【虹科案例】虹科脈沖發(fā)生器在半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用

非易失性存儲單元特點

存儲器研究的趨勢是開發(fā)一種稱為非易失性 RAM 的新型存儲器，它將 RAM 的速度與大容量存儲器的數(shù)據(jù)存儲相結(jié)合。幾年來有許多新單元類型的提議，例如 FeRAM（鐵電存儲器）、ReRAM（電阻式存儲器）、MRAM（磁阻式存儲器）、STT-MRAM（自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻存儲器）和 PCM（相變存儲器）。

這些類型的存儲器基于不同的物理原理改變材料的電導(dǎo)率，例如利用細電線形成或破壞成為材料堆、材料結(jié)構(gòu)從非晶到多晶的變化，或通過磁場的排列。在本應(yīng)用案例中，虹科將展示如何使用脈沖發(fā)生器測試 STT-MRAM 單元。

MRAM 存儲單元使用磁性隧道結(jié) (MTJ)，它由兩個薄絕緣體隔開的鐵磁體組成。如果兩個鐵磁體的磁場方向相同，則電子可以通過絕緣層從一個鐵磁體隧穿到另一個。第一個鐵磁體具有固定的磁場，而第二個鐵磁體的磁場可以通過施加電流脈沖來改變，因此反轉(zhuǎn)磁場方向會改變堆棧的導(dǎo)電性。

要編程或消除一個單元，需要通過堆棧施加電流脈沖；假定的磁場方向取決于電流脈沖方向。編程和擦除過程的效率取決于脈沖的持續(xù)時間和幅度，因此在這項技術(shù)的研究和開發(fā)階段，測試脈沖寬度和幅度的不同組合可能很有用：一個簡單的方法是使用脈沖發(fā)生器，允許改變寬度、幅度和重復(fù)率。

圖 1：用于編程或擦除單個單元的 SimpleRider PG 設(shè)置（脈沖特性：50 ns @ 3.3V）

圖2:用于編程或擦除單元數(shù)組的SimpleRider PG設(shè)置（脈沖特性:100 ns @ 3.3V）

圖 3：在本例中，脈沖發(fā)生器提供 50 ns @ 3.3V 的脈沖來模擬單元的編程或擦除。在第二個通道上，它提供 100 ns @ 3.3V 的脈沖來編程或擦除單元數(shù)組。

PCM記憶電池是基于硫系材料的非晶向晶相轉(zhuǎn)變，當(dāng)材料處于非晶相時電阻較高，而處于晶相時電阻較低。

為了對單元進行編程或擦除，必須改變材料的相位：一個大而低的電壓脈沖將相位從非晶態(tài)變?yōu)榫B(tài)，相反，一個短而高電壓的脈沖將相位從晶態(tài)變?yōu)榉蔷B(tài)。

如圖所示，脈沖振幅和寬度的控制是最基本的，虹科Pulse Rider PG-1000系列脈沖發(fā)生器提供 10 ps 的時間分辨率和 10 mV 的垂直分辨率。

應(yīng)用于非易失性 RAM 的新技術(shù)每天都需要更快的脈沖：虹科Pulse Rider系列具有低于 70 ps 的轉(zhuǎn)換時間和高達 5 Vpp 的振幅，是滿足這些需求的最佳選擇。

圖 4：窄脈沖 10ns @ 3.3V（復(fù)位脈沖）的SimpleRider PG 設(shè)置

圖5:“大”脈沖80ns @ 1.6V（設(shè)置脈沖）的SimpleRider PG設(shè)置

圖 6：在本例中，脈沖發(fā)生器提供 10 ns @ 3.3V 和 80 n @ 1.6V 的脈沖來模擬單元的擦除和編程。

MOSFET 測試

發(fā)展現(xiàn)代 MOSFET 晶體管，所面臨的挑戰(zhàn)是在 MOS 電容器中使用高 κ 材料作為電介質(zhì)，這在減少通過隔離器的漏電流方面具有優(yōu)勢，但同時也會由于電荷捕獲引起一些問題，如電壓閾值不穩(wěn)定，載流子通道遷移率下降，最終影響測試的可靠性。

當(dāng)晶體管處于“導(dǎo)通”狀態(tài)時會發(fā)生電荷俘獲，并且一點通道電荷會累積到隔離層中，從而產(chǎn)生改變閾值的內(nèi)置電位.電荷俘獲現(xiàn)象取決于柵疊層的各種物理參數(shù)，如厚度、介質(zhì)類型和技術(shù)工藝，還取決于柵電壓和脈沖占空比。很明顯，了解電荷俘獲機制對改進這項技術(shù)非常重要。這種現(xiàn)象的數(shù)量級從 1 μs 到幾十毫秒不等，因此直流測量是不可靠的，因此使用不同類型的脈沖 I-V 測量。所有類型的 Id Vg 測量都是通過偏置漏極端子和向柵極端子提供脈沖下獲得的，根據(jù)脈沖類型，可以將測量結(jié)果分為 3 個主要類別：

