【虹科案例】虹科脉冲发生器在半导体行业中的应用

非易失性存储单元特点

存储器研究的趋势是开发一种称为非易失性 RAM 的新型存储器，它将 RAM 的速度与大容量存储器的数据存储相结合。几年来有许多新单元类型的提议，例如 FeRAM（铁电存储器）、ReRAM（电阻式存储器）、MRAM（磁阻式存储器）、STT-MRAM（自旋转移力矩磁阻存储器）和 PCM（相变存储器）。

这些类型的存储器基于不同的物理原理改变材料的电导率，例如利用细电线形成或破坏成为材料堆、材料结构从非晶到多晶的变化，或通过磁场的排列。在本应用案例中，虹科将展示如何使用脉冲发生器测试 STT-MRAM 单元。

MRAM 存储单元使用磁性隧道结 (MTJ)，它由两个薄绝缘体隔开的铁磁体组成。如果两个铁磁体的磁场方向相同，则电子可以通过绝缘层从一个铁磁体隧穿到另一个。第一个铁磁体具有固定的磁场，而第二个铁磁体的磁场可以通过施加电流脉冲来改变，因此反转磁场方向会改变堆栈的导电性。

要编程或消除一个单元，需要通过堆栈施加电流脉冲；假定的磁场方向取决于电流脉冲方向。编程和擦除过程的效率取决于脉冲的持续时间和幅度，因此在这项技术的研究和开发阶段，测试脉冲宽度和幅度的不同组合可能很有用：一个简单的方法是使用脉冲发生器，允许改变宽度、幅度和重复率。

图 1：用于编程或擦除单个单元的 SimpleRider PG 设置（脉冲特性：50 ns @ 3.3V）

图2:用于编程或擦除单元数组的SimpleRider PG设置（脉冲特性:100 ns @ 3.3V）

图 3：在本例中，脉冲发生器提供 50 ns @ 3.3V 的脉冲来模拟单元的编程或擦除。在第二个通道上，它提供 100 ns @ 3.3V 的脉冲来编程或擦除单元数组。

PCM记忆电池是基于硫系材料的非晶向晶相转变，当材料处于非晶相时电阻较高，而处于晶相时电阻较低。

为了对单元进行编程或擦除，必须改变材料的相位：一个大而低的电压脉冲将相位从非晶态变为晶态，相反，一个短而高电压的脉冲将相位从晶态变为非晶态。

如图所示，脉冲振幅和宽度的控制是最基本的，虹科Pulse Rider PG-1000系列脉冲发生器提供 10 ps 的时间分辨率和 10 mV 的垂直分辨率。

应用于非易失性 RAM 的新技术每天都需要更快的脉冲：虹科Pulse Rider系列具有低于 70 ps 的转换时间和高达 5 Vpp 的振幅，是满足这些需求的最佳选择。

图 4：窄脉冲 10ns @ 3.3V（复位脉冲）的SimpleRider PG 设置

图5:“大”脉冲80ns @ 1.6V（设置脉冲）的SimpleRider PG设置

图 6：在本例中，脉冲发生器提供 10 ns @ 3.3V 和 80 n @ 1.6V 的脉冲来模拟单元的擦除和编程。

MOSFET 测试

发展现代 MOSFET 晶体管，所面临的挑战是在 MOS 电容器中使用高 κ 材料作为电介质，这在减少通过隔离器的漏电流方面具有优势，但同时也会由于电荷捕获引起一些问题，如电压阈值不稳定，载流子通道迁移率下降，最终影响测试的可靠性。

当晶体管处于“导通”状态时会发生电荷俘获，并且一点通道电荷会累积到隔离层中，从而产生改变阈值的内置电位.电荷俘获现象取决于栅叠层的各种物理参数，如厚度、介质类型和技术工艺，还取决于栅电压和脉冲占空比。很明显，了解电荷俘获机制对改进这项技术非常重要。这种现象的数量级从 1 µs 到几十毫秒不等，因此直流测量是不可靠的，因此使用不同类型的脉冲 I-V 测量。所有类型的 Id Vg 测量都是通过偏置漏极端子和向栅极端子提供脉冲下获得的，根据脉冲类型，可以将测量结果分为 3 个主要类别：

DC Id Vg 曲线：门极信号为直流电平，对多个偏置点重复测量得到曲线。这样，结果取决于偏置引起的电荷俘获效应，这种测量方法对于为高速开关而开发的器件并不可靠。
Short Pulse Id Vg 曲线：提供具有快速边沿和纳秒级宽度的脉冲，可以分析本端器件的响应，因为电荷没有时间积累到电介质层中。最后，对不同的偏置点重复测量可以获得曲线。这个测量方法没有给出关于电荷俘获现象的信息。
慢脉冲 Id Vg 曲线：该技术仅提供具有斜坡边缘的长脉冲（以微秒为单位）。如果斜坡足够快，测量结果直接是器件的 Id Vg 曲线，因为电荷没有时间在 MOS 堆栈中累积。需要长脉冲来测量漏极电流随时间的衰减，然后观察俘获电荷效应，如果目标是研究定义偏置点的电荷俘获效应，那么边缘的转换速率并不重要，重要的是上升边沿非常快。如果边沿足够快，则获得的结果可直接与该偏置点的直流和短脉冲曲线相比较，因为在栅极电压的前沿之后，漏极电流立即与从脉冲测量中获得的电流相比较，然后漏极电流开始随着时间下降，直到到达通过直流测量的值。通过研究开关应力前后电荷俘获效应的增量，慢脉冲技术也可以用来预测用于开关的器件的寿命。

图7:Ig Vg测量设置的基本方案。

图8:不同测量解决方案之间的比较示例

虹科Pulse Rider PG-1000系列脉冲发生器可提供70 ps以下的快速边沿，振幅可达5 Vpp，基线偏移量为+-2.5 V，脉冲宽度从300 ps到1 s，因此它是短脉冲和慢脉冲测试的理想仪器。Pulse Rider系列提供优质的信号完整性和最容易使用的触摸屏显示界面(SimpleRider™)。脉冲的生成只需要几次屏幕触摸，其创新的硬件架构提供了产生多个脉冲序列的可能性，如双脉冲、三脉冲或四脉冲，具有完全独立的定时参数。

图9:屏幕UI“短脉冲”基线-1V，最大2V2(振幅3,2v)持续时间30 ns单模

图10:用于短脉冲MOSFET表征的门脉冲示波器截图

图11:屏幕UI“慢脉冲”基线-1V，最大2V2(振幅3,2v)持续时间60 us单模

图12:用于spct MOSFET表征的门脉冲示波器截图