应用指南 | 非易失性内存技术脉冲I-V表征（上）

世界各地的科学家正在研究可以替代FG NAND技术的NVM备选方案，包括相变内存 (PCM/PRAM)、电荷俘获内存 (CTF/SONOS)、电阻内存 (ReRAM)、铁电内存 (FeRAM) 和磁阻内存 (MRAM) (图1)。业内已经研究这些器件很多年，每种技术目前都以某种形式出现在市场上。业内还在积极研究其他 NVM 技术，包括自旋转移矩 (STT) MRAM、浮体 (FBRAM) 和各种类型的基于碳纳米管的内存 (CNT RAM)，以确定其对内存产品应用的适用性。

除了NVM在便携式消费电子器件中的传统用途外，FG NVM还开创了新的产品品类，比如普遍使用的U盘，以及最近在高性能应用中代替传统电脑硬盘的高性能固态硬盘 (SSD) 产品。这些产品以及可能出现的代替现有闪存和动态内存 (DRAM) 的“通用”内存，验证了大学及半导体机构和企业的长期研究成果^[2] 。

图1. 各种非易失性内存器件

随着FG NVM器件应用数量提高，FG技术面临的压力也在提高。这为可能代替FG方法的多种技术打开了市场。将来可能会有多种NVM技术，满足每种产品类型或品类的不同要求。事实上，2010年“半导体国际技术路线图”(ITRS) 只推荐了两种额外的应加快研发的NVM技术，以推出商用NVM产品：自旋转移矩 MRAM (STT-MRAM) 和Redox RRAM^[1] 。

(点击视频，了解半导体参数分析仪测试选项）

在浮栅闪存中，电气表征在传统上是使用DC仪器执行的，如源测量单元 (SMU) 仪器，表征之前脉冲发生器已经编程和/或擦除内存单元。这要求某类开关，对测试器件交替应用DC或脉冲信号。偶尔会使用示波器，在被测器件 (DUT) 上检验脉冲保真度 ( 脉冲宽度、过冲、脉冲电压电平、上升时间、下降时间 )。测量脉冲具有重要意义，因为闪存状态对脉冲电压电平相当灵敏。然而，即使在科研中，示波器的使用也相对很少，因为示波器测量要求的设置与脉冲源/DC测量方法并不相同。虽然也能使用示波器来表征闪存，但测量瞬态电流的复杂性，意味着只能在脉冲传送时才能获得电压测量。

最近，标准仪器已经改进，在把脉冲应用到内存器件或材料时，现在可望使用一台仪器同时测量电流和电压。尽管这种功能在早期是可能的，但它要求一机架的仪器，需要在成本、性能和复杂性方面进行各种折衷。此外，这些定制系统一般是由内部测试仪器专家创建和维护的，这名专家要拥有各种技能和经验，而且要有大量的时间来把各种仪器整合到一个系统中，以提供脉冲源和测量功能。这些早期系统虽然能用，但一般创造性不强，测试功能有限，测试控制麻烦，要求耗费大量时间提取信息。测量方法一般使用负载或传感电阻器，使用示波器或模数转换器测量电流。这是一种经过验证的技术，但负载电阻器对传送到器件的电压的影响，对许多脉冲测量会产生明显负作用。此外，多个系统之间相关及获得可溯源的系统级校准，实际上是不可能的。

新仪器为科研人员提供了额外的数据，可以用更少的时间更好地了解NVM材料和器件特点。应用脉冲，同时使用高速采样技术测量电压和电流，可以更好地了解提供内存行为的电气和物理机制。在DC表征中增加这种瞬态表征功能，可以提供与固有的材料属性和器件响应有关的基础数据。

业内目前正在考察许多NVM材料和技术，每种材料和技术在物理内存特点方面都有着独特之处。但是，对这些方法进行整体电气表征时，很多重要的测试参数和方法都是相同的。这种共性意味着可以使用一台测试仪器，来表征各种内存技术和器件。电气表征对更好地了解底层技术的物理特点至关重要。

