TW520514B - Circuit and method of qualification test for non-volatile memory - Google Patents

Description

520514 76 7 4twf . doc/006 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（(） 本發明是有關於一種非揮發性記憶體之驗證電路與方 法，且特別是有關於一種具有陷阱層（trapping)之非揮發性 記憶體的可靠性驗證(Qualification test)方法與電路。 非揮發性記憶體（non-volatile memory) ’例如快閃記憶 體(Flash)，一般目前使用的閘極結構爲具有控制閘極與浮 置聞極，其中控制閘極用來接收控制記憶胞動作的電壓， 浮置閘極則用來儲存電荷。在此種架構下’因爲浮置閘極 爲如多晶矽所製成的導體’因此對記憶胞進行程式時，被 注入到浮置閘極的電子會均勻分布於浮置閘極中。故而此 種具浮置閘極結構的記憶胞僅能做一個位元的記憶。之 後，利用絕緣體來取代浮置閘極的記憶胞結構便被提出 來。利用絕緣體來束縛電子時’可以讓電子被局部束縛， 故而可以達到兩位元的記憶儲存’使得記憶胞的使用效率 更爲提筒。 請參考第1圖，其繪示可以儲存兩位元之具有陷阱層 的非揮發性記憶體之結構剖面示意圖。如第1圖所示，在 基底具有做爲記憶胞之源極18與汲極16的離子摻雜。基 底上方則具有閘極結構，閘極結構可以爲一種氧化物10/ 氮化物12/氧化物14(oxide/nitride/oxide)結構。其中氮化物 層12用來做爲捕獲電子的陷阱層。在此，通道熱電子注 入（channel hot electron injection)與帶對帶熱電洞注入（band-to-band hot hole injection)分別用來對記憶胞進行程式 (program)與抹除(erase)程序。 由於陷阱層12爲非導體(絕緣層），所以當電子被吸引 3 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ' 一 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .f

一I ϋ I n II n ϋ —ϋ I ί n ϋ ϋ ϋ ϋ n n I ϋ I n ·ϋ ϋ 1 n ϋ n m l n 1 ϋ I 520514 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（1 ) 進去時，便會被侷限於記憶胞之汲極側或源極側。亦即， 當施加程式電壓於閘極與汲極’而源極施加〇v之電壓時， 閘極-汲極側便會產生大的電場，將電子吸入至陷阱層的 汲極側並且束縛於其中。反之’當施加程式電壓於閘極與 源極，而汲極施加ον之電壓時，閘極-源極側便會產生大 的電場，將電子吸入至陷阱層的源極側並且束縛於其中。 藉此，可以做到兩位元的儲存方式，亦即第1圖所標示之 位元1與位元2之位置。

Vg(V) VS(V) vd(V) vb(V) 程式 位元1 10 4 0 0 (program) 位元2 10 0 4 0 抹除 位元1 -3 +5 浮置 0 (erase) 位元2 -3 浮置 +5 0 讀取 位元1 2.75 0 1.6 0 (read) 位元2 2.75 1·6 0 0 表一 此種記憶胞可以藉由將電子注入絕緣層12後，以改 變記憶胞的臨界電壓（threshold voltage，Vt)。然而，記憶 胞在經過程式/抹除週期（program/erase cycle，P/E cycle)後， 已程式狀態（programmed state)的臨界電壓會隨著保持時間 0*etent1〇n time)的增加而降低。臨界電壓的降低會造成漏電 流(leakage curren〇的增加，並且會使得記憶胞的記憶資訊 失效。例如，原來在超過某臨界電壓爲狀態“〇”的情形時， 4 本紙張尺度^中 χ 297$ρ--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) l I n ϋ n ·1 ϋ 一：0、» I ϋ ϋ H ϋ ϋ ϋ I I n H ϋ — 1· I I H ϋ H I ϋ H ϋ ϋ n i ϋ I ϋ I ϋ · A7 520514 ^^74twf . doc/006 ___ B7 ^-- 五、發明說明（>) 會因爲臨界電壓的降低，而無法分辨出狀態“i”或狀態“〇，，· 亦即，記憶胞所儲存的資訊無法被正確的讀出。 