Генераторы импульсов серии АКИП-3309 для тестирования полупроводников

Рассматриваемая здесь серия генераторов импульсов АКИП-3309 представлена двумя моделями: АКИП-3309/1–2 канала и АКИП-3309/2–4 канала.

Ключевые особенности данных генераторов импульсов:

• длительность фронта/ среза: ≤100 пс (<70 пс при «20–80%»);
• максимальный выходной уровень: до 5 В п-п на нагрузке 50 Ом;
• регулировка смещения: ±2,5 В;
• минимальная длительность импульса: от 300 пс;
• формирование одиночного, парных импульсов, последовательности из трех и четырех импульсов, формирование пакета импульсов (Burst), последовательность тактовых импульсов (clock);
• максимальная частота: до 500 МГц (формирование в режиме «4 импульса»/quadruple);
• регулируемая задержка между основным и синхроимпульсом: с разрешением 10 пс;
• высокая точность установки временных параметров 5×10^–6;
• графический ЖК-дисплей, диагональ 17,8 см, емкостной сенсорный.

Тестирование энергонезависимой памяти

В этом разделе будет показано, как выполняется тестирование ячеек STT-MRAM с помощью генератора импульсов. Новый тип памяти, называемый «энергонезависимая память», сочетает высокую скорость обмена, присущую ОЗУ, с возможностью длительного хранения данных, характеризующую любое запоминающее устройство.

Существует много технологий энергонезависимой памяти — например, FeRAM (ферритовая память), ReRAM (резистивная память), MRAM (магниторезистивная память), STT-MRAM (магниторезистивная память с использованием технологии переноса спинового момента), PCM (память на основе фазового перехода).

Такие технологии основаны на изменении проводимости материалов, использующих различные физические принципы, в частности, формирование и разрушение тонкого слоя в стеке материалов, изменение структуры материала от аморфного до поликристаллического состояния или выравнивание магнитного поля.

Информация в MRAM-памяти хранится в ее магнитных элементах, сформированных из двух ферромагнитных слоев, разделенных тонким слоем диэлектрика (рис. 1). Один из слоев представляет собой постоянный магнит, намагниченный в определенном направлении, а намагниченность другого слоя изменяется под действием внешнего поля. Чтобы записать или стереть единицу данных, к стеку необходимо приложить импульс тока. Ориентация магнитного поля зависит от направления тока. Изменение ориентации магнитного поля меняет проводимость стека.

Рис. 1. Магнитные элементы памяти

Эффективность процесса записи и стирания зависит от длительности и амплитуды приложенных импульсов, поэтому на этапах исследования и разработки рекомендуется опытным путем опробовать различные сочетания параметров импульса. Генераторы АКИП-3309, регулирующие ширину, амплитуду и частоту повторения импульсов, позволяют легко и быстро настраивать условия эксперимента (рис. 2-4).

Рис. 2. Меню настройки генератора АКИП‐3309 для записи/стирания одной ячейки: параметры импульса 50 нс при 3,3 В

Рис. 3. Меню настройки генератора АКИП‐3309 для записи‐стирания массива ячеек: параметры импульса 100 нс при 3,3 В

PCM-память основана на уникальном поведении материалов класса халькогениды, которые могут переходить из одного состояния (фазы) в другое: из кристаллического в аморфное и обратно. Кристаллическое и аморфное состояния халькогенида кардинально различаются электрическим сопротивлением: аморфное состояние обладает высоким сопротивлением, a кристаллическое состояние — низким уровнем сопротивления.

Рис. 4. В данном примере импульсный генератор формирует импульсы 50 нс при 3,3 В для записи/стирания одной ячейки (канал 1).
В канале 2 формируются импульсы 100 нс при 3,3 В для записи/стирания массива ячеек

Для того чтобы записать или стереть единицу данных, необходимо изменить состояние (фазу) материала: импульс большой длительности, но малого уровня меняет фазу с аморфной на кристаллическую и, наоборот, короткий импульс с высоким уровнем меняет фазу с кристаллической на аморфную.

Рис. 5. РСМ‐память основывается на уникальном поведении материалов класса халькогениды

Как можно видеть на рис. 5, точное управление амплитудой и шириной импульсов является фундаментально важным для исследовательской работы. Генераторы импульсов Active Technologies серии АКИП-3309 обеспечивают максимальное временное разрешение 10 пс и разрешение по вертикали от 10 мВ (рис. 6–8).

Рис. 6. Меню настройки на генераторе АКИП‐3309 параметров короткого импульса 10 нс при 3,3 В (импульс стирания)

Рис. 7. Меню настройки на генераторе АКИП‐3309 параметров длинного импульса 80 нс при 1,6 В (импульс установки)

Рис. 8. В данном примере генератор формирует импульсы 10 нс при 3,3 В и 80 нс при 1,6 В для записи/стирания ячейки

Новейшие технологии, используемые разработчиками энергонезависимой памяти, все более ужесточают требования к импульсным последовательностям. Оптимальный выбор для такого рода решений — генераторы импульсов Active Technologies серии АКИП-3309 с временем нарастания от 70 пс и выходным уровнем до 5 В п-п.

