《相變存儲器電性能測試方法》征求意見稿

ICSXX.XXX.XX

CCSXXXX

團體標準

T/CSTMXXXXX—202X

相變存儲器電性能測試方法

Measurementmethodsforelectricalpropertiesofphasechangememory

202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實施

中關村材料試驗技術聯盟發(fā)布

T/CSTMXXXXX—202X

前??言

本文件參照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》給出的

規(guī)則起草。

請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。

本文件由中國材料與試驗團體標準委員會基礎與共性技術標準化領域委員會（CSTM/FC00）提出。

本文件由中國材料與試驗團體標準委員會基礎與共性技術標準化領域委員會（CSTM/FC00）歸口。

II

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引言

相變存儲器因具備超高速、高集成度、低功耗等特點而受到國內外研究者的廣泛關注，

被認為最有潛力成為下一代主流非易失性存儲器，正在以前所未有的速度向產業(yè)化方向發(fā)展。

關于相變存儲器的有效精準測試是指導性能優(yōu)化的基礎，但目前國際國內均無統(tǒng)一的相

變存儲器測試標準。隨著近年來相變存儲器產業(yè)化進程加劇，亟待建立一套明確的相變存儲

器電性能測試標準，以指導器件優(yōu)化設計、上下游測試設備等產業(yè)發(fā)展。

本文件規(guī)定了一套明確的相變存儲器電性能測試方法標準，分為器件性能測試和器件可

靠性測試，器件性能測試包括電流-電壓特性、存儲窗口、置位時間、置位電壓、復位時間、

復位電壓、功耗；器件可靠性測試包括疲勞壽命和數據保持時間，對相變存儲器的研究與應

用至關重要，滿足眾多相變存儲器生產與應用的迫切需求。

III

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相變存儲器電性能測試方法

1范圍

本文件規(guī)定了相變存儲單元器件的電性能測試方法，分為器件性能測試和器件可靠性測

試，器件性能測試包括電流-電壓特性、存儲窗口、置位時間、置位電壓、復位時間、復位

電壓、功耗；器件可靠性測試包括疲勞壽命和數據保持時間。

本文件適用于相變存儲單元器件以及內嵌上述存儲器的集成電路（以下簡稱器件）。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期

的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改單）適用于本文件。

GB/T17574-1998半導體器件集成電路第2部分：數字集成電路

GB/T33657-2017納米技術晶圓級納米尺度相變存儲單元電學操作參數測試規(guī)范

3術語和定義

GB/T17574和GB/T33657中界定的以及下列術語和定義適用于本文件。

3.1置位set

使相變存儲器件置入不表示零的規(guī)定狀態(tài)的置位（SET）操作。

[來源：GB/T17574-1998，1.2.21，有修改]

注：通常施加一個寬度較寬且幅度適中的電脈沖，使相變材料溫度升高到結晶溫度以上、

熔化溫度以下，并且保持一定的時間，使晶體成核生長，實現相變材料由非晶態(tài)向多晶態(tài)的

轉化，進而實現相變存儲單元阻值降低，即置1操作。

3.2復位reset

使相變存儲器件恢復到規(guī)定的不必一定表示零的初始狀態(tài)的復位（RESET）操作。

[來源：GB/T17574-1998，1.2.22，有修改]

注：通常施加一個寬度較窄而幅度較高的電脈沖，電能轉變成熱能,使相變材料溫度迅

速升高到熔化溫度以上，然后經過快速冷卻，使多晶的長程有序排列遭到破壞，鎖定在短程

有序排列上，實現由多晶態(tài)向非晶態(tài)的轉化，進而實現相變存儲單元阻值升高，即置0操作。

3.3讀操作read

讀取相變存儲單元存儲狀態(tài)的操作。

注：指施加一個寬度適當而幅度較小的電脈沖，通過測量相變單元的電阻值是高或低來

判斷其存儲的數據，由于讀取時不能改變相變存儲器單元的狀態(tài)，因此施加一個幅值較小的

電脈沖，使其產生的熱量不使相變材料的溫度上升到結晶溫度以上。

3.4直流電流—電壓特性DCcurrent-voltagecharacteristics

1

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通過相變存儲器件的直流電流與器件兩端直流電壓兩者之間的關系，用于表征相變存儲

器閾值開關行為。

3.5存儲窗口memorywindow

相變存儲器的高低阻態(tài)阻值之比。

3.6置位時間SET-time

使相變存儲器件發(fā)生SET操作的最小脈沖寬度。

3.7置位電壓SET-voltage

使相變存儲器件發(fā)生SET操作的最小脈沖幅值。

3.8復位時間RESET-time

使相變存儲器件發(fā)生RESET操作的最小脈沖寬度。

3.9復位電壓RESET-voltage

使相變存儲器件發(fā)生RESET操作的最小脈沖幅度。

3.10疲勞壽命endurance

對相變存儲器進行反復復位置位，直到高低阻態(tài)之間的動態(tài)范圍不能滿足正確的數據讀

取所經過的復位置位循環(huán)數量。

3.11數據保持力dataretention

非易失性存儲器長期保存數據的能力或時間。

注1：一般保持時間以保持10年來作為標準。

注2：主要是通過加速測試和數據統(tǒng)計預測其可靠性。相變存儲器的數據保持力可以通

過高溫累積實驗進行測量。根據Arrhenius模型，在高溫環(huán)境下，累積測試存儲單元的失效時

間，溫度與累積時間適合于Arrhenius方程，如公式（1）。

E

t=exp(a)（1）

kT

式中，t為數據保持時間，τ為比例時間常數，Ea是反應活化能，kβ為玻爾茲曼常數，T

為熱力學絕對溫度。

3.12失效時間failuretime

相變單元從可以正常相態(tài)轉換到信息失效或者丟失所經歷的時間。

注：一般通過非晶態(tài)電阻阻值的下降來測定失效時間，當非晶態(tài)電阻阻值下降到與晶態(tài)

電阻阻值相差不大時，就意味著信息失效或丟失。

4儀器與組網

用于相變存儲單元電性能測試的儀器與組網如圖1所示，主要儀器包括源測量單元、信

號發(fā)生器、探針臺或者測試夾具、變溫探針臺或者加熱臺。

2

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圖1相變存儲單元測試儀器與組網

4.1源測量單元

源測量單元是本測試系統(tǒng)的核心部分，其主要用途是對存儲單元進行直流掃描、電阻讀

出及其他操作。它能夠為相變存儲單元提供I-V及脈沖相關的電特性測試。用戶可通過操作

界面對測試項目進行全面的控制和參數設定，具有很高的靈活性和實用性。

測試相變存儲器所使用的源測量單元，其電壓源輸出范圍應不小于±10V，電壓測量分

辨率0.5μV；電流源輸出范圍不小于±100mA，測量分辨率1nA，具備客制化編程功能。

4.2信號發(fā)生器

脈沖發(fā)生器須V具備脈沖信號輸出能力，其主要用途是對相變存儲單元施加讀、寫、擦

操作脈沖。輸出電壓范圍在開路負載時不小于±10V，輸出脈沖最小寬度10ns，上升/下降沿

不大于10ns，支持自定義波形輸出功能。

也可通過綜合性的半導體特性測試儀等設備提供上述信號發(fā)生器與源測量單元的測試

功能。

4.3探針臺

探針臺主要由樣品臺，探針，光學顯微鏡，真空泵等部分組成，主要功能是提供放置測

試用樣品(相變存儲器單元)的平臺并引入操作脈沖信號和測量信號施加到測試樣品上。探針

臺需具備以下特點：

1.具備氣墊防震系統(tǒng)，以降低外界因素對測量干擾，提高測試結果的準確性和可信度。

2.具備射頻探針和直流探針，射頻電纜(40G)和SMA型高頻電纜(2G)，可以根據不同的

測試需要隨時更換配置，非常適合相變存儲器快速測試的需要。

4.4示波器

數字示波器及探頭技術參數需符合測試平臺的要求，對相變存儲器單元的動態(tài)過程進行

監(jiān)測。

5樣品

具有兩個外接引出端子的相變存儲單元器件或嵌入相變存儲器的集成電路。

6器件性能測試

6.1直流電流—電壓特性

3

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6.1.1測試原理圖

相變存儲器直流電流-電壓特性通過施加電流掃描，測試相變存儲器兩端電壓的方式。

電流掃描過程如圖2所示，所施加直流電流從0μA開始，以設定步長遞增，并實時測量并記

錄兩端電壓，對于初始狀態(tài)為非晶態(tài)的相變單元，當電流增大到特定值后，相變存儲單元發(fā)

