引言

直到最近，浮柵 (FG) NAND閃存技術(shù)成功地滿足了數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器和智能手機(jī)對(duì)非易失性內(nèi)存 (NVM) 不斷增長(zhǎng)的需求。但是，消費(fèi)電子行業(yè)日益擔(dān)心浮柵NVM可能不能繼續(xù)以每比特更低成本來(lái)提供更高的存儲(chǔ)功能，而每比特更低成本則是驅(qū)動(dòng)NVM市場(chǎng)發(fā)展的根本性要求[1] 。浮柵方法可能會(huì)“撞墻”，意味著替代技術(shù)的研究工作已經(jīng)變得日益關(guān)鍵。

對(duì)更多材料和技術(shù)的廣泛研究，要求電氣測(cè)試系統(tǒng)既要擁有寬動(dòng)態(tài)范圍，也要擁有靈活的參數(shù)控制功能。本期將回顧NVM簡(jiǎn)史，概括介紹了NVM材料和器件電氣表征要求的測(cè)試參數(shù)，闡述了4225-PMU超快速I-V模塊及4225-RPM遠(yuǎn)程放大器/開關(guān)的功能，這是用于吉時(shí)利4200A-SCS參數(shù)分析儀專門設(shè)計(jì)的兩種儀器選項(xiàng)。4225-PMU/4225-RPM相結(jié)合，集成了在每條通道上同時(shí)進(jìn)行電流測(cè)量和電壓測(cè)量功能，與以前的硬件相比，大大簡(jiǎn)化了考察瞬態(tài)脈沖響應(yīng)的工作。憑借系統(tǒng)的多脈沖波形發(fā)生功能，4200A-SCS及4225-PMU可以在瞬態(tài)信號(hào)域和I-V域表征內(nèi)存器件的開關(guān)機(jī)制。在討論新興測(cè)試要求后，本指南將概括介紹NVM項(xiàng)目、測(cè)試以及浮柵浮柵閃存、相變單元、鐵電單元器件和阻變存儲(chǔ)器的測(cè)試參數(shù)。

NVM簡(jiǎn)史

世界各地的科學(xué)家正在研究可以替代FG NAND技術(shù)的NVM備選方案，包括相變內(nèi)存 (PCM/PRAM)、電荷俘獲內(nèi)存 (CTF/SONOS)、電阻內(nèi)存 (ReRAM)、鐵電內(nèi)存 (FeRAM) 和磁阻內(nèi)存 (MRAM) (圖1)。業(yè)內(nèi)已經(jīng)研究這些器件很多年，每種技術(shù)目前都以某種形式出現(xiàn)在市場(chǎng)上。業(yè)內(nèi)還在積極研究其他 NVM 技術(shù)，包括自旋轉(zhuǎn)移矩 (STT) MRAM、浮體 (FBRAM) 和各種類型的基于碳納米管的內(nèi)存 (CNT RAM)，以確定其對(duì)內(nèi)存產(chǎn)品應(yīng)用的適用性。

除了NVM在便攜式消費(fèi)電子器件中的傳統(tǒng)用途外，F(xiàn)G NVM還開創(chuàng)了新的產(chǎn)品品類，比如普遍使用的U盤，以及最近在高性能應(yīng)用中代替?zhèn)鹘y(tǒng)電腦硬盤的高性能固態(tài)硬盤 (SSD) 產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以及可能出現(xiàn)的代替現(xiàn)有閃存和動(dòng)態(tài)內(nèi)存 (DRAM) 的“通用”內(nèi)存，驗(yàn)證了大學(xué)及半導(dǎo)體機(jī)構(gòu)和企業(yè)的長(zhǎng)期研究成果[2] 。

圖1. 各種非易失性內(nèi)存器件

理想的內(nèi)存應(yīng)兼具動(dòng)態(tài)內(nèi)存和非易失性內(nèi)存的特點(diǎn)：

?  基于可以預(yù)測(cè)的擴(kuò)充能力，成本越來(lái)越低，密度越來(lái)越高

?  快速讀/寫 ( 類似于或快于現(xiàn)有的DRAM速度)

?  耐久性高 ( 以滿足DRAM或SSD應(yīng)用 )

?  保留期長(zhǎng)

?  功率和電壓要求低

?  兼容現(xiàn)有的邏輯電路和半導(dǎo)體工藝

隨著FG NVM器件應(yīng)用數(shù)量提高，F(xiàn)G技術(shù)面臨的壓力也在提高。這為可能代替FG方法的多種技術(shù)打開了市場(chǎng)。將來(lái)可能會(huì)有多種NVM技術(shù)，滿足每種產(chǎn)品類型或品類的不同要求。事實(shí)上，2010年“半導(dǎo)體國(guó)際技術(shù)路線圖”(ITRS) 只推薦了兩種額外的應(yīng)加快研發(fā)的NVM技術(shù)，以推出商用NVM產(chǎn)品：自旋轉(zhuǎn)移矩 MRAM (STT-MRAM) 和Redox RRAM[1] 。

