《相變存儲(chǔ)器電性能測(cè)試方法》征求意見稿

ICSXX.XXX.XX

CCSXXXX

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CSTMXXXXX—202X

相變存儲(chǔ)器電性能測(cè)試方法

Measurementmethodsforelectricalpropertiesofphasechangememory

202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實(shí)施

中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布

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前??言

本文件參照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》給出的

規(guī)則起草。

請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。

本文件由中國(guó)材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)基礎(chǔ)與共性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域委員會(huì)（CSTM/FC00）提出。

本文件由中國(guó)材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)基礎(chǔ)與共性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域委員會(huì)（CSTM/FC00）歸口。

II

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引言

相變存儲(chǔ)器因具備超高速、高集成度、低功耗等特點(diǎn)而受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，

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

關(guān)于相變存儲(chǔ)器的有效精準(zhǔn)測(cè)試是指導(dǎo)性能優(yōu)化的基礎(chǔ)，但目前國(guó)際國(guó)內(nèi)均無(wú)統(tǒng)一的相

變存儲(chǔ)器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。隨著近年來(lái)相變存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加劇，亟待建立一套明確的相變存儲(chǔ)

器電性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)器件優(yōu)化設(shè)計(jì)、上下游測(cè)試設(shè)備等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

本文件規(guī)定了一套明確的相變存儲(chǔ)器電性能測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)，分為器件性能測(cè)試和器件可

靠性測(cè)試，器件性能測(cè)試包括電流-電壓特性、存儲(chǔ)窗口、置位時(shí)間、置位電壓、復(fù)位時(shí)間、

復(fù)位電壓、功耗；器件可靠性測(cè)試包括疲勞壽命和數(shù)據(jù)保持時(shí)間，對(duì)相變存儲(chǔ)器的研究與應(yīng)

用至關(guān)重要，滿足眾多相變存儲(chǔ)器生產(chǎn)與應(yīng)用的迫切需求。

III

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相變存儲(chǔ)器電性能測(cè)試方法

1范圍

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

試，器件性能測(cè)試包括電流-電壓特性、存儲(chǔ)窗口、置位時(shí)間、置位電壓、復(fù)位時(shí)間、復(fù)位

電壓、功耗；器件可靠性測(cè)試包括疲勞壽命和數(shù)據(jù)保持時(shí)間。

本文件適用于相變存儲(chǔ)單元器件以及內(nèi)嵌上述存儲(chǔ)器的集成電路（以下簡(jiǎn)稱器件）。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)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(duì)應(yīng)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(dǎo)體器件集成電路第2部分：數(shù)字集成電路

GB/T33657-2017納米技術(shù)晶圓級(jí)納米尺度相變存儲(chǔ)單元電學(xué)操作參數(shù)測(cè)試規(guī)范

3術(shù)語(yǔ)和定義

GB/T17574和GB/T33657中界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

3.1置位set

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

[來(lái)源：GB/T17574-1998，1.2.21，有修改]

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

熔化溫度以下，并且保持一定的時(shí)間，使晶體成核生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)相變材料由非晶態(tài)向多晶態(tài)的

轉(zhuǎn)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)單元阻值降低，即置1操作。

3.2復(fù)位reset

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

[來(lái)源：GB/T17574-1998，1.2.22，有修改]

注：通常施加一個(gè)寬度較窄而幅度較高的電脈沖，電能轉(zhuǎn)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(jīng)過(guò)快速冷卻，使多晶的長(zhǎng)程有序排列遭到破壞，鎖定在短程

有序排列上，實(shí)現(xiàn)由多晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)單元阻值升高，即置0操作。

3.3讀操作read

讀取相變存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)狀態(tài)的操作。

注：指施加一個(gè)寬度適當(dāng)而幅度較小的電脈沖，通過(guò)測(cè)量相變單元的電阻值是高或低來(lái)

判斷其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，由于讀取時(shí)不能改變相變存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)，因此施加一個(gè)幅值較小的

電脈沖，使其產(chǎn)生的熱量不使相變材料的溫度上升到結(jié)晶溫度以上。

3.4直流電流—電壓特性DCcurrent-voltagecharacteristics

1

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通過(guò)相變存儲(chǔ)器件的直流電流與器件兩端直流電壓兩者之間的關(guān)系，用于表征相變存儲(chǔ)

