浅谈相变存储器--非易失性计算机存储器技术

　　相变存储器（phase change memory），简称PCM，利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据的。初次听到"相变"这个词，很多读者朋友会感到比较陌生。其实，相（phase）是物理化学上的一个概念，它指的是物体的化学性质完全相同，但是物理性质发生变化的不同状态。例如水有三种不同的状态，水蒸气（汽相），液态水（液相）以及固态水（固相）。物质从一种相变成另外一种相的过程叫做‘相变’例如水从液态转化为固态。在很多物质中相变不是大家想象的只有气，液，固，三相那么简单。例如我们这里介绍的相变存储器就是利用特殊材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性差异来存储数据的。所以我们称之为相变存储器。

　　何为PCM，它是如何工作的？

　　中文称脉码调制，由A.里弗斯于1937年提出的，这一概念为数字通信奠定了基础，60年代它开始应用于市内电话网以扩充容量，使已有音频电缆的大部分芯线的传输容量扩大24～48倍。到70年代中、末期，各国相继把脉码调制成功地应用于同轴电缆通信、微波接力通信、卫星通信和光纤通信等中、大容量传输系统。80年代初，脉码调制已用于市话中继传输和大容量干线传输以及数字程控交换机，并在用户话机中采用。

　　脉冲编码调制就是把一个时间连续，取值连续的模拟信号变换成时间离散，取值离散的数字信号后在信道中传输。脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化，编码的过程。抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号，抽样必须遵循奈奎斯特抽样定理。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。抽样速率采用8Kbit/s。量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用接近的电平值来表示，通常是用二进制表示。量化误差：量化后的信号和抽样信号的差值。量化误差在接收端表现为噪声，称为量化噪声。 量化级数越多误差越小，相应的二进制码位数越多，要求传输速率越高，频带越宽。 为使量化噪声尽可能小而所需码位数又不太多，通常采用非均匀量化的方法进行量化。 非均匀量化根据幅度的不同区间来确定量化间隔，幅度小的区间量化间隔取得小，幅度大的区间量化间隔取得大。

　　这些合金材料的晶态和非晶态电阻率大小的差异能够存储二进制数据。高电阻的非晶态用于表示二进制0;低电阻的晶态表示1。的PCM设计与材料能够实现多种不同的值。

　　非晶态与晶态

　　简单介绍非晶态与晶态之间的差异有助于我们搞清楚PCM器件的工作原理。

　　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，我们一般称其为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。

　　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。晶态是一种低能态。

　　PCM器件的结构

　　在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲“0”码和“1”码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulsecodemodulation），即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。现在的数字传输系统都是采用脉码调制（PulseCodeModulation）体制。PCM初并非传输计算机数据用的，而是使交换机之间有一条中继线不是只传送一条电话信号。PCM有两个标准（表现形式）即E1和T1。

　　图1中的原理图给出了一种典型GST PCM器件的结构。一个电阻连接在GST层的下方。加热/熔化过程只影响该电阻顶端周围的一小片区域。擦除/RESET脉冲施加高电阻即逻辑0，在器件上形成一片非晶层区域。擦除/RESET脉冲比写/SET脉冲要高、窄和陡峭。SET脉冲用于置逻辑1，使非晶层再结晶回到结晶态。

　　图1. PCM器件的典型结构

　　对PCM器件进行特征分析的脉冲需求

　　我们必须仔细选择所用RESET和SET脉冲的电压和电流大小，以产生所需的熔化和再结晶过程。RESET脉冲应该将温度上升到恰好高于熔点，然后使材料迅速冷却形成非晶态。SET脉冲应该将温度上升到恰好高于再结晶温度但是低于熔点，然后通过较长的时间冷却它；因此，SET脉冲的脉宽和下降时间应该比RESET脉冲长。

　　1微秒左右的脉冲宽度通常就足够了。这种长度的脉冲将产生足够的能量使PCM材料熔化或者再结晶。脉冲电压应该高达6V，要想达到熔化温度则需要更高的电压。电流大小范围在0.3～3mA之间。

