行特征分析的關(guān)鍵參數(shù)

開發(fā)新的PCM材料并優(yōu)化器件設(shè)計(jì)的能力在很大程度上取決于制造商對(duì)幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行特征分析的能力：

再結(jié)晶速率——目前的再結(jié)晶速率為幾十納秒的量級(jí)，但是它們可能很快會(huì)下降到幾納秒的量級(jí)。這將會(huì)縮短測(cè)量所需的時(shí)間，使其變得越來(lái)越緊張。

數(shù)據(jù)保持——如前所述，SET狀態(tài)是一種能量較低的狀態(tài)，PCM材料往往會(huì)自然地再結(jié)晶。結(jié)晶的速率與溫度有關(guān)。因此，數(shù)據(jù)保持時(shí)間可以定義為在某個(gè)最高溫度下，數(shù)據(jù)(即RESET狀態(tài))保持不變和穩(wěn)定的特定時(shí)間周期(通常為10年)。

反復(fù)耐久性——這個(gè)參數(shù)衡量的是一個(gè)存儲(chǔ)單元能被成功編程為0和1狀態(tài)的次數(shù)。簽名提到的具有多種額外獨(dú)特狀態(tài)的新型多態(tài)存儲(chǔ)單元能夠在一個(gè)單元中存儲(chǔ)更多信息，這種特性改變了反復(fù)耐久性的測(cè)試方法。

漂移——這個(gè)參數(shù)衡量的是存儲(chǔ)單元的電阻隨時(shí)間變化的大小，通常要在各種溫度下進(jìn)行測(cè)量。

讀出干擾——這個(gè)參數(shù)衡量的是“讀數(shù)”過(guò)程對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的影響情況。測(cè)量脈沖的電壓必須低于0.5V。過(guò)高的電壓會(huì)導(dǎo)致讀出干擾問(wèn)題。

電阻-電流(RI)曲線——RI曲線(如圖2所示)是PCM特征分析過(guò)程中最常用的參數(shù)之一。對(duì)DUT發(fā)送一個(gè)脈沖序列(如圖3所示)。首先是一個(gè)RESET脈沖，將DUT的電阻設(shè)置為較高的值。然后是一個(gè)直流讀(即MEASURE)脈沖，脈沖幅值通常為0.5V或者更低，以避免影響DUT的狀態(tài)。接下來(lái)是一個(gè)SET脈沖和另外一個(gè)MEASURE脈沖。整個(gè)脈沖序列重復(fù)多次，其中SET脈沖的幅值逐漸增加到RESET脈沖的值。在圖2中的RI曲線中，注意觀察SET或RESET脈沖之后測(cè)量到的電阻值。這些值對(duì)應(yīng)著SET脈沖的電流標(biāo)出。RESET值略高于1MΩ;根據(jù)SET電流大小的改變，SET電阻值的范圍從1兆歐到幾千歐不等。

圖2. 紅色的為RI曲線

圖3. 產(chǎn)生RI曲線的脈沖序列。

較高的紅色脈沖是RESET脈沖。較矮的紅色脈沖是SET脈沖。較矮的長(zhǎng)方形脈沖是電阻(R)測(cè)量。

圖4. I-V電流電壓掃描的例子 [3]

I-V(電流-電壓)曲線——這里，對(duì)之前處于RESET狀態(tài)到其高電阻狀態(tài)的DUT施加的電壓從低到高進(jìn)行掃描(如圖4所示)。在存在負(fù)載電阻的情況下，從高電阻態(tài)到低電阻態(tài)進(jìn)行的這種動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換將產(chǎn)生一條RI特征曲線，其中帶有回折(snapback)，即負(fù)電阻區(qū)域?；卣郾旧聿⒉皇荘CM或者PCM測(cè)試的特征，而是R負(fù)載技術(shù)的副作用，人們很久以前就采用這種技術(shù)來(lái)獲取RI和I-V曲線。

