Hochleistungsfähige, niedrigspannungs HfAlOx RRAM via atomarer Schichtabscheidung für In-Memory Computing

Zusammenfassung

Da Moores Gesetz an seine physikalische Grenze stößt, steht die traditionelle von-Neumann-Architektur vor einer Herausforderung. Es wird erwartet, dass die In-Memory-Computing-Architektur basierend auf resistivem Random-Access-Memory (RRAM) ein potenzieller Kandidat sein könnte, um das von-Neumann-Flaschenhals-Problem traditioneller Computer zu überwinden. In dieser Arbeit wurde HfAlOx-basiertes RRAM, kompatibel mit CMOS-Technologie, durch einen atomaren Schichtabscheidungsprozess (ALD) gefertigt. Metallisches Ag und TaN wurden als Top-Elektroden (TE) ausgewählt. Experimente zeigen, dass das Ag/HfAlOx/Pt-Gerät Vorteile als Memory-Computing-Gerät demonstriert, wegen der niedrigen Set-Spannung (0,33–0,6 V), was niedrigen Stromverbrauch und gute Uniformität bedeutet. Basierend auf einer Ag/HfAlOx/Pt-Struktur wurde IMP-Logik bei hoher Geschwindigkeit durch Anlegen eines 100-ns Hochfrequenz-Niedrigspannungspulses (0,3 V und 0,6 V) implementiert. Nach zwei Schritten der IMP-Implementierung kann auch NAND erhalten werden.

Hintergrund

Für die Grenzen zwischen Speicher und Rechnen haben Forscher eine Reihe von Forschungsprogrammen vorgeschlagen: High-Bandwidth-Memory, Near-Memory-Computing und neuronale Kompressionsnetzwerke. Diese Methoden können die Zeit für den Speicherzugriff reduzieren, aber das Problem nicht grundlegend lösen. Um es fundamental zu lösen, hat das Konzept des In-Memory-Computing weltweite Aufmerksamkeit gewonnen. Bemerkenswert ist, dass ein resistiver Random-Access-Memory (RRAM) als wettbewerbsfähiger Kandidat für Nicht-von-Neumann-Computing-Geräte breite Aufmerksamkeit erregt hat, aufgrund seiner In-Memory-Computing-Fähigkeit. In-Memory-Computing-Geräte fungieren als Rechen- und Speichereinheiten im selben Schaltkreis. Erstmals 1971 von Chua vorgeschlagen. Fast 40 Jahre später wurde 2010 erstmals RRAM-basierte Logikoperation vorgeschlagen. Seitdem wurde RRAM-basiertes In-Memory-Computing-Gerät intensiv untersucht und viele Implementierungsmethoden vorgeschlagen. Aber als In-Memory-Computing-Gerät sind Stabilität und niedriger Energieverbrauch die entscheidendsten Merkmale. Es gibt noch viele offene Fragen in diesem Bereich. In diesem Brief wurden zwei Arten von RRAM-Geräten konstruiert und die elektrischen Eigenschaften getestet. Bei der Implementierung von Logikoperationen sind stabile Set- und Reset-Spannungen und gute Uniformität zwischen Geräten sehr wichtige Indikatoren.

Bisher zeigten viele Materialien RRAM-Verhalten, aber wenige waren mit CMOS-Prozess kompatibel. Der binäre High-k-Oxid HfAlOx-Film wurde mittels atomarer Schichtabscheidung (ALD) abgeschieden. ALD eignet sich gut für Abscheidung von Oxidfilmen und Überzügen für verschiedene Geräte und Anwendungen, da es auf Oberflächensättigung basiert und keine präzise Vorläuferdosierung notwendig ist. HfAlOx könnte gut mit traditionellem CMOS-Prozess kompatibel sein und als Dielektrikumschicht für In-Memory-Computing-Gerät dienen. Ag/HfAlOx/Pt RRAM-Geräte wurden zur Implementierung zustandsbehafteter Logikoperationen genutzt. IMP-Logik wurde von Whitehead und Russell 1910 als eine von vier fundamentalen Logikoperationen (OR, AND, NOT, IMP) angesehen. Zudem kann NAND-Logik durch zwei Schritte der IMP-Logik erhalten werden. NAND-Logik ist als universelle Logik bekannt, was bedeutet, dass jede Boolesche Logik durch NAND-Logik konstruiert werden kann. Dieses CMOS-kompatible, hochgeschwindige, niedrigspannungsige In-Memory-Computing-Gerät zeigt einen effektiven Weg, die traditionellen von-Neumann-Struktur-Schwierigkeiten in der Zukunft zu lösen.