生相轉變，相變單元兩端電壓發(fā)生突變；對于初始狀態(tài)為晶態(tài)的相變單元，直流I-V特性通

常為單調遞增的直線。

圖2相變存儲器直流電流掃描示意圖

6.1.2環(huán)境條件

以下條件應在測試時明確給出并詳細記錄

——環(huán)境溫度25±3℃；

6.1.3測試步驟

1.在存儲器陣列中選擇器件單元作為測試對象。

2.將待測對象接入圖1所示的測試系統(tǒng)中。

3.使用源測量單元對相變存儲單元的電阻值進行測量，測量過程中使用直流電壓輸出，

測量回路電流的方法，過程中應確保輸出電壓≤0.1V，以防止相變單元電阻發(fā)生改變，記

錄此時相變單元電阻值。

4.施加復位脈沖對選擇的器件單元進行RESET操作，使其處于高阻狀態(tài)，復位脈沖電

壓應不超過10V，脈沖上升/下降沿不大于10ns。

5.直流電流掃描過程如圖2所示，其中初始電流和終止電流可根據待測樣品適當調節(jié)，

通常設置為0~500μA，步長為1μA。

6.最后由源測量單元進行數據分析取得初始態(tài)為非晶態(tài)的I-V曲線A。

7.重復步驟5和6，得到晶態(tài)的I-V曲線B。

6.1.4結果記錄

測試結束后，得到如圖3所示的直流電流-電壓特性曲線，并記錄閾值電流Ith、閾值電壓

Vth及相變單元低阻態(tài)電阻值。

4

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圖3相變存儲器直流電流-電壓特性示意圖

6.2存儲窗口

6.2.1環(huán)境條件

以下條件應在測試時明確給出并詳細記錄

——環(huán)境溫度25±3℃。

6.2.2測試步驟：

1.在存儲器陣列中選擇器件單元作為測試對象。

2.將待測對象接入圖1所示的測試系統(tǒng)中。

3.對選擇的器件單元進行直流電流掃描，掃描范圍需大于其閾值電流，使樣品處于較

低的阻值狀態(tài)。

4.設置脈沖發(fā)生器輸出連續(xù)的方波脈沖，脈沖的電壓幅值從0V開始以0.2V步進逐漸增

加，將脈沖作用于器件單元。測試記錄每次施加脈沖后器件電阻的變化。對于納米尺度相變

存儲器單元，建議所施加的脈沖電壓幅值不超過10V。

5.根據測試數據畫出電壓-電阻曲線，如圖4所示。其中，當阻值變化到較高阻值區(qū)間

且不再明顯變化時，視為到達高阻態(tài)區(qū)域。

6.對圖4中的曲線進行分段線性擬合，選取其中低阻向高阻跳變后連續(xù)5個點平均值作

為存儲器的高阻值RH；類似地，在低阻態(tài)區(qū)域選取連續(xù)5個點平均值作為低阻值RL，按照以

下公式（2）計算得到存儲窗口W。

W=RH/RL（2）

6.2.3結果記錄

記錄如圖4所示的測試曲線及根據公式計算得到的相變存儲器存儲窗口W。

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圖4相變存儲器存儲窗口測試結果示意圖

6.3置位時間

6.3.1測試原理圖

如圖5所示，在某一固定置位幅值下逐漸增大脈沖的寬度，施加在初始態(tài)為非晶態(tài)的相

變存儲單元上，在每個脈沖作用后讀取電阻值，當相變存儲單元由高阻態(tài)轉為低阻態(tài)時，所

對應的脈沖寬度即為該幅值下的置位脈沖寬度。

圖5相變存儲器置位時間測試原理圖

6.3.2環(huán)境條件

以下條件應在測試時明確給出并詳細記錄

——環(huán)境溫度25±3℃；

6.3.3測試步驟

1.在存儲器陣列中選擇器件單元作為測試對象。

2.將待測對象接入圖1所示的測試系統(tǒng)中。

3.對選擇的器件單元先進行RESET操作，使其處于高阻值即非晶態(tài)。

4.設定脈沖發(fā)生器的初始電壓脈沖幅度為1V（不同規(guī)格適用的脈沖幅值不同，通常為

0.5V~2V）。

5.電壓脈沖的寬度從40ns逐漸增加到190ns，步進10ns，作用在樣品上將脈沖作用于

器件單元（不同規(guī)格適用的脈沖幅值不同，若該脈沖序列未使相變存儲器單元發(fā)生電阻的狀

態(tài)切換，需適當增大脈沖寬度）。測試記錄每次施加脈沖后器件阻值的數值和變化。

6.對圖6中曲線進行分段線性擬合，轉變?yōu)榈妥钁B(tài)時交點位置所對應的脈沖寬度就是該

恒定置位脈沖幅度下的最小有效置位時間，記為tSET。

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6.3.4結果記錄

記錄如圖6所示的測試曲線及相變存儲器置位脈寬tSET。

圖6恒定幅度下單元阻值與置位脈沖寬度關系曲線

6.4置位電壓

6.4.1測試原理

如圖7所示，在某一固定脈寬下逐漸提高脈沖的電壓幅值，施加在初始態(tài)為非晶態(tài)的相

變存儲單元上，在每個脈沖作用后讀取電阻值，當相變存儲單元由高阻態(tài)轉為低阻態(tài)時，所

對應的脈沖幅值即為該脈寬下的置位脈沖電壓。

圖7相變存儲器置位電壓測試原理圖

6.4.2環(huán)境條件

以下條件應在測試時明確給出并詳細記錄

——環(huán)境溫度25±3℃；

6.4.3測試步驟：

1.在存儲器陣列中選擇器件單元作為測試對象。

2.將待測對象接入圖1所示的測試系統(tǒng)中。

3.對選擇的器件單元先進行RESET操作，使其處于高阻值即非晶態(tài)。

4.設定脈沖發(fā)生器的初始電壓脈沖寬度為固定值200ns，上升/下降沿10ns（不同規(guī)格

適用的脈沖寬度不同，通常為50ns~500ns）。

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5.控制電壓幅值從0.1V逐漸增加到1.5V，步進0.1V，作用于器件單元（不同規(guī)格適用