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NVM測(cè)試要求演變及概況

在浮柵閃存中，電氣表征在傳統(tǒng)上是使用DC儀器執(zhí)行的，如源測(cè)量單元 (SMU) 儀器，表征之前脈沖發(fā)生器已經(jīng)編程和/或擦除內(nèi)存單元。這要求某類開關(guān)，對(duì)測(cè)試器件交替應(yīng)用DC或脈沖信號(hào)。偶爾會(huì)使用示波器，在被測(cè)器件 (DUT) 上檢驗(yàn)脈沖保真度 ( 脈沖寬度、過(guò)沖、脈沖電壓電平、上升時(shí)間、下降時(shí)間 )。測(cè)量脈沖具有重要意義，因?yàn)殚W存狀態(tài)對(duì)脈沖電壓電平相當(dāng)靈敏。然而，即使在科研中，示波器的使用也相對(duì)很少，因?yàn)槭静ㄆ鳒y(cè)量要求的設(shè)置與脈沖源/DC測(cè)量方法并不相同。雖然也能使用示波器來(lái)表征閃存，但測(cè)量瞬態(tài)電流的復(fù)雜性，意味著只能在脈沖傳送時(shí)才能獲得電壓測(cè)量。

最近，標(biāo)準(zhǔn)儀器已經(jīng)改進(jìn)，在把脈沖應(yīng)用到內(nèi)存器件或材料時(shí)，現(xiàn)在可望使用一臺(tái)儀器同時(shí)測(cè)量電流和電壓。盡管這種功能在早期是可能的，但它要求一機(jī)架的儀器，需要在成本、性能和復(fù)雜性方面進(jìn)行各種折衷。此外，這些定制系統(tǒng)一般是由內(nèi)部測(cè)試儀器專家創(chuàng)建和維護(hù)的，這名專家要擁有各種技能和經(jīng)驗(yàn)，而且要有大量的時(shí)間來(lái)把各種儀器整合到一個(gè)系統(tǒng)中，以提供脈沖源和測(cè)量功能。這些早期系統(tǒng)雖然能用，但一般創(chuàng)造性不強(qiáng)，測(cè)試功能有限，測(cè)試控制麻煩，要求耗費(fèi)大量時(shí)間提取信息。測(cè)量方法一般使用負(fù)載或傳感電阻器，使用示波器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)量電流。這是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)，但負(fù)載電阻器對(duì)傳送到器件的電壓的影響，對(duì)許多脈沖測(cè)量會(huì)產(chǎn)生明顯負(fù)作用。此外，多個(gè)系統(tǒng)之間相關(guān)及獲得可溯源的系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn)，實(shí)際上是不可能的。

新儀器為科研人員提供了額外的數(shù)據(jù)，可以用更少的時(shí)間更好地了解NVM材料和器件特點(diǎn)。應(yīng)用脈沖，同時(shí)使用高速采樣技術(shù)測(cè)量電壓和電流，可以更好地了解提供內(nèi)存行為的電氣和物理機(jī)制。在DC表征中增加這種瞬態(tài)表征功能，可以提供與固有的材料屬性和器件響應(yīng)有關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

業(yè)內(nèi)目前正在考察許多NVM材料和技術(shù)，每種材料和技術(shù)在物理內(nèi)存特點(diǎn)方面都有著獨(dú)特之處。但是，對(duì)這些方法進(jìn)行整體電氣表征時(shí)，很多重要的測(cè)試參數(shù)和方法都是相同的。這種共性意味著可以使用一臺(tái)測(cè)試儀器，來(lái)表征各種內(nèi)存技術(shù)和器件。電氣表征對(duì)更好地了解底層技術(shù)的物理特點(diǎn)至關(guān)重要。

不管考察的是哪種特定內(nèi)存技術(shù)，都要求脈沖傳送，來(lái)測(cè)試開關(guān)特點(diǎn)。脈沖傳送及同時(shí)測(cè)量提供了必要的數(shù)據(jù)，可以了解開關(guān)機(jī)制的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)。不同材料的說(shuō)法不盡相同，例如，編程/擦除、設(shè)置/重設(shè)和寫入/擦除都用來(lái)指明比特1或0的基礎(chǔ)存儲(chǔ)。這些寫入 /擦除程序在脈沖模式下完成，提供典型內(nèi)存操作要求的整體速度，仿真最終產(chǎn)品環(huán)境。在下一節(jié)中，我們將介紹各種非易失性內(nèi)存技術(shù)共同的重要測(cè)試參數(shù)。

常用NVM測(cè)試參數(shù)

