Bộ nhớ điện trở RRAM hấp dẫn vì cấu trúc đơn giản — một lớp ôxit kim loại kẹp giữa hai điện cực — và vì nó chuyển trạng thái nhanh, tiêu thụ ít năng lượng, dễ xếp chồng ba chiều. Nhưng chính sự đơn giản đó khiến việc đo đặc tính RRAM trở nên khó: linh kiện không có đường cong đặc tuyến ổn định để đo, mà có một cơ chế vật lý tự thay đổi ngay trong lúc bạn đang đo nó.
Bài viết này đi qua vật lý chuyển trạng thái, lý do phép quét I-V bằng SMU thông thường có thể phá hỏng chính linh kiện đang đo, cách dùng xung để tránh điều đó, và khung tham chiếu tiêu chuẩn cho phép thử độ bền.
Cơ chế: sợi dẫn, forming và hai chiều chuyển trạng thái
Ô RRAM ở trạng thái ban đầu có điện trở rất cao. Để nó hoạt động được, phải qua bước forming: đặt một điện áp đủ lớn để tạo ra một sợi dẫn xuyên qua lớp ôxit. Hai yếu tố cùng góp phần vào quá trình này — điện trường ngoài và nhiệt Joule. Sau khi sợi dẫn đã hình thành, chỉ cần điện áp thấp hơn điện áp forming để chuyển ô giữa trạng thái điện trở cao (HRS) và trạng thái điện trở thấp (LRS).
Trong RRAM lưỡng cực, điện áp dương đưa ô từ HRS sang LRS khi đạt tới điện áp SET; điện áp âm thực hiện thao tác RESET, làm đứt sợi dẫn giữa hai điện cực và đưa ô về HRS.
Hai tham số điều khiển hai đầu của cửa sổ nhớ, và chúng độc lập với nhau:
- Dòng giới hạn (compliance current) trong lúc forming và SET quyết định điện trở LRS, thông qua việc quyết định đường kính và/hoặc số lượng sợi dẫn được tạo ra. Nó cũng là thứ ngăn linh kiện bị đánh thủng vĩnh viễn.
- Điện áp RESET quyết định điện trở HRS, thông qua việc điều biến chiều dài đoạn sợi dẫn bị đứt.
Hệ quả thực dụng: nếu bạn hạ dòng giới hạn, cửa sổ nhớ thường nở ra vì rò ở trạng thái điện trở cao bị nén xuống có chọn lọc, cho cả công suất thấp hơn lẫn biên đọc tốt hơn. Đây là một trong ít trường hợp mà “đo nhẹ tay hơn” cho kết quả linh kiện tốt hơn thật, chứ không phải chỉ đẹp trên giấy.
Vì sao phép quét I-V chuẩn có thể phá hỏng linh kiện
Phản xạ tự nhiên là nối một SMU và quét điện áp với dòng giới hạn đặt sẵn. Trên hầu hết linh kiện bán dẫn, cách này hoàn toàn đúng. Trên RRAM, nó chứa một cái bẫy nghiêm trọng.
Điện trở của ô RRAM trong lúc forming dưới điện áp ứng suất thay đổi vài bậc độ lớn trong một khoảng thời gian cực ngắn — dưới 1 ns. Sự thay đổi lớn và nhanh như vậy tạo ra vọt lố dòng (current overshoot) trong lúc chuyển trạng thái mà mạch giới hạn dòng của máy phân tích tham số không kịp chặn. Nguyên nhân là điện dung ký sinh: điện tích tích trong điện dung của cáp và mạch nối phóng qua sợi dẫn vừa hình thành, và dòng phóng đó tiếp tục chảy một khoảng thời gian không kiểm soát được trước khi phần tử giới hạn kịp kẹp lại.
Hậu quả là sợi dẫn lớn hơn dự định. Nghĩa là:
- LRS thấp hơn giá trị mong muốn, dòng RESET sau đó phải lớn hơn.
- Kết quả đo phản ánh điện dung của bàn đo nhiều hơn phản ánh linh kiện.
- Hai phòng thí nghiệm dùng cáp khác nhau sẽ ra hai bộ số khác nhau trên cùng lô wafer.
Điều đáng chú ý là hướng xử lý hiện đại không phải “giảm điện dung ký sinh xuống tối thiểu” mà là tối ưu hoá nó để kiểm soát kích thước sợi dẫn. Dù chọn hướng nào, nguyên tắc đo vẫn giống nhau: điện dung của bàn đo là một tham số của phép đo, phải ghi vào biên bản chứ không được coi là chi tiết phụ.
