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1 NVM 簡介
1.1 基本結構

圖 1 NVM 結構

。非易失存儲器（Non-Volatile Memory）在系統關閉或無電源供應時仍能保持數據信息。一個非易失
存儲器（NVM）器件通常也是一個MOS 管，擁有一個源極，一個漏極，一個門極另外還有一個浮柵
（FLOATING GATE）。它的構造和一般的MOS 管略有不同：多了一個浮柵。浮柵被絕緣體隔絕于其他部
分。
非易失存儲器又可分為兩類：浮柵型和電荷阱型
在浮柵型存儲器中，電荷被儲存在浮柵中，它們在無電源供應的情況下仍然可以保持。所有的浮柵型存
儲器都有著類似的原始單元架構。他們都有層疊的門極結構如圖一所示。個門極被埋在門極氧化層
和極間氧化層之間，極間氧化層的作用是隔絕浮柵區，它的組成可以是氧-氮-氧，或者二氧化硅。包圍
在器件周圍的二氧化硅層可以保護器件免受外力影響。第二個門極被稱為控制門極，它和外部的電極相
連接。浮柵型器件通常用于EPROM(Electrically Programmable Read Only Memory)和EEPROM(Electrically
Erasable and Programmable Read Only Memory)。

圖 2 浮柵型NVM

電荷阱型器件是在1967 年被發明的，也是個被發明的電編程半導體器件。在這類型的存儲器中，
電荷被儲存在分離的氮阱中，由此在無電源供應時保持信息。電荷阱器件的典型應用是在MNOS(Metal
Nitride Oxide Silicon)，SNOS(Silicon Nitride Oxide Semiconductor)和SONOS(Silicon Oxide Nitride Oxide
Semiconductor)中。下圖展示了一個典型的MNOS 電荷阱型存儲器的結構。

圖 3 電荷阱型NVM

MNOS 中的電荷通過量子機制穿過一層極薄的氧化層（一般為1.5-3nm）從溝道中被注入氮層中。
詳細請參考附件：全面理解非易失存儲器.pdf

1.2 浮柵原理

圖 4 浮柵原理

1.3 EEPROM 結構

圖 5 EEPROM 結構原理

T2 為了提高擦、寫的可靠性
T1 為實現數據存儲的存儲管存儲原理：
Gf 存電荷前,正常控制柵極電壓3V 下,T1 導通, 存0
Gf 存電荷后,正常控制柵極電壓3V 下,T1 截止, 存1

1.3.1 寫入為1：

圖 6 寫入1 原理

EEPROM 的寫入過程,是利用了隧道效應,即能量小于能量勢壘的電子能夠穿越勢壘到達另一邊。 量子力
學認為物理尺寸與電子自由程相當時,電子將呈現波動性,這里就是表明物體要足夠的小。 就pn 結來看,
當p 和n 的雜質濃度達到一定水平時,并且空間電荷極少時,電子就會因隧道效應向導帶遷移。 電子的
能量處于某個級別允許級別的范圍稱為“帶”,較低的能帶稱為價帶,較高的能帶稱為導帶。 電子到達較高
的導帶時就可以在原子間自由的運動,這種運動就是電流。 EEPROM 寫入過程,如圖3 所示,根據隧道效
應,包圍浮柵的SiO2,必須極薄以降低勢壘。 源漏極接地,處于導通狀態。在控制柵上施加高于閾值電壓
的高壓,以減少電場作用,吸引電子穿越。

1.3.2 擦除為0：

圖 7 擦除為0 原理

要達到消去電子的要求,EEPROM 也是通過隧道效應達成的。如圖4 所示,在漏極加高壓,控制柵 為0V,翻
轉拉力方向,將電子從浮柵中拉出。這個動作,如果控制不好,會出現過消去的結果。

1.4 FLASH
按結構又分為NOR Flash 和NAND Flash。基本單元為SIMOS--疊柵注入MOS，特點是浮柵Gf 與襯底間
SiO2 更薄10~15nm(相比EPROM 的30~40nm,E2PROM 的20nm)，Gf 與源極S 有極小的重疊區，即隧道
區。
存儲單元相對于EEPROM，只需要一個MOS 管，結構簡單，集成度高，成本低。因為MOS 管的源極是
連在一起的，所以擦除時按固定大小的存儲容量(典型為128-512kbits) 整體擦除，所以叫Flash Memory，
用來形容擦除速度快。和E2PROM 相比，需要電壓明顯減小，這源于更薄的SiO2 絕緣層。
1.4.1 FLASH 結構：

