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1 NVM 简介
1.1 基本结构

图 1 NVM 结构

。非易失存储器（Non-Volatile Memory）在系统关闭或无电源供应时仍能保持数据信息。一个非易失
存储器（NVM）器件通常也是一个MOS 管，拥有一个源极，一个漏极，一个门极另外还有一个浮栅
（FLOATING GATE）。它的构造和一般的MOS 管略有不同：多了一个浮栅。浮栅被绝缘体隔绝于其他部
分。
非易失存储器又可分为两类：浮栅型和电荷阱型
在浮栅型存储器中，电荷被储存在浮栅中，它们在无电源供应的情况下仍然可以保持。所有的浮栅型存
储器都有着类似的原始单元架构。他们都有层叠的门极结构如图一所示。个门极被埋在门极氧化层
和极间氧化层之间，极间氧化层的作用是隔绝浮栅区，它的组成可以是氧-氮-氧，或者二氧化硅。包围
在器件周围的二氧化硅层可以保护器件免受外力影响。第二个门极被称为控制门极，它和外部的电极相
连接。浮栅型器件通常用于EPROM(Electrically Programmable Read Only Memory)和EEPROM(Electrically
Erasable and Programmable Read Only Memory)。

图 2 浮栅型NVM

电荷阱型器件是在1967 年被发明的，也是个被发明的电编程半导体器件。在这类型的存储器中，
电荷被储存在分离的氮阱中，由此在无电源供应时保持信息。电荷阱器件的典型应用是在MNOS(Metal
Nitride Oxide Silicon)，SNOS(Silicon Nitride Oxide Semiconductor)和SONOS(Silicon Oxide Nitride Oxide
Semiconductor)中。下图展示了一个典型的MNOS 电荷阱型存储器的结构。

图 3 电荷阱型NVM

MNOS 中的电荷通过量子机制穿过一层极薄的氧化层（一般为1.5-3nm）从沟道中被注入氮层中。
详细请参考附件：全面理解非易失存储器.pdf

1.2 浮栅原理

图 4 浮栅原理

1.3 EEPROM 结构

图 5 EEPROM 结构原理

T2 为了提高擦、写的可靠性
T1 为实现数据存储的存储管存储原理：
Gf 存电荷前,正常控制栅极电压3V 下,T1 导通, 存0
Gf 存电荷后,正常控制栅极电压3V 下,T1 截止, 存1

1.3.1 写入为1：

图 6 写入1 原理

EEPROM 的写入过程,是利用了隧道效应,即能量小于能量势垒的电子能够穿越势垒到达另一边。 量子力
学认为物理尺寸与电子自由程相当时,电子将呈现波动性,这里就是表明物体要足够的小。 就pn 结来看,
当p 和n 的杂质浓度达到一定水平时,并且空间电荷极少时,电子就会因隧道效应向导带迁移。 电子的
能量处于某个级别允许级别的范围称为“带”,较低的能带称为价带,较高的能带称为导带。 电子到达较高
的导带时就可以在原子间自由的运动,这种运动就是电流。 EEPROM 写入过程,如图3 所示,根据隧道效
应,包围浮栅的SiO2,必须极薄以降低势垒。 源漏极接地,处于导通状态。在控制栅上施加高于阈值电压
的高压,以减少电场作用,吸引电子穿越。

1.3.2 擦除为0：

图 7 擦除为0 原理

要达到消去电子的要求,EEPROM 也是通过隧道效应达成的。如图4 所示,在漏极加高压,控制栅 为0V,翻
转拉力方向,将电子从浮栅中拉出。这个动作,如果控制不好,会出现过消去的结果。

1.4 FLASH
按结构又分为NOR Flash 和NAND Flash。基本单元为SIMOS--叠栅注入MOS，特点是浮栅Gf 与衬底间
SiO2 更薄10~15nm(相比EPROM 的30~40nm,E2PROM 的20nm)，Gf 与源极S 有极小的重叠区，即隧道
区。
存储单元相对于EEPROM，只需要一个MOS 管，结构简单，集成度高，成本低。因为MOS 管的源极是
连在一起的，所以擦除时按固定大小的存储容量(典型为128-512kbits) 整体擦除，所以叫Flash Memory，
用来形容擦除速度快。和E2PROM 相比，需要电压明显减小，这源于更薄的SiO2 绝缘层。
1.4.1 FLASH 结构：