的脈沖幅值不同，若該脈沖序列未使相變存儲器單元發(fā)生電阻的狀態(tài)切換，需適當增大幅值

調節(jié)范圍）。測試記錄每次施加脈沖后器件電阻的數值和變化。

6.對圖8中曲線進行分段線性擬合，轉變?yōu)榈妥钁B(tài)時交點位置所對應的脈沖幅度就是該

恒定置位脈沖寬度下的最小有效置位電壓，記為VSET。

6.4.4結果記錄

記錄如圖8所示的測試曲線及相變存儲器置位電壓VSET。

圖8恒定脈寬下單元阻值與置位脈沖電壓關系曲線

6.5復位時間

6.5.1測試原理：

如圖9所示，在某一固定幅值下逐漸增大脈沖的寬度，施加在初始態(tài)為晶態(tài)的相變存儲

單元上，在每個脈沖作用后讀取電阻值，當相變存儲單元由低阻態(tài)轉為高阻態(tài)時，所對應的

脈沖寬度即為該幅值下的復位脈沖寬度。

圖9相變存儲器復位時間測試原理圖

6.5.2環(huán)境條件

以下條件應在測試時明確給出并詳細記錄

——環(huán)境溫度25±3℃；

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6.5.3測試步驟：

1.在存儲器陣列中選擇器件單元作為測試對象。

2.將待測對象接入圖1所示的測試系統(tǒng)中。

3.對選擇的器件單元先進行SET操作，使其處于低阻值即晶態(tài)。

4.設定脈沖發(fā)生器的初始電壓脈沖幅度為3V（不同規(guī)格適用的脈沖幅值不同，通常為

1V~5V）。

5.電壓脈沖的寬度從10ns開始逐漸增加到100ns，步長5ns（不同規(guī)格適用的脈沖寬度

不同，若該脈沖序列未使相變存儲器單元發(fā)生電阻的狀態(tài)切換，需適當增大脈沖寬度調節(jié)范

圍），將脈沖作用于器件單元。測試記錄每次施加脈沖后器件電阻的數值和變化。

6.對圖10中曲線進行分段線性擬合，轉變?yōu)楦咦钁B(tài)時交點位置所對應的脈沖寬度就是

該恒定復位脈沖幅度下的最小有效復位時間，記為tRESET。

6.5.4結果記錄

記錄如圖10所示的測試曲線及相變存儲器復位時間tRESET。

圖10恒定幅值下單元阻值與復位脈沖寬度關系曲線

6.6復位電壓

6.6.1測試原理

如圖11所示，在某一固定脈寬下逐漸提高脈沖的電壓幅值，施加在初始態(tài)為晶態(tài)的相變

存儲單元上，在每個脈沖作用后讀取電阻值，當相變存儲單元由低阻態(tài)轉為高阻態(tài)時，所對

應的脈沖幅值即為該脈寬下的復位脈沖電壓。

圖11相變存儲器復位電壓測試原理圖

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6.6.2環(huán)境條件

以下條件應在測試時明確給出并詳細記錄

——環(huán)境溫度25±3℃；

6.6.3測試步驟：

1.在存儲器陣列中選擇器件單元作為測試對象。

2.將待測對象接入圖1所示的測試系統(tǒng)中。

3.對選擇的器件單元先進行SET操作，使其處于低阻值即多晶態(tài)。