 圖 8 NOR/NAND Flash 結構

1.4.2 FLASH 擦除與寫入

圖 9 NOR 擦寫原理

圖 10 NAND 擦寫原理

圖 11 Flash 讀原理

1.4.3 NOR, NAND FLASH 的比較
1. 擦除和寫入方式相同：按塊擦除和寫入；
2. 存儲單元的連接方式不同，或非和與非；
3. 讀出方式不同: NOR 是線性編址，可以按字節隨機訪問；而NAND 是分了塊頁字節三個地址尋址，只
能按塊讀取。顯然NOR 接口簡單, 存取單位為字節, 可以隨機訪問;而且具有XIP 的功能（eXecute In
Place，本地執行），常用來存放程序代碼；
4. NOR 壽命短（10 萬次），NAND（100 萬次）；因為XOR 的擦除基于隧道注入，而寫入基于雪崩注入，
它們是不對稱操作，加速了存儲單元老化的速度。
5. NOR 寫入和擦除速度慢, 存儲密度低, 成本高；NAND 相反, 所以現在的U 盤等便攜存儲用的是NAND
Flash。
2 FLASH 常見失效模型
與RAM 類似，FLASH 有如下常見缺陷：
2.1 Address-Decoder Fault (AF) 地址解碼錯誤
測試方法：0，1 漫游，包括升序和降序，March 算法是比較優化的測試方法，省去了大量的重復讀操
作。
2.2 Stuck-At Fault (SAF) 短路到0，1 錯誤
測試方法：對大小為N 的存儲器Erase 0，Read 0, Program 1, Read 1.
2.3 Transition Fault (TF) 0->1，1->0 變遷出錯
測試方法：對EEPROM/FLASH 來說，需驗證每個位能否正確編程和擦寫。
2.4 Stuck-Open Fault (SOF) 開路
測試方法：驗證每個位是否能正確讀寫0，1。
2.5 Bridging Fault (BF) 不同cell 間短路
測試方法：單獨驗證每個位是否能正確讀寫0，1。
2.6 Data Retention Fault 數據不能達到規定的保存時間
測試方法：CP1 和CP2 之間高溫bake,在高溫bake 后測試bake 前的數據是否不變。

2.7 Cell Endurance Fault (CEF)

測試方法：對NVM，這里主要考量可擦寫次數，其實也就是門氧化層的耐久度，可通過測試測試VT 的
范圍來進行，如下圖，一般在可靠性測試中進行。詳細請參考附件：“全面理解非易失存儲器.pdf“

圖 12 擦寫次數窗口

2.8 Coupling Fault(CF)
由于NVM 的特殊結構,耦合故障模型與RAM 不太一樣，一般稱之為disturb fault.后面會有詳細分析。
以下幾種是EEPROM/FLASH *的失效模型（詳細請參考附件“Flash Memory Testing.pdf”和“Flash
memory disturbance faults.pdf”)
2.9 Word Line Program Disturb Fault (WPDF)字線寫干擾
Conditions: 如下圖，（綠色圓圈代表正在進行的動作，紅色箭頭表示可能造成的干擾）：
當對cell- WL1BL1 編程時（電子進入浮柵），字線WL1 上為高壓，cell-WL1BL2 上的缺陷（如漏電過大）
造成襯底電子被吸引到浮柵，該cell 被誤編程。
測試方法：對某個CELL 編程（w1）后，檢查同一字線上其他未被編程的CELL 是否也被編程（r0）

圖 13 字線寫干擾原理

2.10 Word Line Erase Disturb Fault (WEDF)字線擦干擾
Conditions: 如上圖，當對cell- WL1BL1 編程時（電子進入浮柵），字線WL1 上為高壓，cell-WL1BL0 上的
缺陷造成浮柵電子流失，該cell 被誤擦除。
測試方法：對某個CELL 編程（w1）后，檢查同一字線上其他已經被編程的CELL 是否被擦除（r1）
2.11 Bit Line Program Disturb Fault (BPDF) 位線寫干擾
Condition: 如下圖，當上方cell 被編程時，Bit 線上有電壓，如果下方cell 漏極有defect（比如到浮柵的
氧化層漏電），那么電子將進入浮柵，該cell 被誤編程
測試方法：對某個CELL 編程（w1）后，檢查同一位線上其他未被編程的CELL 是否也被編程（r0）

