Characterization of read disturb in phase change memory

The thesis describes the general characteristics of PCM memories, in terms of properties, architectures and physical phenomena involved. This type of memory is an emerging technology that combines the unique properties of phase change materials with the ease with which they store information. The focus is on the reading operation, with the main goal of identifying a possible disturb called "Read Disturb". It is defined as a failure related to a local irreversible phase change of the cells that can compromise the retention capabilities of PCM in the high-resistive state. The measures to conduct the disturb characterization have been performed at STMicroelectronics in Agrate. The company has not formerly explored this branch before the present thesis, which acts as a pioneer work to open up new validation procedures for future devices, to control their read disturb robustness. To understand and predict the disturb criticality at different temperatures, the time to failure model based on the Arrhenius equation has been developed. The characterization describes the phenomenon as demanding for automotive specifications at higher temperatures, in particular for cells classified as weak that represent the tail of distribution, which are more vulnerable to the disturb.

La tesi descrive le caratteristiche generali delle memorie PCM, in termini di proprietà, architetture e fenomeni fisici coinvolti. Questo tipo di memoria è una tecnologia emergente che combina le proprietà uniche dei materiali a cambiamento di fase con la loro semplicità nel memorizzare informazioni. Il presente lavoro si concentra principalmente sull'operazione di lettura, con l'obiettivo principale di identificare un possibile disturbo chiamato "Read Disturb". Questo è definito come un fallimento legato ad un cambiamento di fase irreversibile delle celle che può compromettere le capacità di ritenzione della PCM posta nello stato alto resistivo. Le misure per effettuare la caratterizzazione del disturbo sono state condotte in STMicroelectronics ad Agrate. L'azienda non aveva mai esplorato questo ramo prima dello sviluppo della presente tesi, che agisce da lavoro pioniere nell'aprire procedure di validazione per dispositivi futuri, per controllare la loro robustezza nei confronti del read disturb. Con l'intento di capire e predire la criticità del disturbo a diverse temperature, è stato sviluppato il modello del tempo al fallimento basato sull'equazione di Arrhenius. La caratterizzazione inquadra il fenomeno come critico per le specifiche di automotive ad alte temperature, in particolare per celle classificate come deboli che rappresentano la coda della distribuzione, più vulnerabili al disturbo stesso.