不管考察的是哪种特定内存技术，都要求脉冲传送，来测试开关特点。脉冲传送及同时测量提供了必要的数据，可以了解开关机制的动态特点。不同材料的说法不尽相同，例如，编程/擦除、设置/重设和写入/擦除都用来指明比特1或0的基础存储。这些写入 /擦除程序在脉冲模式下完成，提供典型内存操作要求的整体速度，仿真最终产品环境。在下一节中，我们将介绍各种非易失性内存技术共同的重要测试参数。

脉冲幅度是编程和擦除内存单元使用的要求的脉冲高度。浮栅内存在写入脉冲期间可能要求15-20V甚至更高。大多数NVM方案要求3-5V。替代NVM技术的目标是更低的脉冲幅度，但在任何维度量纲或材料优化前的早期研究可能会要求6-8V。许多技术在这些电压电平上要求双极脉冲，但在双极源模式下使用时，某些最新脉冲I-V解决方案没有提供这么高的电压。

脉冲幅度保真度是NVM测试中最重要的参数之一，因为内存状态开关特点是非线性的 (例如：Fowler-Nordheim电流，相位变换)，因此这些器件对电压脉冲的幅度很灵敏。脉冲幅度保真度参数用脉冲电平准确度、振铃、过冲和下冲指定。使振铃、过冲和下冲达到最小，对脉冲仪器设计至关重要。现代脉冲I-V系统可以提供3%或以下的过冲和振铃指标。但是，必需知道，测试器件的脉冲形状保真度明显受到连接设置、电缆、脉冲参数、器件阻抗、定时和阻抗不匹配的影响。

除准确的脉冲电平外，更新的技术要求复杂的、可以简便调节的波形，而不只是一个标准方形脉冲。例如，ReRAM器件测试通常要求脉冲上扫/下扫廓线，同时测量电流。FeRam测试要求PUND ( 正、上、负、下 ) 四脉冲序列。PRAM (相变内存) 测试要求能够扫描几乎任何脉冲参数，如扫描RESET-measure-SET-measure多脉冲波形中四个脉冲之一的下降时间。所有这些内存技术都要求能够输出多脉冲波形，其中包括任意波形段，且每个波形中包括多项测量。耐受性测试要求能够迅速输出复杂的任意波形，而不需要额外的设置时间或开销。这要求进一步把更新的脉冲仪器功能与传统二电平脉冲发生器分开。

脉冲定时参数，如测试器件中的上升时间、下降时间和脉冲宽度，仍将具有非常重要的意义，特别是整体发展趋势是脉冲传送速度越来越快，脉冲宽度则正从100ns下降到<10ns。对某些技术来说，如PRAM，下降时间是确定怎样进行RESET重设操作的一个关键参数。这个参数非常重要，因为传统脉冲发生器的上升 / 下降时间范围一般有限，比如不允许同时有20ns的上升时间和2ms的下降时间。一般来说，脉冲宽度越短越好，跃变时间越快越好，但实际上会由于典型互连阻抗、测量限制和仪器折衷等因素而有很多限制。

新兴NVM技术，如前面讨论的变相和铁电方法，正驱动着对动态的同时进行超快速电流和电压测量的需求。4225-PMU/4225-RPM相结合，可以同时进行电压测量和电流测量，在材料的动态电阻代表着信息存储物理机制的电气特点时，这一点非常重要。

按尺寸缩小趋势导致器件正变得越来越小。这种趋势要求在脉冲传送的同时测量更小的电流，这要求电流测量中使用某种前置放大器。为最大限度地缩小电缆电容的寄生效应，更好地控制到测试器件的能量，远程脉冲放大器可以带来明显优势，它可以连接15-25厘米(6-10英寸)范围内的DUT。这对相变内存(PCM)和ReRAM表征尤为重要。

表1. NVM技术重要测试参数汇总表

1. 1T1R = 内存单元包括一个晶体管和一个电阻器，晶体管提供单元控制和接入功能。

2. 1T1C = 内存单元包括一个晶体管和一个电容器，晶体管提供单元控制和接入功能。

电流一致性或电流控制对某些NVM技术测试具有重要意义，如ReRAM和PRAM。通常来说，这使用DC仪器完成，有时在自定义脉冲设置中实现。DC仪器中的电流限定是否对电流提供足够快的控制功能来满足典型要求，这一点并不明确。对脉冲电流控制，电流控制模块安装到距测试器件要尽可能近，以避免电流可能从连线的寄生电容放电到测试器件中。