脈沖幅度是編程和擦除內(nèi)存單元使用的要求的脈沖高度。浮柵內(nèi)存在寫入脈沖期間可能要求15-20V甚至更高。大多數(shù)NVM方案要求3-5V。替代NVM技術(shù)的目標(biāo)是更低的脈沖幅度，但在任何維度量綱或材料優(yōu)化前的早期研究可能會(huì)要求6-8V。許多技術(shù)在這些電壓電平上要求雙極脈沖，但在雙極源模式下使用時(shí)，某些最新脈沖I-V解決方案沒有提供這么高的電壓。

脈沖幅度保真度是NVM測(cè)試中最重要的參數(shù)之一，因?yàn)閮?nèi)存狀態(tài)開關(guān)特點(diǎn)是非線性的 (例如：Fowler-Nordheim電流，相位變換)，因此這些器件對(duì)電壓脈沖的幅度很靈敏。脈沖幅度保真度參數(shù)用脈沖電平準(zhǔn)確度、振鈴、過(guò)沖和下沖指定。使振鈴、過(guò)沖和下沖達(dá)到最小，對(duì)脈沖儀器設(shè)計(jì)至關(guān)重要。現(xiàn)代脈沖I-V系統(tǒng)可以提供3%或以下的過(guò)沖和振鈴指標(biāo)。但是，必需知道，測(cè)試器件的脈沖形狀保真度明顯受到連接設(shè)置、電纜、脈沖參數(shù)、器件阻抗、定時(shí)和阻抗不匹配的影響。

除準(zhǔn)確的脈沖電平外，更新的技術(shù)要求復(fù)雜的、可以簡(jiǎn)便調(diào)節(jié)的波形，而不只是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方形脈沖。例如，ReRAM器件測(cè)試通常要求脈沖上掃/下掃廓線，同時(shí)測(cè)量電流。FeRam測(cè)試要求PUND ( 正、上、負(fù)、下 ) 四脈沖序列。PRAM (相變內(nèi)存) 測(cè)試要求能夠掃描幾乎任何脈沖參數(shù)，如掃描RESET-measure-SET-measure多脈沖波形中四個(gè)脈沖之一的下降時(shí)間。所有這些內(nèi)存技術(shù)都要求能夠輸出多脈沖波形，其中包括任意波形段，且每個(gè)波形中包括多項(xiàng)測(cè)量。耐受性測(cè)試要求能夠迅速輸出復(fù)雜的任意波形，而不需要額外的設(shè)置時(shí)間或開銷。這要求進(jìn)一步把更新的脈沖儀器功能與傳統(tǒng)二電平脈沖發(fā)生器分開。

脈沖定時(shí)參數(shù)，如測(cè)試器件中的上升時(shí)間、下降時(shí)間和脈沖寬度，仍將具有非常重要的意義，特別是整體發(fā)展趨勢(shì)是脈沖傳送速度越來(lái)越快，脈沖寬度則正從100ns下降到<10ns。對(duì)某些技術(shù)來(lái)說(shuō)，如PRAM，下降時(shí)間是確定怎樣進(jìn)行RESET重設(shè)操作的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。這個(gè)參數(shù)非常重要，因?yàn)閭鹘y(tǒng)脈沖發(fā)生器的上升 / 下降時(shí)間范圍一般有限，比如不允許同時(shí)有20ns的上升時(shí)間和2ms的下降時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，脈沖寬度越短越好，躍變時(shí)間越快越好，但實(shí)際上會(huì)由于典型互連阻抗、測(cè)量限制和儀器折衷等因素而有很多限制。

新興NVM技術(shù)，如前面討論的變相和鐵電方法，正驅(qū)動(dòng)著對(duì)動(dòng)態(tài)的同時(shí)進(jìn)行超快速電流和電壓測(cè)量的需求。4225-PMU/4225-RPM相結(jié)合，可以同時(shí)進(jìn)行電壓測(cè)量和電流測(cè)量，在材料的動(dòng)態(tài)電阻代表著信息存儲(chǔ)物理機(jī)制的電氣特點(diǎn)時(shí)，這一點(diǎn)非常重要。

按尺寸縮小趨勢(shì)導(dǎo)致器件正變得越來(lái)越小。這種趨勢(shì)要求在脈沖傳送的同時(shí)測(cè)量更小的電流，這要求電流測(cè)量中使用某種前置放大器。為最大限度地縮小電纜電容的寄生效應(yīng)，更好地控制到測(cè)試器件的能量，遠(yuǎn)程脈沖放大器可以帶來(lái)明顯優(yōu)勢(shì)，它可以連接15-25厘米(6-10英寸)范圍內(nèi)的DUT。這對(duì)相變內(nèi)存(PCM)和ReRAM表征尤為重要。

表1. NVM技術(shù)重要測(cè)試參數(shù)匯總表

1. 1T1R = 內(nèi)存單元包括一個(gè)晶體管和一個(gè)電阻器，晶體管提供單元控制和接入功能。

2. 1T1C = 內(nèi)存單元包括一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器，晶體管提供單元控制和接入功能。