Đo bằng xung: khi SMU không còn đủ
Cách thoát khỏi bẫy trên là chuyển từ quét chuẩn tĩnh sang kích thích bằng xung có kiểm soát, kèm khả năng đo dòng ngay trong lúc xung đang chạy. Đây chính là công việc của mô-đun WGFMU (bộ phát dạng sóng kiêm đơn vị đo nhanh) B1530A gắn trong khung Keysight B1500A — Máy phân tích linh kiện bán dẫn.
Mô-đun này gộp chức năng phát xung và phát dạng sóng tuyến tính tuỳ ý (ALWG) với chức năng đo dòng và điện áp trong cùng một khối. Các thông số quyết định:
- Độ phân giải định thời tối thiểu 10 ns cho hàm ALWG — đủ để dựng xung SET/RESET có sườn và độ rộng được kiểm soát, thay vì để mạch quyết định hộ.
- Tốc độ lấy mẫu tới 200 MSa/s khi đo dòng hoặc điện áp, với băng thông đo 16 MHz; băng thông của hàm ALWG khoảng 45 MHz.
- Dải điện áp ra: ±3 V, ±5 V, −10 V đến 0 V, và 0 V đến +10 V — phủ được cả forming (thường cần biên độ cao nhất) lẫn đọc (biên độ thấp).
Mô-đun này vốn được thiết kế cho các bài đo độ tin cậy dưới mức micro-giây như NBTI/PBTI và nhiễu điện báo ngẫu nhiên, và cùng lớp yêu cầu đó là thứ khiến nó phù hợp cho ReRAM.
Bản thân khung B1500A có tối đa 10 khe cắm, độ phân giải dòng tới 0,1 fA, khả năng ra 1 A DC hoặc 3 A dạng xung, và khối đo điện dung đa tần hoạt động trong dải 1 kHz đến 5 MHz. Nếu bạn muốn xem tổng quan các nhóm phép đo và cách chọn mô-đun cho khung này, bài Đo đặc tính linh kiện bán dẫn với Keysight B1500A trình bày chi tiết hơn.
Bốn phép đo đặc tính RRAM tạo thành hồ sơ một ô nhớ
1. Đường cong I-V chuẩn tĩnh
Vẫn cần, nhưng để trả lời câu hỏi khác: xác định điện áp forming, điện áp SET và RESET danh nghĩa, và quan sát dạng đường cong lưỡng cực. Đây là phép đo I-V bộ nhớ ở chế độ chậm, chấp nhận rằng vọt lố dòng có thể xảy ra — nên nó dùng để khảo sát vùng làm việc, không dùng để lấy số chính thức.
2. Chuyển trạng thái bằng xung
Đây mới là phép đo cho ra số dùng được về chuyển trạng thái SET RESET: dựng xung với độ rộng và biên độ quét được, đo dòng trong lúc xung chạy, và xác định ngưỡng biên độ – độ rộng tối thiểu để chuyển trạng thái thành công. Kết quả điển hình là một đường biên trên mặt phẳng biên độ – thời gian, và chính đường biên đó mới là thứ thiết kế mạch cần, không phải một cặp giá trị điện áp đơn lẻ.
3. Độ bền endurance
Độ bền endurance đo bằng cách lặp chu trình SET – đọc – RESET – đọc hàng nghìn tới hàng triệu lần và theo dõi hai mức điện trở. Hỏng hóc có hai kiểu: cửa sổ nhớ hẹp dần cho tới khi không phân biệt nổi hai trạng thái, hoặc ô kẹt ở một trạng thái. Phép đo này chỉ có nghĩa nếu điều kiện xung được giữ nguyên suốt quá trình — đó là lý do nó cần bộ phát dạng sóng có bộ nhớ và khả năng chuỗi hoá, không phải một SMU điều khiển bằng phần mềm từng bước.
4. Duy trì và nhiễu đọc
Sau khi ghi, ô phải giữ trạng thái. Phép đo duy trì đọc lại điện trở theo thời gian, thường ở nhiệt độ cao để tăng tốc. Ở đây yêu cầu đảo ngược hoàn toàn so với phép đo xung: cần độ phân giải dòng rất cao ở điện áp đọc thấp, và cần phép đọc không tự làm thay đổi trạng thái.
