《相变存储器电性能测试方法》征求意见稿

ICSXX.XXX.XX

CCSXXXX

团体标准

T/CSTMXXXXX—202X

相变存储器电性能测试方法

Measurementmethodsforelectricalpropertiesofphasechangememory

202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施

中关村材料试验技术联盟发布

T/CSTMXXXXX—202X

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》给出的

规则起草。

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团体标准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团体标准委员会基础与共性技术标准化领域委员会（CSTM/FC00）归口。

II

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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疲劳寿命和数据保持时间，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

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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疲劳寿命和数据保持时间。

本文件适用于相变存储单元器件以及内嵌上述存储器的集成电路（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/T17574-1998半导体器件集成电路第2部分：数字集成电路

GB/T33657-2017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中界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1置位set

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]

注：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。

3.2复位reset

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]

注：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。

3.3读操作read

读取相变存储单元存储状态的操作。

注：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。

3.4直流电流—电压特性DCcurrent-voltagecharacteristics

1

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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操作的最小脉冲幅度。

3.10疲劳寿命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或时间。

注1：一般保持时间以保持10年来作为标准。

注2：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）

kT

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，kβ为玻尔兹曼常数，T

为热力学绝对温度。

3.12失效时间failuretime

相变单元从可以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，当非晶态电阻阻值下降到与晶态

电阻阻值相差不大时，就意味着信息失效或丢失。

4仪器与组网

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、变温探针台或者加热台。

2

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图1相变存储单元测试仪器与组网

4.1源测量单元

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，具备客制化编程功能。

4.2信号发生器

脉冲发生器须V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。

4.3探针台

探针台主要由样品台，探针，光学显微镜，真空泵等部分组成，主要功能是提供放置测

试用样品(相变存储器单元)的平台并引入操作脉冲信号和测量信号施加到测试样品上。探针

台需具备以下特点：

1.具备气垫防震系统，以降低外界因素对测量干扰，提高测试结果的准确性和可信度。

2.具备射频探针和直流探针，射频电缆(40G)和SMA型高频电缆(2G)，可以根据不同的

测试需要随时更换配置，非常适合相变存储器快速测试的需要。

4.4示波器

数字示波器及探头技术参数需符合测试平台的要求，对相变存储器单元的动态过程进行

监测。

5样品

具有两个外接引出端子的相变存储单元器件或嵌入相变存储器的集成电路。

6器件性能测试

6.1直流电流—电压特性

