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

隨著半導(dǎo)體工藝的飛速發(fā)展，閃存與動態(tài)隨機存儲器(DRAM)等主流存儲技術(shù)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).這兩種主流存儲技術(shù)均采用電荷作為載體進行數(shù)據(jù)存儲，工藝線寬的縮小使得器件單元能夠存儲的電荷數(shù)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(fā)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(shù)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容等優(yōu)點，成為第一個實現(xiàn)量產(chǎn)的新型存儲技術(shù).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(chǎn)生的焦耳熱作用下在晶態(tài)與非晶態(tài)之間實現(xiàn)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?yōu)榉蔷B(tài)，單元電阻較高，存儲數(shù)據(jù)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(dá)到結(jié)晶溫度轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，單元電阻較低，存儲數(shù)據(jù)為“1”[1].

疲勞特性是存儲器可靠性的一個重要指標(biāo),現(xiàn)今的諸多最新技術(shù)如：人工識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shù)等[6-7].通過對相變材料摻雜、增加包覆層、改進器件結(jié)構(gòu)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(yōu)化操作參數(shù)、預(yù)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(guī)的疲勞特性測試是在RESET-SET次數(shù)比為1∶1的條件下進行的.然而，在實際應(yīng)用中，存儲單元會經(jīng)歷連續(xù)的RESET操作或者連續(xù)的SET操作.例如：在新型非易失內(nèi)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(shù)據(jù)訪問的最小單位是字節(jié)，對于同一個字節(jié)中的不同位(bit)，存在部分的位被連續(xù)寫“0”和寫“1”的情況，對應(yīng)在相變存儲單元上就是連續(xù)的RESET操作和連續(xù)的SET操作[11].這些不同的RESET-SET次數(shù)比會導(dǎo)致不同的失效情況和疲勞結(jié)果，這方面的研究報道較少.因此，研究相變存儲器在連續(xù)性RESET操作和連續(xù)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(fù)手段是必要的.最終，可以實現(xiàn)對相變存儲器操作參數(shù)和工作模式的進一步優(yōu)化，對相變存儲器的實際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐.

本文分別對相變存儲器連續(xù)性RESET操作和連續(xù)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(shù)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(guī)疲勞測試下的單元壽命進行了對比分析.最后，設(shè)計了8組不同的RESET-SET次數(shù)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(shù)比下的疲勞特性，對連續(xù)RESET操作下單元失效的不可逆和連續(xù)SET操作下單元失效的可修復(fù)進行了證明.

1 器件結(jié)構(gòu)及研究方案

1.1 器件結(jié)構(gòu)

采用課題組自主研發(fā)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(jié)構(gòu)如圖1(a)所示.場效應(yīng)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(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)

1.2 測試系統(tǒng)與測試方案

實驗數(shù)據(jù)的測試與采集采用自動化測試設(shè)備，設(shè)備型號為泰瑞達(dá)Magnum2自動測試機.通過測試機給相變存儲芯片的各個管腳發(fā)送對應(yīng)信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫、電學(xué)測試、邏輯功能測試等操作.該芯片內(nèi)部存儲單元的RESET與SET操作脈沖由芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電路產(chǎn)生，脈沖高度由設(shè)定的基準(zhǔn)電壓配置給出，脈沖寬度由給定的基準(zhǔn)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(huán)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(huán)操作過程中RESET與SET的操作次數(shù).在存儲器單元經(jīng)歷了一定次數(shù)的RESET-SET交替脈沖循環(huán)后，對單元進行RESET、SET和讀電阻操作，重復(fù)該過程直至單元失效時停止測試.通過調(diào)節(jié)n與m的值可以實現(xiàn)不同RESET-SET次數(shù)比下的疲勞測試，當(dāng)n=m=1時，即為常規(guī)疲勞測試方式.在進行阻值監(jiān)測時，為了避免對單元狀態(tài)產(chǎn)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(jié)果與分析

2.1 相變單元常規(guī)疲勞特性

本實驗選取一對固定的操作參數(shù)進行實驗，RESET操作和SET操作的電流參數(shù)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(shù)將相變單元成功操作至高低阻態(tài).相變單元在非晶態(tài)下阻值超過了1 MΩ，在晶態(tài)下阻值低于100 kΩ，兩種狀態(tài)下單元阻值相差一個量級.疲勞研究過程中，當(dāng)單元處于高阻態(tài)且阻值小于1 MΩ或者低阻態(tài)且阻值大于100 kΩ時，認(rèn)為單元失效.采用選定的操作參數(shù)進行常規(guī)疲勞測試，單元疲勞特性如圖5所示，其中C為循環(huán)次數(shù).在RESET-SET次數(shù)比例為1∶1的情況下，單元的壽命超過了108.