为简化和加快测试，必需在脉冲和DC仪器之间切换。在耐受性测试中，为在闪存编程/擦除周期中浮动连接，开关速度必须足够快 (10-100ms)，因为开关必须发生在编程和擦除脉冲之间，以支持数量非常大的压力波形。应通过脉冲发生器直接控制这类开关，其位于脉冲仪器内部，可进行快速控制。一般来说，这种开关由固态继电器 (SSR) 针对每条脉冲通道执行。

通道同步对NVM测试必不可少，其要求多个脉冲源和测量通道。两条通道对PRAM和ReRAM表征足够了，以在两端子器件两侧进行输出和测量。对采用晶体管作为接入器件的NVM，可能要求三条或四脉冲I-V通道。在闪存中，需要两条或四条通道。传统脉冲仪器很难同步，因为有各种触发同步方法，每种方法都有相关的不同复杂度 / 触发性能矛盾。现代脉冲I-V仪器提供了内部触发路由和自动同步功能，以及集成测量功能。

如前所述，不同的NVM技术拥有的测量需求略微不同。表1汇总了部分内存技术使用的重要测试参数。

4225-PMU超快速I-V模块（图2）是4200A-SCS使用的一种单插槽仪器卡，它有两条电压脉冲源通道，每条通道有集成的同步实时电流和电压测量功能。测量分成两类：采样和均值。采样类型用来捕获基于时间的电流和电压波形，这些波形对了解瞬态或动态特点至关重要。均值类型为I-V表征提供了类似DC的电流和电压测量。实时采样功能对于在单个波形中捕获NVM 材料的瞬态特点至关重要，因为应用重复的波形会导致内存开关行为，甚至损坏材料本身。

图2. 4225-PMU超快速I-V模块和两个4225-RPM远程放大器/开关模块

4225-RPM远程放大器/开关是一种选配产品，是对4225-PMU的补充。这个小盒子位于DUT附近，提供了许多 NVM 材料和技术表征必需的较低的电流测量范围。此外，4225-RPM为4200A-SCS的源测量单元 (SMUs) 和CVU信号提供了开关功能，支持高分辨率DC测量和C-V测量。4225-RPM是一种单通道设备，因此要求两个4225-RPM模块，以匹配4225-PMU的两条通道。4225-RPM模块设计成位于测试器件附近(≤30cm或1英尺)，以最大限度减少线缆影响，提供改善的脉冲形状和高速测量。

PMU/RPM组合为表征现有的和新兴的上述NVM技术提供了测试功能。图3是4225-PMU的方框图。注意两条通道同时有电流测量和电压测量 (每条通道两个模数转换器)。每条通道可以独立提供±10V或±40V (到高阻抗)。图4是4225-RPM的方框图：左侧注意输入来自4200A-SCS机箱，右侧注意输出到DUT。上半部分 (蓝线、红线、深绿线) 是4225-RPM的开关部分。注意SMU和CVU通路全程支持4线连接。底部附近较细的绿线表示各种脉冲电流测量范围。

每条 4225-PMU通道有两种源范围。10V源范围可以输出-10V~+10V (20V幅度) 到高阻抗，覆盖大多数现代NVM方案。为测试现有的浮栅浮栅闪存或早期未优化的要求更高电压的新兴材料，4225-PMU还有一个40V范围，输出-40V~+40V (80V幅度)到高阻抗。

图3. 4225-PMU方框图。通过使用RPM1和RPM2连接，可以使用4225-PMU及两个4225-RPM。SSR显示了固态中继器，其用于高阻抗模式，通过Fowler-Nordheim隧道在闪存器件上执行编程或擦除操作

图4. 4225-RPM方框图。4225-RPM既是一个用于高速电流测量的电流前置放大器 (在脉冲模式下)，也是用来为4200A-SCS机箱中其他仪器选择脉冲I-V、SMU或C-V测量模式的开关。

由于两个源量程都是双极，所以可以同时表征单极和双极内存技术。

4225-PMU有两条通道，每条通道有两个模数转换器，同时采样电压和电流。通过两条通道，可以同时输出脉冲到器件的栅极和漏极，同时在两条通道上采样电压和电流，捕获DUT的动态响应。如果要求两条以上脉冲I-V通道，多张4225-PMU卡可以安装在一个机箱中，所有通道将自动同步到±2ns以内。这种同时同步测量对了解NVM材料和器件的开关特点至关重要。