器閾值開關(guān)行為。

3.5存儲(chǔ)窗口memorywindow

相變存儲(chǔ)器的高低阻態(tài)阻值之比。

3.6置位時(shí)間SET-time

使相變存儲(chǔ)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(chǔ)器件發(fā)生SET操作的最小脈沖幅值。

3.8復(fù)位時(shí)間RESET-time

使相變存儲(chǔ)器件發(fā)生RESET操作的最小脈沖寬度。

3.9復(fù)位電壓RESET-voltage

使相變存儲(chǔ)器件發(fā)生RESET操作的最小脈沖幅度。

3.10疲勞壽命endurance

對(duì)相變存儲(chǔ)器進(jìn)行反復(fù)復(fù)位置位，直到高低阻態(tài)之間的動(dòng)態(tài)范圍不能滿足正確的數(shù)據(jù)讀

取所經(jīng)過(guò)的復(fù)位置位循環(huán)數(shù)量。

3.11數(shù)據(jù)保持力dataretention

非易失性存儲(chǔ)器長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)的能力或時(shí)間。

注1：一般保持時(shí)間以保持10年來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)。

注2：主要是通過(guò)加速測(cè)試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)其可靠性。相變存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持力可以通

過(guò)高溫累積實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)Arrhenius模型，在高溫環(huán)境下，累積測(cè)試存儲(chǔ)單元的失效時(shí)

間，溫度與累積時(shí)間適合于Arrhenius方程，如公式（1）。

E

t=exp(a)（1）

kT

式中，t為數(shù)據(jù)保持時(shí)間，τ為比例時(shí)間常數(shù)，Ea是反應(yīng)活化能，kβ為玻爾茲曼常數(shù)，T

為熱力學(xué)絕對(duì)溫度。

3.12失效時(shí)間failuretime

相變單元從可以正常相態(tài)轉(zhuǎn)換到信息失效或者丟失所經(jīng)歷的時(shí)間。

注：一般通過(guò)非晶態(tài)電阻阻值的下降來(lái)測(cè)定失效時(shí)間，當(dāng)非晶態(tài)電阻阻值下降到與晶態(tài)

電阻阻值相差不大時(shí)，就意味著信息失效或丟失。

4儀器與組網(wǎng)

用于相變存儲(chǔ)單元電性能測(cè)試的儀器與組網(wǎng)如圖1所示，主要儀器包括源測(cè)量單元、信

號(hào)發(fā)生器、探針臺(tái)或者測(cè)試夾具、變溫探針臺(tái)或者加熱臺(tái)。

2

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圖1相變存儲(chǔ)單元測(cè)試儀器與組網(wǎng)

4.1源測(cè)量單元

源測(cè)量單元是本測(cè)試系統(tǒng)的核心部分，其主要用途是對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行直流掃描、電阻讀

出及其他操作。它能夠?yàn)橄嘧兇鎯?chǔ)單元提供I-V及脈沖相關(guān)的電特性測(cè)試。用戶可通過(guò)操作

界面對(duì)測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行全面的控制和參數(shù)設(shè)定，具有很高的靈活性和實(shí)用性。

測(cè)試相變存儲(chǔ)器所使用的源測(cè)量單元，其電壓源輸出范圍應(yīng)不小于±10V，電壓測(cè)量分

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

4.2信號(hào)發(fā)生器

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

操作脈沖。輸出電壓范圍在開路負(fù)載時(shí)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(guò)綜合性的半導(dǎo)體特性測(cè)試儀等設(shè)備提供上述信號(hào)發(fā)生器與源測(cè)量單元的測(cè)試

功能。

4.3探針臺(tái)

探針臺(tái)主要由樣品臺(tái)，探針，光學(xué)顯微鏡，真空泵等部分組成，主要功能是提供放置測(cè)

試用樣品(相變存儲(chǔ)器單元)的平臺(tái)并引入操作脈沖信號(hào)和測(cè)量信號(hào)施加到測(cè)試樣品上。探針

臺(tái)需具備以下特點(diǎn)：

1.具備氣墊防震系統(tǒng)，以降低外界因素對(duì)測(cè)量干擾，提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)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(jù)不同的

測(cè)試需要隨時(shí)更換配置，非常適合相變存儲(chǔ)器快速測(cè)試的需要。

4.4示波器

數(shù)字示波器及探頭技術(shù)參數(shù)需符合測(cè)試平臺(tái)的要求，對(duì)相變存儲(chǔ)器單元的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行

