Hoogpresterende, lage-spanning HfAlOx RRAM via atomaire laagafscheiding voor in-memory computing

Samenvatting

Met Moore's wet die zich nader tot de fysieke limiet, staat de traditionele Von Neumann-architectuur voor een uitdaging. Het wordt verwacht dat de computing-in-memory-architectuur gebaseerd op resistieve willekeurige-toegangsgeheugen (RRAM) een potentiële kandidaat kan zijn om het Von Neumann-knoopprobleem van traditionele computers op te lossen. In dit werk werd HfAlOx-gebaseerd RRAM, compatibel met CMOS-technologie, gefabriceerd door een atomaire laagafscheiding (ALD) proces. Metaal Ag en TaN worden geselecteerd als topelektroden (TE). Experimenten tonen aan dat het Ag/HfAlOx/Pt-apparaat voordelen heeft gedemonstreerd als een geheugen-rekenapparaat vanwege de lage set-spanning (0,33~0,6 V) wat lage stroomverbruik en goede uniformiteit betekent. Op basis van een Ag/HfAlOx/Pt-structuur werd IMP-logica geïmplementeerd met hoge snelheid door een 100-ns hoge-frequentie lage-spanning puls (0,3 V en 0,6 V) toe te passen. Na twee stappen van IMP-implementatie kan NAND ook verkregen worden.

Achtergrond

Voor de grenzen tussen opslag en computing hebben onderzoekers een reeks onderzoeksprogramma's voorgesteld: hoog-bandbreedte geheugen, near-memory computing en neurale compressienetwerken. Deze methoden kunnen de toegangstijd tot het geheugen verminderen, maar ze kunnen dit fundamenteel probleem niet oplossen. Om dit fundamenteel op te lossen, heeft het concept van computing-in-memory wereldwijd aandacht gekregen. Het is opmerkelijk dat een resistief willekeurig-toegangsgeheugen (RRAM) apparaat veel aandacht heeft getrokken als een competitieve kandidaat voor het non-Von Neumann computing-apparaat vanwege zijn capaciteit voor in-memory computing. Computing-in-memory-apparaten fungeren als zowel reken- als opslaageenheden in dezelfde schakeling. Het werd voor het eerst voorgesteld in 1971 door Chua. Bijna 40 jaar later werd RRAM-gebaseerde logica-bewerking voor het eerst voorgesteld in 2010. Sindsdien is RRAM-gebaseerde computing-in-memory-apparaat uitgebreid bestudeerd en veel implementatiemethoden voorgesteld. Maar als een computing-in-memory-apparaat is de meest cruciale eigenschap stabiliteit en laag energieverbruik. Er zijn nog veel kwesties in dit gebied die verkend moeten worden. In deze brief werden twee soorten RRAM-apparaten geconstrueerd en de elektrische eigenschappen getest. In het proces van het implementeren van logische bewerkingen zijn stabiele set- en reset-spanningen en goede uniformiteit tussen apparaten zeer belangrijke indicatoren.

Tot nu toe hebben een grote verscheidenheid aan materialen RRAM-gedrag getoond, maar weinig van hen waren compatibel met CMOS-proces. De binaire hoge-k oxiden HfAlOx-laag werd afgescheden met atomaire laagafscheiding (ALD). ALD is zeer geschikt voor afscheiding van oxidelagen en overlays voor diverse apparaten en toepassingen omdat het gebaseerd is op oppervlakteverzadiging en nauwkeurige precursor-dosering niet noodzakelijk is. HfAlOx kan goed compatibel zijn met het traditionele CMOS-proces en gebruikt worden als de dielektrische laag van in-memory computing-apparaat. De Ag/HfAlOx/Pt RRAM-apparaten werden gebruikt om stateful logische operaties te implementeren. De IMP-logica werd beschouwd als een van de vier fundamentele logische operaties (OR, AND, NOT en IMP) door Whitehead en Russell in 1910. Bovendien kan de NAND-logica verkregen worden door twee stappen van IMP-logica. De NAND-logica is bekend als de universele logica, wat betekent dat elke Booleaanse logica kan worden geconstrueerd door de NAND-logica. Deze CMOS-compatibele, hoge-snelheid, en lage bedrijfsspanning in-memory computing-apparaat toont een effectieve manier om de traditionele Von Neumann-structuur moeilijkheden in de toekomst op te lossen.

Methoden

In dit werk werden Ag/HfAlOx/Pt en TaN/HfAlOx/Pt apparaten respectievelijk gefabriceerd. Het schematische is getoond in Fig. 1a. Eerst werd een 70-nm dunne film Pt-bodemelektrode afgescheden door fysieke dampafscheiding (PVD) op het gereinigde SiO₂/Si-substraat. Vervolgens werd een binaire hoge-k oxide HfAlOx-film met een dikte van 16 nm afgescheden met ALD afgeleid van tetrakisethylmethylamino hafnium (TEMAH), trimethylaluminium (TMA) en H₂O precursors bij 240 °C. Tenslotte werd 50 nm Ag of TaN topelektrode-film gefabriceerd door fotolithografie en gefabriceerd door PVD. Met bias op topelektrode en grond op bodemelektrode, werden direct-stroom metingen van de apparaten uitgevoerd door een Agilent B1500A halfgeleider bij kamertemperatuur. Daarnaast werden logica-metingen uitgevoerd met een Agilent B1500A halfgeleider apparaatparameteranalyzer en twee halfgeleider pulsengenerator-eenheden (SPGU).

