通过应力分析与片上退火缓解 FinFET 基 RRAM 中的随机电报噪声

摘要

我们系统研究了 FinFET 基介质 RRAM（FIND RRAM）单元读出电流中观察到的随机电报噪声（RTN）。反复循环应力后，RTN 幅度和频率显著增加，损害数据完整性。测量显示高温退火可抑制这些噪声尖峰，实现实用的片上退火策略，恢复器件性能。

引言

CMOS 持续微缩带来速度和密度的显著提升，同时也放大了随机掺杂波动（RDF）和线边缘粗糙度（LER）等单原子变异性。在 20 nm 以下节点，这些变异表现为不可预测行为，特别是超微器件如 NAND Flash 和电阻式 RAM 中的随机电报噪声（RTN）。本工作聚焦于已成功集成进 1 kbit 阵列的 n 沟道 FinFET 基 FIND RRAM 单元。我们量化循环应力和温度对 RTN 的影响，并演示针对性退火可缓解由此导致的读出电流不稳定性。

背景与方法

FIND RRAM 器件包含两个 FinFET 晶体管：字线（WL）选择器和由第二晶体管源漏间高 k 栅介质形成的存储节点（图 1a）。栅堆叠为 HfO₂/SiO₂/TiN，顶电极钨、底电极 TaN。读出时 WL 和衬底线（SL）偏置 0.8 V 驱动足够读出电流（图 1b）。单元经设置/复位脉冲在高阻态（HRS）和低阻态（LRS）间切换。直流扫描确认稳定电阻切换，脉冲宽度缩放以达目标读出电流 ≥3 µA（LRS）和 ≤1 µA（HRS）（图 3a）。RTN 表现为两态中离散电流阶跃（图 3b），归因于导电路径沿线电荷捕获/脱捕。反复循环在过渡金属氧化物（TMO）介质中诱导应力，增加 RTN 事件概率。我们监测循环前、10×循环后和 100×循环后的读出电流以捕捉应力演变。温度效应通过冷却至 0 °C、加热至 50 °C，以 500 Hz 连续采样读出电流 20 秒探究。该协议揭示陷阱动力学随温度变化。

结果与讨论

RTN 在 LRS 中最显著，成为分析焦点。1 kbit 阵列经 10 次循环后，RTN 引起可测读出电流波动达 ±5%（图 4a）。归一化电流图（图 4b）证实偏差与受应力单元空间相关。50 个采样单元中 90% 循环后 ΔI/I 增加，证实读出稳定性累积退化（图 5a）。新鲜单元显示单峰电流分布（图 5b），受应力单元呈双峰或多峰分布，指示陷阱诱导电流态。温度依赖符合陷阱动力学：捕获和发射时间随温升缩短，RTN 频率增加。温度从 0 °C 升至 25 °C，波动更频繁（图 6）。50 °C 时双态特征减弱，提示热活化退火陷阱降低 RTN 幅度（图 7a）。应力前、应力后和退火后的 ΔI/I 累积分布显示，高温烘烤后大部分单元恢复至接近原始噪声水平（图 7b）。进一步加热至 75 °C 并冷却 30 分钟亦恢复单元性能（图 8）。高温烘烤通过重新分布氧空位有效重建导电丝，从而缓解 RTN 并防止中间态停滞。我们将体积退火转化为片上方法：施加 1.5 mA 正向偏置电流 10 秒局部加热 TMO 区域（图 11a）。退火后测量显示 RTN 大幅减少，累积概率曲线与新鲜态行为高度吻合（图 11b）。这种片上退火方法提供无需片外热循环延长 FinFET 基电阻存储器寿命的可放大路径。

结论

研究确认循环应力放大 FIND RRAM 阵列 RTN，降低读出电流稳定性。高温退火——无论体积还是局部片上——有效中和深层陷阱，将性能恢复至近新鲜水平。该方法为微缩 CMOS 技术中 FinFET 基电阻存储器延长操作寿命提供可行途径。

缩写

FIND RRAM

Fin 场效应晶体管介质电阻式随机存取存储器

HRS

高阻态

LER

线边缘粗糙度

LRS

低阻态

RTN

随机电报噪声

TMO

过渡金属氧化物