RTN en gloeien gerelateerd aan stress en temperatuur in FIND RRAM Array

Resultaten en discussie

Door uitgebreide metingen is gebleken dat RTN stabieler is en gemakkelijk waarneembaar is in een FIND RRAM-cel op zijn LRS. Daarom richt de volgende sectie zich in de studie van het cyclische en annealing-effect op RTN van FIND RRAM-cellen op het onderzoeken van cellen bij LRS. Zoals weergegeven in figuur 4a, leiden RTN-ruis tot tijdsvariante leesstroom die leesfouten veroorzaakt. Dit effect kan worden waargenomen in de celreeks van 1 kbit. In een array die 10 cycli heeft doorlopen, worden significante leesstroomfluctuaties gevonden wanneer de leesstroom wordt bemonsterd gedurende een interval van 20 s. De genormaliseerde bitstroomkaart in een array is gerangschikt in Fig. 4b, waar de stroomfluctuaties in LRS zo hoog kunnen zijn als +-5%, wat vergelijkbaar is met de RTN die wordt waargenomen in poortlekstroom na stress [19]. Om het effect van stress te onderzoeken, hebben we de huidige fluctuatieniveaus van 50 cellen voor en na fietsstress gevolgd. Gegevens in Fig. 5a laten zien dat meer dan 90% van de cellen een toename van ΔI / I vertoont na het fietsen. Het is namelijk aangetoond dat de tijdsvariante ruis in het FIND RRAM geleidelijk verslechtert naarmate de cellen meer fietsspanningen ervoeren. Als we de genormaliseerde leesstroomverdeling van verse cellen en gecycleerde cellen vergelijken, blijkt dat cellen die meer cycli hebben doorlopen, significantere RTN-signalen vertonen en twee of meer piekstroomverdelingen vertonen bij bepaalde toestanden. Aan de andere kant hebben verse cellen een huidige verdeling van een standaardverdeling, wat erop wijst dat er geen RTN-ruis is die de fluctuatie veroorzaakt, zoals aangetoond in Fig. 5b [20, 21]. Dit suggereert dat zodra een FIND RRAM lange cyclusbelasting ondergaat, zijn bitcelstroom onderhevig kan zijn aan meer drastische fluctuaties als gevolg van de toevoeging van RTN.

een Een genormaliseerde leesstroom bij 25 ° C bemonsterd met een snelheid van 500 Hz in een RRAM-cel die 10 cycli had doorlopen. Dit toont aan dat RTN tijdvariante leesstroom veroorzaakt. b Toont de grafiek van genormaliseerde stroom in een 1 kbit-array die 10 cycli heeft doorlopen, gelijktijdig bemonsterd op t1 = 3, t2 = 7.5, t3 = 14 en t4 = 17.5 s, achtereenvolgens. Door de momentopname op verschillende tijdstippen te vergelijken, fluctueert de leesstroom onder dezelfde leesomstandigheden

een De verdeling van de |ΔI/I| . vergelijken van 50 monsters voor en na stress. Het is te zien dat cellen na stress over het algemeen een grotere ΔI / I vertonen. De percentielwaarden van de boxplot van onder naar boven vertegenwoordigen respectievelijk de 25, 50 en 75 percentielpunten, terwijl de snorharen de maximum- en minimumwaarden aangeven. b Een histogram van genormaliseerde leesstroomverdeling van een cel gemeten bij vers en na 10 en 100 cycli. Dit toont aan dat zodra een FIND RRAM lange cyclusbelasting ondergaat, zijn bitcelstroom onderhevig kan zijn aan meer drastische fluctuaties als gevolg van de toevoeging van RTN

De genormaliseerde resultaten van het leesstroommonster bij verschillende temperatuurstadia worden vergeleken in Fig. 6. De opnametijd en emissietijd van RTN-vallen zijn bestudeerd en het is bekend dat ze veranderen met de temperatuur, die beide afnemen naarmate de temperatuur stijgt [22, 23 ]. Zoals verwacht neemt de frequentie van RTN-ruis toe naarmate de temperatuur stijgt, namelijk dat de fluctuaties van de leesstroom bij 0 °C minder vaak voorkomen dan die bij 25 °C. Bij metingen bij 50 °C worden stroomschommelingen tussen twee toestanden echter minder prominent. Dit kan verder worden onthuld in figuur 7a, waarin het histogram van genormaliseerde leesstromen wordt weergegeven, gemeten bij 0 ° C, 50 ° C en kamertemperatuur. De stroomverdelingen van 0 °C en 25 °C hebben wel twee distributiepieken, wat suggereert dat een enkele trapping-toestanden RTN het geleidende pad domineren [19], terwijl de discrete toestanden op de bemonsterde stroom bij 50 °C minder prominent worden. Dit suggereert dat bij hogere temperaturen de vallen die het RTN-signaal veroorzaken, onderhevig kunnen zijn aan instabiliteit zoals annealing-effect of defectrecombinatie, waardoor de kans op elektronenvangst wordt beïnvloed en dus het RTN-effect wordt verminderd [27].

