Sirkuit Deteksi Dini untuk Peningkatan Ketahanan Larik Memori Akses Acak Resistif Kontak Isi Ulang

Hasil dan Diskusi

Kemampuan Siklus dan Skema Pemulihan Reset

Daya tahan bersepeda BCRRAM diperiksa oleh algoritma pemrograman pulsa langkah bertahap (ISPP) yang dioptimalkan yang ditunjukkan pada Gambar. 5a. Setelah setiap pulsa tegangan, status BCRRAM kemudian diverifikasi untuk menentukan apakah V _WL /V _SL perlu ditingkatkan untuk operasi set/reset berikutnya [38]. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 6a, jendela arus baca yang stabil dapat diperoleh dalam waktu set/reset 20 detik, lihat pada Gambar 6b, untuk siklus 1k. Data eksperimental menunjukkan bahwa waktu reset yang diperlukan untuk mencapai HRS target meningkat secara bertahap ketika jumlah siklus melewati 1000. Data juga mengungkapkan bahwa sebagian besar sel akhirnya macet di LRS bahkan setelah menaikkan waktu reset menjadi 60 s. Untuk menyelidiki akar penyebab degradasi reset selama bersepeda, kebisingan frekuensi rendah (LFN) yang ditemukan di arus baca diselidiki dan dilaporkan sebagai indeks yang mencerminkan sifat-sifat CF [39,40,41]. Dalam pekerjaan kami sebelumnya [31], sel dengan kepadatan CF yang berbeda di dalam lapisan TMO-nya menunjukkan spektrum derau 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 kepadatan rendah CF, berlabel "sehat," ditemukan lebih kuat dan diharapkan untuk menanggung lebih banyak stres bersepeda. Sel yang mengandung banyak CF kecil, yang disebut "lemah", diyakini lebih rentan terhadap stres. Untuk mempelajari mekanisme kegagalan utama sel di bawah tes siklus, LFN perangkat BCRRAM dipantau. Seperti yang diringkas dalam Gambar. 6c, korelasi kuat antara jenis sel dan jumlah siklus ditemukan dalam larik BCRRAM. Porsi sel lemah dengan beberapa jalur konduktif di lapisan TMO meningkat secara signifikan setelah siklus, yang diyakini menyebabkan pemanasan yang kurang efisien dalam CF yang tersebar, memperlambat proses reset [31]. Akibatnya, kegagalan daya tahan pada operasi reset dikaitkan dengan generasi beberapa jalur konduktif. Selain tes ISPP, berbagai jenis generasi CF setelah tegangan tegangan konstan juga dilaporkan [27, 28]. CF yang tidak perlu yang dihasilkan oleh kondisi operasi set/reset tetap diyakini sebagai salah satu alasan, menyebabkan sel secara bertahap kehilangan kemampuannya untuk beralih kembali ke HRS. Untuk menghidupkan kembali sel setelah kegagalan reset, CF yang tidak perlu di dalam lapisan TMO-nya perlu dipangkas melalui pulsa pemulihan reset yang kuat dengan kondisi di Gambar 5a, V _WL =1.2V, V _SL =2V dan lebar pulsa 50 s, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6a. Dengan perawatan pemulihan reset yang tepat, jendela baca saat ini serta kemampuan siklusnya dapat dipulihkan. Namun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b, pulsa pemulihan yang disetel ulang diperlukan lebih sering pada sel yang mengalami lebih dari 10 k siklus. Data pada Gambar. 6a juga menunjukkan bahwa operasi pemulihan reset mungkin menjadi tidak berguna untuk beberapa sel setelah siklus stres yang lama, menunjukkan bahwa CF dalam sel ini rusak hingga tidak dapat diperbaiki lagi.

a Algoritme ISPP set/reset dan memulihkan kondisi reset untuk pengujian bersepeda. V_WL dan V_SL dirampingkan, masing-masing, dalam operasi set/reset. b Algoritme untuk mendeteksi dini sel yang lemah

a 100 k siklus penyetelan/penyetelan ulang ISPP. Sel yang hilang dibaca janda setelah 6 k siklus dapat dipulihkan dengan 5 pulsa reset yang kuat dengan kondisi V _WL = 1.2 V, V _SL = 2 V dan lebar pulsa 50 s. Perlakuan penyetelan ulang pemulihan tidak valid setelah 10 k siklus. b Setel/setel ulang waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan peralihan status selama 100 k siklus. c Pergeseran jenis sel, yang ditentukan oleh fitur noise, ditemukan selama pengujian siklus ISPP

a Ilustrasi keadaan filamen dan perangkap pada lapisan TMO dalam keadaan sehat/lemah. b Tren penyesuaian yang sesuai dalam spektrum kebisingan

