RRAM HfAlOx de Alto Rendimiento y Bajo Voltaje mediante Deposición Atómica para Computación en Memoria

Resumen

Con la ley de Moore acercándose a su límite físico, la arquitectura tradicional von Neumann enfrenta un desafío. Se espera que la arquitectura de computación en memoria basada en memoria de acceso aleatorio resistiva (RRAM) sea candidata potencial para superar el problema del cuello de botella von Neumann de computadoras tradicionales [Backus, J, Can programming be liberated from the von Neumann style?, 1977]. En este trabajo, RRAM basado en HfAlOx compatible con tecnología CMOS fue fabricado por proceso de deposición atómica por capas (ALD). Metales Ag y TaN se seleccionaron como electrodos superiores (TE). Los experimentos muestran que el dispositivo Ag/HfAlOx/Pt ha demostrado ventajas como dispositivo memoria-computación debido al bajo voltaje de set (0,33-0,6 V) que significa bajo consumo de energía y buena uniformidad. Basado en estructura Ag/HfAlOx/Pt, lógica IMP se implementó a alta velocidad aplicando pulso de alto voltaje-baja frecuencia de 100 ns (0,3 V y 0,6 V). Tras dos pasos de implementación IMP, NAND también puede obtenerse.

Antecedentes

Para los límites entre almacenamiento y computación, investigadores han propuesto una serie de programas de investigación: memoria de alto ancho de banda, computación near-memory y redes neuronales de compresión. Estos métodos pueden reducir el tiempo de acceso a memoria, pero no podrían resolver este problema fundamentalmente. Para resolver este problema fundamentalmente, el concepto de computación en memoria ha ganado atención mundial. Vale notar que un dispositivo de memoria de acceso aleatorio resistiva (RRAM) ha atraído atención generalizada como candidato competitivo para dispositivo de computación no-von Neumann debido a su capacidad de computación en memoria [1,2,3,4,5,6]. Dispositivos de computación en memoria actúan como unidades de computación y almacenamiento en el mismo circuito [7]. Fue propuesto primero en 1971 por Chua [8]. Casi 40 años después, operación lógica basada en RRAM fue propuesta primero en 2010 [9]. Desde entonces, dispositivo de computación en memoria basado en RRAM ha sido estudiado extensivamente y muchos métodos de implementación han sido propuestos [10,11,12,13,14]. Pero como dispositivo de computación en memoria, la característica más crucial es estabilidad y bajo consumo de energía. Todavía hay muchos problemas en esta área que necesitan explorarse. En esta carta, se construyeron dos tipos de dispositivos RRAM y se probaron propiedades eléctricas. En el proceso de implementar operaciones lógicas, voltajes de set y reset estables y buena uniformidad entre dispositivos son indicadores muy importantes.

Hasta ahora, una amplia variedad de materiales han mostrado comportamientos RRAM, pero pocos eran compatibles con proceso CMOS. La película de óxido binario de alto-k HfAlOx se depositó usando deposición atómica por capas (ALD). ALD es adecuado para deposición de películas de óxido y capas superiores para varios dispositivos y aplicaciones [15] porque se basa en saturación de superficie y dosificación precisa de precursor no es necesaria. HfAlOx podría ser bien compatible con proceso CMOS tradicional y usado como capa dieléctrica de dispositivo de computación en memoria. Los dispositivos RRAM Ag/HfAlOx/Pt se usaron para implementar operaciones lógicas stateful. La lógica IMP fue considerada como una de cuatro operaciones lógicas fundamentales (OR, AND, NOT e IMP) por Whitehead y Russell en 1910 [16]. Además, la lógica NAND puede obtenerse por dos pasos de lógica IMP. La lógica NAND es conocida como lógica universal, lo que significa que cualquier lógica booleana puede construirse a través de lógica NAND. Este dispositivo de computación en memoria compatible CMOS, alta velocidad y bajo voltaje de operación muestra una forma efectiva de resolver dificultades de estructura tradicional von Neumann en el futuro.

Métodos

En este trabajo, dispositivos Ag/HfAlOx/Pt y TaN/HfAlOx/Pt se fabricaron respectivamente. El esquema se muestra en Fig. 1a. Primero, una película delgada Pt de 70 nm como electrodo inferior se depositó por deposición física de vapor (PVD) en sustrato SiO₂/Si limpio. Luego, una película de óxido binario de alto-k HfAlOx con espesor de 16 nm se depositó usando ALD derivado de tetrakis(etilmetilamino)hafnio (TEMAH), trimetil aluminio (TMA) y precursores H₂O a 240 °C. Finalmente, película de electrodo superior Ag o TaN de 50 nm se fabricó por fotolitografía y PVD. Con sesgo en electrodo superior y tierra en electrodo inferior, mediciones de corriente continua de dispositivos se realizaron por Agilent B1500A semiconductor a temperatura ambiente. Además, mediciones lógicas se realizaron usando analizador de parámetros de dispositivo semiconductor Agilent B1500A y dos unidades generadoras de pulso semiconductor (SPGU).