Тестирование MOSFET (МОП-транзисторов)

В современных МОП-транзисторах применяются высокопроницаемые диэлектрики, или класс High-k материалов, обладающих диэлектрической проницаемостью большей, чем у диоксида кремния — традиционного материала для диэлектрика затвора. При использовании новых диэлектриков значительно снижается ток утечки через изолятор, но в то же время появляются некоторые проблемы, обусловленные захватом заряда, из-за чего возникает нестабильность порогового напряжения, приводящая к деградации канала проводимости и, как следствие, к снижению надежности устройства.

Захват заряда происходит, когда транзистор открыт, и часть заряда в канале накапливается в изолирующем слое, создавая внутренний потенциал, который изменяет пороговое напряжение.

Эффективность улавливания зарядов зависит не только от физических характеристик слоя, образованного на стыке диэлектрика с затвором, таких как толщина и тип диэлектрика, вид технологического процесса, но и от напряжения на затворе и параметров приложенной импульсной последовательности.

Понятно, что очень важно понимать механизм захвата заряда, чтобы максимально эффективно совершенствовать влияющие на это технологии.

Рис. 9. Установка для измерения ВАХ (Id, Ug)

Порядок электрических величин, влияющих на захват заряда, варьируется от долей микросекунд до десятков миллисекунд, а для задания напряжения на затворе, поскольку оно нестабильно, рекомендуется использовать различные режимы импульсных последовательностей (I–V).

Рис. 10. Примеры ВАХ для различных режимов измерения

В зависимости от параметров импульсного напряжения, приложенного к затвору МОП-транзистора, различают три типа ВАХ (ток канала Id, напряжение на затворе Ug; рис. 9–10):

• кривая постоянного тока (Id) и напряжения (Ug): к затвору прикладывается постоянное напряжение, кривая зависимости строится путем многократных последовательных измерений, а результаты зависят от величины смещения заряда. Данный вид измерений неприемлем для анализа высокоскоростных переключающих устройств;
• кривая тока (Id) и напряжения (Ug) формируется быстрыми импульсами: используя короткие импульсы (единицы наносекунд) с быстрыми фронтами, можно анализировать реакцию встроенного устройства, поскольку заряд не успевает накапливаться в диэлектрическом слое. Повторяя измерения для различных точек смещения, строится искомая кривая. Данный вид измерений не позволяет оценить качество эффекта захвата заряда;
• кривая тока (Id) и напряжения (Ug) формируется медленными импульсами: в этой технике применяются широкие импульсы (мкс) с плавно нарастающими фронтами. В этом случае, если фронт импульса нарастает достаточно быстро, то езультатом является ВАХ устройства, так как заряд не успевает накапливаться в стеке слоев металл-окисел-полупроводник.

Использование широких импульсов позволяет во времени контролировать изменение тока канала и оценивать последствия захвата заряда. Если целью исследования эффекта захвата заряда является определение точки смещения, то скорость изменения фронтов не имеет значения, важно только, чтобы скорость нарастания была достаточно высокой.

Рис. 11. Меню настройки генератора АКИП‐3309 в режиме «короткий импульс»: смещение –1 В, амплитуда 3,2 В, ширина 30 нс, однократный запуск

Если фронты очень быстрые, то полученные результаты в точке смещения сопоставимы с результатами двух режимов: постоянное напряжение и короткие импульсы. Первоначально, сразу после воздействия первого импульса на затвор, ток канала равен величине, измеренной в импульсном режиме, а далее ток канала, постепенно уменьшаясь, достигает значения, измеренного на постоянном напряжении.

Рис. 12. Скриншот экрана осциллографа: осциллограмма напряжения на затворе MOSFET в режиме «короткий импульс»

Метод медленных импульсов также может быть использован для прогнозирования времени жизни переключающих устройств путем оценки изменения захваченного заряда до и после переключения.

Рис. 13. Меню настройки генератора АКИП‐3309 в режиме «длинный импульс»: смещение 0 В, амплитуда 1,6 В, ширина 60 мкс, однократный запуск

Генераторы Active Technologies серии АКИП-3309 (рис. 11–14)формируют импульсы с параметрами: быстрый фронт от 70 пс, уровень до 5 В п-п, постоянное смещение ±2,5 В, длительность импульса 300 пс – 1 с, поэтому они являются оптимальным инструментом для режимов быстрых и медленных импульсных испытаний.

Рис. 14. Скриншот экрана осциллографа: осциллограмма напряжения на затворе MOSFET в режиме «длинный импульс»