連續性RESET/SET對相變存儲器疲勞特性的影響

吳 磊，蔡道林，陳一峰，劉源廣，閆 帥 李 陽，余 力，謝 禮，宋志棠

(1.中國科學院 上海微系統與信息技術研究所；信息功能材料國家重點實驗室；納米技術實驗室，上海 200050；2.中國科學院大學，北京 100049)

隨著半導體工藝的飛速發展，閃存與動態隨機存儲器(DRAM)等主流存儲技術面臨著嚴峻的挑戰.這兩種主流存儲技術均采用電荷作為載體進行數據存儲，工藝線寬的縮小使得器件單元能夠存儲的電荷數量大大降低，單元電荷泄露加劇，器件可靠性隨之下降.面臨市場越來越高的存儲需求，亟待研發出一種可替代的存儲器[1-2].目前，提出的有望取代閃存與 DRAM的存儲技術包括：相變存儲器(PCM)、阻變存儲器、磁存儲器等.在這些新的存儲技術中，相變存儲器憑借其高可靠性、快速的RESET/SET速度、可微縮性、與標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝兼容等優點，成為第一個實現量產的新型存儲技術.相變存儲器的工作原理為，單元中的硫系相變材料在電流脈沖產生的焦耳熱作用下在晶態與非晶態之間實現快速可逆相變[3].RESET操作：對單元施加一個高而窄的電流脈沖時，相變材料融化并快速冷卻變為非晶態，單元電阻較高，存儲數據為“0”；SET操作：對單元施加一個矮而寬的電流脈沖時，相變材料達到結晶溫度轉變為晶態，單元電阻較低，存儲數據為“1”[1].

疲勞特性是存儲器可靠性的一個重要指標,現今的諸多最新技術如：人工識別、神經網絡計算等都對存儲器的可靠性提出了更高的要求[4-5].相變存儲器芯片的疲勞特性受到多種因素的制約，包括相變材料的性能、加熱電極材料的性能、器件制造過程中的缺陷、芯片的操作參數等[6-7].通過對相變材料摻雜、增加包覆層、改進器件結構等手段可以提升相變存儲器的疲勞特性[8-10]，也可以通過優化操作參數、預操作、給器件加反向脈沖等手段進行壽命的延長.相變存儲器常規的疲勞特性測試是在RESET-SET次數比為1∶1的條件下進行的.然而，在實際應用中，存儲單元會經歷連續的RESET操作或者連續的SET操作.例如：在新型非易失內存的編程模型中，程序存儲在相變存儲器中運行，變量在修改時，由于數據訪問的最小單位是字節，對于同一個字節中的不同位(bit)，存在部分的位被連續寫“0”和寫“1”的情況，對應在相變存儲單元上就是連續的RESET操作和連續的SET操作[11].這些不同的RESET-SET次數比會導致不同的失效情況和疲勞結果，這方面的研究報道較少.因此，研究相變存儲器在連續性RESET操作和連續性SET操作下的疲勞特性，探究相變單元在這個過程中的失效原因及修復手段是必要的.最終，可以實現對相變存儲器操作參數和工作模式的進一步優化，對相變存儲器的實際應用提供數據支撐.

本文分別對相變存儲器連續性RESET操作和連續性SET操作給相變存儲器疲勞特性帶來的影響進行研究分析.首先，分別對一定次數的RESET-only和SET-only操作后的單元阻值分布進行了測試分析.然后，測試了相變單元在RESET-only和SET-only下的疲勞特性，與常規疲勞測試下的單元壽命進行了對比分析.最后，設計了8組不同的RESET-SET次數比進行疲勞特性測試，給出了相變存儲器疲勞特性在不同RESET-SET次數比下的疲勞特性，對連續RESET操作下單元失效的不可逆和連續SET操作下單元失效的可修復進行了證明.

