Sirkuit Deteksi Dini Proaktif Meningkatkan Daya Tahan Array RRAM Kontak Terisi Balik
Abstrak
Salah satu solusi penyimpanan non-volatile terbenam yang paling menjanjikan untuk modul CMOS canggih, aplikasi memori akses acak resistif (RRAM) sangat bergantung pada daya tahan siklusnya. Melalui analisis detail, ditemukan hubungan antara jenis kebisingan, konfigurasi filamen, dan terjadinya kegagalan reset selama pengujian siklus. Selain itu, treatment pemulihan divonis untuk memulihkan daya tahan siklus RRAM. Sirkuit deteksi dini untuk sel rentan dalam array juga diusulkan untuk meningkatkan daya tahan keseluruhan array RRAM. Umur RRAM dapat diperpanjang ke lebih dari 10k siklus tanpa bit gagal dalam array.
Pendahuluan
Dalam beberapa tahun terakhir, RRAM dengan keunggulan struktur sederhana, skalabilitas yang superior, dan kompatibilitas tinggi dengan proses CMOS canggih telah menjadi salah satu teknologi inti untuk merealisasikan modul memori non-volatile terbenam [1,2,3,4,5,6,7,8]. RRAM dengan daya tahan siklus tinggi dapat memperluas aplikasinya ke sistem yang memerlukan pembaruan data non-volatile lebih sering, seperti komputasi-in-memory dan sistem neuromorfik [9,10,11,12,13,14,15].
Perpindahan keadaan dalam film RRAM dipercaya tercapai melalui generasi/rekombinasi rongga oksigen (Vo) untuk mengontrol konstruksi/penghancuran filamen konduktif (CF) [16,17,18,19,20,21,22]. Banyak studi telah menunjukkan bahwa mekanisme stokastik dalam pembentukan CF selama operasi set/reset telah ditemukan sebagai salah satu penyebab utama kegagalan bit selama pengujian siklus [23,24,25,26,27]. Dalam sel gagal-set, kelebihan Vo yang merekombinasi selama operasi reset melebar celang terowong antara CF sisa dan elektroda atas, yang melemahkan medan listrik di daerah celang, yang mengarah pada generasi Vo yang rendah [24]. Di sisi lain, kelebihan Vo yang dihasilkan selama operasi set, mengarah pada pertumbuhan CF berlebih. Ini dipercaya sebagai penyebab utama kegagalan reset [24, 28]. Selain itu, depleksi tidak terduga ion oksigen selama siklus ditemukan sebagai penyebab penutupan jendela resistansi [23, 28]. Beberapa skema untuk mengurangi efek proses stokastik dalam generasi/pemusnahan Vo telah dilaporkan dalam berbagai studi [23, 24, 28,29,30]. Pulsa dengan waktu naik dan turun yang besar ditemukan, masing-masing, mengurangi generasi Vo dalam operasi set dan konsumsi ion oksigen dalam proses reset [23]. Untuk mendapatkan kontrol yang baik atas Vo, Chen et al. juga menyarankan metode pengaturan amplitudo pulsa untuk menyeimbangkan operasi set/reset [29]. Selain kondisi pulsa [23, 29], treatment pemulihan listrik set/reset yang kuat pada perangkat setelah kegagalan daya tahan ditemukan bahwa sel dapat dipulihkan dan disiklus lagi [24, 28, 30]. Juga terungkap bahwa frekuensi operasi pemulihan yang meningkat mendorong performa daya tahan siklus keseluruhan menjadi lebih tinggi [24]. Pemulihan periodik pada seluruh array selama siklus memakan biaya overhead daya yang tinggi dan tantangan implementasi dalam modul memori nyata. Oleh karena itu, menemukan sel lemah, yang berada di ambang kegagalan siklus, sangat penting untuk implementasi pemulihan selektif dan tepat waktu. Ini dapat memungkinkan peningkatan daya tahan siklus tanpa membuang treatment yang tidak perlu pada sel sehat.