Resultado y Discusión

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

Para demostrar funciones lógicas, RRAM se preparó con Ag/HfAlOx/Pt y TaN/HfAlOx/Pt. El esquema se muestra en Fig. 1a; dos dispositivos pequeños junto con uno grande forman una unidad mínima de lógica IMP RRAM. Diferentes lógicas pueden implementarse usando múltiples celdas IMP. Las películas HfAlOx de 16 nm crecidas por ALD fueron caracterizadas por espectroscopía de fotoemisión de rayos X (XPS). Como se muestra en Fig. 1b, los espectros XPS completos y Hf4f, Al2p, C1s y O1s se exhiben. De los resultados XPS, se puede concluir que las películas HfAlO ALD se obtuvieron exitosamente. Figura 2a y b exhiben características de conmutación bipolar I-V de Ag/HfAlOx/Pt y TaN/HfAlOx/Pt medidos por analizador de parámetros de dispositivo semiconductor 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 voltaje de lectura de 0,1 V a temperatura ambiente. La relación de resistencia de ambas estructuras Ag/HfAlOx/Pt y TaN/HfAlOx/Pt se muestra en Fig. 3a y b. Un dispositivo con Ag como electrodo superior puede tener 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 de voltaje de operación set y reset se presenta como histogramas en Fig. 3c y d, respectivamente. Los dispositivos Ag/HfAlOx/Pt exhiben voltaje SET mucho menor. Los rendimientos de las dos estructuras se comparan. El rango de voltaje SET y RESET de dispositivos Ag/HfAlOx/Pt fue de 0,33 a 0,62 V y de -1,3 a -1,5 V y dispositivos TaN/HfAlOx/Pt fue de 0,8 a 1,8 V y de -1,3 a -2 V. Tras comparación, se encontró que el dispositivo usando Ag como electrodo superior es más adecuado como dispositivo para implementar lógica debido a mejor estabilidad y menor voltaje de operación.

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

La razón de este fenómeno es que el mecanismo de cambio de resistencia de dispositivos TaN/HfAlOx/Pt se debe a generación y recombinación por avalancha de iones oxígeno y vacancias de oxígeno en capa dieléctrica. En dispositivos Ag/HfAlOx/Pt, la formación y ruptura de filamentos conductores, gracias a reacciones redox de Ag metálico, pueden ser impulsadas por campo eléctrico mucho menor.

En este experimento, estado de baja resistencia (LRS) se definió como lógica 1 y estado de alta resistencia (HRS) como lógica 0. El diagrama de prueba de lógica IMP se muestra en Fig. 5a. Se implementa por dos dispositivos RRAM P y Q y una resistencia de carga fija. Los estados de P y Q son representados por p y q, respectivamente. IMP se realiza por dos pulsos de voltaje simultáneos: Va y Vb (definimos Va > Vset > Vb y Va - Vb < Vset para que Va pueda programar lógica 0 a 1 y Va - Vb no pueda programar lógica). El principio de cambio lógico p se debe a q. Si q es igual a 1, entonces p queda inalterado porque la caída de voltaje a través de p es casi Va - Vb, y si q es igual a 0, p siempre es igual a 1. La tabla de verdad para la operación q ← pIMPq se muestra en Fig. 5b y los cambios de estado de P y Q con el pulso se muestran en Fig. 5c. La lógica NAND puede obtenerse a través de lógica IMP de dos pasos. La implementación de lógica NAND puede hacerse por lógica IMP de dos pasos, debido a la buena uniformidad. NAND se considera lógica universal, lo que significa que puede construir cualquier lógica booleana a través de compuertas NAND topológicamente conectadas. Como se ilustra en Fig. 5d, la operación se implementó en un circuito con tres dispositivos RRAM: P, Q y S. Las entradas fueron los valores p y q almacenados en dispositivos P y Q. En el primer paso de ejecución lógica, S se inicializa a estado 0. Luego, se ejecutaron dos pasos de IMP:

s′ ← pIMPs (1).

s′′ ← qIMPs′ (2).

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

Conclusión

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

Abreviaturas

ALD:

Deposición atómica por capas

HRS:

Estado de alta resistencia

LRS:

Estado de baja resistencia