Studi Variabilitas dalam Memori Akses Acak Resistif Kontak oleh Model Kekosongan Stokastik
Abstrak
Variabilitas dalam sel memori akses acak resistif telah menjadi salah satu tantangan penting untuk pengembangan array RRAM kepadatan tinggi. Sementara sumber variabilitas selama switching resistif bervariasi untuk film oksida logam transisi yang berbeda, generasi / rekombinasi kekosongan oksigen stokastik umumnya diyakini sebagai penyebab dominan. Melalui analisis data eksperimen, model stokastik yang menghubungkan karakteristik switching berikutnya dengan status awal sel RRAM kontak dibuat. Dengan menggabungkan model jaringan konduksi dan mekanisme tunneling yang dibantu perangkap, dampak konsentrasi dan distribusi kekosongan oksigen intrinsik dalam film dielektrik RRAM ditunjukkan dengan Simulasi Monte Carlo. Data pengukuran pada susunan RRAM kontak sangat sesuai dengan karakteristik yang diproyeksikan oleh model berdasarkan adanya kekosongan intrinsik yang terdistribusi secara acak. Korelasi yang kuat antara karakteristik pembentukan dan keadaan awal diverifikasi, yang menghubungkan perilaku pembentukan dengan kekosongan oksigen yang terbentuk sebelumnya. Studi ini memberikan pemahaman yang komprehensif tentang sumber variabilitas dalam perangkat RRAM kontak dan skema pelatihan reset untuk mengurangi perilaku variabilitas dalam status RRAM berikutnya.
Latar Belakang
Memori akses acak resistif (RRAM) telah dianggap sebagai solusi penyimpanan data nonvolatil yang menjanjikan, sebagai hasil dari fitur yang diinginkan, seperti daya rendah, kecepatan P/E tinggi, dan kompatibilitas unggul dengan proses logika CMOS [1,2,3 ,4]. Namun, masih banyak kendala yang harus diatasi untuk mengimplementasikan array memori RRAM dengan mudah di sirkuit CMOS canggih saat ini [5, 6]. Salah satu tantangan utama dalam array RRAM yang cukup besar ditemukan dalam variasi yang ada di antara dan di dalam sel [7,8,9,10]. Banyak model dan simulasi telah diusulkan untuk menggambarkan proses pembangkitan/rekombinasi stokastik kekosongan oksigen (Vo-) dalam film transisi oksida logam (TMO) [11,12,13,14]. Kim dan Brivio mengusulkan model jaringan pemutus sirkuit acak untuk meniru karakteristik listrik khas RRAM unipolar dan bipolar, masing-masing [11, 12]. Namun, resistor dalam studi ini semuanya diatur menjadi konstan tanpa mempertimbangkan transportasi elektron dalam film RRAM. Selain itu, karena model yang disajikan membahas proses stokastik RRAM dari tingkat perangkat tunggal alih-alih analisis statistik, variabilitas perilaku RRAM dalam array tidak dibahas dengan baik dan dibahas dalam pekerjaan sebelumnya [11,12,13,14]. Lebih lanjut, adanya cacat pada film dielektrik selama fabrikasi telah dipelajari secara ekstensif selama bertahun-tahun [15, 16], tetapi dampaknya terhadap karakteristik switching resistif dalam RRAM masih perlu dianalisis secara komprehensif agar teknologi dapat diterapkan dalam makro memori yang cukup besar. Untuk menyelidiki pengaruh distribusi Vo intrinsik pada karakteristik RRAM, jaringan resistor yang dimodelkan pada mekanisme tunneling berbantuan perangkap dibangun untuk analisis statistik lebih lanjut dari variasi dan selama operasi dalam penelitian ini [11,12,13,14, 17 ]. Selain itu, proses pembangkitan stokastik Vo- disimulasikan dengan metode Monte Carlo untuk menetapkan korelasi antara RRAM pada keadaan awalnya dengan karakteristik pembentuk berikutnya [18,19,20]. Korelasi yang kuat antara Vo- intrinsik dan tegangan pembentuk ditetapkan dengan memverifikasi hasil simulasi dengan data terukur pada susunan RRAM kontak [21]. Akhirnya, berbagai jenis filamen konduktif (CF) yang dihasilkan dan variasi keadaan resistansi setelah operasi pembentukan sebagai akibat dari distribusi Vo intrinsik diproyeksikan dan diselidiki secara komprehensif. Selain itu, solusi untuk menghilangkan dampak variabilitas Vo-on yang terbentuk sebelumnya diusulkan dan didemonstrasikan dalam penelitian ini.
