连续性RESET/SET对相变存储器疲劳特性的影响

吴 磊，蔡道林，陈一峰，刘源广，闫 帅 李 阳，余 力，谢 礼，宋志棠

(1.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所；信息功能材料国家重点实验室；纳米技术实验室，上海 200050；2.中国科学院大学，北京 100049)

随着半导体工艺的飞速发展，闪存与动态随机存储器(DRAM)等主流存储技术面临着严峻的挑战.这两种主流存储技术均采用电荷作为载体进行数据存储，工艺线宽的缩小使得器件单元能够存储的电荷数量大大降低，单元电荷泄露加剧，器件可靠性随之下降.面临市场越来越高的存储需求，亟待研发出一种可替代的存储器[1-2].目前，提出的有望取代闪存与 DRAM的存储技术包括：相变存储器(PCM)、阻变存储器、磁存储器等.在这些新的存储技术中，相变存储器凭借其高可靠性、快速的RESET/SET速度、可微缩性、与标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容等优点，成为第一个实现量产的新型存储技术.相变存储器的工作原理为，单元中的硫系相变材料在电流脉冲产生的焦耳热作用下在晶态与非晶态之间实现快速可逆相变[3].RESET操作：对单元施加一个高而窄的电流脉冲时，相变材料融化并快速冷却变为非晶态，单元电阻较高，存储数据为“0”；SET操作：对单元施加一个矮而宽的电流脉冲时，相变材料达到结晶温度转变为晶态，单元电阻较低，存储数据为“1”[1].

疲劳特性是存储器可靠性的一个重要指标,现今的诸多最新技术如：人工识别、神经网络计算等都对存储器的可靠性提出了更高的要求[4-5].相变存储器芯片的疲劳特性受到多种因素的制约，包括相变材料的性能、加热电极材料的性能、器件制造过程中的缺陷、芯片的操作参数等[6-7].通过对相变材料掺杂、增加包覆层、改进器件结构等手段可以提升相变存储器的疲劳特性[8-10]，也可以通过优化操作参数、预操作、给器件加反向脉冲等手段进行寿命的延长.相变存储器常规的疲劳特性测试是在RESET-SET次数比为1∶1的条件下进行的.然而，在实际应用中，存储单元会经历连续的RESET操作或者连续的SET操作.例如：在新型非易失内存的编程模型中，程序存储在相变存储器中运行，变量在修改时，由于数据访问的最小单位是字节，对于同一个字节中的不同位(bit)，存在部分的位被连续写“0”和写“1”的情况，对应在相变存储单元上就是连续的RESET操作和连续的SET操作[11].这些不同的RESET-SET次数比会导致不同的失效情况和疲劳结果，这方面的研究报道较少.因此，研究相变存储器在连续性RESET操作和连续性SET操作下的疲劳特性，探究相变单元在这个过程中的失效原因及修复手段是必要的.最终，可以实现对相变存储器操作参数和工作模式的进一步优化，对相变存储器的实际应用提供数据支撑.

本文分别对相变存储器连续性RESET操作和连续性SET操作给相变存储器疲劳特性带来的影响进行研究分析.首先，分别对一定次数的RESET-only和SET-only操作后的单元阻值分布进行了测试分析.然后，测试了相变单元在RESET-only和SET-only下的疲劳特性，与常规疲劳测试下的单元寿命进行了对比分析.最后，设计了8组不同的RESET-SET次数比进行疲劳特性测试，给出了相变存储器疲劳特性在不同RESET-SET次数比下的疲劳特性，对连续RESET操作下单元失效的不可逆和连续SET操作下单元失效的可修复进行了证明.

1 器件结构及研究方案

1.1 器件结构

采用课题组自主研发的4Mbit相变存储器芯片，该芯片是基于中芯国际(SMIC)的40 nm CMOS工艺平台制造的，以碳掺杂锗锑碲(C-GST)作为相变层材料，以场效晶体管(MOSFET)作为选通器件[12]，器件结构如图1(a)所示.场效应晶体管的栅极接芯片的字线(WL)，源端与相变材料层连接，漏端接地(GND).存储单元的位线(BL)由相变材料层的另一端引出.相变存储单元截面的透射电镜(TEM)图如图1(b)所示.相变存储单元的顶部和底部接触电极均采用钨W材料.加热电极采用原子层沉积(ALD)技术制备的氮化钛TiN材料，宽度为6 nm，高度约为66 nm.在加热电极上方，通过物理气相沉积(PVD)技术制造了100 nm厚的C-GST薄膜.在顶部接触电极和相变层之间制造了40 nm的TiN薄膜作为黏附层，以减少接触电阻.

