Disponibili su larga scala a partire dagli anni '90, le memorie flash di tipo floating gate sono riuscite a soddisfare, almeno fino in tempi recenti, le esigenze di memorizzazione di tipo non volatile di dispositivi quali telecamere digitali, lettori MP3 e smartphone.

Oggi stanno emergendo nuove tecnologie di realizzazione di memorie non volatili, che richiedono però una metodologia di collaudo un po' diversa rispetto a quella tradizionale.

Alcune limitazioni delle memorie flash in termini ad esempio di usura della memoria (memory wear), velocità, consumi di potenza e capacità hanno portato i ricercatori a valutare altre tecnologie per realizzare memorie non volatili, come memorie a cambiamento di fase (PCM/PRAM), flash a trappola di carica (CTF – Charge Trap Flash/SONOS), memorie resistive (ReRAM), memorie ferro-elettriche (Fe-RAM), memorie magneto-resistive (MRAM) e molte altre ancora (Fig. 1).

Fig. 1 - Alcuni esempi di tecnologie per realizzare memorie non volatili

La roadmap tecnologica per i semiconduttori stilata nel 2010 (ITRS – International Technology Roadmap for Semiconductors) consiglia di esaminare, oltre a quelle segnalate, due altri tipi di tecnologie: STT-MRAM (Spin Transfer Torque MRAM) e Redox RRAM.

Ciascun materiale e/o tecnologia attualmente in fase di valutazione si caratterizza per prestazioni e comportamenti fisici della memoria unici. Fortunatamente, la valutazione complessiva delle celle di memoria non volatile nelle diverse tecnologie condividono parametri e metodologie di collaudo simili.

Questo denominatore comune consente ai ricercatori di caratterizzare anche le tipologie di dispositivi e le tecnologie di memoria più avanzate sfruttando le apparecchiature di test attualmente disponibili. Indipendentemente dalla particolare tecnologia di memoria che deve essere valutata, per una caratterizzazione elettrica completa è necessario fornire un impulso alla cella di memoria e misurare contemporaneamente la tensione e la corrente.

La piena comprensione dei diversi parametri di test delle memorie non volatili e delle metodologie di collaudo dà la possibilità di valutare in modo semplice e veloce anche le celle di memoria non volatile innovative più complesse.

Evoluzione del collaudo delle memorie non volatili

Con le memorie flash di tipo floating gate, la caratterizzazione elettrica veniva solitamente effettuata utilizzando strumenti in corrente, come ad esempio strumenti di alimentazione e misura (SMU – Source Measurement Unit) dopo che i generatori di impulsi avevano programmato e/o cancellato la cella di memoria.

Ciò richiedeva la presenza di un commutatore (switch) per inviare alternativamente un segnale continuo o impulsivo al dispositivo da collaudare.

A volte si faceva ricorso agli oscilloscopi per verificare la fedeltà dell’impulso inviato al dispositvo in prova (DUT - Device Under Test), come ampiezza dell’impulso, sovraeleongazione (overshoot), livello della tensione dell’impulso, tempi di salita e di discesa.

La misura dell’impulso è importante, in quanto lo stato della memoria flash è abbastanza sensibile al livello della tensione dell’impulso. Comunque, l’uso degli oscilloscopi era abbastanza raro anche nei laboratori di ricerca, poiché il setup richiesto per le misure effettuate tramite oscilloscopio differisce da quello utilizzato nell’approccio che prevede l’erogazione dell’impulso e la misura in corrente continua.

Anche quando gli oscilloscopi venivano impiegati per la caratterizzazione delle memorie flash, la complessità della misura della corrente transitoria era tale che di fatto la tensione era l’unica grandezza misurata durante l’applicazione dell’impulso.

Il vero problema per i ricercatori è stato quello di individuare un approccio integrato per misurare simultaneamente corrente e tensione mentre vengono applicati impulsi a un dispositivo di memoria o a un materiale.

Sebbene ciò fosse possibile anche in precedenza, era comunque necessario integrare un certo numero di strumenti in un rack, scrivere il relativo software per coordinare le operazioni e accettare numerosi compromessi in termini di costi, prestazioni e complessità.

Questi sistemi personalizzati dovevano essere creati e mantenuti da un esperto di strumentazione di test interno all’azienda che disponeva delle capacità, dell’esperienza e del tempo necessari per integrare i diversi strumenti in un sistema di erogazione degli impulsi e di misura funzionante.

Sebbene funzionali, questi sistemi di collaudo “in house” erano solitamente una creazione “una tantum” con funzionalità di test limitate, che richiedeva solitamente molto tempo per l’estrazione dei dati ed erano caratterizzati dalla presenza di controlli per il test piuttosto complessi.