Metode
Data pengukuran untuk analisis statistik lebih lanjut tentang variabilitas dikumpulkan dari larik RRAM (CRRAM) kontak 16 × 16 yang dibuat dengan proses logika CMOS 28-nm, di mana proses fabrikasi CRRAM diilustrasikan pada Gambar. 1 [21]. Lapisan resistor protection oxide (RPO) dan interlayer dielectric (ILD) pertama disimpan setelah proses front-end selesai dengan transistor yang terbentuk. Untuk membuat film switching resistif fungsional, ukuran lubang kontak yang tepat, ukuran kontak 30 nm × 30 nm, dilakukan untuk mencegah korslet pada konektor-W dan wilayah difusi n + . Akhirnya, lapisan penghalang, TiN, dan sumbat tungsten diendapkan satu per satu. Gambar penampang TEM CRRAM ditunjukkan pada Gambar 2a. Seperti yang terlihat pada gambar, CRRAM terhubung secara serial dengan transistor pilihan n-channel. Struktur 1T1R diadopsi untuk memastikan pemilihan yang tepat dalam array dan mencegah overshoot. Gambar 2b menunjukkan pemetaan komposisi CRRAM. Lapisan oksida logam transisi (TMO), dengan ketebalan 9 nm, terdiri dari TiN/TiON/SiO2 ditumpuk terbentuk antara tungsten atas dan elektroda silikon bawah. Setelah fabrikasi perangkat, analisis kelistrikan dan pembuatan model fisik dalam penelitian ini diselesaikan oleh penganalisis parameter semikonduktor Aglient 4156C dan platform perangkat lunak MATLAB.
Alur proses RRAM kontak pada platform proses logika CMOS gerbang logam 28-nm high-k. Ukuran kontak yang lebih kecil untuk CRRAM dirancang untuk mengontrol ketebalan etsa untuk membentuk lapisan switching resistif fungsional
a Gambar TEM penampang struktur 1T1R CRRAM. b Pemetaan komposisi CRRAM. Film switching resistif terdiri dari TiN/TiON/SiO2 terjepit di antara steker tungsten atas dan elektroda Si bawah
Seperti yang dilaporkan dalam penelitian sebelumnya [22], distribusi status awal yang luas ditemukan pada array CRRAM. Untuk menyelidiki asal mula variasi keadaan awal, ketebalan lapisan TMO dengan resistansi awal yang berbeda dibandingkan pada Gambar 3 terlebih dahulu. Data menunjukkan tidak ada perbedaan ketebalan yang signifikan antara dua sel dengan perbedaan besar dalam tingkat resistensi awal. Banyak penelitian telah melaporkan bahwa Vo- yang dihasilkan dalam dielektrik atau film RRAM selama fabrikasi [23,24,25,26], yang menyiratkan bahwa perbedaan jumlah dan kepadatan Vo- diharapkan bertanggung jawab atas variasi konduktivitas awal.
