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、MP3播放器和智能手機對非易失性內(nèi)存 (NVM) 不斷增長的需求。但是，消費電子行業(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提供更高的存儲功能，而每比特更低成本則是驅(qū)動NVM市場發(fā)展的根本性要求[1] 。浮柵方法可能會“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。

對更多材料和技術(shù)的廣泛研究，要求電氣測試系統(tǒng)既要擁有寬動態(tài)范圍，也要擁有靈活的參數(shù)控制功能。本期將回顧NVM簡史，概括介紹了NVM材料和器件電氣表征要求的測試參數(shù)，闡述了4225-PMU超快速I-V模塊及4225-RPM遠程放大器/開關(guān)的功能，這是用于吉時利4200A-SCS參數(shù)分析儀專門設(shè)計的兩種儀器選項。4225-PMU/4225-RPM相結(jié)合，集成了在每條通道上同時進行電流測量和電壓測量功能，與以前的硬件相比，大大簡化了考察瞬態(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)信號域和I-V域表征內(nèi)存器件的開關(guān)機制。在討論新興測試要求后，本指南將概括介紹NVM項目、測試以及浮柵浮柵閃存、相變單元、鐵電單元器件和阻變存儲器的測試參數(shù)。

NVM簡史

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)，以確定其對內(nèi)存產(chǎn)品應(yīng)用的適用性。

除了NVM在便攜式消費電子器件中的傳統(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)有閃存和動態(tài)內(nèi)存 (DRAM) 的“通用”內(nèi)存，驗證了大學(xué)及半導(dǎo)體機構(gòu)和企業(yè)的長期研究成果[2] 。

圖1. 各種非易失性內(nèi)存器件

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

?  基于可以預(yù)測的擴充能力，成本越來越低，密度越來越高

?  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

?  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。將來可能會有多種NVM技術(shù)，滿足每種產(chǎn)品類型或品類的不同要求。事實上，2010年“半導(dǎo)體國際技術(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)，對測試器件交替應(yīng)用DC或脈沖信號。偶爾會使用示波器，在被測器件 (DUT) 上檢驗脈沖保真度 ( 脈沖寬度、過沖、脈沖電壓電平、上升時間、下降時間 )。測量脈沖具有重要意義，因為閃存狀態(tài)對脈沖電壓電平相當(dāng)靈敏。然而，即使在科研中，示波器的使用也相對很少，因為示波器測量要求的設(shè)置與脈沖源/DC測量方法并不相同。雖然也能使用示波器來表征閃存，但測量瞬態(tài)電流的復(fù)雜性，意味著只能在脈沖傳送時才能獲得電壓測量。

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

新儀器為科研人員提供了額外的數(shù)據(jù)，可以用更少的時間更好地了解NVM材料和器件特點。應(yīng)用脈沖，同時使用高速采樣技術(shù)測量電壓和電流，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)存特點方面都有著獨特之處。但是，對這些方法進行整體電氣表征時，很多重要的測試參數(shù)和方法都是相同的。這種共性意味著可以使用一臺測試儀器，來表征各種內(nèi)存技術(shù)和器件。電氣表征對更好地了解底層技術(shù)的物理特點至關(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，來測試開關(guān)特點。脈沖傳送及同時測量提供了必要的數(shù)據(jù)，可以了解開關(guān)機制的動態(tài)特點。不同材料的說法不盡相同，例如，編程/擦除、設(shè)置/重設(shè)和寫入/擦除都用來指明比特1或0的基礎(chǔ)存儲。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)共同的重要測試參數(shù)。

常用NVM測試參數(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，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測試中最重要的參數(shù)之一，因為內(nèi)存狀態(tài)開關(guān)特點是非線性的 (例如：Fowler-Nordheim電流，相位變換)，因此這些器件對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、過沖和下沖指定。使振鈴、過沖和下沖達到最小，對脈沖儀器設(shè)計至關(guān)重要?，F(xiàn)代脈沖I-V系統(tǒng)可以提供3%或以下的過沖和振鈴指標(biāo)。但是，必需知道，測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、可以簡便調(diào)節(jié)的波形，而不只是一個標(biāo)準(zhǔn)方形脈沖。例如，ReRAM器件測試通常要求脈沖上掃/下掃廓線，同時測量電流。FeRam測試要求PUND ( 正、上、負、下 ) 四脈沖序列。PRAM (相變內(nèi)存) 測試要求能夠掃描幾乎任何脈沖參數(shù)，如掃描RESET-measure-SET-measure多脈沖波形中四個脈沖之一的下降時間。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，且每個波形中包括多項測量。耐受性測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)置時間或開銷。這要求進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。

