RRAM basado en HfAlOx depositado en capa atómica con bajo voltaje de funcionamiento para aplicaciones informáticas en memoria

Resumen

Con la ley de Moore acercándose a su límite físico, la arquitectura tradicional de von Neumann se enfrenta a un desafío. Se espera que la memoria de acceso aleatorio resistiva (RRAM) basada en la arquitectura de computación en memoria pueda ser un candidato potencial para superar el problema del cuello de botella de von Neumann de las computadoras tradicionales [Backus, J, ¿Se puede liberar la programación del estilo de von Neumann? 1977]. En este trabajo, la RRAM basada en HfAlOx que es compatible con la tecnología CMOS se fabricó mediante un proceso de deposición de capa atómica (ALD). Metal Ag y TaN se seleccionan como electrodos superiores (TE). Los experimentos muestran que el dispositivo Ag / HfAlOx / Pt ha demostrado ventajas como dispositivo de computación de memoria debido al bajo voltaje establecido (0.33 ~ 0.6 V), lo que significa bajo consumo de energía y buena uniformidad. Basado en una estructura Ag / HfAlOx / Pt, la lógica IMP se implementó a alta velocidad mediante la aplicación de un pulso de baja tensión de alta frecuencia de 100 ns (0,3 V y 0,6 V). Después de dos pasos de implementación de IMP, también se puede obtener NAND.

Antecedentes

Para los límites entre el almacenamiento y la computación, los investigadores han propuesto una serie de programas de investigación:memoria de gran ancho de banda, computación cercana a la memoria y redes de compresión neuronal. Estos métodos pueden reducir el tiempo de acceso a la memoria, pero no pudieron resolver este problema fundamentalmente. Para resolver este problema fundamentalmente, el concepto de computación en memoria ha ganado atención en todo el mundo. Vale la pena señalar que un dispositivo de memoria resistiva de acceso aleatorio (RRAM) ha atraído una gran atención como candidato competitivo para el dispositivo de computación que no es de von Neumann debido a su capacidad de computación en memoria [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Los dispositivos informáticos en memoria actúan como unidades informáticas y de almacenamiento en el mismo circuito [7]. Fue propuesto por primera vez en 1971 por Chua [8]. Casi 40 años después, la operación lógica basada en RRAM se propuso por primera vez en 2010 [9]. Desde entonces, el dispositivo informático en memoria basado en RRAM se ha estudiado ampliamente y se han propuesto muchos métodos de implementación [10, 11, 12, 13, 14]. Pero como dispositivo informático en memoria, la característica más importante es la estabilidad y el bajo consumo de energía. Todavía hay muchos problemas en esta área que deben explorarse. En esta carta, se construyeron dos tipos de dispositivos RRAM y se probaron las propiedades eléctricas. En el proceso de implementación de operaciones lógicas, los voltajes de ajuste y reinicio estables y una buena uniformidad entre los dispositivos son indicadores muy importantes.

Hasta ahora, una amplia variedad de materiales han mostrado comportamientos RRAM, pero pocos de ellos eran compatibles con el proceso CMOS. La película de HfAlOx de óxidos binarios de alta k se depositó usando deposición de capa atómica (ALD). ALD es muy adecuado para la deposición de películas de óxido y sobre capas para varios dispositivos y aplicaciones [15] porque se basa en la saturación de la superficie y no es necesaria una dosificación precisa de precursores. HfAlOx podría ser compatible con el proceso CMOS tradicional y usarse como la capa dieléctrica de un dispositivo informático en memoria. Los dispositivos Ag / HfAlOx / Pt RRAM se utilizaron para implementar operaciones lógicas con estado. La lógica IMP fue considerada como una de las cuatro operaciones lógicas fundamentales (OR, AND, NOT e IMP) por Whitehead y Russell en 1910 [16]. Además, la lógica NAND se puede obtener mediante dos pasos de la lógica IMP. La lógica NAND se conoce como lógica universal, lo que significa que cualquier lógica booleana se puede construir a través de la lógica NAND. Este dispositivo informático en memoria compatible con CMOS, de alta velocidad y bajo voltaje de funcionamiento muestra una forma eficaz de resolver las dificultades de la estructura tradicional de von Neumann en el futuro.

