Een circuit voor vroege detectie voor verbetering van het uithoudingsvermogen van opgevulde contactresistieve Random Access Memory Array

Resultaten en discussie

Cyclability and Reset Recovery Scheme

Fietsduurzaamheid van BCRRAM wordt onderzocht door een geoptimaliseerd incrementeel stappulsprogrammering (ISPP) -algoritme getoond in figuur 5a. Na elke stresspuls worden de toestanden van BCRRAM geverifieerd om te bepalen of V _WL /V _SL moet worden verhoogd voor de volgende set/reset-bewerkingen [38]. Zoals weergegeven in Afb. 6a, kan een stabiel leesstroomvenster worden verkregen binnen een instel-/resettijd van 20 s, zie in Afb. 6b, voor cycli van 1k. Experimentele gegevens tonen aan dat de resettijd die nodig is om de doel-HRS te bereiken, geleidelijk toeneemt wanneer het aantal cycli de 1000 overschrijdt. Uit gegevens blijkt ook dat de meeste cellen uiteindelijk bij LRS blijven steken, zelfs nadat de resettijd tot 60 s is verhoogd. Om de hoofdoorzaak van reset-degradatie tijdens het fietsen te onderzoeken, wordt laagfrequente ruis (LFN) in de leesstroom onderzocht en gerapporteerd als een index die de eigenschappen van CF's weerspiegelt [39,40,41]. In ons vorige werk [31] vertonen cellen met verschillende dichtheden van CF's in de TMO-lagen een duidelijk ruisspectrum in de leesstroom. Zoals weergegeven in figuur 7a, kunnen cellen worden onderverdeeld in twee groepen op basis van kenmerken van het LFN-spectrum in hun leesstroom, in figuur 7b. Cellen met een lage dichtheid van CF's, aangeduid als 'gezond', blijken robuuster te zijn en zullen naar verwachting meer fietsstress verdragen. Er wordt aangenomen dat cellen die meerdere kleine CF's bevatten, "zwak" genoemd, kwetsbaarder zijn voor stress. Om de belangrijkste faalmechanismen voor cellen onder cyclustests te bestuderen, worden LFN of BCRRAM-apparaten gecontroleerd. Zoals samengevat in figuur 6c, wordt een sterke correlatie tussen celtypen en het aantal cycli gevonden in de BCRRAM-array. Het deel van zwakke cellen met meerdere geleidende paden in TMO-lagen neemt aanzienlijk toe na cycli, waarvan wordt aangenomen dat het minder efficiënte verwarming veroorzaakt in een verspreide CF, waardoor het resetproces wordt vertraagd [31]. Dientengevolge wordt het uithoudingsvermogen bij het resetten toegeschreven aan het genereren van meerdere geleidende paden. Naast ISPP-tests werden ook verschillende soorten CF-generaties na de constante spanningsspanningen gerapporteerd [27, 28]. Onnodige CF's gegenereerd door vaste set/reset-werkingsomstandigheden werden verondersteld een van de redenen te zijn, waardoor cellen geleidelijk hun capaciteiten verliezen bij het terugschakelen naar HRS. Om cellen te doen herleven na een mislukte reset, moeten onnodige CF's in hun TMO-lagen worden bijgesneden door middel van sterke reset-herstelpulsen met de voorwaarden in Fig. 5a, V _WL =1.2V, V _SL =2V en een pulsbreedte van 50 μs, zoals aangetoond in Fig. 6a. Met de juiste reset-herstelbehandeling kunnen het leesstroomvenster en de herbruikbaarheid ervan worden hersteld. Zoals weergegeven in figuur 6b, zijn de reset-herstelpulsen echter vaker nodig op cellen die meer dan 10 k-cycli hebben doorgemaakt. Gegevens in Fig. 6a geven ook aan dat herstelbewerkingen voor resetten nutteloos kunnen worden voor sommige cellen na langdurige cyclusstress, wat suggereert dat de CF's in deze cellen zodanig zijn beschadigd dat ze niet meer te repareren zijn.

een Het ISPP-algoritme voor instellen/resetten en herstellende resetvoorwaarden voor fietstests. De V_WL en V_SL worden respectievelijk verhoogd in set/reset-bewerkingen. b Het algoritme voor het vroegtijdig detecteren van de zwakke cellen

een 100 k ISPP set/reset cycli. Cellen verloren gelezen weduwen na 6 k cycli kunnen worden hersteld door 5 sterke resetpulsen met voorwaarden V _WL = 1.2 V, V _SL =2 V en pulsbreedte van 50 μs. De herstelbehandeling voor resetten is ongeldig na 10 k cycli. b Instel-/resettijd die nodig is om de statusomschakeling te voltooien tijdens 100 k-cycli. c Verschuiving in celtype, gedefinieerd door hun ruiskenmerken, wordt gevonden tijdens ISPP-cyclustests

een Illustraties van de filamenten en traptoestanden op de TMO-laag in gezond/zwak. b Overeenkomstige aanpastrends in ruisspectra

De verschuiving in de ruisfunctie van de cel die wordt waargenomen in figuur 6c, impliceert dat celtypen een nuttige index zijn voor het repareren van een kwetsbare cel voordat deze volledig faalt. Daarom is het onderscheiden van celtypes door hun ruiskenmerken tijdens bedrijf een cruciale factor bij het realiseren van vroege interventies voor het versterken van CF's.

Vroegdetectiecircuit

Voor cellen met meer CF's in TMO-lagen, fluctueert de leesstroom tussen meerdere weerstandstoestanden. Integendeel, cellen met één dominante CF in RRAM-films, stroom springen herhaaldelijk tussen twee verschillende toestanden, die kunnen worden gebruikt als de indices van de gezonde cellen [31]. Als gevolg hiervan kan het aantal middelste staten in leesstroom ons helpen de kwetsbare cellen te identificeren voordat deze volledig faalt. Daarom wordt in het algoritme dat wordt getoond in figuur 5b, om een ​​kwetsbare cel vroeg te detecteren en te doen herleven voordat het zijn cyclusvermogen volledig verliest, de bemonsteringsstroom van cellen naar het detectiecircuit gevoerd. Zodra de diagnose is gesteld, worden hersteloperaties uitgevoerd op de bevestigde zwakke cellen. Daarom worden in de volgende paragrafen twee circuits voor het detecteren van deze zwakke cellen geïntroduceerd en besproken.

Het eerste detectiecircuit volgens de buffergate (BG) -methode wordt geïllustreerd in figuur 8a. Ten eerste wordt de bemonsteringsstroom van BCRRAM-cellen gespiegeld en gefilterd door een condensator om een ​​gemiddeld niveau in te stellen. Vervolgens wordt het verschil tussen de twee kanten versterkt. Het versterkte verschil van middentoestanden schommelt nog steeds enigszins tussen 0,55 V en 0,45 V. Anderzijds, cel met één dominante CF, waar de leesstroom tussen bi-niveaus blijkt te springen; wanneer het door het detectorcircuit gaat, kan de uitvoer naar de hoge / lage spanningsniveaus worden geduwd. Zoals getoond in figuur 8b, worden verschillende logische toestanden gegenereerd door de twee BG's met de juiste overgangsspanningen en de XOR logische poort. Voor cellen die RTN in de middentoestand vertonen, is de uitgangsspanning (V _uit ) wordt vastgezet bij hoogspanningstoestanden (V _H ) in plaats van laagspanningstoestanden (V _L ). De verhouding tussen de kans op output in V _H (P _H ) versus die in V _L (P _L ) van de XOR-output op cellen die eerst door hun LFN als gezonde/zwakke cellen zijn gecategoriseerd, zijn samengevat in Fig. 8c. Voor cellen met meerdere stroomniveaus in leesstroomniveaus, blijft een groter deel van de XOR-uitvoer in hoge toestanden wanneer de zwakke cellen in het detectiecircuit worden geplaatst. Aan de andere kant is de kans groter dat gezonde cellen met een enkele dominante CF en verschillende weerstandsniveaus de XOR-uitgang in de laagspanningstoestanden plaatsen.

een Schema van BG-detectiecircuit en b zijn uitgangsspanning. c Cirkeldiagrammen van uitgangsspanningen op gezonde/zwakke cellen in de BG-methode. Hoog deel van hoge toestanden in een zwakke cel, die de stroom snel lezen, schakelen tussen meerdere weerstandsniveaus

Het tweede circuit dat hier wordt voorgesteld voor het screenen van kwetsbare cellen, genaamd Schmitt-trigger (ST) -methode, wordt geïllustreerd in figuur 9a. Twee Schmitt-triggers, waarvan de bovenste/onderste triggers respectievelijk 0,65 V/0,35 V en 0,55 V/0,45 V zijn, worden in plaats daarvan gebruikt om de waarschijnlijkheid van de leesstroom in de middelste toestand te bepalen. Uitgangsspanning, weergegeven in Fig. 9b, wordt hoog wanneer de leesstroom zich in de middelste staat bevindt. Van de ST-methode zijn de percentages hoge/lage niveaus op de XOR-uitvoer samengevat in Fig. 9c. De detectie-uitgangen blijven eerder in V _H voor zwakke cellen dan voor gezonde.

een Schema van ST-detectiecircuit en b zijn uitgangsspanning. c Cirkeldiagrammen van uitgangsspanningen op gezonde/zwakke cellen in ST-methode. Er kan meer VL worden verkregen in een gezonde cel, waarschijnlijk met slechts één dominante CF

Om het succespercentage van de detectie bij het identificeren van de zwakke cellen te onderzoeken, wordt de verhouding van hoge toestanden van de detectoroutput voor de twee groepen cellen die eerst zijn gecategoriseerd door LFN-kenmerken vergeleken in Fig. 10a, b. Voor het BG-detectiecircuit hebben we een zwakke cel gedefinieerd door een P . te hebben _H /P _L verhouding boven 2,3. Met dit criterium kan 70% van de zwakke cellen met succes worden gevangen, terwijl dit leidt tot 30% vals-positief. Voor de ST-methode, wanneer het selectiecriterium is ingesteld op een P _H /P _L ratio > 0,25, kan de dekkingsgraad 60% bereiken, terwijl de valse positieven zo hoog kunnen zijn als 50%. Dit maakt de ST-methode een minder effectieve screeningmethode. In vergelijking met figuur 10c wordt met de BG-methode een hoger dekkingspercentage en een lagere kans op fout-positieven aangetoond.

Cumulatieve verdeling van de verhouding van waarschijnlijkheden in hoge/lage logische toestanden op verschillende celtypen in a BG-methode, b ST-methode. c Vergelijking van dekkingsgraad en fout-positief tarief tussen twee circuitschema's

Vanwege de hoge dekkingsgraad die wordt geboden door de BG-methode, wordt het gebruikt voor de detectie van kwetsbare cellen met een hoog risico op uithoudingsvermogen, voor het starten van vroege interventies. De fietskarakteristieken van cellen die verschillende soorten herstelinterventies ondergaan, worden vergeleken in figuur 11a. Cellen blijken slechts 2 k cycli vol te houden als er tijdens fietstests geen interventie wordt uitgevoerd. De levensduur van BCRRAM kan met enkele duizenden cycli worden verlengd wanneer reset-herstelpulsen worden toegepast nadat de reset is mislukt. De meeste van de nieuw leven ingeblazen cellen kunnen echter geen 8 k fietsen doorstaan. Door het vroege detectiecircuit met BG-schema kunnen zwakke cellen in een array worden gedetecteerd voordat een cyclusstoring optreedt. Met een herstelpuls toegepast op een gedetecteerde zwakke cel, kan het uithoudingsvermogen van de meeste BCRRAM-cellen aanzienlijk worden verlengd tot meer dan 40 k-cycli. De 15% cellen in een 16 × 16 geheugenarray die op verschillende manieren een resetherstelbehandeling nodig hebben, worden vergeleken in figuur 11b. Hoewel er meer cellen moeten worden teruggewonnen vóór 10 k-cycli in de BG-detectiemethode, is het percentage cellen relatief stabiel tijdens een 50 k-cyclustest. In de vergelijkingsgroep, waar apparaten worden hersteld na een mislukte reset, neemt het aandeel cellen dat herstelinterventies nodig heeft echter toe met fietsstress, wat wijst op een zwaardere operatie, zowel qua snelheid als vermogen.

een Uithoudingsvermogen vergelijking van verschillende technieken, waaronder herstel-resetbehandeling en BG-circuitdetectie. b Aantal cellen dat een herstel-resetbehandeling heeft ondergaan tijdens cycli

Dankzij detectiecircuit en resetherstel kan de levensduur van BCRRAM effectief worden verlengd. Hoewel de dekkingsgraad van het BG-detectiecircuit 70% bereikt, worden sommige kwetsbare cellen niet geïdentificeerd. Als gevolg hiervan zijn we van mening dat het verbeteren van de dekkingsgraad een van de manieren is om het algehele uithoudingsvermogen van BCRRAM-arrays verder te verbeteren. De instellingen van het detectiecircuit kunnen verder worden aangepast om het percentage fout-negatieven te verlagen en de dekkingsgraad te verhogen. Bovendien kan de reset-reset worden geoptimaliseerd om BCRRAM beter te doen herleven naar zijn fietsmogelijkheden.