在標(biāo)準(zhǔn)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)，通過(guò)測(cè)量負(fù)載電阻上的電壓就可以測(cè)出流過(guò)DUT的電流。采用有源、高阻抗探針和示波器記錄負(fù)載電阻上的電壓。流過(guò)DUT的電流等于施加的電壓(VAPPLIED)減去器件上的電壓(VDEV)，再除以負(fù)載電阻。負(fù)載電阻的大小范圍通常從1千歐到3千歐。這種技術(shù)采用了一種折衷：如果負(fù)載電阻太高，RC效應(yīng)以及電壓在R負(fù)載和DUT上的分配將會(huì)限制這種技術(shù)的性能;但是，如果電阻值太小，它會(huì)影響電流的分辨率。

圖5. 標(biāo)準(zhǔn)R負(fù)載技術(shù)

最近，我們研究出了一種新的不需要負(fù)載電阻的限流技術(shù)。通過(guò)緊密控制電流源的大小，可以對(duì)于RI曲線中的低電流進(jìn)行更精確的特征分析。這種新技術(shù)(如圖6所示)能夠通過(guò)一次脈沖掃描同時(shí)獲得I-V和RI曲線，其中采用了高速脈沖源和測(cè)量?jī)x器，即雙通道的4225-PMU超快I-V模塊。這種新模塊能夠提供電壓源，同時(shí)以較高的精度測(cè)量電壓和電流響應(yīng)，上升和下降時(shí)間短至20ns。

去掉負(fù)載電阻也就消除了回折的副作用。4225-PMU模塊以及用于擴(kuò)展其靈敏度的4225-RPM遠(yuǎn)程放大器/開關(guān)(如圖7所示)可用于4200-SCS型半導(dǎo)體特征分析系統(tǒng)，其不僅具有對(duì)PCM器件進(jìn)行特征分析所必需的測(cè)量功能，而且能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試過(guò)程。

圖6. 采用4225-PMU的限流技術(shù)

圖7. 4225-PMU超快I-V模塊和兩個(gè)4225-RPM遠(yuǎn)程放大器/開關(guān)，適用于吉時(shí)利4200-SCS型特征分析系統(tǒng)

結(jié)語(yǔ)：

在業(yè)界尋求更可靠存儲(chǔ)器件時(shí)，在開發(fā)過(guò)程中能夠?qū)@些新器件進(jìn)行快速而精確的特征分析變得越來(lái)越重要。目前正在研發(fā)的新工具和技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)非常關(guān)鍵。要想了解有關(guān)這些新技術(shù)的更多詳情，歡迎觀看有關(guān)這一問(wèn)題的在線研討會(huì)：http://event.on24.com/r.htm?e=193529s=1k=CBC6739B04B4BFB61F1AD6145043D7A2

作者簡(jiǎn)介

Alex Pronin是吉時(shí)利儀器公司的資深應(yīng)用工程師、技術(shù)帶頭人。他Base在吉時(shí)利公司總部Cleveland. 他擁有MIPT(莫斯科物理技術(shù)學(xué)院)的物理學(xué)碩士文憑和Dartmouth的材料科學(xué)博士學(xué)位。

參考文獻(xiàn)

[1] T. Nirschl, J. B. Phipp, et al. (2007, Dec. 10-12). Write strategies for 2- and 4-bit multi-level phase-change memory. Presented at IEDM 2007. IEEE International. [Online]. Available: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=4418973

[2] D.-S. Suh, K. H. P. Kim, et al (2006, Dec. 11-13). Critical quenching speed determining phase of Ge2Sb2Te5 in phase-change memory. Presented at IEDM '06. IEEE International. [Online]. Available: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=4154328

[3]A. Pirovano, A. L. Lacaita, et al, “Low-field amorphous state resistance and threshold voltage drift in chalcogenide materials,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 51, no. 5, May 2004.