因此，爲了能夠確保在記憶胞生產後，到經過封裝後 的產品到達用戶的手中，記憶體可以長期地被使用而不金 失效，於是便需要進行測試，來確保經過長期的保持時^ 後，即使臨界電壓降低，仍然在正常操作範圍，而不會失 效。然而，由於測試時間有限，如何運用測試方法來正確 且有效預測記憶胞的生命期(life time)，便成爲—重要的工 作。 爲此，本發明利用具有絕緣陷阱層之非揮發性記憶體 的物理特性，提出有效的驗證方法與裝置，其爲一種加速 測試，使得在短的測試時間之內，可以預估未來記憶胞的 使用生命期。 因此，本發明係提出一種非揮發性記憶體之可靠性驗 證方法與裝置，其爲一種加速性測試，利用在一段測試時 間內，判斷記憶胞陣列是否可在預定的生命期內正常工 作。 本發明係提出一種非揮發性記憶體之可靠性驗證方 法。首先，決定程式電壓對與記憶胞陣列生命期之間的一 關係曲線。接著預估該記憶胞陣列在預定生命期的一程式 電壓。從該關係曲線，求得對應該預定生命期的該程式電 壓之加速測試程式電壓與測試時間，以加速程式電壓，連 續在測試時間之內進行測試。對記憶胞陣列中之所有記憶 胞進行已程式記憶狀態的驗證，並判斷記憶胞陣列中所有 5 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一-0、 I H ϋ I I ·1 n I ϋ — ϋ n n I» ϋ n ϋ n ϋ ϋ n n I ϋ ϋ ϋ 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS)A4 €_(21〇χ 297公爱） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 520514 五、發明說明（+) 記憶胞在經過該測試時間後，是否均維持在該已程式狀 態。其中當記憶胞陣列中之所有記憶胞均維持在已程式狀 態時，則判斷爲記憶胞陣列具有生命期；當記憶胞陣列中 之部分記憶胞沒有維持在已程式狀態時，則判斷爲記憶胞 陣列不具有該生命期。 本發明更提出一種非揮發性記憶體之可靠性驗證電 路，用以測試一記憶胞陣列，其中記憶胞陣列具有複數個 記憶胞，以複數列與行排列構成，其中各列耦接到一字元 線驅動器，且各行耦接到一位元線偏壓電路，非揮發性記 憶體之可靠性驗證電路包括一程式電壓驗證控制單元，耦 接到記憶胞陣列，用以對各記憶胞進行已程式狀態的控制 與驗證。 藉由上述之加速驗證方法與電路，其利用加速測試的 程式電壓，在預定的測試時間之內，對所有記憶胞進行測 試。經過預定時間之後，隨之驗證所有記憶胞是否均可以 被驗證在程式化的狀態。若是，則可以得知在一實際的程 式電壓下，其記憶胞均被確認可以在預定的生命期之內正 常工作。藉此，以達到可靠性驗證的目的。 爲讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂， 下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 圖式之簡單說明： 弟1 si ’其繪不可以儲存兩位兀之具有陷阴:層的非揮 發性記憶體之結構剖面示意圖 第2圖繪示在各種不同的程式電壓（Vtpgm)T，臨界電 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ^ffj I n ϋ I I ϋ ϋ I ϋ h — ϋ I I ϋ -ϋ ϋ H ϋ ί n n n 520514 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 574twf-^〇c/006 五、發明說明（f) 壓Vt與保持時間之間的關係； 第3圖繪示在不同的程式電壓下，漏電流與保持時間 之間的關係； 第4圖係繪示程式電壓與記憶胞生命期之間的關係不 意圖； 、 第5圖係繪示本發明之非揮發性記憶體之可靠性驗證 方法的一個流程示意圖；以及 第6圖繪示實施本發明之非揮發性記憶體之可罪性驗 證方法的一個電路範例示意圖。 標號說明： 10氧化物層12氮化物層 14氧化物層16/18汲極/源極 20記憶胞陣列 30列位址解碼器 32字元線驅動器 40位元線偏壓電路 42行位址解碼器 50程式電壓驗證控制單元 S100〜S112本發明之方法的流程步驟 實施例 首先，請參考第2圖。第2圖繪係示在各種不同的程 式電壓（Vt program)Vtpgm下，臨界電壓Vt與保丨寸時間之 間的關係。