什么是相變存儲器？如何表征相變材料及器件電學性能？

什么是相變？

相變，是指物質在外部參數(shù)（如溫度、壓力、磁場等）連續(xù)變化下，從一種物理狀態(tài)（相）轉變?yōu)榱硪环N物理狀態(tài)（相）的過程。比如，水的三態(tài)變化（氣相、液相、固相）就是物質相變的直觀展示。而就是這一我們看似普通的現(xiàn)象，背后所蘊藏的電氣變化規(guī)律卻偶然間帶動了一場存儲技術的革命，今天就讓我們一起了解什么是相變存儲器及其材料與器件的電學表征測試方案。

什么是相變存儲器？

第一個發(fā)現(xiàn)物質相變時會產生電氣特性變化的是被稱為“太陽能光伏之父”的斯坦福奧弗辛斯基。早在1968年，奧弗辛斯基（Stanford Ovshinsky）就發(fā)現(xiàn)某些玻璃在相變的時候存在可逆的電阻系數(shù)變化，并首次描述了基于相變理論的存儲器：材料由非晶體狀態(tài)變成晶體，再變回非晶體的過程中，其非晶體和晶體狀態(tài)呈現(xiàn)不同的光學特性和電阻特性，因此可以利用非晶態(tài)和晶態(tài)分別代表“0”和“1”來存儲數(shù)據，這一學說稱為奧弗辛斯基電子效應。

相變存儲器

相變存儲器（Phase-Change Random Access Memory，簡稱 PCRAM 或者PCM），是一種非易失性存儲器，利用電能(熱量)使相變材料在晶態(tài)(低阻)與非晶態(tài)(高阻)之間的相互轉換來實現(xiàn)信息的存儲和擦除，通過測量電阻的變化讀出信息。Intel 開發(fā)的相變存儲器使用硫屬化物，Numonyx 的相變存儲器則使用含鍺、銻、碲的合成材料，被稱為GST。無論選用哪種材料，相變存儲器均是利用材料晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉化后導電性的差異來存儲信息，而且 PCM 同時兼具 NOR Flash、NAND Flash、DRAM 或者 EEPROM 相關屬性，成為存儲器的主要發(fā)展方向。

在非晶態(tài)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(tài)通常出現(xiàn)在RESET操作之后，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溫度，然后突然對GST淬火將其冷卻。非晶層的電阻通常可超過1兆歐。在晶態(tài)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(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(tài)的電阻范圍通常從1千歐到10千歐。

PCM器件的典型結構由頂部電極、晶態(tài)GST、α/晶態(tài)GST、熱絕緣體、電阻（加熱器）、底部電極組成。

如何表征相變材料及器件電學性能？

相變存儲器需先進行初始化Forming。Forming可以理解為形成一個活躍區(qū)域，這是非晶態(tài)和晶態(tài)之間轉換的部分，上圖中半圓形狀表示這個活躍區(qū)域。測試連接框圖如下：

PCRAM的測試難點是找到Reset和Set合適的脈沖參數(shù)（幅度、上升下降速度、脈沖寬度），這通常是一個疊代的過程；注意Reset電壓是最大的，所以必須小心尋找合適的Reset電壓；尋找Reset電壓的方法，可以通過施加脈沖，并逐漸增大脈沖的幅值，每次施加脈沖后測試阻值，觀察阻值變化，當符合要求后立刻停止脈沖的施加，這時候找到Reset電壓值；重新加壓，觀察阻值變化，找到Set電壓值。

需要注意的是，PCRAM對脈沖的寬度和上升時間和下降時間都有要求，需要準確設定符合DUT的脈沖參數(shù)；典型的PCRAM波形如下：

使用4200A的PMU可以很容易的生成對應脈沖序列：

相變材料及器件電性能表征測試方案

4200A-SCS主機及Clarius軟件

兩個SMU + 兩個4200-PA前置放大器

一個PMU + 兩個RPM

方案優(yōu)勢

■?10fA小電流測試能力

■?Clarius軟件自帶相變Project，操作方便

■?半導體材料與器件測試領域普遍采用

■?內置PCRAM測試模塊，快速進行電學參數(shù)表征

審核編輯：黃飛