4225-RPM增加了从10mA直到100nA的测量范围，允许对小电流进行瞬态分析，而小电流是开关状态的特点。此外，RPM拥有切换、功能，允许把SMU仪器或C-V信号路由到测试器件。

4225-PMU有两条独立通道，定时参数可以从20ns到40s调节。最短脉冲是40ns (FWHM, 全宽半最大脉冲幅度)，但要求更宽的脉冲测量更小的电流。

通过使用Segment ARB^®功能把多个线性段 (电压相对于时间关系) 链接起来，可以创建多电平或多脉冲波形。每条通道最多有2048个段，可以用在一个序列中或用在多个序列中。一个序列是一个可以循环的一组片段的集合，一般从测量序列和循环序列中提供压力。

测量是逐段进行的，因此只收集要求的数据，最大限度地使用可用的采样存储内存，与高端示波器中提供的分段内存功能类似。此外，提供了两种测量：采样和均值。采样类型用来捕获基于时间的信号，适合通过评估脉冲形状特点，来捕获瞬态特点，验证连接是否正确。均值测量类型则用来测量I-V特点。这两种类型都可以逐通道应用到整个段、部分段或波形中所有段。

图5. 闪存编程和擦除波形：两种脉冲，三种电平。传统脉冲发生器只能输出两电平脉冲，因此闪存测试对每项测试要求两条脉冲通道，并要求一个耗时的开关对测试器件应用第二个 (负) 脉冲。注意这个设置只适用于一个器件端子。对栅极和漏极上的典型脉冲传送，必须重复这一设置。

在一个波形内能够输出几十或几百个唯一的脉冲，较传统脉冲仪器缩短了测试时间，后者只能在两个脉冲电平之间传送脉冲。传统浮栅浮栅闪存使用两条脉冲通道，为一个测试器件端子创建由三个电压电平组成的两脉冲波形 (图5)。此外，它在脉冲发生器和DUT之间要求一个外部开关，把每个脉冲交替路由到端子上。这个外部开关增加了复杂性和成本，最重要的是，提高了测试时间。同时脉冲传送栅极和漏极要求4条脉冲通道和2组开关。图6显示了测试相变内存使用的比较复杂的波形。波形上的红框表示测量。注意整个波形由4个宽度和高度变化的脉冲组成，是由一条4225-PMU通道输出的，其中使用了最多2048个段中的16个段。

图6. 多电平脉冲波形由16个线性电压段 (灰色数字) 和4个测量 (红框) 组成。新型脉冲源硬件可以创建多段电压波形，在一个波形内部提供多个脉冲，并增加集成电压和电流采样 (图中未画出)。

图7显示了使用两个4225-RPM远程放大器/开关连接两端子器件的整体方法。4225-RPM是双通道4225-PMU超快速I-V模块的一个选配项目，对NVM表征必不可少。对范例nvm项目中的器件（本应用指南后面将展开讨论），图中画出了具体互连图。注意NVM器件的接地连接，其在使用晶体管作为选择器件的内存单元上通常必不可少，其应连接到本地屏蔽层，每条通道的屏蔽层应连接在一起 (图8)。这些屏蔽连接对保证快速跃变要求的相对较高的带宽及当今新兴NVM技术要求的窄脉冲非常重要。

可以使用一条通道连接两端子器件，器件低侧连接到屏蔽层或通道的接地回路。这是测试简单的两端子器件使用的传统方式，对DC表征是合理的。但是，由于脉冲过程中的瞬态效应，在两端子器件上使用两条通道可以改善结果。如需进一步信息，请参见“优化测量”部分。

图7. 连接两端子测试器件

图8. 使用两个4225-RPM连接4端子测试器件

Clarius软件带有一套NVM表征使用的范例项目。可以使用Memory过滤器在Project Library项目库中找到这四个范例项目。图9是闪存器件项目浮栅非易失性内存表征项目的截图。这些项目为闪存、PRAM、FeRAM 和ReRAM器件提供了测试和数据，演示了4200A-SCS特别是 225-PMU及4225-RPM的功能。4225-PMU/4225-RPM相结合，提供了基础脉冲和瞬态I-V测试功能，可以考察和表征各种NVM材料和器件。下面简要介绍了用户模块。