4.設定脈沖發(fā)生器的初始電壓脈沖寬度為固定值40ns（不同規(guī)格適用的脈沖幅值不同，

通常為10ns~150ns）。

5.電壓脈沖的幅度從0V開始以0.2V步長增加到4V，將脈沖作用于器件單元。測試記

錄每次施加脈沖后器件電阻的數值和變化，（不同規(guī)格適用的脈沖幅值不同，若該脈沖序列

未使相變存儲器單元發(fā)生電阻的狀態(tài)切換，需適當增大脈沖幅值調節(jié)范圍）。

6.對圖12中曲線進行分段線性擬合，轉變?yōu)楦咦钁B(tài)時交點位置所對應的脈沖幅度就是

該恒定復位脈沖寬度下的最小有效復位電壓，記為VRESET。

6.6.4結果記錄

記錄如圖12所示的測試曲線及相變存儲器復位電壓VRESET。

圖12恒定寬度下單元阻值與復位脈沖電壓關系曲線

6.7功耗

6.7.1測試原理

根據公式（3）計算得出功率。

P=U2/R×t（3）

6.7.2測試步驟

1.根據置位電壓和復位電壓測試方法，得到并記錄最小置位電壓和最小復位電壓器件

單元所對應的電阻值。

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2.根據公式（4）得到置位功耗，其中VSET是最小置位電壓，R是器件單元在施加VSET

對應的電阻值。

2

PSET=(VSET/R)×tSET（4）

3.根據公式（5）得到復位功耗，其中VRESET是最小復位電壓，R是器件單元在施加VRESET

對應的電阻值。

2

PRESET=(VRESET/R)×tRESET（5）

7器件可靠性測試

7.1疲勞壽命

7.1.1測試原理圖

相變存儲器件疲勞壽命測試原理如圖13所示，每個測試循環(huán)分為抽樣周期和讀取電阻判

斷是否失效兩個階段。在抽樣周期階段，選擇合適的置位脈沖與復位脈沖對相變單元進行置

位與復位操作，進行一定次數置位與復位后，讀取相變單元電阻值，并進行置位與復位，判

斷功能是否正常，若此時相變單元仍可在脈沖作用后發(fā)生置位與復位操作，則循環(huán)重復以上

抽樣周期與讀取電阻判斷是否失效，直至相變存儲器無法繼續(xù)置位和復位。

圖13相變存儲器件疲勞壽命測試原理圖

7.1.2測試條件

室溫以下條件應在測試時明確給出并詳細記錄

——環(huán)境溫度25±3℃；

——復位脈沖寬度。

——復位脈沖幅值。

——置位脈沖寬度。

——置位脈沖幅值。

7.1.3測試步驟

1.在存儲器陣列中選擇器件單元作為測試對象。

2.將待測對象接入圖1所示的測試系統(tǒng)中。

3.通過6.3—6.6測試，獲得相變存儲單元置位和復位操作的脈沖參數。利用脈沖發(fā)生器

依次產生SET和RESET操作脈沖，對單元進行反復操作，每隔固定的復位置位次數后測試并

記錄器件對應的高低阻值。

11

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4.器件在經歷若干SET和RESET操作脈沖后，其高低阻值窗口已小于10，表明器件已

