KR20070004087A - Method for inspecting semiconductor memory - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 기억장치의 검사 방법에 관한 것으로서, 특히 강유전체를 이용한 반도체 기억장치의 검사 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근, 휴대용 기기의 보급, 에너지 절약의 요청, 폐기물 삭감의 요청 등에 따라, 전원을 끄더라도 기억 내용을 유지할 수 있는 비휘발성 기억장치의 수요가 높아지고 있다. 강유전체 커패시터를 이용한 반도체 기억장치(FeRAM)는 저전압 동작, 다수 회의 개서가 가능한 비휘발성 기억장치이며, 논리회로와 혼재된 집적회로 장치 등에 널리 이용된다.In recent years, the demand for nonvolatile memory devices capable of retaining the contents of memory even when the power is turned off has increased in response to the spread of portable devices, requests for energy saving, and requests for waste reduction. BACKGROUND OF THE INVENTION A semiconductor memory device (FeRAM) using a ferroelectric capacitor is a nonvolatile memory device capable of low voltage operation and rewriting many times, and is widely used in an integrated circuit device mixed with logic circuits.
도 6의 (a)는 강유전체 커패시터의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 하부 전극(101), 상부 전극(102) 사이에 강유전체층(105)이 협지(挾持)되어서, 강유전체 커패시터를 구성하고 있다. 하부 전극은, 예를 들면 플레이트 선(PL)에 접속되고, 상부 전극은, 예를 들면 스위칭 트랜지스터를 거쳐서 비트 선(BL)에 접속된다.FIG. 6A is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a ferroelectric capacitor. The
하부 전극(101)에 대하여 상부 전극(102)에 상대적으로 정극성의 펄스 전압을 인가하면, 강유전체층(105)에 상향(上向)의 제 1 분극 상태(S1)가 남는다. 역극성의 펄스 전압을 인가하면, 강유전체층(105)에 하향(下向)의 제 2 분극 상 태(S2)가 남는다.When a positive pulse voltage is applied to the
도 6의 (b)는 강유전체층 커패시터의 히스테리시스 특성을 나타내는 그래프이다. 가로축은 하부 전극(101)에 인가하는, 상부 전극을 기준으로 한 전압이다. 세로축은 강유전체층의 분극(P)(전하)을 나타낸다. 인가 전압을 주사하면, 화살표로 나타낸 바와 같이, 이력 특성(히스테리시스)을 따라 상태 변화한다. 히스테리시스 곡선이 전압축과 교차하는 지점의 전압이 항전압(Vc)이다. 이하 더 상세하게 설명한다. 이제, 강유전체층이 분극(S1)의 상태에 있고, 하부 전극(101)에 정극성의 펄스(Vp)를 인가하는 것으로 한다.FIG. 6B is a graph showing hysteresis characteristics of the ferroelectric layer capacitor. The horizontal axis is a voltage based on the upper electrode applied to the
도 6의 (c)에 나타낸 바와 같이, 하부 전극의 전압의 증가와 동시에, 강유전체층은 화살표로 나타낸 바와 같이 상태 변화하고, 상향의 분극은 감소하고, 또한 전압을 증가해 가면 하향의 분극이 증가해 간다. 피크 전압(V1)에서 상태(T1)가 된다. 이 사이에, 정전하가 하부 전극에 유입되어, 상부 전극(102)으로부터 비트 선(BL)으로 정전하량(P)이 방출된다. 인가 전압의 강하와 동시에, 강유전체층은 상태(T1)로부터 상태(S2)로 변화된다. 이 변화와 함께 상부 전극(102)으로부터 비트 선(BL)으로 부전하량(Pa)이 방출된다.As shown in Fig. 6 (c), at the same time as the voltage of the lower electrode increases, the ferroelectric layer changes state as indicated by the arrow, the upward polarization decreases, and as the voltage increases, the downward polarization increases. Going. The state T1 is reached at the peak voltage V1. During this time, the static charge flows into the lower electrode, and the amount of static charge P is emitted from the
도 6의 (d)는 분극 상태(S2)의 강유전체 커패시터의 하부 전극에 정극성의 펄스(Vp)을 인가했을 때의 상태 변화를 나타낸다. 펄스 전압의 상승과 동시에, 강유전체 커패시터는 S2로부터 T1으로 상태 변화하고, 상부 전극(102)으로부터 비트 선(BL)에 정전하량(U)이 방출된다. 펄스 전압이 하강하면, 강유전체 커패시터는 T1으로부터 S2로 상태 변화하고, 상부 전극(102)으로부터 비트 선(BL)으로 부전하 량(Ua)이 방출된다.FIG. 6D shows a state change when a positive pulse Vp is applied to the lower electrode of the ferroelectric capacitor in the polarization state S2. At the same time as the pulse voltage rises, the ferroelectric capacitor changes state from S2 to T1, and the amount of static charge U is emitted from the
도 6의 (e)는 분극 상태(S2)의 강유전체 커패시터의 하부 전극에 부극성의 펄스(Vn)를 인가했을 때의 상태 변화를 나타낸다. 부극성의 펄스 전압(Vn)의 상승과 동시에, 강유전체 커패시터는 S2로부터 T2로 상태 변화하고, 상부 전극(102)은 비트 선(BL)으로 부전하량(N)을 방출한다. 부극성의 펄스 전압(Vn)의 하강과 동시에, 강유전체 커패시터는 T2로부터 S1으로 상태 변화하고, 상부 전극(102)은 비트 선(BL)으로 정전하량(Na)을 방출한다.FIG. 6E shows the state change when the negative pulse Vn is applied to the lower electrode of the ferroelectric capacitor in the polarized state S2. Simultaneously with the rise of the negative pulse voltage Vn, the ferroelectric capacitor changes state from S2 to T2, and the
도 6의 (f)는 분극 상태(S1)의 강유전체 커패시터의 하부 전극에 부극성의 펄스(Vn)를 인가했을 때의 상태 변화를 나타낸다. 부극성의 펄스 전압의 상승과 동시에, 강유전체 커패시터는 S1으로부터 T2로 상태 변화하고, 상부 전극(102)으로부터 비트 선(BL)으로 부전하량(D)이 방출된다. 부극성의 펄스 전압이 하강하면, 강유전체 커패시터는 T2로부터 S1으로 상태 변화하고, 상부 전극(102)으로부터 비트 선(BL)으로 정전하량(Da)이 방출된다.FIG. 6F shows the state change when the negative pulse Vn is applied to the lower electrode of the ferroelectric capacitor in the polarization state S1. Simultaneously with the rise of the negative pulse voltage, the ferroelectric capacitor changes state from S1 to T2, and the negative charge amount D is emitted from the
도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 강유전체 커패시터에는 임프린트(imprint)라고 일컬어지는 현상이 나타난다. 도면에 있어서, 가로축, 세로축은 도 6의 (b)와 마찬가지로 하부 전극의 전압, 분극을 나타낸다. 분극 상태(S1)를 계속해서 유지하면, 히스테리시스 특성이 H0로부터 H1로 변화해 가는 경향이 있다. 역의 분극 상태(S2)를 계속해서 유지하면, 히스테리시스 특성이 H0로부터 H1과 역방향의 H2로 변화해 가는 경향이 있다.As shown in Fig. 7A, a phenomenon called imprint appears in the ferroelectric capacitor. In the figure, the horizontal axis and the vertical axis represent the voltage and polarization of the lower electrode as in Fig. 6B. If the polarization state S1 is maintained continuously, the hysteresis characteristic tends to change from H0 to H1. If the reverse polarization state S2 is maintained continuously, the hysteresis characteristic tends to change from H0 to H2 in the reverse direction to H1.