例如，當Vtpgm爲5.92V時，隨著保持時間從 8小時增加到900小時，其臨界電壓Vt從約4.75V降至約 3.75V。從第2圖可以很容易的看出，臨界電壓Vt的變化 與保持時間的關係是呈現對數關係，且約爲線性，並隨著 保持時間的增加，臨界電壓Vt會隨之下降。 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規烙（2〗〇χ 297公髮） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · n ϋ I n ·1· ϋ —al I n n d n an ft— >ϋ ϋ ϋ n ϋ I n I n n I i .^1 ϋ ϋ n 520514 7674twf.doc/006 A7 B7 五、發明說明（έ)) 除此之外，以第2圖爲例，臨界電壓的變化率和程式 電壓相關性低，約爲下式所示： dv 命〇14，_ 因此，在相同的判斷準則（failure criteria)之下，例如以 Vt=2.5V爲判斷標準時，越高的程式電壓Vtpgm，其對應 的生命期就越長。判斷準則代表當臨界電壓低於此値時， 便不能分辨出記憶胞中所儲存資料係在狀態“0”，亦即， 記憶胞爲失效。 如第2圖所示，例如當程式電壓Vtpgm爲4.2V時， 圖上的臨界電壓從約3.5V降至約2.7V。亦即，在保持時 間到接近1000小時時，其臨界電壓Vt已經接近失效判斷 準則2.5V。也就是說當程式電壓Vtpgm爲4.2V時，其生 命期約只有1〇〇〇小時。反之，當程式電壓Vtpgm爲5.92V 時，圖上的臨界電壓從約4.75V降至約3.75V。此時離臨 界電壓失效的邊界還差很遠，亦即其生命期遠大於當程式 電壓Vtpgm爲4.2V時的條件。 第3圖繪示在不同的 程式電壓下，漏電流與保持時間之間的關係。第3圖係繪 示在不同的程式電壓下（Vtpgm=2.91〜3.7V)，偵測記憶胞的 漏電流Ir (μΑ)。在第3圖中係以漏電流Ιι*=0.5μΑ(圖中標 示II)做爲記憶胞失效的判斷準則。亦即，當漏電流超過 Ιι*=0.5μΑ時，便不能分辨記憶胞的儲存狀態爲“0”。此外， 標線I係代表10年的產品（記憶胞)生命期。

如第3圖所示，其可以明顯看出程式電壓Vtpgm越大 的話，其對應的保持時間就越長。以程式電壓Vtpgm=2.91V 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 丨费 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

• I I n ϋ ϋ ϋ I I I «I ί I n I I n an ϋ n ϋ ϋ ϋ ϋ ϋ ϋ n n n ϋ n n I ^__II 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 520514 7674twf.doc/006 A7 _ B7 發明說明（η ) 爲例，在保持時間到達1小時後，它的漏電流便超過〇.5μΑ 的標準，而使記憶胞失效。以程式電壓Vtpgm=3.29V爲例， 在保持時間到達約100小時後，它的漏電流便超過〇.5μΑ 的標準，而使記憶胞失效。而程式電壓Vtpgm=3.70V爲例， 在保持時間到達曲線I之10年生命期限後，它的漏電流仍 未超過0·5μΑ的標準。亦即’當程式電壓Vtpgm=3.70V， 其記憶胞的生命期可以超過10年。 第4圖係繪示程式電壓與記憶胞生命期之間的關係示 意圖。第4圖係結合第2圖與第3圖之結果。從第4圖可 以看出記憶胞的生命期(保持時間）與程式電壓Vtpgm之間 大致上爲一線性關係。本發明即要使用此圖來進行記憶胞 之加速驗證。所謂的加速驗證即利用一加速測試的程式電 壓Vta，在一預定的測試時間之內，對所有記憶胞進行測 試。經過該預定時間之後，隨之驗證所有記憶胞是否均可 以被驗證保持在程式化的狀態。若是，則可以得知在一較 高的程式電壓Vtp下，其記憶胞均被確認可以在預定的生 命期之內正常工作。 如第4圖所示，因爲記憶胞的生命期(保持時間）與程 式電壓Vtpgm之間大致上爲一線性關係’所以當想使用圖 中之程式電壓Vtp來對記憶胞程式，並使其具有預定的生 命期(標線I)時，其會分別對應到一個較低的程式電壓vta 與一測試時間（標線Π)。 例如，以第4圖爲例，當記憶胞在未來要以程式電壓 Vtp爲3.6V來程式，使其具有1〇5小時（約1〇年）的生命期’ 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁)

