Высокопроизводительный низковольтный HfAlOx RRAM методом АЛД для in-memory computing

Аннотация

С приближением физического предела закона Мура, традиционная архитектура фон Неймана сталкивается с вызовом. Ожидается, что архитектура вычислений в памяти на основе резистивной ОЗУ (RRAM) может преодолеть узкое место фон Неймана. В этой работе HfAlOx-базированный RRAM, совместимый с CMOS, изготовлен процессом атомно-слоистого осаждения (АЛД). Металлы Ag и TaN выбраны как верхние электроды (TE). Эксперименты показывают, что устройство Ag/HfAlOx/Pt демонстрирует преимущества как память-вычислительное устройство благодаря низкому напряжению установки (0,33–0,6 В) — низкое потребление энергии и хорошая однородность. На базе структуры Ag/HfAlOx/Pt реализована IMP логика высокой скоростью с импульсами 100 нс низкого напряжения (0,3 и 0,6 В). После двух шагов IMP также получен NAND.

Введение

На границе памяти и вычислений предложены: высокопропускная память, near-memory computing, нейронные сети сжатия. Они сокращают время доступа к памяти, но не решают проблему коренным образом. Для фундаментального решения концепция computing-in-memory получила мировое внимание. RRAM устройство привлекает внимание как конкурент для не-фон-Неймановских вычислений благодаря способности к in-memory computing. Устройства computing-in-memory выступают и вычислительной, и памяти единицами в одной цепи. Первоочередно предложено Чуа в 1971 г. Почти 40 лет спустя RRAM-базированные логические операции впервые предложены в 2010 г. С тех пор интенсивно изучаются многие методы реализации. Но как computing-in-memory устройство, критически важны стабильность и низкое энергопотребление. Много вопросов остается открытыми. В этом письме построены два типа RRAM устройств, протестированы электрические свойства. При реализации логических операций стабильные напряжения установки/сброса и хорошая однородность между устройствами — ключевые индикаторы.

Много материалов показывают RRAM поведение, но мало совместимых с CMOS процессом. Двоичный высокок оксид HfAlOx осажден АЛД. АЛД хорошо подходит для осаждения оксидных пленок и покрытий для различных устройств, так как основан на насыщении поверхности и не требует точной дозировки предшественников. HfAlOx хорошо совместим с традиционным CMOS процессом и используется как диэлектрик in-memory computing устройства. Устройства Ag/HfAlOx/Pt использованы для реализации стейтфул логических операций. IMP логика считается одной из четырех фундаментальных (OR, AND, NOT, IMP) по Whitehead и Russell 1910 г. Более того, NAND логика получается двумя шагами IMP. NAND — универсальная логика, любые булевы логики можно построить через NAND. Этот CMOS-совместимый, высокоскоростной, низковольтный in-memory computing устройство показывает эффективный путь решения трудностей традиционной фон-Неймановской структуры в будущем.

Методы

Изготовлены устройства Ag/HfAlOx/Pt и TaN/HfAlOx/Pt. Схема рис. 1а. Сначала 70-нм Pt нижний электрод PVD на очищенном SiO₂/Si подложке. Затем 16-нм бинарный высокок оксид HfAlOx АЛД из предшественников TEMAH, TMA и H₂O при 240 °C. Наконец, 50 нм Ag или TaN верхний электрод фотолитографией и PVD. Смещение на верхний электрод, заземление нижнего, DC измерения Agilent B1500A при комнатной температуре. Логические измерения: Agilent B1500A и два блока генерации импульсов (SPGU).

Результаты и обсуждение

Память и процессор разделены в традиционной архитектуре фон Неймана. Время передачи данных между памятью и вычислителем сильно ограничивает производительность. Можно преодолеть, оперируя данными прямо в памяти. Исследование computing-in-memory имеет потенциал сломить этот предел.

Для демонстрации логических функций подготовлены RRAM Ag/HfAlOx/Pt и TaN/HfAlOx/Pt. Схема рис. 1а; два малых устройства и одно большое образуют минимальную RRAM логическую ячейку IMP. Разные логики реализуются множеством IMP ячеек. 16-нм HfAlOx пленки АЛД охарактеризованы XPS. Рис. 1б: полные XPS спектры и Hf4f, Al2p, C1s, O1s. XPS подтверждает успешное получение АЛД HfAlO пленок. Рис. 2а, б: I-V биполярные переключения Ag/HfAlOx/Pt и TaN/HfAlOx/Pt (Agilent B1500A). Напряжение сканирования -1,5 до 1,5 В (Ag) и -3 до 3 В (TaN), чтение 0,1 В при комнатной температуре. Отношение сопротивлений (рис. 3а, б): Ag/HfAlOx/Pt — 10³, TaN/HfAlOx/Pt — 60. Оба показывают отличные биполярные переключения. Распределение напряжений установки/сброса гистограммами (рис. 3в, г). Ag/HfAlOx/Pt намного ниже SET напряжение. Сравнение: SET/RESET диапазоны Ag: 0,33–0,62 В и -1,3 – -1,5 В; TaN: 0,8–1,8 В и -1,3 – -2 В. Устройство с Ag верхним электродом более подходит для логики благодаря лучшей стабильности и низкому рабочему напряжению.

Механизм переключения двух структур детально разобран. I-V кривые в лог координатах (рис. 4а–д) для анализа токопроводения в низко- (LRS) и высокоомном (HRS) состояниях. Ag/HfAlOx/Pt (рис. 4а, б): омическое проведение при развертке напряжения. TaN/HfAlOx/Pt (рис. 4в, г): квази-омическое (наклон ~1) в LRS, омическое, квази-омическое и пространственно-заряженное ограниченное течение в HRS при положительном поле.

Причина: механизм изменения сопротивления TaN/HfAlOx/Pt — лавинная генерация и рекомбинация кислородных ионов и вакансий в диэлектрике. В Ag/HfAlOx/Pt формирование и разрыв проводящих нитей за счет редокс реакций металлического Ag может управляться гораздо более низким электрическим полем.

В эксперименте LRS = логика 1, HRS = логика 0. Схема теста IMP логики (рис. 5а). Реализуется двумя RRAM устройствами P и Q и одним фиксированным нагрузочным резистором. Состояния P и Q — p и q. IMP двумя одновременными импульсами Va и Vb (Va > Vset > Vb и Va – Vb < Vset, так что Va может запрограммировать 0→1, а Va−Vb не может). Принцип изменения логики p из-за q: если q=1, p не меняется (падение напряжения на p почти Va−Vb), если q=0, p всегда становится 1. Таблица истинности q ← pIMPq (рис. 5б) и изменение состояний P, Q с импульсом (рис. 5в). NAND логика через двухшаговый IMP (рис. 5г). Реализация NAND в цепи с тремя RRAM: P, Q, S. Входы p, q хранятся в P, