Atomic Layer-Deposited HfAlOx-Based RRAM met lage bedrijfsspanning voor computertoepassingen in het geheugen

Abstract

Nu de wet van Moore zijn fysieke limiet nadert, staat de traditionele Von Neumann-architectuur voor een uitdaging. Verwacht wordt dat het in-memory architectuurgebaseerde resistive random access memory (RRAM) een potentiële kandidaat zou kunnen zijn om het von Neumann-knelpuntprobleem van traditionele computers te overwinnen [Backus, J, Can programming be libered from the von Neumann style?, 1977]. In dit werk werd HfAlOx-gebaseerd RRAM dat compatibel is met CMOS-technologie gefabriceerd door een atomic layer deposition (ALD)-proces. Metaal Ag en TaN worden geselecteerd als topelektroden (TE). Experimenten tonen aan dat het Ag/HfAlOx/Pt-apparaat voordelen heeft aangetoond als geheugencomputer vanwege de lage ingestelde spanning (0,33~0,6 V), wat een laag stroomverbruik en een goede uniformiteit betekent. Op basis van een Ag/HfAlOx/Pt-structuur werd IMP-logica op hoge snelheid geïmplementeerd door een hoogfrequente laagspanningspuls van 100 ns toe te passen (0,3 V en 0,6 V). Na twee stappen van IMP-implementatie kan ook NAND worden verkregen.

Achtergrond

Voor de grenzen tussen opslag en computergebruik hebben onderzoekers een reeks onderzoeksprogramma's voorgesteld:geheugen met hoge bandbreedte, computers met bijna geheugen en neurale compressienetwerken. Deze methoden kunnen de tijd die nodig is om toegang te krijgen tot het geheugen verkorten, maar ze konden dit probleem niet fundamenteel oplossen. Om dit probleem fundamenteel op te lossen, heeft het concept van computing in-memory wereldwijd aandacht gekregen. Het is vermeldenswaard dat een resistief RRAM-apparaat (Random Access Memory) wijdverbreide aandacht heeft getrokken als een concurrerende kandidaat voor het niet-von Neumann-computerapparaat vanwege zijn vermogen tot in-memory computing [1,2,3,4,5, 6]. In-memory-computers werken als computer- en opslageenheden in hetzelfde circuit [7]. Het werd voor het eerst voorgesteld in 1971 door Chua [8]. Bijna 40 jaar later werd in 2010 voor het eerst een op RRAM gebaseerde logische operatie voorgesteld [9]. Sindsdien is het op RRAM gebaseerde computergeheugen in het geheugen uitgebreid bestudeerd en zijn er veel implementatiemethoden voorgesteld [10,11,12,13,14]. Maar als een computer in-memory-apparaat, is de meest cruciale functie stabiliteit en een laag energieverbruik. Er zijn nog veel problemen op dit gebied die moeten worden onderzocht. In deze brief zijn twee soorten RRAM-apparaten geconstrueerd en zijn de elektrische eigenschappen getest. Bij het implementeren van logische bewerkingen zijn stabiele set- en resetspanningen en goede uniformiteit tussen apparaten zeer belangrijke indicatoren.

Tot dusverre heeft een grote verscheidenheid aan materialen RRAM-gedrag laten zien, maar slechts enkele waren compatibel met het CMOS-proces. De binaire HfAlOx-film met hoge k-oxiden werd afgezet met behulp van atomaire laagafzetting (ALD). ALD is zeer geschikt voor het afzetten van oxidefilms en overlagen voor verschillende apparaten en toepassingen [15] omdat het gebaseerd is op oppervlakteverzadiging en een nauwkeurige dosering van de precursor niet nodig is. HfAlOx zou goed compatibel kunnen zijn met het traditionele CMOS-proces en worden gebruikt als de diëlektrische laag van in-memory computerapparatuur. De Ag/HfAlOx/Pt RRAM-apparaten werden gebruikt om stateful logische bewerkingen te implementeren. De IMP-logica werd door Whitehead en Russell in 1910 beschouwd als een van de vier fundamentele logische bewerkingen (OR, AND, NOT en IMP). Bovendien kan de NAND-logica worden verkregen door twee stappen van IMP-logica. De NAND-logica staat bekend als de universele logica, wat betekent dat elke Booleaanse logica kan worden geconstrueerd via de NAND-logica. Dit CMOS-compatibele, snelle en lage bedrijfsspanning in-memory computerapparaat toont een effectieve manier om de traditionele problemen met de von Neumann-structuur in de toekomst op te lossen.

