Circuit de détection précoce proactif améliorant l'endurance des réseaux RRAM à contacts rétremplis

Résumé

En tant que l'une des solutions de stockage non-volatile embarqué les plus prometteuses pour les modules CMOS avancés, les applications de la mémoire à accès aléatoire résistive (RRAM) dépendent fortement de sa cyclabilité. Par une analyse détaillée, des liens ont été trouvés entre les types de bruit, les configurations de filaments et l'occurrence de défaillance de réinitialisation pendant les tests de cyclage. De plus, un traitement de récupération est démontré pour restaurer la cyclabilité de la RRAM. Un circuit de détection précoce pour les cellules vulnérables dans un réseau est également proposé pour améliorer davantage l'endurance globale d'un réseau RRAM. La durée de vie de la RRAM peut être étendue à plus de 10 k cycles sans bits de défaillance dans un réseau.

Introduction

Ces dernières années, la RRAM avec ses avantages de structure simple, de scalabilité supérieure et de haute compatibilité avec les processus CMOS avancés est devenue l'une des technologies de base pour réaliser des modules de mémoire non-volatile embarquée. La RRAM avec une haute cyclabilité peut étendre ses applications aux systèmes nécessitant de mettre à jour les données non-volatiles plus fréquemment, tels que l'informatique en mémoire et les systèmes neuromorphiques.

La commutation d'états dans les films RRAM est censée être atteinte par génération/recombinaison de lacunes d'oxygène (V_o) pour contrôler davantage la construction/destruction de filaments conducteurs (CF). De nombreuses études ont montré que les mécanismes stochastiques dans la formation des CF lors des opérations de mise à zéro/réinitialisation ont été trouvés comme l'une des causes profondes de défaillance de bit pendant les tests de cyclage. Dans une cellule en défaillance de mise à zéro, l'excès de V_o recombinaison pendant les opérations de réinitialisation élargit l'écart de tunnel entre les CF résiduels et l'électrode supérieure, ce qui affaiblit le champ électrique dans la région de l'écart, conduisant à une faible génération de V_o. D'autre part, l'excès de V_o généré pendant l'opération de mise à zéro, conduisant à une surcroissance des CF. On pense que c'est la cause principale des défaillances de réinitialisation. De plus, l'appauvrissement inattendu d'ions d'oxygène pendant le cyclage est responsable de la fermeture de la fenêtre de résistance. Plusieurs schémas pour atténuer l'effet du processus stochastique dans la génération/annihilation de V_o ont été rapportés. Des impulsions avec de grands temps de montée et de descente réduisent respectivement la génération de V_o en opération de mise à zéro et la consommation d'ions d'oxygène dans le processus de réinitialisation. Pour obtenir une bonne contrôlabilité de V_o, Chen et al. suggèrent également une méthode d'amplitude d'impulsion de réglage pour équilibrer les opérations de mise à zéro/réinitialisation. En plus du conditionnement d'impulsion, des traitements de récupération électriques forts de mise à zéro/réinitialisation sur les dispositifs après défaillance d'endurance montrent que les cellules peuvent être restaurées et cyclées à nouveau. Il est également révélé qu'une fréquence accrue d'opérations de récupération pousse la performance d'endurance globale plus haut. La récupération périodique sur l'ensemble du réseau pendant le cyclage coûte un surcoût de puissance élevé et des défis d'implémentation dans les modules de mémoire réels. Par conséquent, trouver les cellules faibles, qui sont au bord de la défaillance de cycle, est essentiel pour l'implémentation d'une récupération sélective et opportune. Cela peut permettre l'amélioration de la cyclabilité sans gaspiller de traitements inutiles sur les cellules saines.

Dans notre travail précédent, des cellules avec une faible efficacité de réinitialisation ont été trouvées corrélées à leur topographie de CF. De plus, les bruits télégraphiques aléatoires sont liés aux types de CF, qui reflètent aussi le changement de CF après contrainte de cyclage. Dans ce travail, de nouveaux circuits pour la détection précoce de dispositifs faibles dans un réseau par leurs caractéristiques de courant de lecture ont été proposés. Une opération de récupération de réinitialisation est également introduite pour le renforcement préventif des cellules vulnérables identifiées par la méthode de détection. L'application de la méthode de détection précoce et d'opérations de renforcement sélectif des CF a démontré avec succès une amélioration significative de la cyclabilité mise à zéro/réinitialisation.

