RRAM на основе HfAlOx с атомарным слоем и низким рабочим напряжением для вычислений приложений в памяти

Фон

Для определения границ между хранилищем и вычислениями исследователи предложили серию исследовательских программ:память с высокой пропускной способностью, вычисления, близкие к памяти, и сети нейронного сжатия. Эти методы могут сократить время доступа к памяти, но принципиально не решают эту проблему. Для фундаментального решения этой проблемы концепция вычислений в памяти привлекла внимание во всем мире. Стоит отметить, что устройство резистивной оперативной памяти (RRAM) привлекло широкое внимание как конкурентный кандидат для вычислительного устройства, отличного от фон Неймана, из-за его способности выполнять вычисления в памяти [1,2,3,4,5, 6]. Вычислительные устройства в памяти действуют как вычислительные блоки и блоки хранения в одной и той же схеме [7]. Впервые он был предложен в 1971 г. Чуа [8]. Почти 40 лет спустя логическая операция на основе RRAM была впервые предложена в 2010 году [9]. С тех пор вычислительные устройства в памяти на основе RRAM были тщательно изучены, и было предложено множество методов реализации [10,11,12,13,14]. Но для вычислительного устройства в памяти наиболее важными характеристиками являются стабильность и низкое энергопотребление. В этой области есть еще много вопросов, которые необходимо изучить. В этом письме были сконструированы два типа устройств RRAM и проверены электрические свойства. В процессе реализации логических операций очень важными показателями являются стабильные напряжения установки и сброса, а также хорошая однородность между устройствами.

До сих пор многие материалы демонстрировали поведение RRAM, но некоторые из них были совместимы с процессом CMOS. Пленка бинарных высококалорийных оксидов HfAlOx была нанесена методом атомно-слоистого осаждения (ALD). ALD хорошо подходит для осаждения оксидных пленок и поверх слоев для различных устройств и приложений [15], потому что он основан на поверхностном насыщении и точная дозировка прекурсора не требуется. HfAlOx может быть хорошо совместим с традиционным процессом CMOS и использоваться в качестве диэлектрического слоя вычислительного устройства в памяти. Устройства Ag / HfAlOx / Pt RRAM использовались для реализации логических операций с отслеживанием состояния. Логика IMP рассматривалась как одна из четырех фундаментальных логических операций (OR, AND, NOT и IMP) Уайтхедом и Расселом в 1910 году [16]. Более того, логика NAND может быть получена двумя шагами логики IMP. Логика NAND известна как универсальная логика, что означает, что любая логика может быть построена с помощью логики NAND. Это КМОП-совместимое, высокоскоростное вычислительное устройство с низким рабочим напряжением в памяти показывает эффективный способ решения традиционных проблем структуры фон Неймана в будущем.

Методы

В данной работе были изготовлены устройства Ag / HfAlOx / Pt и TaN / HfAlOx / Pt соответственно. Схема представлена ​​на рис. 1а. Сначала с помощью физического осаждения из паровой фазы (PVD) на очищенный SiO ₂ был нанесен нижний платиновый электрод толщиной 70 нм. / Si подложка. Затем была нанесена пленка бинарного оксида HfAlOx с высоким коэффициентом k толщиной 16 нм с использованием ALD, полученного из тетракизэтилметиламиногафния (TEMAH), триметилалюминия (TMA) и H ₂ О прекурсоры при 240 ° C. Наконец, пленка верхнего электрода из Ag или TaN толщиной 50 нм была изготовлена ​​фотолитографией и изготовлена ​​методом PVD. При смещении на верхнем электроде и заземлении на нижнем электроде измерения постоянного тока устройств выполнялись полупроводником Agilent B1500A при комнатной температуре. Кроме того, были выполнены логические измерения с использованием анализатора параметров полупроводниковых устройств Agilent B1500A и двух блоков генератора полупроводниковых импульсов (SPGU).

а Схема устройств Ag / HfAlOx / Pt и TaN / HfAlOx / Pt. б XPS-спектры 16-нм HfAlO

Результат и обсуждение

В традиционной компьютерной архитектуре фон Неймана память и процессор разделены [17]. Время передачи данных, хранящихся в памяти и рассчитанных на вычислительном блоке, сильно ограничивает производительность компьютера. Ограничение можно снять, оперируя данными непосредственно в памяти. Исследование вычислений в памяти может преодолеть этот предел.

