Proactieve vroege-detectieschakeling verbetert uithoudingsvermogen van backfilled contact RRAM arrays

Samenvatting

Als een van de meest veelbelovende ingebedde niet-vlatige opslagoplossingen voor geavanceerde CMOS-modules, hangen de toepassingen van resistive random access memory (RRAM) sterk af van de cyclische levensduur. Door gedetailleerde analyse zijn verbanden gevonden tussen ruistypes, filamentconfiguraties en het optreden van reset-fouten tijdens cyclische tests. Bovendien wordt een herstelbehandeling gedemonstreerd om de cyclische levensduur van RRAM te herstellen. Een vroege-detectieschakeling voor kwetsbare cellen in een array wordt ook voorgesteld voor het verder verbeteren van de algehele uithoudingsduur van een RRAM-array. De levensduur van RRAM kan uitgebreid worden tot meer dan 10k cycli zonder fail-bits in een array.

Inleiding

In de afgelopen jaren is RRAM met voordelen van eenvoudige structuur, superieure schaalbaarheid en hoge compatibiliteit met geavanceerde CMOS-processen een van de kerntechnologieën geworden voor het realiseren van ingebedde niet-vlatige geheugenmodules. RRAM met hoge cyclische levensduur kan de toepassingen uitbreiden naar systemen die frequenter niet-vlatige gegevens moeten bijwerken, zoals computing-in-memory en neuromorfische systemen.

Schakeling van toestanden in RRAM-films wordt bereikt door generatie/hercombinatie van zuurstofvacatures (V_o) om de constructie/vernieling van geleidende filamenten (CF) verder te controleren. Veel studies hebben aangetoond dat stochastische mechanismen in de vorming van CF's tijdens set/reset-bewerkingen een van de hoofdorzaken zijn voor bitfouten tijdens cyclische tests. In een faal-tot-set cel, hercombineerde overtollige V_o tijdens reset-bewerkingen verbreedt de tunnelingskloof tussen de residuele CF's en de topelektrode, wat het elektrisch veld in de kloofregio verzwakt, leidend tot lage V_o generatie. Aan de andere kant leidt overtollige V_o gegenereerd tijdens set-bewerking tot CF overgroei. Dit wordt beschouwd als de hoofdoorzaak van reset-fouten. Ook wordt onverwachte uitputting van zuurstofionten tijdens cycli verantwoordelijk gesteld voor het sluiten van het weerstandsvenster. Verschillende schema's voor het mitigeren van het effect van het stochastische proces in V_o generatie/annihilatie zijn gerapporteerd in diverse studies. Pulsen met grote stijg- en daaltijden vonden respectievelijk V_o generatie in set-bewerking en verbruik van zuurstofion in reset-proces te verminderen. Om goede controleerbaarheid van V_o te verkrijgen, stellen Chen et al. ook een tuning-puls-amplitude methode voor voor het balanceren van set/reset-bewerkingen. Naast pulsconditionering, worden sterke set/reset elektrische herstelbehandelingen op apparaten na uithoudingsfouten gevonden waarbij cellen hersteld kunnen worden en opnieuw gecycled kunnen worden. Het is ook onthuld dat verhoogde frequentie van herstelbewerkingen de algehele cyclische uithoudingsprestaties hoger duwt. Periodiek herstel op de gehele array tijdens cycli kost hoge energie-overhead en implementatie-uitdagingen in echte geheugenmodules. Daarom is het vinden van de zwakke cellen, die op de rand van cyclisfout staan, essentieel voor de implementatie van een selectieve en tijdige herstel. Dit kan de verbetering van cyclische levensduur mogelijk maken zonder onnodige behandelingen op gezonde cellen te verspillen.

In ons eerdere werk werden cellen met lage reset-efficiëntie gevonden die correleerden met de CF-topografie. Bovendien zijn willekeurige telegraphische ruizen gekoppeld aan de CF-typen, die ook de verandering van CF na cyclische stress weerspiegelen. In dit werk zijn nieuwe schakelingen voor vroege detectie van zwakke apparaten in een array door zijn leestroomkenmerken voorgesteld. Een reset-herstelbewerking wordt ook geïntroduceerd voor preventieve versterking van kwetsbare cellen geïdentificeerd door de detectiemethode. Door de methode van vroege detectie en selectieve CF-versterkingsbewerkingen toe te passen, is een significante verbetering in de set/reset cyclische levensduur succesvol gedemonstreerd.

