主动早期检测电路提升背填接触RRAM阵列耐久性

摘要

作为先进CMOS模块最有前景的嵌入式非易失性存储方案之一，电阻式随机存取存储器（RRAM）的应用高度依赖其循环耐久性。通过详细分析，发现了噪声类型、导电丝构型与循环测试中复位失败发生的关联。并演示了恢复处理可恢复RRAM循环能力。还提出了一种用于阵列中脆弱单元的早期检测电路，进一步提升RRAM阵列整体耐久性。RRAM寿命可延长至10 k次循环以上无失效位。

引言

近年来，RRAM凭借结构简单、可扩展性强、与先进CMOS工艺高兼容等优势，成为实现嵌入式非易失性存储模块的核心技术之一。高循环耐久性的RRAM可扩展应用于需频繁更新非易失性数据的系统，如存内计算和类脑系统。RRAM薄膜状态切换被认为通过氧空位（Vₒ）生成/复合控制导电丝（CF）构建/破坏实现。许多研究表明，设置/复位操作中CF形成的随机机制是循环测试位失败的根本原因之一。设置失败单元中，复位操作时过量Vₒ复合扩大残余CF与顶电极间隧道间隙，削弱间隙区电场，导致Vₒ生成减少。另一方面，设置操作过量Vₒ生成导致CF过度生长，被认为是复位失败主因。循环中氧离子意外耗尽导致电阻窗口关闭。多项研究报道了缓解Vₒ生成/湮灭随机过程影响的方案。大上升/下降时间脉冲分别减少设置操作Vₒ生成和复位过程氧离子消耗。Chen等人提出调节脉冲幅度平衡设置/复位操作以获得良好Vₒ可控性。除脉冲调节外，循环耐久性失败后对器件施加强设置/复位电恢复处理可使单元恢复并再次循环。增加恢复操作频率可推高整体循环耐久性。但周期性对整个阵列恢复功耗大、实现挑战大。因此寻找濒临循环失败的弱单元，实现选择性及时恢复，可在不浪费处理健康单元前提下提升循环能力。

前期工作发现低复位效率单元与其CF地形相关，随机电报噪声与CF类型关联，反映循环应力后CF变化。本工作提出基于读取电流特征的阵列弱器件早期检测新电路，并引入复位恢复操作对检测出的脆弱单元进行预防性强化。应用早期检测和选择性CF强化操作，显著提升了设置/复位循环耐久性。

方法

RRAM耐久性统计分析数据来自16×16背填接触电阻式随机存取存储器（BCRRAM）阵列，采用0.18 μm CMOS逻辑工艺制备。图1布局显示BCRRAM存储节点与n沟道选择晶体管串联组成NOR型阵列。为深入研究BCRRAM过渡金属氧化物（TMO）层物理特性，用JEOL JEM-2800透射电镜（200 keV）做横截面TEM分析。图2显示沿源极线（SL）方向BCRRAM阵列横截面TEM图像，背填介质膜厚度控制良好，可获均匀TMO层。图3能量色散X射线（EDX）谱深度分析显示BCRRAM单元TMO膜由TiN/TiON/SiO₂堆叠组成。电学分析用半导体参数分析仪和脉冲发生器完成。图4a展示BCRRAM直流成形/设置/复位特性，位线（BL）接地。成形/设置需高SL电压触发软击穿，字线（WL）低电压0.6 V钳制浪涌电流防止过设置进入不可逆电阻态。作为单极模式BCRRAM器件，选择1.2 V较高V_WL提供足够电流增强氧离子扩散与Vₒ复合，有利于切换回高电阻态（HRS）。图4b显示50次直流设置/复位循环后可维持10倍读取电流窗口，低电阻态（LRS）/HRS设为5 μA/0.5 μA。