監(jiān)測(cè)。

5樣品

具有兩個(gè)外接引出端子的相變存儲(chǔ)單元器件或嵌入相變存儲(chǔ)器的集成電路。

6器件性能測(cè)試

6.1直流電流—電壓特性

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6.1.1測(cè)試原理圖

相變存儲(chǔ)器直流電流-電壓特性通過(guò)施加電流掃描，測(cè)試相變存儲(chǔ)器兩端電壓的方式。

電流掃描過(guò)程如圖2所示，所施加直流電流從0μA開始，以設(shè)定步長(zhǎng)遞增，并實(shí)時(shí)測(cè)量并記

錄兩端電壓，對(duì)于初始狀態(tài)為非晶態(tài)的相變單元，當(dāng)電流增大到特定值后，相變存儲(chǔ)單元發(fā)

生相轉(zhuǎn)變，相變單元兩端電壓發(fā)生突變；對(duì)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(diào)遞增的直線。

圖2相變存儲(chǔ)器直流電流掃描示意圖

6.1.2環(huán)境條件

以下條件應(yīng)在測(cè)試時(shí)明確給出并詳細(xì)記錄

——環(huán)境溫度25±3℃；

6.1.3測(cè)試步驟

1.在存儲(chǔ)器陣列中選擇器件單元作為測(cè)試對(duì)象。

2.將待測(cè)對(duì)象接入圖1所示的測(cè)試系統(tǒng)中。

3.使用源測(cè)量單元對(duì)相變存儲(chǔ)單元的電阻值進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中使用直流電壓輸出，

測(cè)量回路電流的方法，過(guò)程中應(yīng)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(shí)相變單元電阻值。

4.施加復(fù)位脈沖對(duì)選擇的器件單元進(jìn)行RESET操作，使其處于高阻狀態(tài)，復(fù)位脈沖電

壓應(yīng)不超過(guò)10V，脈沖上升/下降沿不大于10ns。

5.直流電流掃描過(guò)程如圖2所示，其中初始電流和終止電流可根據(jù)待測(cè)樣品適當(dāng)調(diào)節(jié)，

通常設(shè)置為0~500μA，步長(zhǎng)為1μA。

6.最后由源測(cè)量單元進(jìn)行數(shù)據(jù)分析取得初始態(tài)為非晶態(tài)的I-V曲線A。

7.重復(fù)步驟5和6，得到晶態(tài)的I-V曲線B。

6.1.4結(jié)果記錄

測(cè)試結(jié)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。

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圖3相變存儲(chǔ)器直流電流-電壓特性示意圖

6.2存儲(chǔ)窗口

6.2.1環(huán)境條件

以下條件應(yīng)在測(cè)試時(shí)明確給出并詳細(xì)記錄

——環(huán)境溫度25±3℃。

6.2.2測(cè)試步驟：

1.在存儲(chǔ)器陣列中選擇器件單元作為測(cè)試對(duì)象。

2.將待測(cè)對(duì)象接入圖1所示的測(cè)試系統(tǒng)中。

3.對(duì)選擇的器件單元進(jìn)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(shè)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(jìn)逐漸增

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

存儲(chǔ)器單元，建議所施加的脈沖電壓幅值不超過(guò)10V。

5.根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)畫出電壓-電阻曲線，如圖4所示。其中，當(dāng)阻值變化到較高阻值區(qū)間

且不再明顯變化時(shí)，視為到達(dá)高阻態(tài)區(qū)域。

6.對(duì)圖4中的曲線進(jìn)行分段線性擬合，選取其中低阻向高阻跳變后連續(xù)5個(gè)點(diǎn)平均值作

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

下公式（2）計(jì)算得到存儲(chǔ)窗口W。

W=RH/RL（2）

6.2.3結(jié)果記錄

記錄如圖4所示的測(cè)試曲線及根據(jù)公式計(jì)算得到的相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)窗口W。

5

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圖4相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)窗口測(cè)試結(jié)果示意圖

6.3置位時(shí)間

6.3.1測(cè)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(chǔ)單元上，在每個(gè)脈沖作用后讀取電阻值，當(dāng)相變存儲(chǔ)單元由高阻態(tài)轉(zhuǎn)為低阻態(tài)時(shí)，所

