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).
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.
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.
Questi nuovi strumenti mettono inoltre a disposizione dei ricercatori in tempi più brevi dati aggiuntivi utili per una migliore comprensione dei materiali che costituiscono le memorie non volatili e il comportamento del dispositivo.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.
Sono senza dubbio numerosi i requisiti di test comuni a parecchie tecnologie di realizzaione di memorie non volatili:
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