Een vergelijking van genormaliseerde leesstromen van een RRAM-cel (in LRS-status) die 100 cycli heeft doorlopen met RTN-ruis gemeten bij 0, 25 en 50 °C, bij een samplefrequentie van 500 Hz

een Een vergelijking van histogrammen van genormaliseerde leesstroomverdeling van een cel in LRS-toestand, gemeten bij 0, 25 en 50 °C. b Een vergelijking van de cumulatieve kans van de |ΔI/I| van respectievelijk 30 monsters vóór spanning, na spanning en na ontlaten. Het blijkt dat een groot deel van de cellen na het gloeiproces terugkeert naar zijn oorspronkelijke ΔI/I

Bij verder onderzoek worden monsters verwarmd tot 75 °C. Deze cellen zijn na 30 minuten afgekoeld tot kamertemperatuur, waarna de monsters worden genomen. Dertig cellen worden gekozen en hun cumulatieve stroomfluctuatieniveaus bij vers, gespannen en na ontlaten worden vergeleken in Fig. 7b. Dit toont aan dat de meeste cellen na het gloeiproces terugkeren naar hun oorspronkelijke ΔI/I. De genormaliseerde leesstromen van een cel in zijn verse staat, gestresste toestand en na het bakken worden vergeleken in Fig. 8. De stroom na het bakken lijkt op de stroom die vers is, wat suggereert dat bakken bij hoge temperatuur de vallen uitgloeit die RTN-signalen veroorzaken. Figuur 9a is een geordende grafiek van de genormaliseerde leesstroom voor respectievelijk 1 kbit-array van verse cellen, licht gestresste cellen, sterk gestresste cellen en die na bakken. Uit de grafiek wordt aangetoond dat stroomfluctuaties intenser worden wanneer het RRAM sterk wordt belast, en drastisch wordt verminderd na het bakken bij hoge temperatuur. Dit effect kan in de hele reeks worden waargenomen, wat bevestigt dat bakken bij hoge temperatuur in feite een uitgloei-effect geeft aan de vallen die RTN-ruis induceren [24,25,26,27,28,29]. Figuur 9b vergelijkt verder de ΔI/I-verdelingen in een celarray die is verkregen door achtereenvolgens tien verschillende bemonstering. Het is gebleken dat dezelfde array verschillende ΔI/I-verdelingen vertoont in zijn verse, stress- en na gegloeide toestanden. Gegevens suggereerden dat gloeien de celarray helpt om verminderde stroomfluctuaties te vertonen, vergelijkbaar met het niveau van een array in zijn verse staat. Dit resultaat kan worden gebruikt voor het corrigeren en verlengen van de levensduur van FIND RRAM-cellen die RTN-signalen hebben vertoond na fietsstress.

Lees stromen van verse en gestresste cellen die zijn bemonsterd bij 25 ° C, 500 Hz vergeleken met die van de cel na bakken op hoge temperatuur en afgekoeld in een periode van 30 minuten tot kamertemperatuur. Het laat zien dat na het bakken de stress is afgenomen en de cel zich als een verse gedraagt

een Genormaliseerde leesstromen van een 1kbit-array genomen op een specifiek tijdstip, uitgezet bij vers, licht gestrest, sterk gestrest en na gegloeid. Het was te zien dat het aantal cellen met sterke fluctuatie enorm toeneemt over de array naarmate de array meer stress ondergaat en sterft nadat deze is uitgegloeid. b Vergelijking van de cumulatieve kansen van de |ΔI/I| distributies van 50 monsters uit dezelfde array in zijn verse, gestresste en na gegloeide toestanden, op verschillende tijdstippen met een interval van 1 s. De algehele ΔI/I op monsters na stress is hoger en keert terug naar normaal na uitgloeien

Het is het vermelden waard dat sommige cellen die tijdens het fietsen in een middentoestand vastzitten, na behandeling bij hoge temperatuur nieuw leven worden ingeblazen. Terwijl een FinFET RRAM-cel door LRS en HRS fietst, kan het geleidende filament in sommige cellen een kanaal vormen dat niet gemakkelijk kan worden gereset. Het bakproces biedt die cellen een pad om hun zuurstofvacatures opnieuw te verdelen, waardoor een effectieve reset naar HRS mogelijk wordt [30]. Afbeelding 10 toont een cel die niet in staat was om over te schakelen naar HRS, die na 125 °C, 15 minuten bakken, nieuw leven wordt ingeblazen. Met dit in gedachten wordt een gloeimechanisme op de chip voorgesteld waarbij de FIND RRAM-cel lokaal wordt verwarmd. Een constante stroom van 1,5 mA met een periode van 10 s wordt op de cel toegepast via voorwaartse voorspanning op de afvoerverbinding van de geselecteerde FinFET, zoals geïllustreerd in Fig. 11a. Deze grote stroom verwarmt een beperkt gebied in de buurt van de RRAM TMO en zorgt voor een soortgelijk gloei-effect. De leesstroom voor en na het uitgloeien van het te testen apparaat (DUT) wordt gemeten en geanalyseerd in Fig. 11b. De cumulatieve verdelingen van de continu bemonsterde leesstroom demonstreren de verwijdering van RTN op een cel na een gloeistap op de chip. Hier werd het on-chip uitgloeien van de FIND RRAM uitgevoerd op afzonderlijke cellen in opeenvolgende stappen om de nominale respons op een typische RRAM-cel na stress te begrijpen. Er moet een nieuwe gloeiprocedure op de chip worden ontwikkeld voor een experiment op array-niveau.

Door 125 °C bakken toe te passen op cellen die vastzitten in de middelste staat en een gloeiproces te bieden, zetten we deze cellen terug in functionele staat, waardoor de levensduur van de cel wordt verlengd

Het on-chip gloeischema dat we hebben voorgesteld, omvat het toepassen van -1 V bij BL, resulterende voorwaartse voorspanning en een gemeten stroom van 1, 5 mA, die de gestresste cel opwarmt en uitgloeit. In de grafiek kunnen we, door het cumulatieve percentage van de genormaliseerde stroom van de cel voor en na het proces te vergelijken, zien dat de stroomfluctuatie veroorzaakt door RTN aanzienlijk wordt verminderd