Métodos

En este trabajo se fabricaron dispositivos Ag / HfAlOx / Pt y TaN / HfAlOx / Pt, respectivamente. El esquema se muestra en la Fig. 1a. Primero, se depositó un electrodo inferior de Pt de película fina de 70 nm mediante deposición física de vapor (PVD) sobre el SiO ₂ limpio. / Sustrato de Si. Luego, se depositó una película binaria de HfAlOx de óxido de alto k con un espesor de 16 nm utilizando ALD derivado de tetrakisetilmetilamino hafnio (TEMAH), trimetil aluminio (TMA) y H ₂ O precursores a 240 ° C. Finalmente, se fabricó una película de electrodo superior de 50 nm Ag o TaN mediante fotolitografía y se fabricó mediante PVD. Con polarización en el electrodo superior y tierra en el electrodo inferior, las mediciones de corriente continua de los dispositivos se realizaron mediante un semiconductor Agilent B1500A a temperatura ambiente. Además, las mediciones lógicas se realizaron utilizando un analizador de parámetros de dispositivos semiconductores Agilent B1500A y dos unidades generadoras de impulsos semiconductores (SPGU).

un El esquema de los dispositivos Ag / HfAlOx / Pt y TaN / HfAlOx / Pt. b Espectros XPS del HfAlO de 16 nm

Resultado y discusión

La memoria y el procesador están separados en una arquitectura de computadora tradicional de von Neumann [17]. El tiempo de transferencia de los datos almacenados en la memoria y calculados en la unidad informática limita en gran medida el rendimiento de la computadora. Es posible romper la limitación operando los datos directamente en la memoria. La investigación de la computación en memoria tiene el potencial de romper este límite.

Para demostrar las funciones lógicas, se preparó RRAM con Ag / HfAlOx / Pt y TaN / HfAlOx / Pt. El esquema se muestra en la Fig. 1a; dos dispositivos pequeños junto con un dispositivo grande forman una unidad lógica IMP lógica RRAM mínima. Se puede implementar una lógica diferente utilizando múltiples celdas IMP. Las películas de HfAlOx de 16 nm cultivadas por ALD se caracterizaron por espectroscopía de fotoemisión de rayos X (XPS). Como se muestra en la Fig. 1b, se muestran los espectros XPS completos y Hf4f, Al2p, C1s y O1s. De los resultados de XPS, se puede concluir que las películas ALD HfAlO se han obtenido con éxito. Las figuras 2a yb exhiben el I - V características de conmutación bipolar de Ag / HfAlOx / Pt y TaN / HfAlOx / Pt medidas con un analizador de parámetros de dispositivos semiconductores Agilent B1500A. El voltaje de barrido se aplicó de - 1,5 a 1,5 V (para Ag) y - 3 a 3 V (para TaN) y un voltaje de lectura de 0,1 V a temperatura ambiente. La relación de resistencia de las estructuras Ag / HfAlOx / Pt y TaN / HfAlOx / Pt se muestra en la Fig. 3a y b. Un dispositivo con Ag como electrodo superior puede tener una relación de resistencia de 103 y TaN como electrodo superior puede alcanzar 60. Ambos electrodos superiores Ag y TaN exhiben características superiores de conmutación bipolar. La distribución del voltaje de operación de armado y reajuste se presenta como histogramas en la Fig. 3c yd, respectivamente. Los dispositivos Ag / HfAlOx / Pt exhiben un voltaje SET mucho más bajo. Se comparan los rendimientos de las dos estructuras. El rango de voltaje SET y RESET de los dispositivos Ag / HfAlOx / Pt fue de 0.33 a 0.62 V y de - 1.3 a - 1.5 V y los dispositivos TaN / HfAlOx / Pt fueron de 0.8 a 1.8 V y de - 1.3 a - 2 V Después de la comparación, se encontró que el dispositivo que usa Ag como electrodo superior es más adecuado como dispositivo para implementar lógica debido a una mejor estabilidad y un voltaje de operación más bajo.