電流一致性或電流控制對(duì)某些NVM技術(shù)測(cè)試具有重要意義，如ReRAM和PRAM。通常來(lái)說(shuō)，這使用DC儀器完成，有時(shí)在自定義脈沖設(shè)置中實(shí)現(xiàn)。DC儀器中的電流限定是否對(duì)電流提供足夠快的控制功能來(lái)滿足典型要求，這一點(diǎn)并不明確。對(duì)脈沖電流控制，電流控制模塊安裝到距測(cè)試器件要盡可能近，以避免電流可能從連線的寄生電容放電到測(cè)試器件中。

為簡(jiǎn)化和加快測(cè)試，必需在脈沖和DC儀器之間切換。在耐受性測(cè)試中，為在閃存編程/擦除周期中浮動(dòng)連接，開關(guān)速度必須足夠快 (10-100ms)，因?yàn)殚_關(guān)必須發(fā)生在編程和擦除脈沖之間，以支持?jǐn)?shù)量非常大的壓力波形。應(yīng)通過(guò)脈沖發(fā)生器直接控制這類開關(guān)，其位于脈沖儀器內(nèi)部，可進(jìn)行快速控制。一般來(lái)說(shuō)，這種開關(guān)由固態(tài)繼電器 (SSR) 針對(duì)每條脈沖通道執(zhí)行。

通道同步對(duì)NVM測(cè)試必不可少，其要求多個(gè)脈沖源和測(cè)量通道。兩條通道對(duì)PRAM和ReRAM表征足夠了，以在兩端子器件兩側(cè)進(jìn)行輸出和測(cè)量。對(duì)采用晶體管作為接入器件的NVM，可能要求三條或四脈沖I-V通道。在閃存中，需要兩條或四條通道。傳統(tǒng)脈沖儀器很難同步，因?yàn)橛懈鞣N觸發(fā)同步方法，每種方法都有相關(guān)的不同復(fù)雜度 / 觸發(fā)性能矛盾?，F(xiàn)代脈沖I-V儀器提供了內(nèi)部觸發(fā)路由和自動(dòng)同步功能，以及集成測(cè)量功能。

如前所述，不同的NVM技術(shù)擁有的測(cè)量需求略微不同。表1匯總了部分內(nèi)存技術(shù)使用的重要測(cè)試參數(shù)。

4225-PMU和4225-RPM提供的NVM表征功能

4225-PMU超快速I-V模塊（圖2）是4200A-SCS使用的一種單插槽儀器卡，它有兩條電壓脈沖源通道，每條通道有集成的同步實(shí)時(shí)電流和電壓測(cè)量功能。測(cè)量分成兩類：采樣和均值。采樣類型用來(lái)捕獲基于時(shí)間的電流和電壓波形，這些波形對(duì)了解瞬態(tài)或動(dòng)態(tài)特點(diǎn)至關(guān)重要。均值類型為I-V表征提供了類似DC的電流和電壓測(cè)量。實(shí)時(shí)采樣功能對(duì)于在單個(gè)波形中捕獲NVM 材料的瞬態(tài)特點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)閼?yīng)用重復(fù)的波形會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存開關(guān)行為，甚至損壞材料本身。

圖2. 4225-PMU超快速I-V模塊和兩個(gè)4225-RPM遠(yuǎn)程放大器/開關(guān)模塊

4225-RPM遠(yuǎn)程放大器/開關(guān)是一種選配產(chǎn)品，是對(duì)4225-PMU的補(bǔ)充。這個(gè)小盒子位于DUT附近，提供了許多 NVM 材料和技術(shù)表征必需的較低的電流測(cè)量范圍。此外，4225-RPM為4200A-SCS的源測(cè)量單元 (SMUs) 和CVU信號(hào)提供了開關(guān)功能，支持高分辨率DC測(cè)量和C-V測(cè)量。4225-RPM是一種單通道設(shè)備，因此要求兩個(gè)4225-RPM模塊，以匹配4225-PMU的兩條通道。4225-RPM模塊設(shè)計(jì)成位于測(cè)試器件附近(≤30cm或1英尺)，以最大限度減少線纜影響，提供改善的脈沖形狀和高速測(cè)量。

PMU/RPM組合為表征現(xiàn)有的和新興的上述NVM技術(shù)提供了測(cè)試功能。圖3是4225-PMU的方框圖。注意兩條通道同時(shí)有電流測(cè)量和電壓測(cè)量 (每條通道兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。每條通道可以獨(dú)立提供±10V或±40V (到高阻抗)。圖4是4225-RPM的方框圖：左側(cè)注意輸入來(lái)自4200A-SCS機(jī)箱，右側(cè)注意輸出到DUT。上半部分 (藍(lán)線、紅線、深綠線) 是4225-RPM的開關(guān)部分。注意SMU和CVU通路全程支持4線連接。底部附近較細(xì)的綠線表示各種脈沖電流測(cè)量范圍。