1 器件結構及研究方案

1.1 器件結構

采用課題組自主研發的4Mbit相變存儲器芯片，該芯片是基于中芯國際(SMIC)的40 nm CMOS工藝平臺制造的，以碳摻雜鍺銻碲(C-GST)作為相變層材料，以場效晶體管(MOSFET)作為選通器件[12]，器件結構如圖1(a)所示.場效應晶體管的柵極接芯片的字線(WL)，源端與相變材料層連接，漏端接地(GND).存儲單元的位線(BL)由相變材料層的另一端引出.相變存儲單元截面的透射電鏡(TEM)圖如圖1(b)所示.相變存儲單元的頂部和底部接觸電極均采用鎢W材料.加熱電極采用原子層沉積(ALD)技術制備的氮化鈦TiN材料，寬度為6 nm，高度約為66 nm.在加熱電極上方，通過物理氣相沉積(PVD)技術制造了100 nm厚的C-GST薄膜.在頂部接觸電極和相變層之間制造了40 nm的TiN薄膜作為黏附層，以減少接觸電阻.

圖1 PCM單元結構

1.2 測試系統與測試方案

實驗數據的測試與采集采用自動化測試設備，設備型號為泰瑞達Magnum2自動測試機.通過測試機給相變存儲芯片的各個管腳發送對應信號，實現數據讀寫、電學測試、邏輯功能測試等操作.該芯片內部存儲單元的RESET與SET操作脈沖由芯片內部的基準電路產生，脈沖高度由設定的基準電壓配置給出，脈沖寬度由給定的基準時鐘配置獲得.操作脈沖的具體波形如圖2所示.由圖2可知，RESET脈沖是一個高而窄的單脈沖，而SET脈沖是1個階梯脈沖，由1個固定的首脈沖和5個高度遞減、寬度相同的脈沖組成.

圖2 RESET和SET脈沖的波形圖

相變存儲器的疲勞測試一般分為兩個步驟：循環操作和存儲單元阻值R檢測，具體的測試流程如圖3所示.其中：n和m分別為循環操作過程中RESET與SET的操作次數.在存儲器單元經歷了一定次數的RESET-SET交替脈沖循環后，對單元進行RESET、SET和讀電阻操作，重復該過程直至單元失效時停止測試.通過調節n與m的值可以實現不同RESET-SET次數比下的疲勞測試，當n=m=1時，即為常規疲勞測試方式.在進行阻值監測時，為了避免對單元狀態產生影響，同時保證阻值讀取的精確度，采用0.3 V電壓量取單元阻值.

圖3 PCM的疲勞特性測試中使用的電流脈沖序列

2 實驗結果與分析

2.1 相變單元常規疲勞特性

本實驗選取一對固定的操作參數進行實驗，RESET操作和SET操作的電流參數分別為1.0 mA/10 ns、0.4 mA/330 ns.相變存儲器在RESET操作和SET操作后的電阻分布對比如圖4所示，其中P為單元阻值分布的累積概率.從圖4中可以看出，采用的操作參數將相變單元成功操作至高低阻態.相變單元在非晶態下阻值超過了1 MΩ，在晶態下阻值低于100 kΩ，兩種狀態下單元阻值相差一個量級.疲勞研究過程中，當單元處于高阻態且阻值小于1 MΩ或者低阻態且阻值大于100 kΩ時，認為單元失效.采用選定的操作參數進行常規疲勞測試，單元疲勞特性如圖5所示，其中C為循環次數.在RESET-SET次數比例為1∶1的情況下，單元的壽命超過了108.

圖4 PCM在RESET態和SET態下的電阻分布

圖5 PCM常規疲勞特性測試結果

2.2 連續RESET與連續SET對單元阻值分布的影響

選取2組樣本，每組64個相變單元，分別對每組單元進行了101、102、103、104、105、106、107、108次連續RESET操作和連續SET操作, 在完成設定次數的連續性操作后，對所選樣本分別進行阻值分布測試.經歷不同次數SET-only操作后的電阻分布對比如圖6所示.由圖6可知，當SET-only次數低于105時，電阻分布與上文初始狀態下的阻值分布一致.然而，當SET-only的次數達到106時，相變單元開始出現失效，5%的單元無法被SET操作成功，10%的單元被RESET操作后阻值低于1 MΩ；當次數達到107時，60%的單元無法被SET操作成功，35%的單元無法被RESET操作成功.最終，當SET-only次數達到108時，所有單元均已失效無法被操作到低阻態.不同次數RESET-only操作后的電阻分布對比如圖7所示.由圖7可知，即便RESET-only操作的次數持續增加到107，相變存儲單元性能依然完好，沒有出現單元失效的現象.但是當RESET-only的次數增加到108，相變單元出現了失效，40%的單元無法被RESET操作成功，5%的單元停留在中間態.在這個過程中，SET阻值分布左移的原因主要是因為連續的RESET操作導致非操作區的相變材料晶化程度增加、阻值降低，最終使得整個單元的阻值降低.實驗結果說明：連續性RESET操作的循環次數上限為107，連續性SET操作的連續操作次數上限為105，連續操作次數超過相應的上限會導致單元性能明顯衰退.操作次數固定的情況下，連續性SET操作比連續性RESET操作給單元性能帶來更多的損害，影響單元的可靠性.