Methoden

In dieser Arbeit wurden Ag/HfAlOx/Pt und TaN/HfAlOx/Pt Geräte gefertigt. Das Schema ist in Abb. 1a dargestellt. Zunächst wurde ein 70-nm-dünner Pt-Bodenelektrodenfilm durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) auf gereinigtem SiO₂/Si-Substrat abgeschieden. Dann wurde ein 16-nm-dicker binärer High-k-Oxid HfAlOx-Film mittels ALD aus Tetrakis(ethylmethylamino)hafnium (TEMAH), Trimethylaluminium (TMA) und H₂O Vorläufern bei 240 °C abgeschieden. Schließlich wurde 50 nm Ag oder TaN Top-Elektrodenfilm durch Photolithografie und PVD gefertigt. Mit Bias an der Top-Elektrode und Ground an der Bottom-Elektrode wurden Gleichstrommessungen der Geräte mit einem Agilent B1500A Halbleiter-Parameteranalysator bei Raumtemperatur durchgeführt. Zusätzlich wurden Logikmessungen mit Agilent B1500A und zwei Halbleiter-Pulsgenerator-Einheiten (SPGU) durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Speicher und Prozessor sind in traditioneller von-Neumann-Computerarchitektur getrennt. Die Transferzeit von im Speicher gespeicherten Daten, die auf der Recheneinheit berechnet werden, begrenzt die Computerleistung stark. Es ist möglich, diese Limitation zu durchbrechen, indem Daten direkt auf dem Speicher verarbeitet werden. In-Memory-Computing-Forschung hat das Potenzial, diese Grenze zu brechen.

Zur Demonstration der Logikfunktionen wurde RRAM mit Ag/HfAlOx/Pt und TaN/HfAlOx/Pt präpariert. Schema in Abb. 1a; zwei kleine Geräte zusammen mit einem großen Gerät bilden eine minimale RRAM-Logik-IMP-Logikeinheit. Verschiedene Logiken können durch Verwendung mehrerer IMP-Zellen implementiert werden. Die 16-nm HfAlOx-Filme, gewachsen durch ALD, wurden durch Röntgenphotoemissionsspektroskopie (XPS) charakterisiert. Abb. 1b zeigt vollständige XPS-Spektren und Hf4f, Al2p, C1s, O1s. Aus XPS-Ergebnissen kann geschlossen werden, dass ALD HfAlO-Filme erfolgreich erhalten wurden. Abb. 2a und b zeigen die I-V bipolaren Schaltcharakteristika von Ag/HfAlOx/Pt und TaN/HfAlOx/Pt, gemessen mit Agilent B1500A. Sweep-Spannung wurde von -1,5 bis 1,5 V (für Ag) und -3 bis 3 V (für TaN) angewendet, Lese-Spannung 0,1 V bei Raumtemperatur. Das Widerstandsverhältnis beider Strukturen ist in Abb. 3a und b dargestellt. Ein Gerät mit Ag als oberer Elektrode kann ein Widerstandsverhältnis von 10³ erreichen, TaN als obere Elektrode 60. Beide Top-Elektroden zeigen überlegene bipolare Schaltcharakteristika. Die Verteilung von Set- und Reset-Spannungen wird als Histogramme in Abb. 3c und d gezeigt. Ag/HfAlOx/Pt-Geräte zeigen deutlich niedrigere Set-Spannung. Die Leistungen der beiden Strukturen werden verglichen. Set- und Reset-Spannungsbereich von Ag/HfAlOx/Pt: 0,33–0,62 V und -1,3 bis -1,5 V; TaN/HfAlOx/Pt: 0,8–1,8 V und -1,3 bis -2 V. Nach Vergleich ist das Gerät mit Ag als oberer Elektrode besser geeignet für Logikimplementierung aufgrund besserer Stabilität und niedrigerer Betriebsspannung.