Methoden

In dit werk werden respectievelijk Ag/HfAlOx/Pt- en TaN/HfAlOx/Pt-apparaten gefabriceerd. Het schema wordt getoond in Fig. 1a. Eerst werd een Pt-bodemelektrode met een dunne film van 70 nm afgezet door middel van fysieke dampafzetting (PVD) op het gereinigde SiO₂ /Si-substraat. Vervolgens werd een binaire HfAlOx-film met hoge k-oxide met een dikte van 16 nm afgezet met behulp van ALD afgeleid van tetrakisethylmethylaminohafnium (TEMAH), trimethylaluminium (TMA) en H₂ O-precursoren bij 240 °C. Ten slotte werd 50 nm Ag- of TaN-topelektrodefilm vervaardigd door fotolithografie en vervaardigd door PVD. Met bias op de bovenste elektrode en aarde op de onderste elektrode, werden gelijkstroommetingen van de apparaten uitgevoerd door een Agilent B1500A-halfgeleider bij kamertemperatuur. Daarnaast werden logische metingen uitgevoerd met behulp van een Agilent B1500A halfgeleiderapparaatparameteranalysator en twee halfgeleiderpulsgeneratoreenheden (SPGU).

een Het schema van Ag/HfAlOx/Pt- en TaN/HfAlOx/Pt-apparaten. b XPS-spectra van de 16-nm HfAlO

Resultaat en discussie

Geheugen en processor zijn gescheiden in een traditionele Von Neumann computerarchitectuur [17]. De overdrachtstijd van gegevens die in het geheugen zijn opgeslagen en op de rekeneenheid worden berekend, beperkt de prestaties van de computer aanzienlijk. Het is mogelijk om de beperking te doorbreken door gegevens rechtstreeks in het geheugen te gebruiken. Het onderzoek naar computergebruik in het geheugen heeft het potentieel om deze limiet te doorbreken.

Om de logische functies te demonstreren, werd RRAM voorbereid met Ag/HfAlOx/Pt en TaN/HfAlOx/Pt. Het schema wordt getoond in Fig. 1a; twee kleine apparaten vormen samen met één groot apparaat een minimale RRAM logische IMP logische eenheid. Verschillende logica kan worden geïmplementeerd door meerdere IMP-cellen te gebruiken. De 16-nm HfAlOx-films die door ALD werden gekweekt, werden gekarakteriseerd met röntgenfoto-emissiespectroscopie (XPS). Zoals weergegeven in figuur 1b, worden de volledige XPS-spectra en Hf4f, Al2p, C1s en O1s tentoongesteld. Uit de XPS-resultaten kan worden geconcludeerd dat de ALD HfAlO-films met succes zijn verkregen. Afbeelding 2a en b tonen de I –V bipolaire schakelkarakteristieken van de Ag/HfAlOx/Pt en TaN/HfAlOx/Pt gemeten door een Agilent B1500A halfgeleiderapparaatparameteranalysator. De veegspanning werd toegepast van -1,5 tot 1,5 V (voor Ag) en -3 tot 3 V (voor TaN) en een leesspanning van 0,1 V bij kamertemperatuur. De weerstandsverhouding van zowel Ag/HfAlOx/Pt als TaN/HfAlOx/Pt-structuren wordt getoond in Fig. 3a en b. Een apparaat met Ag als bovenste elektrode kan een weerstandsverhouding hebben van 103 en TaN als bovenste elektrode kan 60 bereiken. Zowel Ag- als TaN-topelektroden vertonen superieure bipolaire schakelkarakteristieken. De verdeling van de ingestelde en reset-bedrijfsspanning wordt weergegeven als histogrammen in respectievelijk Fig. 3c en d. De Ag/HfAlOx/Pt-apparaten vertonen een veel lagere SET-spanning. De prestaties van de twee structuren worden vergeleken. Het SET- en RESET-spanningsbereik van de Ag/HfAlOx/Pt-apparaten was van 0,33 tot 0,62 V en van -1,3 tot -1,5 V en de TaN/HfAlOx/Pt-apparaten waren van 0,8 tot 1,8 V en van -1,3 tot − 2 V Na vergelijking bleek dat het apparaat dat Ag als de bovenste elektrode gebruikt, meer geschikt is als een apparaat voor het implementeren van logica vanwege een betere stabiliteit en een lagere bedrijfsspanning.

Typische stroom-spanningskarakteristieken van Ag/HfAlOx/Pt (a ) en TaN/HfAlOx/Pt-apparaten (b )

Uithoudingsvermogen en set/reset-verdeling van Ag/HfAlOx/Pt (a , c ) en TaN/HfAlOx/Pt-apparaat (b , d ) onder 100 opeenvolgende DC-veegcycli

Bovendien wordt het schakelmechanisme van de twee soorten structuren verder toegelicht. De I–V curven worden geanalyseerd in Fig. 4a-d. De curven zijn genomen in logaritmische coördinaten om de huidige status in respectievelijk de toestanden met lage weerstand (LRS) en hoge weerstand (HRS) te analyseren. Het wordt getoond in Fig. 4a en b, het stroomtransport van Ag / HfAlOx / Pt-apparaten vertoont ohmse stroom tijdens het spanningsvegen. Of het nu gaat om het toepassen van een voorwaartse spanning of het toepassen van een negatieve spanning voor TaN/HfAlOx/Pt-apparaten getoond in Fig. 4c en d, quasi-ohmse stroom (helling is ongeveer gelijk aan 1) wordt weergegeven in de LRS, terwijl ohmse, quasi-ohmse, en ruimtelading beperkte stroom wordt weergegeven in HRS bij een positief elektrisch veld.