 图 8 NOR/NAND Flash 结构

1.4.2 FLASH 擦除与写入

图 9 NOR 擦写原理

图 10 NAND 擦写原理

图 11 Flash 读原理

1.4.3 NOR, NAND FLASH 的比较
1. 擦除和写入方式相同：按块擦除和写入；
2. 存储单元的连接方式不同，或非和与非；
3. 读出方式不同: NOR 是线性编址，可以按字节随机访问；而NAND 是分了块页字节三个地址寻址，只
能按块读取。显然NOR 接口简单, 存取单位为字节, 可以随机访问;而且具有XIP 的功能（eXecute In
Place，本地执行），常用来存放程序代码；
4. NOR 寿命短（10 万次），NAND（100 万次）；因为XOR 的擦除基于隧道注入，而写入基于雪崩注入，
它们是不对称操作，加速了存储单元老化的速度。
5. NOR 写入和擦除速度慢, 存储密度低, 成本高；NAND 相反, 所以现在的U 盘等便携存储用的是NAND
Flash。
2 FLASH 常见失效模型
与RAM 类似，FLASH 有如下常见缺陷：
2.1 Address-Decoder Fault (AF) 地址解码错误
测试方法：0，1 漫游，包括升序和降序，March 算法是比较优化的测试方法，省去了大量的重复读操
作。
2.2 Stuck-At Fault (SAF) 短路到0，1 错误
测试方法：对大小为N 的存储器Erase 0，Read 0, Program 1, Read 1.
2.3 Transition Fault (TF) 0-〉1，1-〉0 变迁出错
测试方法：对EEPROM/FLASH 来说，需验证每个位能否正确编程和擦写。
2.4 Stuck-Open Fault (SOF) 开路
测试方法：验证每个位是否能正确读写0，1。
2.5 Bridging Fault (BF) 不同cell 间短路
测试方法：单独验证每个位是否能正确读写0，1。
2.6 Data Retention Fault 数据不能达到规定的保存时间
测试方法：CP1 和CP2 之间高温bake,在高温bake 后测试bake 前的数据是否不变。

2.7 Cell Endurance Fault (CEF)

测试方法：对NVM，这里主要考量可擦写次数，其实也就是门氧化层的耐久度，可通过测试测试VT 的
范围来进行，如下图，一般在可靠性测试中进行。详细请参考附件：“全面理解非易失存储器.pdf“

图 12 擦写次数窗口

2.8 Coupling Fault(CF)
由于NVM 的特殊结构,耦合故障模型与RAM 不太一样，一般称之为disturb fault.后面会有详细分析。
以下几种是EEPROM/FLASH *的失效模型（详细请参考附件“Flash Memory Testing.pdf”和“Flash
memory disturbance faults.pdf”)
2.9 Word Line Program Disturb Fault (WPDF)字线写干扰
Conditions: 如下图，（绿色圆圈代表正在进行的动作，红色箭头表示可能造成的干扰）：
当对cell- WL1BL1 编程时（电子进入浮栅），字线WL1 上为高压，cell-WL1BL2 上的缺陷（如漏电过大）
造成衬底电子被吸引到浮栅，该cell 被误编程。
测试方法：对某个CELL 编程（w1）后，检查同一字线上其他未被编程的CELL 是否也被编程（r0）

图 13 字线写干扰原理

2.10 Word Line Erase Disturb Fault (WEDF)字线擦干扰
Conditions: 如上图，当对cell- WL1BL1 编程时（电子进入浮栅），字线WL1 上为高压，cell-WL1BL0 上的
缺陷造成浮栅电子流失，该cell 被误擦除。
测试方法：对某个CELL 编程（w1）后，检查同一字线上其他已经被编程的CELL 是否被擦除（r1）
2.11 Bit Line Program Disturb Fault (BPDF) 位线写干扰
Condition: 如下图，当上方cell 被编程时，Bit 线上有电压，如果下方cell 漏极有defect（比如到浮栅的
氧化层漏电），那么电子将进入浮栅，该cell 被误编程
测试方法：对某个CELL 编程（w1）后，检查同一位线上其他未被编程的CELL 是否也被编程（r0）

图 14 位线写干扰原理

2.12 Bit Line Erase Disturb Fault (BEDF) 位线擦干扰
Conditions: 如7.1 节图示，
当对cell- WL1BL1 编程时（电子进入浮栅），位线BL1 上为6V，cell-WL0BL1 上的缺陷（如漏电过大）造
成浮栅电子流失，该cell 被误擦除。
测试方法：对某个CELL 编程（w1）后，检查同一位线上其他已经被编程的CELL 是否被擦除（r1）
2.13 Read Disturb Fault (RDF) 读干扰
Conditions: 如下图，当读取cell-WL1BL1 时，控制栅有电压，若该CELL 栅漏极的氧化层漏电，电子将进
入浮栅，该cell 被误编程；反之，如浮栅与控制栅间漏电，该cell 也可能被误擦写。
测试方法：对每个CELL 连续读两次(r0)。

图 15 读干扰原理

2.14 Over Erase Fault (OEF)
Conditions: Cell 被过度擦写（如擦写时间过长，电压过高），造成Source—Drain 漏电过大，可能表现为
读写错误。
测试方法：对全片CELL 进行00/FF 读写。
以下是NAND FLASH 的失效模型,原理与上述NOR FLASH 类似.

图 16 NAND 写失效原理

图 17 NAND 读/擦失效原理

3 EEPROM/FLASH 测试方法

常用测试方法：
3.1 全片擦除00/写入FF 并读出。
覆盖率：Stuck At, Stuck Open, 部分Bridge, Over Erase Fault.