1

DCIdVg曲線：門極信號為直流電平，對多個偏置點重復(fù)測量得到曲線。這樣，結(jié)果取決于偏置引起的電荷俘獲效應(yīng)，這種測量方法對于為高速開關(guān)而開發(fā)的器件并不可靠。

2

Short Pulse IdVg 曲線：提供具有快速邊沿和納秒級寬度的脈沖，可以分析本端器件的響應(yīng)，因為電荷沒有時間積累到電介質(zhì)層中。最后，對不同的偏置點重復(fù)測量可以獲得曲線。這個測量方法沒有給出關(guān)于電荷俘獲現(xiàn)象的信息。

3

慢脈沖 IdVg 曲線：該技術(shù)僅提供具有斜坡邊緣的長脈沖（以微秒為單位）。如果斜坡足夠快，測量結(jié)果直接是器件的 IdVg 曲線，因為電荷沒有時間在 MOS 堆棧中累積。需要長脈沖來測量漏極電流隨時間的衰減，然后觀察俘獲電荷效應(yīng)，如果目標(biāo)是研究定義偏置點的電荷俘獲效應(yīng)，那么邊緣的轉(zhuǎn)換速率并不重要，重要的是上升邊沿非?？?。如果邊沿足夠快，則獲得的結(jié)果可直接與該偏置點的直流和短脈沖曲線相比較，因為在柵極電壓的前沿之后，漏極電流立即與從脈沖測量中獲得的電流相比較，然后漏極電流開始隨著時間下降，直到到達通過直流測量的值。通過研究開關(guān)應(yīng)力前后電荷俘獲效應(yīng)的增量，慢脈沖技術(shù)也可以用來預(yù)測用于開關(guān)的器件的壽命。

圖7:IdVg測量設(shè)置的基本方案。

圖8:不同測量解決方案之間的比較示例

虹科產(chǎn)品

虹科Pulse Rider PG-1000系列脈沖發(fā)生器可提供70 ps以下的快速邊沿，振幅可達5 Vpp，基線偏移量為+-2.5 V，脈沖寬度從300 ps到1 s，因此它是短脈沖和慢脈沖測試的理想儀器。Pulse Rider系列提供優(yōu)質(zhì)的信號完整性和最容易使用的觸摸屏顯示界面(SimpleRider)。脈沖的生成只需要幾次屏幕觸摸，其創(chuàng)新的硬件架構(gòu)提供了產(chǎn)生多個脈沖序列的可能性，如雙脈沖、三脈沖或四脈沖，具有完全獨立的定時參數(shù)。

圖9:屏幕UI“短脈沖”基線-1V，最大2V2(振幅3,2v)持續(xù)時間30 ns單模

圖10:用于短脈沖MOSFET表征的門脈沖示波器截圖

圖11:屏幕UI“慢脈沖”基線-1V，最大2V2(振幅3,2v)持續(xù)時間60 us單模

圖12:用于spct MOSFET表征的門脈沖示波器截圖

虹科測試測量團隊

虹科是在各細分專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的資源整合及技術(shù)服務(wù)落地供應(yīng)商。在測試測量行業(yè)經(jīng)驗超過17年的高科技公司，虹科與世界知名的測量行業(yè)巨頭公司Marvin Test、Pickering Interface, Spectrum, Raditeq等公司合作多年，提供領(lǐng)域內(nèi)頂尖水平的基于PXI/PXIe/PCI/LXI平臺的多種功能模塊，以及自動化測試軟件平臺和測試系統(tǒng)，通用臺式信號源設(shè)備，高速數(shù)字化儀，EMC和射頻測試方案等。事業(yè)部目前已經(jīng)提供覆蓋半導(dǎo)體、3C、汽車行業(yè)的超過25個大型和超大型自研系統(tǒng)項目。我們的解決方案已在汽車電子、半導(dǎo)體、通信、航空航天、軍工等多個行業(yè)得到驗證。此外，我們積極參與半導(dǎo)體、汽車測試等行業(yè)協(xié)會的工作，為推廣先進技術(shù)的普及做出了重要貢獻。至今，虹科已經(jīng)先后為全國用戶提供了100+不同的解決方案和項目，并且獲得了行業(yè)內(nèi)用戶極好口碑。