脈沖定時參數(shù)，如測試器件中的上升時間、下降時間和脈沖寬度，仍將具有非常重要的意義，特別是整體發(fā)展趨勢是脈沖傳送速度越來越快，脈沖寬度則正從100ns下降到<10ns。對某些技術(shù)來說，如PRAM，下降時間是確定怎樣進行RESET重設(shè)操作的一個關(guān)鍵參數(shù)。這個參數(shù)非常重要，因為傳統(tǒng)脈沖發(fā)生器的上升 / 下降時間范圍一般有限，比如不允許同時有20ns的上升時間和2ms的下降時間。一般來說，脈沖寬度越短越好，躍變時間越快越好，但實際上會由于典型互連阻抗、測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)動著對動態(tài)的同時進行超快速電流和電壓測量的需求。4225-PMU/4225-RPM相結(jié)合，可以同時進行電壓測量和電流測量，在材料的動態(tài)電阻代表著信息存儲物理機制的電氣特點時，這一點非常重要。

按尺寸縮小趨勢導(dǎo)致器件正變得越來越小。這種趨勢要求在脈沖傳送的同時測量更小的電流，這要求電流測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)，更好地控制到測試器件的能量，遠程脈沖放大器可以帶來明顯優(yōu)勢，它可以連接15-25厘米(6-10英寸)范圍內(nèi)的DUT。這對相變內(nèi)存(PCM)和ReRAM表征尤為重要。

表1. NVM技術(shù)重要測試參數(shù)匯總表

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

2. 1T1C = 內(nèi)存單元包括一個晶體管和一個電容器，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某些NVM技術(shù)測試具有重要意義，如ReRAM和PRAM。通常來說，這使用DC儀器完成，有時在自定義脈沖設(shè)置中實現(xiàn)。DC儀器中的電流限定是否對電流提供足夠快的控制功能來滿足典型要求，這一點并不明確。對脈沖電流控制，電流控制模塊安裝到距測試器件要盡可能近，以避免電流可能從連線的寄生電容放電到測試器件中。

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

通道同步對NVM測試必不可少，其要求多個脈沖源和測量通道。兩條通道對PRAM和ReRAM表征足夠了，以在兩端子器件兩側(cè)進行輸出和測量。對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，因為有各種觸發(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)路由和自動同步功能，以及集成測量功能。

如前所述，不同的NVM技術(shù)擁有的測量需求略微不同。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時電流和電壓測量功能。測量分成兩類：采樣和均值。采樣類型用來捕獲基于時間的電流和電壓波形，這些波形對了解瞬態(tài)或動態(tài)特點至關(guān)重要。均值類型為I-V表征提供了類似DC的電流和電壓測量。實時采樣功能對于在單個波形中捕獲NVM 材料的瞬態(tài)特點至關(guān)重要，因為應(yīng)用重復(fù)的波形會導(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4225-RPM遠程放大器/開關(guān)模塊

4225-RPM遠程放大器/開關(guān)是一種選配產(chǎn)品，是對4225-PMU的補充。這個小盒子位于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量范圍。此外，4225-RPM為4200A-SCS的源測量單元 (SMUs) 和CVU信號提供了開關(guān)功能，支持高分辨率DC測量和C-V測量。4225-RPM是一種單通道設(shè)備，因此要求兩個4225-RPM模塊，以匹配4225-PMU的兩條通道。4225-RPM模塊設(shè)計成位于測試器件附近(≤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)提供了測試功能。圖3是4225-PMU的方框圖。注意兩條通道同時有電流測量和電壓測量 (每條通道兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。每條通道可以獨立提供±10V或±40V (到高阻抗)。圖4是4225-RPM的方框圖：左側(cè)注意輸入來自4200A-SCS機箱，右側(cè)注意輸出到DUT。上半部分 (藍線、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。底部附近較細的綠線表示各種脈沖電流測量范圍。