對(duì)應(yīng)的脈沖寬度即為該幅值下的置位脈沖寬度。

圖5相變存儲(chǔ)器置位時(shí)間測(cè)試原理圖

6.3.2環(huán)境條件

以下條件應(yīng)在測(cè)試時(shí)明確給出并詳細(xì)記錄

——環(huán)境溫度25±3℃；

6.3.3測(cè)試步驟

1.在存儲(chǔ)器陣列中選擇器件單元作為測(cè)試對(duì)象。

2.將待測(cè)對(duì)象接入圖1所示的測(cè)試系統(tǒng)中。

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

4.設(shè)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(jìn)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(chǔ)器單元發(fā)生電阻的狀

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

6.對(duì)圖6中曲線進(jìn)行分段線性擬合，轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)時(shí)交點(diǎn)位置所對(duì)應(yīng)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(shí)間，記為tSET。

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6.3.4結(jié)果記錄

記錄如圖6所示的測(cè)試曲線及相變存儲(chǔ)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(guān)系曲線

6.4置位電壓

6.4.1測(cè)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(chǔ)單元上，在每個(gè)脈沖作用后讀取電阻值，當(dāng)相變存儲(chǔ)單元由高阻態(tài)轉(zhuǎn)為低阻態(tài)時(shí)，所

對(duì)應(yīng)的脈沖幅值即為該脈寬下的置位脈沖電壓。

圖7相變存儲(chǔ)器置位電壓測(cè)試原理圖

6.4.2環(huán)境條件

以下條件應(yīng)在測(cè)試時(shí)明確給出并詳細(xì)記錄

——環(huán)境溫度25±3℃；

6.4.3測(cè)試步驟：

1.在存儲(chǔ)器陣列中選擇器件單元作為測(cè)試對(duì)象。

2.將待測(cè)對(duì)象接入圖1所示的測(cè)試系統(tǒng)中。

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

4.設(shè)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(jìn)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(chǔ)器單元發(fā)生電阻的狀態(tài)切換，需適當(dāng)增大幅值

調(diào)節(jié)范圍）。測(cè)試記錄每次施加脈沖后器件電阻的數(shù)值和變化。

6.對(duì)圖8中曲線進(jìn)行分段線性擬合，轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)時(shí)交點(diǎn)位置所對(duì)應(yīng)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(jié)果記錄

記錄如圖8所示的測(cè)試曲線及相變存儲(chǔ)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(guān)系曲線

6.5復(fù)位時(shí)間

6.5.1測(cè)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(chǔ)

單元上，在每個(gè)脈沖作用后讀取電阻值，當(dāng)相變存儲(chǔ)單元由低阻態(tài)轉(zhuǎn)為高阻態(tài)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的

脈沖寬度即為該幅值下的復(fù)位脈沖寬度。

圖9相變存儲(chǔ)器復(fù)位時(shí)間測(cè)試原理圖

6.5.2環(huán)境條件

以下條件應(yīng)在測(cè)試時(shí)明確給出并詳細(xì)記錄

——環(huán)境溫度25±3℃；

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6.5.3測(cè)試步驟：

1.在存儲(chǔ)器陣列中選擇器件單元作為測(cè)試對(duì)象。

2.將待測(cè)對(duì)象接入圖1所示的測(cè)試系統(tǒng)中。

3.對(duì)選擇的器件單元先進(jìn)行SET操作，使其處于低阻值即晶態(tài)。

4.設(shè)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(zhǎng)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(chǔ)器單元發(fā)生電阻的狀態(tài)切換，需適當(dāng)增大脈沖寬度調(diào)節(jié)范

圍），將脈沖作用于器件單元。測(cè)試記錄每次施加脈沖后器件電阻的數(shù)值和變化。

6.對(duì)圖10中曲線進(jìn)行分段線性擬合，轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)時(shí)交點(diǎn)位置所對(duì)應(yīng)的脈沖寬度就是

該恒定復(fù)位脈沖幅度下的最小有效復(fù)位時(shí)間，記為tRESET。

6.5.4結(jié)果記錄

記錄如圖10所示的測(cè)試曲線及相變存儲(chǔ)器復(fù)位時(shí)間tRESET。

圖10恒定幅值下單元阻值與復(fù)位脈沖寬度關(guān)系曲線

6.6復(fù)位電壓

6.6.1測(cè)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(chǔ)單元上，在每個(gè)脈沖作用后讀取電阻值，當(dāng)相變存儲(chǔ)單元由低阻態(tài)轉(zhuǎn)為高阻態(tài)時(shí)，所對(duì)