3

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6.1.1测试原理图

相变存储器直流电流-电压特性通过施加电流扫描，测试相变存储器两端电压的方式。

电流扫描过程如图2所示，所施加直流电流从0μA开始，以设定步长递增，并实时测量并记

录两端电压，对于初始状态为非晶态的相变单元，当电流增大到特定值后，相变存储单元发

生相转变，相变单元两端电压发生突变；对于初始状态为晶态的相变单元，直流I-V特性通

常为单调递增的直线。

图2相变存储器直流电流扫描示意图

6.1.2环境条件

以下条件应在测试时明确给出并详细记录

——环境温度25±3℃；

6.1.3测试步骤

1.在存储器阵列中选择器件单元作为测试对象。

2.将待测对象接入图1所示的测试系统中。

3.使用源测量单元对相变存储单元的电阻值进行测量，测量过程中使用直流电压输出，

测量回路电流的方法，过程中应确保输出电压≤0.1V，以防止相变单元电阻发生改变，记

录此时相变单元电阻值。

4.施加复位脉冲对选择的器件单元进行RESET操作，使其处于高阻状态，复位脉冲电

压应不超过10V，脉冲上升/下降沿不大于10ns。

5.直流电流扫描过程如图2所示，其中初始电流和终止电流可根据待测样品适当调节，

通常设置为0~500μA，步长为1μA。

6.最后由源测量单元进行数据分析取得初始态为非晶态的I-V曲线A。

7.重复步骤5和6，得到晶态的I-V曲线B。

6.1.4结果记录

测试结束后，得到如图3所示的直流电流-电压特性曲线，并记录阈值电流Ith、阈值电压

Vth及相变单元低阻态电阻值。

4

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图3相变存储器直流电流-电压特性示意图

6.2存储窗口

6.2.1环境条件

以下条件应在测试时明确给出并详细记录

——环境温度25±3℃。

6.2.2测试步骤：

1.在存储器阵列中选择器件单元作为测试对象。

2.将待测对象接入图1所示的测试系统中。

3.对选择的器件单元进行直流电流扫描，扫描范围需大于其阈值电流，使样品处于较

低的阻值状态。

4.设置脉冲发生器输出连续的方波脉冲，脉冲的电压幅值从0V开始以0.2V步进逐渐增

加，将脉冲作用于器件单元。测试记录每次施加脉冲后器件电阻的变化。对于纳米尺度相变

存储器单元，建议所施加的脉冲电压幅值不超过10V。

5.根据测试数据画出电压-电阻曲线，如图4所示。其中，当阻值变化到较高阻值区间

且不再明显变化时，视为到达高阻态区域。

6.对图4中的曲线进行分段线性拟合，选取其中低阻向高阻跳变后连续5个点平均值作

为存储器的高阻值RH；类似地，在低阻态区域选取连续5个点平均值作为低阻值RL，按照以

下公式（2）计算得到存储窗口W。

W=RH/RL（2）

6.2.3结果记录

记录如图4所示的测试曲线及根据公式计算得到的相变存储器存储窗口W。

5

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图4相变存储器存储窗口测试结果示意图

6.3置位时间

6.3.1测试原理图

如图5所示，在某一固定置位幅值下逐渐增大脉冲的宽度，施加在初始态为非晶态的相

变存储单元上，在每个脉冲作用后读取电阻值，当相变存储单元由高阻态转为低阻态时，所

对应的脉冲宽度即为该幅值下的置位脉冲宽度。

图5相变存储器置位时间测试原理图

6.3.2环境条件

以下条件应在测试时明确给出并详细记录

——环境温度25±3℃；

6.3.3测试步骤

1.在存储器阵列中选择器件单元作为测试对象。

2.将待测对象接入图1所示的测试系统中。

3.对选择的器件单元先进行RESET操作，使其处于高阻值即非晶态。

4.设定脉冲发生器的初始电压脉冲幅度为1V（不同规格适用的脉冲幅值不同，通常为

0.5V~2V）。

5.电压脉冲的宽度从40ns逐渐增加到190ns，步进10ns，作用在样品上将脉冲作用于

器件单元（不同规格适用的脉冲幅值不同，若该脉冲序列未使相变存储器单元发生电阻的状

态切换，需适当增大脉冲宽度）。测试记录每次施加脉冲后器件阻值的数值和变化。

6.对图6中曲线进行分段线性拟合，转变为低阻态时交点位置所对应的脉冲宽度就是该

恒定置位脉冲幅度下的最小有效置位时间，记为tSET。

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6.3.4结果记录

记录如图6所示的测试曲线及相变存储器置位脉宽tSET。

图6恒定幅度下单元阻值与置位脉冲宽度关系曲线

6.4置位电压

6.4.1测试原理

如图7所示，在某一固定脉宽下逐渐提高脉冲的电压幅值，施加在初始态为非晶态的相

变存储单元上，在每个脉冲作用后读取电阻值，当相变存储单元由高阻态转为低阻态时，所

对应的脉冲幅值即为该脉宽下的置位脉冲电压。

图7相变存储器置位电压测试原理图

6.4.2环境条件

以下条件应在测试时明确给出并详细记录

——环境温度25±3℃；

6.4.3测试步骤：

1.在存储器阵列中选择器件单元作为测试对象。

2.将待测对象接入图1所示的测试系统中。

3.对选择的器件单元先进行RESET操作，使其处于高阻值即非晶态。

4.设定脉冲发生器的初始电压脉冲宽度为固定值200ns，上升/下降沿10ns（不同规格

适用的脉冲宽度不同，通常为50ns~500ns）。

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5.控制电压幅值从0.1V逐渐增加到1.5V，步进0.1V，作用于器件单元（不同规格适用

