Atomschicht-abgeschiedener HfAlOx-basierter RRAM mit niedriger Betriebsspannung für Computing-In-Memory-Anwendungen

Hintergrund

Für die Grenzen zwischen Speicher und Computer haben die Forscher eine Reihe von Forschungsprogrammen vorgeschlagen:Speicher mit hoher Bandbreite, Near-Memory-Computing und neuronale Kompressionsnetzwerke. Diese Methoden können die Zugriffszeit auf den Speicher verkürzen, konnten dieses Problem jedoch nicht grundsätzlich lösen. Um dieses Problem grundlegend zu lösen, hat das Konzept des Computing In-Memory weltweit Beachtung gefunden. Es ist erwähnenswert, dass ein resistiver Direktzugriffsspeicher (RRAM) aufgrund seiner Fähigkeit zum In-Memory-Computing als wettbewerbsfähiger Kandidat für den Nicht-von-Neumann-Rechner große Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat [1,2,3,4,5, 6]. Computing In-Memory-Geräte fungieren sowohl als Rechen- als auch als Speichereinheiten in derselben Schaltung [7]. Es wurde erstmals 1971 von Chua [8] vorgeschlagen. Fast 40 Jahre später wurde erstmals 2010 eine RRAM-basierte Logikoperation vorgeschlagen [9]. Seitdem wurde RRAM-basiertes Computing-In-Memory-Gerät umfassend untersucht und viele Implementierungsmethoden wurden vorgeschlagen [10,11,12,13,14]. Aber als Computer-In-Memory-Gerät ist das wichtigste Merkmal Stabilität und geringer Energieverbrauch. Es gibt noch viele Fragen in diesem Bereich, die untersucht werden müssen. In diesem Brief wurden zwei Arten von RRAM-Bauelementen konstruiert und die elektrischen Eigenschaften wurden getestet. Bei der Implementierung von Logikoperationen sind stabile Setz- und Rücksetzspannungen und eine gute Einheitlichkeit zwischen den Geräten sehr wichtige Indikatoren.

Bisher haben eine Vielzahl von Materialien ein RRAM-Verhalten gezeigt, aber nur wenige von ihnen waren mit dem CMOS-Prozess kompatibel. Der binäre High-k-Oxide HfAlOx-Film wurde unter Verwendung von Atomlagenabscheidung (ALD) abgeschieden. ALD ist gut geeignet für die Abscheidung von Oxidfilmen und Überschichten für verschiedene Vorrichtungen und Anwendungen [15], da es auf der Oberflächensättigung basiert und eine genaue Vorstufendosierung nicht erforderlich ist. HfAlOx könnte mit dem traditionellen CMOS-Prozess gut kompatibel sein und als dielektrische Schicht von In-Memory-Computergeräten verwendet werden. Die Ag/HfAlOx/Pt-RRAM-Bauelemente wurden verwendet, um zustandsbehaftete Logikoperationen zu implementieren. Die IMP-Logik wurde 1910 von Whitehead und Russell als eine von vier grundlegenden logischen Operationen (OR, AND, NOT und IMP) betrachtet [16]. Darüber hinaus kann die NAND-Logik durch zwei Schritte der IMP-Logik erhalten werden. Die NAND-Logik ist als universelle Logik bekannt, was bedeutet, dass jede Boolesche Logik durch die NAND-Logik konstruiert werden kann. Dieses CMOS-kompatible In-Memory-Computing-Gerät mit hoher Geschwindigkeit und niedriger Betriebsspannung zeigt einen effektiven Weg, um die traditionellen Schwierigkeiten mit der von Neumann-Struktur in der Zukunft zu lösen.

Methoden

In dieser Arbeit wurden Ag/HfAlOx/Pt- bzw. TaN/HfAlOx/Pt-Bauelemente hergestellt. Das Schema ist in Abb. 1a dargestellt. Zuerst wurde eine 70-nm-Dünnschicht-Pt-Bodenelektrode durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) auf dem gereinigten SiO₂ . abgeschieden /Si-Substrat. Dann wurde ein binärer High-k-Oxidfilm aus HfAlOx mit einer Dicke von 16 nm abgeschieden unter Verwendung von ALD, abgeleitet von Tetrakisethylmethylaminohafnium (TEMAH), Trimethylaluminium (TMA) und H₂ O-Vorläufer bei 240 °C. Schließlich wurde ein 50-nm-Ag- oder -TaN-Oberelektrodenfilm durch Photolithographie hergestellt und durch PVD hergestellt. Mit Vorspannung an der oberen Elektrode und Masse an der unteren Elektrode wurden Gleichstrommessungen der Geräte mit einem Agilent B1500A Halbleiter bei Raumtemperatur durchgeführt. Darüber hinaus wurden logische Messungen mit einem Agilent B1500A Parameteranalysator für Halbleiterbauelemente und zwei Halbleiter-Pulsgeneratoreinheiten (SPGU) durchgeführt.