脈沖電平

每條 4225-PMU通道有兩種源范圍。10V源范圍可以輸出-10V~+10V (20V幅度) 到高阻抗，覆蓋大多數(shù)現(xiàn)代NVM方案。為測(cè)試現(xiàn)有的浮柵浮柵閃存或早期未優(yōu)化的要求更高電壓的新興材料，4225-PMU還有一個(gè)40V范圍，輸出-40V~+40V (80V幅度)到高阻抗。

圖3. 4225-PMU方框圖。通過(guò)使用RPM1和RPM2連接，可以使用4225-PMU及兩個(gè)4225-RPM。SSR顯示了固態(tài)中繼器，其用于高阻抗模式，通過(guò)Fowler-Nordheim隧道在閃存器件上執(zhí)行編程或擦除操作

圖4. 4225-RPM方框圖。4225-RPM既是一個(gè)用于高速電流測(cè)量的電流前置放大器 (在脈沖模式下)，也是用來(lái)為4200A-SCS機(jī)箱中其他儀器選擇脈沖I-V、SMU或C-V測(cè)量模式的開關(guān)。

由于兩個(gè)源量程都是雙極，所以可以同時(shí)表征單極和雙極內(nèi)存技術(shù)。

瞬態(tài)測(cè)量和多通道同步

4225-PMU有兩條通道，每條通道有兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時(shí)采樣電壓和電流。通過(guò)兩條通道，可以同時(shí)輸出脈沖到器件的柵極和漏極，同時(shí)在兩條通道上采樣電壓和電流，捕獲DUT的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。如果要求兩條以上脈沖I-V通道，多張4225-PMU卡可以安裝在一個(gè)機(jī)箱中，所有通道將自動(dòng)同步到±2ns以內(nèi)。這種同時(shí)同步測(cè)量對(duì)了解NVM材料和器件的開關(guān)特點(diǎn)至關(guān)重要。

4225-RPM增加了從10mA直到100nA的測(cè)量范圍，允許對(duì)小電流進(jìn)行瞬態(tài)分析，而小電流是開關(guān)狀態(tài)的特點(diǎn)。此外，RPM擁有切換、功能，允許把SMU儀器或C-V信號(hào)路由到測(cè)試器件。

脈沖躍變和多電平波形

4225-PMU有兩條獨(dú)立通道，定時(shí)參數(shù)可以從20ns到40s調(diào)節(jié)。最短脈沖是40ns (FWHM, 全寬半最大脈沖幅度)，但要求更寬的脈沖測(cè)量更小的電流。

通過(guò)使用Segment ARB®功能把多個(gè)線性段 (電壓相對(duì)于時(shí)間關(guān)系) 鏈接起來(lái)，可以創(chuàng)建多電平或多脈沖波形。每條通道最多有2048個(gè)段，可以用在一個(gè)序列中或用在多個(gè)序列中。一個(gè)序列是一個(gè)可以循環(huán)的一組片段的集合，一般從測(cè)量序列和循環(huán)序列中提供壓力。

測(cè)量是逐段進(jìn)行的，因此只收集要求的數(shù)據(jù)，最大限度地使用可用的采樣存儲(chǔ)內(nèi)存，與高端示波器中提供的分段內(nèi)存功能類似。此外，提供了兩種測(cè)量：采樣和均值。采樣類型用來(lái)捕獲基于時(shí)間的信號(hào)，適合通過(guò)評(píng)估脈沖形狀特點(diǎn)，來(lái)捕獲瞬態(tài)特點(diǎn)，驗(yàn)證連接是否正確。均值測(cè)量類型則用來(lái)測(cè)量I-V特點(diǎn)。這兩種類型都可以逐通道應(yīng)用到整個(gè)段、部分段或波形中所有段。

圖5. 閃存編程和擦除波形：兩種脈沖，三種電平。傳統(tǒng)脈沖發(fā)生器只能輸出兩電平脈沖，因此閃存測(cè)試對(duì)每項(xiàng)測(cè)試要求兩條脈沖通道，并要求一個(gè)耗時(shí)的開關(guān)對(duì)測(cè)試器件應(yīng)用第二個(gè) (負(fù)) 脈沖。注意這個(gè)設(shè)置只適用于一個(gè)器件端子。對(duì)柵極和漏極上的典型脈沖傳送，必須重復(fù)這一設(shè)置。

