RTN dan Annealing Terkait dengan Tegangan dan Suhu di FIND RRAM Array

Hasil dan Diskusi

Melalui pengukuran ekstensif, ditemukan bahwa RTN lebih stabil dan mudah diamati dalam sel FIND RRAM pada LRS-nya. Oleh karena itu, dalam studi efek siklus dan anil pada RTN sel FIND RRAM, bagian berikut berfokus pada penyelidikan sel di LRS. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, derau RTN menyebabkan arus baca varian waktu yang menyebabkan kesalahan baca. Efek ini dapat diamati dalam array sel 1kbit. Dalam larik yang telah melalui 10 siklus, fluktuasi arus baca yang signifikan ditemukan saat mengambil sampel arus baca selama interval 20 detik. Peta arus bit yang dinormalisasi dalam array diatur pada Gambar. 4b, di mana fluktuasi arus di LRS bisa setinggi + 5%, yang sebanding dengan RTN yang diamati pada arus bocor gerbang setelah tegangan [19]. Untuk menyelidiki efek stres, kami melacak tingkat fluktuasi saat ini dari 50 sel sebelum dan sesudah stres bersepeda. Data pada Gambar. 5a mengungkapkan lebih dari 90% sel menunjukkan peningkatan I/I setelah siklus. Yaitu, kebisingan varian waktu dalam RRAM FIND terbukti memburuk secara bertahap saat sel mengalami lebih banyak tekanan siklus. Ketika kami membandingkan distribusi arus baca yang dinormalisasi dari sel segar dan sel yang didaur ulang, ditemukan bahwa sel yang melewati lebih banyak siklus menunjukkan sinyal RTN yang lebih signifikan, dan menunjukkan dua atau lebih distribusi arus puncak pada keadaan tertentu. Di sisi lain, sel-sel segar memiliki distribusi arus distribusi standar, mengisyaratkan bahwa tidak ada suara RTN yang terlibat dalam fluktuasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b [20, 21]. Hal ini menunjukkan bahwa setelah RRAM FIND mengalami tekanan siklus yang panjang, arus sel bitnya dapat mengalami fluktuasi yang lebih drastis karena penambahan RTN.

a Arus baca yang dinormalisasi pada 25 °C yang diambil sampelnya pada kecepatan 500 Hz dalam sel RRAM yang telah melalui 10 siklus. Hal ini menunjukkan bahwa RTN menyebabkan arus baca varian waktu. b Menampilkan plot arus ternormalisasi dalam larik 1kbit yang telah melalui 10 siklus, diambil sampelnya secara bersamaan pada t1 = 3, t2 = 7.5, t3 = 14, dan t4 = 17.5 s, secara berurutan. Dengan membandingkan snapshot pada waktu yang berbeda, arus baca berfluktuasi dalam kondisi baca yang sama

a Membandingkan distribusi |ΔI/I| dari 50 sampel sebelum dan sesudah stres. Dapat dilihat bahwa sel menunjukkan I/I yang lebih besar secara keseluruhan setelah stres. Nilai persentil plot kotak dari bawah ke atas masing-masing mewakili 25, 50, dan 75 poin persentil, sedangkan kumis menunjukkan nilai maksimum dan minimum. b Histogram distribusi arus baca yang dinormalisasi dari sel yang diukur pada siklus baru dan setelah 10 dan 100 siklus. Ini menunjukkan bahwa sekali RRAM FIND mengalami tekanan siklus yang panjang, arus sel bitnya dapat mengalami fluktuasi yang lebih drastis karena penambahan RTN

Hasil normalisasi sampel arus baca pada tahap suhu yang berbeda dibandingkan pada Gambar. 6. Waktu penangkapan dan waktu emisi perangkap RTN telah dipelajari dan diketahui berubah dengan suhu, yang keduanya menurun dengan meningkatnya suhu [22, 23 ]. Seperti yang diharapkan, frekuensi derau RTN meningkat seiring dengan kenaikan suhu, yaitu fluktuasi arus baca pada 0 °C terjadi lebih jarang daripada pada 25 °C. Namun, saat diukur pada 50 °C, fluktuasi arus antara dua keadaan menjadi kurang menonjol. Hal ini dapat diungkapkan lebih lanjut pada Gambar 7a, yang memplot histogram arus baca yang dinormalisasi yang diukur pada 0 °C, 50 °C, dan suhu kamar. Distribusi arus 0 °C dan 25 °C memiliki dua puncak distribusi, menunjukkan status trapping tunggal RTN mendominasi jalur konduktif [19], sedangkan status diskrit pada arus sampel pada 50 °C menjadi kurang menonjol. Hal ini menunjukkan bahwa pada suhu yang lebih tinggi, perangkap yang menyebabkan sinyal RTN mungkin mengalami ketidakstabilan seperti efek anil atau rekombinasi cacat, akibatnya mempengaruhi kemungkinan perangkap elektron, dan dengan demikian mengurangi efek RTN [27].