Perbandingan ketebalan lapisan TMO antara dua sel CRRAM dengan perbedaan resistansi awal yang besar. Kedua sel diamati dengan ketebalan lapisan dielektrik sekitar 9 nm
Hasil dan Diskusi
Model Distribusi Lowongan Intrinsik
Untuk meniru interaksi antara Vo- intrinsik, model jaringan resistor yang ditunjukkan pada Gambar 4a dibuat [11,12,13,14]. Resistansi di setiap kisi dihitung melalui aliran simulasi yang diuraikan pada Gambar 4b, sedangkan parameter fisik terkait yang digunakan tercantum dalam Tabel 1. Berdasarkan gambar TEM CRRAM, struktur dua dimensi lebar 30 nm, tebal 10 nm , didefinisikan untuk menggambarkan lapisan TMO, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a. Resistensi situs oksida, Roksida , dan grid mesh ditentukan oleh properti material anatase-TiO2 , yang telah digunakan sebagai bahan switching resistif dalam banyak penelitian [27,28,29,30]. Karena struktur tetragonalnya, konstanta kisi anatase-TiO2 bervariasi dengan sumbu kristalografi. Untuk penyederhanaan, kisi-kisi jaring dalam model kami semuanya disetel menjadi 1 nm dengan memasukkan konstanta kisi dalam arah c anatase-TiO2 [31,32,33]. Selanjutnya, resistansi grid juga ditentukan dengan mengacu pada resistivitas anatase-TiO2 [34, 35]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, Vo- terdistribusi secara acak diberikan di dalam mesh 2-D pada awalnya. Ketergantungan suhu dan medan listrik dari arus konduksi CRRAM dirangkum masing-masing pada Gambar 6a, b. Karakteristik kunci dari arus trap-assisted tunneling (TAT) ditunjukkan oleh efek suhu yang lemah dan ketergantungan linier antara ln(J) dan 1/E [17, 36]. Menggunakan model konduksi TAT, profil potensial di dalam film TMO perlu dihitung terlebih dahulu untuk selanjutnya mendapatkan masing-masing Vo-resistensi terlokalisasi. Distribusi Vo- diperkirakan dominan mempengaruhi arus konduksi karena jarak tunneling bervariasi antara kekosongan oksigen. Resistensi Vo-, Rij , kemudian dihitung dengan Persamaan. 1, yang mempertimbangkan probabilitas Vo- kehadiran di situs dan mengadopsi model TAT, untuk menghitung probabilitas tunneling antara status kekosongan.
a Skema model jaringan resistor disusun oleh variabel resistansi lokal Vo-. Node dalam jaringan ini terhubung satu sama lain untuk mensimulasikan interaksi antara Vo-. b Aliran simulasi variabilitas tingkat resistensi awal. Distribusi stokastik Vo-muncul intrinsik selama fabrikasi dipertimbangkan dengan metode Monte Carlo
a Distribusi acak dari Vo- intrinsik awalnya diberikan dalam film RRAM. b Distribusi resistansi lokal dari Vo- dihitung dengan pertimbangan tunneling berbantuan trap. cRini distribusi sel baru yang dikumpulkan dari susunan CRRAM sangat sesuai dengan data simulasi dengan mempertimbangkan mekanisme konduksi TAT dari Vo-
Mekanisme konduksi CRRAM ditentukan dengan memeriksa a ketergantungan suhu dan b ketergantungan medan listrik. Trap-assisted tunneling diikuti oleh CRRAM diyakini oleh dua karakteristik konduksi, ketergantungan suhu yang lemah dan kesesuaian linier antara ln(J) dan 1/E
Setiap Rij,T diperbarui di setiap iterasi sampai hasilnya konvergen pada akhirnya. Sebagai R final terakhir ij distribusi diperoleh, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 5b, resistansi keseluruhan, Rini , dari sel baru juga dapat diproyeksikan kemudian, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c. Seperti yang dapat dilihat pada Gambar. 5c, variasi simulasi Rini distribusi yang diperoleh dengan aliran simulasi yang diusulkan dengan mempertimbangkan distribusi stokastik dan konsentrasi intrinsik Vo- setuju cukup baik dengan distribusi Rini diukur pada array CRRAM. Oleh karena itu, lapisan Vo-in TMO intrinsik yang terdistribusi secara acak, menciptakan beberapa jalur tunneling, berkontribusi pada resistensi awal yang tersebar luas yang ditemukan dalam susunan CRRAM yang terbentuk sebelumnya.
Analisis Proses Pembentukan Tidak Seragam
Setelah memodelkan penyebab yang dikaitkan dengan variasi sel ke sel dalam keadaan segar, operasi pembentukan, menginisialisasi karakteristik switching resistif, dianalisis. Alur simulasi operasi pembentukan di bawah mode sapuan DC ditunjukkan pada Gambar. 7 [18,19,20]. Seperti yang digambarkan pada Gambar. 8a, sebuah sel dihubungkan ke transistor pilihan secara seri dengan resistansi saluran sekitar 5 KΩ di wilayah linier dan arus saturasi sekitar 80 μA. Sebagai akibat dari tegangan pembentukan rendah, mekanisme konduksi dan tegangan dielektrik dalam rezim medan listrik rendah harus dipertimbangkan. Berdasarkan model kimia termal yang diusulkan dalam penelitian sebelumnya, prediksi akurat kegagalan dielektrik telah ditunjukkan [37,38,39,40]. Perilaku kerusakan teoritis TiO2 disimulasikan oleh model kimia termal [41] telah menunjukkan karakteristik yang sama seperti yang diamati pada CRRAM. Oleh karena itu, tingkat pembangkitan Vo diperoleh berdasarkan model kimia termal di sini [42,43,44]. Seperti yang disarankan oleh model kimia termal, titik kisi di samping Vo- didefinisikan sebagai titik lemah di sekitar cacat. Kehadiran Vo- juga menginduksi peningkatan medan lokal, ditunjukkan pada Gambar. 8b, dan mempercepat proses pembangkitan Vo- [45]. Mempertimbangkan waktu untuk proses kerusakan dielektrik dalam model kimia termal dengan ketergantungan medan exp.(−E), probabilitas pembangkitan Vo Pij dihitung dengan persamaan berikut [42].
