《相变存储器电性能测试方法》编制说明

相变存储器电性能测试方法

CSTM标准编制说明

一、目的和意义

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，被认为最有潜力成为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。

关于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剧，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。

二、工作简况

1任务来源

项目名称：相变存储器电性能测试方法

任务来源：2022年CSTM制修订计划，立项批准号：CSTMLX0000

01003-2022。

起草单位：华中科技大学、长江存储科技有限责任公司、中国计量科学研究

院、中国电子技术标准化研究院。

归口单位：CSTM

2编制和协作单位

华中科技大学是国家教育部直属重点综合性大学，由原华中理工大学、同济

医科大学、武汉城市建设学院于2000年5月26日合并成立，是国家“211工程”

1

重点建设和“985工程”建设高校之一，是首批“双一流”建设高校。

学校学科齐全、结构合理，基本构建起综合性、研究型大学的学科体系。拥

有哲学、经济学、法学、教育学、文学、理学、工学、医学、管理学、艺术学、

交叉学科等11大学科门类；设有112个本科专业，48个硕士学位授权一级学科，

46个博士学位授权一级学科，39个博士后科研流动站。现有一级学科国家重点

学科7个，二级学科国家重点学科15个（内科学、外科学按三级计），国家重

点（培育）学科7个。在教育部第四轮学科评估中，我校44个学科参评，全部

上榜，其中机械工程、光学工程、生物医学工程、公共卫生与预防医学等4个学

科进入A+，A类学科14个，B+及以上学科33个。9个学科入选国家第二轮“双

一流”建设学科名单。

学校实施“人才兴校”战略，师资力量雄厚。现有专任教师3700余人，其

中教授1400余人，副教授1400余人；教师中有院士19人，“973计划”项目

首席科学家15人，重大科学研究计划项目首席科学家2人，国家重点研发计划

项目首席科学家163人（其中包括国际合作科学家48人），国家级教学名师13

人，国家百千万人才工程入选者43人。国家自然科学基金创新研究群体11个，

教育部创新团队19个。

中国计量科学研究院（以下简称“中国计量院”）成立于1955年，隶属国家

市场监督管理总局，是国家最高的计量科学研究中心和国家级法定计量技术机

构，属社会公益型科研单位。建院以来，中国计量院瞄准国际计量科学前沿，在

国家经济建设、社会发展和科技进步中发挥了重要的支撑作用。中国计量院现有

国家计量基准128项，标准359项，有证标准物质1603项，国际计量局（BIPM）

公布的国际互认的校准和测量能力1574项，国际排名第三、亚洲排名第一。随

着技术能力的持续提升，中国计量院的服务水平不断增强。2018年，中国计量

院为社会提供30余万台/件仪器的量值传递与溯源服务。国家计量院作为国家最

高计量科学研究中心和国家级法定计量技术机构，担负着确保国家量值统一和国

际一致、保持国家最高测量能力、支撑国家发展质量提升、应对新技术革命挑战

等重要而光荣的使命。自1955年成立以来，国家计量院在推动我国科技创新、

经济社会发展和满足国家战略需求方面做出了重要贡献。

2

中国电子技术标准化研究院（工业和信息化部电子工业标准化研究院，工业

和信息化部电子第四研究院，简称“电子标准院”“电子四院”，又称“中国赛

西”），创建于1963年，是工业和信息化部直属事业单位，是国家从事电子信

息技术领域标准化的基础性、公益性、综合性研究机构。

电子标准院以工业和电子信息技术标准化工作为核心，通过开展标准科研、

试验检测、计量校准、认证评估、培训服务、产业研究等业务,面向政府提供政

策研究、行业管理和战略决策的专业支撑，面向企业和社会提供标准化技术服务。

电子标准院承担58个IEC、ISO/IECJTC1的TC/SC国内技术归口、14个全

国标准化技术委员会和24个全国标准化技术委员会分技术委员会秘书处的工作,

以及IEEE智能制造标准委员会秘书处工作，是国家智能制造标准化总体组组长

单位、国家人工智能标准化总体组组长单位、智能制造系统解决方案供应商联盟

秘书处单位，与多个国际标准化组织及国内外知名机构建立了合作关系，为标准

的应用推广、产业推动和国际交流合作发挥了重要的促进作用。

3工作过程

2021年10月，组建了标准起草工作组，由高校、检测、计量及生产企业和

应用企业的工作人员组成。标准起草工作组讨论了具体的工作过程、拟定了相应

的工作计划。经过讨论，标准的名称为《相变存储器电性能测试方法》，本标准

的制定是为了规定了一套明确的相变存储器电性能测试方法标准，对推进非易失

性相变存储器电性能测试方法标准化具有积极的意义。本标准的范围包含对非易

失性相变存储器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

包括耐久和数据保持时间。具体工作计划如下：

2021年11月-2022年5月：标准起草单位参加由华中科技大学主导的相变

存储器电性能测试的实验及草案的编制。

2022年5月，标准草案完成。

2022年7月，标准草案通过立项函审，CSTM标准委员会批准立项。

2022年9月，开展比对，回收数据，整理数据，形成征求意见稿。

2022年11月，根据比对结果及征求意见，并对征求意见稿进行修改，形成

3

标准送审稿。

2022年11月，计划召开本标准的审查会。

2022年12月，计划标准表决，报批，正式发布出版。

三、标准编制原则

标准中相应的部分依据的标准编号依据的标准名称

标准的结构GB/T1.1–2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》

国际单位ISO80000-1-2009《量和单位第1部分：总则》

“参考文献”的编写GB/T7714-2005《文后参考文献著录规则》

《半导体器件集成电路第2部分：数字集成电路》

GB/T17574和GB/T

术语《纳米技术晶圆级纳米尺度相变存储单元电学操作参数

33657

测试规范》

四、确定标准主要内容的论据

本方法是非易失性相变存储器电性能测试方法。具体原理如下：

用于相变存储单元电性能测试的仪器与组网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、变温探针台或者加热台。

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全面的控制和参数设定，具有很高的

灵活性和实用性。

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0.5μV；电流源输出范围不小于±100mA，测量分辨率1nA，具

备定制化编程功能。脉冲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

五、实验方法及结果分析

名称内容

试验目的相变存储器电性能测试

试验对象相变存储器

试验方法脉冲电测试

试验仪器脉冲电测量系统

试验中应注意的事项仪器的校准及精度

具体实验部分见“相变存储器电性能测试”正文部分。

比对样品：参比样品属于trench型相变存储器单元，特征尺寸为1250nm。比

对样品共5组，每个比对实验室分别测试1组，分别编号为A1、A2、A3、A4和

A5。比对样品由主导实验室华中科技大学提供。

比对验证：标准编制工作组所在实验室作为主导实验室，组织了5家实验室

进行比对试验。比对实验室测试和处理的性能参数包括样品的电流-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、疲劳寿命、数据