도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 분극 상태(S1)를 계속해서 유지해서, 히스 테리시스 특성이 H0로부터 H1로 임프린트되면, 그 후 역극성의 S2를 기입했을 때, 축적되는 분극량은 분극량(ΔP1)만큼 감소하게 된다.As shown in FIG. 7B, when the polarization state S1 is continuously maintained and the hysteresis characteristic is imprinted from H0 to H1, when the reverse polarity S2 is written thereafter, the amount of polarization accumulated is It decreases by the polarization amount (DELTA) P1.
도 7의 (c)에 나타낸 바와 같이, 분극 상태(S2)를 계속 유지해서, 히스테리시스 특성이 H0로부터 H2로 임프린트되면, 그 후 역극성의 S1을 기입했을 때, 축적되는 분극량은 분극량(ΔP2)만큼 감소하게 된다. 분극량이 감소해서 판독될 수 없게 되면, 기억장치의 기능이 상실되게 된다.As shown in FIG. 7C, when the polarization state S2 is maintained and the hysteresis characteristic is imprinted from H0 to H2, when the reverse polarity S1 is written thereafter, the amount of polarization accumulated is equal to the polarization amount ( Decrease by ΔP2). If the amount of polarization decreases and cannot be read, the memory device loses its function.
도 8의 (a)는 2 트랜지스터, 2 커패시터(2T/2C)의 FeRAM의 메모리 셀 구성 예를 나타낸다. 1개의 FeRAM 메모리 셀은, 2개의 강유전체 커패시터(Cx, Cy) 및 각각의 강유전체 커패시터의 상부 전극에 드레인 전극이 접속된 스위칭 트랜지스터(Tx, Ty)를 포함한다. 2개의 스위칭 트랜지스터(Tx, Ty)의 소스 전극은 비트 선(BL, /BL)에 접속되고, 게이트 전극은 워드 선(WL)에 공통적으로 접속되며, 강유전체 커패시터(Cx, Cy)의 하부 전극은 공통적으로 플레이트 선(PL)에 접속된다. 비트 선(BL, /BL) 사이에는 센스엠프(SA)가 접속되어 있다.FIG. 8A shows an example of a memory cell configuration of a FeRAM of two transistors and two capacitors (2T / 2C). One FeRAM memory cell includes two ferroelectric capacitors (Cx, Cy) and switching transistors (Tx, Ty) in which a drain electrode is connected to an upper electrode of each ferroelectric capacitor. The source electrodes of the two switching transistors Tx and Ty are connected to the bit lines BL and / BL, the gate electrode is commonly connected to the word line WL, and the lower electrodes of the ferroelectric capacitors Cx and Cy are Commonly connected to plate line PL. The sense amplifier SA is connected between the bit lines BL and / BL.
강유전체 커패시터(Cx, Cy)에는 역극성의 정보가 기억된다. 예를 들면 "1"을 기억할 경우, 강유전체 커패시터(Cx)에는 정보 "1"을 기억하고, 강유전체 커패시터(Cy)에는 "0"을 기억한다. 판독할 때에는, 비트 선(BL)과 비트 선(/BL)의 전압 차이를 센스엠프(sense amp)(SA)가 검출한다.Reverse polarity information is stored in the ferroelectric capacitors Cx and Cy. For example, when "1" is stored, information "1" is stored in the ferroelectric capacitor Cx, and "0" is stored in the ferroelectric capacitor Cy. In reading, the sense amp SA detects a voltage difference between the bit line BL and the bit line / BL.
1 트랜지스터, 1 커패시터로 1개의 메모리 셀을 구성하는 1T/1C 구성도 이용할 수 있다. 이 경우, 예를 들면 우측의 트랜지스터와 강유전체 커패시터의 조합을 이용할 수 있어, 좌측의 트랜지스터와 강유전체 커패시터의 조합의 대신에 레퍼 런스 셀을 이용할 수 있다. 식별 가능한 전하량이 반감하지만, 본질적인 차이는 없으므로, 이하 2T/2C을 예로 들어서 설명한다.A 1T / 1C configuration, which consists of one memory cell with one transistor and one capacitor, is also available. In this case, for example, a combination of the transistor on the right side and the ferroelectric capacitor can be used, and a reference cell can be used instead of the combination of the transistor on the left side and the ferroelectric capacitor. Although the amount of identifiable charge is halved, but there is no essential difference, the following description will be given using 2T / 2C as an example.