Pergeseran fitur noise sel yang diamati pada Gambar. 6c menyiratkan bahwa tipe sel adalah indeks yang berguna untuk memperbaiki sel yang rentan sebelum mencapai kegagalan total. Oleh karena itu, membedakan tipe sel dengan fitur noise selama operasi merupakan faktor penting dalam mewujudkan intervensi awal untuk memperkuat CF.

Sirkuit Deteksi Dini

Untuk sel dengan lebih banyak CF di dalam lapisan TMO, arus bacanya berfluktuasi di antara beberapa status resistansi. Sebaliknya, sel dengan satu CF dominan dalam film RRAM, arus berulang kali melompat di antara dua keadaan berbeda, yang dapat digunakan sebagai indeks sel sehat [31]. Akibatnya, jumlah status tengah dalam arus baca dapat membantu kami mengidentifikasi sel-sel yang rentan sebelum gagal sepenuhnya. Oleh karena itu, dalam algoritme yang ditunjukkan pada Gambar. 5b, untuk mendeteksi dini sel yang rentan dan menghidupkannya kembali sebelum sepenuhnya kehilangan kemampuan siklusnya, arus pengambilan sampel sel diumpankan ke sirkuit deteksi. Setelah didiagnosis, operasi restorasi dilakukan pada sel-sel lemah yang dikonfirmasi. Oleh karena itu, dua sirkuit untuk mendeteksi sel-sel lemah ini diperkenalkan dan dibahas di bagian berikut.

Rangkaian deteksi pertama dengan metode gerbang penyangga (BG), diilustrasikan pada Gambar 8a. Pertama, arus pengambilan sampel dari sel BCRRAM dicerminkan dan disaring oleh kapasitor untuk menetapkan level rata-rata. Selanjutnya, perbedaan antara kedua belah pihak diperkuat. Perbedaan yang diperkuat dari keadaan tengah masih sedikit berfluktuasi antara 0,55 V dan 0,45 V. Di sisi lain, sel dengan satu CF dominan, di mana arus baca ditemukan melompat di antara dua tingkat; ketika melewati rangkaian detektor, output dapat didorong ke level tegangan tinggi / rendah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8b, status logika yang berbeda dihasilkan oleh dua BG dengan tegangan transisi yang tepat dan gerbang logika XOR. Untuk sel yang menunjukkan RTN keadaan tengah, tegangan keluaran (V _keluar ) menjadi kait pada kondisi tegangan tinggi (V _H ) alih-alih status tegangan rendah (V _L ). Rasio antara probabilitas keluaran dalam V _H (P _H ) versus yang di V _L (P _L ) dari keluaran XOR pada sel yang pertama kali dikategorikan oleh LFN-nya sebagai sel sehat/lemah dirangkum dalam Gambar. 8c. Untuk sel dengan beberapa level arus dalam level baca saat ini, sebagian besar output XOR tetap dalam status tinggi ketika sel lemah dimasukkan ke dalam sirkuit deteksi. Di sisi lain, sel-sel sehat dengan CF dominan tunggal dan tingkat resistensi yang berbeda lebih mungkin untuk menempatkan output XOR pada status tegangan rendah.

a Skema rangkaian deteksi BG dan b keluaran tegangannya. c Diagram lingkaran tegangan keluaran pada sel sehat/lemah dalam metode BG. Bagian tinggi dari status tinggi dalam sel yang lemah, yang membaca arus dengan cepat beralih di antara beberapa level resistensi

Sirkuit kedua yang diusulkan di sini untuk menyaring sel-sel yang rentan, disebut sebagai metode pemicu Schmitt (ST), diilustrasikan pada Gambar 9a. Dua pemicu Schmitt, yang pemicu atas/bawahnya dirancang masing-masing menjadi 0,65 V/0,35 V dan 0,55 V/0,45 V, digunakan untuk mengetahui probabilitas arus baca di keadaan tengahnya. Tegangan keluaran, yang ditunjukkan pada Gbr. 9b, menjadi tinggi saat arus baca berada pada kondisi tengahnya. Dari metode ST, persentase tingkat tinggi/rendah pada output XOR diringkas pada Gambar. 9c. Keluaran deteksi cenderung tetap berada di V _H untuk sel yang lemah daripada sel yang sehat.