Methoden

Statistische analyse over uithoudingsvermogen van RRAM is verzameld uit een 16 × 16 backfilled contact resistive random access memory (BCRRAM) array, geproduceerd met 0,18 μm CMOS logica-proces. Zoals getoond in de layout in Fig. 1, is het opslagknooppunt van BCRRAM in serie verbonden met een n-kanaal transistor voor celselectie in een NOR-type array. Om de fysieke eigenschappen van de TMO-laag van BCCRAM diepgaand te onderzoeken, wordt de transmissie-elektronenmicroscopische (TEM) analyse uitgevoerd door JEOL JEM-2800 transmissie-elektronenmicroscoop met energie 200 keV. De dwarsdoorsnede TEM-afbeeldingen van BCRRAM array langs de sourcelijn (SL) richting zijn getoond in Fig. 2. Vanwege de betere controle van de backfilled dielectrische filmdikte, kan een uniforme overgangsmetaaloxide (TMO) laag bereikt worden. De relatieve elementcomposities langs de diepte van RRAM-film worden verstrekt in energie-dispersieve Röntgen (EDX) spectroscopie analyse in Fig. 3, waar TMO-film van BCRAM-cel bestaat uit TiN/TiON/SiO₂. De elektrische analyse is voltooid door een halfgeleider-parameter-analyzer en een puls-generator. DC vorming/set/reset kenmerken van BCRRAM zijn gedemonstreerd in Fig. 4a. Let op dat hoge SL-spanning in vorming/set-bewerkingen vereist zijn om het zachte doorbraakproces te triggeren. Lage wordlijn (WL) spanning 0,6 V op de gate van de selectietransistor dempt de golfstroom en voorkomt overschakeling naar irreversibele weerstandstoestanden. Als een BCRRAM-apparaat onder unipolaire modus, wordt hogere V_WL van 1,2 V gekozen om voldoende hoge stroom te leveren om de diffusie van zuurstofion en hercombinatie met V_o te verbeteren, wat de schakeling terug naar HRS begunstigt. Zoals getoond in Fig. 4b, kan 10 × leestroomvenster behouden blijven onder 50 DC set/reset-cycli, waar lage weerstandstoestand (LRS)/hoge weerstandstoestand (HRS) ingesteld zijn op 5 μA/0,5 μA, respectievelijk.

Resultaten en Discussie

Cyclische levensduur en Reset Herstel Schema

Cyclische uithouding van BCRRAM wordt onderzocht door een geoptimaliseerd incrementele stap puls programmerings (ISPP) algoritme getoond in Fig. 5a. Na elke stresspuls worden de toestanden van BCRRAM geverifieerd om te bepalen of V_WL/V_SL verhoogd moet worden voor de volgende set/reset-bewerkingen. Zoals weergegeven in Fig. 6a, kan een stabiel leestroomvenster verkregen worden binnen 20 μs set/reset-tijd, zie Fig. 6b, voor 1k cycli. Experimentele gegevens tonen aan dat de reset-tijd vereist om de doel-HRS te bereiken geleidelijk toeneemt wanneer het aantal cycli 1000 passeert. Gegevens onthullen ook dat de meeste cellen uiteindelijk vastlopen op LRS zelfs na het verhogen van de reset-tijd tot 60 μs. Om de hoofdoorzaak van reset-degradatie tijdens cycli te onderzoeken, wordt lage-frequentie ruis (LFN) gevonden in de leestroom onderzocht en gerapporteerd als een index die de eigenschappen van CF's weerspiegelt. In ons eerdere werk vertonen cellen met verschillende dichtheden van CF's binnen hun TMO-lagen een afzonderlijk ruisspectrum in hun leestroom. Zoals afgebeeld in Fig. 7a, kunnen cellen gecategoriseerd worden in twee groepen op basis van kenmerken van het LFN-spectrum in hun leestroom, in Fig. 7b. Cellen met lage dichtheid van CF's, gelabeld "gezond", blijken robuuster te zijn en worden verwacht meer cyclische stress te verdragen. Cellen die meerdere kleine CF's bevatten, genaamd "zwak", worden beschouwd als kwetsbaarder voor stress. Om de belangrijkste foutmechanismen voor cellen onder cyclische tests te bestuderen, wordt LFN van BCRRAM-apparaten gemonitord. Zoals samengevat in Fig. 6c, wordt een sterke correlatie tussen celtypen en aantal cycli gevonden in BCRRAM-array. Het aandeel zwakke cellen met meerdere geleidende paden in TMO-lagen neemt aanzienlijk toe na cycli, wat wordt verondersteld om minder efficiënte verwarming in een gedispergeerd CF te veroorzaken, het reset-proces te vertragen. Als resultaat wordt uithoudingsfout op reset-bewerking toegeschreven aan de generatie van meerdere geleidende paden. Naast ISPP-tests, werden ook verschillende soorten CF-generaties na constante spanningstress gerapporteerd. Onnodige CF's gegenereerd door vaste set/reset-bewerkingscondities werd verondersteld een van de redenen te zijn, waardoor cellen geleidelijk hun mogelijkheden verliezen om terug te schakelen naar HRS. Om cellen na reset-fout te herstellen, hoeven onnodige CF's binnen hun TMO-lagen getrimd te worden door sterke reset-herstelpulsen met condities in Fig. 5a, V_WL=1,2V, V_SL=2V en pulsbreedte van 50 μs, zoals gedemonstreerd in Fig. 6a. Met de juiste reset-herstelbehandeling kan het leestroomvenster evenals de cyclische levensduur hersteld worden. Echter, zoals getoond in Fig. 6b, zijn reset-herstelpulsen vaker nodig op cellen die meer dan 10k cycli hebben ervaren. Gegevens in Fig. 6a geven ook aan dat reset-herstelbewerkingen nutteloos kunnen worden voor sommige cellen na lange cyclische stress, wat suggereert dat de CF's in deze cellen beschadigd zijn tot onherstelbaar.

