백필 접촉 저항 랜덤 액세스 메모리 어레이의 내구성 향상을 위한 조기 감지 회로

결과 및 토론

순환 가능성 및 재설정 복구 계획

BCRRAM의 사이클링 내구성은 그림 5a에 표시된 최적화된 ISPP(증분 단계 펄스 프로그래밍) 알고리즘에 의해 검사됩니다. 각 스트레스 펄스 후 BCRRAM의 상태는 V _WL /V _SL 다음 세트/리셋 작업을 위해 증가해야 합니다[38]. 그림 6a에 표시된 것처럼 안정적인 읽기 전류 창은 1k 주기 동안 20μs 설정/리셋 시간 내에서 얻을 수 있습니다(그림 6b 참조). 실험 데이터에 따르면 목표 HRS에 도달하는 데 필요한 재설정 시간은 사이클 수가 1000을 초과할 때 점진적으로 증가합니다. 데이터는 또한 재설정 시간을 60μs로 높인 후에도 대부분의 셀이 결국 LRS에서 멈추는 것으로 나타났습니다. 사이클링 동안 리셋 저하의 근본 원인을 조사하기 위해 읽기 전류에서 발견되는 저주파 노이즈(LFN)를 조사하고 CF의 특성을 반영하는 지표로 보고합니다[39,40,41]. 우리의 이전 연구[31]에서 TMO 레이어 내부에 밀도가 다른 CF를 가진 셀은 읽기 전류에서 뚜렷한 노이즈 스펙트럼을 나타냅니다. 그림 7a와 같이 셀은 그림 7b와 같이 읽기 전류의 LFN 스펙트럼 특성에 따라 두 그룹으로 분류할 수 있습니다. "건강한"이라고 표시된 CF의 밀도가 낮은 세포는 더 강력하고 더 많은 사이클링 스트레스를 견딜 것으로 예상됩니다. "weak"으로 명명된 여러 개의 작은 CF를 포함하는 세포는 스트레스에 더 취약한 것으로 여겨집니다. 사이클링 테스트에서 셀의 주요 고장 메커니즘을 연구하기 위해 BCRRAM 장치의 LFN이 모니터링됩니다. 그림 6c에 요약된 바와 같이 BCRRAM 어레이에서 세포 유형과 주기 수 사이의 강한 상관 관계가 발견됩니다. TMO 레이어에서 다중 전도성 경로를 가진 약한 셀의 부분은 사이클링 후에 크게 증가하며, 이는 분산된 CF에서 덜 효율적인 가열을 유발하여 리셋 프로세스를 늦추는 것으로 여겨집니다[31]. 결과적으로 리셋 동작 시 내구성 불량은 다중 전도성 경로의 생성에 기인한다. ISPP 테스트 외에도 정전압 스트레스 이후에 다양한 종류의 CF가 발생하는 것으로 보고되었습니다[27, 28]. 고정된 설정/리셋 작동 조건에 의해 생성된 불필요한 CF가 원인 중 하나로 여겨져 HRS로 다시 전환할 때 셀이 점차 기능을 상실하게 되었습니다. 리셋 실패 후 셀을 되살리려면 그림 5a, V의 조건에서 강력한 리셋 복구 펄스를 통해 TMO 레이어 내부의 불필요한 CF를 트리밍해야 합니다. _WL =1.2V, V _SL =2V 및 펄스 폭 50μs(그림 6a 참조). 적절한 재설정 복구 처리를 통해 읽기 현재 창과 순환 가능성을 복원할 수 있습니다. 그러나 그림 6b와 같이 10k 주기 이상을 겪은 셀에서는 리셋 복구 펄스가 더 자주 필요합니다. 그림 6a의 데이터는 또한 리셋 복구 작업이 긴 사이클링 스트레스 후에 일부 셀에 대해 쓸모없게 될 수 있음을 나타내며, 이는 이러한 셀의 CF가 수리할 수 없을 정도로 손상되었음을 시사합니다.