保持时间等。样品重复测试5次，最终结果取5次测量结果的算术平均值。

比对结果分析：

比对参加单位的比对实验结果如表1-表5所示。

经计算，各家实验室测量结果的电学性能水平相近，各比对参加实验室的结

果均可接受。计算结果说明测量方法可靠、可操作，且普适性好，能保证测量方

法的一致性。

表1比对单位1（样品A1）实验结果

测试次数

测试项目测试参数12345平均值

Vth/V1.230.770.920.790.740.89

直流电流-电压测

试

Ith/μA2.10.51.10.90.30.98

5

RH/kΩ150.83152.63157.11157.36150.98153.782

存储窗口测试RL/kΩ4.433.994.344.442.864.012

W34.04738.25336.235.44152.7938.3305

复位电压测试VRESET/V2.252.252.252.302.302.27

复位时间测试tRESET/ns181818181818

置位电压测试VSET/V1.01.01.01.01.051.01

置位时间测试tSET/ns504304404204204324

PSET/pJ3.341.992.571.291.482.13

功耗测试

PRESET/pJ20.5622.8320.9921.4433.2923.82

疲劳寿命测试N1E51E61E51E51E52.8E5

数据保持时间测

tretention85/s2.4E43.4E44.6E42.1E43.4E43.2E4

试

表2比对单位2（样品A2）实验结果

测试次数

测试项目测试参数12345平均值

Vth/V0.630.480.560.361.10.626

直流电流-电压测

试

Ith/μA0.50.40.50.30.90.52

6

143.1142.15150.72162.38138.7

RH/kΩ147.41

2.991.952.71.940.45

存储窗口测试RL/kΩ2.006

W47.8672.89755.82283.701308.2273.485

复位电压测试VRESET/V2.01.952.02.02.152.02

复位时间测试tRESET/ns181818181818

置位电压测试VSET/V1.01.01.050.950.70.94

置位时间测试tSET/ns254354204354204274

PSET/pJ1.772.491.491.960.721.64

功耗测试

PRESET/pJ24.0835.126.6637.11184.936.61

疲劳寿命测试N1.3E51E61E55E41E52.76E5

数据保持时间测

tretention85/s5.4E42.7E42.4E42.9E44.6E43.6E4

试

表3比对单位3（样品A3）实验结果

测试次数

测试项目测试参数12345平均值

Vth/V0.690.590.690.420.500.578

直流电流-电压

测试

Ith/μA0.60.20.70.40.40.46

7

130.83137.33138.82131.78160.94

RH/kΩ139.94

3.113.443.513.182.82

存储窗口测试RL/kΩ3.212

W42.06839.92239.5541.4457.07144.010013

复位电压测试VRESET/V2.052.052.052.12.12.07

复位时间测试tRESET/ns181818181818

置位电压测试VSET/V1.01.11.11.051.151.08

置位时间测试tSET/ns204154454154504294

PSET/pJ1.551.353.951.284.142.45

功耗测试

PRESET/pJ24.3221.9821.5524.9628.1424.01

疲劳寿命测试N3E52E51E52E42E41.28E5

数据保持时间

tretention851.6E43.5E45.1E41.4E43.1E42.9E4

测试

表4比对单位4（样品A4）实验结果

测试次数

测试项目测试参数12345平均值

Vth/V0.570.481.160.820.480.702

直流电流-电压

测试

Ith/μA0.50.410.40.50.56

8

142.59145.81157.69140.19130.26

RH/kΩ143.308

3.282.52.673.151.9

存储窗口测试RL/kΩ2.7

W43.4758.3259.0644.5068.5553.07

复位电压测试VRESET/V1.952.052.052.12.12.05

复位时间测试tRESET/ns181818181818

置位电压测试VSET/V1.01.11.11.051.151.08

置位时间测试tSET/ns154154154154154154

PSET/pJ1.081.271.181.211.561.25

