Схема раннего обнаружения для повышения выносливости массива резистивной памяти произвольного доступа с обратным заполнением контактов

Введение

В последние годы RRAM с преимуществами простой структуры, превосходной масштабируемости и высокой совместимости с передовыми процессами CMOS стала одной из основных технологий для реализации встроенных модулей энергонезависимой памяти [1,2,3,4,5,6,7, 8]. RRAM с высокой цикличностью может расширить свои приложения до систем, которым требуется более частое обновление энергонезависимых данных, таких как вычисления в памяти и нейроморфные системы [9,10,11,12,13,14,15].

Считается, что переключение состояний в пленках RRAM достигается за счет генерации / рекомбинации кислородных вакансий ( V _о ) для дальнейшего контроля образования / разрушения токопроводящих нитей (CF) [16,17,18,19,20,21,22]. Многие исследования показали, что стохастические механизмы формирования CF во время операций установки / сброса были обнаружены как одна из основных причин отказа битов во время циклических тестов [23,24,25,26,27]. В неустановленной ячейке превышение V _о рекомбинация во время операций сброса увеличивает туннельный зазор между остаточными CF и верхним электродом, что ослабляет электрическое поле в области зазора, что приводит к низкому V _о поколение [24]. С другой стороны, превышение V _о генерируется во время работы установки, что приводит к чрезмерному росту CF. Это считается основной причиной сбоев сброса [24, 28]. Также обнаружено, что неожиданное истощение ионов кислорода во время цикла приводит к закрытию окна сопротивления [23, 28]. Несколько схем для смягчения эффекта случайного процесса в V _о о генерации / аннигиляции сообщалось в различных исследованиях [23, 24, 28,29,30]. Было обнаружено, что импульс с большим временем нарастания и спада соответственно снижает V _о генерация при работе установки и расход иона кислорода в процессе сброса [23]. Для получения хорошей управляемости V _о , Чен и другие . также предложить метод амплитуды настраиваемого импульса для балансировки операций установки / сброса [29]. Помимо импульсного кондиционирования [23, 29], было обнаружено, что сильные электрические восстановительные процедуры с установкой / сбросом на устройствах после отказа выносливости позволяют восстанавливать клетки и снова запускать цикл [24, 28, 30]. Также обнаружено, что увеличение частоты восстановительных операций повышает общую выносливость при езде на велосипеде [24]. Периодическое восстановление всего массива во время цикла требует больших затрат энергии и проблем с реализацией реальных модулей памяти. Следовательно, поиск слабых ячеек, которые находятся на грани отказа цикла, имеет важное значение для осуществления выборочного и своевременного восстановления. Это может позволить улучшить циклируемость без ненужных затрат на лечение здоровых клеток.

В нашей предыдущей работе было обнаружено, что элементы с низкой эффективностью сброса коррелируют с топографией CF. Кроме того, случайные телеграфные шумы связаны с типами CF, которые также отражают изменение CF после циклического стресса [31]. В этой работе были предложены новые схемы для раннего обнаружения слабых устройств в массиве по его токовым характеристикам чтения. Операция сброса и восстановления также вводится для превентивного усиления уязвимых ячеек, идентифицированных методом обнаружения. Применение метода раннего обнаружения и операций селективного усиления CF позволило успешно продемонстрировать значительное улучшение цикличности установки / сброса.

Методы

Статистический анализ долговечности RRAM собирается из массива 16 × 16 с обратной заполнением контактной резистивной оперативной памяти (BCRRAM), которая изготавливается с помощью логического процесса 0,18 мкм CMOS [32, 33]. Как показано на схеме на рис. 1, узел хранения BCRRAM соединен последовательно с n-канальным транзистором для выбора ячеек в массиве типа NOR. Для углубленного исследования физических свойств слоя TMO BCCRAM проводится анализ просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на просвечивающем электронном микроскопе JEOL JEM-2800 с энергией 200 кэВ. Поперечное сечение TEM-изображения массива BCRRAM в направлении линии истока (SL) показано на рис. 2. Благодаря лучшему контролю толщины диэлектрической пленки с обратным заполнением может быть получен однородный слой оксида переходного металла (TMO). Относительный состав элементов по глубине пленки RRAM представлен в анализе энергодисперсионной рентгеновской (EDX) спектроскопии на рис. 3, где обнаружено, что пленка TMO ячейки BCRAM состоит из TiN / TiON / SiO _2. [32, 33]. Электрический анализ завершается анализатором параметров полупроводников и генератором импульсов. Характеристики формирования / установки / сброса постоянного тока BCRRAM показаны на рис. 4a. Обратите внимание, что для запуска процесса мягкого пробоя требуется высокое напряжение SL во время операций формовки / установки. Напряжение 0,6 В шины низкого слова (WL) на затворе транзистора выбора ограничивает импульсный ток и предотвращает переход в необратимые состояния сопротивления. Как устройство BCRRAM в униполярном режиме, более высокое V _WL 1,2 В выбирается для подачи достаточно высокого тока для усиления диффузии иона кислорода и рекомбинации с V _о , в пользу возврата к HRS [34,35,36,37]. Как показано на рис. 4b, 10-кратное окно считывания тока может поддерживаться в течение 50 циклов установки / сброса постоянного тока, при этом состояние низкого сопротивления (LRS) / состояние высокого сопротивления (HRS) установлено на 5 мкА / 0,5 мкА, соответственно.

