相變存儲器（phase change memory），簡稱PCM，利用硫族化合物在晶態(tài)和非晶態(tài)巨大的導(dǎo)電性差異來存儲數(shù)據(jù)的。初次聽到"相變"這個詞，很多讀者朋友會感到比較陌生。其實，相（phase）是物理化學(xué)上的一個概念，它指的是物體的化學(xué)性質(zhì)完全相同，但是物理性質(zhì)發(fā)生變化的不同狀態(tài)。例如水有三種不同的狀態(tài)，水蒸氣（汽相），液態(tài)水（液相）以及固態(tài)水（固相）。物質(zhì)從一種相變成另外一種相的過程叫做‘相變’例如水從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。在很多物質(zhì)中相變不是大家想象的只有氣，液，固，三相那么簡單。例如我們這里介紹的相變存儲器就是利用特殊材料在晶態(tài)和非晶態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化時所表現(xiàn)出來的導(dǎo)電性差異來存儲數(shù)據(jù)的。所以我們稱之為相變存儲器。

　　何為PCM，它是如何工作的？

　　中文稱脈碼調(diào)制，由A.里弗斯于1937年提出的，這一概念為數(shù)字通信奠定了基礎(chǔ)，60年代它開始應(yīng)用于市內(nèi)電話網(wǎng)以擴充容量，使已有音頻電纜的大部分芯線的傳輸容量擴大24～48倍。到70年代中、末期，各國相繼把脈碼調(diào)制成功地應(yīng)用于同軸電纜通信、微波接力通信、衛(wèi)星通信和光纖通信等中、大容量傳輸系統(tǒng)。80年代初，脈碼調(diào)制已用于市話中繼傳輸和大容量干線傳輸以及數(shù)字程控交換機，并在用戶話機中采用。

　　脈沖編碼調(diào)制就是把一個時間連續(xù)，取值連續(xù)的模擬信號變換成時間離散，取值離散的數(shù)字信號后在信道中傳輸。脈沖編碼調(diào)制就是對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化，編碼的過程。抽樣，就是對模擬信號進行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號，抽樣必須遵循奈奎斯特抽樣定理。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復(fù)原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。抽樣速率采用8Kbit/s。量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用接近的電平值來表示，通常是用二進制表示。量化誤差：量化后的信號和抽樣信號的差值。量化誤差在接收端表現(xiàn)為噪聲，稱為量化噪聲。 量化級數(shù)越多誤差越小，相應(yīng)的二進制碼位數(shù)越多，要求傳輸速率越高，頻帶越寬。 為使量化噪聲盡可能小而所需碼位數(shù)又不太多，通常采用非均勻量化的方法進行量化。 非均勻量化根據(jù)幅度的不同區(qū)間來確定量化間隔，幅度小的區(qū)間量化間隔取得小，幅度大的區(qū)間量化間隔取得大。

　　這些合金材料的晶態(tài)和非晶態(tài)電阻率大小的差異能夠存儲二進制數(shù)據(jù)。高電阻的非晶態(tài)用于表示二進制0;低電阻的晶態(tài)表示1。的PCM設(shè)計與材料能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同的值。

　　非晶態(tài)與晶態(tài)

　　簡單介紹非晶態(tài)與晶態(tài)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(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，我們一般稱其為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。

　　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(jié)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。晶態(tài)是一種低能態(tài)。

　　PCM器件的結(jié)構(gòu)

　　在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中傳輸?shù)氖嵌M制光脈沖“0”碼和“1”碼，它由二進制數(shù)字信號對光源進行通斷調(diào)制而產(chǎn)生。而數(shù)字信號是對連續(xù)變化的模擬信號進行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生的，稱為PCM（pulsecodemodulation），即脈沖編碼調(diào)制。這種電的數(shù)字信號稱為數(shù)字基帶信號，由PCM電端機產(chǎn)生?，F(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)都是采用脈碼調(diào)制（PulseCodeModulation）體制。PCM初并非傳輸計算機數(shù)據(jù)用的，而是使交換機之間有一條中繼線不是只傳送一條電話信號。PCM有兩個標準（表現(xiàn)形式）即E1和T1。

　　圖1中的原理圖給出了一種典型GST PCM器件的結(jié)構(gòu)。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(qū)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(qū)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(jié)晶回到結(jié)晶態(tài)。

　　圖1. PCM器件的典型結(jié)構(gòu)