經失效，此時其經歷的SET和RESET操作次數N即為此器件的疲勞壽命Endurance。

7.1.4失效判據

當存儲器的高低阻值之比小于10倍時視為失效。

7.2數據保持時間

7.2.1測試原理圖

在一定環(huán)境溫度下，相變存儲器阻值隨時間逐漸降低，最終導致失效，通過加速測試和

數據統(tǒng)計可預測其可靠性。相變存儲器的數據保持力可以通過高溫加速實驗進行測量。根據

阿倫尼斯模型，在高溫環(huán)境下，累積測試存儲單元的失效時間，溫度與累積時間適合于

Arrhenius方程，如公式（1）。

7.2.2測試步驟：

1.選定合適的器件單元進行RESET操作，使其處于高阻值狀態(tài)。

2.將樣品置于加熱臺上，將加熱臺快速升至100℃。

3.開始計時，同時多次測量薄膜樣品的電阻，繪制該溫度下樣品電阻隨時間的變化曲

線，樣品阻值降低至低于存儲窗口時該溫度下樣品的數據保持時間。

4.改變加熱臺溫度設定為T1、T2、T3和T4（均高于85℃），重復步驟2，3，獲得不同溫

度下樣品電阻隨時間的變化曲線及數據保持時間，記錄數據如圖14所示。

5.繪制如圖15所示的失效時間擬合曲線，基于Arrhenius方程t=τexp(Ea/kβT)，將所得到

的溫度和失效時間數據放入（t-1/T）坐標系中，其中縱軸為時間，橫軸為溫度的倒數，擬

合為直線后，外推至橫坐標85℃位置，對應的縱坐標時間即為樣品的數據保持時間tretention85。

圖14非晶態(tài)阻值在不同溫度下隨時間變化示意圖

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圖15相變存儲器數據保持時間示意圖

7.2.3失效判據

樣品阻值降低至低于存儲窗口時該溫度下樣品的數據保持時間。

8試驗報告

試驗報告應包括但不限于下列內容：

a）識別樣品、實驗室和試驗日期所需的全部資料；

b）引用標準；

c）結果及其表示；

d）使用的分析線；

e）測定中發(fā)現的異?，F象；

f）對結果可能已產生影響的本文件中未作規(guī)定的各種操作或任選的操作。

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附錄A

（資料性）

相變存儲器電性能測試實例

A.1樣品處理

測試前，升高探針臺，用鑷子將相變存儲單元取出，放置在探針臺上，建立探針與樣品

的良好接觸。

A.2儀器自檢

按照圖1所示的設備組網圖搭建好電性能測試系統(tǒng)，并完成主要設備的自檢操作，確保

儀器可正常工作。

A.3性能測試過程

A.3.1讀取樣品電阻值，先對其進行復位操作；

A.3.2在測試儀中開啟電流掃描，初始值和步長分別設為0μA和1μA；

A.3.3在測試儀中得到其I-V曲線，完成直流電流-電壓特性測試；

A.3.4再對樣品進行置位操作，使其處于低阻態(tài)；

A.3.5設定脈沖發(fā)生器初始脈沖寬度為80ns，電壓幅值從0V逐漸增加到3V，作用在樣

品上；

A.3.6測試記錄每次施加脈沖后器件電阻的變化，并畫出電壓-電阻曲線，完成存儲窗口特

性測試；

A.3.7再對樣品進行置位操作，使其處于低阻態(tài)；

A.3.8設定脈沖發(fā)生器初始脈沖寬度為40ns，電壓幅值從0V逐漸增加到4V，作用在樣

品上；

A.3.9測試記錄每次施加脈沖后器件電阻的變化，并畫出電壓-電阻曲線，完成復位電壓特

性測試；

A.3.10再對樣品進行置位操作，使其處于低阻態(tài)；

A.3.11設定脈沖發(fā)生器初始脈沖幅度為5V，電壓脈寬從15ns逐漸增加到110ns，作用在

樣品上；

A.3.12測試記錄每次施加脈沖后器件電阻的變化，并畫出脈寬-電阻曲線，完成復位時間特

性測試；

A.3.13再對樣品進行復位操作，使其處于高阻態(tài)；

A.3.14設定脈沖發(fā)生器初始脈沖寬度為200ns，電壓幅值從0.1V逐漸增加到1.5V，作用

在樣品上；

A.3.15測試記錄每次施加脈沖后器件電阻的變化，并畫出電壓-電阻曲線，完成置位電壓特

性測試；

A.3.16再對樣品進行復位操作，使其處于高阻態(tài)；

A.3.17設定脈沖發(fā)生器初始脈沖幅度為1V，電壓脈寬從40ns逐漸增加到190ns，作用在

樣品上；

A.3.18測試記錄每次施加脈沖后器件電阻的變化，并畫出脈寬-電阻曲線，完成置位時間特

性測試；

A.3.29從以上步驟得到最小復位、置位電壓和脈寬，根據公式算出最小復位、置位功耗。

14

T/CSTMXXXXX—202X

A.4可靠性測試過程

A.4.1根據A.3.8~A.3.19的測試，獲得復位置位較優(yōu)的脈沖參數，這里取復位脈沖幅度5V，