Simulasi aliran proses pembentukan berdasarkan model kimia termal, dengan mengasumsikan waktu kegagalan dielektrik dengan ketergantungan medan listrik exp.(−E)
a Operasi pembentukan disimulasikan oleh CRRAM yang terhubung secara serial dengan transistor ideal. b Distribusi potensial listrik yang tidak seragam, yang dihasilkan dari Vo- yang sudah ada sebelumnya, menginduksi medan lokal dan mempercepat pembentukan cacat baru
Level kritis, Pg , dan kriteria, Pij> Pg , ditentukan apakah Vo- baru dihasilkan. Proses ramping diterapkan untuk memperbarui distribusi Vo- baru pada setiap iterasi hingga tegangan pembentukan mencapai 2,7 V. Terakhir, dengan Vo- intrinsik yang terdistribusi secara acak, tingkat resistansi rendah Rmembentuk setelah membentuk operasi dapat diperoleh. Berdasarkan model di atas, simulasi Rmembentuk distribusi memproyeksikan variasi yang luas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9a, dan perhitungan I-V karakteristik setuju dengan baik dengan data yang diukur. Selanjutnya, korelasi antara karakteristik pembentuk dan keadaan awal juga diselidiki. Konsentrasi yang lebih tinggi dan Vo terdistribusi lokal mempercepat proses pembentukan. Oleh karena itu, korelasi positif antara tegangan pembentuk dan Rini ditemukan dalam hasil simulasi dan data terukur, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9b.
a Distribusi resistansi simulasi operasi pembentukan sesuai dengan hasil pengukuran. b Korelasi positif antara resistansi awal dan tegangan pembentukan ditemukan pada data terukur dan simulasi karena titik lemah yang lebih banyak dan kuat medan listrik yang lebih tinggi yang dihasilkan oleh pembentukan awal. Vo-
Selain itu, Vo yang dihasilkan dalam operasi pembentukan menginduksi jalur konduktif dan menghasilkan perubahan CF dalam sel, di mana evolusi CF selama proses pembentukan digambarkan pada Gambar. 10. Untuk sel dengan R tinggi ini , ada lebih sedikit Vo intrinsik dan lebih sedikit titik lemah, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 10a. Setelah operasi pembentukan, jalur konduktif tunggal lebih mungkin terjadi antara elektroda. Namun, pertumbuhan CF dalam sel dengan banyak Vo- intrinsik yang ditunjukkan pada Gambar 10b cenderung lebih tersebar luas; karenanya, CF dendritik dihasilkan setelah terbentuk. Korelasi antara topografi CF yang berbeda dan distribusi Vo pada keadaan segarnya juga diverifikasi oleh data pengukuran. Vo- dan CF pada lapisan TMO diketahui menyebabkan derau telegraf acak (RTN) yang khas selama proses penjebakan/de-perangkap elektron [46]. Fluktuasi resistansi terjadi jika jalur konduktif terhalang oleh elektron yang terperangkap, dan resistansi berkurang saat elektron terlepas. Analisis RTN CRRAM setelah pembentukan diringkas pada Gambar. 11. Fluktuasi resistensi dua langkah biasa ditemukan pada sel dengan R tinggi ini , ketika penjebakan/penguraian elektron terjadi di alat dengan satu CF dominan. Di sisi lain, RTN multi-level ditemukan dalam sel dengan R . rendah ini yang diharapkan untuk menghalangi CF dendritik dengan lebih dari satu jalur. Hasil statistik RTN dirangkum pada Gambar 12, dengan menganalisis pengukuran RTN lebih dari 200 sel CRRAM. Data menunjukkan bahwa sel dengan R . tinggi ini cenderung menunjukkan hanya dua tingkat RTN, yang lebih mungkin terjadi pada perangkat dengan satu CF dominan [46,47,48,49]. Variasi resistansi setelah operasi pembentukan diatur pada Gambar. 13. Data menunjukkan bahwa variasi resistansi yang lebih tinggi ditemukan pada hasil pengukuran dan simulasi pada sel dengan R rendah ini . Saat CF yang tidak terlalu dibatasi mendorong transistor terpilih memasuki wilayah saturasi lebih awal, sel mungkin tidak terbentuk dengan benar, yang mengarah ke tingkat resistansi status resistansi rendah yang lebih luas.