Dalam pekerjaan kami sebelumnya, sel dengan efisiensi reset rendah ditemukan berkorelasi dengan topografi CF-nya. Selain itu, kebisingan telepon telegraf acak terhubung dengan tipe CF, yang juga mencerminkan perubahan CF setelah stres siklus [31]. Dalam pekerjaan ini, sirkuit baru untuk deteksi dini perangkat lemah dalam array berdasarkan karakteristik arus bacanya telah diusulkan. Operasi pemulihan reset juga diperkenalkan untuk penguatan pencegahan sel rentan yang diidentifikasi oleh metode deteksi. Dengan menerapkan metode deteksi dini dan operasi penguatan CF selektif, peningkatan yang signifikan dalam daya tahan siklus set/reset telah berhasil divisualisasikan.
Metode
Analisis statistik pada daya tahan RRAM dikumpulkan dari array memori akses acak resistif kontak terisi balik (BCRRAM) 16 × 16, yang dibuat dengan proses logika CMOS 0,18 μm [32, 33]. Seperti yang ditunjukkan pada tata letak pada Gambar 1, simpul penyimpanan BCRRAM terhubung beruntun dengan transistor n-channel untuk seleksi sel dalam array jenis NOR. Untuk menyelidiki secara mendalam properti fisik lapisan TMO BCCRAM, analisis mikroskop elektron transmisi (TEM) dilakukan oleh JEOL JEM-2800 mikroskop elektron transmisi dengan energi 200 keV. Gambar TEM potret lintang array BCRRAM di sepanjang garis sumber (SL) ditunjukkan pada Gambar 2. Karena kontrol yang lebih baik terhadap ketebalan film dielektrik terisi balik, lapisan oksida logam transisi (TMO) yang seragam dapat dicapai. Komposisi elemen relatif sepanjang kedalaman film RRAM disediakan dalam analisis spektroskopi X-ray dispersif energi (EDX) pada Gambar 3, di mana film TMO sel BCRAM ditemukan terdiri dari TiN/TiON/SiO₂ [32, 33]. Analisis listrik diselesaikan oleh analis parameter semiconductornya dan generator pulsa. Karakteristik forming/set/reset DC BCRRAM divisualisasikan pada Gambar 4a. Perhatikan bahwa tegangan SL tinggi dalam operasi forming/set diperlukan untuk memicu proses soft breakdown. Tegangan garis kata (WL) rendah 0,6 V pada gate transistor seleksi menekan arus lonjakan dan mencegah overset ke keadaan resistansi tidak dapat diubah. Sebagai perangkat BCRRAM dalam mode unipolar, tegangan WL yang lebih tinggi 1,2 V dipilih untuk menyediakan arus yang cukup untuk meningkatkan difusi ion oksigen dan rekombinasi dengan Vo, mendukung perpindahan kembali ke HRS [34,35,36,37]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b, jendela arus baca 10 × dapat dipertahankan di bawah 50 siklus set/reset DC, di mana keadaan resistansi rendah (LRS)/keadaan resistansi tinggi (HRS) diatur masing-masing 5 μA/0,5 μA.
Tata letak array CRRAM jenis NOR 16 × 16 sampel yang sedang diteliti
Gambar TEM potret lintang array dan sel BCRRAM. Ketebalan dielektrik seragam dapat diperoleh dalam sel BCRRAM
Analisis komposisi berdasarkan EDX lapisan TMO sel BCRRAM. Lapisan TMO BCRRAM terdiri dari tumpukan TiN/TiON/SiO₂
a Karakteristik sweep forming/set/reset DC, di mana garis bit (BL), di-ground. b Tingkat arus setelah 50 operasi set/reset. LRS/HRS didefinisikan masing-masing 5 μA/0,5 μA, untuk mendapatkan rasio on/off 10 ×
Hasil dan Pembahasan
Daya Tahan Siklus dan Skema Pemulihan Reset
Daya tahan siklus BCRRAM diperiksa dengan algoritma incremental step pulse programming (ISPP) yang dioptimalkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a. Setelah setiap pulsa stres, keadaan BCRRAM kemudian diverifikasi untuk menentukan apakah VWL/VSL perlu ditingkatkan untuk operasi set/reset berikutnya [38]. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 6a, jendela arus baca stabil dapat diperoleh dalam waktu set/reset 20 μs, lihat Gambar 6b, untuk 1k siklus. Data eksperimen menunjukkan bahwa waktu reset yang diperlukan untuk mencapai HRS target secara bertahap meningkat ketika jumlah siklus melewati 1000. Data juga mengungkapkan bahwa sebagian besar sel akhirnya terjebak di LRS bahkan setelah waktu reset ditingkatkan ke 60 μs. Untuk menyelidiki penyebab utama degradasi reset selama siklus, kebisingan frekuensi rendah (LFN) yang ditemukan dalam arus baca diselidiki dan dilaporkan sebagai indeks yang mencerminkan properti CF [39,40,41]. Dalam pekerjaan kami sebelumnya [31], sel dengan densitas CF yang berbeda di dalam lapisan TMO-nya menunjukkan spektrum kebisingan yang berbeda dalam arus bacanya. Seperti yang digambarkan pada Gambar 7a, sel dapat dikategorikan menjadi dua kelompok berdasarkan karakteristik spektrum LFN dalam arus bacanya, pada Gambar 7b. Sel dengan densitas CF rendah, diberi label "sehat", ditemukan lebih kuat dan diharapkan dapat menahan lebih banyak stres siklus. Sel yang berisi beberapa CF kecil, dinamakan "lemah", dipercaya lebih rentan terhadap stres. Untuk mempelajari mekanisme kegagalan utama untuk sel di bawah pengujian siklus, LFN perangkat BCRRAM dipantau. Seperti yang diringkas pada Gambar 6c, korelasi yang kuat antara tipe sel dan jumlah siklus ditemukan dalam array BCRRAM. Proporsi sel lemah dengan beberapa jalur konduktif dalam lapisan TMO meningkat secara signifikan setelah siklus, yang dipercaya menyebabkan pemanasan yang kurang efisien dalam CF yang terdispersi, yang memperlambat proses reset [31]. Akibatnya, kegagalan daya tahan pada operasi reset disebabkan oleh generasi beberapa jalur konduktif. Selain pengujian ISPP, berbagai jenis pembentukan CF setelah stres tegangan konstan juga dilaporkan [27, 28]. CF yang tidak perlu yang dihasilkan oleh kondisi operasi set/reset tetap dipercaya sebagai salah satu alasan, yang menyebabkan sel secara bertahap kehilangan kemampuannya untuk beralih kembali ke HRS. Untuk menyelamatkan sel setelah kegagalan reset, CF yang tidak perlu di dalam lapisan TMO-nya perlu dipotong melalui pulsa pemulihan reset yang kuat dengan kondisi pada Gambar 5a, VWL=1.2V, VSL=2V dan lebar pulsa 50 μs, seperti yang divisualisasikan pada Gambar 6a. Dengan treatment pemulihan reset yang tepat, jendela arus baca serta daya tahan siklusnya dapat dipulihkan. Namun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6b, pulsa pemulihan reset diperlukan lebih sering pada sel yang mengalami lebih dari 10k siklus. Data pada Gambar 6a juga menunjukkan bahwa operasi pemulihan reset mungkin menjadi tidak berguna untuk beberapa sel setelah stres siklus lama, yang menunjukkan bahwa CF dalam sel-sel ini rusak di luar perbaikan.
a Algoritma set/reset ISPP dan kondisi pemulihan reset untuk pengujian siklus. VWL dan VSL dinaikkan, masing-masing, dalam operasi set/reset. b Algoritma untuk mendeteksi sel lemah secara dini
a 100 k siklus set/reset ISPP. Sel yang kehilangan jendela baca setelah 6 k siklus dapat dipulihkan oleh 5 pulsa reset kuat dengan kondisi VWL = 1.2 V, VSL = 2 V dan lebar pulsa 50 μs. Treatment pemulihan reset tidak valid setelah 10 k siklus. b Waktu set/reset yang diperlukan untuk menyelesaikan perpindahan keadaan selama 100 k siklus. c Pergeseran tipe sel, yang didefinisikan oleh fitur kebisingannya, ditemukan selama pengujian siklus ISPP
a Ilustrasi filamen dan keadaan jebakan pada lapisan TMO dalam sehat/lemah. b Tren fitting yang sesuai dalam spektrum kebisingan
Pergeseran fitur kebisingan sel yang diamati pada Gambar 6c mengimplikasikan bahwa tipe sel adalah indeks yang berguna untuk memperbaiki sel rentan sebelum mencapai kegagalan lengkap. Oleh karena itu, membedakan tipe sel berdasarkan fitur kebisingannya selama operasi adalah faktor krusial dalam merealisasikan intervensi dini untuk memperkuat CF.
