用 Keysight B1530A 表征闪存单元的 1μs IV 特性应用指南

[{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202304/8242dc5954fe718d.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"引言"},{"insert":" \n大量采用存储器的电子设备，如 MP3 音乐播放器，数码相机，第三代 (3G) 移动电话，以及用固态存储器逐步取代硬盘，都在持续推动着闪存市场的增长。这一增长要求改进存储器密度，从而降低分摊到每一比特的成本。为同时满足高密度和更快程序执行速度的要求，内存制造商正越来越多地采用多比特或多电平单元 (MLC) 存储器技术。 \n为什么闪存单元要求高速 IV 表征 ? \nMLC 要求在有限电压范围内存在多个编程状态。因此需要通过精确控制阈值电压 (Vth) 保持相邻状态间有足够的边际，从而能够正确读取存储器单元的状态 ( 见图 1)。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202304/72588498b3a15867.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 1. 多电平单元的 Vth 分布"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"一般来说，所使用的编程和验证 (P&V) 方案要能够压缩不同状态的 Vth 分布，并保持足够边际以便正确读出状态 (请见图 2)。由于验证是在编程后立即进行，因此在编程后正确评估漏极/源极电流特性是非常重要的。如果 P&V 方案已经验证了 Vth 在目标范围内，之后存储器单元的 Vth 又有漂移，那么P&V 方案也许不能产生预期的结果，Vth 有可能超过要求的界限。因此，重要的是要验证漏极/源极电流在编程后是稳定的。此外，由于 P&V 方案在各存储器单元目标 Vth 实现前的迭代，快速编程执行 MLC 也是重要的。 \n提高总编程执行速度的另一方法是多个存储器单元并行执行编程，这就要求编程执行期间严格控制和限制流入存储器单元的电流。 \n精确控制 Vth 和更快编程执行是目前面临的新的参数测量挑战，比如在编程脉冲施加期间和之后需要进行高速的电流采样测量。由于闪存单元的编程执行速度在数十微秒的量级，因此高速电流的测量需要达到高于1 μs 的采样率。 \n除了精确控制 Vth 外，随着器件尺寸的减小，必须十分关注闪存中的随机电报噪声 (RTN) 或随机电报信号(RTS) 噪声。RTS 噪声示出漏极电流中的随机波动，人们通常认为它是源于对单个电子的电荷捕获和释放 (请见图 3)。RTS 噪声也扩宽了闪存单元的 Vth 分布，并在多次编程/擦除 ( P/E) 周期后增大。最坏的情况可导致读取失败 (给予存储单元不正确的状态)，在45 nm及以上的先进生产流程节点中，这一失效模式尤为显著。因此评估闪存单元的 RTS 噪声特性，对于先进生产流程节点中保持所制造 MLC 有足够的Vth 边际是极为重要的。 \n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202304/8b17470a40b80444.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 2. 编程和验证 (P&V) 方案 "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202304/05a1ee29de41cda7.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"B1530A 特性"},{"insert":"\nKeysight B1500A 半导体器件分析仪包括新的 Keysight B1530A 波形发生器/快速测量单元 (WGFMU) 模块，该模块提供与快速电流或电压 (IV) 测量能力相同步的任意线性波形产生 (ALWG) 功能。 \n每块 WGFMU 模块上有2 个通道，B1500A 主机最多可安装 5 块 WGFMU 模块。WGFMU 的每一通道有 4 个电压施加量程: -3 V 至3 V，-5 V 至 5 V，-10 V至0 V 和0 V 至 10 V。以 5 ns 采样率进行高速电流测量的可用电流测量量程有1 μA，10 μA，100 μA，1 mA和10 mA。 \n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202304/ba6d5717b8bbfb5a.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 4. WGFMU 通道的等效电路图—各种仪器都在同一模块中"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"为什么WGFMU 模块是评估MLC 的理想解决方案 "},{"insert":"\nWGFMU 的 ALWG 功能不仅能产生 DC 电压，还能产生各种的 AC 电压波形，如具有 10 ns 可编程分辨率的矩形波，斜波，梯形波和阶梯波。因此 WGFMU 通道可在多电平闪存单元端子上同步施加多个任意波形。请注意评估中所施加波形的精确形状取决于被评估的器件类型(请见图 5 和图 6)。 \n除了给人以深刻印象的 ALWG 能力外，WGFMU 还能以1μs以上的采样率将高速 IV 测量与这些波形同步。其它测量设置，如测量量程和平均时间等均能以先进 MLC 要求的 10 ns编程分辨率设定。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202304/4a9ea433ad6a7af1.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 5. 评估闪存单元"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202304/357d7ec273ae6b4c.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 6. WGFMU 波形例子"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"通过组合 B1530A 的这些功能，就有能力在高速采样率下表征编程脉冲信号输入期间和之后闪存单元的漏极/源极电流特性。从而 WGFMU 能用1μs 以上的采样率评估微安级电流(请见图 7)。 \nWGFMU 也能与 RTS 数据分析工具一起，用它的快速IV 测量功能评估闪存单元的 RTS 特性 (请见图8)。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202304/bb0471edc9bb23e9.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图7. 用500 ns 采样率进行Id 测量"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202304/23b611d77815ebc4.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 8. 使用 RTS 数据分析工具得到的随机电报信号 (RTS) 噪声"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"集所有功能于一体的解决方案"},{"insert":"\n到目前为止，人们已经用现有仪器和用户开发的软件建立了评估闪存单元编程执行期间和其后漏极/源极电流特性的解决方案，如图 9 所示。可以想见这样的方案既复杂又不可靠，并且难以获得精确和稳定的测量结果。 \n另一方面，由于 WGFMU 模块是集所有功能于一体的解决方案，它能容易、精确地进行高速IV 测量，并且不需要任何复杂的装配和校准。WGFMU 还能同步测量漏极电流和源极电流，而基于仪器的解决方案却只能测量漏极电流。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202304/96aee35f1dc1cb62.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 9. 传统的集成系统 "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"结论"},{"insert":" \n这篇应用指南说明如何用 B1500A 的新 WGFMU 模块解决闪存单元高速IV 表征所面临的测量挑战。这些困难的测量包括 P/E 期间与其后的漏极/源极电流测量，以及进行 RTS 噪声特性表征。 \nWGFMU 具有与其 ALWG 功能输出波形相同步的精确高速 IV 测量能力。WGFMU是集所有功能于一体的解决方案，它支持评估漏极/源极电流特性，并可替代庞杂的仪器解决方案 (如脉冲发生器，示波器和外部 IV 转换器)。此外，WGFMU 的高速 IV 测量能力也可用于执行闪存单元的精确 RTS 噪声测量表征。\n \n（内容来源于网络，侵删）\n"}]