Mitigación de ruido telegráfico aleatorio en RRAM basada en FinFET mediante análisis de estrés y recocido en chip

Resumen

Se reporta una investigación sistemática del ruido telegráfico aleatorio (RTN) observado en corriente de lectura de una celda RRAM dieléctrica basada en FinFET (FIND RRAM). Tras ciclos repetidos de estrés, la amplitud y frecuencia RTN aumentan marcadamente, comprometiendo integridad de datos. Nuestras medidas muestran que recocido a alta temperatura suprime estos picos de ruido, permitiendo estrategia práctica de recocido en chip que restaura rendimiento del dispositivo.

Introducción

El escalado implacable de CMOS ha entregado ganancias impresionantes en velocidad y densidad, pero también magnifica variabilidad de átomo único como fluctuaciones aleatorias de dopantes (RDF) y rugosidad de borde de línea (LER). En nodos sub-20 nm, estas variaciones se manifiestan como comportamiento impredecible, notablemente ruido telegráfico aleatorio (RTN) en dispositivos ultra-escalados como NAND flash y RAM resistiva. En este trabajo, nos enfocamos en una celda FIND RRAM basada en FinFET n-canal integrada exitosamente en arrays 1 kbit. Cuantificamos cómo estrés por ciclos y temperatura influyen en RTN y demostramos que un recocido dirigido puede mitigar la inestabilidad resultante de corriente de lectura.

Antecedentes y Métodos

Un dispositivo FIND RRAM comprende dos transistores FinFET: selector línea-palabra (WL) y nodo almacenamiento formado por dieléctrico high-k entre fuente y drenaje del segundo transistor (Fig. 1a). Pila compuerta consiste en HfO₂/SiO₂/TiN, con electrodo superior tungsteno e inferior TaN. Durante lectura, WL y línea-sustrato (SL) se sesgan a 0.8 V para impulsar corriente lectura suficiente (Fig. 1b). La celda conmuta entre estado alta resistencia (HRS) y baja resistencia (LRS) vía pulsos set/reset. Barridos DC confirman conmutación resistiva estable, mientras escalado ancho pulso requerido para lograr corrientes lectura objetivo ≥3 µA (LRS) y ≤1 µA (HRS) (Fig. 3a). RTN se manifiesta como escalones discretos corriente en ambos estados (Fig. 3b), atribuido a atrapamiento/desatrapeo carga a lo largo camino conducción. Ciclos repetidos inducen estrés en dieléctrico óxido metal transición (TMO), aumentando probabilidad eventos RTN. Monitoreamos corrientes lectura antes ciclos, tras 10× ciclos y tras 100× ciclos para capturar evolución estrés. Efectos temperatura se probaron enfriando a 0 °C, calentando a 50 °C, y muestreando corrientes lectura continuamente 20 s a 500 Hz. Este protocolo revela cómo dinámica trampas cambia con temperatura.

Resultados y Discusión

RTN es más pronunciado en LRS, convirtiéndose foco nuestro análisis. En array 1 kbit tras 10 ciclos, RTN impulsa fluctuaciones medibles corriente lectura hasta ±5% (Fig. 4a). Mapa corriente normalizado (Fig. 4b) confirma estas desviaciones correlacionan espacialmente con celdas estresadas. En 50 celdas muestreadas, 90% exhiben ΔI/I aumentado tras ciclos, evidenciando degradación acumulativa estabilidad lectura (Fig. 5a). Celdas frescas muestran distribución corriente pico único (Fig. 5b), mientras celdas estresadas muestran distribuciones bimodales o multimodales, indicativas de estados corriente inducidos por trampas. Dependencia temperatura sigue cinética trampas establecida: tiempos captura y emisión disminuyen con temperatura creciente, aumentando frecuencia RTN. Al subir temperatura 0 °C a 25 °C, fluctuaciones más frecuentes (Fig. 6). A 50 °C, sin embargo, firma dos-estados disminuye, sugiriendo recocido térmicamente activado de trampas que reduce amplitud RTN (Fig. 7a). Distribuciones acumulativas ΔI/I antes estrés, tras estrés, y post-recocido revelan gran fracción celdas recuperan niveles ruido cercanos originales tras horneado alta temperatura (Fig. 7b). Calentamiento adicional a 75 °C seguido enfriamiento 30 min también restaura rendimiento celda, como Fig. 8. Horneado alta temperatura efectivamente restablece filamento conductor redistribuyendo vacancias oxígeno, mitigando RTN y previniendo estancamiento estado medio. Traducimos este recocido bulk a enfoque en-chip: corriente polarización directa 1.5 mA aplicada 10 s calienta localmente región TMO (Fig. 11a). Medidas post-recocido muestran reducción dramática RTN, con curvas probabilidad acumulativa alineándose cercanamente con comportamiento estado fresco (Fig. 11b). Este método recocido en-chip ofrece vía escalable extender vida FIND RRAM sin ciclos térmicos off-chip.

Conclusión

Nuestro estudio confirma que estrés por ciclos amplifica RTN en arrays FIND RRAM, degradando estabilidad corriente lectura. Recocido alta temperatura —ya sea bulk o localizado en-chip— neutraliza efectivamente trampas subyacentes, restaurando rendimiento a niveles cerca estado fresco. Este enfoque ofrece vía viable prolongar vida operativa memorias resistivas basadas FinFET en tecnologías CMOS escaladas.

Abreviaturas

FIND RRAM

Memoria de acceso aleatorio resistiva dieléctrica transistor efecto campo aleta

HRS

Estado alta resistencia

LER

Rugosidad borde línea

LRS

Estado baja resistencia

RTN

Ruido telegráfico aleatorio

TMO

Óxido metal transición