-· I---丨丨丨訂·丨丨丨丨_|·線II 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 520514 五、發明說明（》） 便可以利用第4圖之關係曲線的斜率，來找到一個加速測 試程式電壓Vta(3.3V)，且該加速測試程式電壓Vta對應到 一個測試時間1〇3小時。 因此，在進行記憶胞的可靠性驗證(quallflcation test) ’ 亦即驗證記憶胞是否可以具有預估的生命期時，便可以將 程式化至加速測試程式電壓Vta(3.3v)記憶胞，並且經過測 試時間103小時。對所有的記憶胞進行驗證工作，以判斷 所有記憶胞是否均可以被驗證在已程式狀態。若是的話’ 也就是所有的記憶胞在vta==3.3v的情形下，經過1〇3小時 後，其記憶狀態均爲可以被驗證爲正常，而非失效。 此外，因爲第4圖中所呈現的生命期(保持時間）與程 式電壓Vtpgm之間大致上爲一線性關係，因此便可以得到 當記憶胞在未來利用程式電壓Vtpgm爲3.6V時，其記憶 胞可以滿足10年產品生命期的標準。 因此，利用上述的方法，便可以在短時間之內，以較 低的程式電壓來預估記憶胞在較高的電壓是否可以具有預 定的產品生命期。 第5圖係繪示上述之方式的一個流程示意圖。首先， 步驟S100係決定程式電壓Vtpgm與記憶胞產品的生命期 之間的關係曲線。例如，第4圖所示的關係圖。 步驟S102係預估記憶胞在一預定生命期的程式電壓。 例如，第4圖所示，生命期爲1〇年時，程式電壓vtpgm 爲3.6V。之後，步驟S104係從步驟S100所得到的曲線中， 求得對應程式電壓Vtpgm的加速測試程式電壓vta與測試 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 520514 7 67 4 twf . doc/Ο 0 6 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（9 ) 時間。例如，Vta=3.3V且測試時間爲1000小時。 接著步驟S106係以Vta=3.3V之加速測程式試電壓， 連續在測試時間1000小時之內進行測試。經過1000小時 後，便在步驟S108對所有的記憶胞進行記憶胞之記憶狀 態的驗證，並判斷是否所有的記憶胞在經過1000小時的 測試後，已程式狀態是否均可以維持。 當所有的記憶胞經過1000小時的測試後，仍然維持 在已程式狀態時，則可以在步驟S110得到所有記憶胞在 經過程式電壓vtpgm的程式化後，可以具有10年以上的 生命期。反之，當記憶胞經過1000小時的測試後，有部 分記憶胞無法維持在已程式狀態時，則可以在步驟S112 得到所有記憶胞在經過程式電壓Vtpgm的程式化後，無法 具有1〇年以上的生命期。 綜上所述，利用前述的加速驗證方法，可以正確且有 效地預估產品的生命期。 第6圖繪示實施本發明之非揮發性記憶體之可靠性驗 證方法的一個電路範例示意圖。如第6圖所示，其繪示一 個快閃記憶體陣列20，而其中只繪出一個記憶胞Μ做代 表。熟悉此技藝者當知記憶體陣列20係由複數個記憶胞 以複數行（位元線，連接同一行記憶體之源極）與列（字元 線，連接同一列記憶體之閘極）方式交錯排列而成。字元 線驅動器（word line dnver)32，耦接到每一條字元線WL， 用以提供程式、抹除與讀取電壓到記憶胞的閘極。列位址 解碼器(row decode〇30，耦接到字元線驅動器32，用以接 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------f ----------------------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 520514 7674twf.doc/006 A7 B7 五、發明說明（π ) 收一*列位址後，將其解碼後，傳送到字元線驅動器3 2，之 後再由字元線驅動器3 2驅動連接在被選擇列位址（字兀線) 上的記憶胞。位元線偏壓電路(bit line bias circuit) 40，稱 接到每一條位元線BL，用以提供程式、抹除與讀取電壓 到記憶胞的源極。行位址解碼器(column decoder)42，親接 到位兀線偏壓電路40 ’用以接收一行位址後，將其解碼後， 傳送到位元線偏壓電路40;之後再由位元線偏壓電路40 提供偏壓給連接在被選擇行位址(位元線)上的記憶胞。 