Sirkuit Deteksi Dini
Untuk sel dengan lebih banyak CF di dalam lapisan TMO, arus bacanya fluktuasi di antara beberapa keadaan resistansi. Sebaliknya, sel dengan satu CF dominan dalam film RRAM, arus berulang melompat di antara dua keadaan yang berbeda, yang dapat digunakan sebagai indeks sel sehat [31]. Akibatnya, jumlah keadaan menengah dalam arus baca dapat membantu kita mengidentifikasi sel rentan sebelum gagal sepenuhnya. Oleh karena itu, dalam algoritma yang ditunjukkan pada Gambar 5b, untuk mendeteksi sel rentan secara dini dan menyelamatkannya sebelum sepenuhnya kehilangan kemampuan siklusnya, arus pemeriksaan sel disalurkan ke sirkuit deteksi. Setelah dirawat, operasi pemulihan dilakukan pada sel lemah yang terkonfirmasi. Oleh karena itu, dua sirkuit untuk mendeteksi sel lemah ini diperkenalkan dan dibahas dalam bagian-bagian berikut.
Sirkuit deteksi pertama dengan metode gerbang buffer (BG), diilustrasikan pada Gambar 8a. Pertama, arus pemeriksaan dari sel BCRRAM dicerminkan dan difilter oleh kapasitor untuk menetapkan tingkat rata-rata. Selanjutnya, perbedaan antara kedua sisi diperkuat. Perbedaan yang diperkuat dari keadaan menengah masih sedikit fluktuasi di antara 0,55 V dan 0,45 V. Di sisi lain, sel dengan satu CF dominan, di mana arus baca ditemukan melompat antara dua level; saat melewati sirkuit detektor, keluaran dapat didorong ke level tegangan tinggi/rendah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8b, berbagai logika state dihasilkan oleh dua BG dengan tegangan transisi yang tepat dan gerbang logika XOR. Untuk sel yang menunjukkan RTN keadaan menengah, tegangan keluaran (Vout) menjadi latch pada level tegangan tinggi (VH) alih-alih level tegangan rendah (VL). Rasio antara probabilitas keluaran pada VH (PH) terhadap pada VL (PL) dari keluaran XOR pada sel yang pertama dikategorikan berdasarkan LFN-nya sebagai sel sehat/lemah diringkas pada Gambar 8c. Untuk sel dengan beberapa level arus dalam level arus baca, sebagian lebih besar dari keluaran XOR tetap dalam keadaan tinggi saat sel lemah dimasukkan ke dalam sirkuit deteksi. Di sisi lain, sel sehat dengan satu CF dominan dan level resistansi yang berbeda cenderung menempatkan keluaran XOR pada level tegangan rendah.
a Skematik sirkuit deteksi BG dan b keluaran tegangannya. c Diagram pie tegangan keluaran pada sel sehat/lemah dalam metode BG. Proporsi tinggi dari keadaan tinggi pada sel lemah, di mana arus baca beralih cepat di antara beberapa level resistansi
Sirkuit kedua yang diusulkan di sini untuk menyaring sel rentan, dinamakan metode trigger Schmitt (ST), diilustrasikan pada Gambar 9a. Dua trigger Schmitt, yang trigger atas/bawah dirancang untuk menjadi 0,65 V/0,35 V dan 0,55 V/0,45 V, masing-masing, digunakan sebagai gantinya untuk menemukan probabilitas arus baca dalam keadaan menengahnya. Tegangan keluaran, yang ditunjukkan pada Gambar 9b, menjadi tinggi saat arus baca berada dalam keadaan menengahnya. Dari metode ST, persentase level tinggi/rendah pada keluaran XOR diringkas pada Gambar 9c. Keluaran deteksi lebih cenderung tetap pada VH untuk sel lemah daripada untuk sel sehat.
a Skematik sirkuit deteksi ST dan b keluaran tegangannya. c Diagram pie tegangan keluaran pada sel sehat/lemah dalam metode ST. VL lebih banyak dapat diperoleh pada sel sehat, yang kemungkinan hanya memiliki satu CF dominan
Untuk menyelidiki tingkat keberhasilan deteksi dalam mengidentifikasi sel lemah, rasio keadaan tinggi dari keluaran detektor untuk dua kelompok sel yang pertama dikategorikan berdasarkan karakteristik LFN dibandingkan pada Gambar 10a, b. Untuk sirkuit deteksi BG, kami mendefinisikan sel lemah dengan rasio PH/PL di atas 2,3. Dengan kriteria ini, 70% sel lemah dapat berhasil ditangkap sementara menyebabkan 30% false positive. Untuk metode ST, ketika kriteria pemilihan diatur pada rasio PH/PL > 0,25, tingkat cakupan dapat mencapai 60%, sementara false positive dapat mencapai 50%. Ini membuat metode ST kurang efektif sebagai metode penyaringan. Seperti yang dibandingkan pada Gambar 10c, tingkat cakupan yang lebih tinggi dan peluang false positive yang lebih rendah divonis oleh metode BG.