도 8의 (b)는 FeRAM의 검사 순서를 도시한다. 도 8의 (c)는 도 8의 (b)의 순서에 따라서 1개의 FeRAM에 포함되는 2개의 강유전체 커패시터(Cx, Cy)에 인가되는 펄스 전압과 비트 선에 방출되는 전하 출력을 나타내는 다이어그램이다. 또한, 펄스 전압은 상부 전극을 기준전압으로 했을 때의 하부전극에 대한 전압으로 나타낸다.Fig. 8B shows the inspection procedure of FeRAM. FIG. 8C is a diagram showing a pulse voltage applied to two ferroelectric capacitors Cx and Cy included in one FeRAM and a charge output emitted to a bit line in the order of FIG. 8B. In addition, the pulse voltage is represented by the voltage with respect to the lower electrode when the upper electrode is made into the reference voltage.
우선, 단계(ST100)에서, 제 1 데이터의 기입이 행하여진다. 그 후, 동일 데이터의 판독, 역극성의 제 2 데이터의 기입, 판독이 행하여지므로, 제 1 데이터를 동일 상태(SS), 제 2 데이터를 역극성 상태(OS)라고 지칭한다.First, in step ST100, first data is written. After that, since the same data is read, the second data of the reverse polarity is written and read, the first data is referred to as the same state (SS) and the second data is referred to as the reverse polarity state (OS).
도 8의 (c)의 좌측에 나타낸 바와 같이, 우선 커패시터(Cx, Cy)에 정극성의 펄스 전압(Vp)을 인가하고, 양쪽 커패시터를 "0"의 분극 상태로 일치시킨다. 계속해서 커패시터(Cx)에는 정극성의 펄스 전압, 커패시터(Cy)에는 부극성의 펄스 전압을 인가하고, 커패시터(Cx)에 "1"을, 커패시터(Cy)에 "O"을 기입한다. 제 1 데이터(SS)가 기억된다.As shown on the left side of Fig. 8C, first, a positive pulse voltage Vp is applied to the capacitors Cx and Cy, and both capacitors are matched in a polarized state of " 0 ". Subsequently, a positive pulse voltage is applied to the capacitor Cx, a negative pulse voltage is applied to the capacitor Cy, and " 1 " is written in the capacitor Cx, and " O " is written in the capacitor Cy. The first data SS is stored.
그 다음 단계(ST110)에서는, 제 1 데이터(SS)를 기입한 양쪽 커패시터를 가열 상태, 예를 들면 150℃로 장시간, 예를 들면 10시간 방치한다. 기억한 정보의 열화가 가열 상태에서 가속된다. 임프린트에 동반하는 히스테리시스 시프트가 발생할 가능성도 있다. 그 후, 단계(ST120)에서 제 1 데이터(SS)를 판독한다.In the next step ST110, both capacitors in which the first data SS is written are left in a heating state, for example, 150 ° C. for a long time, for example, 10 hours. Deterioration of the stored information is accelerated in the heating state. There is also a possibility of hysteresis shift accompanying imprints. Thereafter, the first data SS is read in step ST120.
도 8의 (c)의 중앙 좌측에 나타낸 바와 같이, 양쪽 커패시터에 정극성의 펄 스 전압을 인가한다. 펄스 전압의 상승시에 커패시터(Cx)로부터는 "0"에 해당하는 정전하(U), 커패시터(Cy)로부터는 "1"에 해당하는 정전하(P)가 각각의 비트 선으로 방출되어, 그 차이에 의해 기억한 제 1 데이터(SS)를 판독한다. 판독에 의해 기억한 정보는 상실되므로, 판독된 정보에 기초하여, 다시 커패시터(Cx)에는 "0", 커패시터(Cy)에는 "1"을 기입한다. 분극이 감자(減磁)해 있으면, 제 1 데이터가 판독되지 않는 경우도 있다. 제 1 데이터(SS)의 판독에 의해, 보유(retention) 특성을 검사할 수 있다.As shown in the center left of FIG. 8C, a positive pulse voltage is applied to both capacitors. When the pulse voltage rises, the electrostatic charge U corresponding to "0" from the capacitor Cx and the electrostatic charge P corresponding to "1" from the capacitor Cy are emitted to each bit line. The first data SS memorized by the difference is read out. Since the information stored by the reading is lost, "0" is written to the capacitor Cx and "1" is written to the capacitor Cy again based on the read information. If the polarization is demagnetized, the first data may not be read. By reading the first data SS, the retention characteristic can be checked.
단계(ST130)에서 역극성의 제 2 데이터(OS)를 기입한다. 도 8의 (c)의 중앙 우측에 나타낸 바와 같이, 양쪽 커패시터에 정극성의 펄스 전압(Vp)을 인가해서 양쪽 커패시터를 "O"의 분극 상태로 일치시키고, 그 후 커패시터(Cx)에는 부극성의 펄스 전압(Vn)을 인가해서 "1"을 기입하고, 커패시터(Cy)에는 정극성의 펄스 전압(Vp)을 인가해서 "O"을 기입한다. 임프린트가 발생하고 있을 경우, 기억되는 분극은 감소하고 있다.In step ST130, the second data OS having reverse polarity is written. As shown on the right side of the center of FIG. 8C, positive pulse voltages Vp are applied to both capacitors to match both capacitors in a polarized state of "O", and then the capacitor Cx is negatively polarized. A pulse voltage Vn is applied to write "1", and a positive pulse voltage Vp is applied to the capacitor Cy to write "O". When imprint is occurring, the stored polarization is decreasing.
단계(ST140)에서 기입한 제 2 데이터를 일단, 예를 들면 5초 동안 방치한다. 완화(relaxation)나 온도의 안정화를 행하게 하여, 임프린트의 평가가 불충분해 지는 것을 방지하는 작용이 있다.The second data written in step ST140 is once left, for example, for 5 seconds. It has an effect of preventing relaxation or temperature stabilization, and insufficient evaluation of imprint.
그 다음의 단계(ST150)에서, 제 2 데이터(OS)의 판독을 행한다. 도 8의 (c)의 우측에 나타낸 바와 같이, 양쪽 커패시터에 정극성의 펄스 전압(Vp)을 인가한다. 펄스 전압의 상승시에 커패시터(Cx)로부터는 "1"에 해당하는 정전하(P), 커패시터(Cy)로부터는 "0"에 해당하는 정전하(U)가 각각의 비트 선으로 방출되어, 그 차이에 의해 기억된 제 2 데이터(OS)를 판독한다. 판독에 의해 기억된 정보는 상실되므로, 판독된 정보에 기초하여, 다시 커패시터(Cx)에는 "1", 커패시터(Cy)에는 "0"을 기입한다.In the next step ST150, the second data OS is read. As shown in the right side of Fig. 8C, a positive pulse voltage Vp is applied to both capacitors. When the pulse voltage rises, the electrostatic charge P corresponding to "1" from the capacitor Cx and the electrostatic charge U corresponding to "0" from the capacitor Cy are emitted to each bit line. The second data OS stored by the difference is read. Since the information stored by the reading is lost, "1" is written to the capacitor Cx and "0" is written to the capacitor Cy again based on the read information.
