一种用于增强回填接触电阻随机存取存储器阵列的耐久性的早期检测电路

介绍

近年来，RRAM以其结构简单、可扩展性强、与先进CMOS工艺兼容性强等优点成为实现嵌入式非易失性存储模块的核心技术之一[1,2,3,4,5,6,7, 8]。具有高循环性的 RRAM 可以将其应用扩展到需要更频繁更新非易失性数据的系统，例如内存计算和神经形态系统 [9,10,11,12,13,14,15]。

RRAM 薄膜中的状态转换被认为是通过氧空位 (V o) 进一步控制导电细丝 (CF) 的构造/破坏 [16,17,18,19,20,21,22]。许多研究表明，在设置/复位操作期间形成 CF 的随机机制已被发现是循环测试期间钻头故障的根本原因之一 [23,24,25,26,27]。在设置失败的单元格中，过量的 V o 在复位操作期间重新结合扩大了残留 CFs 和顶部电极之间的隧道间隙，这削弱了间隙区域的电场，导致 V o 代 [24]。另一方面，多余的 V o 在设置操作期间产生，导致 CF 过度增长。这被认为是复位失败的主要原因 [24, 28]。此外，发现循环过程中氧离子的意外消耗是导致电阻窗口关闭的原因 [23, 28]。减轻V中随机过程影响的几种方案 o 生成/湮灭在各种研究中都有报道 [23, 24, 28,29,30]。发现上升和下降时间大的脉冲分别降低了V o 设置操作中的生成和重置过程中氧离子的消耗[23]。获得V的良好可控性 o, Chen 等 .还提出了一种用于平衡设置/复位操作的调谐脉冲幅度方法 [29]。除了脉冲调节 [23, 29]，还发现在耐久性故障后对设备进行强设置/复位电恢复处理，细胞可以恢复并再次循环 [24, 28, 30]。还表明，恢复操作频率的增加会提高整体骑行耐力性能 [24]。在循环期间对整个阵列进行定期恢复会导致高功率开销和实际内存模块中的实施挑战。因此，找到处于循环失败边缘的弱细胞对于实施选择性和及时恢复至关重要。这可以在不浪费对健康细胞进行不必要的治疗的情况下提高可循环性。

在我们之前的工作中，发现具有低复位效率的单元与其 CF 拓扑相关。此外，随机电报噪声与 CF 类型有关，这也反映了循环应力后 CF 的变化 [31]。在这项工作中，提出了通过读取电流特性早期检测阵列中弱器件的新电路。还引入了重置恢复操作，以对检测方法识别的易受攻击的单元进行预防性加强。应用早期检测和选择性CF强化操作的方法，成功证明了设置/重置循环性的显着改善。

方法

从 16 × 16 回填式接触电阻随机存取存储器 (BCRRAM) 阵列收集 RRAM 耐久性的统计分析，该阵列由 0.18 μm CMOS 逻辑工艺制造 [32, 33]。如图 1 中的布局所示，BCRRAM 的存储节点与 n 沟道晶体管串联，用于 NOR 型阵列中的单元选择。为了深入研究 BCCRAM 的 TMO 层的物理特性，使用能量为 200 keV 的 JEOL JEM-2800 透射电子显微镜进行透射电子显微镜 (TEM) 分析。 BCRRAM 阵列沿源极线（SL）方向的横截面 TEM 图像如图 2 所示。由于对回填介质膜厚度的更好控制，可以实现均匀的过渡金属氧化物（TMO）层。图 3 中的能量色散 X 射线 (EDX) 光谱分析提供了沿 RRAM 薄膜深度的相对元素组成，其中发现 BCRAM 电池的 TMO 薄膜由 TiN/TiON/SiO2 [32, 33 ]。电分析由半导体参数分析仪和脉冲发生器完成。 BCRRAM 的 DC 形成/设置/复位特性如图 4a 所示。请注意，形成/设置操作中的高 SL 电压需要触发软击穿过程。选择晶体管栅极上的 0.6 V 低字线 (WL) 电压可钳位浪涌电流并防止溢出进入不可逆的电阻状态。作为单极模式下的 BCRRAM 器件，更高的 V 选择 1.2 V 的 WL 以提供足够高的电流以增强氧离子的扩散和与 V 的复合 o，支持切换回 HRS [34,35,36,37]。如图 4b 所示，10 × 读取电流窗口可以在 50 个 DC 设置/复位周期下保持，其中低电阻状态 (LRS)/高电阻状态 (HRS) 分别设置为 5 μA/0.5 μA。 <图片>

研究中的16 × 16 NOR型回填CRRAM阵列样品的版图布置

BCRRAM 阵列和单元的横截面 TEM 图像。 BCRRAM单元可以得到均匀的介质厚度

BCRRAM 单元 TMO 层的基于 EDX 的成分分析。 BCRRAM 的 TMO 层由 TiN/TiON/SiO2 叠层组成

一 DC形成/设置/复位扫描特性，其中位线(BL)接地。 b 50 次设置/复位操作后的当前水平。 LRS/HRS分别定义为5 μA/0.5 μA，得到10 × 开/关比

