T/CSTM 01003-2023 相变存储器电性能测试方法

ICS31.200

CCSL56

团体标准

T/CSTM01003—2023

相变存储器电性能测试方法

Measurementmethodsforelectricalpropertiesofphasechangememory

2023-03-07发布2023-06-07实施

中关村材料试验技术联盟发布

T/CSTM01003—2023

目次

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

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

1范围................................................................................1

2规范性引用文件......................................................................1

3术语和定义..........................................................................1

4仪器与组网..........................................................................3

5样品................................................................................4

6环境条件............................................................................4

7器件性能............................................................................4

8器件可靠性.........................................................................11

9试验报告...........................................................................13

附录A（资料性）相变存储器电性能测试实例..............................................14

附录B（资料性）起草单位和主要起草人..................................................19

参考文献.............................................................................20

I

T/CSTM01003—2023

前言

本文件参照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规

定起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由中国材料与试验标准化委员会基础与共性技术标准化领域委员会（CSTM/FC00）提出。

本文件由中国材料与试验标准化委员会基础与共性技术标准化领域委员会（CSTM/FC00）归口。

II

T/CSTM01003—2023

引言

相变存储器因具备超高速、高集成度、低功耗等特点而受到国内外研究者的广泛关注，被认为是最

有潜力的下一代主流非易失性存储器，正在以前所未有的速度向产业化方向发展。

相变存储器的有效精准测试是指导性能优化的基础，但目前国际国内均无统一的相变存储器测试标

准。随着近年来相变存储器产业化进程加速，亟待建立一套明确的相变存储器电性能测试标准，以指导

器件优化设计、上下游测试设备等产业发展。

本文件规定了一套明确的相变存储器电性能测试方法标准，分为器件性能测试和器件可靠性测试，

器件性能测试包括电流-电压特性、存储窗口、置位时间、置位电压、复位时间、复位电压、功耗；器

件可靠性测试包括耐久性和数据保持时间，对相变存储器的研究与应用至关重要，满足众多相变存储器

生产与应用的迫切需求。

III

T/CSTM01003—2023

相变存储器电性能测试方法

1范围

本文件规定了相变存储单元器件的电性能测试方法，分为器件性能测试和器件可靠性测试，器件性

能测试包括电流-电压特性、存储窗口、置位时间、置位电压、复位时间、复位电压、功耗；器件可靠

性测试包括耐久性和数据保持时间。

本文件适用于相变存储单元器件（以下简称器件）。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T17574半导体器件集成电路第2部分：数字集成电路

GB/T33657纳米技术晶圆级纳米尺度相变存储单元电学操作参数测试规范

3术语和定义

GB/T17574和GB/T33657界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

置位set

通常施加一个宽度较宽且幅度适中的电脉冲，使相变材料温度升高到结晶温度以上、熔化温度以下，

并且保持一定的时间，使晶体成核生长，实现相变材料由非晶态向多晶态的转化，进而实现相变存储单

元阻值降低，即置1操作。使相变存储器件置入不表示零的规定状态的置位（SET）操作。

[来源：GB/T17574-1998，1.2.21，有修改]

3.2

复位reset

通常施加一个宽度较窄而幅度较高的电脉冲，电能转变成热能,使相变材料温度迅速升高到熔化温

度以上，然后经过快速冷却，使多晶的长程有序排列遭到破坏，锁定在短程有序排列上，实现由多晶态

向非晶态的转化，进而实现相变存储单元阻值升高，即置0操作。使相变存储器件恢复到规定的不必一

定表示零的初始状态的复位（RESET）操作。

[来源：GB/T17574-1998，1.2.22，有修改]

3.3

读操作read

1

T/CSTM01003—2023

指施加一个宽度适当而幅度较小的电脉冲，通过测量相变单元的电阻值是高或低来判断其存储的数

据，由于读取时不能改变相变存储器单元的状态，因此施加一个幅值较小的电脉冲，使其产生的热量不

使相变材料的温度上升到结晶温度以上。读取相变存储单元存储状态的操作。

3.4

直流电流—电压特性dccurrent-voltagecharacteristic

通过相变存储器件的直流电流与器件两端直流电压两者之间的关系，用于表征相变存储器阈值开关

行为。

3.5

存储窗口memorywindow

相变存储器的高低阻态阻值之比。

3.6

置位时间set-time

使相变存储器件发生SET操作的最小脉冲宽度。

3.7

置位电压set-voltage

使相变存储器件发生SET操作的最小脉冲幅值。

3.8

复位时间reset-time

使相变存储器件发生RESET操作的最小脉冲宽度。

3.9

复位电压reset-voltage

使相变存储器件发生RESET操作的最小脉冲幅值。

3.10

耐久性endurance

对相变存储器进行反复复位置位，直到高低阻态之间的动态范围不能满足正确的数据读取所经过的

复位置位循环数量。

3.11

数据保持力dataretention

非易失性存储器长期保存数据的能力。一般保持时间以85℃下保持10年来作为标准。主要是通过

加速测试和数据统计预测其可靠性。相变存储器的数据保持力可以通过高温累积实验进行测量。根据

2

T/CSTM01003—2023

Arrhenius模型，在高温环境下，累积测试存储单元的失效时间，温度与累积时间适合于Arrhenius方程，

如公式（1）。

E

t=exp(a)............................................................（1）

kTB

式中，t为数据保持时间，τ为比例时间常数，Ea是反应活化能，kB为玻尔兹曼常数，T为热力学绝对

温度。

3.12

失效时间failuretime

相变单元从正常相态转换到信息失效或者丢失所经历的时间。

注：一般通过非晶态电阻阻值的下降来测定失效时间，当非晶态电阻阻值到与晶态电阻阻值比值降

低到一定值时，就意味着信息失效或丢失。

4仪器与组网

4.1测试系统组成

用于相变存储单元电性能测试的仪器与组网如图1所示，主要仪器包括源测量单元、信号发生器、

探针台或者测试夹具和温度测试系统。整个测试系统需在校准有效期内。

图1相变存储单元测试系统组成

4.2源测量单元

4.2.1源测量单元是本测试系统的核心部分，其主要用途是对存储单元进行直流扫描、电阻读出及其他

操作。它能够为相变存储单元提供I-V及脉冲相关的电特性测试。用户可通过操作界面对测试项目进行

较为全面的控制和参数设定。

4.2.2测试相变存储器所使用的源测量单元，其电压源输出范围应不小于±10V，电压测量分辨率0.5

μV；电流源输出范围不小于±100mA，电流测量分辨率1nA，具备客制化编程功能。

4.3信号发生器

信号发生器须具备脉冲信号输出能力，其主要用途是对相变存储单元施加读、写、擦操作脉冲。输

出电压范围在开路负载时不小于±10V，输出脉冲最小宽度10ns，上升/下降沿不大于10ns，支持自定

义波形输出功能。也可通过综合性的半导体特性测试仪等设备提供上述信号发生器与源测量单元的测试

功能。

4.4探针台

3

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探针台主要由样品台，探针，光