Atténuation du bruit télégraphique aléatoire dans les RRAM basés FinFET par analyse de contrainte et recuit sur puce

Résumé

Nous rapportons une investigation systématique du bruit télégraphique aléatoire (RTN) observé dans le courant de lecture d'une cellule RRAM diélectrique basée sur FinFET (FIND RRAM). Après un cyclage de contrainte répété, l'amplitude et la fréquence du RTN augmentent nettement, compromettant l'intégrité des données. Nos mesures montrent que le recuit à haute température supprime ces pics de bruit, permettant une stratégie pratique de recuit sur puce qui restaure la performance du dispositif.

Introduction

La miniaturisation incessante du CMOS a apporté des gains impressionnants en vitesse et densité, mais elle amplifie aussi la variabilité au niveau atomique unique telle que les fluctuations aléatoires de dopants (RDF) et la rugosité de bord de ligne (LER). Dans les nœuds sous-20 nm, ces variations se manifestent par un comportement imprévisible, notamment le bruit télégraphique aléatoire (RTN) dans des dispositifs ultra-miniaturisés comme la mémoire flash NAND et la mémoire résistive (RRAM). Dans ce travail, nous nous concentrons sur une cellule FIND RRAM basée sur un FinFET n-canal qui a été intégrée avec succès dans des réseaux de 1 kbit. Nous quantifions comment le cyclage de contrainte et la température influencent le RTN et démontrons qu'un recuit ciblé peut atténuer l'instabilité du courant de lecture qui en résulte.

Contexte et Méthodes

Un dispositif FIND RRAM comprend deux transistors FinFET : un sélecteur de ligne de mot (WL) et un nœud de stockage formé par un diélectrique haute-k entre la source et le drain du second transistor (Fig. 1a). La pile de grille consiste en HfO₂/SiO₂/TiN, avec une électrode supérieure en tungstène et une électrode inférieure en TaN. Pendant la lecture, WL et la ligne de substrat (SL) sont polarisés à 0,8 V pour conduire un courant de lecture suffisant (Fig. 1b). La cellule commute entre état de haute résistance (HRS) et état de basse résistance (LRS) via des impulsions de set/reset. Des balayages DC confirment une commutation résistive stable, tandis que la mise à l'échelle de la largeur d'impulsion est requise pour atteindre des courants de lecture cibles de ≥ 3 µA (LRS) et ≤ 1 µA (HRS) (Fig. 3a). Le RTN se manifeste par des paliers de courant discrets dans les deux états (Fig. 3b), attribués au piégeage/dépiégeage de charges le long du chemin de conduction. Le cyclage répété induit une contrainte dans le diélectrique d'oxyde de métal de transition (TMO), augmentant la probabilité d'événements RTN. Nous avons surveillé les courants de lecture avant cyclage, après 10× cycles, et après 100× cycles pour capturer l'évolution de la contrainte. Les effets de température étaient sondés en refroidissant à 0 °C, chauffant à 50 °C, et échantillonnant les courants de lecture continuellement pendant 20 s à 500 Hz. Ce protocole révèle comment la dynamique des pièges évolue avec la température.

a Illustration 3D des cellules FIND RRAM 2-T fabriquées avec la technologie CMOS FinFET ; b schéma de circuit de condition de lecture (VSL = VWL = 0,8 V, BL = 0 V).

Caractéristiques de commutation résistive DC du FIND RRAM et ses conditions d'opération (a) ; résumés du temps-de-set et temps-de-reset (b).

a Évolution de la largeur d'impulsion pendant set/reset ; b comparaison du courant de lecture avant et après 100 cycles (VSL = VWL = 0,8 V, VBL = 0, échantillonnage 500 Hz).