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40V范圍，輸出-40V~+40V (80V幅度)到高阻抗。

圖3. 4225-PMU方框圖。通過使用RPM1和RPM2連接，可以使用4225-PMU及兩個4225-RPM。SSR顯示了固態(tài)中繼器，其用于高阻抗模式，通過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既是一個用于高速電流測量的電流前置放大器 (在脈沖模式下)，也是用來為4200A-SCS機箱中其他儀器選擇脈沖I-V、SMU或C-V測量模式的開關(guān)。

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

瞬態(tài)測量和多通道同步

4225-PMU有兩條通道，每條通道有兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時采樣電壓和電流。通過兩條通道，可以同時輸出脈沖到器件的柵極和漏極，同時在兩條通道上采樣電壓和電流，捕獲DUT的動態(tài)響應(yīng)。如果要求兩條以上脈沖I-V通道，多張4225-PMU卡可以安裝在一個機箱中，所有通道將自動同步到±2ns以內(nèi)。這種同時同步測量對了解NVM材料和器件的開關(guān)特點至關(guān)重要。

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

脈沖躍變和多電平波形

4225-PMU有兩條獨立通道，定時參數(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量更小的電流。

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

測量是逐段進行的，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，提供了兩種測量：采樣和均值。采樣類型用來捕獲基于時間的信號，適合通過評估脈沖形狀特點，來捕獲瞬態(tài)特點，驗證連接是否正確。均值測量類型則用來測量I-V特點。這兩種類型都可以逐通道應(yīng)用到整個段、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，因此閃存測試對每項測試要求兩條脈沖通道，并要求一個耗時的開關(guān)對測試器件應(yīng)用第二個 (負) 脈沖。注意這個設(shè)置只適用于一個器件端子。對柵極和漏極上的典型脈沖傳送，必須重復(fù)這一設(shè)置。

在一個波形內(nèi)能夠輸出幾十或幾百個唯一的脈沖，較傳統(tǒng)脈沖儀器縮短了測試時間，后者只能在兩個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，為一個測試器件端子創(chuàng)建由三個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之間要求一個外部開關(guān)，把每個脈沖交替路由到端子上。這個外部開關(guān)增加了復(fù)雜性和成本，最重要的是，提高了測試時間。同時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量。注意整個波形由4個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個段中的16個段。

圖6. 多電平脈沖波形由16個線性電壓段 (灰色數(shù)字) 和4個測量 (紅框) 組成。新型脈沖源硬件可以創(chuàng)建多段電壓波形，在一個波形內(nèi)部提供多個脈沖，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4225-RPM遠程放大器/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模塊的一個選配項目，對NVM表征必不可少。對范例nvm項目中的器件（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)。這些屏蔽連接對保證快速躍變要求的相對較高的帶寬及當(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。這是測試簡單的兩端子器件使用的傳統(tǒng)方式，對DC表征是合理的。但是，由于脈沖過程中的瞬態(tài)效應(yīng)，在兩端子器件上使用兩條通道可以改善結(jié)果。如需進一步信息，請參見“優(yōu)化測量”部分。

圖7. 連接兩端子測試器件

圖8. 使用兩個4225-RPM連接4端子測試器件

使用Clarius軟件控制4225-PMU和4225-RPM進行NVM測試

Clarius軟件帶有一套NVM表征使用的范例項目。可以使用Memory過濾器在Project Library項目庫中找到這四個范例項目。圖9是閃存器件項目浮柵非易失性內(nèi)存表征項目的截圖。這些項目為閃存、PRAM、FeRAM 和ReRAM器件提供了測試和數(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測試功能，可以考察和表征各種NVM材料和器件。下面簡要介紹了用戶模塊。

圖9. 浮柵非易失性內(nèi)存表征項目截圖

范例項目中的測試是為每種內(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。項目中使用的所有測試都包含在nvm用戶程序庫中 (表2)。這些模塊用于范例項目中，但它們也可以添加到另一個項目中。如果要求額外的功能或測試類型，4200A-SCS帶有模塊源代碼，可以使用吉時利用戶程序庫工具 (KULT) 及選配匯編程序 (訂購編號：4200-Compiler) 進行修改。