Méthodes

2. L'analyse électrique est complétée par un analyseur de paramètres semi-conducteurs et un générateur d'impulsions. Les caractéristiques DC de formage/mise à zéro/réinitialisation de la BCRRAM sont démontrées en figure 4a. Notez qu'une haute tension SL dans les opérations de formage/mise à zéro est requise pour déclencher le processus de rupture douce. Une faible tension de ligne de mot (WL) de 0,6 V sur la grille du transistor de sélection clampe le courant de pointe et empêche la sur-mise à zéro en états de résistance irréversibles. En tant que dispositif BCRRAM sous mode unipolaire, une tension V_WL plus élevée de 1,2 V est choisie pour fournir un courant suffisamment élevé pour améliorer la diffusion des ions d'oxygène et la recombinaison avec V_o, favorisant la commutation vers l'état de haute résistance (HRS). Comme montré en figure 4b, une fenêtre de courant de lecture de 10 × peut être maintenue sous 50 cycles DC de mise à zéro/réinitialisation, où l'état de basse résistance (LRS)/état de haute résistance (HRS) sont définis à 5 µA/0,5 µA respectivement.

Résultats et discussion

Cyclabilité et schéma de récupération de réinitialisation

L'endurance de cyclage de la BCRRAM est examinée par un algorithme optimisé de programmation par pas d'impulsion incrémentale (ISPP) montré en figure 5a. Après chaque impulsion de contrainte, les états de la BCRRAM sont ensuite vérifiés pour déterminer si V_WL/V_SL doit être augmenté pour les prochaines opérations de mise à zéro/réinitialisation. Comme affiché en figure 6a, une fenêtre de courant de lecture stable peut être obtenue dans un temps de mise à zéro/réinitialisation de 20 µs, voir figure 6b, pour 1k cycles. Les données expérimentales montrent que le temps de réinitialisation requis pour atteindre la HRS cible augmente progressivement lorsque le nombre de cycles dépasse 1000. Les données révèlent aussi que la plupart des cellules restent finalement bloquées à LRS même après avoir augmenté le temps de réinitialisation à 60 µs. Pour étudier la cause profonde de la dégradation de réinitialisation pendant le cyclage, le bruit de basse fréquence (LFN) trouvé dans le courant de lecture est étudié et rapporté comme un indice reflétant les propriétés des CF. Dans notre travail précédent, des cellules avec différentes densités de CF dans leurs couches TMO présentent un spectre de bruit distinct dans leur courant de lecture. Comme représenté en figure 7a, les cellules peuvent être catégorisées en deux groupes basés sur les caractéristiques du spectre LFN dans leur courant de lecture, en figure 7b. Les cellules avec faible densité de CF, étiquetées « saines », sont plus robustes et devraient endurer plus de contrainte de cyclage. Les cellules contenant de multiples CF minuscules, nommées « faibles », sont plus vulnérables au stress. Pour étudier les principaux mécanismes de défaillance des cellules sous tests de cyclage, le LFN des dispositifs BCRRAM est surveillé. Comme résumé en figure 6c, une forte corrélation entre les types de cellules et le nombre de cycles est trouvée dans le réseau BCRRAM. La proportion de cellules faibles avec de multiples chemins conducteurs dans les couches TMO augmente significativement après le cyclage, ce qui est censé causer un chauffage moins efficace dans un CF dispersé, ralentissant le processus de réinitialisation. En résultat, la défaillance d'endurance sur l'opération de réinitialisation est attribuée à la génération de multiples chemins conducteurs. En plus des tests ISPP, différentes générations de CF après contraintes de tension constante ont aussi été rapportées. La génération de CF inutiles par des conditions d'opération de mise à zéro/réinitialisation fixes était crue être l'une des raisons, causant les cellules à perdre progressivement leurs capacités de commutation vers HRS. Pour revivre les cellules après défaillance de réinitialisation, les CF inutiles dans leurs couches TMO doivent être élagués par de fortes impulsions de récupération de réinitialisation avec les conditions de la figure 5a, V_WL=1,2V, V_SL=2V et largeur d'impulsion de 50 µs, comme démontré en figure 6a. Avec le traitement de récupération de réinitialisation approprié, la fenêtre de courant de lecture ainsi que sa cyclabilité peuvent être restaurées. Cependant, comme montré en figure 6b, les impulsions de récupération de réinitialisation sont nécessaires plus fréquemment sur les cellules ayant subi plus de 10 k cycles. Les données en figure 6a indiquent aussi que les opérations de récupération de réinitialisation peuvent devenir inutiles pour certaines cellules après un long cyclage, suggérant que les CF dans ces cellules sont endommagés au-delà de toute réparation.