程式電壓驗證控制單元50,耦接至記憶體陣列20, 用以驗證記憶體陣列20中每一個記憶胞的已程式狀態。 如前所述之方法，藉由程式電壓驗證控制單元50來控制 記憶體陣列20中每一個記憶胞的已程式狀態爲加速測試 程式電壓Vta。當所有的記憶胞經過測試時間的測試後， 仍然維持在已程式狀態時，則可以得到所有記憶胞可以具 有預估之長期的生命期。反之，當記憶胞經過測試時間的 測試後，有部分記憶胞無法維持在已程式狀態時，則得到 所有記憶胞在無法具有預估之長期的生命期。 綜上所述·，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然 其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本 發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本 發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · I H ϋ I I I ϋ 一-ov · I I ϋ I I n I I — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 520514 A8 DO 7674twf.doc/〇〇6 C8 __ D8 六、申請專利範圍 1· 一種非揮發性記憶體之可靠性驗證方法，包括： 決定一程式電壓與記憶胞陣列生命期之間的一關係曲 線， 預估該記憶胞陣列在一預定生命期的一程式電壓 從該關係曲線，求得對應該預定生命期的該程式電壓 之一加速測試程式電壓與一測試時間； 以該加速測試電壓，連續在該測試時間之內進行測 試；以及 對該記憶胞陣列中之所有記憶胞進行一已程式記憶狀 態的驗證，並判斷是否該記憶胞陣列中所有記憶胞在經過 該測試時間後，是否均維持在該已程式狀態， 其中當該記憶胞陣列中之所有記憶胞均維持在該已程 式狀態時，則判斷爲該記憶胞陣列具有該生命期；當該記 憶胞陣列中之部分記憶胞沒有維持在該已程式狀態時，則 判斷爲該記憶胞陣列不具有該生命期。 2·如申請專利範圍第1項所述之非揮發性記憶體之可 靠性驗證方法，其中該程式電壓對與記憶陣胞列生命期之 間的該關係曲線係大致爲線性。 3·—種非揮發性記憶體之可靠性驗證方法，包括： 依據一程式電壓對記憶胞陣列之生命期之關係，預估 該記憶胞陣列在一預定生命期的一程式電壓； 求得對應該預定生命期的該程式電壓之一加速測試程 式電壓與一測試時間； 以該加速測試程式電壓，連續在該測試時間之內進行 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   520514 A8 B8 7674twf.d〇c/〇〇6 C8 -- D8 夂、申請專利範圍 測試；以及 對該記憶胞陣列中之所有記憶胞進行一已程式記憶狀 態的驗證，並判斷是否該記憶胞陣列中所有記憶胞在經過 該測試時間後，是否均維持在該已程式狀態。 4·如申請專利範圍第3項所述之非揮發性記憶體之可 靠性驗證方法，其中該程式電壓對與記憶胞陣列生命期之 關係係大致爲線性。 5.—種非揮發性記憶體之可靠性驗證電路，用以測試 一記憶胞陣列，其中該記憶胞陣列具有複數個記憶胞，以 複數列與行排列構成，其中各該列耦接到一字元線驅動 器，且各該行耦接到一位元線偏壓電路，該非揮發性記憶 體之可靠性驗證電路包括： 一程式電壓驗證控制單元，耦接到該記憶胞陣列，用 以對各該些記憶胞進行一已程式狀態的控制與驗證。 6· —種具有可靠性驗證電路之非揮發性記憶體電路， 包括： 一記憶胞陣列，具有複數個記憶胞，以複數列與行排 列構成； 一字元線驅動電路，耦接至各該些列，用以驅動各該 些列； 一位元線偏壓電路，耦接至各該些行，用以驅動各該 些行；以及 一程式電壓驗證控制單元，耦接到該記憶胞陣列，用 以對各該些記憶胞進行一已程式狀態的控制與驗證。 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------f (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線丨 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -n ϋ H ϋ n n >1 n ϋ n n n ϋ n I n n n I, n .