應(yīng)的脈沖幅值即為該脈寬下的復(fù)位脈沖電壓。

圖11相變存儲(chǔ)器復(fù)位電壓測(cè)試原理圖

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6.6.2環(huán)境條件

以下條件應(yīng)在測(cè)試時(shí)明確給出并詳細(xì)記錄

——環(huán)境溫度25±3℃；

6.6.3測(cè)試步驟：

1.在存儲(chǔ)器陣列中選擇器件單元作為測(cè)試對(duì)象。

2.將待測(cè)對(duì)象接入圖1所示的測(cè)試系統(tǒng)中。

3.對(duì)選擇的器件單元先進(jìn)行SET操作，使其處于低阻值即多晶態(tài)。

4.設(shè)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(zhǎng)增加到4V，將脈沖作用于器件單元。測(cè)試記

錄每次施加脈沖后器件電阻的數(shù)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(chǔ)器單元發(fā)生電阻的狀態(tài)切換，需適當(dāng)增大脈沖幅值調(diào)節(jié)范圍）。

6.對(duì)圖12中曲線進(jìn)行分段線性擬合，轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)時(shí)交點(diǎn)位置所對(duì)應(yīng)的脈沖幅度就是

該恒定復(fù)位脈沖寬度下的最小有效復(fù)位電壓，記為VRESET。

6.6.4結(jié)果記錄

記錄如圖12所示的測(cè)試曲線及相變存儲(chǔ)器復(fù)位電壓VRESET。

圖12恒定寬度下單元阻值與復(fù)位脈沖電壓關(guān)系曲線

6.7功耗

6.7.1測(cè)試原理

根據(jù)公式（3）計(jì)算得出功率。

P=U2/R×t（3）

6.7.2測(cè)試步驟

1.根據(jù)置位電壓和復(fù)位電壓測(cè)試方法，得到并記錄最小置位電壓和最小復(fù)位電壓器件

單元所對(duì)應(yīng)的電阻值。

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2.根據(jù)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(duì)應(yīng)的電阻值。

2

PSET=(VSET/R)×tSET（4）

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

對(duì)應(yīng)的電阻值。

2

PRESET=(VRESET/R)×tRESET（5）

7器件可靠性測(cè)試

7.1疲勞壽命

7.1.1測(cè)試原理圖

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

斷是否失效兩個(gè)階段。在抽樣周期階段，選擇合適的置位脈沖與復(fù)位脈沖對(duì)相變單元進(jìn)行置

位與復(fù)位操作，進(jìn)行一定次數(shù)置位與復(fù)位后，讀取相變單元電阻值，并進(jìn)行置位與復(fù)位，判

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

抽樣周期與讀取電阻判斷是否失效，直至相變存儲(chǔ)器無(wú)法繼續(xù)置位和復(fù)位。

圖13相變存儲(chǔ)器件疲勞壽命測(cè)試原理圖

7.1.2測(cè)試條件

室溫以下條件應(yīng)在測(cè)試時(shí)明確給出并詳細(xì)記錄

——環(huán)境溫度25±3℃；

——復(fù)位脈沖寬度。

——復(fù)位脈沖幅值。

——置位脈沖寬度。

——置位脈沖幅值。

7.1.3測(cè)試步驟

1.在存儲(chǔ)器陣列中選擇器件單元作為測(cè)試對(duì)象。

2.將待測(cè)對(duì)象接入圖1所示的測(cè)試系統(tǒng)中。

3.通過(guò)6.3—6.6測(cè)試，獲得相變存儲(chǔ)單元置位和復(fù)位操作的脈沖參數(shù)。利用脈沖發(fā)生器

依次產(chǎn)生SET和RESET操作脈沖，對(duì)單元進(jìn)行反復(fù)操作，每隔固定的復(fù)位置位次數(shù)后測(cè)試并

記錄器件對(duì)應(yīng)的高低阻值。

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4.器件在經(jīng)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(jīng)失效，此時(shí)其經(jīng)歷的SET和RESET操作次數(shù)N即為此器件的疲勞壽命Endurance。

7.1.4失效判據(jù)

當(dāng)存儲(chǔ)器的高低阻值之比小于10倍時(shí)視為失效。

7.2數(shù)據(jù)保持時(shí)間

7.2.1測(cè)試原理圖

在一定環(huán)境溫度下，相變存儲(chǔ)器阻值隨時(shí)間逐漸降低，最終導(dǎo)致失效，通過(guò)加速測(cè)試和

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可預(yù)測(cè)其可靠性。相變存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持力可以通過(guò)高溫加速實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)