的脉冲幅值不同，若该脉冲序列未使相变存储器单元发生电阻的状态切换，需适当增大幅值

调节范围）。测试记录每次施加脉冲后器件电阻的数值和变化。

6.对图8中曲线进行分段线性拟合，转变为低阻态时交点位置所对应的脉冲幅度就是该

恒定置位脉冲宽度下的最小有效置位电压，记为VSET。

6.4.4结果记录

记录如图8所示的测试曲线及相变存储器置位电压VSET。

图8恒定脉宽下单元阻值与置位脉冲电压关系曲线

6.5复位时间

6.5.1测试原理：

如图9所示，在某一固定幅值下逐渐增大脉冲的宽度，施加在初始态为晶态的相变存储

单元上，在每个脉冲作用后读取电阻值，当相变存储单元由低阻态转为高阻态时，所对应的

脉冲宽度即为该幅值下的复位脉冲宽度。

图9相变存储器复位时间测试原理图

6.5.2环境条件

以下条件应在测试时明确给出并详细记录

——环境温度25±3℃；

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6.5.3测试步骤：

1.在存储器阵列中选择器件单元作为测试对象。

2.将待测对象接入图1所示的测试系统中。

3.对选择的器件单元先进行SET操作，使其处于低阻值即晶态。

4.设定脉冲发生器的初始电压脉冲幅度为3V（不同规格适用的脉冲幅值不同，通常为

1V~5V）。

5.电压脉冲的宽度从10ns开始逐渐增加到100ns，步长5ns（不同规格适用的脉冲宽度

不同，若该脉冲序列未使相变存储器单元发生电阻的状态切换，需适当增大脉冲宽度调节范

围），将脉冲作用于器件单元。测试记录每次施加脉冲后器件电阻的数值和变化。

6.对图10中曲线进行分段线性拟合，转变为高阻态时交点位置所对应的脉冲宽度就是

该恒定复位脉冲幅度下的最小有效复位时间，记为tRESET。

6.5.4结果记录

记录如图10所示的测试曲线及相变存储器复位时间tRESET。

图10恒定幅值下单元阻值与复位脉冲宽度关系曲线

6.6复位电压

6.6.1测试原理

如图11所示，在某一固定脉宽下逐渐提高脉冲的电压幅值，施加在初始态为晶态的相变

存储单元上，在每个脉冲作用后读取电阻值，当相变存储单元由低阻态转为高阻态时，所对

应的脉冲幅值即为该脉宽下的复位脉冲电压。

图11相变存储器复位电压测试原理图

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6.6.2环境条件

以下条件应在测试时明确给出并详细记录

——环境温度25±3℃；

6.6.3测试步骤：

1.在存储器阵列中选择器件单元作为测试对象。

2.将待测对象接入图1所示的测试系统中。

3.对选择的器件单元先进行SET操作，使其处于低阻值即多晶态。

4.设定脉冲发生器的初始电压脉冲宽度为固定值40ns（不同规格适用的脉冲幅值不同，

通常为10ns~150ns）。

5.电压脉冲的幅度从0V开始以0.2V步长增加到4V，将脉冲作用于器件单元。测试记

录每次施加脉冲后器件电阻的数值和变化，（不同规格适用的脉冲幅值不同，若该脉冲序列

未使相变存储器单元发生电阻的状态切换，需适当增大脉冲幅值调节范围）。

6.对图12中曲线进行分段线性拟合，转变为高阻态时交点位置所对应的脉冲幅度就是

该恒定复位脉冲宽度下的最小有效复位电压，记为VRESET。

6.6.4结果记录

记录如图12所示的测试曲线及相变存储器复位电压VRESET。

图12恒定宽度下单元阻值与复位脉冲电压关系曲线

6.7功耗

6.7.1测试原理

根据公式（3）计算得出功率。

P=U2/R×t（3）

6.7.2测试步骤

1.根据置位电压和复位电压测试方法，得到并记录最小置位电压和最小复位电压器件

单元所对应的电阻值。

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2.根据公式（4）得到置位功耗，其中VSET是最小置位电压，R是器件单元在施加VSET

