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相變存儲(chǔ)器(可縮略表示為PCM、PRAM或PCRAM)是一種新興的非易失性計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器技術(shù)。它可能在將來代替閃存，因?yàn)樗粌H比閃存速度快得多，更容易縮小到較小尺寸，而且復(fù)原性更好，能夠?qū)崿F(xiàn)一億次以上的擦寫次數(shù)。本文將為您介紹相變存儲(chǔ)器的基本原理及其最新的測(cè)試技術(shù)。
何為PCM，它是如何工作的?
PCM存儲(chǔ)單元是一種極小的硫族合金顆粒，通過電脈沖的形式集中加熱的情況下，它能夠從有序的晶態(tài)(電阻低)快速轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的非晶態(tài)(電阻高得多)。同樣的材料還廣泛用于各種可擦寫光學(xué)介質(zhì)的活性涂層，例如CD和DVD。從晶態(tài)到非晶態(tài)的反復(fù)轉(zhuǎn)換過程是由熔化和快速冷卻機(jī)制觸發(fā)的(或者一種稍慢的稱為再結(jié)晶的過程)。最有應(yīng)用前景的一種PCM材料是GST(鍺、銻和碲)，其熔點(diǎn)范圍為500o–600oC。
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(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。高電阻的非晶態(tài)用于表示二進(jìn)制0;低電阻的晶態(tài)表示1。最新的PCM設(shè)計(jì)與材料能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同的值，例如，具有16種晶態(tài)，而不僅僅是兩種狀態(tài)，每種狀態(tài)都具有不同的電氣特性。這使得單個(gè)存儲(chǔ)單元能夠表示多個(gè)比特，從而大大提高了存儲(chǔ)密度，這是目前閃存無法實(shí)現(xiàn)的。
非晶態(tài)與晶態(tài)
簡(jiǎn)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(jí)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(diǎn)溫度，然后突然對(duì)GST淬火將其冷卻。冷卻的速度對(duì)于非晶層的形成至關(guān)重要。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(zhǎng)距離的原子能級(jí)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(diǎn)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);因此，當(dāng)對(duì)非晶態(tài)下的材料加熱，溫度接近結(jié)晶溫度時(shí)，它就會(huì)自然地轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)。
PCM器件的結(jié)構(gòu)
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(gè)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(duì)PCM器件進(jìn)行特征分析的脈沖需求
我們必須仔細(xì)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(diǎn)，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(diǎn)，然后通過較長(zhǎng)的時(shí)間冷卻它;因此，SET脈沖的脈寬和下降時(shí)間應(yīng)該比RESET脈沖長(zhǎng)。
1微秒左右的脈沖寬度通常就足夠了。這種長(zhǎng)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(dá)6V，要想達(dá)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(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。PCM技術(shù)的狀態(tài)決定了所需的最小下降時(shí)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(shí)間。如果脈沖的下降時(shí)間長(zhǎng)于所需的時(shí)間，那么材料可能無法有效淬火形成非晶態(tài)。
來源：電子發(fā)燒友