De verschuiving in cel-ruiskenmerk waargenomen in Fig. 6c impliceert dat celtypen nuttige index zijn voor het repareren van een kwetsbare cel voordat het complete fout bereikt. Daarom is het onderscheiden van celtypen door zijn ruiskenmerken tijdens de werking een cruciale factor bij het realiseren van vroege interventies voor het versterken van CF's.

Vroege Detectieschakeling

Voor cellen met meer CF's binnen TMO-lagen, fluctueert de leestroom tussen meerdere weerstandstoestanden. Integen, cellen met één dominante CF in RRAM-films, stroom springt herhaaldelijk tussen twee duidelijke toestanden, wat gebruikt kan worden als indices van de gezonde cellen. Als resultaat kan het aantal middelste toestanden in leestroom ons helpen de kwetsbare cellen te identificeren voordat ze volledig falen. Daarom, in het algoritme getoond in Fig. 5b, om een kwetsbare cel vroegtijdig te detecteren en te herstellen voordat het volledig zijn cyclische capaciteit verliest, wordt de bemonsterde stroom van cellen in de detectieschakeling eingespeist. Eenmaal gediagnosticeerd worden herstelbewerkingen uitgevoerd op de bevestigde zwakke cellen. Daarom worden twee schakelingen voor het detecteren van deze zwakke cellen geïntroduceerd en besproken in de volgende secties.

De eerste detectieschakeling door de buffer-poort (BG) methode, is geïllustreerd in Fig. 8a. Ten eerste wordt de bemonsterde stroom van BCRRAM-cellen gespiegeld en gefilterd door een condensator om een gemiddeld niveau in te stellen. Vervolgens wordt het verschil tussen de twee kanten geamplificeerd. Het geamplificeerde verschil van middelste toestanden fluctueert nog steeds licht tussen 0,55 V en 0,45 V. Aan de andere kant, cel met één dominante CF, waar de leestroom springt tussen bi-niveaus; wanneer het door de detectorschakeling gaat, kan de uitgang geduwd worden naar de hoog/laag spanningsniveaus. Zoals getoond in Fig. 8b, worden verschillende logica-toestanden gegenereerd door de twee BG's met juiste overgangsspanningen en de XOR-logica-poort. Voor cellen die middelste-toestand RTN vertonen, wordt de uitgangsspanning (V_out) vergrendeld op hoge-spanningstoestanden (V_H) in plaats van lage-spanningstoestanden (V_L). De verhouding tussen de kans van uitgang in V_H (P_H) versus die in V_L (P_L) van de XOR-uitgang op cellen eerst gecategoriseerd door hun LFN als gezonde/zwakke cellen worden samengevat in Fig. 8c. Voor cellen met meerdere stroomniveaus in leestroomniveaus, blijft een groter deel van XOR-uitgang in hoge toestanden wanneer de zwakke cellen in de detectieschakeling worden gezet. Aan de andere kant, gezonde cellen met een enkele dominante CF en duidelijke weerstandsniveaus zijn geneigd om de XOR-uitgang op de lage spanningsniveaus te zetten.