Zudem wird der Schaltmechanismus der beiden Strukturtypen weiter erläutert. Die I-V-Kurven werden in Abb. 4a-d analysiert. Kurven werden in logarithmischen Koordinaten aufgenommen, um den Stromstatus im Niedrigwiderstandszustand (LRS) und Hochwiderstandszustand (HRS) zu analysieren. Abb. 4a und b zeigen, dass der Stromtransport von Ag/HfAlOx/Pt-Geräten während Spannungssweep ohmschen Strom aufweist. Ob Vorwärts- oder Negativspannung für TaN/HfAlOx/Pt (Abb. 4c, d): quasi-ohmscher Strom (Steigung ≈ 1) im LRS, während ohmscher, quasi-ohmscher und raumladungsbegrenzter Strom im HRS bei positivem elektrischem Feld auftreten.

Der Grund: Der Widerstandsänderungsmechanismus von TaN/HfAlOx/Pt-Geräten beruht auf Lawinen-Generierung und Rekombination von Sauerstoffionen und Sauerstoffvacanzen in der Dielektrikumschicht. Bei Ag/HfAlOx/Pt-Geräten können Bildung und Bruch leitender Filamente durch Redox-Reaktionen von metallischem Ag durch ein viel niedrigeres elektrisches Feld getrieben werden.

In diesem Experiment wurde Niedrigwiderstandszustand (LRS) als Logik 1 und Hochwiderstandszustand (HRS) als Logik 0 definiert. Das Testdiagramm der IMP-Logik ist in Abb. 5a dargestellt. Implementiert durch zwei RRAM-Geräte P und Q und einen festen Lastwiderstand. Zustände von P und Q werden durch p und q repräsentiert. IMP wird durch zwei simultane Spannungspulse Va und Vb durchgeführt: Va > Vset > Vb und Va – Vb < Vset, sodass Va Logik 0 zu 1 programmieren kann und Va – Vb Logik nicht programmieren kann. Das Prinzip der Logikänderung von p ist aufgrund von q: Wenn q = 1, bleibt p unverändert, da Spannungsabfall über p nahezu Va – Vb beträgt; wenn q = 0, ist p immer 1. Die Wahrheitstabelle für Operation q ← pIMPq ist in Abb. 5b, Zustandsänderungen von P und Q mit Pulse in Abb. 5c. NAND-Logik kann durch zweistufige IMP-Logik erhalten werden. NAND-Implementierung durch zweistufige IMP-Logik wegen guter Uniformität. NAND gilt als universelle Logik, d. h. jede Boolesche Logik kann durch topologisch verbundene NAND-Gatter konstruiert werden. Wie in Abb. 5d illustriert, erfolgt Operation in Schaltung mit drei RRAM-Geräten: P, Q, S. Eingänge waren Werte p und q, gespeichert in P und Q. Erster Schritt: S wird auf 0 initialisiert. Dann zwei IMP-Schritte:

s' ← pIMPs (1)

s'' ← qIMPs' (2)

Wahrheitstabellen zeigen Äquivalenz der Operationssequenz zu NAND (Abb. 5e).

Fazit

Zusammenfassend wurden in dieser Studie zwei Gerätetypen (Ag/HfAlOx/Pt und TaN/HfAlOx/Pt) gefertigt. Beide zeigen überlegene Schaltcharakteristika. Ag/HfAlOx/Pt-Gerät demonstriert Vorteile als In-Memory-Computing-Gerät: CMOS-Kompatibilität, gute Uniformität, niedrige Betriebsspannung, niedriger Stromverbrauch. Logik wurde durch Ag/HfAlOx/Pt RRAM-Geräte implementiert. Die Realisierung niedrigspannungsiger In-Memory-Computing-Geräte bietet einen effektiven Weg, die traditionellen von-Neumann-Struktur-Schwierigkeiten in der Zukunft zu lösen.

Abkürzungen

ALD:

Atomare Schichtabscheidung

HRS:

Hochwiderstandszustand

LRS:

Niedrigwiderstandszustand