对应的电阻值。

2

PSET=(VSET/R)×tSET（4）

3.根据公式（5）得到复位功耗，其中VRESET是最小复位电压，R是器件单元在施加VRESET

对应的电阻值。

2

PRESET=(VRESET/R)×tRESET（5）

7器件可靠性测试

7.1疲劳寿命

7.1.1测试原理图

相变存储器件疲劳寿命测试原理如图13所示，每个测试循环分为抽样周期和读取电阻判

断是否失效两个阶段。在抽样周期阶段，选择合适的置位脉冲与复位脉冲对相变单元进行置

位与复位操作，进行一定次数置位与复位后，读取相变单元电阻值，并进行置位与复位，判

断功能是否正常，若此时相变单元仍可在脉冲作用后发生置位与复位操作，则循环重复以上

抽样周期与读取电阻判断是否失效，直至相变存储器无法继续置位和复位。

图13相变存储器件疲劳寿命测试原理图

7.1.2测试条件

室温以下条件应在测试时明确给出并详细记录

——环境温度25±3℃；

——复位脉冲宽度。

——复位脉冲幅值。

——置位脉冲宽度。

——置位脉冲幅值。

7.1.3测试步骤

1.在存储器阵列中选择器件单元作为测试对象。

2.将待测对象接入图1所示的测试系统中。

3.通过6.3—6.6测试，获得相变存储单元置位和复位操作的脉冲参数。利用脉冲发生器

依次产生SET和RESET操作脉冲，对单元进行反复操作，每隔固定的复位置位次数后测试并

记录器件对应的高低阻值。

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4.器件在经历若干SET和RESET操作脉冲后，其高低阻值窗口已小于10，表明器件已