在一個(gè)波形內(nèi)能夠輸出幾十或幾百個(gè)唯一的脈沖，較傳統(tǒng)脈沖儀器縮短了測(cè)試時(shí)間，后者只能在兩個(gè)脈沖電平之間傳送脈沖。傳統(tǒng)浮柵浮柵閃存使用兩條脈沖通道，為一個(gè)測(cè)試器件端子創(chuàng)建由三個(gè)電壓電平組成的兩脈沖波形 (圖5)。此外，它在脈沖發(fā)生器和DUT之間要求一個(gè)外部開關(guān)，把每個(gè)脈沖交替路由到端子上。這個(gè)外部開關(guān)增加了復(fù)雜性和成本，最重要的是，提高了測(cè)試時(shí)間。同時(shí)脈沖傳送柵極和漏極要求4條脈沖通道和2組開關(guān)。圖6顯示了測(cè)試相變內(nèi)存使用的比較復(fù)雜的波形。波形上的紅框表示測(cè)量。注意整個(gè)波形由4個(gè)寬度和高度變化的脈沖組成，是由一條4225-PMU通道輸出的，其中使用了最多2048個(gè)段中的16個(gè)段。

圖6. 多電平脈沖波形由16個(gè)線性電壓段 (灰色數(shù)字) 和4個(gè)測(cè)量 (紅框) 組成。新型脈沖源硬件可以創(chuàng)建多段電壓波形，在一個(gè)波形內(nèi)部提供多個(gè)脈沖，并增加集成電壓和電流采樣 (圖中未畫出)。

連接器件

圖7顯示了使用兩個(gè)4225-RPM遠(yuǎn)程放大器/開關(guān)連接兩端子器件的整體方法。4225-RPM是雙通道4225-PMU超快速I-V模塊的一個(gè)選配項(xiàng)目，對(duì)NVM表征必不可少。對(duì)范例nvm項(xiàng)目中的器件（本應(yīng)用指南后面將展開討論），圖中畫出了具體互連圖。注意NVM器件的接地連接，其在使用晶體管作為選擇器件的內(nèi)存單元上通常必不可少，其應(yīng)連接到本地屏蔽層，每條通道的屏蔽層應(yīng)連接在一起 (圖8)。這些屏蔽連接對(duì)保證快速躍變要求的相對(duì)較高的帶寬及當(dāng)今新興NVM技術(shù)要求的窄脈沖非常重要。

可以使用一條通道連接兩端子器件，器件低側(cè)連接到屏蔽層或通道的接地回路。這是測(cè)試簡(jiǎn)單的兩端子器件使用的傳統(tǒng)方式，對(duì)DC表征是合理的。但是，由于脈沖過(guò)程中的瞬態(tài)效應(yīng)，在兩端子器件上使用兩條通道可以改善結(jié)果。如需進(jìn)一步信息，請(qǐng)參見“優(yōu)化測(cè)量”部分。

圖7. 連接兩端子測(cè)試器件

圖8. 使用兩個(gè)4225-RPM連接4端子測(cè)試器件

使用Clarius軟件控制4225-PMU和4225-RPM進(jìn)行NVM測(cè)試

Clarius軟件帶有一套NVM表征使用的范例項(xiàng)目。可以使用Memory過(guò)濾器在Project Library項(xiàng)目庫(kù)中找到這四個(gè)范例項(xiàng)目。圖9是閃存器件項(xiàng)目浮柵非易失性內(nèi)存表征項(xiàng)目的截圖。這些項(xiàng)目為閃存、PRAM、FeRAM 和ReRAM器件提供了測(cè)試和數(shù)據(jù)，演示了4200A-SCS特別是 225-PMU及4225-RPM的功能。4225-PMU/4225-RPM相結(jié)合，提供了基礎(chǔ)脈沖和瞬態(tài)I-V測(cè)試功能，可以考察和表征各種NVM材料和器件。下面簡(jiǎn)要介紹了用戶模塊。

圖9. 浮柵非易失性內(nèi)存表征項(xiàng)目截圖

范例項(xiàng)目中的測(cè)試是為每種內(nèi)存類型量身定制的，但共享底層方法，最大限度地減少適應(yīng)其他NVM材料或器件類型要求的工作量。項(xiàng)目中使用的所有測(cè)試都包含在nvm用戶程序庫(kù)中 (表2)。這些模塊用于范例項(xiàng)目中，但它們也可以添加到另一個(gè)項(xiàng)目中。如果要求額外的功能或測(cè)試類型，4200A-SCS帶有模塊源代碼，可以使用吉時(shí)利用戶程序庫(kù)工具 (KULT) 及選配匯編程序 (訂購(gòu)編號(hào)：4200-Compiler) 進(jìn)行修改。

表2. nvm用戶程序庫(kù)中的用戶模塊

閃存測(cè)試

閃存單元是NVM的主要類型，因?yàn)樗鼈兪窃贛OSFET晶體管基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，擁有標(biāo)準(zhǔn)源極、柵極 (實(shí)際上是控制柵或CG)、漏極和襯底偏置電位 / 基底連接 (圖12)。通過(guò)柵極氧化物和熱載流子注入的Fowler-Nordheim電流隧道，代表著存儲(chǔ)及從浮柵中移除電荷使用的兩種標(biāo)準(zhǔn)方法 (圖10)。這些方法是標(biāo)準(zhǔn) (非 NVM) MOSFET晶體管的劣化機(jī)制，這也說(shuō)明了閃存的耐受性有限。由于 NVM 市場(chǎng)以閃存為主，因此這是業(yè)內(nèi)正在這一領(lǐng)域積極開展研發(fā)工作[3, 4] 。