结果与讨论

循环和复位恢复方案

BCRRAM 的循环耐久性通过优化的增量步进脉冲编程 (ISPP) 算法进行检查，如图 5a 所示。在每个应力脉冲之后，然后验证 BCRRAM 的状态以确定 V WL/V SL 需要为下一次设置/复位操作增加 [38]。如图 6a 所示，可以在 20 μs 设置/复位时间内获得稳定的读取电流窗口，见图 6b，对于 1k 个周期。实验数据表明，当循环次数超过 1000 时，达到目标 HRS 所需的复位时间逐渐增加。数据还表明，即使将复位时间提高到 60 μs，大多数细胞最终仍停留在 LRS。为了研究循环期间复位退化的根本原因，研究了读取电流中发现的低频噪声 (LFN)，并将其报告为反映 CF 特性的指标 [39,40,41]。在我们之前的工作 [31] 中，在其 TMO 层内具有不同 CF 密度的单元在其读取电流中表现出不同的噪声频谱。如图 7a 所示，在图 7b 中，根据读取电流中 LFN 频谱的特性，可以将单元分为两组。发现标记为“健康”的具有低密度 CF 的细胞更健壮，并有望承受更多的循环压力。包含多个微小 CFs 的细胞被称为“弱”，被认为更容易受到压力。为了研究循环测试中电池的主要故障机制，监测 BCRRAM 器件的 LFN。如图 6c 中总结的那样，在 BCRRAM 阵列中发现了单元类型和循环次数之间的强相关性。 TMO 层中具有多个导电路径的弱电池部分在循环后显着增加，这被认为会导致分散 CF 中的加热效率降低，减慢复位过程 [31]。结果，复位操作的耐久性失败归因于多个导电路径的产生。除了 ISPP 测试之外，还报告了恒压应力后产生的不同类型的 CFs [27, 28]。固定设置/重置操作条件产生的不必要的 CF 被认为是导致小区在切换回 HRS 时逐渐失去其能力的原因之一。为了在复位失败后恢复单元格，需要通过强复位恢复脉冲修剪 TMO 层内不必要的 CF，条件如图 5a，V WL=1.2V，V SL=2V，脉冲宽度为 50 μs，如图 6a 所示。通过适当的复位恢复处理，可以恢复读取电流窗口及其可循环性。然而，如图 6b 所示，在经历超过 10 k 次循环的电池上需要更频繁的复位恢复脉冲。图 6a 中的数据还表明，某些细胞在长时间循环应力后可能无法进行复位恢复操作，这表明这些细胞中的 CF 已损坏到无法修复。

一 用于循环测试的设置/重置 ISPP 算法和恢复重置条件。 VWL 和 VSL 在设置/复位操作中分别斜升。 b 弱细胞早期检测算法

一 100 k ISPP 设置/重置周期。在 V 条件下，可以通过 5 个强复位脉冲恢复 6 k 个周期后丢失的读取寡妇 WL =1.2 V，V SL =2 V，脉冲宽度为 50 μs。复位恢复处理在 10 k 个循环后无效。 b 在 10 万个周期内完成状态切换所需的设置/重置时间。 c 在ISPP循环测试期间发现由其噪声特征定义的电池类型的变化

一 健康/弱的 TMO 层上的细丝和陷阱状态的插图。 b 相应的噪声谱拟合趋势

在图 6c 中观察到的细胞噪声特征的变化意味着细胞类型是在脆弱细胞完全失效之前修复脆弱细胞的有用指标。因此，通过运行过程中的噪声特征区分细胞类型是实现早期干预以加强CFs的关键因素。

早期检测电路

对于 TMO 层内具有更多 CF 的单元，其读取电流在多个电阻状态之间波动。相反，在 RRAM 薄膜中具有一个主要 CF 的细胞，电流在两种不同的状态之间反复跳跃，可用作健康细胞的指标 [31]。因此，读取电流中的中间状态数量可以帮助我们在完全失败之前识别易受攻击的单元。因此，在图 5b 所示的算法中，为了及早检测易受攻击的细胞并在其完全失去循环能力之前将其恢复，将细胞的采样电流馈送到检测电路。一旦诊断出恢复操作，就对确认的弱单元执行。因此，下面将介绍和讨论两种检测这些弱细胞的电路。