제 1 데이터의 임프린트에 의해, 분극량이 감소해 있으면 제 2 데이터가 판독되지 않는 경우도 있다. 제 2 데이터(OS)의 판독에 의해, 임프린트 특성을 검사할 수 있다. 라이프 평가를 행할 때에는, 단계(ST150)로부터 단계(ST100)로 되돌아가, 동일한 검사 단계를 반복한다.If the polarization amount is reduced by imprinting the first data, the second data may not be read. By reading the second data OS, the imprint characteristic can be inspected. When the life evaluation is performed, the process returns from step ST150 to step ST100 and the same inspection step is repeated.
실제의 FeRAM의 검사에 있어서는, 전체 메모리 셀에 대하여 결함의 유무를 판정하는 디바이스 검사와, 선택한 메모리 셀에 대하여 판독된 전하량을 측정하는 모니터 검사가 행하여진다.In actual FeRAM inspection, device inspection for determining the presence or absence of a defect for all the memory cells and monitor inspection for measuring the amount of charge read for the selected memory cell are performed.
도 9의 (a)는 디바이스 검사와 모니터 검사의 조건을 정리해서 나타내는 표이다. 디바이스 검사와 모니터 검사의 전압, 온도, 시간을 각 단계마다 나타낸다. 디바이스 검사의 전압은 모두 동작 전압 영역 중의 최소 전압으로 한다. 조건을 엄격하게 해서 엄밀하게 판정하기 위함이다. 온도는, 열방치 단계(ST110)에서는 150℃이고, 다른 단계에서는 고온이다. 방치 시간은, 열방치 단계(ST110)에서는 10시간이고, 단계(ST140)에서는 5초이다. 모니터 검사의 전압은 동작 전압 영역의 중심 전압이다. 온도는, 열방치 단계(ST110)에서는 150℃이고, 다른 단계에서는 실온이다. 방치 시간은, 열방치 단계(ST110)에서는 10시간이고, 단계(ST140)에서는 30초이다. 디바이스 검사, 모니터 검사의 각각에 있어서, 데이터 기입, 판독의 공정의 전압, 온도는 일정하다.9A is a table showing the conditions of the device inspection and the monitor inspection collectively. The voltage, temperature and time of the device test and the monitor test are shown for each step. The voltages of the device test are all the minimum voltages in the operating voltage range. This is to strictly judge the conditions. The temperature is 150 ° C. in the heat leaving step ST110 and high temperature in the other step. The leaving time is 10 hours in the heat leaving step ST110 and 5 seconds in the step ST140. The voltage of the monitor test is the center voltage of the operating voltage range. The temperature is 150 ° C. in the heat leaving step ST110 and room temperature in the other step. The leaving time is 10 hours in the heat leaving step ST110 and 30 seconds in the step ST140. In the device inspection and the monitor inspection, the voltage and the temperature of the data writing and reading process are constant.
FeRAM의 구성, 제조 방법은, 예를 들면 본 명세서에서 인용되고 있는 USP 5,953,619에 개시되어 있다. FeRAM의 검사 방법은, 예를 들면 본 명세서에서 인용되고 있는 USP 6,008,659에 개시되어 있다.The configuration and manufacturing method of FeRAM are disclosed, for example, in USP 5,953,619, which is cited herein. A test method for FeRAM is disclosed, for example, in US Pat. No. 6,008,659, which is incorporated herein.
FeRAM에서 특히 문제가 되는 것은 임프린트의 검사다. 일본특허공개 제 2001-67896호 공보는 고온 보존의 전후에서 역극성의 데이터의 동작 가감 전압을 측정하고, 그 차이로부터 임프린트가 일어난 상태를 검사하는 것을 제안한다. 일본특허공개 제 2002-8397호 공보는 제 1 데이터를 최대동작 전압에서 기입하여(실시예에서는 소정의 임프린트가 일어나는 회수만 기입하여) 임프린트를 발생시킨 후, 역극성의 제 2 데이터의 기입, 방치, 판독을 행하여 임프린트를 반영한 검사를 행하는 것을 제안한다.Of particular concern with FeRAM is the imprint test. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2001-67896 proposes to measure the operation ramp voltage of the reverse polarity data before and after high temperature storage, and to check the state where the imprint has occurred from the difference. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2002-8397 discloses writing the first data at the maximum operating voltage (in the embodiment, writing only the number of times a predetermined imprint occurs) to generate an imprint, and then writing and leaving the second polarity data of reverse polarity. It is proposed to perform inspection by reflecting the imprint by reading.
본 발명의 목적은 임프린트 특성을 단시간에 평가할 수 있는 반도체 기억장치의 검사 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for inspecting a semiconductor memory device capable of evaluating imprint characteristics in a short time.