经失效，此时其经历的SET和RESET操作次数N即为此器件的疲劳寿命Endurance。

7.1.4失效判据

当存储器的高低阻值之比小于10倍时视为失效。

7.2数据保持时间

7.2.1测试原理图

在一定环境温度下，相变存储器阻值随时间逐渐降低，最终导致失效，通过加速测试和

数据统计可预测其可靠性。相变存储器的数据保持力可以通过高温加速实验进行测量。根据

阿伦尼斯模型，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）。

7.2.2测试步骤：

1.选定合适的器件单元进行RESET操作，使其处于高阻值状态。

2.将样品置于加热台上，将加热台快速升至100℃。

3.开始计时，同时多次测量薄膜样品的电阻，绘制该温度下样品电阻随时间的变化曲

线，样品阻值降低至低于存储窗口时该温度下样品的数据保持时间。

4.改变加热台温度设定为T1、T2、T3和T4（均高于85℃），重复步骤2，3，获得不同温

度下样品电阻随时间的变化曲线及数据保持时间，记录数据如图14所示。

5.绘制如图15所示的失效时间拟合曲线，基于Arrhenius方程t=τexp(Ea/kβT)，将所得到

的温度和失效时间数据放入（t-1/T）坐标系中，其中纵轴为时间，横轴为温度的倒数，拟

合为直线后，外推至横坐标85℃位置，对应的纵坐标时间即为样品的数据保持时间tretention85。

图14非晶态阻值在不同温度下随时间变化示意图

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图15相变存储器数据保持时间示意图

7.2.3失效判据

样品阻值降低至低于存储窗口时该温度下样品的数据保持时间。

8试验报告

试验报告应包括但不限于下列内容：

a）识别样品、实验室和试验日期所需的全部资料；

b）引用标准；

c）结果及其表示；

d）使用的分析线；

e）测定中发现的异常现象；

f）对结果可能已产生影响的本文件中未作规定的各种操作或任选的操作。

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附录A

（资料性）

相变存储器电性能测试实例

A.1样品处理

测试前，升高探针台，用镊子将相变存储单元取出，放置在探针台上，建立探针与样品

的良好接触。

A.2仪器自检

按照图1所示的设备组网图搭建好电性能测试系统，并完成主要设备的自检操作，确保

仪器可正常工作。

A.3性能测试过程

A.3.1读取样品电阻值，先对其进行复位操作；

A.3.2在测试仪中开启电流扫描，初始值和步长分别设为0μA和1μA；

A.3.3在测试仪中得到其I-V曲线，完成直流电流-电压特性测试；

A.3.4再对样品进行置位操作，使其处于低阻态；

A.3.5设定脉冲发生器初始脉冲宽度为80ns，电压幅值从0V逐渐增加到3V，作用在样

品上；

A.3.6测试记录每次施加脉冲后器件电阻的变化，并画出电压-电阻曲线，完成存储窗口特

性测试；

A.3.7再对样品进行置位操作，使其处于低阻态；

A.3.8设定脉冲发生器初始脉冲宽度为40ns，电压幅值从0V逐渐增加到4V，作用在样

品上；

A.3.9测试记录每次施加脉冲后器件电阻的变化，并画出电压-电阻曲线，完成复位电压特

性测试；

A.3.10再对样品进行置位操作，使其处于低阻态；

A.3.11设定脉冲发生器初始脉冲幅度为5V，电压脉宽从15ns逐渐增加到110ns，作用在

样品上；

A.3.12测试记录每次施加脉冲后器件电阻的变化，并画出脉宽-电阻曲线，完成复位时间特

性测试；

A.3.13再对样品进行复位操作，使其处于高阻态；

A.3.14设定脉冲发生器初始脉冲宽度为200ns，电压幅值从0.1V逐渐增加到1.5V，作用

在样品上；

A.3.15测试记录每次施加脉冲后器件电阻的变化，并画出电压-电阻曲线，完成置位电压特

性测试；

A.3.16再对样品进行复位操作，使其处于高阻态；

A.3.17设定脉冲发生器初始脉冲幅度为1V，电压脉宽从40ns逐渐增加到190ns，作用在

样品上；

A.3.18测试记录每次施加脉冲后器件电阻的变化，并画出脉宽-电阻曲线，完成置位时间特

性测试；

A.3.29从以上步骤得到最小复位、置位电压和脉宽，根据公式算出最小复位、置位功耗。

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A.4可靠性测试过程

A.4.1根据A.3.8~A.3.19的测试，获得复位置位较优的脉冲参数，这里取复位脉冲幅度5V，

脉宽60ns，置位脉冲幅度0.8V，宽度为300ns，脉冲发生器依次产生SET和RESET操作

脉冲，对单元进行反复操作，每隔300次复位置位后测试并记录器件对应的高低阻值；

A.4.2直到器件在经历若干SET和RESET操作脉冲后，其电阻不再发生高低阻值的交替变

化时停止，记录此时其经历的SET和RESET操作次数，完成疲劳特性测试；

A.4.3将样品放置在加热台上，将加热台升至85℃以上；

A.4.4开始计时，同时多次测量样品的电阻，直至电阻降低至某一数值并且不再发生变化，

绘制该温度下样品电阻随时间的变化曲线；

A.4.5改变温度，重复上一步骤，获得不同温度下样品电阻随时间的变化曲线，完成数据保

持时间测试；

A.4.6最后将样品放回，关闭光源，降下探针台。

A.5数据处理

A.5.1图A.1是通过步骤A.3.3得到的I-V特性曲线，标出其相态转换点即其阈值，当电压达到

0.642V时，相变存储单元从非晶体转换为多晶态。

图A.1样品单元I-V特性曲线

A.5.2图A.2是通过步骤A.3.6得到的电压—电阻曲线，在高阻态区域选取器件的高阻值

RH，在低阻态区域选取低阻值RL，计算存储窗口W。

图A.2相变存储单元电阻随脉冲幅值变化曲线

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A.5.3图A.3是通过步骤A.3.9得到的40ns脉冲宽度下单元阻值与复位脉冲幅值关系曲线，