Distribusi kumulatif rasio probabilitas dalam logika state tinggi/rendah pada berbagai tipe sel dalam a metode BG, b metode ST. c Perbandingan tingkat cakupan dan tingkat false positive antara dua skema sirkuit
Karena tingkat cakupan yang tinggi yang diberikan oleh metode BG, metode ini digunakan untuk deteksi sel rentan dengan risiko tinggi kegagalan daya tahan untuk memulai intervensi dini. Karakteristik siklus sel yang mengalami berbagai jenis intervensi pemulihan dibandingkan pada Gambar 11a. Sel ditemukan hanya bertahan 2 k siklus ketika tidak ada intervensi yang dilakukan selama pengujian siklus. Umur BCRRAM dapat diperpanjang selama beberapa ribuan siklus saat pulsa pemulihan reset diterapkan setelah kegagalan reset. Namun, sebagian besar sel yang direvive tidak dapat melewati 8 k siklus. Melalui sirkuit deteksi dini dengan skema BG, sel lemah dalam array sebelum kegagalan siklus dapat terdeteksi. Dengan pulsa pemulihan yang diterapkan pada sel lemah yang terdeteksi, daya tahan sebagian besar sel BCRRAM dapat secara signifikan diperpanjang ke lebih dari 40 k siklus. 15% sel dalam array memori 16 × 16 yang memerlukan treatment pemulihan reset dengan berbagai metode dibandingkan pada Gambar 11b. Meski lebih banyak sel perlu direvive sebelum 10 k siklus dalam metode deteksi BG, persentase selnya relatif stabil selama pengujian siklus 50 k. Namun, dalam kelompok perbandingan, di mana perangkat direvive setelah kegagalan reset, proporsi sel yang membutuhkan intervensi pemulihan meningkat dengan stres siklus, yang menunjukkan overhead operasi yang lebih berat pada kecepatan dan daya.
a Perbandingan daya tahan berbagai teknik, termasuk treatment pemulihan reset dan deteksi sirkuit BG. b Jumlah sel yang mengalami treatment pemulihan reset selama siklus
Dengan deteksi sirkuit dan pemulihan reset, umur siklus BCRRAM dapat diperpanjang secara efektif. Meski tingkat cakupan sirkuit deteksi BG mencapai 70%, beberapa sel rentan tidak teridentifikasi. Akibatnya, kami percaya bahwa meningkatkan tingkat cakupan adalah salah satu jalur untuk meningkatkan lebih lanjut daya tahan keseluruhan array BCRRAM. Pengaturan sirkuit deteksi dapat disesuaikan lebih lanjut untuk mengurangi tingkat false negative, meningkatkan tingkat cakupan. Selain itu, pemulihan reset dapat dioptimalkan untuk menyelamatkan BCRRAM ke kemampuan siklusnya dengan lebih baik.
Kesimpulan
Dalam penelitian ini, korelasi antara LFN, topografi CF, dan kegagalan reset selama siklus ditetapkan. Selain itu, treatment pemulihan reset diimplementasikan dalam array BCRRAM untuk memulihkan kegagalan reset. Dua sirkuit deteksi, metode BG dan metode ST, diusulkan dan diteliti untuk menyaring sel rentan untuk intervensi pemulihan dini. Selain itu, metode BG yang diusulkan dengan tingkat cakupan yang lebih tinggi digunakan pada array BCRRAM untuk meningkatkan daya tahan. Dengan sirkuit deteksi BG yang baru diusulkan dan operasi pemulihan reset yang diinisiasi deteksi dini, peningkatan yang signifikan dari daya tahan siklus untuk lebih dari 10 kali telah divonis.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang mendukung kesimpulan artikel ini termasuk dalam artikel.