Características típicas de corriente-voltaje de Ag / HfAlOx / Pt ( a ) y dispositivos TaN / HfAlOx / Pt ( b )

Características de resistencia y distribución de ajuste / reinicio de Ag / HfAlOx / Pt ( a , c ) y dispositivo TaN / HfAlOx / Pt ( b , d ) en 100 ciclos de barrido de CC consecutivos

Además, se explica más detalladamente el mecanismo de conmutación de los dos tipos de estructura. El I – V las curvas se analizan en la Fig. 4a-d. Las curvas se toman en coordenadas logarítmicas para analizar el estado actual en los estados de baja resistencia (LRS) y alta resistencia (HRS), respectivamente. Se muestra en la Fig. 4a yb el transporte de corriente de los dispositivos Ag / HfAlOx / Pt exhiben corriente óhmica durante el barrido de voltaje. Ya sea aplicando un voltaje directo o aplicando un voltaje negativo para los dispositivos TaN / HfAlOx / Pt que se muestran en la Fig.4c yd, la corriente cuasi-óhmica (la pendiente es aproximadamente igual a 1) se presenta en el LRS, mientras que la óhmica, cuasi-óhmica, y la corriente limitada de carga espacial se presenta en HRS en un campo eléctrico positivo.

El ajuste actual de los dispositivos Ag / HfAlOx / Pt bajo a positivo y b campos eléctricos negativos y el ajuste de corriente de los dispositivos TaN / HfAlOx / Pt en c positivo y d campos eléctricos negativos

La razón de este fenómeno es que el mecanismo de cambio de resistencia de los dispositivos TaN / HfAlOx / Pt se debe a la generación de avalanchas y la recombinación del ion oxígeno y la capa dieléctrica de vacancia de oxígeno. En los dispositivos Ag / HfAlOx / Pt, la formación y ruptura de filamentos conductores, gracias a las reacciones redox del Ag metálico, puede ser impulsada por un campo eléctrico mucho más bajo.

En este experimento, el estado de baja resistencia (LRS) se definió como 1 lógico y el estado de alta resistencia (HRS) como 0 lógico. El diagrama de prueba de la lógica IMP se muestra en la Fig. 5a. Está implementado por dos dispositivos RRAM P y Q y una resistencia de carga fija. Los estados de P y Q están representados por pyq, respectivamente. El IMP se realiza mediante dos pulsos de voltaje simultáneos:Va y Vb (definimos Va> Vset> Vb y Va - Vb

El diagrama de prueba de IMP ( a ) y NAND ( d ) lógica. b La tabla de verdad para la operación q ← pIMPq ( c ) y q ← pNANDq ( e ). El estado cambia de P y Q con pulso ( c )

s ′ ← pIMP (1).

s ′ ′ ← qIMPs ′ (2).

Las tablas de verdad que muestran la equivalencia de la secuencia de operaciones a NAND se muestran en la Fig. 5e.

Conclusión

En resumen, en este estudio se fabricaron dos tipos de dispositivos (Ag / HfAlOx / Pt y TaN / HfAlOx / Pt). Ambos dispositivos muestran características de conmutación superiores. El dispositivo Ag / HfAlOx / Pt ha demostrado ventajas como dispositivo informático en memoria, como compatibilidad CMOS, buena uniformidad, bajo voltaje de funcionamiento y bajo consumo de energía. La lógica se implementó a través de dispositivos Ag / HfAlOx / Pt RRAM. La realización de dispositivos informáticos en memoria de bajo voltaje de funcionamiento proporciona una forma eficaz de resolver las dificultades de la estructura tradicional de von Neumann en el futuro.

Abreviaturas

ALD:: Deposición de la capa atómica
HRS:: Estado de alta resistencia
LRS:: Estado de baja resistencia

Comportamiento del conjunto de electrocatalizador de membrana y electrocatalizador nanoestructurado en una celda de combustible de glicerol directo pasivo Fabricación de microesferas huecas de TiO2 promovidas por CdTe QD / BiOI con un rendimiento fotocatalítico superior bajo la luz solar simulada

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

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