Perbandingan arus baca yang dinormalisasi dari sel RRAM (dalam status LRS) yang telah melewati 100 siklus dengan noise RTN yang diukur pada 0, 25, dan 50 °C, pada kecepatan sampel 500 Hz

a Perbandingan histogram distribusi arus baca yang dinormalisasi dari sel dalam status LRS yang diukur pada 0, 25, dan 50 °C. b Perbandingan probabilitas kumulatif dari |ΔI/I| dari 30 sampel sebelum stres, setelah stres dan setelah anil, masing-masing. Ditemukan bahwa sebagian besar sel kembali ke I/I aslinya setelah proses annealing

Dalam studi lebih lanjut, sampel dipanaskan hingga 75 °C. Sel-sel ini didinginkan hingga suhu kamar setelah 30 menit, kemudian sampel diambil. Tiga puluh sel dipilih dan tingkat fluktuasi arus kumulatif mereka pada segar, stres, dan setelah anil dibandingkan pada Gambar. 7b. Hal ini menunjukkan bahwa sebagian besar sel kembali ke I/I semula setelah proses annealing. Arus baca yang dinormalisasi dari sel dalam keadaan segar, keadaan tertekan, dan setelah dipanggang dibandingkan pada Gambar. 8. Arus setelah pemanggangan menyerupai arus, menunjukkan bahwa pemanggangan suhu tinggi memanaskan perangkap yang menyebabkan sinyal RTN. Gambar 9a adalah plot yang tersusun dari arus baca yang dinormalisasi untuk larik 1kbit sel baru, sel yang sedikit tertekan, sel yang sangat tertekan, dan yang setelah dipanggang, masing-masing. Dari plot, ditunjukkan bahwa fluktuasi arus menjadi lebih intens ketika RRAM sangat ditekan, dan berkurang drastis setelah pemanggangan suhu tinggi. Efek ini dapat diamati di seluruh susunan, yang menegaskan bahwa pemanggangan suhu tinggi memang memberikan efek anil pada perangkap yang menyebabkan kebisingan RTN [24,25,26,27,28,29]. Gambar 9b selanjutnya membandingkan distribusi I/I dalam susunan sel yang diperoleh dengan sepuluh pengambilan sampel berbeda secara berurutan. Ditemukan bahwa susunan yang sama menunjukkan distribusi I/I yang berbeda dalam keadaan segar, tegangan, dan setelah anil. Data menyarankan bahwa anil membantu array sel untuk menunjukkan fluktuasi arus yang berkurang, mirip dengan tingkat array dalam keadaan baru. Hasil ini dapat digunakan untuk mengoreksi dan memperpanjang masa pakai sel FIND RRAM yang telah menunjukkan sinyal RTN setelah tekanan siklus.

Baca arus sel segar dan sel stres yang diambil sampelnya pada 25 °C, 500 Hz dibandingkan dengan sel setelah suhu tinggi dipanggang dan didinginkan dalam periode 30 menit hingga suhu kamar. Ini menunjukkan bahwa setelah dipanggang, stres berkurang dan sel berperilaku mirip dengan yang baru

a Arus baca yang dinormalisasi dari larik 1kbit yang diambil pada waktu tertentu yang diplot pada segar, tegangan ringan, tegangan tinggi, dan setelah anil. Dapat dilihat bahwa jumlah sel dengan fluktuasi yang kuat sangat meningkat di seluruh array saat array mengalami lebih banyak tekanan, dan mati setelah dianil. b Perbandingan probabilitas kumulatif dari |ΔI/I| distribusi 50 sampel dari larik yang sama dalam keadaan segar, tertekan, dan setelah anil, pada contoh waktu yang berbeda dengan interval 1 detik. I/I keseluruhan pada sampel setelah stres lebih tinggi, dan kembali normal setelah anil

Patut disebutkan bahwa beberapa sel yang terjebak dalam keadaan tengah selama siklus dihidupkan kembali setelah perlakuan suhu tinggi. Sebagai siklus sel FinFET RRAM melalui LRS dan HRS, filamen konduktif di beberapa sel dapat membentuk saluran yang tidak dapat diatur ulang dengan mudah. Proses memanggang menyediakan jalur sel-sel untuk mendistribusikan kembali kekosongan oksigennya, akibatnya memungkinkan reset yang efektif ke HRS [30]. Gambar 10 menunjukkan sel yang tidak dapat beralih ke HRS dihidupkan kembali setelah 125 °C, 15 menit dipanggang. Dengan pemikiran ini, mekanisme anil on-chip yang melibatkan pemanasan sel FIND RRAM secara lokal diusulkan. Arus konstan 1,5 mA dengan periode 10 detik diterapkan ke sel melalui bias maju di persimpangan saluran FinFET terpilih, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 11a. Arus besar ini memanaskan daerah terbatas di dekat RRAM TMO, dan memberikan efek anil yang serupa. Arus baca sebelum dan setelah anil perangkat yang diuji (DUT) diukur dan dianalisis pada Gambar. 11b. Distribusi kumulatif dari arus baca sampel yang terus menerus menunjukkan penghapusan RTN pada sel setelah langkah anil on-chip. Di sini, anil FIND RRAM dalam chip dilakukan pada sel tunggal dalam langkah berurutan untuk memahami respons nominal terhadap sel RRAM tipikal setelah stres. Prosedur anil on-chip baru perlu dikembangkan untuk eksperimen tingkat array.

Dengan menerapkan pemanggangan 125 °C ke sel yang terjebak dalam keadaan tengah dan menyediakan proses penempelan, kami mengubah sel-sel ini kembali ke keadaan fungsional, sehingga memperpanjang masa pakai sel

Skema anil on-chip yang kami usulkan melibatkan penerapan 1 V pada BL yang menghasilkan bias maju dan arus terukur 1,5 mA, yang memanas dan menyelubungi sel yang tertekan. Dalam plot, dengan membandingkan persentase kumulatif dari arus normal sel sebelum dan sesudah proses, kita dapat melihat bahwa fluktuasi arus yang disebabkan oleh RTN sangat berkurang