从结果可以看到，在电压脉冲幅值约为3.6V时，存储单元由多晶态(低阻)转换到非晶态(高

阻)，3.6V就是该样品单元在40ns脉冲宽度条件下所对应的最小有效复位脉冲电压VRESET。

图A.340ns宽度下单元阻值与复位脉冲电压关系曲线

A.5.4图A.4是通过步骤A.3.12得到的5V脉冲幅值下单元阻值与复位脉冲宽度关系曲线，

从结果可以看到，在电压脉冲宽度约为70ns时，存储单元由多晶态(低阻)转换到非晶态(高

阻)，70ns就是该样品单元在5V脉冲幅度条件下所对应的最小有效复位脉冲宽度tRESET。

图A.4幅值为5V下单元阻值与复位脉冲宽度关系曲线

A.5.5图A.5是通过步骤A.3.14得到的200ns脉冲宽度下单元阻值与置位脉冲幅值关系曲

线，并进行分段线性拟合。从结果可以看到，在电压脉冲幅值约为0.5V时，存储单元由非

晶态(高阻)转换到晶态(低阻)，0.5V就是该样品单元在200ns脉冲宽度条件下所对应的最

小有效置位脉冲电压VSET。

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图A.5200ns宽度下单元阻值与置位脉冲电压关系曲线

A.5.6图A.6是通过步骤A.3.16得到的1V脉冲幅值下单元阻值与置位脉冲宽度关系曲线，

从结果可以看到，在电压脉冲宽度约为85ns时，存储单元由非晶态(高阻)转换到多晶态(低

阻)，85ns就是该样品单元在1V脉冲幅度条件下所对应的最小有效置位脉冲宽度tSET。

图A.6幅值为1V下单元阻值与置位脉冲宽度关系曲线

A.5.7图A.7是通过步骤A.4.2得到的相变存储器件复位置位次数测试结果示意图，从结果

可以看出，在循环到5×104次数时，相变存储单元的晶体电阻已经发生严重偏离，表示存

储单元已经损坏，此时其经历的SET和RESET操作次数5×104即为此器件的复位置位次

数Nendurance。

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图A.7相变存储器件复位置位次数测试结果示意图

A.5.8图A.8是通过步骤A.4.5得到的不同温度下样品电阻随时间的变化曲线，基于

Arrhenius方程t=τexp(Ea/kβT)，将所得到的温度和失效时间数据放入（t-1/T）坐标系中，其

中纵轴为时间，横轴为温度的倒数，拟合为直线后，外推至横坐标85℃位置，算出对应的

纵坐标时间即为样品的数据保持时间tretention85。

图A.8非晶态阻值在不同温度下随时间变化示意图

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附录B

（资料性）

起草单位和主要起草人

本文件起草单位：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

本文件主要起草人：缪向水、何强、童浩、程晓敏、刘峻、李硕、李锟

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参考文献

[1]瞿力文.相变存储器测试方法及测试系统的研究[D].华中科技大学,2011.

[2]何强.多值相变存储器编程策略及其可靠性研究[D].华中科技大学,2018.

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目录

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.................................................................................................................................................2

5样品.............................................................................................................................................................3

6器件性能测试.............................................................................................................................................3

7器件可靠性测试.......................................................................................................................................11

8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

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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疲劳寿命和数据保持时间。

本文件适用于相变存储单元器件以及内嵌上述存储器的集成电路（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/T17574-1998半导体器件集成电路第2部分：数字集成电路

GB/T33657-2017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中界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1置位set

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]

注：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。

3.2复位reset

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]

注：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。

3.3读操作read

读取相变存储单元存储状态的操作。

注：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。

3.4直流电流—电压特性DCcurrent-voltagecharacteristics

1

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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操作的最小脉冲幅度。

3.10疲劳寿命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或时间。

注1：一般保持时间以保持10年来作为标准。

注2：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）。