表2. nvm用戶程序庫中的用戶模塊

閃存測試

閃存單元是NVM的主要類型，因為它們是在MOSFET晶體管基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，擁有標(biāo)準(zhǔn)源極、柵極 (實際上是控制柵或CG)、漏極和襯底偏置電位 / 基底連接 (圖12)。通過柵極氧化物和熱載流子注入的Fowler-Nordheim電流隧道，代表著存儲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晶體管的劣化機制，這也說明了閃存的耐受性有限。由于 NVM 市場以閃存為主，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)代閃存每個單元采用兩個或三個比特，對應(yīng)4個或8個唯一的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)存表征項目中的閃存器件測試

閃存器件項目浮柵非易失性內(nèi)存表征項目 (圖11) 中有7項測試。這些測試支持獨立式NAND或NOR單元，其中三項測試測量閃存晶體管的VT，兩項測試應(yīng)用編程或擦除脈沖，一項是耐受性測試。圖12是獨立式閃存內(nèi)存單元的連接圖。在這些測試中，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。這些測試要求以下硬件：

?   4200A-SCS

?  兩個或多個SMU儀器，中等功率4200-SMU或高功率4210-SMU

?  一個4225-PMU及兩個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 (說明請參見“優(yōu)化測量”)。本圖來自Flash program測試 ( 用戶模塊flashProgramErase)。

三項 VT測試相同，使用兩個SMU儀器測量閃存晶體管的VT 。編程和擦除測試應(yīng)用脈沖波形，編程和擦除獨立式閃存單元。由于4225-PMU已經(jīng)集成了高速采樣，所以編程和擦除測試還捕獲電壓和電流波形 (圖13)。這兩項測試都使用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，每項測試中都會同時測量柵極和漏極電流和電壓，因此在需要時也可以顯示。

在脈沖輸出的同時測量電流在以前是不可行的。因為隧道電流對應(yīng)用的電壓是非線性的，所以測得的電流提供了電壓與為編程或擦除提供充足電場的接近程度有關(guān)的額外信息。瞬態(tài)電流提供了與動態(tài)電流流動和整體電荷傳送有關(guān)的信息?？梢园阉矐B(tài)電流和電壓信息與基于DC的VT結(jié)果關(guān)聯(lián)起來，進一步了解編程和擦除流程，這種流程對不同的結(jié)構(gòu)、維度和材料可能都是唯一的。vt-programmed和vt-erased測試提供了編程和擦除脈沖結(jié)果 (圖14)。

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

閃存測試模塊

NAND或NOR浮 柵 器 件 測 試 有 三 個 模 塊：flashProgramErase、vt_ext 和 flashEndurance。flashProgramErase 模塊應(yīng)用一個脈沖波形，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，同時定期測量 (按應(yīng)用波形數(shù)量的對數(shù)間隔) 編程和擦除電壓閾值，并繪制圖表。

為進行初始表征，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 儀器測量電壓閾值。注意，可以使用4225-RPM 開關(guān)功能對器件交替應(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。這個模塊還可以為診斷目的測量波形，如檢驗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測試(用戶模塊vt_ext)中獲得編程和擦除的單元。在這個圖中，編程后和擦除后的VT差約為 180mV。

圖15. 來自閃存耐受性測試 (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)。這個模塊同時包括柵極和漏極編程和擦除脈沖設(shè)置。它同時使用4225-PMU的兩條通道，一條通道連接一個4225-RPM (圖12)。這個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，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時的轉(zhuǎn)導(dǎo) (gm)。

表4. vt_ext模塊中的參數(shù)

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

一般來說，30點掃描足可以獲得可靠的VT。注意，這個模塊假設(shè)DrainSMU連接到RPM2上，GateSMU 連接到RPM1上。如圖12所示，測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)。這個模塊可以同時設(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。它同時使用4225-PMU的兩條通道，每條通道連接一個4225-RPM (圖12)。這個模塊向測試器件輸出一定數(shù)量 (max_loops) 的編程和擦除波形 ( 圖16)。這個模塊使用來自 max_loops的log10壓力數(shù)量及iteration_size中所需數(shù)量的迭代，確定對每個壓力間隔應(yīng)用多少個編程 + 擦除脈沖波形。在每個壓力間隔后，將運行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)