Le changement dans la caractéristique de bruit de la cellule observé en figure 6c implique que les types de cellules sont un indice utile pour réparer une cellule vulnérable avant qu'elle n'atteigne une défaillance complète. Par conséquent, distinguer les types de cellules par leurs caractéristiques de bruit pendant l'opération est un facteur crucial pour réaliser des interventions précoces de renforcement des CF.

Circuit de détection précoce

Pour les cellules avec plus de CF dans les couches TMO, leur courant de lecture fluctue entre de multiples états de résistance. Au contraire, les cellules avec un CF dominant dans les films RRAM, le courant saute répétitivement entre deux états distincts, ce qui peut être utilisé comme indices des cellules saines. En résultat, le nombre d'états intermédiaires dans le courant de lecture peut nous aider à identifier les cellules vulnérables avant qu'elles ne défaillent complètement. Par conséquent, dans l'algorithme montré en figure 5b, pour détecter précocement une cellule vulnérable et la revivre avant qu'elle ne perde complètement sa capacité de cyclage, le courant d'échantillonnage des cellules est alimenté dans le circuit de détection. Une fois diagnostiquées, des opérations de restauration sont effectuées sur les cellules faibles confirmées. Donc, deux circuits pour détecter ces cellules faibles sont introduits et discutés dans les sections suivantes.

Le premier circuit de détection par la méthode de la porte tampon (BG), est illustré en figure 8a. Premièrement, le courant d'échantillonnage des cellules BCRRAM est miroité et filtré par un condensateur pour définir un niveau moyen. Ensuite, la différence entre les deux côtés est amplifiée. La différence amplifiée des états intermédiaires fluctue encore légèrement entre 0,55 V et 0,45 V. D'autre part, une cellule avec un CF dominant, où le courant de lecture saute entre deux niveaux ; quand elle passe par le circuit de détection, la sortie peut être poussée vers les niveaux de tension haut/bas. Comme montré en figure 8b, différents états logiques sont générés par les deux BGs avec des tensions de transition appropriées et la porte logique XOR. Pour les cellules présentant un RTN d'état intermédiaire, la tension de sortie (V_out) se verrouille à l'état de tension haute (V_H) au lieu de l'état de tension basse (V_L). Le rapport entre la probabilité de sortie en V_H (P_H) versus celle en V_L (P_L) de la sortie XOR sur les cellules d'abord catégorisées par leur LFN comme saines/faibles sont résumés en figure 8c. Pour les cellules avec de multiples niveaux de courant dans le courant de lecture, une plus grande portion de la sortie XOR reste dans les états hauts quand les cellules faibles sont mises dans le circuit de détection. D'autre part, les cellules saines avec un CF dominant unique et des niveaux de résistance distincts sont plus susceptibles de mettre la sortie XOR aux états de tension basse.

Le second circuit proposé ici pour éliminer les cellules vulnérables, nommé méthode du déclencheur de Schmitt (ST), est illustré en figure 9a. Deux déclencheurs de Schmitt, dont les seuils haut/bas sont conçus pour être 0,65 V/0,35 V et 0,55 V/0,45 V respectivement, sont utilisés pour trouver la probabilité du courant de lecture dans son état intermédiaire. La tension de sortie, montrée en figure 9b, devient haute quand le courant de lecture est dans son état intermédiaire. De la méthode ST, les pourcentages de niveaux haut/bas sur la sortie XOR sont résumés en figure 9c. Les sorties de détection sont plus susceptibles de rester en V_H pour les cellules faibles que pour les saines.