Résultats et Discussion

Le RTN est le plus prononcé dans le LRS, en faisant le point focal de notre analyse. Dans un réseau de 1 kbit après 10 cycles, le RTN entraîne des fluctuations mesurables du courant de lecture jusqu'à ± 5 % (Fig. 4a). Une carte de courant normalisée (Fig. 4b) confirme que ces écarts sont spatialement corrélés avec les cellules stressées. Sur 50 cellules échantillonnées, 90 % présentent une augmentation de ΔI/I après cyclage, témoignant d'une dégradation cumulative de la stabilité de lecture (Fig. 5a). Les cellules fraîches affichent une distribution de courant à pic unique (Fig. 5b), alors que les cellules stressées montrent des distributions bimodales ou multimodales, indiquant des états de courant induits par les pièges. La dépendance en température suit la cinétique établie des pièges : les temps de capture et d'émission diminuent avec la température croissante, augmentant la fréquence du RTN. Lorsque la température passe de 0 °C à 25 °C, les fluctuations deviennent plus fréquentes (Fig. 6). À 50 °C, cependant, la signature à deux états diminue, suggérant un recuit thermiquement activé des pièges qui réduit l'amplitude du RTN (Fig. 7a). Les distributions cumulatives de ΔI/I avant contrainte, après contrainte, et post-recuit révèlent qu'une grande fraction de cellules récupère des niveaux de bruit proches de l'original après cuisson à haute température (Fig. 7b). Un chauffage supplémentaire à 75 °C suivi d'un refroidissement de 30 minutes restaure aussi la performance des cellules, comme démontré en Fig. 8. La cuisson à haute température rétablit efficacement le filament conducteur en redistribuant les lacunes d'oxygène, atténuant ainsi le RTN et prévenant le blocage en état intermédiaire. Nous traduisons ce recuit massif en une approche sur puce : un courant de polarisation directe de 1,5 mA appliqué pendant 10 s chauffe localement la région TMO (Fig. 11a). Les mesures post-recuit montrent une réduction dramatique du RTN, avec des courbes de probabilité cumulative s'alignant étroitement avec le comportement de l'état frais (Fig. 11b). Cette méthode de recuit sur puce offre une voie évolutive pour prolonger la durée de vie du FIND RRAM sans cycles thermiques hors puce.

a Courant de lecture normalisé à 25 °C (500 Hz) pour une cellule après 10 cycles, montrant la variance temporelle induite par RTN ; b comparaison instantanée d'un réseau 1 kbit à 25 °C (t = 3 s, 7,5 s, 14 s, 17,5 s).

a Box-plot de |ΔI/I| pour 50 cellules avant et après cyclage ; b histogramme des distributions de courant de lecture normalisées pré- et post-contrainte.

Courants de lecture normalisés d'une seule cellule LRS après 100 cycles mesurés à 0 °C, 25 °C et 50 °C (500 Hz).

a Histogrammes des courants de lecture normalisés à 0 °C, 25 °C et 50 °C ; b distributions cumulatives de |ΔI/I| avant contrainte, après contrainte, et post-recuit.

Courants de lecture de cellules fraîches et stressées à 25 °C (500 Hz) comparés à l'état post-cuisson, montrant une récupération aux niveaux de l'état frais.

a Courants de lecture normalisés d'un réseau 1 kbit aux états frais, légèrement stressé, hautement stressé, et post-recuit ; b probabilités cumulatives de |ΔI/I| au cours du temps pour 50 cellules.

Application d'une cuisson à 125 °C restaure une cellule bloquée dans un état intermédiaire, prolongeant sa durée de vie fonctionnelle.

Schéma de recuit sur puce : application de −1 V à BL avec un courant de polarisation directe de 1,5 mA. Distributions de courant cumulatives avant et après le processus montrent une réduction prononcée de la fluctuation induite par RTN.

Conclusion

Notre étude confirme que le cyclage de contrainte amplifie le RTN dans les réseaux FIND RRAM, dégradant la stabilité du courant de lecture. Le recuit à haute température — qu'il soit massif ou localisé sur puce — neutralise efficacement les pièges sous-jacents, restaurant la performance à des niveaux proches de l'état frais. Cette approche offre une voie viable pour prolonger la vie opérationnelle des mémoires résistives basées FinFET dans les technologies CMOS miniaturisées.

Abréviations

FIND RRAM

Fin field-effect transistor dielectric resistive random access memory

HRS

État de haute résistance

LER

Rugosité de bord de ligne

LRS

État de basse résistance

RTN

Bruit télégraphique aléatoire

TMO

Oxyde de métal de transition