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

Arrhenius方程，如公式（1）。

7.2.2測(cè)試步驟：

1.選定合適的器件單元進(jìn)行RESET操作，使其處于高阻值狀態(tài)。

2.將樣品置于加熱臺(tái)上，將加熱臺(tái)快速升至100℃。

3.開始計(jì)時(shí)，同時(shí)多次測(cè)量薄膜樣品的電阻，繪制該溫度下樣品電阻隨時(shí)間的變化曲

線，樣品阻值降低至低于存儲(chǔ)窗口時(shí)該溫度下樣品的數(shù)據(jù)保持時(shí)間。

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

度下樣品電阻隨時(shí)間的變化曲線及數(shù)據(jù)保持時(shí)間，記錄數(shù)據(jù)如圖14所示。

5.繪制如圖15所示的失效時(shí)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(shí)間數(shù)據(jù)放入（t-1/T）坐標(biāo)系中，其中縱軸為時(shí)間，橫軸為溫度的倒數(shù)，擬

合為直線后，外推至橫坐標(biāo)85℃位置，對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)時(shí)間即為樣品的數(shù)據(jù)保持時(shí)間tretention85。

圖14非晶態(tài)阻值在不同溫度下隨時(shí)間變化示意圖

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圖15相變存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持時(shí)間示意圖

7.2.3失效判據(jù)

樣品阻值降低至低于存儲(chǔ)窗口時(shí)該溫度下樣品的數(shù)據(jù)保持時(shí)間。

8試驗(yàn)報(bào)告

試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括但不限于下列內(nèi)容：

a）識(shí)別樣品、實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)日期所需的全部資料；

b）引用標(biāo)準(zhǔn)；

c）結(jié)果及其表示；

d）使用的分析線；

e）測(cè)定中發(fā)現(xiàn)的異常現(xiàn)象；

f）對(duì)結(jié)果可能已產(chǎn)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(chǔ)器電性能測(cè)試實(shí)例

A.1樣品處理

測(cè)試前，升高探針臺(tái)，用鑷子將相變存儲(chǔ)單元取出，放置在探針臺(tái)上，建立探針與樣品

的良好接觸。

A.2儀器自檢

按照?qǐng)D1所示的設(shè)備組網(wǎng)圖搭建好電性能測(cè)試系統(tǒng)，并完成主要設(shè)備的自檢操作，確保

儀器可正常工作。

A.3性能測(cè)試過(guò)程

A.3.1讀取樣品電阻值，先對(duì)其進(jìn)行復(fù)位操作；

A.3.2在測(cè)試儀中開啟電流掃描，初始值和步長(zhǎng)分別設(shè)為0μA和1μA；

A.3.3在測(cè)試儀中得到其I-V曲線，完成直流電流-電壓特性測(cè)試；

A.3.4再對(duì)樣品進(jìn)行置位操作，使其處于低阻態(tài)；

A.3.5設(shè)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(cè)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(chǔ)窗口特

性測(cè)試；

A.3.7再對(duì)樣品進(jìn)行置位操作，使其處于低阻態(tài)；

A.3.8設(shè)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(cè)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(fù)位電壓特

性測(cè)試；

A.3.10再對(duì)樣品進(jìn)行置位操作，使其處于低阻態(tài)；

A.3.11設(shè)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(cè)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(fù)位時(shí)間特

性測(cè)試；

A.3.13再對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)位操作，使其處于高阻態(tài)；

A.3.14設(shè)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(cè)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(cè)試；

A.3.16再對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)位操作，使其處于高阻態(tài)；

A.3.17設(shè)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(cè)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(shí)間特

性測(cè)試；

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

14

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A.4可靠性測(cè)試過(guò)程

A.4.1根據(jù)A.3.8~A.3.19的測(cè)試，獲得復(fù)位置位較優(yōu)的脈沖參數(shù)，這里取復(fù)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(chǎn)生SET和RESET操作

脈沖，對(duì)單元進(jìn)行反復(fù)操作，每隔300次復(fù)位置位后測(cè)試并記錄器件對(duì)應(yīng)的高低阻值；

A.4.2直到器件在經(jīng)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(shí)停止，記錄此時(shí)其經(jīng)歷的SET和RESET操作次數(shù)，完成疲勞特性測(cè)試；