Kemajuan CF dalam sel dengan a resistensi awal yang tinggi dan b resistansi awal yang rendah. Konsentrasi Vo intrinsik yang lebih tinggi pada lapisan TMO menghasilkan generasi Vo secara acak di titik-titik lemah. Vo- ini juga terhubung satu sama lain untuk membentuk jalur dendritik
Topografi CF dalam sel dengan a resistensi awal yang tinggi dan b resistansi awal yang rendah dianalisis dengan data RTN yang sesuai. Terjadinya fluktuasi resistensi ganda dalam sel dengan resistensi awal yang rendah dan lebih intrinsik V Memverifikasi keberadaan CF dendritik di lapisan TMO
Korelasi antara tingkat resistensi awal dan tingkat RTN pada sel CRAM diringkas. Probabilitas fluktuasi resistensi dua tingkat yang lebih tinggi diperkirakan terjadi untuk sel dengan satu jalur konduktif dominan, yang berkorelasi kuat dengan sel R tinggi ini
Analisis variasi tingkat resistensi setelah operasi pembentukan diperiksa melalui simulasi dan pengukuran. Variasi yang lebih tinggi yang diinduksi oleh generasi CF dendritik ditemukan pada sel dengan resistansi awal yang rendah
Untuk menghilangkan variabilitas pembentukan yang disebabkan oleh Vo- intrinsik pada lapisan TMO, operasi pelatihan reset, yang menyapu SL ke 1,4 V di bawah tegangan WL tetap 2 V, diusulkan untuk diterapkan secara membabi buta pada seluruh sel memori dalam larik CRRAM sebelum pembentukan. Operasi ini diharapkan untuk menghilangkan cacat yang sudah ada sebelumnya pada sel dengan R . rendah ini dan untuk memastikan pertumbuhan CF terbatas yang lebih baik selama proses pembentukan berikutnya. Karena tegangan yang diberikan rendah, tidak ada perubahan pada sel dengan R . tinggi ini setelah proses pelatihan. Dengan operasi pelatihan ulang selimut, ketahanan sel dengan R . rendah ini , meningkat tanpa mengganggu sel dengan R high yang tinggi ini , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 14. Selanjutnya, karakteristik pembentukan yang lebih seragam dapat diperoleh.
Operasi pelatihan reset selimut diusulkan untuk diterapkan pada larik CRRAM. Resistensi dalam sel dengan R low rendah ini meningkat dengan menghilangkan cacat intrinsik, tetapi sel dengan R . tinggi ini tidak terganggu
Kesimpulan
Model jaringan resistor yang mempertimbangkan efek medan lokal dan konduksi tunneling berbantuan trap antara Vo- telah berhasil dibuat. Dengan simulasi Monte Carlo, variabilitas sel pada resistensi awal serta proses pembentukan diselidiki. Variasi dalam keadaan segar CRRAM dapat berhasil dijelaskan dengan distribusi Vo- intrinsik yang diberikan secara acak. Distribusi resistansi yang diproyeksikan setelah pembentukan juga sesuai dengan hasil pengukuran dengan mengadopsi model kimia termal. Pertumbuhan CF selama pembentukan dibahas dan dikaitkan dengan variabilitas yang diamati dalam proses ini. Akhirnya, operasi pelatihan reset diusulkan untuk lebih meringankan variabilitas pembentukan yang disebabkan oleh Vo- intrinsik pada lapisan TMO. Korelasi yang kuat antara keadaan awal dan karakteristik pembentukan memberikan pedoman untuk operasi adaptif baru untuk pengembangan teknologi RRAM di masa depan.