아 설정/재설정 ISPP 알고리즘 및 사이클링 테스트를 위한 재설정 조건 복구. V_WL 및 V_SL 설정/리셋 작업에서 각각 램핑됩니다. ㄴ 약한 세포를 조기에 감지하는 알고리즘

아 100k ISPP 설정/재설정 주기 6k 주기 후 읽기 영역이 손실된 셀은 V 조건에서 5회의 강력한 재설정 펄스로 복구할 수 있습니다. _WL =1.2 V, V _SL =2V 및 펄스 폭 50μs. 재설정 복구 처리는 10k 주기 후에 유효하지 않습니다. ㄴ 100k 주기 동안 상태 전환을 완료하는 데 필요한 설정/재설정 시간입니다. ㄷ 노이즈 기능으로 정의된 셀 유형의 이동은 ISPP 사이클링 테스트 중에 발견됩니다.

아 건강한/약한 TMO 층의 필라멘트 및 트랩 상태의 그림. ㄴ 노이즈 스펙트럼의 해당 피팅 경향

그림 6c에서 관찰된 셀의 노이즈 특성의 변화는 셀 유형이 취약한 셀이 완전한 고장에 도달하기 전에 복구하는 데 유용한 지표임을 의미합니다. 따라서 작동 중 노이즈 특성으로 세포 유형을 구별하는 것은 CF 강화를 위한 조기 개입을 실현하는 데 중요한 요소입니다.

조기 탐지 회로

TMO 레이어 내부에 더 많은 CF가 있는 셀의 경우 읽기 전류가 여러 저항 상태 사이에서 변동합니다. 반대로, RRAM 필름에서 하나의 우세한 CF를 가진 세포는 전류가 두 가지 별개의 상태 사이를 반복적으로 점프하며, 이는 건강한 세포의 지표로 사용될 수 있습니다[31]. 결과적으로 읽기 전류의 중간 상태 수는 완전히 실패하기 전에 취약한 셀을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 따라서 그림 5b와 같은 알고리즘에서는 취약한 셀을 조기에 감지하여 사이클링 기능을 완전히 상실하기 전에 되살리기 위해 셀의 샘플링 전류를 감지 회로에 공급합니다. 일단 진단된 복원 작업은 확인된 약한 세포에 수행됩니다. 따라서 이러한 약한 세포를 감지하는 두 가지 회로가 도입되고 다음 섹션에서 논의됩니다.

버퍼 게이트(BG) 방식에 의한 첫 번째 감지 회로는 그림 8a에 나와 있습니다. 먼저 BCRRAM 셀의 샘플링 전류를 미러링하고 커패시터에 의해 필터링하여 평균 레벨을 설정합니다. 다음으로 양측의 차이가 증폭됩니다. 중간 상태의 증폭된 차이는 여전히 0.55V와 0.45V 사이에서 약간 변동합니다. 반면에 하나의 지배적인 CF가 있는 셀에서는 읽기 전류가 바이 레벨 사이에서 점프하는 것으로 확인됩니다. 검출기 회로를 통과할 때 출력은 고/저 전압 레벨로 푸시될 수 있습니다. 그림 8b와 같이 적절한 전이 전압과 XOR 논리 게이트를 사용하여 두 BG에 의해 서로 다른 논리 상태가 생성됩니다. 중간 상태 RTN을 나타내는 셀의 경우 출력 전압(V _밖 ) 고전압 상태(V)에서 래치가 됨 _H ) 저전압 상태(V _L ). V에서 출력 확률 간의 비율 _H (피 _H ) 대 V _L (피 _L ) LFN에 의해 ​​건강한/약한 세포로 처음 분류된 세포의 XOR 출력은 그림 8c에 요약되어 있습니다. 읽기 전류 레벨에서 여러 전류 레벨을 가진 셀의 경우 약한 셀이 감지 회로에 들어갈 때 XOR 출력의 더 많은 부분이 하이 상태로 유지됩니다. 반면에 단일 우세한 CF와 뚜렷한 저항 수준을 가진 건강한 세포는 XOR 출력을 저전압 상태로 둘 가능성이 더 큽니다.

아 BG 감지 회로 및 b의 개략도 그것의 전압 출력. ㄷ BG 방법의 건강한/약한 세포에 대한 출력 전압의 파이 차트. 전류를 읽는 약한 셀에서 높은 상태의 높은 부분은 여러 저항 레벨 사이를 빠르게 전환합니다.