脈寬60ns，置位脈沖幅度0.8V，寬度為300ns，脈沖發(fā)生器依次產生SET和RESET操作

脈沖，對單元進行反復操作，每隔300次復位置位后測試并記錄器件對應的高低阻值；

A.4.2直到器件在經歷若干SET和RESET操作脈沖后，其電阻不再發(fā)生高低阻值的交替變

化時停止，記錄此時其經歷的SET和RESET操作次數，完成疲勞特性測試；

A.4.3將樣品放置在加熱臺上，將加熱臺升至85℃以上；

A.4.4開始計時，同時多次測量樣品的電阻，直至電阻降低至某一數值并且不再發(fā)生變化，

繪制該溫度下樣品電阻隨時間的變化曲線；

A.4.5改變溫度，重復上一步驟，獲得不同溫度下樣品電阻隨時間的變化曲線，完成數據保

持時間測試；

A.4.6最后將樣品放回，關閉光源，降下探針臺。

A.5數據處理

A.5.1圖A.1是通過步驟A.3.3得到的I-V特性曲線，標出其相態(tài)轉換點即其閾值，當電壓達到

0.642V時，相變存儲單元從非晶體轉換為多晶態(tài)。

圖A.1樣品單元I-V特性曲線

A.5.2圖A.2是通過步驟A.3.6得到的電壓—電阻曲線，在高阻態(tài)區(qū)域選取器件的高阻值

RH，在低阻態(tài)區(qū)域選取低阻值RL，計算存儲窗口W。

圖A.2相變存儲單元電阻隨脈沖幅值變化曲線

15

T/CSTMXXXXX—202X

A.5.3圖A.3是通過步驟A.3.9得到的40ns脈沖寬度下單元阻值與復位脈沖幅值關系曲線，

從結果可以看到，在電壓脈沖幅值約為3.6V時，存儲單元由多晶態(tài)(低阻)轉換到非晶態(tài)(高

阻)，3.6V就是該樣品單元在40ns脈沖寬度條件下所對應的最小有效復位脈沖電壓VRESET。

圖A.340ns寬度下單元阻值與復位脈沖電壓關系曲線

A.5.4圖A.4是通過步驟A.3.12得到的5V脈沖幅值下單元阻值與復位脈沖寬度關系曲線，

從結果可以看到，在電壓脈沖寬度約為70ns時，存儲單元由多晶態(tài)(低阻)轉換到非晶態(tài)(高

阻)，70ns就是該樣品單元在5V脈沖幅度條件下所對應的最小有效復位脈沖寬度tRESET。

圖A.4幅值為5V下單元阻值與復位脈沖寬度關系曲線

A.5.5圖A.5是通過步驟A.3.14得到的200ns脈沖寬度下單元阻值與置位脈沖幅值關系曲

線，并進行分段線性擬合。從結果可以看到，在電壓脈沖幅值約為0.5V時，存儲單元由非

晶態(tài)(高阻)轉換到晶態(tài)(低阻)，0.5V就是該樣品單元在200ns脈沖寬度條件下所對應的最

小有效置位脈沖電壓VSET。

16

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圖A.5200ns寬度下單元阻值與置位脈沖電壓關系曲線

A.5.6圖A.6是通過步驟A.3.16得到的1V脈沖幅值下單元阻值與置位脈沖寬度關系曲線，

從結果可以看到，在電壓脈沖寬度約為85ns時，存儲單元由非晶態(tài)(高阻)轉換到多晶態(tài)(低

阻)，85ns就是該樣品單元在1V脈沖幅度條件下所對應的最小有效置位脈沖寬度tSET。

圖A.6幅值為1V下單元阻值與置位脈沖寬度關系曲線

A.5.7圖A.7是通過步驟A.4.2得到的相變存儲器件復位置位次數測試結果示意圖，從結果

可以看出，在循環(huán)到5×104次數時，相變存儲單元的晶體電阻已經發(fā)生嚴重偏離，表示存

儲單元已經損壞，此時其經歷的SET和RESET操作次數5×104即為此器件的復位置位次

數Nendurance。

17

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圖A.7相變存儲器件復位置位次數測試結果示意圖

A.5.8圖A.8是通過步驟A.4.5得到的不同溫度下樣品電阻隨時間的變化曲線，基于

Arrhenius方程t=τexp(Ea/kβT)，將所得到的溫度和失效時間數據放入（t-1/T）坐標系中，其

中縱軸為時間，橫軸為溫度的倒數，擬合為直線后，外推至橫坐標85℃位置，算出對應的

縱坐標時間即為樣品的數據保持時間tretention85。

圖A.8非晶態(tài)阻值在不同溫度下隨時間變化示意圖

18

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附錄B

（資料性）

起草單位和主要起草人

本文件起草單位：華中科技大學、長江存儲科技有限責任公司、中國計量科學研究院、

中國電子技術標準化研究院

本文件主要起草人：繆向水、何強、童浩、程曉敏、劉峻、李碩、李錕

19

T/CSTMXXXXX—202X

參考文獻

[1]瞿力文.相變存儲器測試方法及測試系統(tǒng)的研究[D].華中科技大學,2011.