图9. 浮栅非易失性内存表征项目截图

范例项目中的测试是为每种内存类型量身定制的，但共享底层方法，最大限度地减少适应其他NVM材料或器件类型要求的工作量。项目中使用的所有测试都包含在nvm用户程序库中 (表2)。这些模块用于范例项目中，但它们也可以添加到另一个项目中。如果要求额外的功能或测试类型，4200A-SCS带有模块源代码，可以使用吉时利用户程序库工具 (KULT) 及选配汇编程序 (订购编号：4200-Compiler) 进行修改。

表2. nvm用户程序库中的用户模块

闪存单元是NVM的主要类型，因为它们是在MOSFET晶体管基础上实现的，拥有标准源极、栅极 (实际上是控制栅或CG)、漏极和衬底偏置电位 / 基底连接 (图12)。通过栅极氧化物和热载流子注入的Fowler-Nordheim电流隧道，代表着存储及从浮栅中移除电荷使用的两种标准方法 (图10)。这些方法是标准 (非 NVM) MOSFET晶体管的劣化机制，这也说明了闪存的耐受性有限。由于 NVM 市场以闪存为主，因此这是业内正在这一领域积极开展研发工作^{[3, 4]} 。

图10. 闪存结构，显示了Fowler-Nordheim隧道的编程和擦除条件

初始闪存表征通常要确定电压脉冲高度和脉冲宽度等相应值，为编程和擦除状态提供目标阈值。传统闪存单元都是1比特 (1/0)，而大多数现代闪存每个单元采用两个或三个比特，对应4个或8个唯一的VT电平。VT电平数量不断提高，要求更加精确的脉冲电平性能和更高的脉冲电压。

图11. 浮栅非易失性内存表征项目中的闪存器件测试

闪存器件项目浮栅非易失性内存表征项目 (图11) 中有7项测试。这些测试支持独立式NAND或NOR单元，其中三项测试测量闪存晶体管的VT，两项测试应用编程或擦除脉冲，一项是耐受性测试。图12是独立式闪存内存单元的连接图。在这些测试中，只使用两条脉冲I-V通道，因此源极和衬底偏置电位都连接到4225-RPM屏蔽层上。这些测试要求以下硬件：

•   4200A-SCS

•  两个或多个SMU仪器，中等功率4200-SMU或高功率4210-SMU

•  一个4225-PMU及两个4225-RPM

图12. 连接4端子浮栅浮栅闪存器件

图13. 使用4225-PMU及4225-RPM在NAND单元上获得的Program脉冲的脉冲电流和电压波形。注意脉冲跃变期间的电容充电和放电电流 (说明请参见“优化测量”)。本图来自Flash program测试 ( 用户模块flashProgramErase)。

三项 V_T测试相同，使用两个SMU仪器测量闪存晶体管的V_T 。编程和擦除测试应用脉冲波形，编程和擦除独立式闪存单元。由于4225-PMU已经集成了高速采样，所以编程和擦除测试还捕获电压和电流波形 (图13)。这两项测试都使用Fowler-Nordheim隧道，执行电荷传递，因此漏极电压 = 0V，图表中只显示了栅极电压和电流。但是，每项测试中都会同时测量栅极和漏极电流和电压，因此在需要时也可以显示。

在脉冲输出的同时测量电流在以前是不可行的。因为隧道电流对应用的电压是非线性的，所以测得的电流提供了电压与为编程或擦除提供充足电场的接近程度有关的额外信息。瞬态电流提供了与动态电流流动和整体电荷传送有关的信息。可以把瞬态电流和电压信息与基于DC的VT结果关联起来，进一步了解编程和擦除流程，这种流程对不同的结构、维度和材料可能都是唯一的。vt-programmed和vt-erased测试提供了编程和擦除脉冲结果 (图14)。