a Skema rangkaian deteksi ST dan b keluaran tegangannya. c Diagram lingkaran tegangan keluaran pada sel sehat/lemah dalam metode ST. Lebih banyak VL dapat diperoleh dalam sel yang sehat, yang mungkin hanya dengan satu CF dominan

Untuk menyelidiki tingkat keberhasilan deteksi dalam mengidentifikasi sel-sel yang lemah, rasio keadaan tinggi dari keluaran detektor untuk dua kelompok sel yang pertama-tama dikategorikan berdasarkan karakteristik LFN dibandingkan pada Gambar 10a, b. Untuk sirkuit deteksi BG, kami mendefinisikan sel lemah dengan memiliki P _H /P _L rasio di atas 2,3. Dengan kriteria ini, 70% dari sel yang lemah dapat berhasil ditangkap dan menghasilkan 30% positif palsu. Untuk metode ST, ketika kriteria pemilihan diatur pada P _H /P _L rasio > 0,25, tingkat cakupan bisa mencapai 60%, sedangkan positif palsu bisa setinggi 50%. Hal ini membuat metode ST menjadi metode penyaringan yang kurang efektif. Dibandingkan pada Gambar. 10c, tingkat cakupan yang lebih tinggi dan kemungkinan positif palsu yang lebih rendah ditunjukkan oleh metode BG.

Distribusi kumulatif rasio probabilitas dalam keadaan logika tinggi/rendah pada tipe sel yang berbeda di a Metode BG, b metode ST. c Perbandingan tingkat cakupan dan tingkat positif palsu antara dua skema sirkuit

Karena tingkat cakupan yang tinggi yang diberikan oleh metode BG, metode ini digunakan untuk mendeteksi sel-sel yang rentan dengan risiko kegagalan daya tahan yang tinggi untuk inisiasi intervensi dini. Karakteristik siklus sel yang mengalami berbagai jenis intervensi pemulihan dibandingkan pada Gambar. 11a. Sel ditemukan hanya mempertahankan 2 k siklus saat tidak ada intervensi yang dilakukan selama tes bersepeda. Masa pakai BCRRAM dapat diperpanjang beberapa ribu siklus ketika pulsa pemulihan reset diterapkan setelah kegagalan reset. Namun, sebagian besar sel yang dihidupkan kembali tidak dapat melewati siklus 8 k. Melalui rangkaian deteksi dini dengan skema BG, sel-sel lemah dalam array sebelum kegagalan siklus dapat dideteksi. Dengan pulsa pemulihan yang diterapkan pada sel yang lemah terdeteksi, daya tahan sebagian besar sel BCRRAM dapat diperpanjang secara signifikan hingga lebih dari 40 k siklus. Sel 15% dalam larik memori 16 × 16 memerlukan perlakuan pemulihan reset dalam metode yang berbeda dibandingkan pada Gambar. 11b. Meskipun lebih banyak sel perlu dipulihkan sebelum 10 k siklus dalam metode deteksi BG, persentase selnya relatif stabil selama uji siklus 50 k. Namun, dalam kelompok pembanding, di mana perangkat dipulihkan setelah kegagalan reset, proporsi sel yang membutuhkan intervensi pemulihan meningkat seiring dengan tekanan siklus, yang menunjukkan overhead operasi yang lebih berat pada kecepatan dan daya.

a Perbandingan daya tahan dari berbagai teknik, termasuk perawatan reset pemulihan dan deteksi sirkuit BG. b Jumlah sel yang mengalami pemulihan pemulihan pengobatan selama siklus

Berkat sirkuit deteksi dan pemulihan reset, masa pakai siklus BCRRAM dapat diperpanjang secara efektif. Meskipun tingkat cakupan sirkuit deteksi BG mencapai 70%, beberapa sel rentan tidak teridentifikasi. Akibatnya, kami percaya bahwa meningkatkan tingkat cakupan adalah salah satu jalur untuk lebih meningkatkan daya tahan keseluruhan susunan BCRRAM. Pengaturan sirkuit deteksi dapat disesuaikan lebih lanjut untuk mengurangi tingkat negatif palsu, meningkatkan tingkat cakupan. Selain itu, reset pemulihan pemulihan dapat dioptimalkan untuk menghidupkan kembali BCRRAM dengan lebih baik ke kemampuan bersepedanya.