圖10. 閃存結(jié)構(gòu)，顯示了Fowler-Nordheim隧道的編程和擦除條件

初始閃存表征通常要確定電壓脈沖高度和脈沖寬度等相應(yīng)值，為編程和擦除狀態(tài)提供目標(biāo)閾值。傳統(tǒng)閃存單元都是1比特 (1/0)，而大多數(shù)現(xiàn)代閃存每個(gè)單元采用兩個(gè)或三個(gè)比特，對(duì)應(yīng)4個(gè)或8個(gè)唯一的VT電平。VT電平數(shù)量不斷提高，要求更加精確的脈沖電平性能和更高的脈沖電壓。

圖11. 浮柵非易失性內(nèi)存表征項(xiàng)目中的閃存器件測(cè)試

閃存器件項(xiàng)目浮柵非易失性內(nèi)存表征項(xiàng)目 (圖11) 中有7項(xiàng)測(cè)試。這些測(cè)試支持獨(dú)立式NAND或NOR單元，其中三項(xiàng)測(cè)試測(cè)量閃存晶體管的VT，兩項(xiàng)測(cè)試應(yīng)用編程或擦除脈沖，一項(xiàng)是耐受性測(cè)試。圖12是獨(dú)立式閃存內(nèi)存單元的連接圖。在這些測(cè)試中，只使用兩條脈沖I-V通道，因此源極和襯底偏置電位都連接到4225-RPM屏蔽層上。這些測(cè)試要求以下硬件：

?   4200A-SCS

?  兩個(gè)或多個(gè)SMU儀器，中等功率4200-SMU或高功率4210-SMU

?  一個(gè)4225-PMU及兩個(gè)4225-RPM

圖12. 連接4端子浮柵浮柵閃存器件

圖13. 使用4225-PMU及4225-RPM在NAND單元上獲得的Program脈沖的脈沖電流和電壓波形。注意脈沖躍變期間的電容充電和放電電流 (說(shuō)明請(qǐng)參見“優(yōu)化測(cè)量”)。本圖來(lái)自Flash program測(cè)試 ( 用戶模塊flashProgramErase)。

三項(xiàng) VT測(cè)試相同，使用兩個(gè)SMU儀器測(cè)量閃存晶體管的VT 。編程和擦除測(cè)試應(yīng)用脈沖波形，編程和擦除獨(dú)立式閃存單元。由于4225-PMU已經(jīng)集成了高速采樣，所以編程和擦除測(cè)試還捕獲電壓和電流波形 (圖13)。這兩項(xiàng)測(cè)試都使用Fowler-Nordheim隧道，執(zhí)行電荷傳遞，因此漏極電壓 = 0V，圖表中只顯示了柵極電壓和電流。但是，每項(xiàng)測(cè)試中都會(huì)同時(shí)測(cè)量柵極和漏極電流和電壓，因此在需要時(shí)也可以顯示。

在脈沖輸出的同時(shí)測(cè)量電流在以前是不可行的。因?yàn)樗淼离娏鲗?duì)應(yīng)用的電壓是非線性的，所以測(cè)得的電流提供了電壓與為編程或擦除提供充足電場(chǎng)的接近程度有關(guān)的額外信息。瞬態(tài)電流提供了與動(dòng)態(tài)電流流動(dòng)和整體電荷傳送有關(guān)的信息。可以把瞬態(tài)電流和電壓信息與基于DC的VT結(jié)果關(guān)聯(lián)起來(lái)，進(jìn)一步了解編程和擦除流程，這種流程對(duì)不同的結(jié)構(gòu)、維度和材料可能都是唯一的。vt-programmed和vt-erased測(cè)試提供了編程和擦除脈沖結(jié)果 (圖14)。

最后一項(xiàng)測(cè)試是耐受性，其中以提高的對(duì)數(shù)間隔應(yīng)用編程+擦除波形，然后測(cè)量和繪制編程和擦除VT圖(圖15)。

閃存測(cè)試模塊

NAND或NOR浮 柵 器 件 測(cè) 試 有 三 個(gè) 模 塊：flashProgramErase、vt_ext 和 flashEndurance。flashProgramErase 模塊應(yīng)用一個(gè)脈沖波形，其可以是編程脈沖，也可以是擦除脈沖，還可以是兩者。vt_ext模塊使用SMU儀器執(zhí)行VG -ID掃描，提取閾值電壓。flashEndurance模塊應(yīng)用數(shù)量不斷提高的編程 + 擦除波形，同時(shí)定期測(cè)量 (按應(yīng)用波形數(shù)量的對(duì)數(shù)間隔) 編程和擦除電壓閾值，并繪制圖表。