圖 14 位線寫干擾原理

2.12 Bit Line Erase Disturb Fault (BEDF) 位線擦干擾
Conditions: 如7.1 節圖示，
當對cell- WL1BL1 編程時（電子進入浮柵），位線BL1 上為6V，cell-WL0BL1 上的缺陷（如漏電過大）造
成浮柵電子流失，該cell 被誤擦除。
測試方法：對某個CELL 編程（w1）后，檢查同一位線上其他已經被編程的CELL 是否被擦除（r1）
2.13 Read Disturb Fault (RDF) 讀干擾
Conditions: 如下圖，當讀取cell-WL1BL1 時，控制柵有電壓，若該CELL 柵漏極的氧化層漏電，電子將進
入浮柵，該cell 被誤編程；反之，如浮柵與控制柵間漏電，該cell 也可能被誤擦寫。
測試方法：對每個CELL 連續讀兩次(r0)。

圖 15 讀干擾原理

2.14 Over Erase Fault (OEF)
Conditions: Cell 被過度擦寫（如擦寫時間過長，電壓過高），造成Source—Drain 漏電過大，可能表現為
讀寫錯誤。
???測試方法：對全片CELL 進行00/FF 讀寫。
以下是NAND FLASH 的失效模型,原理與上述NOR FLASH 類似.

圖 16 NAND 寫失效原理

圖 17 NAND 讀/擦失效原理

3 EEPROM/FLASH 測試方法

常用測試方法：
3.1 全片擦除00/寫入FF 并讀出。
覆蓋率：Stuck At, Stuck Open, 部分Bridge, Over Erase Fault.

3.2 Checkerboard
測試方法：每一個單元與相鄰的單元值都不同，對每個page 寫入5A 或AA55 實現。
覆蓋率：Stuck At，Stuck Open , 部分Bridge Fault ,Over Erase Fault.
3.3 對角線
測試方法：先擦除全片，然后每個page 對角線上寫1，也就是在每條位線上有一個CELL 寫1，其
余為0，讀取全片。
覆蓋率：部分的Stuck At，Stuck Open , Bridge Fault，由于每條位線和字線都有動作，還可以檢查除
去對角線上CELL 外其他CELL 的Word Line Program Disturb Fault (WPDF)字線寫干擾和Bit Line Program
Disturb Fault (BPDF) Bit 位線寫干擾
同理，將全片寫1 后，在對角線CELL 上擦0 并寫1，檢查全片就可檢查另外兩種干擾WEDF 和BEDF。
3.4 CharBit(特征位）
測試方法：先擦除全片為0，再對page0(即word line0)寫1，讀page0 是否為1，把page0 擦為0；
再對除page0 外的某一行pageN 寫1，讀pageN 是否為1，把pageN 擦為0.
覆蓋率：該測試主要針對生產測試中發現的如下失效現象：某條位線上有漏電，造成該位線上所有
cell 不能正常寫入1。這里可歸為Transition Fault 失效模型，0->1 變遷失效。
因為讀的速度很快,建議在這個測試中將"讀page0/N 是否為1" 改為"讀全片"，這樣還可以覆蓋
2.11/2.22 節描述的BPDF 失效模型。
3.5 Bit_Test0
測試方法：先擦除全片為0，再對page0 的Word0_Bit0 寫1,讀1，再擦除，然后Word0_Bit1 寫1,
讀1，再擦除，直到該page 上所有Bit 都進行了“寫1,讀1，再擦除”（也就是在該page 中進行了走1
操作）
覆蓋率：該測試主要針對生產測試中發現的如下失效現象：由于VPP 映射到各個Bit 線上的驅動能
力問題，造成某個Bit 線不能被正常寫入。這里可歸為Transition Fault 失效模型，0->1 變遷失效。
因為讀的速度很快,建議在這個測試中后全片讀一遍，可以測試BPDF 失效模型。
3.6 幾種Flash 測試算法：DCP，DCE, DD, EF, GF，March-FT，Diagonal-FT, Diagonal-FD