De huidige aanpassing van de Ag/HfAlOx/Pt-apparaten onder a positief en b negatieve elektrische velden en de huidige aanpassing van de TaN/HfAlOx/Pt-apparaten onder c positief en d negatieve elektrische velden

De reden voor dit fenomeen is dat het weerstandsveranderingsmechanisme van TaN/HfAlOx/Pt-apparaten te wijten is aan lawinegeneratie en recombinatie van de zuurstofionen en de diëlektrische laag van de zuurstofvacature. In Ag/HfAlOx/Pt-apparaten kan de vorming en breuk van geleidende filamenten, dankzij de redoxreacties van metallisch Ag, worden aangestuurd door een veel lager elektrisch veld.

In dit experiment werd de toestand met lage weerstand (LRS) gedefinieerd als logisch 1 en toestand met hoge weerstand (HRS) als logisch 0. Het testdiagram van IMP-logica wordt getoond in figuur 5a. Het wordt geïmplementeerd door twee RRAM-apparaten P en Q en één vaste belastingsweerstand. De toestanden van P en Q worden respectievelijk weergegeven door p en q. IMP wordt uitgevoerd door twee gelijktijdige spanningspulsen:Va en Vb (we hebben Va > Vset > Vb en Va – Vb < Vset gedefinieerd zodat Va logica 0 tot 1 kon programmeren en Va − Vb geen logica kon programmeren). Het principe van logische p-verandering is te wijten aan q. Als q gelijk is aan 1, dan blijft p ongewijzigd omdat de spanningsval over p bijna Va − Vb is, en als q gelijk is aan 0, is p altijd gelijk aan 1. De waarheidstabel voor de bewerking q ← pIMPq wordt getoond in Fig. 5b en de toestandsveranderingen van P en Q met de puls worden getoond in Fig. 5c. De NAND-logica kan worden verkregen via de IMP-logica in twee stappen. De implementatie van NAND-logica kan worden gedaan door IMP-logica in twee stappen, vanwege de goede uniformiteit. NAND wordt beschouwd als een universele logica, wat betekent dat het elke Booleaanse logica kan construeren via topologisch verbonden NAND-poorten. Zoals geïllustreerd in figuur 5d, werd de bewerking geïmplementeerd in een circuit met drie RRAM-apparaten:P, Q en S. De invoer waren de waarden p en q die waren opgeslagen in apparaten P en Q. In de eerste stap van de uitvoering logica, wordt S geïnitialiseerd naar een 0-status. Vervolgens werden twee stappen van IMP uitgevoerd:

Het testdiagram van IMP (a ) en NAND (d ) logica. b De waarheidstabel voor de bewerking q ← pIMPq (c ) en q ← pNANDq (e ). De toestandsveranderingen van P en Q met puls (c )

s′ ← pIMP's (1).

s′′ ← qIMPs′ (2).

De waarheidstabellen die de equivalentie van de volgorde van bewerkingen met NAND laten zien, worden getoond in figuur 5e.

Conclusie

Samenvattend werden in deze studie twee soorten apparaten (Ag/HfAlOx/Pt en TaN/HfAlOx/Pt) gefabriceerd. Beide apparaten vertonen superieure schakeleigenschappen. Ag/HfAlOx/Pt-apparaat heeft voordelen aangetoond als een computer-in-memory-apparaat, zoals CMOS-compatibiliteit, goede uniformiteit, lage bedrijfsspanning en laag stroomverbruik. Logica werd geïmplementeerd via Ag/HfAlOx/Pt RRAM-apparaten. De realisatie van in-memory-apparaten voor het berekenen van lage bedrijfsspanningen biedt een effectieve manier om de traditionele problemen met de von Neumann-structuur in de toekomst op te lossen.

Afkortingen

ALD:: Atoomlaagafzetting
HRS:: Staat met hoge weerstand
LRS:: Staat met lage weerstand

Nanogestructureerde Pd-gebaseerde elektrokatalysator en membraanelektrode-assemblagegedrag in een passieve directe glycerol-brandstofcel Vervaardiging van CdTe QD's/BiOI-bevorderde TiO2 holle microsferen met superieure fotokatalytische prestaties onder gesimuleerd zonlicht

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal