什么是相变存储器？如何表征相变材料及器件电学性能？

什么是相变？

相变，是指物质在外部参数（如温度、压力、磁场等）连续变化下，从一种物理状态（相）转变为另一种物理状态（相）的过程。比如，水的三态变化（气相、液相、固相）就是物质相变的直观展示。而就是这一我们看似普通的现象，背后所蕴藏的电气变化规律却偶然间带动了一场存储技术的革命，今天就让我们一起了解什么是相变存储器及其材料与器件的电学表征测试方案。

什么是相变存储器？

第一个发现物质相变时会产生电气特性变化的是被称为“太阳能光伏之父”的斯坦福奥弗辛斯基。早在1968年，奥弗辛斯基（Stanford Ovshinsky）就发现某些玻璃在相变的时候存在可逆的电阻系数变化，并首次描述了基于相变理论的存储器：材料由非晶体状态变成晶体，再变回非晶体的过程中，其非晶体和晶体状态呈现不同的光学特性和电阻特性，因此可以利用非晶态和晶态分别代表“0”和“1”来存储数据，这一学说称为奥弗辛斯基电子效应。

相变存储器

相变存储器（Phase-Change Random Access Memory，简称 PCRAM 或者PCM），是一种非易失性存储器，利用电能(热量)使相变材料在晶态(低阻)与非晶态(高阻)之间的相互转换来实现信息的存储和擦除，通过测量电阻的变化读出信息。Intel 开发的相变存储器使用硫属化物，Numonyx 的相变存储器则使用含锗、锑、碲的合成材料，被称为GST。无论选用哪种材料，相变存储器均是利用材料晶态和非晶态之间转化后导电性的差异来存储信息，而且 PCM 同时兼具 NOR Flash、NAND Flash、DRAM 或者 EEPROM 相关属性，成为存储器的主要发展方向。

在非晶态下，GST材料具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，使得其具有较高的电阻率。由于这种状态通常出现在RESET操作之后，一般称其为RESET状态，在RESET操作中DUT的温度上升到略高于熔点温度，然后突然对GST淬火将其冷却。非晶层的电阻通常可超过1兆欧。在晶态下，GST材料具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度，从而具有较低的电阻率。由于这种状态通常出现在SET操作之后，我们一般称其为SET状态，在SET操作中，材料的温度上升高于再结晶温度但是低于熔点温度，然后缓慢冷却使得晶粒形成整层。晶态的电阻范围通常从1千欧到10千欧。

PCM器件的典型结构由顶部电极、晶态GST、α/晶态GST、热绝缘体、电阻（加热器）、底部电极组成。

如何表征相变材料及器件电学性能？

相变存储器需先进行初始化Forming。Forming可以理解为形成一个活跃区域，这是非晶态和晶态之间转换的部分，上图中半圆形状表示这个活跃区域。测试连接框图如下：

PCRAM的测试难点是找到Reset和Set合适的脉冲参数（幅度、上升下降速度、脉冲宽度），这通常是一个叠代的过程；注意Reset电压是最大的，所以必须小心寻找合适的Reset电压；寻找Reset电压的方法，可以通过施加脉冲，并逐渐增大脉冲的幅值，每次施加脉冲后测试阻值，观察阻值变化，当符合要求后立刻停止脉冲的施加，这时候找到Reset电压值；重新加压，观察阻值变化，找到Set电压值。

需要注意的是，PCRAM对脉冲的宽度和上升时间和下降时间都有要求，需要准确设定符合DUT的脉冲参数；典型的PCRAM波形如下：

使用4200A的PMU可以很容易的生成对应脉冲序列：

相变材料及器件电性能表征测试方案

4200A-SCS主机及Clarius软件

两个SMU + 两个4200-PA前置放大器

一个PMU + 两个RPM

方案优势

■ 10fA小电流测试能力

■ Clarius软件自带相变Project，操作方便

■ 半导体材料与器件测试领域普遍采用

■ 内置PCRAM测试模块，快速进行电学参数表征

审核编辑：黄飞