　　RESET脉冲的下降时间是一个关键的参数。PCM技术的状态决定了所需的下降时间。目前，一般的需求是30～50纳秒。更新的材料将需要更短的下降时间。如果脉冲的下降时间长于所需的时间，那么材料可能无法有效淬火形成非晶态。

　　对PCM材料进行特征分析的关键参数

　　开发新的PCM材料并优化器件设计的能力在很大程度上取决于制造商对几个参数进行特征分析的能力：

　　·再结晶速率——目前的再结晶速率为几十纳秒的量级，但是它们可能很快会下降到几纳秒的量级。这将会缩短测量所需的时间，使其变得越来越紧张。

　　·数据保持——如前所述，SET状态是一种能量较低的状态，PCM材料往往会自然地再结晶。结晶的速率与温度有关。因此，数据保持时间可以定义为在某个温度下，数据（即RESET状态）保持不变和稳定的特定时间周期（通常为10年）。

　　·反复耐久性——这个参数衡量的是一个存储单元能被成功编程为0和1状态的次数。签名提到的具有多种额外独特状态的新型多态存储单元能够在一个单元中存储更多信息。

　　·漂移——这个参数衡量的是存储单元的电阻随时间变化的大小，通常要在各种温度下进行测量。

　　·读出干扰——这个参数衡量的是“读数”过程对存储数据的影响情况。测量脉冲的电压必须低于0.5V。过高的电压会导致读出干扰问题。

　　·电阻-电流（RI）曲线——RI曲线（如图2所示）是PCM特征分析过程中常用的参数之一。对DUT发送一个脉冲序列（如图3所示）。首先是一个RESET脉冲，将DUT的电阻设置为较高的值。然后是一个直流读（即MEASURE）脉冲，脉冲幅值通常为0.5V或者更低，以避免影响DUT的状态。接下来是一个SET脉冲和另外一个MEASURE脉冲。整个脉冲序列重复多次，其中SET脉冲的幅值逐渐增加到RESET脉冲的值。在图2中的RI曲线中，注意观察SET或RESET脉冲之后测量到的电阻值。这些值对应着SET脉冲的电流标出。

　　图2. 红色的为RI曲线

　　图3. 产生RI曲线的脉冲序列。

　　较高的红色脉冲是RESET脉冲。较矮的红色脉冲是SET脉冲。较矮的长方形脉冲是电阻（R）测量。

　　图4. I-V电流电压扫描的例子

　　·I-V（电流-电压）曲线——这里，对之前处于RESET状态到其高电阻状态的DUT施加的电压从低到高进行扫描（如图4所示）。在存在负载电阻的情况下，从高电阻态到低电阻态进行的这种动态转换将产生一条RI特征曲线，其中带有回折（snapback），即负电阻区域。

　　在标准R负载测量技术中（如图5所示），一个电阻与DUT串联，通过测量负载电阻上的电压就可以测出流过DUT的电流。采用有源、高阻抗探针和示波器记录负载电阻上的电压。流过DUT的电流等于施加的电压（VAPPLIED）减去器件上的电压（VDEV），再除以负载电阻。负载电阻的大小范围通常从1千欧到3千欧。

　　图5. 标准R负载技术

　　近，我们研究出了一种新的不需要负载电阻的限流技术。通过紧密控制电流源的大小，可以对于RI曲线中的低电流进行更的特征分析。这种新技术（如图6所示）能够通过脉冲扫描同时获得I-V和RI曲线，其中采用了高速脉冲源和测量仪器，即双通道的4225-PMU超快I-V模块。这种新模块能够提供电压源，同时以较高的测量电压和电流响应，上升和下降时间短至20ns。去掉负载电阻也就消除了回折的副作用。4225-PMU模块以及用于扩展其灵敏度的4225-RPM远程放大器/开关（如图7所示）可用于4200-SCS型半导体特征分析系统。

　　图6. 采用4225-PMU的限流技术

　　图7. 4225-PMU超快I-V模块和两个4225-RPM远程放大器/开关，适用于吉时利4200-SCS型特征分析系统。

　　结语：

　　在业界寻求更可靠存储器件时，在开发过程中能够对这些新器件进行快速而的特征分析变得越来越重要。目前正在研发的新工具和技术对于实现这一目标非常关键。