본 발명의 1 관점에 의하면, 강유전체 커패시터를 이용한 비휘발성 메모리를 갖는 반도체 기억장치의 강유전체 커패시터에 대하여,According to one aspect of the present invention, a ferroelectric capacitor of a semiconductor memory device having a nonvolatile memory using a ferroelectric capacitor,
(a) 제 1 분극 상태를 제 1 기입 전압에서 기입하는 공정,(a) writing the first polarization state at the first write voltage,
(b) 상기 제 1 분극 상태를 열방치하는 공정,(b) thermally leaving the first polarized state;
(c) 상기 제 1 분극 상태를 제 1 판독 전압에서 판독하는 공정,(c) reading the first polarization state at a first read voltage,
(d) 상기 공정 (c) 후, 상기 제 1 분극 상태에 역인 제 2 분극 상태를 기입하는 공정,(d) after the step (c), writing a second polarization state inverse to the first polarization state,
(e) 상기 제 2 분극 상태를 방치하는 공정, 및(e) leaving the second polarization state to stand, and
(f) 상기 제 2 분극 상태를 제 2 판독 전압에서 판독하는 공정(f) reading said second polarization state at a second read voltage
을 포함하고, 기입, 판독의 전압, 온도의 적어도 한쪽이 공정에 따라 상이하고, 상기 공정 (a), (b), (c)에서 보유 성능을 검사하고, 이어지는 상기 공정 (d), (e), (f)에서 임프린트 성능을 검사하는 반도체 기억장치의 검사 방법이 제공된다.At least one of the voltage and temperature of writing and reading differs according to the process, and the holding performance is examined in said process (a), (b), (c), and following said process (d), (e) In (f), an inspection method of a semiconductor memory device for inspecting imprint performance is provided.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 강유전체 커패시터를 이용한 비휘발성 메모리를 갖는 반도체 기억장치의 강유전체 커패시터에 대하여, 제 1 분극 상태에서 방치한 후,According to another aspect of the invention, after leaving the ferroelectric capacitor of the semiconductor memory device having a nonvolatile memory using a ferroelectric capacitor in the first polarization state,
(a) 상기 제 1 분극 상태에 역인 제 2 분극 상태를 기입하는 공정,(a) writing a second polarization state inverse to the first polarization state,
(b) 상기 제 2 분극 상태를 방치하는 공정, 및(b) leaving the second polarization state to stand, and
(c) 상기 제 2 분극 상태를 판독하는 공정(c) reading the second polarization state
을 포함하고, 상기 공정 (a)의 온도 또는 전압이 상기 공정 (c)의 온도 또는 전압과 상이한 반도체 기억장치의 검사 방법이 제공된다.And a temperature or voltage of the step (a) is different from the temperature or voltage of the step (c).
임프린트를 크게 보이게 하거나, 가속함으로써 단시간에 임프린트 특성을 평가할 수 있다.Imprint characteristics can be evaluated in a short time by making the imprint appear large or accelerating.
도 1은 강유전체 커패시터를 갖는 반도체 기억장치의 검사 방법의 흐름을 나타내는 흐름도.1 is a flowchart showing a flow of a method of inspecting a semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor.
도 2의 (a) 내지 (d)는 OS의 기입, 판독의 온도를 변화시킨 실험을 설명하는 표와 그래프.2A to 2D are tables and graphs for explaining experiments in which the temperatures of OS writing and reading are changed.
도 3의 (a) 내지 (c)는 OS 기입 후의 방치를 고온으로 하고, 방치 시간을 변화시킨 경우의 실험을 설명하는 표와 그래프.FIG.3 (a)-(c) are the table | surface and graph which demonstrate the experiment at the time of leaving to stand after OS writing to high temperature, and leaving time to change.
도 4의 (a) 내지 (c)는 OS 기입 전압을 변화시켰을 때의 실험을 설명하는 표와 그래프.4A to 4C are tables and graphs for explaining experiments when the OS write voltage is changed.
도 5의 (a) 내지 (c)는 OS 기입 전압을 변화시켰을 때의 실험을 설명하는 표와 그래프.5A to 5C are tables and graphs illustrating an experiment when the OS write voltage is changed.
도 6의 (a) 내지 (f)는 강유전체 커패시터를 설명하는 단면도 및 그래프.6A to 6F are cross-sectional views and graphs illustrating ferroelectric capacitors.
도 7의 (a) 내지 (c)는 강유전체 커패시터의 임프린트를 설명하는 그래프.7A to 7C are graphs for explaining the imprint of a ferroelectric capacitor.
도 8의 (a) 내지 (c)는 강유전체 커패시터의 검사를 설명하는 등가회로도, 흐름도, 및 다이어그램.8A to 8C are equivalent circuit diagrams, flowcharts, and diagrams for explaining inspection of ferroelectric capacitors.
도 9의 (a), (b)는 강유전체 커패시터의 검사 방법을 나타내는 표, 및 디바이스 검사의 라이프 측정 결과를 나타내는 그래프.9 (a) and 9 (b) are tables showing the inspection method of the ferroelectric capacitor, and graphs showing the life measurement results of the device inspection;
우선, 종래의 검사 방법으로 본 발명자들이 FeRAM 디바이스의 라이프 평가를 행한 결과를 나타낸다.First, the result of having performed life evaluation of a FeRAM device by the present inventors by the conventional test method is shown.
도 9의 (b)는 도 8의 (b)에 나타나 있는 검사 흐름을 반복적으로 행하여 불량 비트의 라이프 평가를 행한 결과를 나타내는 그래프이다. 가로축은 적산 시간을 나타내고, 세로축은 보유 특성(SS)과 임프린트 특성(OS)의 불량 비트수를 나타낸다. SS 불량 비트는 504시간의 라이프 평가에서 1 비트도 나오지 않고 양호하다. OS 불량 비트는 단시간에 1비트이고, 100시간을 넘을 때부터 증가하기 시작하 여, 504시간에서 5비트로 되었다. 불량 비트수는 극히 적으므로 임프린트의 발생을 검출하는데도 500시간 이상이나 걸렸다. 임프린트가 발생하는 것이 판명된 경우, 주로 강유전체층의 제조 공정을 개선하게 된다. 검출에 500시간 이상이나 걸리면, 피드백이 여간해서 걸리지 않고, 개발 시간이 길어져 개발 비용도 상승하게 된다.FIG. 9B is a graph showing a result of life evaluation of a bad bit by repeatedly performing the inspection flow shown in FIG. 8B. The horizontal axis represents the integration time, and the vertical axis represents the number of defective bits of the retention characteristic SS and the imprint characteristic OS. The SS bad bit is good without even coming out one bit in the life evaluation of 504 hours. The OS bad bit is 1 bit in a short time, and starts to increase from over 100 hours, to 5 bits at 504 hours. Since the number of bad bits is extremely small, it took over 500 hours to detect the occurrence of imprint. If it is found that the imprint occurs, the manufacturing process of the ferroelectric layer is mainly improved. If the detection takes more than 500 hours, the feedback does not take any time, the development time is long, and the development cost also increases.