最后一项测试是耐受性，其中以提高的对数间隔应用编程+擦除波形，然后测量和绘制编程和擦除VT图(图15)。

NAND或NOR浮 栅 器 件 测 试 有 三 个 模 块：flashProgramErase、vt_ext 和 flashEndurance。flashProgramErase 模块应用一个脉冲波形，其可以是编程脉冲，也可以是擦除脉冲，还可以是两者。vt_ext模块使用SMU仪器执行V_G -I_D扫描，提取阈值电压。flashEndurance模块应用数量不断提高的编程 + 擦除波形，同时定期测量 (按应用波形数量的对数间隔) 编程和擦除电压阈值，并绘制图表。

为进行初始表征，为编程和擦除确定相应的脉冲参数，flashProgramErase和vt_ext模块允许调节脉冲参数，然后使用 SMU 仪器测量电压阈值。注意，可以使用4225-RPM 开关功能对器件交替应用脉冲或 SMU 仪器电压，因此不要求重新布线。

flashProgramErase模块使用4225-PMU和4225-RPM输出单脉冲，或使用4225-PMU的SegmentARB功能输出双脉冲波形。这个模块支持 4225-PMU的两条通道，因此可以为栅极和漏极输出唯一的脉冲电压。这个模块还可以为诊断目的测量波形，如检验脉冲形状性能和正确的电压电平。

图14. VT扫描，使用SMU从vt-erased测试(用户模块vt_ext)中获得编程和擦除的单元。在这个图中，编程后和擦除后的VT差约为 180mV。

图15. 来自闪存耐受性测试 (用户模块flashEndurance) 的NANDw存耐受性结果

表3列出了flashProgramErase模块的输入参数。这个模块同时包括栅极和漏极编程和擦除脉冲设置。它同时使用4225-PMU的两条通道，一条通道连接一个4225-RPM (图12)。这个模块定义和输出编程和擦除波形，如图16所示。如果想在发送编程和/或擦除脉冲后测量电压阈值，可以使用vt_ext模块，如下一节所述。

表3. flashProgramErase模块中的参数

图16. flashProgramErase模块的波形参数

如果只想要一个脉冲，可以把其他脉冲电平都设置成0。例如，如果不想要擦除脉冲，那么设置成 drainE=gateE = 0。这将令波形的擦除部分保持在 0V。

对Fowler-Nordheim隧道，通常漏极电压为0V，只是把栅极脉冲 (gateP) 设置成把电荷推送到浮栅 (gateP =+V) 或从浮栅中清除电荷 (gateE = -V)。对热载流子注入方法，漏极电压为正，在通道中创建必要的场，以创建热载流子。

表4列出了vt_ext模块的输入参数。这个模块执行V_GS -I_D扫描，使用最大gm方法返回晶体管阈值电压，其中阈值电压定义为：

V_T = V_{G MAX} - I_{D MAX} /g_{m MAX} - 1/2 * V_DS

V_{G MAX}是最大栅极电压。

I_{D MAX}是最大漏极电流。

g_{m MAX}是最大g_m时的转导 (g_m)。

表4. vt_ext模块中的参数

V_T扫描中的点数由vgs_pts和ids_pts、gm_pts设置。注意这三个参数都要设置成相同的值 (vgs_pts = ids_pts = gm_pts)。

一般来说，30点扫描足可以获得可靠的VT。注意，这个模块假设DrainSMU连接到RPM2上，GateSMU 连接到RPM1上。如图12所示，测试器件源极和衬底偏置电位连接到RPM屏蔽层，因此vt_ext中相应的设置为SourceSMU = BulkSMU = “”。

表5列出了flashDurance模块的输入参数。这个模块可以同时设置栅极和漏极编程和擦除脉冲及压力循环的最大数量。它同时使用4225-PMU的两条通道，每条通道连接一个4225-RPM (图12)。这个模块向测试器件输出一定数量 (max_loops) 的编程和擦除波形 ( 图16)。这个模块使用来自 max_loops的log10压力数量及iteration_size中所需数量的迭代，确定对每个压力间隔应用多少个编程 + 擦除脉冲波形。在每个压力间隔后，将运行vt_ext，一次在应用编程脉冲后，一次在擦除后。注意iteration_size、vtE_size和vtP_size的值必须相同 (iteration_size = vtE_size = vtP_size)。

表5. flashDurance模块中的参数

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