缓冲门 (BG) 方法的第一个检测电路如图 8a 所示。首先，来自 BCRRAM 单元的采样电流被一个电容器镜像和过滤以设置一个平均电平。接下来，双方之间的差异被放大。中间态的放大差异仍然在 0.55 V 和 0.45 V 之间略微波动。另一方面，具有一个主导 CF 的单元，其中发现读取电流在双电平之间跳跃；当它通过检测器电路时，输出可以被推到高/低电压电平。如图 8b 所示，具有适当转换电压的两个 BG 和 XOR 逻辑门会产生不同的逻辑状态。对于呈现中间状态 RTN 的电池，输出电压 (V out) 在高电压状态 (V H) 而不是低电压状态 (V L)。 V中输出概率的比值 H (P H) 对比 V L (P L) 首先按 LFN 归类为健康/弱细胞的细胞的 XOR 输出总结在图 8c 中。对于在读取电流电平中具有多个电流电平的单元，当将弱单元放入检测电路时，异或输出的大部分保持在高状态。另一方面，具有单一显性 CF 和不同电阻水平的健康细胞更有可能将 XOR 输出置于低电压状态。

一 BG检测电路原理图及b 它的电压输出。 c BG 方法中健康/弱电池的输出电压饼图。弱单元中高状态的高部分，读取电流在多个电阻级别之间快速切换

这里提出的用于筛选易受攻击的细胞的第二种电路，称为施密特触发 (ST) 方法，如图 9a 所示。两个施密特触发器，其上/下触发器分别设计为 0.65 V/0.35 V 和 0.55 V/0.45 V，用于找出读取电流处于中间状态的概率。当读取电流处于中间状态时，输出电压（如图 9b 所示）变高。从 ST 方法来看，XOR 输出的高/低电平百分比总结在图 9c 中。检测输出更有可能停留在 V H 弱细胞比健康细胞高。

一 ST检测电路原理图和b 它的电压输出。 c ST 方法中健康/弱电池的输出电压饼图。在健康细胞中可以获得更多的VL，可能只有一个显性CF

为了研究识别弱细胞的检测成功率，在图 10a、b 中比较了首先按 LFN 特性分类的两组细胞的检测器输出的高状态比率。对于 BG 检测电路，我们通过 P 定义了一个弱单元 H/P L比在2.3以上。使用此标准，可以成功捕获 70% 的弱细胞，同时导致 30% 的误报。 For ST method, when the select criterium is set at a P H/P L比> 0.25，覆盖率可达60%，而误报率可高达50%。这使得 ST 方法成为一种不太有效的筛选方法。与图 10c 相比，BG 方法证明了更高的覆盖率和更低的假阳性机会。

a中不同细胞类型高/低逻辑状态概率比的累积分布 BG 方法，b ST方法。 c 两种电路方案的覆盖率和误报率对比

由于BG方法提供的高覆盖率，它被用于检测具有高耐力故障风险的脆弱细胞，以启动早期干预。图 11a 中比较了经历不同类型恢复干预的细胞的循环特征。发现在循环测试期间不采取干预措施时，细胞仅能维持 2 千次循环。在复位失败后施加复位恢复脉冲时，BCRRAM 的寿命可以延长数千个周期。然而，大多数复苏的细胞无法通过 8 k 次循环。通过BG方案的早期检测电路，可以在循环故障之前检测阵列中的弱单元。通过在检测到的弱电池上施加恢复脉冲，大多数 BCRRAM 电池的耐用性可以显着延长至超过 40,000 次循环。图 11b 比较了 16 × 16 存储器阵列中 15% 的单元需要在不同方法中进行复位恢复处理。虽然 BG 检测方法在 10 k 循环之前需要回收更多细胞，但其细胞百分比在整个 50 k 循环测试中相对稳定。然而，在复位失败后设备恢复的对照组中，需要恢复干预的细胞比例随着循环压力的增加而增加，这表明在速度和功率上的操作开销更大。

一 不同技术的耐久性比较，包括恢复复位处理和BG电路检测。 b 循环中经历恢复复位处理的细胞数

由于检测电路和复位恢复，可以有效延长BCRRAM的循环寿命。尽管BG检测电路的覆盖率达到了70%，但一些脆弱的小区并没有被识别出来。因此，我们认为提高覆盖率是进一步提升 BCRRAM 阵列整体耐用性的途径之一。检测电路的设置可以进一步调整，以降低假阴性率，提高覆盖率。此外，可以优化复位恢复复位以更好地恢复 BCRRAM 的循环能力。

结论

在这项研究中，建立了 LFN、CF 的拓扑结构和循环期间复位失败的相关性。此外，在BCRRAM阵列中实现了恢复复位处理，用于恢复复位失败。提出并研究了两种检测电路，BG 方法和 ST 方法，以筛选易受攻击的细胞以进行早期恢复干预。此外，在 BCRRAM 阵列上采用了所提出的具有更高覆盖率的 BG 方法以提高耐久性。新提出的 BG 检测电路和早期检测启动的复位恢复操作，已证明循环耐力显着提高了 10 k 次以上。

数据和材料的可用性

本文包含支持本文结论的数据集。