Схема расположения исследуемого образца массива CRRAM с обратной засыпкой типа NOR 16 × 16

Поперечное сечение ПЭМ-изображения массива и ячеек BCRRAM. В ячейках BCRRAM можно получить однородную толщину диэлектрика

Анализ состава TMO-слоя ячейки BCRRAM на основе EDX. Слой TMO BCRRAM состоит из TiN / TiON / SiO ₂ стек

а Характеристики развертки формирования / установки / сброса постоянного тока, разрядные линии которых (BL) заземлены. б Уровни тока после 50 операций установки / сброса. LRS / HRS определены как 5 мкА / 0,5 мкА соответственно, чтобы получить 10-кратное соотношение включения / выключения

Результаты и обсуждение

Цикличность и схема восстановления после сброса

Циклическая износостойкость BCRRAM проверяется оптимизированным алгоритмом пошагового импульсного программирования (ISPP), показанным на рис. 5a. После каждого импульса напряжения проверяются состояния BCRRAM, чтобы определить, соответствует ли V _WL / V _SL необходимо увеличить для следующих операций установки / сброса [38]. Как показано на рис. 6a, стабильное текущее окно чтения может быть получено в течение 20 мкс времени установки / сброса, см. Рис. 6b, для 1k циклов. Экспериментальные данные показывают, что время сброса, необходимое для достижения целевого HRS, постепенно увеличивается, когда количество циклов превышает 1000. Данные также показывают, что большинство ячеек в конечном итоге застревает в LRS даже после увеличения времени сброса до 60 мкс. Чтобы исследовать основную причину деградации сброса во время цикла, исследуется низкочастотный шум (LFN), обнаруживаемый в токе считывания, и сообщается как индекс, отражающий свойства CF [39,40,41]. В нашей предыдущей работе [31] ячейки с разной плотностью CF внутри слоев TMO демонстрируют отчетливый спектр шума в токе считывания. Как показано на рис. 7a, ячейки можно разделить на две группы на основе характеристик спектра LFN в их токе считывания, показанном на рис. 7b. Клетки с низкой плотностью CF, помеченные как «здоровые», оказались более устойчивыми и, как ожидается, будут выдерживать больший цикл стресса. Считается, что клетки, содержащие несколько крошечных CF, называемых «слабыми», более уязвимы к стрессу. Для изучения основных механизмов отказа ячеек при циклических испытаниях отслеживается LFN устройств BCRRAM. Как показано на рис. 6c, в массиве BCRRAM обнаружена сильная корреляция между типами ячеек и количеством циклов. Доля слабых ячеек с множественными проводящими путями в слоях TMO значительно увеличивается после циклирования, что, как полагают, вызывает менее эффективный нагрев в диспергированном CF, замедляя процесс сброса [31]. В результате отказ долговечности при операции сброса объясняется образованием множества проводящих путей. Помимо испытаний ISPP, также сообщалось о различных видах генерации CF после постоянных напряжений напряжения [27, 28]. Ненужные CF, генерируемые фиксированными рабочими условиями установки / сброса, считались одной из причин, заставляющих ячейки постепенно терять свои возможности при переключении обратно на HRS. Чтобы восстановить ячейки после сбоя сброса, ненужные CF внутри их слоев TMO должны быть обрезаны с помощью сильных импульсов восстановления сброса с условиями на рис. 5a, V _WL =1,2 В, В _SL =2 В и длительность импульса 50 мкс, как показано на рис. 6а. При правильной обработке восстановления после сброса можно восстановить текущее окно чтения, а также его цикличность. Однако, как показано на рис. 6b, импульсы восстановления сброса требуются чаще в ячейках, которые испытали более 10 тыс. Циклов. Данные на рис. 6a также указывают на то, что операции восстановления сброса могут стать бесполезными для некоторых ячеек после длительного циклического стресса, предполагая, что CF в этих ячейках повреждены и не подлежат восстановлению.