為進(jìn)行初始表征，為編程和擦除確定相應(yīng)的脈沖參數(shù)，flashProgramErase和vt_ext模塊允許調(diào)節(jié)脈沖參數(shù)，然后使用 SMU 儀器測(cè)量電壓閾值。注意，可以使用4225-RPM 開關(guān)功能對(duì)器件交替應(yīng)用脈沖或 SMU 儀器電壓，因此不要求重新布線。

flashProgramErase模塊使用4225-PMU和4225-RPM輸出單脈沖，或使用4225-PMU的SegmentARB功能輸出雙脈沖波形。這個(gè)模塊支持 4225-PMU的兩條通道，因此可以為柵極和漏極輸出唯一的脈沖電壓。這個(gè)模塊還可以為診斷目的測(cè)量波形，如檢驗(yàn)脈沖形狀性能和正確的電壓電平。

圖14. VT掃描，使用SMU從vt-erased測(cè)試(用戶模塊vt_ext)中獲得編程和擦除的單元。在這個(gè)圖中，編程后和擦除后的VT差約為 180mV。

圖15. 來(lái)自閃存耐受性測(cè)試 (用戶模塊flashEndurance) 的NANDw存耐受性結(jié)果

設(shè)置flashProgramErase模塊中的參數(shù)

表3列出了flashProgramErase模塊的輸入?yún)?shù)。這個(gè)模塊同時(shí)包括柵極和漏極編程和擦除脈沖設(shè)置。它同時(shí)使用4225-PMU的兩條通道，一條通道連接一個(gè)4225-RPM (圖12)。這個(gè)模塊定義和輸出編程和擦除波形，如圖16所示。如果想在發(fā)送編程和/或擦除脈沖后測(cè)量電壓閾值，可以使用vt_ext模塊，如下一節(jié)所述。

表3. flashProgramErase模塊中的參數(shù)

圖16. flashProgramErase模塊的波形參數(shù)

如果只想要一個(gè)脈沖，可以把其他脈沖電平都設(shè)置成0。例如，如果不想要擦除脈沖，那么設(shè)置成 drainE=gateE = 0。這將令波形的擦除部分保持在 0V。

對(duì)Fowler-Nordheim隧道，通常漏極電壓為0V，只是把柵極脈沖 (gateP) 設(shè)置成把電荷推送到浮柵 (gateP =+V) 或從浮柵中清除電荷 (gateE = -V)。對(duì)熱載流子注入方法，漏極電壓為正，在通道中創(chuàng)建必要的場(chǎng)，以創(chuàng)建熱載流子。

設(shè)置vt_ext模塊中的參數(shù)

表4列出了vt_ext模塊的輸入?yún)?shù)。這個(gè)模塊執(zhí)行VGS -ID掃描，使用最大gm方法返回晶體管閾值電壓，其中閾值電壓定義為：

VT = VG MAX - ID MAX /gm MAX - 1/2 * VDS

VG MAX是最大柵極電壓。

ID MAX是最大漏極電流。

gm MAX是最大gm時(shí)的轉(zhuǎn)導(dǎo) (gm)。

表4. vt_ext模塊中的參數(shù)

VT掃描中的點(diǎn)數(shù)由vgs_pts和ids_pts、gm_pts設(shè)置。注意這三個(gè)參數(shù)都要設(shè)置成相同的值 (vgs_pts = ids_pts = gm_pts)。

一般來(lái)說(shuō)，30點(diǎn)掃描足可以獲得可靠的VT。注意，這個(gè)模塊假設(shè)DrainSMU連接到RPM2上，GateSMU 連接到RPM1上。如圖12所示，測(cè)試器件源極和襯底偏置電位連接到RPM屏蔽層，因此vt_ext中相應(yīng)的設(shè)置為SourceSMU = BulkSMU = “”。

設(shè)置flashDurance模塊中的參數(shù)

表5列出了flashDurance模塊的輸入?yún)?shù)。這個(gè)模塊可以同時(shí)設(shè)置柵極和漏極編程和擦除脈沖及壓力循環(huán)的最大數(shù)量。它同時(shí)使用4225-PMU的兩條通道，每條通道連接一個(gè)4225-RPM (圖12)。這個(gè)模塊向測(cè)試器件輸出一定數(shù)量 (max_loops) 的編程和擦除波形 ( 圖16)。這個(gè)模塊使用來(lái)自 max_loops的log10壓力數(shù)量及iteration_size中所需數(shù)量的迭代，確定對(duì)每個(gè)壓力間隔應(yīng)用多少個(gè)編程 + 擦除脈沖波形。在每個(gè)壓力間隔后，將運(yùn)行vt_ext，一次在應(yīng)用編程脈沖后，一次在擦除后。注意iteration_size、vtE_size和vtP_size的值必須相同 (iteration_size = vtE_size = vtP_size)。

表5. flashDurance模塊中的參數(shù)