슈미트 트리거(ST) 방법으로 명명된 취약한 세포를 선별하기 위해 여기에서 제안된 두 번째 회로는 그림 9a에 나와 있습니다. 상위/하위 트리거가 각각 0.65V/0.35V 및 0.55V/0.45V로 설계된 두 개의 슈미트 트리거는 중간 상태에서 읽기 전류의 확률을 찾는 대신 사용됩니다. 그림 9b와 같은 출력 전압은 읽기 전류가 중간 상태일 때 높아집니다. ST 방법에서 XOR 출력의 고/저 레벨 백분율이 그림 9c에 요약되어 있습니다. 감지 출력은 V에 머무를 가능성이 더 큽니다. _H 건강한 세포보다 약한 세포에.

아 ST 감지 회로 및 b의 개략도 그것의 전압 출력. ㄷ ST 방법의 정상/약한 세포에 대한 출력 전압의 원형 차트. 건강한 세포에서 더 많은 VL을 얻을 수 있으며, 이는 아마도 하나의 우세한 CF만 있을 것입니다.

약한 세포 식별에서 검출 성공률을 조사하기 위해 먼저 LFN 특성으로 분류된 두 셀 그룹에 대한 검출기 출력에서 ​​높은 상태의 비율을 그림 10a, b에서 비교합니다. BG 검출 회로의 경우 P _H /피 _L 2.3 이상의 비율. 이 기준을 사용하면 약한 세포의 70%를 성공적으로 잡아내고 30%의 위양성을 유도할 수 있습니다. ST 방식의 경우 선택 기준이 P로 설정된 경우 _H /피 _L ratio> 0.25인 경우, 적용률은 60%에 도달할 수 있는 반면 위양성은 최대 50%일 수 있습니다. 이것은 ST 방식이 덜 효과적인 스크린 방식을 만든다. 그림 10c에서와 같이 BG 방식에서 더 높은 커버리지 비율과 더 낮은 위양성 확률을 보여주고 있다.

a의 다양한 셀 유형에 대한 고/저 논리 상태 확률 비율의 누적 분포 BG 방식, b ST 방식. ㄷ 두 회로 방식 간의 커버리지 비율 및 위양성 비율 비교

BG 방식이 제공하는 높은 커버리지 비율로 인해 조기 개입 개시를 위한 내구성 실패 위험이 높은 취약한 셀을 탐지하는 데 사용됩니다. 다양한 유형의 회복 개입을 경험하는 세포의 순환 특성이 그림 11a에서 비교됩니다. 세포는 사이클링 테스트 중에 개입하지 않을 때 2k 사이클만 지속하는 것으로 밝혀졌습니다. 리셋 실패 후 리셋 복구 펄스를 인가하면 BCRRAM의 수명을 수천 사이클 연장할 수 있습니다. 그러나 대부분의 부활된 세포는 8k의 순환을 통과하지 못합니다. BG 방식의 조기 감지 회로를 통해 사이클링 실패 전에 어레이의 약한 셀을 감지할 수 있습니다. 약한 셀에 적용된 복구 펄스가 감지되면 대부분의 BCRRAM 셀의 내구성이 40k 주기 이상으로 크게 확장될 수 있습니다. 16 × 16 메모리 어레이의 15% 셀은 다른 방법에서 리셋 복구 처리가 필요함을 그림 11b에서 비교합니다. BG 검출 방법에서 10k 주기 전에 더 많은 세포를 회수해야 하지만 세포의 비율은 50k 주기 테스트 동안 비교적 안정적입니다. 그러나 리셋 실패 후 장치가 복원되는 비교 그룹에서는 사이클링 스트레스에 따라 복구 개입이 필요한 셀의 비율이 증가하므로 속도와 전력 모두에서 더 많은 작업 오버헤드가 발생합니다.

아 복구 리셋 처리 및 BG 회로 감지를 포함한 다양한 기술의 내구성 비교. ㄴ 주기 동안 회복 재설정 처리를 경험한 세포 수

검출 회로 및 리셋 복구 덕분에 BCRRAM의 사이클링 수명을 효과적으로 연장할 수 있습니다. BG 탐지 회로의 커버리지 비율이 70%에 도달하더라도 일부 취약 셀은 식별되지 않습니다. 결과적으로, 우리는 커버리지 비율을 개선하는 것이 BCRRAM 어레이의 전반적인 내구성을 더욱 향상시키는 경로 중 하나라고 믿습니다. 감지 회로의 설정은 위음성 비율을 낮추고 커버리지 비율을 높이기 위해 추가로 조정할 수 있습니다. 게다가 리셋 복구 리셋은 BCRRAM을 사이클링 기능으로 더 잘 되살리기 위해 최적화할 수 있습니다.