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(多图) 当前相变存储材料与器件的特性测量技术

Alex Pronin 吉时利仪器公司核心/高级应用工程师?? 2012年03月05日 ?? 收藏0
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
图1,典型的PCM器件结构

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。

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