Resultaat en discussie

Geheugen en processor zijn gescheiden in een traditionele Von Neumann-computerarchitectuur. De overdrachtstijd van data opgeslagen in geheugen en berekend op de reken-eenheid beperkt de prestaties van de computer sterk. Het is mogelijk om deze beperking te doorbreken door data direct op geheugen te verwerken. Het onderzoek van computing-in-memory 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 schematische is getoond in Fig. 1a; twee kleine apparaten samen met één groot apparaat vormen een minimum RRAM-logica IMP-logica-eenheid. Verschillende logica kunnen geïmplementeerd worden door meerdere IMP-cellen te gebruiken. De 16-nm HfAlOx-lagen gegroeid door ALD werden gekarakteriseerd door röntgenfoto-emissiespectroscopie (XPS). Zoals getoond in Fig. 1b, worden de volledige XPS-spectra en Hf4f, Al2p, C1s en O1s getoond. Uit de XPS-resultaten kan worden geconcludeerd dat de ALD HfAlO-lagen met succes zijn verkregen. Figuur 2a en b tonen de I–V bipolaire schakelkarakteristieken van de Ag/HfAlOx/Pt en TaN/HfAlOx/Pt gemeten door een Agilent B1500A halfgeleider apparaatparameteranalyzer. De zwiepspanning 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 boven-elektrode kan een weerstandsverhouding van 10³ hebben en TaN als de boven-elektrode kan 60 bereiken. Zowel Ag als TaN topelektroden vertonen superieure bipolaire schakelkarakteristieken. De verdeling van set- en reset-bewerkingsspanning wordt gepresenteerd als histogrammen in Fig. 3c en d, respectievelijk. De Ag/HfAlOx/Pt-apparaten vertonen veel lagere SET-spanning. De prestaties van de twee structuren worden vergeleken. De 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 was van 0,8 tot 1,8 V en van −1,3 tot −2 V. Na vergelijking werd gevonden dat het apparaat dat Ag als de boven-elektrode gebruikt, meer geschikt is als een apparaat voor het implementeren van logica vanwege betere stabiliteit en lagere bedrijfsspanning.

Bovendien wordt het schakelmechanisme van de twee typen structuur nader uitgelegd. De I–V-krommen worden geanalyseerd in Fig. 4a–d. De krommen worden in logaritmische coördinaten genomen om de stroomstatus in de lage-weerstandstoestand (LRS) en hoge-weerstandstoestand (HRS) te analyseren, respectievelijk. Het wordt getoond in Fig. 4a en b dat de stroomvervoering van Ag/HfAlOx/Pt-apparaten ohmische stroom vertonen tijdens de spanningszwiep. Of een voorwaartse spanning toepassen of een negatieve spanning toepassen voor TaN/HfAlOx/Pt-apparaten getoond in Fig. 4c en d, quasi-ohmische stroom (helling is ongeveer gelijk aan 1) wordt gepresenteerd in de LRS, terwijl ohmisch, quasi-ohmisch en ruimtelading-begrensde stroom wordt gepresenteerd in HRS bij positief elektrisch veld.

De reden voor dit fenomeen is dat het weerstandsveranderingmechanisme van TaN/HfAlOx/Pt-apparaten te wijten is aan lawine-achtige generatie en recombinatie van de zuurstof-ion en zuurstof-vacantie dielektrische laag. In Ag/HfAlOx/Pt-apparaten kan de vorming en breuk van geleidende filamenten, dankzij de redoxreacties van metallisch Ag, worden gedreven door een veel lager elektrisch veld.

In dit experiment werd lage-weerstandstoestand (LRS) gedefinieerd als logica 1 en hoge-weerstandstoestand (HRS) als logica 0. Het testdiagram van IMP-logica wordt getoond in Fig. 5a. Het wordt geïmplementeerd door twee RRAM-apparaten P en Q en één vaste belastingweerstand. De toestanden van P en Q worden voorgesteld door p en q, respectievelijk. IMP wordt uitgevoerd door twee gelijktijdige spanningspulsen: Va en Vb (we definieerden Va > Vset > Vb en Va – Vb < Vset zodat Va logica 0 naar 1 kan programmeren en Va − Vb logica niet kan programmeren). Het principe van logica p-verandering is door 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 operatie 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 verkregen worden door de twee-staps IMP-logica. De implementatie van NAND-logica kan worden gedaan door twee-staps IMP-logica, vanwege de goede uniformiteit. NAND wordt beschouwd als een universele logica, wat betekent dat het elke Booleaanse logica kan construeren door topologisch verbonden NAND-poorten. Zoals geïllustreerd in Fig. 5d, werd de operatie geïmplementeerd in een schakeling met drie RRAM-apparaten: P, Q en S. De invoeren waren de waarden p en q die opgeslagen waren in apparaten P en Q. In de eerste stap van de uitvoering logica, wordt S geïnitialiseerd naar een 0-toestand. Vervolgens werden twee stappen van IMP uitgevoerd: s' ← pIMPs (1). s'' ← qIMPs' (2). De waarheidstabellen die de equivalentie van de reeks operaties aan NAND tonen, worden getoond in Fig. 5e.

Conclusie

Samengevat, werden twee soorten apparaten (Ag/HfAlOx/Pt en TaN/HfAlOx/Pt) in deze studie gefabriceerd. Beide apparaten tonen superieure schakelkarakteristieken. Ag/HfAlOx/Pt-apparaat heeft voordelen gedemonstreerd als een computing-in-memory-apparaat zoals CMOS-compatibiliteit, goede uniformiteit, lage bedrijfsspanning en laag stroomverbruik. Logica werd geïmplementeerd door Ag/HfAlOx/Pt RRAM-apparaten. De realisatie van lage bedrijfsspanning computing-in-memory-apparaten biedt een effectieve manier om de traditionele Von Neumann-structuur moeilijkheden in de toekomst op te lossen.

Afkortingen

ALD:

Atomaire laagafscheiding

HRS:

Hoge-weerstandstoestand

LRS:

Lage-weerstandstoestand