圖4 PCM在RESET態(tài)和SET態(tài)下的電阻分布

圖5 PCM常規(guī)疲勞特性測試結(jié)果

2.2 連續(xù)RESET與連續(xù)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(xù)RESET操作和連續(xù)SET操作, 在完成設(shè)定次數(shù)的連續(xù)性操作后，對所選樣本分別進行阻值分布測試.經(jīng)歷不同次數(shù)SET-only操作后的電阻分布對比如圖6所示.由圖6可知，當(dāng)SET-only次數(shù)低于105時，電阻分布與上文初始狀態(tài)下的阻值分布一致.然而，當(dāng)SET-only的次數(shù)達(dá)到106時，相變單元開始出現(xiàn)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(dāng)次數(shù)達(dá)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(dāng)SET-only次數(shù)達(dá)到108時，所有單元均已失效無法被操作到低阻態(tài).不同次數(shù)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(shù)持續(xù)增加到107，相變存儲單元性能依然完好，沒有出現(xiàn)單元失效的現(xiàn)象.但是當(dāng)RESET-only的次數(shù)增加到108，相變單元出現(xiàn)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(tài).在這個過程中，SET阻值分布左移的原因主要是因為連續(xù)的RESET操作導(dǎo)致非操作區(qū)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(jié)果說明：連續(xù)性RESET操作的循環(huán)次數(shù)上限為107，連續(xù)性SET操作的連續(xù)操作次數(shù)上限為105，連續(xù)操作次數(shù)超過相應(yīng)的上限會導(dǎo)致單元性能明顯衰退.操作次數(shù)固定的情況下，連續(xù)性SET操作比連續(xù)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(jīng)歷不同次數(shù)的連續(xù)SET操作后的阻值分布

圖7 PCM在經(jīng)歷不同次數(shù)的連續(xù)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(jié)果，其中RESET和SET操作采用的參數(shù)分別為1.0 mA/10 ns、0.4 mA/330 ns.由圖8可知，當(dāng)相變單元在只做RESET操作時，在循環(huán)次數(shù)達(dá)到108時，單元失效，單元無法被操作到高阻態(tài)，單元壽命與常規(guī)疲勞特性處于同一個量級.但是，當(dāng)相變單元只做SET操作時，相變單元在經(jīng)歷了3.5×106次連續(xù)SET操作后，單元停滯在高阻態(tài)，單元壽命在106量級，比常規(guī)疲勞測試下的單元壽命低了2個數(shù)量級.兩種工作模式下的疲勞結(jié)果說明連續(xù)的SET操作會降低相變存儲器芯片的疲勞特性，而連續(xù)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(fā)現(xiàn)，RESET-only下的失效與常規(guī)疲勞操作下的失效均屬于單元無法操作到高阻態(tài)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(tài)且壽命只在106量級.這表明RESET-only與常規(guī)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(dǎo)通電流，失效單元處于高阻態(tài)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(guī)疲勞測試中失效分析的結(jié)果表明，相變材料熔融狀態(tài)下元素的電遷移導(dǎo)致單元阻值滯留在低阻.Debunne等[15]的研究表明在結(jié)晶溫度下，相變材料會發(fā)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(jié)果表明，初始單元操作區(qū)中Ge、Sb、Te元素的比約為2∶2∶5；RESET-only失效單元操作區(qū)中Ge、Sb、Te元素的比約為5∶10∶14；SET-only失效單元操作區(qū)中Ge、Sb、Te元素的比約為5∶12∶21.因此，RESET-only導(dǎo)致的單元失效被認(rèn)為是由于相變材料在熔融狀態(tài)下受到電場作用，元素發(fā)生了定向的遷移；SET-only導(dǎo)致的單元失效被認(rèn)為是相變材料長期處于結(jié)晶溫度下，在電場與熱的作用下材料發(fā)生了組分偏析.RESET-only模式下單元被RESET操作的次數(shù)與常規(guī)模式下持平；SET-only模式下單元被SET操作的次數(shù)遠(yuǎn)小于常規(guī)模式下單元經(jīng)歷的SET次數(shù).該現(xiàn)象表明連續(xù)RESET操作導(dǎo)致的失效不可逆，無法通過施加SET操作獲得改善；而連續(xù)SET操作導(dǎo)致的單元失效通過施加RESET操作后能夠得以修復(fù).

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(shù)比下的疲勞特性變化

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

表1 循環(huán)操作過程中采用的RESET-SET次數(shù)比

采用8組單元進行疲勞特性測試，分別應(yīng)用8種不同的RESET-SET次數(shù)比，統(tǒng)計單元失效時累計的循環(huán)次數(shù).RESET-SET次數(shù)比從 10 000∶1到10∶1下的相變單元疲勞結(jié)果的箱型圖如圖10所示.從圖10中可以看出，隨著RESET-SET次數(shù)比從10∶1逐漸增加至 10 000∶1，對應(yīng)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(guī)疲勞測試模式下單元的壽命相近.在連續(xù)RESET操作占比多且沒有連續(xù)性SET操作的操作模式下，單元壽命與常規(guī)疲勞特性處于同一量級，且連續(xù)RESET操作次數(shù)的多少對單元的疲勞特性影響很小.測試結(jié)果證明：在連續(xù)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(dǎo)的工作模式下的單元失效不具備修復(fù)作用.

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

RESET-SET次數(shù)比從1∶10到1∶10 000 下的相變單元疲勞結(jié)果的箱型圖如圖11所示.不同于連續(xù)RESET占比多的情況，在連續(xù)SET占比多的情況下，次數(shù)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(shù)比為1∶10時，疲勞特性在108量級，與常規(guī)疲勞特性處于同一個量級.當(dāng)增加連續(xù)SET操作次數(shù)時，單元疲勞特性明顯下降，疲勞降低至107量級.RESET-SET次數(shù)比改變至1∶10 000 時，單元疲勞特性下降了接近0.5個數(shù)量級，但仍然高于SET-only模式下的單元壽命.實驗結(jié)果表明，在連續(xù)SET操作占比多的工作模式下，在一定次數(shù)的連續(xù)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(xù)的SET操作導(dǎo)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(fù)，但單元修復(fù)效果會隨著連續(xù)性SET操作次數(shù)的增加而明顯降低.每連續(xù)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(guī)疲勞特性達(dá)到同一數(shù)量級.

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

根據(jù)上述實驗結(jié)果，分別對連續(xù)RESET、連續(xù)SET模式下的單元壽命提升提出一種優(yōu)化方法.針對連續(xù)性RESET操作，應(yīng)用沿著縮小脈寬且同時增加脈高的方向優(yōu)化后的RESET參數(shù)可以提高連續(xù)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(tài)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(xù)性SET操作，根據(jù)實驗結(jié)果應(yīng)在相變單元被連續(xù)操作一定次數(shù)后，采用一個RESET脈沖作為修復(fù)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(yīng)用中可根據(jù)這兩種方法進行具體的針對性實現(xiàn).

3 結(jié)論

本文基于4Mbit式相變存儲器，對相變存儲器在連續(xù)性RESET操作和連續(xù)性SET操作下單元的疲勞特性進行了研究分析.結(jié)合相變單元初始阻值分布，分析了連續(xù)RESET和連續(xù)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(shù)比下的單元疲勞特性的變化情況，并結(jié)合常規(guī)疲勞特性討論了單元失效原因和修復(fù)方法.主要結(jié)論如下.

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

(2)連續(xù)性RESET操作對相變存儲器疲勞特性影響很??；連續(xù)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(guī)疲勞特性處于同一個量級；SET-only模式下，單元壽命比常規(guī)操作下單元壽命低了2個數(shù)量級.

(3)相變存儲器在連續(xù)性RESET操作下的失效原因是相變材料在熔融狀態(tài)下發(fā)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(xù)性SET操作下的失效原因是材料組分在結(jié)晶溫度下發(fā)生偏析，單元的失效可以通過間歇性施加RESET操作得以修復(fù).連續(xù)性SET操作的次數(shù)越多，RESET操作發(fā)揮的修復(fù)效果越差.每10次連續(xù)性SET操作進行一次RESET操作具有最好的修復(fù)效果，單元壽命與常規(guī)疲勞特性達(dá)到同一量級.