结果与讨论

循环耐久性与复位恢复方案

BCRRAM循环耐久性用优化增量步进脉冲编程（ISPP）算法检验（图5a）。每次应力脉冲后验证状态决定下一次设置/复位是否需增加V_WL/V_SL。图6a显示20 μs设置/复位时间内可获稳定读取电流窗口（图6b），维持1k循环。实验数据显示循环数超1000后达到目标HRS所需复位时间逐渐增加，最终多数单元即使复位时间增至60 μs仍卡在LRS。为探究循环中复位退化根因，研究读取电流中低频噪声（LFN），其作为反映CF特性的指标。前期工作[31]显示TMO层内CF密度不同的单元在读取电流中表现出不同噪声谱。图7a按读取电流LFN谱特征（图7b）将单元分两类：CF密度低标记为“健康”，更稳健，预期耐受更多循环应力；含多条微小CF标记为“弱”，更易受应力损伤。监测BCRRAM器件LFN研究循环测试主要失效机制。图6c总结显示BCRRAM阵列中单元类型与循环数强相关。循环后TMO层含多条导电路径的弱单元比例显著增加，被认为导致分散CF加热效率降低，减慢复位过程。因此复位操作耐久性失败归因于多条导电路径生成。除ISPP测试外，恒定电压应力后不同CF生成也有报道。固定设置/复位条件产生的不必要CF被认为导致单元逐渐失去切换回HRS能力。为复活复位失败单元，需通过强复位恢复脉冲（图5a条件：V_WL=1.2V, V_SL=2V, 脉冲宽度50 μs）修剪TMO层内多余CF，如图6a演示。适当复位恢复处理可恢复读取电流窗口及循环能力。但图6b显示经10 k循环以上单元需更频繁复位恢复脉冲。图6a数据也指示长循环应力后某些单元复位恢复操作失效，表明这些单元CF损伤已超修复极限。

图6c观察到的单元噪声特征漂移暗示单元类型可作为修复濒临完全失败脆弱单元的早期干预有用指标。因此在运行中通过噪声特征区分单元类型是实现CF早期强化干预的关键因素。

早期检测电路

TMO层内CF较多单元读取电流在多个电阻态间波动；单主导CF单元电流在两个明显态间跳变，可作为健康单元指标。因此读取电流中间态数量有助于在完全失败前识别脆弱单元。图5b算法中，采样电流输入检测电路，一经确诊即对弱单元执行恢复操作。现介绍两种检测弱单元电路。

缓冲门（BG）法第一检测电路（图8a）：BCRRAM单元采样电流经镜像和电容滤波设定平均电平，放大两侧差值。中间态放大差值仍在0.55 V和0.45 V间微弱波动；单主导CF单元读取电流双电平跳变经检测电路输出可推至高/低电平。图8b显示两个BG配合适当阈值电压和XOR逻辑门产生不同逻辑态。呈现中间态随机电报噪声（RTN）的单元，输出电压（V_out）锁定在高电压态（V_H）而非低电压态（V_L）。图8c总结按LFN首次分类为健康/弱单元的XOR输出高电压态概率（P_H）与低电压态概率（P_L）比值。弱单元读取电流多电平时，XOR输出更大比例维持高态；健康单元单主导CF、明显电阻态更倾向XOR输出低态。

施密特触发器（ST）法第二检测电路（图9a）：用上/下阈值分别设为0.65 V/0.35 V和0.55 V/0.45 V的两个施密特触发器，检测读取电流处于中间态概率。输出电压（图9b）在读取电流处中间态时变高。图9c总结ST法XOR输出高/低电平百分比。弱单元检测输出更倾向维持V_H。

为考察检测识别弱单元成功率，比较两组按LFN特征首次分类单元的检测器输出高态概率比（图10a,b）。BG法以P_H/P_L>2.3判定弱单元，可成功捕获70%弱单元，但有30%假阳性。ST法以P_H/P_L>0.25为准则，覆盖率60%，假阳性高达50%，筛选效果较差。图10c对比显示BG法覆盖率更高、假阳性更低。

因BG法高覆盖率，用于检测耐久性失败高风险脆弱单元以启动早期干预。图11a比较不同恢复干预类型单元循环特性。无干预单元仅维持2 k循环。复位失败后施加恢复脉冲可延长数千循环，但多数复活单元难超8 k循环。采用BG早期检测电路，在循环失败前检测阵列弱单元，对检测出弱单元施加恢复脉冲，大多数BCRRAM单元耐久性显著延长至40 k循环以上。图11b比较16×16阵列中15%需复位恢复处理单元在不同方法下比例。BG检测法虽10 k循环前需恢复单元较多，但比例在50 k循环测试中相对稳定；对比组（复位失败后恢复）需恢复干预单元比例随循环应力增加，意味着速度和功耗开销更重。

得益于检测电路和复位恢复，BCRRAM循环寿命有效延长。尽管BG检测电路覆盖率达70%，仍有部分脆弱单元未被识别。认为提高覆盖率是进一步增强BCRRAM阵列整体耐久性途径之一。可进一步调整检测电路设置降低假阴性率、提高覆盖率。此外可优化复位恢复脉冲更好复活BCRRAM循环能力。

结论

本研究建立了LFN、CF地形与循环中复位失败的相关性。在BCRRAM阵列实现恢复复位处理恢复复位失败。提出并研究了BG法和ST法两种检测电路筛选脆弱单元进行早期恢复干预。采用覆盖率更高的BG法在BCRRAM阵列提升耐久性。利用新提出的BG检测电路和早期检测启动的复位恢复操作，演示了循环耐久性显著提升至10 k次以上。