L’approccio di misura solitamente adottato prevedeva un resistore di rilevamento o di carico con un oscilloscopio o un digitalizzatore per la misura della corrente. Benché si tratti di una tecnica collaudata, l’effetto del resistore di carico sulla tensione fornita al dispositivo si traduce in significativi svantaggi per molte misure dell’impulso.

Senza dimenticare che la correlazione tra vari sistemi e l’ottenimento di una calibrazione tracciabile a livello di sistema erano praticamente impossibili.

Fortunatamente, grazie allo sviluppo di nuove funzionalità è ora possibile misurare contemporaneamente correnti e tensioni con un singolo strumento durante l’applicazione di impulsi controllati con precisione.

Fig. 2 - Analizzatore parametrico Keithley 4200-SCS abbinato al modulo I-V 4225-PMU ad altissima velocità per caratterizzare del comportamento elettrico di dispositivi di memoria non volatile sperimentali

L’invio di stimoli impulsivi e la simultanea misura di tensione e corrente con campionamento a elevata velocità forniscono una migliore comprensione dei meccanismi fisici ed elettrici che contraddistinguono il comportamento della memoria.

L’aggiunta di queste funzioni di caratterizzazione di natura transitoria alla caratterizzazione in corrente continua fornisce dati fondamentali sulle proprietà intrinseche del materiale e sulla risposta del dispositivo.

La caratterizzazione elettrica è dunque un’operazione critica per una migliore comprensione degli aspetti fisici della tecnologia di realizzazione. Indipendentemente dalla particolare tecnologia di memoria che si intende analizzare, l’applicazione di un impulso è necessaria per esaminare il comportamento in fase di commutazione.

L’applicazione di un impulso abbinata alla misura simultanea fornisce i dati richiesti per comprendere il comportamento dinamico del meccanismo di commutazione.

Differenti tecnologie di memorie utilizzano termini differenti per descrivere metodologie o azioni simili. Per esempio, i termini programmazione/cancellazione, set/reset e scrittura/cancellazione vengono impiegati per indicare la memorizzazione di un bit (1 o 0). Queste procedure di scrittura/cancellazione sono eseguite in modalità impulsiva per garantire la velocità complessiva richiesta dalle tipiche operazione di memoria e simulare l’ambiente del prodotto finale.

Principi di collaudo delle memorie non volatili

Sono senza dubbio numerosi i requisiti di test comuni a parecchie tecnologie di realizzaione di memorie non volatili:

• La necessità di eseguire misure di corrente e tensione ad altissima velocità in modo dinamico e simultaneo e dettata dall’emergere di nuove tecnologie di realizzazione di memorie non volarili, quali ad esempio memorie a cambiamento di fase e ferro-elettriche.
  Grazie a nuovi strumenti è possibile ora effettuare misure contemporanee di corrente e tensione durante l’applicazione di un impulso, fattore questo molto importante quando la resistenza dinamica del materiale è la manifestazione elettrica del meccanismo fisico della memorizzazione dei bit
• L’ampiezza dell’impulso è “l’altezza” dell’impulso utilizzata per programmare e cancellare la cella di memoria.
  Una memoria a gate flottante può richiedere una tensione compresa tra 5 e 20 V (o anche superiore) durante l’impulso di scrittura.
  Parecchie memorie non volarili alternative richiedono invece tensioni comprese tra 3 e 5 V. L’obiettivo delle tecnologie emergenti alternative è ridurre le ampiezze degli impulsi, anche se nelle fasi iniziali della ricerca - prima di effettuare la riduzione delle dimensioni o l’ottimizzazione dei materiali - il livello di tensione necessario può essere più alto, compreso cioè tra 6 e 8 V.
  Parecchie tecnologie richiedono impulsi di tipo bipolare con questi livelli di tensione, ma alcune recenti soluzioni I-V impulsive non forniscono questi valori di tensione più elevati quando utilizzati in modalità di erogazione bipolare.
• La fedeltà dell’ampiezza dell’impulso è un fattore critico poiché i comportamenti di commutazione dello stato della memoria sono di tipo non lineare: di conseguenza, tali dispositivi sono sensibili all’ampiezza dell’impulso di tensione.
  I parametri che definiscono la fedeltà dell’ampiezza dell’impulso sono specificati in termini di accuratezza del livello, oscillazione, sovra e sottoelongazione.
  La minimizzazione di oscillazioni e sovra-sotto elongazioni è un fattore critico nella fase di progettazione degli strumenti di natura impulsiva.
  I moderni sistemi I-V impulsivi sono in grado di garantire specifiche, in termini di oscillazioni e sovraelongazione, dell’ordine di +/-3% (o inferiori).
  Oltre all’accuratezza dei livelli degli impulsi, le nuove tecnologie non volarili richiedono la capacità di generare e regolare forme d’onda complesse. Per esempio, il collaudo di dispositivi ReRAM spesso richiede profili di salita e discesa complessi dell’impulso e la misura simultanea della corrente.
  Il collaudo di memorie FeRAM, invece, richiede la sequenza di quattro impulsi PUND (Positive, Up, Negative, Down). Per le nuove tecnologie di memoria non volatili, inoltre, è necessario erogare forme d’onda impulsive formate da segmenti arbitrari, oltre a effettuare misure multiple all’interno di ciascuna forma d’onda (figura 3)