A.4.3將樣品放置在加熱臺(tái)上，將加熱臺(tái)升至85℃以上；

A.4.4開始計(jì)時(shí)，同時(shí)多次測(cè)量樣品的電阻，直至電阻降低至某一數(shù)值并且不再發(fā)生變化，

繪制該溫度下樣品電阻隨時(shí)間的變化曲線；

A.4.5改變溫度，重復(fù)上一步驟，獲得不同溫度下樣品電阻隨時(shí)間的變化曲線，完成數(shù)據(jù)保

持時(shí)間測(cè)試；

A.4.6最后將樣品放回，關(guān)閉光源，降下探針臺(tái)。

A.5數(shù)據(jù)處理

A.5.1圖A.1是通過(guò)步驟A.3.3得到的I-V特性曲線，標(biāo)出其相態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)即其閾值，當(dāng)電壓達(dá)到

0.642V時(shí)，相變存儲(chǔ)單元從非晶體轉(zhuǎn)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(guò)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(jì)算存儲(chǔ)窗口W。

圖A.2相變存儲(chǔ)單元電阻隨脈沖幅值變化曲線

15

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A.5.3圖A.3是通過(guò)步驟A.3.9得到的40ns脈沖寬度下單元阻值與復(fù)位脈沖幅值關(guān)系曲線，

從結(jié)果可以看到，在電壓脈沖幅值約為3.6V時(shí)，存儲(chǔ)單元由多晶態(tài)(低阻)轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)的最小有效復(fù)位脈沖電壓VRESET。

圖A.340ns寬度下單元阻值與復(fù)位脈沖電壓關(guān)系曲線

A.5.4圖A.4是通過(guò)步驟A.3.12得到的5V脈沖幅值下單元阻值與復(fù)位脈沖寬度關(guān)系曲線，

從結(jié)果可以看到，在電壓脈沖寬度約為70ns時(shí)，存儲(chǔ)單元由多晶態(tài)(低阻)轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)的最小有效復(fù)位脈沖寬度tRESET。

圖A.4幅值為5V下單元阻值與復(fù)位脈沖寬度關(guān)系曲線

A.5.5圖A.5是通過(guò)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(guān)系曲

線，并進(jìn)行分段線性擬合。從結(jié)果可以看到，在電壓脈沖幅值約為0.5V時(shí)，存儲(chǔ)單元由非

晶態(tài)(高阻)轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)的最

小有效置位脈沖電壓VSET。

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圖A.5200ns寬度下單元阻值與置位脈沖電壓關(guān)系曲線

A.5.6圖A.6是通過(guò)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(guān)系曲線，

從結(jié)果可以看到，在電壓脈沖寬度約為85ns時(shí)，存儲(chǔ)單元由非晶態(tài)(高阻)轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)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(guān)系曲線

A.5.7圖A.7是通過(guò)步驟A.4.2得到的相變存儲(chǔ)器件復(fù)位置位次數(shù)測(cè)試結(jié)果示意圖，從結(jié)果

可以看出，在循環(huán)到5×104次數(shù)時(shí)，相變存儲(chǔ)單元的晶體電阻已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重偏離，表示存

儲(chǔ)單元已經(jīng)損壞，此時(shí)其經(jīng)歷的SET和RESET操作次數(shù)5×104即為此器件的復(fù)位置位次

數(shù)Nendurance。

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圖A.7相變存儲(chǔ)器件復(fù)位置位次數(shù)測(cè)試結(jié)果示意圖

A.5.8圖A.8是通過(guò)步驟A.4.5得到的不同溫度下樣品電阻隨時(shí)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(shí)間數(shù)據(jù)放入（t-1/T）坐標(biāo)系中，其

中縱軸為時(shí)間，橫軸為溫度的倒數(shù)，擬合為直線后，外推至橫坐標(biāo)85℃位置，算出對(duì)應(yīng)的

縱坐標(biāo)時(shí)間即為樣品的數(shù)據(jù)保持時(shí)間tretention85。

圖A.8非晶態(tài)阻值在不同溫度下隨時(shí)間變化示意圖

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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(xué)、長(zhǎng)江存儲(chǔ)科技有限責(zé)任公司、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、

中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院

本文件主要起草人：繆向水、何強(qiáng)、童浩、程曉敏、劉峻、李碩、李錕

19

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參考文獻(xiàn)

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

[2]何強(qiáng).多值相變存儲(chǔ)器編程策略及其可靠性研究[D].華中科技大學(xué),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(shù)語(yǔ)和定義.................................................................................................................................................1