圖6 PCM在經歷不同次數的連續SET操作后的阻值分布

圖7 PCM在經歷不同次數的連續RESET操作后的阻值分布

2.3 RESET-only與SET-only模式下單元的疲勞特性

圖8(a)和(b)分別給出了相變單元在RESET-only和SET-only操作模式下的單元疲勞特性結果，其中RESET和SET操作采用的參數分別為1.0 mA/10 ns、0.4 mA/330 ns.由圖8可知，當相變單元在只做RESET操作時，在循環次數達到108時，單元失效，單元無法被操作到高阻態，單元壽命與常規疲勞特性處于同一個量級.但是，當相變單元只做SET操作時，相變單元在經歷了3.5×106次連續SET操作后，單元停滯在高阻態，單元壽命在106量級，比常規疲勞測試下的單元壽命低了2個數量級.兩種工作模式下的疲勞結果說明連續的SET操作會降低相變存儲器芯片的疲勞特性，而連續的RESET操作對芯片的疲勞特性影響很小.

圖8 PCM在RESET-only和SET-only模式下的疲勞特性對比

對比3種操作模式下單元的阻值變化情況可以發現，RESET-only下的失效與常規疲勞操作下的失效均屬于單元無法操作到高阻態且壽命均在108量級，而SET-only下的失效卻是單元停滯在高阻態且壽命只在106量級.這表明RESET-only與常規疲勞測試下的失效機制是一樣的，而SET-only失效屬于另一種失效機制.SET-only失效后單元的電流-電壓(I-U)曲線如圖9所示.由圖9可知，單元仍然能導通電流，失效單元處于高阻態不是由于電極與材料之間空洞的形成.Nam等[13-14]對相變存儲器常規疲勞測試中失效分析的結果表明，相變材料熔融狀態下元素的電遷移導致單元阻值滯留在低阻.Debunne等[15]的研究表明在結晶溫度下，相變材料會發生材料元素的偏析.失效單元和初始單元中材料的組分分析結果表明，初始單元操作區中Ge、Sb、Te元素的比約為2∶2∶5；RESET-only失效單元操作區中Ge、Sb、Te元素的比約為5∶10∶14；SET-only失效單元操作區中Ge、Sb、Te元素的比約為5∶12∶21.因此，RESET-only導致的單元失效被認為是由于相變材料在熔融狀態下受到電場作用，元素發生了定向的遷移；SET-only導致的單元失效被認為是相變材料長期處于結晶溫度下，在電場與熱的作用下材料發生了組分偏析.RESET-only模式下單元被RESET操作的次數與常規模式下持平；SET-only模式下單元被SET操作的次數遠小于常規模式下單元經歷的SET次數.該現象表明連續RESET操作導致的失效不可逆，無法通過施加SET操作獲得改善；而連續SET操作導致的單元失效通過施加RESET操作后能夠得以修復.

圖9 SET-only 模式下失效單元的I-U特性圖

2.4 不同RESET-SET次數比下的疲勞特性變化

為驗證SET操作對連續RESET操作下單元失效進程無改善作用和RESET操作對連續SET操作導致的單元失效具有的修復作用，設計了8種不同的RESET-SET次數比(n∶m)進行疲勞特性測試.疲勞實驗的循環操作過程中采用的RESET-SET次數比如表1所示.由表1可知，前4行對應連續RESET操作后施加一次SET操作，后4行對應連續SET操作后施加一次RESET操作的情況.