图1 PCM单元结构

1.2 测试系统与测试方案

实验数据的测试与采集采用自动化测试设备，设备型号为泰瑞达Magnum2自动测试机.通过测试机给相变存储芯片的各个管脚发送对应信号，实现数据读写、电学测试、逻辑功能测试等操作.该芯片内部存储单元的RESET与SET操作脉冲由芯片内部的基准电路产生，脉冲高度由设定的基准电压配置给出，脉冲宽度由给定的基准时钟配置获得.操作脉冲的具体波形如图2所示.由图2可知，RESET脉冲是一个高而窄的单脉冲，而SET脉冲是1个阶梯脉冲，由1个固定的首脉冲和5个高度递减、宽度相同的脉冲组成.

图2 RESET和SET脉冲的波形图

相变存储器的疲劳测试一般分为两个步骤：循环操作和存储单元阻值R检测，具体的测试流程如图3所示.其中：n和m分别为循环操作过程中RESET与SET的操作次数.在存储器单元经历了一定次数的RESET-SET交替脉冲循环后，对单元进行RESET、SET和读电阻操作，重复该过程直至单元失效时停止测试.通过调节n与m的值可以实现不同RESET-SET次数比下的疲劳测试，当n=m=1时，即为常规疲劳测试方式.在进行阻值监测时，为了避免对单元状态产生影响，同时保证阻值读取的精确度，采用0.3 V电压量取单元阻值.

图3 PCM的疲劳特性测试中使用的电流脉冲序列

2 实验结果与分析

2.1 相变单元常规疲劳特性

本实验选取一对固定的操作参数进行实验，RESET操作和SET操作的电流参数分别为1.0 mA/10 ns、0.4 mA/330 ns.相变存储器在RESET操作和SET操作后的电阻分布对比如图4所示，其中P为单元阻值分布的累积概率.从图4中可以看出，采用的操作参数将相变单元成功操作至高低阻态.相变单元在非晶态下阻值超过了1 MΩ，在晶态下阻值低于100 kΩ，两种状态下单元阻值相差一个量级.疲劳研究过程中，当单元处于高阻态且阻值小于1 MΩ或者低阻态且阻值大于100 kΩ时，认为单元失效.采用选定的操作参数进行常规疲劳测试，单元疲劳特性如图5所示，其中C为循环次数.在RESET-SET次数比例为1∶1的情况下，单元的寿命超过了108.

图4 PCM在RESET态和SET态下的电阻分布

图5 PCM常规疲劳特性测试结果

2.2 连续RESET与连续SET对单元阻值分布的影响

选取2组样本，每组64个相变单元，分别对每组单元进行了101、102、103、104、105、106、107、108次连续RESET操作和连续SET操作, 在完成设定次数的连续性操作后，对所选样本分别进行阻值分布测试.经历不同次数SET-only操作后的电阻分布对比如图6所示.由图6可知，当SET-only次数低于105时，电阻分布与上文初始状态下的阻值分布一致.然而，当SET-only的次数达到106时，相变单元开始出现失效，5%的单元无法被SET操作成功，10%的单元被RESET操作后阻值低于1 MΩ；当次数达到107时，60%的单元无法被SET操作成功，35%的单元无法被RESET操作成功.最终，当SET-only次数达到108时，所有单元均已失效无法被操作到低阻态.不同次数RESET-only操作后的电阻分布对比如图7所示.由图7可知，即便RESET-only操作的次数持续增加到107，相变存储单元性能依然完好，没有出现单元失效的现象.但是当RESET-only的次数增加到108，相变单元出现了失效，40%的单元无法被RESET操作成功，5%的单元停留在中间态.在这个过程中，SET阻值分布左移的原因主要是因为连续的RESET操作导致非操作区的相变材料晶化程度增加、阻值降低，最终使得整个单元的阻值降低.实验结果说明：连续性RESET操作的循环次数上限为107，连续性SET操作的连续操作次数上限为105，连续操作次数超过相应的上限会导致单元性能明显衰退.操作次数固定的情况下，连续性SET操作比连续性RESET操作给单元性能带来更多的损害，影响单元的可靠性.

图6 PCM在经历不同次数的连续SET操作后的阻值分布

图7 PCM在经历不同次数的连续RESET操作后的阻值分布

2.3 RESET-only与SET-only模式下单元的疲劳特性

图8(a)和(b)分别给出了相变单元在RESET-only和SET-only操作模式下的单元疲劳特性结果，其中RESET和SET操作采用的参数分别为1.0 mA/10 ns、0.4 mA/330 ns.由图8可知，当相变单元在只做RESET操作时，在循环次数达到108时，单元失效，单元无法被操作到高阻态，单元寿命与常规疲劳特性处于同一个量级.但是，当相变单元只做SET操作时，相变单元在经历了3.5×106次连续SET操作后，单元停滞在高阻态，单元寿命在106量级，比常规疲劳测试下的单元寿命低了2个数量级.两种工作模式下的疲劳结果说明连续的SET操作会降低相变存储器芯片的疲劳特性，而连续的RESET操作对芯片的疲劳特性影响很小.

图8 PCM在RESET-only和SET-only模式下的疲劳特性对比

对比3种操作模式下单元的阻值变化情况可以发现，RESET-only下的失效与常规疲劳操作下的失效均属于单元无法操作到高阻态且寿命均在108量级，而SET-only下的失效却是单元停滞在高阻态且寿命只在106量级.这表明RESET-only与常规疲劳测试下的失效机制是一样的，而SET-only失效属于另一种失效机制.SET-only失效后单元的电流-电压(I-U)曲线如图9所示.由图9可知，单元仍然能导通电流，失效单元处于高阻态不是由于电极与材料之间空洞的形成.Nam等[13-14]对相变存储器常规疲劳测试中失效分析的结果表明，相变材料熔融状态下元素的电迁移导致单元阻值滞留在低阻.Debunne等[15]的研究表明在结晶温度下，相变材料会发生材料元素的偏析.失效单元和初始单元中材料的组分分析结果表明，初始单元操作区中Ge、Sb、Te元素的比约为2∶2∶5；RESET-only失效单元操作区中Ge、Sb、Te元素的比约为5∶10∶14；SET-only失效单元操作区中Ge、Sb、Te元素的比约为5∶12∶21.因此，RESET-only导致的单元失效被认为是由于相变材料在熔融状态下受到电场作用，元素发生了定向的迁移；SET-only导致的单元失效被认为是相变材料长期处于结晶温度下，在电场与热的作用下材料发生了组分偏析.RESET-only模式下单元被RESET操作的次数与常规模式下持平；SET-only模式下单元被SET操作的次数远小于常规模式下单元经历的SET次数.该现象表明连续RESET操作导致的失效不可逆，无法通过施加SET操作获得改善；而连续SET操作导致的单元失效通过施加RESET操作后能够得以修复.

图9 SET-only 模式下失效单元的I-U特性图

2.4 不同RESET-SET次数比下的疲劳特性变化

为验证SET操作对连续RESET操作下单元失效进程无改善作用和RESET操作对连续SET操作导致的单元失效具有的修复作用，设计了8种不同的RESET-SET次数比(n∶m)进行疲劳特性测试.疲劳实验的循环操作过程中采用的RESET-SET次数比如表1所示.由表1可知，前4行对应连续RESET操作后施加一次SET操作，后4行对应连续SET操作后施加一次RESET操作的情况.

表1 循环操作过程中采用的RESET-SET次数比

采用8组单元进行疲劳特性测试，分别应用8种不同的RESET-SET次数比，统计单元失效时累计的循环次数.RESET-SET次数比从 10 000∶1到10∶1下的相变单元疲劳结果的箱型图如图10所示.从图10中可以看出，随着RESET-SET次数比从10∶1逐渐增加至 10 000∶1，对应的疲劳特性处于同一量级，没有显著的差别，均在108量级左右，与RESET-only操作模式和常规疲劳测试模式下单元的寿命相近.在连续RESET操作占比多且没有连续性SET操作的操作模式下，单元寿命与常规疲劳特性处于同一量级，且连续RESET操作次数的多少对单元的疲劳特性影响很小.测试结果证明：在连续的RESET操作过程中，间隔加入一次SET操作对单元疲劳特性影响很小，SET操作对于RESET操作占主导的工作模式下的单元失效不具备修复作用.

图10 连续RESET操作模式下，不同RESET-SET次数比获得的PCM单元疲劳特性

RESET-SET次数比从1∶10到1∶10 000 下的相变单元疲劳结果的箱型图如图11所示.不同于连续RESET占比多的情况，在连续SET占比多的情况下，次数比从1∶10改变到1∶10 000 的过程中，单元疲劳特性有显著的下降.从图11中可以看出，RESET-SET次数比为1∶10时，疲劳特性在108量级，与常规疲劳特性处于同一个量级.当增加连续SET操作次数时，单元疲劳特性明显下降，疲劳降低至107量级.RESET-SET次数比改变至1∶10 000 时，单元疲劳特性下降了接近0.5个数量级，但仍然高于SET-only模式下的单元寿命.实验结果表明，在连续SET操作占比多的工作模式下，在一定次数的连续SET操作后，增加一次RESET操作可以提高单元在此种工作模式下的使用寿命.实验证明了连续的SET操作导致的相变材料的组分偏析过程可以由施加RESET操作得以修复，但单元修复效果会随着连续性SET操作次数的增加而明显降低.每连续10次SET操作进行一次RESET操作可以有效延长单元使用寿命，与常规疲劳特性达到同一数量级.

图11 连续SET模式下，采用不同RESET-SET次数比得到的PCM单元疲劳特性

根据上述实验结果，分别对连续RESET、连续SET模式下的单元寿命提升提出一种优化方法.针对连续性RESET操作，应用沿着缩小脉宽且同时增加脉高的方向优化后的RESET参数可以提高连续性RESET下的单元疲劳特性.这是由于高而窄的RESET脉宽具有高的加热效率和使得材料处于融化状态时间更短的特点，从而延缓了每次RESET过程中材料元素电迁移的过程[16].针对连续性SET操作，根据实验结果应在相变单元被连续操作一定次数后，采用一个RESET脉冲作为修复脉冲，对单元进行一次RESET操作从而破坏材料偏析的进程，使单元寿命获得增加.在实际应用中可根据这两种方法进行具体的针对性实现.

3 结论

本文基于4Mbit式相变存储器，对相变存储器在连续性RESET操作和连续性SET操作下单元的疲劳特性进行了研究分析.结合相变单元初始阻值分布，分析了连续RESET和连续SET操作对相变单元阻值分布的影响；测试分析了不同RESET-SET次数比下的单元疲劳特性的变化情况，并结合常规疲劳特性讨论了单元失效原因和修复方法.主要结论如下.

(1)连续性SET操作比连续性RESET操作给相变存储单元带来更多损害.连续性RESET操作的次数不超过107或连续性SET操作的次数不超过105时，相变存储器性能完好.

(2)连续性RESET操作对相变存储器疲劳特性影响很小；连续的SET操作会大幅缩减相变单元的使用寿命.RESET-only模式下，相变单元疲劳特性与常规疲劳特性处于同一个量级；SET-only模式下，单元寿命比常规操作下单元寿命低了2个数量级.

(3)相变存储器在连续性RESET操作下的失效原因是相变材料在熔融状态下发生了元素迁移，单元的失效无法通过施加间歇性SET操作得到缓解；在连续性SET操作下的失效原因是材料组分在结晶温度下发生偏析，单元的失效可以通过间歇性施加RESET操作得以修复.连续性SET操作的次数越多，RESET操作发挥的修复效果越差.每10次连续性SET操作进行一次RESET操作具有最好的修复效果，单元寿命与常规疲劳特性达到同一量级.