4儀器與組網(wǎng).................................................................................................................................................2

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

6器件性能測(cè)試.............................................................................................................................................3

7器件可靠性測(cè)試.......................................................................................................................................11

8試驗(yàn)報(bào)告...................................................................................................................................................13

附錄A（資料性）相變存儲(chǔ)器電性能測(cè)試實(shí)例........................................................................................14

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

參考文獻(xiàn).......................................................................................................................................................20

I

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相變存儲(chǔ)器電性能測(cè)試方法

1范圍

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

試，器件性能測(cè)試包括電流-電壓特性、存儲(chǔ)窗口、置位時(shí)間、置位電壓、復(fù)位時(shí)間、復(fù)位

電壓、功耗；器件可靠性測(cè)試包括疲勞壽命和數(shù)據(jù)保持時(shí)間。

本文件適用于相變存儲(chǔ)單元器件以及內(nèi)嵌上述存儲(chǔ)器的集成電路（以下簡(jiǎn)稱器件）。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)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(duì)應(yīng)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(dǎo)體器件集成電路第2部分：數(shù)字集成電路

GB/T33657-2017納米技術(shù)晶圓級(jí)納米尺度相變存儲(chǔ)單元電學(xué)操作參數(shù)測(cè)試規(guī)范

3術(shù)語(yǔ)和定義

GB/T17574和GB/T33657中界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

3.1置位set

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

[來(lái)源：GB/T17574-1998，1.2.21，有修改]

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

熔化溫度以下，并且保持一定的時(shí)間，使晶體成核生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)相變材料由非晶態(tài)向多晶態(tài)的

轉(zhuǎn)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)單元阻值降低，即置1操作。

3.2復(fù)位reset

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

[來(lái)源：GB/T17574-1998，1.2.22，有修改]

注：通常施加一個(gè)寬度較窄而幅度較高的電脈沖，電能轉(zhuǎn)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(jīng)過(guò)快速冷卻，使多晶的長(zhǎng)程有序排列遭到破壞，鎖定在短程

有序排列上，實(shí)現(xiàn)由多晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)單元阻值升高，即置0操作。

3.3讀操作read

讀取相變存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)狀態(tài)的操作。

注：指施加一個(gè)寬度適當(dāng)而幅度較小的電脈沖，通過(guò)測(cè)量相變單元的電阻值是高或低來(lái)

判斷其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，由于讀取時(shí)不能改變相變存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)，因此施加一個(gè)幅值較小的

電脈沖，使其產(chǎn)生的熱量不使相變材料的溫度上升到結(jié)晶溫度以上。

3.4直流電流—電壓特性DCcurrent-voltagecharacteristics

1

T/CSTMXXXXX—202X

通過(guò)相變存儲(chǔ)器件的直流電流與器件兩端直流電壓兩者之間的關(guān)系，用于表征相變存儲(chǔ)

器閾值開關(guān)行為。

3.5存儲(chǔ)窗口memorywindow

相變存儲(chǔ)器的高低阻態(tài)阻值之比。

3.6置位時(shí)間SET-time

使相變存儲(chǔ)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(chǔ)器件發(fā)生SET操作的最小脈沖幅值。

3.8復(fù)位時(shí)間RESET-time

使相變存儲(chǔ)器件發(fā)生RESET操作的最小脈沖寬度。

3.9復(fù)位電壓RESET-voltage

使相變存儲(chǔ)器件發(fā)生RESET操作的最小脈沖幅度。

3.10疲勞壽命endurance

對(duì)相變存儲(chǔ)器進(jìn)行反復(fù)復(fù)位置位，直到高低阻態(tài)之間的動(dòng)態(tài)范圍不能滿足正確的數(shù)據(jù)讀

取所經(jīng)過(guò)的復(fù)位置位循環(huán)數(shù)量。

3.11數(shù)據(jù)保持力dataretention

非易失性存儲(chǔ)器長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)的能力或時(shí)間。

注1：一般保持時(shí)間以保持10年來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)。

注2：主要是通過(guò)加速測(cè)試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)其可靠性。相變存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持力可以通

過(guò)高溫累積實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)Arrhenius模型，在高溫環(huán)境下，累積測(cè)試存儲(chǔ)單元的失效時(shí)

間，溫度與累積時(shí)間適合于Arrhenius方程，如公式（1）。