Чтобы продемонстрировать логические функции, RRAM был подготовлен с Ag / HfAlOx / Pt и TaN / HfAlOx / Pt. Схема представлена ​​на рис. 1а; два маленьких устройства вместе с одним большим устройством образуют минимальную логическую единицу RRAM logic IMP. Различная логика может быть реализована с использованием нескольких ячеек IMP. Пленки HfAlOx с длиной волны 16 нм, выращенные методом ALD, были охарактеризованы методом рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии (XPS). Как показано на рис. 1b, показаны полные XPS-спектры и Hf4f, Al2p, C1s и O1s. По результатам XPS можно сделать вывод, что пленки ALD HfAlO были успешно получены. На рисунках 2a и b показаны I - V характеристики биполярного переключения Ag / HfAlOx / Pt и TaN / HfAlOx / Pt, измеренные анализатором параметров полупроводниковых устройств Agilent B1500A. Напряжение качания подавалось от -1,5 до 1,5 В (для Ag) и от -3 до 3 В (для TaN) и напряжение считывания 0,1 В при комнатной температуре. Отношение сопротивлений структур Ag / HfAlOx / Pt и TaN / HfAlOx / Pt показано на рис. 3a и b. Устройство с Ag в качестве верхнего электрода может иметь отношение сопротивлений 103 и TaN, поскольку верхний электрод может достигать 60. Верхние электроды Ag и TaN демонстрируют превосходные характеристики биполярного переключения. Распределение напряжения срабатывания установки и сброса представлено в виде гистограмм на рис. 3c и d соответственно. Устройства Ag / HfAlOx / Pt демонстрируют гораздо более низкое напряжение SET. Сравниваются характеристики двух структур. Диапазон напряжения SET и RESET для устройств Ag / HfAlOx / Pt составлял от 0,33 до 0,62 В и от - 1,3 до - 1,5 В, а для устройств TaN / HfAlOx / Pt - от 0,8 до 1,8 В и от - 1,3 до - 2 В. После сравнения было обнаружено, что устройство, использующее Ag в качестве верхнего электрода, больше подходит в качестве устройства для реализации логики благодаря лучшей стабильности и более низкому рабочему напряжению.

Типичные вольт-амперные характеристики Ag / HfAlOx / Pt ( a ) и устройства TaN / HfAlOx / Pt ( b )

Характеристики выносливости и распределение установки / сброса Ag / HfAlOx / Pt ( a , c ) и устройство TaN / HfAlOx / Pt ( b , d ) менее 100 последовательных циклов свипирования постоянного тока

Кроме того, более подробно описан механизм переключения двух типов структур. I – V кривые проанализированы на рис. 4a – d. Кривые снимаются в логарифмических координатах для анализа текущего состояния в состояниях с низким сопротивлением (LRS) и состояниях с высоким сопротивлением (HRS), соответственно. На рис. 4a и b показано, как токопроводящие устройства Ag / HfAlOx / Pt демонстрируют омический ток во время развертки напряжения. При приложении прямого или отрицательного напряжения для устройств TaN / HfAlOx / Pt, показанных на рис. 4c и d, квазиомический ток (наклон примерно равен 1) представлен в LRS, в то время как омический, квазиомический, а ток, ограниченный пространственным зарядом, представлен в HRS при положительном электрическом поле.

Текущая установка устройств Ag / HfAlOx / Pt под a положительный и б отрицательные электрические поля и текущая подгонка устройств TaN / HfAlOx / Pt в соответствии с c положительный и d отрицательные электрические поля

Причина этого явления заключается в том, что механизм изменения сопротивления устройств TaN / HfAlOx / Pt связан с генерацией лавины и рекомбинацией иона кислорода и диэлектрического слоя кислородной вакансии. В устройствах Ag / HfAlOx / Pt образование и разрыв проводящих нитей благодаря окислительно-восстановительным реакциям металлического Ag может происходить под действием гораздо более низкого электрического поля.

В этом эксперименте состояние с низким сопротивлением (LRS) было определено как логическая 1, а состояние с высоким сопротивлением (HRS) как логика 0. Тестовая диаграмма логики IMP показана на рис. 5a. Он реализован двумя устройствами RRAM P и Q и одним фиксированным нагрузочным резистором. Состояния P и Q обозначаются буквами p и q соответственно. IMP выполняется двумя одновременными импульсами напряжения:Va и Vb (мы определили Va> Vset> Vb и Va - Vb

Диаграмма тестирования IMP ( a ) и И-НЕ ( d ) логика. б Таблица истинности для операции q ← pIMPq ( c ) и q ← pNANDq ( e ). Изменения состояния P и Q с импульсом ( c )

s ′ ← сутенеры (1).

s ′ ′ ← qIMPs ′ (2).

Таблицы истинности, показывающие эквивалентность последовательности операций И-НЕ, показаны на рис. 5e.

Заключение

Таким образом, в этом исследовании были изготовлены два типа устройств (Ag / HfAlOx / Pt и TaN / HfAlOx / Pt). Оба устройства демонстрируют превосходные коммутационные характеристики. Устройство Ag / HfAlOx / Pt продемонстрировало преимущества в качестве вычислительного устройства в памяти, такие как совместимость с CMOS, хорошая однородность, низкое рабочее напряжение и низкое энергопотребление. Логика была реализована через устройства RRAM Ag / HfAlOx / Pt. Реализация вычислительных устройств в памяти с низким рабочим напряжением обеспечивает эффективный способ решения традиционных проблем структуры фон Неймана в будущем.

Сокращения

ALD:

Осаждение атомного слоя

HRS:

Состояние высокого сопротивления

LRS:

Состояние низкого сопротивления