　　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(chǎn)生所需的熔化和再結(jié)晶過程。RESET脈沖應(yīng)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(tài)。SET脈沖應(yīng)該將溫度上升到恰好高于再結(jié)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(yīng)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(chǎn)生足夠的能量使PCM材料熔化或者再結(jié)晶。脈沖電壓應(yīng)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(guān)鍵的參數(shù)。PCM技術(shù)的狀態(tài)決定了所需的下降時間。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(tài)。

　　對PCM材料進行特征分析的關(guān)鍵參數(shù)

　　開發(fā)新的PCM材料并優(yōu)化器件設(shè)計的能力在很大程度上取決于制造商對幾個參數(shù)進行特征分析的能力：

　　·再結(jié)晶速率——目前的再結(jié)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(shù)據(jù)保持——如前所述，SET狀態(tài)是一種能量較低的狀態(tài)，PCM材料往往會自然地再結(jié)晶。結(jié)晶的速率與溫度有關(guān)。因此，數(shù)據(jù)保持時間可以定義為在某個溫度下，數(shù)據(jù)（即RESET狀態(tài)）保持不變和穩(wěn)定的特定時間周期（通常為10年）。

　　·反復(fù)耐久性——這個參數(shù)衡量的是一個存儲單元能被成功編程為0和1狀態(tài)的次數(shù)。簽名提到的具有多種額外獨特狀態(tài)的新型多態(tài)存儲單元能夠在一個單元中存儲更多信息。

　　·漂移——這個參數(shù)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(shù)衡量的是“讀數(shù)”過程對存儲數(shù)據(jù)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(dǎo)致讀出干擾問題。

　　·電阻-電流（RI）曲線——RI曲線（如圖2所示）是PCM特征分析過程中常用的參數(shù)之一。對DUT發(fā)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(shè)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(tài)。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(fù)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(yīng)著SET脈沖的電流標出。

　　圖2. 紅色的為RI曲線

　　圖3. 產(chǎn)生RI曲線的脈沖序列。

　　較高的紅色脈沖是RESET脈沖。較矮的紅色脈沖是SET脈沖。較矮的長方形脈沖是電阻（R）測量。

　　圖4. I-V電流電壓掃描的例子

　　·I-V（電流-電壓）曲線——這里，對之前處于RESET狀態(tài)到其高電阻狀態(tài)的DUT施加的電壓從低到高進行掃描（如圖4所示）。在存在負載電阻的情況下，從高電阻態(tài)到低電阻態(tài)進行的這種動態(tài)轉(zhuǎn)換將產(chǎn)生一條RI特征曲線，其中帶有回折（snapback），即負電阻區(qū)域。

　　在標準R負載測量技術(shù)中（如圖5所示），一個電阻與DUT串聯(lián)，通過測量負載電阻上的電壓就可以測出流過DUT的電流。采用有源、高阻抗探針和示波器記錄負載電阻上的電壓。流過DUT的電流等于施加的電壓（VAPPLIED）減去器件上的電壓（VDEV），再除以負載電阻。負載電阻的大小范圍通常從1千歐到3千歐。

　　圖5. 標準R負載技術(shù)

　　近，我們研究出了一種新的不需要負載電阻的限流技術(shù)。通過緊密控制電流源的大小，可以對于RI曲線中的低電流進行更的特征分析。這種新技術(shù)（如圖6所示）能夠通過脈沖掃描同時獲得I-V和RI曲線，其中采用了高速脈沖源和測量儀器，即雙通道的4225-PMU超快I-V模塊。這種新模塊能夠提供電壓源，同時以較高的測量電壓和電流響應(yīng)，上升和下降時間短至20ns。去掉負載電阻也就消除了回折的副作用。4225-PMU模塊以及用于擴展其靈敏度的4225-RPM遠程放大器/開關(guān)（如圖7所示）可用于4200-SCS型半導(dǎo)體特征分析系統(tǒng)。

　　圖6. 采用4225-PMU的限流技術(shù)

　　圖7. 4225-PMU超快I-V模塊和兩個4225-RPM遠程放大器/開關(guān)，適用于吉時利4200-SCS型特征分析系統(tǒng)。

　　結(jié)語：

　　在業(yè)界尋求更可靠存儲器件時，在開發(fā)過程中能夠?qū)@些新器件進行快速而的特征分析變得越來越重要。目前正在研發(fā)的新工具和技術(shù)對于實現(xiàn)這一目標非常關(guān)鍵。