Устранение случайного телеграфного шума в FinFET-базированных RRAM через анализ стресса и on-chip отжиг

Аннотация

Мы сообщаем о систематическом исследовании случайного телеграфного шума (RTN), наблюдаемого в токе чтения FinFET-базированного диэлектрического RRAM (FIND RRAM) элемента. После повторного циклического стресса амплитуда и частота RTN заметно увеличиваются, компрометируя целостность данных. Наши измерения показывают, что высокотемпературный отжиг подавляет эти шумовые пики, позволяя практическую on-chip стратегию отжига, восстанавливающую производительность устройства.

Введение

Неустанное масштабирование CMOS доставляло впечатляющие приросты в скорости и плотности, но также усиливает одиночно-атомную вариабельность, такую как случайные флуктуации допинга (RDF) и шероховатость краев линии (LER). В суб-20 нм узлах эти вариации проявляются как непредсказуемое поведение, в частности случайный телеграфный шум (RTN) в ультрамасштабированных устройствах вроде NAND flash и resistive RAM. В этой работе мы фокусируемся на n-канальном FinFET-базированном FIND RRAM элементе, успешно интегрированном в 1 кбит массивы. Мы kvantифицируем, как циклический стресс и температура влияют на RTN и демонстрируем, что целевой отжиг может смягчить возникшую нестабильность тока чтения.

Фон и методы

FIND RRAM устройство состоит из двух FinFET транзисторов: word-line (WL) селектора и storage node, формируемого high-k гейтовым диэлектриком между источником и стоком второго транзистора (Рис. 1a). Гейтовый стек состоит из HfO₂/SiO₂/TiN, с вольфрамовым верхним электродом и TaN нижним электродом. Во время чтения WL и substrate-line (SL) смещают при 0,8 В для обеспечения достаточного тока чтения (Рис. 1b). Элемент переключается между высокоомным состоянием (HRS) и низкоомным состоянием (LRS) через set/reset импульсы. DC свипы подтверждают стабильное резистивное переключение, в то время как масштабирование ширины импульса требуется для достижения целевых токов чтения ≥3 мкА (LRS) и ≤1 мкА (HRS) (Рис. 3a). RTN проявляется как дискретные ступени тока в обоих состояниях (Рис. 3b), атрибутируемые зарядовым ловушкам/деловушкам вдоль проводимого пути. Повторный циклический стресс индуцирует стресс в переходном-металл-оксидном (TMO) диэлектрике, увеличивая вероятность RTN событий. Мы мониторили токи чтения до циклирования, после 10× циклов и после 100× циклов для захвата эволюции стресса. Температурные эффекты зондировали охлаждением до 0 °C, нагревом до 50 °C и непрерывным сэмплированием токов чтения 20 с при 500 Гц. Этот протокол раскрывает, как динамика ловушек смещается с температурой.

Результаты и обсуждение

RTN наиболее выражен в LRS, делая его фокусом нашего анализа. В 1 кбит массиве после 10 циклов RTN вызывает измеримые флуктуации тока чтения до ±5% (Рис. 4a). Нормализованная карта тока (Рис. 4b) подтверждает, что эти отклонения пространственно коррелируют со стрессованными ячейками. По 50 сэмплированным ячейкам, 90% демонстрируют увеличенный ΔI/I после циклирования, свидетельствуя о кумулятивной деградации стабильности чтения (Рис. 5a). Свежие ячейки показывают однопиковое распределение тока (Рис. 5b), в то время как стрессованные ячейки демонстрируют бимодальные или мультимодальные распределения, указывающие на ловушки-индуцированные состояния тока. Температурная зависимость следует установленной ловушки кинетике: времена захвата и эмиссии уменьшаются с повышением температуры, увеличивая частоту RTN. По мере роста температуры от 0 °C до 25 °C флуктуации становятся более частыми (Рис. 6). При 50 °C, однако, двухсостоятельная сигнатура уменьшается, предполагая термически активированный отжиг ловушек, снижающий амплитуду RTN (Рис. 7a). Кумулятивные распределения ΔI/I до стресса, после стресса и пост-отжига раскрывают, что большая доля ячеек восстанавливается до близко к исходным уровням шума после высокотемпературной запекки (Рис. 7b). Дальнейшее нагревание до 75 °C с последующим 30-минутным остыванием также восстанавливает производительность ячейки, как показано на Рис. 8. Высокотемпературная запекка эффективно восстанавливает проводимый филамент перераспределением кислородных вакансий, тем самым смягчая RTN и предотвращая mid-state stalling. Мы транслируем этот bulk отжиг в on-chip подход: 1,5 мА прямого смещения тока, приложенного на 10 с, локально нагревает TMO регион (Рис. 11a). Пост-отжиг измерения показывают драматичное снижение RTN, с кумулятивными кривыми вероятности, близко выровненными со свежим состоянием (Рис. 11b). Этот on-chip метод отжига предлагает масштабируемый путь к расширению жизни FIND RRAM без off-chip термических циклов.

Заключение

Наше исследование подтверждает, что циклический стресс усиливает RTN в FIND RRAM массивах, деградируя стабильность тока чтения. Высокотемпературный отжиг — будь то bulk или локализованный on-chip — эффективно нейтрализует базовые ловушки, восстанавливая производительность до近似 fresh уровней. Этот подход предлагает жизнеспособный путь к продлению оперативной жизни FinFET-базированных резистивных памяти в масштабированных CMOS технологиях.

Аббревиатуры

FIND RRAM

Fin field-effect transistor диэлектрическое резистивное random access memory

HRS

Высокоомное состояние

LER

Шероховатость края линии

LRS

Низкоомное состояние

RTN

Случайный телеграфный шум

TMO

Переходный металл оксид