a Das Schema von Ag/HfAlOx/Pt- und TaN/HfAlOx/Pt-Geräten. b XPS-Spektren des 16-nm-HfAlO

Ergebnis und Diskussion

Speicher und Prozessor sind in einer traditionellen von Neumann-Computerarchitektur getrennt [17]. Die Übertragungszeit der im Speicher abgelegten und auf der Recheneinheit berechneten Daten schränkt die Leistung des Computers stark ein. Es ist möglich, die Begrenzung zu durchbrechen, indem Daten direkt im Speicher verarbeitet werden. Die Erforschung des In-Memory-Computings hat das Potenzial, diese Grenze zu überschreiten.

Zur Demonstration der Logikfunktionen wurde RRAM mit Ag/HfAlOx/Pt und TaN/HfAlOx/Pt hergestellt. Das Schema ist in Abb. 1a gezeigt; zwei kleine Geräte zusammen mit einem großen Gerät bilden eine minimale RRAM-Logik-IMP-Logikeinheit. Durch Verwendung mehrerer IMP-Zellen kann unterschiedliche Logik implementiert werden. Die durch ALD gezüchteten 16-nm-HfAlOx-Filme wurden durch Röntgenphotoemissionsspektroskopie (XPS) charakterisiert. Wie in Abb. 1b gezeigt, werden die vollständigen XPS-Spektren und Hf4f, Al2p, C1s und O1s gezeigt. Aus den XPS-Ergebnissen kann geschlossen werden, dass die ALD HfAlO-Filme erfolgreich erhalten wurden. Abbildung 2a und b zeigen das I –V bipolare Schalteigenschaften von Ag/HfAlOx/Pt und TaN/HfAlOx/Pt, gemessen mit einem Agilent B1500A Parameteranalysator für Halbleiterbauelemente. Die Wobbelspannung wurde von – 1,5 bis 1,5 V (für Ag) und – 3 bis 3 V (für TaN) und eine Lesespannung von 0,1 V bei Raumtemperatur angelegt. Das Widerstandsverhältnis von Ag/HfAlOx/Pt- und TaN/HfAlOx/Pt-Strukturen ist in Abb. 3a und b gezeigt. Eine Vorrichtung mit Ag als obere Elektrode kann ein Widerstandsverhältnis von 103 haben und TaN als obere Elektrode kann 60 erreichen. Sowohl die Ag- als auch die TaN-Oberelektrode weisen überlegene bipolare Schalteigenschaften auf. Die Verteilung der Setz- und Rücksetzbetriebsspannung ist als Histogramme in Fig. 3c bzw. d dargestellt. Die Ag/HfAlOx/Pt-Geräte weisen eine viel niedrigere SET-Spannung auf. Die Leistungen der beiden Strukturen werden verglichen. Der SET- und RESET-Spannungsbereich der Ag/HfAlOx/Pt-Geräte lag zwischen 0,33 und 0,62 V und von – 1,3 bis – 1,5 V und der TaN/HfAlOx/Pt-Geräte lag zwischen 0,8 und 1,8 V und von – 1,3 bis – 2 V Nach einem Vergleich wurde festgestellt, dass die Vorrichtung, die Ag als obere Elektrode verwendet, aufgrund der besseren Stabilität und der niedrigeren Betriebsspannung besser als eine Vorrichtung zum Implementieren von Logik geeignet ist.

Typische Strom-Spannungs-Kennlinien von Ag/HfAlOx/Pt (a ) und TaN/HfAlOx/Pt-Geräte (b )

Ausdauereigenschaften und Set/Reset-Verteilung von Ag/HfAlOx/Pt (a , c ) und TaN/HfAlOx/Pt-Gerät (b , d ) unter 100 aufeinanderfolgenden DC-Sweep-Zyklen

Darüber hinaus wird der Schaltmechanismus der beiden Strukturtypen weiter erläutert. Die I–V Kurven werden in Abb. 4a–d analysiert. Die Kurven werden in logarithmischen Koordinaten aufgenommen, um den aktuellen Zustand im niederohmigen Zustand (LRS) bzw. hochohmigen Zustand (HRS) zu analysieren. In Abb. 4a und b ist gezeigt, wie der Stromtransport von Ag/HfAlOx/Pt-Bauelementen während des Spannungsdurchlaufs einen ohmschen Strom aufweist. Unabhängig davon, ob bei TaN/HfAlOx/Pt-Bauelementen, die in den Abbildungen 4c und d gezeigt sind, eine Durchlassspannung angelegt oder eine negative Spannung angelegt wird, wird im LRS quasi-ohmscher Strom (Steigung ist ungefähr gleich 1) dargestellt, während ohmscher, quasi-ohmscher, und raumladungsbegrenzter Strom wird in HRS bei positivem elektrischem Feld dargestellt.