а Алгоритм установки / сброса ISPP и восстановление условий сброса для циклических тестов. V _WL и V _SL увеличиваются, соответственно, в операциях установки / сброса. б Алгоритм раннего обнаружения слабых ячеек

а 100 тыс. Циклов установки / сброса ISPP. Ячейки, потерянные окнами чтения после 6 k циклов, могут быть восстановлены с помощью 5 сильных импульсов сброса с условиями V _WL =1,2 В, В _SL =2 В и длительность импульса 50 мкс. Процедура восстановления сброса недействительна после 10 k циклов. б Время установки / сброса, необходимое для завершения переключения состояния в течение 100 тыс. Циклов. c Изменение типа ячеек, определяемое их шумовыми характеристиками, обнаруживается во время циклических тестов ISPP

а Иллюстрации филаментов и состояний ловушек на слое TMO в здоровом / слабом состоянии. б Соответствующие тенденции аппроксимации шумовых спектров

Сдвиг в характеристике шума клетки, наблюдаемый на рис. 6c, означает, что типы клеток являются полезным показателем для восстановления уязвимой клетки до того, как она достигнет полного отказа. Следовательно, различение типов клеток по их шумовым характеристикам во время работы является решающим фактором в реализации ранних вмешательств для усиления CF.

Схема раннего обнаружения

Для ячеек с большим количеством CF внутри слоев TMO ток считывания колеблется между несколькими состояниями сопротивления. Напротив, в клетках с одним доминирующим CF в пленках RRAM ток многократно перескакивает между двумя различными состояниями, что может быть использовано в качестве показателей здоровых клеток [31]. В результате количество средних состояний в токе чтения может помочь нам идентифицировать уязвимые ячейки до того, как он полностью выйдет из строя. Следовательно, в алгоритме, показанном на рис. 5b, для раннего обнаружения уязвимой ячейки и ее оживления до полной потери способности к циклированию ток выборки ячеек подается на схему обнаружения. После постановки диагноза реставрационные операции выполняются на подтвержденных слабых клетках. Следовательно, две схемы для обнаружения этих слабых ячеек представлены и обсуждаются в следующих разделах.

Первая схема обнаружения методом буферного затвора (BG) проиллюстрирована на рис. 8a. Во-первых, ток выборки из ячеек BCRRAM зеркально отражается и фильтруется конденсатором, чтобы установить средний уровень. Далее разница между двумя сторонами усиливается. Усиленная разница средних состояний все еще немного колеблется между 0,55 В и 0,45 В. С другой стороны, ячейка с одним доминирующим CF, где ток считывания перескакивает между двумя уровнями; когда он проходит через детекторную схему, выход может быть переведен на высокий / низкий уровни напряжения. Как показано на рис. 8b, разные логические состояния генерируются двумя BG с соответствующими переходными напряжениями и логическим вентилем XOR. Для ячеек с RTN в среднем состоянии выходное напряжение ( В _вне ) становится защелкой в ​​состояниях высокого напряжения ( V _H ) вместо состояний низкого напряжения ( V _L ). Соотношение вероятностей выхода в V _H ( P _H ) по сравнению с V _L ( P _L ) выходного сигнала XOR для ячеек, сначала классифицированных по их LFN как здоровые / слабые клетки, суммированы на рис. 8c. Для ячеек с несколькими уровнями тока в уровнях тока чтения большая часть вывода XOR остается в высоких состояниях, когда слабые ячейки помещаются в схему обнаружения. С другой стороны, здоровые клетки с одним доминирующим CF и различными уровнями сопротивления с большей вероятностью переведут выход XOR в состояние низкого напряжения.

а Схема цепи обнаружения BG и b его выходное напряжение. c Круговые диаграммы выходных напряжений на здоровых / слабых клетках в методе BG. Высокая часть высоких состояний в слабой ячейке, которая считывает ток, быстро переключается между несколькими уровнями сопротивления

Вторая схема, предложенная здесь для экранирования уязвимых клеток, названная методом триггера Шмитта (ST), проиллюстрирована на рис. 9a. Вместо этого используются два триггера Шмитта, верхний / нижний триггеры которых рассчитаны на 0,65 В / 0,35 В и 0,55 В / 0,45 В соответственно, для определения вероятности тока считывания в его среднем состоянии. Выходное напряжение, показанное на рис. 9b, становится высоким, когда ток считывания находится в среднем состоянии. На основе метода ST процентное соотношение высоких / низких уровней на выходе XOR показано на рис. 9c. Выходы обнаружения с большей вероятностью останутся в V _H для слабых клеток, чем для здоровых.

