相變存儲器--非易失性計算機存儲器技術介紹

相變存儲器(可縮略表示為PCM、PRAM或PCRAM)是一種新興的非易失性計算機存儲器技術。它可能在將來代替閃存，因為它不僅比閃存速度快得多，更容易縮小到較小尺寸，而且復原性更好，能夠實現一億次以上的擦寫次數。本文將為您介紹相變存儲器的基本原理及其最新的測試技術。

　　何為PCM，它是如何工作的?

　　PCM存儲單元是一種極小的硫族合金顆粒，通過電脈沖的形式集中加熱的情況下，它能夠從有序的晶態(電阻低)快速轉變為無序的非晶態(電阻高得多)。同樣的材料還廣泛用于各種可擦寫光學介質的活性涂層，例如CD和DVD。從晶態到非晶態的反復轉換過程是由熔化和快速冷卻機制觸發的(或者一種稍慢的稱為再結晶的過程)。最有應用前景的一種PCM材料是GST(鍺、銻和碲)，其熔點范圍為500o–600oC。

　　這些合金材料的晶態和非晶態電阻率大小的差異能夠存儲二進制數據。高電阻的非晶態用于表示二進制0;低電阻的晶態表示1。最新的PCM設計與材料能夠實現多種不同的值，例如，具有16種晶態，而不僅僅是兩種狀態，每種狀態都具有不同的電氣特性。這使得單個存儲單元能夠表示多個比特，從而大大提高了存儲密度，這是目前閃存無法實現的。

　　非晶態與晶態

　　簡單介紹非晶態與晶態之間的差異有助于我們搞清楚PCM器件的工作原理。

　　在非晶態下，GST材料具有短距離的原子能級和較低的自由電子密度，使得其具有較高的電阻率。由于這種狀態通常出現在RESET操作之后，我們一般稱其為RESET狀態，在RESET操作中DUT的溫度上升到略高于熔點溫度，然后突然對GST淬火將其冷卻。冷卻的速度對于非晶層的形成至關重要。非晶層的電阻通常可超過1兆歐。

　　在晶態下，GST材料具有長距離的原子能級和較高的自由電子密度，從而具有較低的電阻率。由于這種狀態通常出現在SET操作之后，我們一般稱其為SET狀態，在SET操作中，材料的溫度上升高于再結晶溫度但是低于熔點溫度，然后緩慢冷卻使得晶粒形成整層。晶態的電阻范圍通常從1千歐到10千歐。晶態是一種低能態;因此，當對非晶態下的材料加熱，溫度接近結晶溫度時，它就會自然地轉變為晶態。

　　PCM器件的結構

　　圖1中的原理圖給出了一種典型GST PCM器件的結構。一個電阻連接在GST層的下方。加熱/熔化過程只影響該電阻頂端周圍的一小片區域。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，使非晶層再結晶回到結晶態。

　　圖1. PCM器件的典型結構

　　對PCM器件進行特征分析的脈沖需求

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

　　1微秒左右的脈沖寬度通常就足夠了。這種長度的脈沖將產生足夠的能量使PCM材料熔化或者再結晶。脈沖電壓應該高達6V，要想達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脈沖的下降時間是一個關鍵的參數。PCM技術的狀態決定了所需的最小下降時間。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間。如果脈沖的下降時間長于所需的時間，那么材料可能無法有效淬火形成非晶態。

　　對PCM材料進行特征分析的關鍵參數

　　開發新的PCM材料并優化器件設計的能力在很大程度上取決于制造商對幾個參數進行特征分析的能力：

　　·再結晶速率——目前的再結晶速率為幾十納秒的量級，但是它們可能很快會下降到幾納秒的量級。這將會縮短測量所需的時間，使其變得越來越緊張。

　　·數據保持——如前所述，SET狀態是一種能量較低的狀態，PCM材料往往會自然地再結晶。結晶的速率與溫度有關。因此，數據保持時間可以定義為在某個最高溫度下，數據(即RESET狀態)保持不變和穩定的特定時間周期(通常為10年)。

　　·反復耐久性——這個參數衡量的是一個存儲單元能被成功編程為0和1狀態的次數。簽名提到的具有多種額外獨特狀態的新型多態存儲單元能夠在一個單元中存儲更多信息，這種特性改變了反復耐久性的測試方法。

　　·漂移——這個參數衡量的是存儲單元的電阻隨時間變化的大小，通常要在各種溫度下進行測量。

　　·讀出干擾——這個參數衡量的是“讀數”過程對存儲數據的影響情況。測量脈沖的電壓必須低于0.5V。過高的電壓會導致讀出干擾問題。

　　·電阻-電流(RI)曲線——RI曲線(如圖2所示)是PCM特征分析過程中最常用的參數之一。對DUT發送一個脈沖序列(如圖3所示)。首先是一個RESET脈沖，將DUT的電阻設置為較高的值。然后是一個直流讀(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。接下來是一個SET脈沖和另外一個MEASURE脈沖。整個脈沖序列重復多次，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脈沖之后測量到的電阻值。這些值對應著SET脈沖的電流標出。RESET值略高于1MΩ;根據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