功耗测试

PRESET/pJ20.8630.2528.3325.241.7728.01

疲劳寿命测试N2E42E43E43E47E43.4E4

数据保持时间

tretention85/s3.4E43.6E44.6E43.3E45.6E44.1E4

测试

表5比对单位5（样品A5）实验结果

测试次数

测试项目测试参数12345平均值

Vth/V0.550.670.410.560.790.596

直流电流-电压

测试

Ith/μA0.60.70.30.50.80.58

9

RH/kΩ110.2198.75132.22128.84133.9120.78

存储窗口测试RL/kΩ1.042.143.442.3322.19

W105.9746.1438.4355.2966.9562.55

复位电压测试VRESET/V2.12.12.152.152.22.14

复位时间测试tRESET/ns181818181818

置位电压测试VSET/V0.951.11.051.111.04

置位时间测试tSET/ns154154304154204194

PSET/pJ1.261.882.531.441.521.73

功耗测试

PRESET/pJ76.3237.0924.1835.7143.5637.64

疲劳寿命测试N4E55E53E53E51E53.2E5

数据保持时间

tretention85/s4.7E43.4E45.3E43.1E43.5E44E4

测试

比对单位与对应编号

比对单位编号比对单位

1华中科技大学

2华为技术有限公司

3长江先进存储产业创新中心有限责任公司

4武汉精测电子集团股份有限公司

5武汉嘉仪通科技有限公司

10

六、与国内、外同类标准水平对比情况

目前，国际/国内尚未发布有关测试相变存储器电性能的相关标准。

七、与有关的现行法律、法规和强制性标准的关系

本部分编制原则符合国家的有关法规法律，与强制性标准协调一致。

八、重大分歧意见的处理经过和依据

暂无。

九、贯彻标准的要求和措施建议

暂无。

十、废止现行有关标准的建议

暂无。

十一、其他应予说明的事项

暂无。

11

相变存储器电性能测试方法

Measurementofphasechangememoryelectricalperformance

编制说明

相变存储器电性能测试方法

CSTM标准编制工作组

2022年10月30日

编制说明

相变存储器电性能测试方法

CSTM标准编制说明

一、目的和意义

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，被认为最有潜力成为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。

关于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剧，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。

二、工作简况

1任务来源

项目名称：相变存储器电性能测试方法

任务来源：2022年CSTM制修订计划，立项批准号：CSTMLX0000

01003-2022。

起草单位：华中科技大学、长江存储科技有限责任公司、中国计量科学研究

院、中国电子技术标准化研究院。

归口单位：CSTM

2编制和协作单位

华中科技大学是国家教育部直属重点综合性大学，由原华中理工大学、同济

医科大学、武汉城市建设学院于2000年5月26日合并成立，是国家“211工程”

1

重点建设和“985工程”建设高校之一，是首批“双一流”建设高校。

学校学科齐全、结构合理，基本构建起综合性、研究型大学的学科体系。拥

有哲学、经济学、法学、教育学、文学、理学、工学、医学、管理学、艺术学、

交叉学科等11大学科门类；设有112个本科专业，48个硕士学位授权一级学科，

46个博士学位授权一级学科，39个博士后科研流动站。现有一级学科国家重点

学科7个，二级学科国家重点学科15个（内科学、外科学按三级计），国家重

点（培育）学科7个。在教育部第四轮学科评估中，我校44个学科参评，全部

上榜，其中机械工程、光学工程、生物医学工程、公共卫生与预防医学等4个学

科进入A+，A类学科14个，B+及以上学科33个。9个学科入选国家第二轮“双

一流”建设学科名单。

学校实施“人才兴校”战略，师资力量雄厚。现有专任教师3700余人，其

中教授1400余人，副教授1400余人；教师中有院士19人，“973计划”项目

首席科学家15人，重大科学研究计划项目首席科学家2人，国家重点研发计划

项目首席科学家163人（其中包括国际合作科学家48人），国家级教学名师13

人，国家百千万人才工程入选者43人。国家自然科学基金创新研究群体11个，

教育部创新团队19个。

中国计量科学研究院（以下简称“中国计量院”）成立于1955年，隶属国家

市场监