а Схема цепи обнаружения ST и b его выходное напряжение. c Круговые диаграммы выходных напряжений на здоровых / слабых элементах в методе ST. Больше ВН может быть получено в здоровой клетке, которая, вероятно, имеет только один доминантный МВ

Чтобы исследовать степень успешности обнаружения при идентификации слабых ячеек, соотношение высоких состояний на выходе детектора для двух групп ячеек, сначала классифицированных по характеристикам LFN, сравнивается на рис. 10a, b. Для схемы обнаружения BG мы определили слабую ячейку, имея P _H / P _L коэффициент выше 2.3. С помощью этого критерия 70% слабых ячеек могут быть успешно пойманы, что приводит к 30% ложноположительных результатов. Для метода ST, когда критерий выбора установлен на P _H / P _L коэффициент> 0,25, уровень охвата может достигать 60%, а количество ложных срабатываний может достигать 50%. Это делает метод ST менее эффективным методом скрининга. По сравнению с рис. 10c, более высокий уровень охвата и меньшая вероятность ложноположительных результатов демонстрируются методом BG.

Кумулятивное распределение отношения вероятностей высокого / низкого логических состояний по разным типам ячеек в a Метод BG, b СТ метод. c Сравнение степени охвата и частоты ложных срабатываний между двумя схемами связи

Из-за высокой степени охвата, обеспечиваемой методом BG, он используется для обнаружения уязвимых клеток с высоким риском отказа выносливости для инициирования ранних вмешательств. Циклические характеристики клеток, подвергшихся различным типам восстановительных вмешательств, сравниваются на рис. 11a. Установлено, что клетки выдерживают только 2 тыс. Циклов, если во время циклических тестов не предпринимается никаких вмешательств. Срок службы BCRRAM может быть увеличен на несколько тысяч циклов, если после сбоя сброса применяются импульсы восстановления сброса. Однако большая часть возрожденных клеток не может пройти 8k циклов. С помощью схемы раннего обнаружения со схемой BG можно обнаружить слабые ячейки в массиве перед циклическим отказом. Если импульс восстановления применяется к обнаруженной слабой ячейке, срок службы большинства ячеек BCRRAM может быть значительно увеличен до более чем 40 тыс. Циклов. На рис. 11b сравниваются 15% ячеек в массиве памяти 16 × 16, требующие восстановления сброса при помощи различных методов. Несмотря на то, что в методе обнаружения BG необходимо восстановить больше клеток перед 10 тыс. Циклов, его процентное содержание клеток относительно стабильно на протяжении 50-тысячного циклического теста. Однако в группе сравнения, где устройства восстанавливаются после сбоя сброса, доля ячеек, требующих вмешательства для восстановления, увеличивается с нагрузкой от цикла, что предполагает более высокие операционные издержки как по скорости, так и по мощности.

а Сравнение выносливости различных методов, включая восстановление после сброса и обнаружение контура глюкозы крови. б Количество клеток, подвергшихся восстановительной перезагрузке во время циклов

Благодаря схеме обнаружения и восстановлению после сброса срок службы BCRRAM может быть эффективно продлен. Несмотря на то, что степень покрытия цепи обнаружения BG достигает 70%, некоторые уязвимые ячейки не идентифицируются. В результате мы считаем, что повышение скорости покрытия является одним из путей дальнейшего повышения общей выносливости массивов BCRRAM. Настройки схемы обнаружения могут быть дополнительно отрегулированы для уменьшения количества ложноотрицательных результатов и увеличения охвата. Кроме того, сброс восстановления сброса может быть оптимизирован для лучшего восстановления BCRRAM для его циклических возможностей.

Выводы

В этом исследовании устанавливаются корреляции LFN, топографии CF и сбоя сброса во время цикла. Кроме того, в массиве BCRRAM реализована обработка сброса восстановления для восстановления сбоя сброса. Две схемы обнаружения, метод BG и метод ST, предложены и исследованы для выявления уязвимых клеток для раннего восстановления. Кроме того, предлагаемый метод BG с более высокой степенью покрытия используется в массиве BCRRAM для повышения выносливости. Благодаря недавно предложенным схемам обнаружения BG и операции восстановления после сброса, инициированной ранним обнаружением, было продемонстрировано значительное улучшение устойчивости к циклическим нагрузкам более чем в 10 тысяч раз.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, подтверждающие выводы этой статьи, включены в статью.