3.2 Checkerboard
测试方法：每一个单元与相邻的单元值都不同，对每个page 写入5A 或AA55 实现。
覆盖率：Stuck At，Stuck Open , 部分Bridge Fault ,Over Erase Fault.
3.3 对角线
测试方法：先擦除全片，然后每个page 对角线上写1，也就是在每条位线上有一个CELL 写1，其
余为0，读取全片。
覆盖率：部分的Stuck At，Stuck Open , Bridge Fault，由于每条位线和字线都有动作，还可以检查除
去对角线上CELL 外其他CELL 的Word Line Program Disturb Fault (WPDF)字线写干扰和Bit Line Program
Disturb Fault (BPDF) Bit 位线写干扰
同理，将全片写1 后，在对角线CELL 上擦0 并写1，检查全片就可检查另外两种干扰WEDF 和BEDF。
3.4 CharBit(特征位）
测试方法：先擦除全片为0，再对page0(即word line0)写1，读page0 是否为1，把page0 擦为0；
再对除page0 外的某一行pageN 写1，读pageN 是否为1，把pageN 擦为0.
覆盖率：该测试主要针对生产测试中发现的如下失效现象：某条位线上有漏电，造成该位线上所有
cell 不能正常写入1。这里可归为Transition Fault 失效模型，0-〉1 变迁失效。
因为读的速度很快,建议在这个测试中将"读page0/N 是否为1" 改为"读全片"，这样还可以覆盖
2.11/2.22 节描述的BPDF 失效模型。
3.5 Bit_Test0
测试方法：先擦除全片为0，再对page0 的Word0_Bit0 写1,读1，再擦除，然后Word0_Bit1 写1,
读1，再擦除，直到该page 上所有Bit 都进行了“写1,读1，再擦除”（也就是在该page 中进行了走1
操作）
覆盖率：该测试主要针对生产测试中发现的如下失效现象：由于VPP 映射到各个Bit 线上的驱动能
力问题，造成某个Bit 线不能被正常写入。这里可归为Transition Fault 失效模型，0-〉1 变迁失效。
因为读的速度很快,建议在这个测试中后全片读一遍，可以测试BPDF 失效模型。
3.6 几种Flash 测试算法：DCP，DCE, DD, EF, GF，March-FT，Diagonal-FT, Diagonal-FD

图 18 测试时间

图 18 测试时间

图 19 测试覆盖率

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：全页擦除为0->降序对每个CELL（读0,写1，读1）
->降序对全页读1->全页擦除为0->升序对每个CELL（读0,写1，读1）->升序对全页读1
覆盖率：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.
测试时间：2 erase+2N program+6N read (N 代表memory size).
该算法大约需要2500 个门.

3.6.7 Diagonal-FT (对角线Flash Test)

图 20 对角线FT 算法

测试时间：2 erase+(1N+2*N[1/2]) program+(4N+3*N[1/2]) read (N 代表memory size).
该算法大约需要2500 个门.
覆盖率：对所有上述失效模型(除了Data Retention Fault 和Cell Endurance Fault), AF=81.6%, CF=81.95%,
其它都为100%.
3.6.8 Diagonal-FD (对角线Flash Diagnosis)

图 21 对角线FD 算法

覆盖率：对所有上述失效模型(除了Data Retention Fault 和Cell Endurance Fault)都为100%.
测试时间：2 erase+(1N+3*N[1/2]) program+4Nread (N 代表memory size).

3.7 Ion Check
擦除电流测试。先对全片写1，在VPP 上逐步增加电压（0~13V）的同时读全片，个CELL 出现
0 的VPP 上的电流就是小擦写电流，继续增加电压，当全片所有CELL 都变成0 是的电流就是大擦
写电流。
该测试只用于性能评估。
3.8 CP_Test Check
在擦除或者写入过程中测试VPP，用于评估内部电压泵是否能提供正确的擦除/写入电压。
3.9 Baking
CP1 和CP2 之间高温bake,在高温bake 后测试bake 前的数据是否不变。是对Data Retention Fault （数
据保存时间）的估算。
3.10 Open-Window:
如2.7 节所示，是针对Cell Endurance Fault (CEF)（擦写次数）的考量，测试存储单元开启电压与擦
除/写入次数的线性关系，一般在特性测试中使用。
3.11 各测试方法覆盖率分析表
以一个64*8BYTE EEPROM 为例，只有片擦，片写，CheckBoard, BYTE write,
BYTE read 模式，假设所有pin 可以并行控制，一个读周期少需要145ns(VDD>=2.7V), 一个擦/写周期
为1.4065ms. 详细时序请参考IP SPEC：“UM-6HBL-0079-020.pdf”

图 22 测试覆盖率分析表

4 产品量产失效反馈
4.1 HHNEC 产品量产失效反馈

待补充
4.2 SMIC 产品量产失效反馈

待补充
5 附录

参考文档
7-2_半导体存储器.ppt
全面理解非易失存储器.pdf
Flash Memory Testing.pdf
Flash memory disturbance faults.pdf
memory_test_basics.pdf
FLASH MEMORIES (Kluwer Academic Publishers) 书架编号：BI029