圖 18 測試時間

圖 18 測試時間

圖 19 測試覆蓋率

3.6.1 Algorithm DCP:
1. Flash n * Initialize array *n
2. For (i = 0; i < n; i++) n* Program column 0 *n
(i, 0, w0)
3. For (j = 1; j < m; j++) n* Read all except column 0 *n
For (i = 0; i < n; i++)
(i, j, r1)
4. Flash n* Erase array *n
5. For (i = 0; i < n; i++) n* Program column k *n
(i, k!= 0, w0)
6. For (i = 0; i < n; i++) n* Read column 0 for 1's *n
(i, 0, r1)
3.6.2 Algorithm DCE:
1. Flash n* Initialize array *n
2. For (j = 0; j < m; j++) n* Program all cells *n
For (i = 0; i < n; i++)
(i, j, w0)
3. For (j = 0; j < m-1; j++) n* Read all except column m-1 *n
For (i = 0; i < n; i++)
(i, j, r0)
4. For (i = 0; i < n; i++) n* Program column k *n
(i, k!= m- 1, w0)
5. For (i = 0; i < n; i++) n* Read column m-1 *n
(i, m-1, r0)
3.6.3 Algorithm DD:
1. Flash n* Initialize array *n
2. For (j = 0; j < n; j++) n* Program all cells *n

For (i = 0; i < m; i++)
(i,j,w0)
3. For (j = 0; j < m; j++) n* Read all except row n-1 *n
For (i = 0; i < n-1; i++)
(i,j,r0)
4. For (j = 0; j < m; j++) n*Program row k *n
(k!= n - 1, j, w0)
5. For (j = 0; j < m;j++) n* Read row n-1 *n
(n-1, j, r0)
3.6.4 Algorithm EF:
1. Flash n* Initialize array *n
2. For (j = 0; j < m-1; j++) n* Program all except column m-1 *n
For (i = 0; i < n; i++)
(i, j, w0)
3. For (i = 0; i < n; i++) n* Read column m-1 *n
(i, m-1, r1)
4. For (i = 0; i < n; i++) n*Program column m-1 *n
(i, m-1, w0)
5. For (j = 0; j < m; j++) n* Read all except (n-1,m-1) *n
For (i = 0; i < n; i++)
If (j != m- 1 and i != n - 1)
(i, j, r0)
6. For (i = 0; i < n-1; i++) n* Program column l except (n-1,l) *n
(i, l 6= m- 1, w0)
7. For (j = 0; j < m-1; j++) n* Program row k except (k,m-1) *n
(k!= n - 1, j!= l, w0)
8. For (i = 0; i < n-1; i++) n* Read column m-1 except (n-1,m-1) *n
(i, m-1, r0)
9. For (j = 0; j < m-1; j++) n* Read row n-1*except (n-1,m-1) *n
(n-1, j, r0)
10. Flash n* Erase array *n
11. For (i = n-1; i _ 0; i{ {) n* Program column m-1 *n
(i, m-1, w0)
12. For (j = 0; j < m-1; j++) n* Read all except column m-1 *n
For (i = 0; i < n; i++)
(i, j, r1)
13. (n-1, k!= m- 1, w0) n* Program cell (n-1,k) *n
14. (n-1, m-1, r0) n*Read cell(n-1,m-1) *n
3.6.5 Algorithm GF:
1. Flash n* Initialize array *n
2. For (i = 0; i < n; i++) n* Program column m-1 *n