Die aktuelle Ausstattung der Ag/HfAlOx/Pt-Geräte unter a positiv und b negative elektrische Felder und die Stromanpassung der TaN/HfAlOx/Pt-Geräte unter c positiv und d negative elektrische Felder

Der Grund für dieses Phänomen ist, dass der Widerstandsänderungsmechanismus von TaN/HfAlOx/Pt-Vorrichtungen auf der Lawinenbildung und Rekombination der Sauerstoffionen und der dielektrischen Sauerstoffleerstellenschicht beruht. In Ag/HfAlOx/Pt-Geräten kann die Bildung und das Brechen von leitenden Filamenten dank der Redoxreaktionen von metallischem Ag durch ein viel niedrigeres elektrisches Feld angetrieben werden.

In diesem Experiment wurde der niederohmige Zustand (LRS) als logisch 1 und der hochohmige Zustand (HRS) als logisch 0 definiert. Das Testdiagramm der IMP-Logik ist in Fig. 5a gezeigt. Es wird durch zwei RRAM-Bausteine ​​P und Q und einen festen Lastwiderstand implementiert. Die Zustände von P und Q werden durch p bzw. q dargestellt. IMP wird durch zwei gleichzeitige Spannungsimpulse durchgeführt:Va und Vb (wir haben Va > Vset > Vb und Va – Vb < Vset definiert, sodass Va die Logik 0 auf 1 programmieren konnte und Va − Vb die Logik nicht programmieren konnte). Das Prinzip der logischen p-Änderung beruht auf q. Wenn q gleich 1 ist, bleibt p unverändert, da der Spannungsabfall über p fast Va − Vb beträgt, und wenn q gleich 0 ist, ist p immer gleich 1. Die Wahrheitstabelle für die Operation q ← pIMPq ist in Abb. 5b . dargestellt und die Zustandsänderungen von P und Q mit dem Impuls sind in Fig. 5c gezeigt. Die NAND-Logik kann durch die zweistufige IMP-Logik erhalten werden. Die Implementierung der NAND-Logik kann wegen der guten Gleichförmigkeit durch eine zweistufige IMP-Logik erfolgen. NAND gilt als universelle Logik, d. h. es kann durch topologisch verbundene NAND-Gatter beliebige Boolesche Logiken aufbauen. Wie in Fig. 5d dargestellt, wurde die Operation in einer Schaltung mit drei RRAM-Bauelementen implementiert:P, Q und S. Die Eingaben waren die Werte p und q, die in den Bausteinen P und Q gespeichert wurden. Im ersten Schritt der Ausführung Logik wird S auf einen 0-Zustand initialisiert. Dann wurden zwei Schritte von IMP ausgeführt:

Das Testdiagramm von IMP (a ) und NAND (d ) Logik. b Die Wahrheitstabelle für die Operation q ← pIMPq (c ) und q ← pNANDq (e ). Die Zustandsänderungen von P und Q mit Puls (c )

s′ ← pIMPs (1).

s′′ ← qIMPs′ (2).

Die Wahrheitstabellen, die die Äquivalenz der Operationsfolge zu NAND zeigen, sind in Fig. 5e gezeigt.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend wurden in dieser Studie zwei Arten von Geräten (Ag/HfAlOx/Pt und TaN/HfAlOx/Pt) hergestellt. Beide Geräte zeigen überragende Schalteigenschaften. Die Ag/HfAlOx/Pt-Vorrichtung hat Vorteile als speicherinterne Rechenvorrichtung wie CMOS-Kompatibilität, gute Gleichmäßigkeit, niedrige Betriebsspannung und geringer Stromverbrauch gezeigt. Die Logik wurde durch Ag/HfAlOx/Pt-RRAM-Bauelemente implementiert. Die Realisierung von In-Memory-Geräten für die Berechnung mit niedriger Betriebsspannung bietet einen effektiven Weg, um die traditionellen Schwierigkeiten der von Neumann-Struktur in der Zukunft zu lösen.

Abkürzungen

ALD:

Atomlagenabscheidung

HRS:

Hochohmiger Zustand

LRS:

Niederohmiger Zustand