도 1은 강유전체 커패시터를 갖는 반도체 기억장치의 검사 방법의 흐름을 나타내는 흐름도이다. 기본적으로는 도 8의 (b)에 나타낸 검사 방법과 동일한 SS 기입 단계(ST100), 열방치 단계(ST110), SS 판독 단계(ST120), OS 기입 단계(ST130), OS 방치 단계(ST140), OS 판독 단계(ST150)를 포함하지만, 데이터 기입과 데이터 판독의 전압, 온도를 변경해서 임프린트를 크게 보이게 하거나, 가속하는 것을 시도했다.1 is a flowchart showing a flow of a method of inspecting a semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor. Basically, the same SS writing step (ST100), heat leaving step (ST110), SS reading step (ST120), OS writing step (ST130), OS leaving step (ST140), which are the same as the inspection method shown in FIG. Although the OS read step (ST150) is included, an attempt was made to make the imprint appear large or to accelerate by changing the voltage and temperature of data writing and data reading.
도 2는 OS의 기입, 판독의 온도를 변화시킨 실험을 설명하는 표와 그래프이다. 도 2의 (a)는 실험 조건을 정리해서 나타내는 표이다. 최상단에 나타낸 바와 같이, SS 기입 단계(ST100), OS 기입 단계(ST130), OS 방치 단계(ST140), OS 판독 단계(ST150)에 관하여 설명한다. SS 기입 단계(ST100)는 종래의 최저 전압, 고온 대신에, 3.6V, 실온(약 25℃)으로 행했다. 고전압에서 기입하는 편이 강유전체에 의해 특성을 부각시킬 것이라고 기대한 것이다. 열방치 단계(ST110), SS 판독 단계(ST120)는 종래와 마찬가지로 행했다.2 is a table and a graph for explaining an experiment in which the temperatures of OS writing and reading are changed. Fig. 2A is a table showing experimental conditions together. As shown at the top, the SS writing step ST100, OS writing step ST130, OS leaving step ST140, and OS reading step ST150 will be described. SS writing step (ST100) was performed at 3.6V and room temperature (about 25 degreeC) instead of the conventional minimum voltage and high temperature. It is expected that writing at high voltage will highlight the characteristics of the ferroelectric. The heat standing step ST110 and the SS reading step ST120 were performed in the same manner as in the prior art.
OS 기입 단계(ST130)는 2.7V로, 온도를 -45℃, -5℃, 25℃로 행하고, 방치 단계(ST140)는 15분으로 길게 하며, 85℃의 고온으로 행하고, OS 판독 단계(ST150) 는 2.7V로, 온도를 -45℃와 85℃로 행했다. 기입 온도, 판독 온도의 조합은 (-45℃, -45℃), (-45℃, 85℃), (-5℃, 85℃로), (25℃, 85℃)의 4종류이다. -45℃는 최저 동작 온도, 85℃는 최고 동작 온도이다.The OS writing step ST130 is performed at 2.7 V, the temperature is -45 ° C, -5 ° C, and 25 ° C, and the leaving step ST140 is lengthened to 15 minutes, and is performed at a high temperature of 85 ° C, and the OS reading step (ST150). ) Was 2.7 V, and the temperature was performed at -45 ° C and 85 ° C. The combination of writing temperature and reading temperature is four kinds of (-45 degreeC, -45 degreeC), (-45 degreeC, 85 degreeC), (-5 degreeC, 85 degreeC), and (25 degreeC, 85 degreeC). -45 ° C is the lowest operating temperature and 85 ° C is the highest operating temperature.
도 2의 (c)는 강유전체를 저온으로 했을 때에 기대되는 히스테리시스의 변화를 나타낸다. 저온으로 하면 히스테리시스는 파선으로부터 실선으로 나타낸 바와 같이 변화되어, 가로 방향(전압 방향)으로 넓어진다. 고전압(Vc)이 높아져, 기입이 어려워질 것이다.Fig. 2C shows the change in hysteresis expected when the ferroelectric is made low temperature. At low temperatures, the hysteresis changes as shown by the solid line from the broken line, and widens in the horizontal direction (voltage direction). The high voltage Vc will be high, making writing difficult.
도 2의 (d)는 강유전체를 고온으로 했을 때에 기대되는 히스테리시스의 변화를 나타낸다. 고온으로 하면 히스테리시스는 파선으로부터 실선으로 나타낸 바와 같이 변화되고, 세로 방향(분극 방향)이 축소된다. 분극이 감소(감자)함으로써, 판독이 어려워질 것이다.Fig. 2 (d) shows a change in hysteresis expected when the ferroelectric is made high temperature. At high temperatures, the hysteresis changes as shown by the solid line from the broken line, and the longitudinal direction (polarization direction) is reduced. As the polarization is reduced (potato), it will be difficult to read.
도 2의 (b)는 실험 결과를 나타낸다. -45℃에서 기입, 판독을 행한 경우, 결함 비트수는 0이었다. 최저 동작 온도에서도 기입, 판독이 정상적으로 행해진다고 생각할 수 있다. 그런데, 판독 온도를 85℃로 변경하면, 결함 비트수는 1471로 증가했다. 임프린트가 크게 보이게 되는 것이다. 기입 온도를 -5℃로 승온하면 결함 비트수는 0이 되었다. 기입 온도를 25℃(실온)로 승온해도, 결함 비트수는 0이었다.2 (b) shows the experimental results. When writing and reading were performed at -45 deg. C, the number of defect bits was zero. It is considered that writing and reading are normally performed even at the minimum operating temperature. By the way, when the reading temperature was changed to 85 占 폚, the number of defect bits increased to 1471. The imprint will look big. When the write temperature was raised to -5 ° C, the number of defect bits became zero. Even if the writing temperature was raised to 25 ° C (room temperature), the number of defect bits was zero.
자세한 이유는 불분명하지만, OS를 저온에서 기입하고, 고온에서 판독하면, 임프린트가 강조되어서 검출할 수 있다고 생각된다. 디바이스 검사의 결함 판정 결과를 설명했지만, 모니터 검사를 행하여 전하량을 검출하면, 기입 온도, 판독 온 도의 온도차의 영향이 보다 명료해진다. 그 결과만으로는, 90℃의 온도차에서는 임프린트는 크게 보이지 않고, 130℃의 온도차에서는 임프린트가 현저하게 크게 보이게 된다. 100℃ 이상의 온도차가 바람직할 것이다.Although the detailed reason is not clear, it is thought that if the OS is written at low temperature and read at high temperature, the imprint can be emphasized and detected. Although the defect inspection result of the device inspection has been described, the effect of the temperature difference between the write temperature and the read temperature becomes clearer when the charge amount is detected by the monitor inspection. As a result, the imprint does not appear large at the temperature difference of 90 ° C., but the imprint appears remarkably large at the temperature difference of 130 ° C. A temperature difference of at least 100 ° C. will be preferred.
도 1의 단계(ST130, ST150)를 각각 저온, 고온에서 행하는 것은 이러한 임프린트 강조 효과를 기대하는 것이다.Performing steps ST130 and ST150 of FIG. 1 at low and high temperatures respectively, is expected to have such an imprint emphasis effect.
도 3은 OS 기입 후의 방치를 고온으로 하고, 방치 시간을 변화시켰을 경우의 실험을 설명하는 표와 그래프이다. 도 3의 (a)는 실험 조건을 정리해서 나타낸 표이다. SS 기입 단계(ST100)는 전압 3.7V, 실온(약25℃)으로 행했다. OS 기입 단계(ST130)는 2.6V, 실온에서 행하고, 그 후의 방치 단계(ST140)의 방치 시간을 0, 1, 10, 20, 60(분)으로 하고, 온도를 90℃로 했다. OS 판독 단계(ST150)는 2.6V, 실온에서 행했다.3 is a table and a graph illustrating an experiment when the leaving time after OS writing is set to a high temperature and the leaving time is changed. 3A is a table showing the experimental conditions together. SS writing step (ST100) was performed at the voltage of 3.7V and room temperature (about 25 degreeC). The OS writing step (ST130) was performed at 2.6V and room temperature, the leaving time of the subsequent leaving step (ST140) was 0, 1, 10, 20, 60 (minutes), and the temperature was 90 degreeC. The OS reading step (ST150) was performed at 2.6V and room temperature.
도 3의 (b)는 OS 방치 시간 의존성을 나타내는 그래프이다. 가로축은 SS 열방치 시간의 적산치를 나타내고, 세로축은 OS 판독시의 커패시터(Cx)로부터의 전하량(P)과 커패시터(Cy)로부터의 전하량(U)의 차이를 나타낸다. OS 방치 시간 0, 1, 10, 20, 60(분)의 각 샘플에 대해서, 측정 결과를 도시하고 있다. 어느 조건에서도, 열방치 시간의 증가와 동시에 OS 전하량은 감소하고 있다. OS 전하량의 감소는 임프린트가 진행되고 있는 것을 나타낸다고 생각된다.FIG. 3B is a graph showing OS idle time dependency. The horizontal axis represents the integrated value of the SS thermal standing time, and the vertical axis represents the difference between the charge amount P from the capacitor Cx and the charge amount U from the capacitor Cy at the time of OS reading. The measurement result is shown about each sample of
도 3의 (c)는 열방치 시간이 24시간인 때의 OS 전하량에 대하여, 열방치 시간이 1000 시간인 때의 OS 전하량이 어느 정도 감소했는지의 비율(OS 레이트)을 %로 나타낸 그래프이다. OS 방치 시간마다 OS 레이트를 나타낸다. 각 샘플에서 임 프린트가 발생한다고 생각되는 단계(ST100, ST110)는 동일하므로, OS 레이트의 절대치가 클수록, 임프린트의 영향이 강하게 나타나 있다고 생각된다. OS 방치 시간이 길어지면, OS 레이트의 절대치가 커지는 경향이 나타나지만, OS 방치 시간이 10분을 넘으면 증가의 경향은 포화하게 된다.FIG. 3C is a graph showing the percentage (OS rate) of the amount of OS charge decreased when the heat leaving time is 1000 hours with respect to the OS charge amount when the heat leaving time is 24 hours. The OS rate is shown for each OS idle time. Since the steps ST100 and ST110 in which the imprint is considered to occur in each sample are the same, it is considered that the influence of the imprint is stronger as the absolute value of the OS rate is larger. If the OS leaving time is longer, the absolute value of the OS rate tends to be larger, but if the OS leaving time is more than 10 minutes, the increase tendency is saturated.
임프린트를 크게 보이기 위해서는, OS 방치 시간은 1O분 이상이 좋다는 것을 알 수 있다. 또한, OS 방치 온도를 최고 온도 85℃라고 하고 있지만, 그것보다 낮은 온도로 방치한 때에는, 방치 시간을 더 길게 하는 것이 바람직할 것이다. 도 1의 단계(ST140)의 고온, 10분 이상은 이를 나타낸다.In order to make the imprint look large, it is understood that the OS idle time is preferably 10 minutes or more. In addition, although OS leaving temperature is made into the maximum temperature of 85 degreeC, when leaving at lower temperature than that, it will be preferable to lengthen the leaving time longer. The high temperature of step ST140 of FIG. 1 for 10 minutes or more indicates this.
도 4는 OS 기입 전압을 변화시켰을 때의 실험을 설명하는 표와 그래프이다. 도 4의 (a)는 실험 조건을 정리해서 나타내는 표이다. SS 기입 단계(ST100), OS 판독 단계(ST150)는 도 3의 (a)와 마찬가지이다. OS 기입 단계(ST130)의 기입 전압을 2.2V, 2.6V, 3.0V로 변화시켰다. 온도는 실온이다. 또한, OS 방치 단계(ST140)를 20분으로 충분히 길게 하고, 온도도 또한 높게 90℃로 했다.4 is a table and a graph for explaining an experiment when the OS write voltage is changed. FIG. 4A is a table showing experimental conditions together. The SS write step ST100 and the OS read step ST150 are the same as in FIG. The write voltages of the OS write step ST130 were changed to 2.2V, 2.6V, and 3.0V. The temperature is room temperature. In addition, the OS leaving step (ST140) was sufficiently lengthened to 20 minutes, and the temperature was also set to 90 ° C.
도 4의 (b)는 OS 기입 전압 의존성을 나타내는 그래프이다. 가로축은 SS 열방치 시간의 적산치를 나타내고, 세로축은 OS 판독시의 커패시터(Cx)로부터의 전하량(P)과 커패시터(Cy)로부터의 전하량(U)의 차이를 나타낸다. OS 기입 전압 3.0V, 2.6V, 2.2V의 각 샘플에 대해서, 측정 결과를 도시하고 있다. 어느 조건에서도, 열방치 시간의 증가와 동시에, OS 전하량은 감소하고 있다. OS 전하량의 감소는 임프린트가 진행되는 것을 나타낸다고 생각된다.4B is a graph showing OS write voltage dependency. The horizontal axis represents the integrated value of the SS thermal standing time, and the vertical axis represents the difference between the charge amount P from the capacitor Cx and the charge amount U from the capacitor Cy at the time of OS reading. The measurement result is shown for each sample of OS write voltage 3.0V, 2.6V, and 2.2V. In any condition, the amount of OS charge decreases at the same time as the heat leaving time is increased. Reduction of the OS charge amount is considered to indicate that the imprint is in progress.
도 4의 (c)는 열방치 시간이 24시간인 때의 OS 전하량에 대하여, 열방치 시 간이 1000시간인 때의 OS 전하량이 어느 정도 감소했는지의 비율(OS 레이트)을 %로 나타낸 그래프이다. OS 기입 전압마다 OS 레이트를 나타낸다. 각 샘플에서 임프린트가 발생한다고 생각되는 단계(ST100, ST110)는 동일하므로, OS 레이트의 절대치가 클수록, 임프린트의 영향이 강하게 나타난다고 생각된다. OS 기입 전압이 낮아지게 되면, OS 레이트의 절대치가 커지는 경향이 나타나고 있다. 예를 들면, OS 기입은 최저 동작 전압에서 행하는 것이 바람직할 것이다. 도 1의 단계(ST130)의 저전압은 이를 나타낸다.FIG. 4C is a graph showing the percentage (OS rate) of how much the OS charge amount decreases when the heat leaving time is 1000 hours with respect to the OS charge amount when the heat leaving time is 24 hours. The OS rate is shown for each OS write voltage. Since the steps ST100 and ST110 in which imprint is considered to occur in each sample are the same, it is considered that the influence of the imprint is stronger as the absolute value of the OS rate is larger. As the OS write voltage decreases, the absolute value of the OS rate tends to increase. For example, OS writing may be desirable at the lowest operating voltage. The low voltage of step ST130 of FIG. 1 indicates this.
도 5는 SS 기입 전압을 변화시켰을 때의 실험을 설명하는 표와 그래프이다. 도 5의 (a)는 실험 조건을 정리해서 나타낸 표이다. SS 기입 단계(ST100)의 기입 전압을 4.4V, 3.7V, 3.0V로 변화시켰다. 온도는 실온이다. OS 기입 단계(ST130)는 전압 2.6V, 실온에서 행했다. 즉, SS 기입 전압은 SS판독 전압보다 높게 설정했다. OS 방치 단계(ST140), OS 판독 단계(ST150)는 도 4의 (a)와 마찬가지이다.5 is a table and a graph for explaining an experiment when the SS write voltage is changed. FIG. 5A is a table showing experimental conditions together. The write voltages of the SS write step ST100 were changed to 4.4V, 3.7V, and 3.0V. The temperature is room temperature. The OS writing step (ST130) was performed at a voltage of 2.6V and room temperature. In other words, the SS write voltage was set higher than the SS read voltage. The OS leaving step ST140 and the OS reading step ST150 are the same as in FIG. 4A.
도 5의 (b)는 SS 기입 전압 의존성을 나타내는 그래프이다. 가로축은 SS 열방치 시간의 적산치를 나타내고, 세로축은 OS 판독시의 커패시터(Cx)로부터의 전하량(P)과 커패시터(Cy)로부터의 전하량(U)의 차이를 나타낸다. SS 기입 전압 4.4V, 3.7V, 3.0V의 각 샘플에 대해서, 측정 결과를 도시하고 있다. 어느 조건에서도, 열방치 시간의 증가와 동시에, OS 전하량은 감소하고 있다. OS 전하량의 감소는 임프린트가 진행된다는 것을 나타낸다고 생각된다.5B is a graph showing the SS write voltage dependency. The horizontal axis represents the integrated value of the SS thermal standing time, and the vertical axis represents the difference between the charge amount P from the capacitor Cx and the charge amount U from the capacitor Cy at the time of OS reading. The measurement result is shown about each sample of SS write voltage 4.4V, 3.7V, and 3.0V. In any condition, the amount of OS charge decreases at the same time as the heat leaving time is increased. Reduction of the OS charge amount is considered to indicate that the imprint proceeds.
도 5의 (c)는 열방치 시간이 24시간인 때의 OS 전하량에 대하여, 열방치 시간이 1000시간인 때의 OS 전하량이 어느정도 감소했는지의 비율(OS 레이트)을 %로 나타낸 그래프이다. SS 기입 전압마다 OS 레이트를 나타낸다. OS 기입, 방치, 판독은 동일한 조건이므로, OS 레이트의 절대치가 클수록, 임프린트가 강하게 발생하고 있다고 생각된다. SS 기입 전압이 높아지면, OS 레이트의 절대치가 커지는 경향이 나타나고 있다. 예를 들면, SS 기입은 최고 동작 전압에서 행하는 것이 바람직할 것이다. 도 1의 단계(ST100)의 고전압은 이를 나타낸다.FIG. 5C is a graph showing, as a percentage, the percentage (OS rate) of how much the OS charge amount decreased when the heat leaving time was 1000 hours with respect to the OS charge amount when the heat leaving time was 24 hours. The OS rate is shown for each SS write voltage. Since OS write, neglect, and read are the same conditions, it is considered that imprint occurs strongly as the absolute value of the OS rate increases. As the SS write voltage increases, the absolute value of the OS rate tends to increase. For example, it would be desirable to perform SS writing at the highest operating voltage. The high voltage of step ST100 of FIG. 1 indicates this.
이상, 실시예에 따라 본 발명에 관하여 설명했지만, 본 발명이 이것들에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 각종의 변경, 개량, 조합이 가능하다는 것은 당업자에게는 자명할 것이다.As mentioned above, although this invention was demonstrated about the Example, this invention is not limited to these. For example, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, and combinations are possible.
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