Pour étudier le taux de succès de la détection dans l'identification des cellules faibles, le rapport d'états hauts de la sortie du détecteur pour les deux groupes de cellules d'abord catégorisées par les caractéristiques LFN sont comparés en figures 10a, b. Pour le circuit de détection BG, nous définissons une cellule faible par un rapport P_H/P_L supérieur à 2,3. Avec ce critère, 70 % des cellules faibles peuvent être attrapées avec succès tout en menant à 30 % de faux positifs. Pour la méthode ST, quand le critère de sélection est fixé à un rapport P_H/P_L > 0,25, le taux de couverture peut atteindre 60 %, tandis que le faux positif peut être aussi haut que 50 %. Cela fait de la méthode ST une méthode de criblage moins efficace. Comme comparé en figure 10c, un taux de couverture plus élevé et moins de chances de faux positifs sont démontrés par la méthode BG.

Grâce au taux de couverture élevé fourni par la méthode BG, elle est employée pour la détection des cellules vulnérables à haut risque de défaillance d'endurance pour l'initiation d'interventions précoces. Les caractéristiques de cyclage des cellules subissant différents types d'interventions de récupération sont comparées en figure 11a. Les cellules ne soutiennent que 2 k cycles quand aucune intervention n'est prise pendant les tests de cyclage. La durée de vie de la BCRRAM peut être étendue de plusieurs milliers de cycles quand des impulsions de récupération de réinitialisation sont appliquées après défaillance de réinitialisation. Cependant, la plupart des cellules revivifiées ne peuvent pas passer 8 k de cyclage. Grâce au circuit de détection précoce avec le schéma BG, les cellules faibles dans un réseau avant la défaillance de cyclage peuvent être détectées. Avec une impulsion de récupération appliquée sur une cellule faible détectée, l'endurance de la plupart des cellules BCRRAM peut être significativement étendue à plus de 40 k cycles. Les 15 % de cellules dans un réseau mémoire 16 × 16 ayant requis un traitement de récupération de réinitialisation par différentes méthodes sont comparés en figure 11b. Bien que plus de cellules aient besoin d'être récupérées avant 10 k cycles dans la méthode de détection BG, son pourcentage de cellules est relativement stable tout au long d'un test de cyclage de 50 k. Cependant, dans le groupe de comparaison, où les dispositifs sont restaurés après défaillance de réinitialisation, la proportion de cellules nécessitant des interventions de récupération augmente avec le stress de cyclage, ce qui suggère un surcoût d'opération plus lourd tant en vitesse qu'en puissance.

Grâce au circuit de détection et à la récupération de réinitialisation, la durée de vie de cyclage de la BCRRAM peut être étendue efficacement. Même si le taux de couverture du circuit de détection BG atteint 70 %, certaines cellules vulnérables ne sont pas identifiées. En résultat, nous pensons qu'améliorer le taux de couverture est l'une des voies pour améliorer davantage l'endurance globale des réseaux BCRRAM. Les paramètres du circuit de détection peuvent être davantage ajustés pour diminuer le taux de faux négatifs, améliorer le taux de couverture. De plus, la récupération de réinitialisation peut être optimisée pour mieux revivre la BCRRAM à ses capacités de cyclage.

Conclusions

Dans cette étude, les corrélations entre LFN, topographies des CF et défaillance de réinitialisation pendant le cyclage sont établies. De plus, un traitement de récupération de réinitialisation est implémenté dans le réseau BCRRAM pour restaurer la défaillance de réinitialisation. Deux circuits de détection, méthode BG et méthode ST, sont proposés et étudiés pour éliminer les cellules vulnérables pour des interventions de récupération précoces. En outre, la méthode BG proposée avec un taux de couverture plus élevé est employée sur un réseau BCRRAM pour améliorer l'endurance. Avec les nouveaux circuits de détection BG proposés et l'opération de récupération de réinitialisation initiée par détection précoce, une amélioration significative de l'endurance de cyclage pour plus de 10 k fois a été démontrée.