De tweede schakeling voorgesteld hier voor het uitschakelen van kwetsbare cellen, genaamd als Schmitt-trigger (ST) methode, is geïllustreerd in Fig. 9a. Twee Schmitt-triggers, waarvan de boven/onder triggers ontworpen zijn om 0,65 V/0,35 V en 0,55 V/0,45 V te zijn, respectievelijk, worden gebruikt om de kans van de leestroom in zijn middelste toestand te vinden. Uitgangsspanning, getoond in Fig. 9b, wordt hoog wanneer de leestroom in zijn middelste toestand is. Uit de ST-methode worden de percentages van hoog/laag niveaus op de XOR-uitgang samengevat in Fig. 9c. De detectie-uitgangen zijn meer geneigd om in V_H te blijven voor zwakke cellen dan die voor gezonde.

Om de successgraad van de detectie in het identificeren van de zwakke cellen te onderzoeken, wordt de verhouding van hoge toestanden van de detecteruitgang voor de twee groepen cellen eerst gecategoriseerd door LFN-kenmerken vergeleken in Fig. 10a, b. Voor de BG-detectieschakeling definieerden we een zwakke cel door een P_H/P_L verhouding boven 2,3 te hebben. Met dit criterium kunnen 70% van de zwakke cellen met succes gevangen worden terwijl het leidt tot 30% false positive. Voor ST-methode, wanneer het selectiecriterium ingesteld is op een P_H/P_L verhouding > 0,25, kan de dekkingsgraad 60% bereiken, terwijl de false positive zo hoog kan zijn als 50%. Dit maakt ST-methode een minder effectieve screeningsmethode. Zoals vergeleken in Fig. 10c, tonen hogere dekkingsgraad en lagere kansen op false-positive aan door de BG-methode.

Vanwege de hoge dekkingsgraad die door BG-methode geboden wordt, wordt deze ingezet voor de detectie van kwetsbare cellen met hoog risico op uithoudingsfout voor de initiatie van vroege interventies. De cyclische kenmerken van cellen die verschillende typen herstelinterventies ervaren, worden vergeleken in Fig. 11a. Cellen blijken slechts 2k cycli te volhouden wanneer geen interventie genomen wordt tijdens cyclische tests. Levensduur van BCRRAM kan uitgebreid worden met enkele duizenden cycli wanneer reset-herstelpulsen toegepast worden na reset-fout. Echter, de meeste herstelde cellen kunnen niet meer dan 8k cycli halen. Door de vroege detectieschakeling met BG-schema, kunnen zwakke cellen in een array voor cyclisfout gedetecteerd worden. Met een herstelpuls toegepast op een gedetecteerde zwakke cel, kan uithoudingsvermogen van de meeste BCRRAM-cellen aanzienlijk uitgebreid worden tot meer dan 40k cycli. De 15% cellen in een 16 × 16 geheugenarray die reset-herstelbehandeling in verschillende methoden vereisen, worden vergeleken in Fig. 11b. Hoewel meer cellen hersteld moeten worden voor 10k cycli in BG-detectiemethode, is het percentage van cellen relatief stabiel doorheen een 50k cyclische test. In vergelijkingsgroep, waar apparaten hersteld worden na reset-fout, neemt het aandeel van cellen dat herstelinterventies nodig heeft toe met cyclische stress, wat zwaardere operatie-overhead suggereert op zowel snelheid als vermogen.

Dankzij detectieschakeling en reset-herstel kan de cyclische levensduur van BCRRAM effectief uitgebreid worden. Hoewel de dekkingsgraad van de BG-detectieschakeling 70% bereikt, worden sommige kwetsbare cellen niet geïdentificeerd. Als resultaat geloven we dat het verbeteren van de dekkingsgraad een van de paden is voor het verder verbeteren van de algehele uithoudingsduur van BCRRAM-arrays. De instellingen van de detectieschakeling kunnen verder aangepast worden voor het verminderen van de false negative graad, de dekkingsgraad te verbeteren. Bovendien kan de reset-herstel reset geoptimaliseerd worden voor betere herstel van BCRRAM naar zijn cyclische capaciteiten.

Conclusies

In deze studie zijn correlaties van LFN's, topografieën van CF's en reset-fout tijdens cycli vastgesteld. Bovendien is een reset-herstelbehandeling geïmplementeerd in BCRRAM-array voor het herstellen van reset-fout. Twee detectieschakelingen, BG-methode en ST-methode, zijn voorgesteld en onderzocht om de kwetsbare cellen uit te filteren voor vroege herstelinterventies. Daarnaast wordt de voorgestelde BG-methode met een hogere dekkingsgraad ingezet op een BCRRAM-array om uithoudingsvermogen te verbeteren. Met de nieuw voorgestelde BG-detectieschakelingen en vroege-detectie geïnitieerde reset-herstelbewerking, is een significante verbetering van cyclische uithoudingsduur voor meer dan 10k keer gedemonstreerd.