(i, m-1, w0)
3. For (j = 0; j < m-1; j++) n* Read all except column m-1 *n
For (i = 0; i < n; i++)
(i, j, r1)
4. Flash n* Erase array *n
5. For (i = 0; i < n; i++) n* Program column 0 *n
(i, 0, w0)
6. For (i = 0; i < n; i++) n* Read column m-1 *n
(i, m-1, r1)
7. For (j = 1; j < m; j++) n* Program remaining cells *n
For (i = 0; i < n; i++)
(i,j,w0)
8. For (j = 0; j < m; j++) n* Read all except (n-1,m-1) *n
For (i = 0; i < n; i++)
If (j != m- 1 and i != n - 1)
then (i, j, r0)
9. For (i = 0; i < n-1; i++) n* Program column l except (n-1,l) *n
(i, l!= m- 1, w0)
10. For (j = 1; j < m-1; j++) n* Program row k except (k,m-1) *n
(k!= n - 1, j!= l, w0)
11. For (i = 0; i < n-1; i++) n* Read column m-1 except (n-1,m-1) *n
(i, m-1, r0)
12. For (j = 0; j < m-1; j++) n* Read row n-1 except (n-1,m-1) *n
(n-1, j, r0)
13. (n-1, k!= m- 1, w0) n*Program cell (n-1,k) *n
14. (c!= n - 1, m-1, w0) n*Program cell (c,m-1) *n
15. (n-1, m-1, r0) n* Read cell (n-1,m-1) *n
3.6.6 March-FT
{(e0);⇓(r0,w1,r1); ⇓(r1); (e0); ⇑(r0,w1,r1); ⇑(r1)}既：全頁擦除為0->降序對每個CELL（讀0,寫1，讀1）
->降序對全頁讀1->全頁擦除為0->升序對每個CELL（讀0,寫1，讀1）->升序對全頁讀1
覆蓋率：所有上述失效模型(除了Data Retention Fault 和Cell Endurance Fault)：Stuck At, Stuck Open,
Transition, Bridge, Address-decoder, WPDF, WEDF, BPDF, BEDF, Read Disturb, Over Erase Fault.
測試時間：2 erase+2N program+6N read (N 代表memory size).
該算法大約需要2500 個門.

3.6.7 Diagonal-FT (對角線Flash Test)

圖 20 對角線FT 算法

測試時間：2 erase+(1N+2*N[1/2]) program+(4N+3*N[1/2]) read (N 代表memory size).
該算法大約需要2500 個門.
覆蓋率：對所有上述失效模型(除了Data Retention Fault 和Cell Endurance Fault), AF=81.6%, CF=81.95%,
其它都為100%.
3.6.8 Diagonal-FD (對角線Flash Diagnosis)

圖 21 對角線FD 算法

覆蓋率：對所有上述失效模型(除了Data Retention Fault 和Cell Endurance Fault)都為100%.
測試時間：2 erase+(1N+3*N[1/2]) program+4Nread (N 代表memory size).

3.7 Ion Check
擦除電流測試。先對全片寫1，在VPP 上逐步增加電壓（0~13V）的同時讀全片，個CELL 出現
0 的VPP 上的電流就是小擦寫電流，繼續增加電壓，當全片所有CELL 都變成0 是的電流就是大擦
寫電流。
該測試只用于性能評估。
3.8 CP_Test Check
在擦除或者寫入過程中測試VPP，用于評估內部電壓泵是否能提供正確的擦除/寫入電壓。
3.9 Baking
CP1 和CP2 之間高溫bake,在高溫bake 后測試bake 前的數據是否不變。是對Data Retention Fault （數
據保存時間）的估算。
3.10 Open-Window:
如2.7 節所示，是針對Cell Endurance Fault (CEF)（擦寫次數）的考量，測試存儲單元開啟電壓與擦
除/寫入次數的線性關系，一般在特性測試中使用。
3.11 各測試方法覆蓋率分析表
以一個64*8BYTE EEPROM 為例，只有片擦，片寫，CheckBoard, BYTE write,
BYTE read 模式，假設所有pin 可以并行控制，一個讀周期少需要145ns(VDD>=2.7V), 一個擦/寫周期
為1.4065ms. 詳細時序請參考IP SPEC：“UM-6HBL-0079-020.pdf”

圖 22 測試覆蓋率分析表

4 產品量產失效反饋
4.1 HHNEC 產品量產失效反饋

待補充
4.2 SMIC 產品量產失效反饋

待補充
5 附錄

參考文檔
7-2_半導體存儲器.ppt
全面理解非易失存儲器.pdf
Flash Memory Testing.pdf
Flash memory disturbance faults.pdf
memory_test_basics.pdf
FLASH MEMORIES (Kluwer Academic Publishers) 書架編號：BI029