Fig. 3 – Forme d’onda impulsive a più livelli composte da 16 segmenti di tensione lineare (numeri in grigio) e su cui si effettuano 4 misure

• I parametri di temporizzazione dell’impulso, come tempi di salita e di discesa e durata dell’impulso continuano ad essere molto importanti, soprattutto in considerazione della tendenza generale che prevede l’uso di impulsi sempre più veloci, con larghezze dell’impulso che passano da 100 ns a valori inferiori a 10 ns
• In considerazione della progressiva miniaturizzazione dei dispositivi non volatili, la caratterizzazione richiede la capacità di misurare correnti sempre più piccole durante l’applicazione dell’impulso: ciò richiede un amplificatore a bassa corrente a risposta rapida per la misura della corrente
  Al fine di minimizzare gli effetti parassiti della capacità del cavo e controllare in maniera precisa la quantità di energia erogata al dispositivo in prova, è utile il ricorso a un amplificatore d’impulsi remoto – collegato in prossimità del dispositovo in prova - in special modo per la caratterizzazione di memorie PCM (Phase Change Memory) e ReRAM
• La conformità della corrente o il controllo della corrente è importante per il collaudo di memorie non volatili quali ReRAM e PRAM.
  Solitamente questa operazione viene eseguita mediante strumenti di misura in continua talvolta e talvolta è necessario predisporre una configurazione degli impulsi personalizzata. Non è ancora del tutto chiaro se la conformità della corrente che viene verificata mediante la strumentazione in continua sia in grado di fornire un controllo sufficientemente rapido della corrente per soddisfare i requisiti tipici.
  Per il controllo di correnti impulsive, è senza dubbio vantaggioso installare il dispositivo per il controllo della corrente il più vicino possibile al dispositivo in prova, al fine di impedire la scarica nello stesso della corrente proveniente dalla capacità di interconnessione
• Un elemento critico è la capacità del sistema di commutare velocemente tra strumenti in continua e impulsivi.
  La commutazione verso la strumentazione in c.c. consente alle unità di alimentazione e misura (SMU) di caratterizzare il dispositivo di memoria, aspetto questo molto importante per le memorie flash e altre tecnologie di memoria.
  Oltre alla commutazione tra strumenti in corrente e impulsivi, anche la commutazione di uno o più terminali del dispositivo in uno stato ad alta impedenza è utile per il collaudo di memorie flash. Questo stato ad alta impedenza viene utilizzato durante la fase di cancellazione dei cicli di programmazione/cancellazione della flash per il collaudo di durata (ovvero il numero di volte che la memoria può essere scritta e cancellata prima che non sia più garantito il corretto funzionamento della memoria stessa): la commutazione, quindi, deve essere abbastanza rapida in modo che possa verificarsi tra gli impulsi di programmazione e cancellazione per consentire lo svolgimento di un gran numero di cicli di programmazione/cancellazione in un breve periodo di tempo.
  Una commutazione di questo tipo dovrebbe essere controllata direttamente dal generatore d’impulsi e integrata nello strumento per garantire un controllo rapido. Solitamente questa commutazione viene effettuata da un relè a stato solido presente in ogni canale di erogazione degli impulsi.
• La sincronizzazione dei canali è necessaria per il collaudo di memorie non volatili che richiedono più canali di erogazione e misura degli impulsi. Sebbene gli strumenti impulsivi tradizionali risultino difficili da sincronizzare, i moderni strumenti I-V impulsivi dispongono di numerose funzioni di sincronizzazione automatica e di instradamento del trigger interno, oltre a funzioni di misura integrata

La comparsa di nuove tipologie di memorie non volatili e di nuovi materiali richiede la caratterizzazione elettrica che di solito non era possibile effettuare oppure richiedeva la disponibilità di sistemi di collaudo realizzati “in house” di tipo personalizzato, che di solito erano limitati in termini di funzionalità.

Attualmente sono disponibili nuovi strumenti che permettono di effettuare contemporaneamente l’erogazione degli impulsi e la misura, grazie alle quali è possibile la caratterizzazione del comportamento durante la commutazione che rappresenta l’elemento fondamentale per comprendere le prestazioni delle memorie non volatili.

*Peter J. Hulbert, Product and Application Development Engineer, Keithley Instruments