表1 循環操作過程中采用的RESET-SET次數比

采用8組單元進行疲勞特性測試，分別應用8種不同的RESET-SET次數比，統計單元失效時累計的循環次數.RESET-SET次數比從 10 000∶1到10∶1下的相變單元疲勞結果的箱型圖如圖10所示.從圖10中可以看出，隨著RESET-SET次數比從10∶1逐漸增加至 10 000∶1，對應的疲勞特性處于同一量級，沒有顯著的差別，均在108量級左右，與RESET-only操作模式和常規疲勞測試模式下單元的壽命相近.在連續RESET操作占比多且沒有連續性SET操作的操作模式下，單元壽命與常規疲勞特性處于同一量級，且連續RESET操作次數的多少對單元的疲勞特性影響很小.測試結果證明：在連續的RESET操作過程中，間隔加入一次SET操作對單元疲勞特性影響很小，SET操作對于RESET操作占主導的工作模式下的單元失效不具備修復作用.

圖10 連續RESET操作模式下，不同RESET-SET次數比獲得的PCM單元疲勞特性

RESET-SET次數比從1∶10到1∶10 000 下的相變單元疲勞結果的箱型圖如圖11所示.不同于連續RESET占比多的情況，在連續SET占比多的情況下，次數比從1∶10改變到1∶10 000 的過程中，單元疲勞特性有顯著的下降.從圖11中可以看出，RESET-SET次數比為1∶10時，疲勞特性在108量級，與常規疲勞特性處于同一個量級.當增加連續SET操作次數時，單元疲勞特性明顯下降，疲勞降低至107量級.RESET-SET次數比改變至1∶10 000 時，單元疲勞特性下降了接近0.5個數量級，但仍然高于SET-only模式下的單元壽命.實驗結果表明，在連續SET操作占比多的工作模式下，在一定次數的連續SET操作后，增加一次RESET操作可以提高單元在此種工作模式下的使用壽命.實驗證明了連續的SET操作導致的相變材料的組分偏析過程可以由施加RESET操作得以修復，但單元修復效果會隨著連續性SET操作次數的增加而明顯降低.每連續10次SET操作進行一次RESET操作可以有效延長單元使用壽命，與常規疲勞特性達到同一數量級.

圖11 連續SET模式下，采用不同RESET-SET次數比得到的PCM單元疲勞特性

根據上述實驗結果，分別對連續RESET、連續SET模式下的單元壽命提升提出一種優化方法.針對連續性RESET操作，應用沿著縮小脈寬且同時增加脈高的方向優化后的RESET參數可以提高連續性RESET下的單元疲勞特性.這是由于高而窄的RESET脈寬具有高的加熱效率和使得材料處于融化狀態時間更短的特點，從而延緩了每次RESET過程中材料元素電遷移的過程[16].針對連續性SET操作，根據實驗結果應在相變單元被連續操作一定次數后，采用一個RESET脈沖作為修復脈沖，對單元進行一次RESET操作從而破壞材料偏析的進程，使單元壽命獲得增加.在實際應用中可根據這兩種方法進行具體的針對性實現.

3 結論

本文基于4Mbit式相變存儲器，對相變存儲器在連續性RESET操作和連續性SET操作下單元的疲勞特性進行了研究分析.結合相變單元初始阻值分布，分析了連續RESET和連續SET操作對相變單元阻值分布的影響；測試分析了不同RESET-SET次數比下的單元疲勞特性的變化情況，并結合常規疲勞特性討論了單元失效原因和修復方法.主要結論如下.

(1)連續性SET操作比連續性RESET操作給相變存儲單元帶來更多損害.連續性RESET操作的次數不超過107或連續性SET操作的次數不超過105時，相變存儲器性能完好.

(2)連續性RESET操作對相變存儲器疲勞特性影響很小；連續的SET操作會大幅縮減相變單元的使用壽命.RESET-only模式下，相變單元疲勞特性與常規疲勞特性處于同一個量級；SET-only模式下，單元壽命比常規操作下單元壽命低了2個數量級.

(3)相變存儲器在連續性RESET操作下的失效原因是相變材料在熔融狀態下發生了元素遷移，單元的失效無法通過施加間歇性SET操作得到緩解；在連續性SET操作下的失效原因是材料組分在結晶溫度下發生偏析，單元的失效可以通過間歇性施加RESET操作得以修復.連續性SET操作的次數越多，RESET操作發揮的修復效果越差.每10次連續性SET操作進行一次RESET操作具有最好的修復效果，單元壽命與常規疲勞特性達到同一量級.