[2]何強.多值相變存儲器編程策略及其可靠性研究[D].華中科技大學,2018.

20

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目錄

前言.......................................................................................................................................................II

引言.....................................................................................................................................................III

1范圍.............................................................................................................................................................1

2規(guī)范性引用文件.........................................................................................................................................1

3術語和定義.................................................................................................................................................1

4儀器與組網.................................................................................................................................................2

5樣品.............................................................................................................................................................3

6器件性能測試.............................................................................................................................................3

7器件可靠性測試.......................................................................................................................................11

8試驗報告...................................................................................................................................................13

附錄A（資料性）相變存儲器電性能測試實例........................................................................................14

附錄B（資料性）起草單位和主要起草人................................................................................................19

參考文獻.......................................................................................................................................................20

I

T/CSTMXXXXX—202X

相變存儲器電性能測試方法

1范圍

本文件規(guī)定了相變存儲單元器件的電性能測試方法，分為器件性能測試和器件可靠性測

試，器件性能測試包括電流-電壓特性、存儲窗口、置位時間、置位電壓、復位時間、復位

電壓、功耗；器件可靠性測試包括疲勞壽命和數據保持時間。

本文件適用于相變存儲單元器件以及內嵌上述存儲器的集成電路（以下簡稱器件）。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期

的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改單）適用于本文件。

GB/T17574-1998半導體器件集成電路第2部分：數字集成電路

GB/T33657-2017納米技術晶圓級納米尺度相變存儲單元電學操作參數測試規(guī)范

3術語和定義

GB/T17574和GB/T33657中界定的以及下列術語和定義適用于本文件。

3.1置位set

使相變存儲器件置入不表示零的規(guī)定狀態(tài)的置位（SET）操作。

[來源：GB/T17574-1998，1.2.21，有修改]

注：通常施加一個寬度較寬且幅度適中的電脈沖，使相變材料溫度升高到結晶溫度以上、

熔化溫度以下，并且保持一定的時間，使晶體成核生長，實現相變材料由非晶態(tài)向多晶態(tài)的

轉化，進而實現相變存儲單元阻值降低，即置1操作。

3.2復位reset

使相變存儲器件恢復到規(guī)定的不必一定表示零的初始狀態(tài)的復位（RESET）操作。

[來源：GB/T17574-1998，1.2.22，有修改]

注：通常施加一個寬度較窄而幅度較高的電脈沖，電能轉變成熱能,使相變材料溫度迅

速升高到熔化溫度以上，然后經過快速冷卻，使多晶的長程有序排列遭到破壞，鎖定在短程

有序排列上，實現由多晶態(tài)向非晶態(tài)的轉化，進而實現相變存儲單元阻值升高，即置0操作。

3.3讀操作read

讀取相變存儲單元存儲狀態(tài)的操作。

注：指施加一個寬度適當而幅度較小的電脈沖，通過測量相變單元的電阻值是高或低來

判斷其存儲的數據，由于讀取時不能改變相變存儲器單元的狀態(tài)，因此施加一個幅值較小的

電脈沖，使其產生的熱量不使相變材料的溫度上升到結晶溫度以上。

3.4直流電流—電壓特性DCcurrent-voltagecharacteristics

1

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通過相變存儲器件的直流電流與器件兩端直流電壓兩者之間的關系，用于表征相變存儲

器閾值開關行為。

3.5存儲窗口memorywindow

相變存儲器的高低阻態(tài)阻值之比。

3.6置位時間SET-time

使相變存儲器件發(fā)生SET操作的最小脈沖寬度。

3.7置位電壓SET-voltage

使相變存儲器件發(fā)生SET操作的最小脈沖幅值。

3.8復位時間RESET-time

使相變存儲器件發(fā)生RESET操作的最小脈沖寬度。

3.9復位電壓RESET-voltage

使相變存儲器件發(fā)生RESET操作的最小脈沖幅度。

3.10疲勞壽命endurance

對相變存儲器進行反復復位置位，直到高低阻態(tài)之間的動態(tài)范圍不能滿足正確的數據讀

取所經過的復位置位循環(huán)數量。

3.11數據保持力dataretention

非易失性存儲器長期保存數據的能力或時間。

注1：一般保持時間以保持10年來作為標準。

注2：主要是通過加速測試和數據統(tǒng)計預測其可靠性。相變存儲器的數據保持力可以通

過高溫累積實驗進行測量。根據Arrhenius模型，在高溫環(huán)境下，累積測試存儲單元的失效時

間，溫度與累積時間適合于Arrhenius方程，如公式（1）。