Khung tiêu chuẩn: dùng cái gì, và giới hạn ở đâu
Cần nói rõ một điểm mà nhiều tài liệu tiếp thị bỏ qua: chưa có phương pháp thử JEDEC dành riêng cho RRAM. Khung tham chiếu gần nhất là JESD22-A117, vốn được viết cho EEPROM: nó là phép thử ứng suất nhằm xác định khả năng của mạch tích hợp EEPROM chịu được việc thay đổi dữ liệu lặp lại mà không hỏng (độ bền ghi/xoá) và khả năng giữ dữ liệu trong suốt tuổi thọ dự kiến.
Giá trị thực tế của JESD22-A117 với người làm RRAM nằm ở chỗ nó định nghĩa sẵn bộ quy trình có tên gọi thống nhất: NVCE (độ bền chu trình bộ nhớ không bay hơi), UCHTDR (duy trì dữ liệu ở nhiệt độ cao khi chưa qua chu trình), PCHTDR (duy trì dữ liệu ở nhiệt độ cao sau khi đã qua chu trình) và LTDR (duy trì ở nhiệt độ thấp và nhiễu đọc). Các đặc tả định lượng cho phần kiểm định — số chu trình, thời lượng, nhiệt độ, cỡ mẫu — nằm ở JESD47, hoặc được xây bằng phương pháp dựa trên tri thức như trong JESD94.
Cách áp dụng đúng đắn: mượn cấu trúc và tên gọi quy trình từ JESD22-A117 để biên bản đo của bạn có thể so sánh được với bên khác, nhưng ghi rõ trong tài liệu rằng các ngưỡng định lượng là do bạn tự đặt cho công nghệ RRAM cụ thể. Trích JESD22-A117 như thể nó là tiêu chuẩn RRAM là một sai sót kỹ thuật dễ bị bắt lỗi khi khách hàng hoặc đối tác soi lại.
Chọn thiết bị theo từng vai trò
- Nghiên cứu vật liệu và độ tin cậy, cần cả xung nhanh lẫn dòng cực nhỏ → Keysight B1500A với mô-đun WGFMU. Đây là cấu hình duy nhất trong danh sách này làm được cả bốn phép đo ở trên trên cùng một khung.
- Đo I-V chính xác nhiều đầu đo, dòng rất nhỏ, không cần xung nano-giây → Máy phân tích I-V chính xác Keysight E5270B. Phù hợp cho phép đo duy trì và cho khảo sát rò ở trạng thái HRS.
- Bàn thí nghiệm hoặc bàn thử mẫu, ngân sách gọn, hai kênh độc lập → Nguồn-đo chính xác SMU Keysight B2902C. Hai kênh cho phép một kênh áp điện áp lên điện cực trên còn kênh kia giữ và đo điện cực dưới.
- Chỉ cần một kênh, dùng cho lớp học hoặc sàng lọc sơ bộ → Nguồn-đo chính xác SMU Keysight B2901C.
Với hai lựa chọn SMU cuối, hãy nhớ giới hạn đã nêu: chúng cho đường cong I-V tốt nhưng không chặn được vọt lố dòng ở thang nano-giây. Dùng chúng để khảo sát vùng làm việc và để đo duy trì, đừng dùng chúng để công bố điện trở LRS.
Kết luận
RRAM là linh kiện mà phép đo tham gia vào kết quả. Dòng giới hạn định hình LRS, điện áp RESET định hình HRS, và điện dung ký sinh của chính bàn đo có thể ghi đè lên cả hai thông qua vọt lố dòng mà mạch giới hạn không kịp chặn. Vì thế thứ tự đúng là: khảo sát vùng làm việc bằng quét chuẩn tĩnh, lấy số chính thức bằng xung có đo dòng đồng thời, chạy độ bền với điều kiện xung cố định, rồi đo duy trì ở chế độ dòng nhỏ. Và khi viết biên bản, hãy mượn cấu trúc quy trình của JESD22-A117 nhưng nói rõ ngưỡng là do bạn định nghĩa.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Nếu bạn cần cấu hình một khung phân tích tham số cho bài toán bộ nhớ mới, hoặc cần hiệu chuẩn SMU và máy phân tích I-V để số liệu fA của bạn có giá trị pháp lý, hãy gọi 0908 173 345.
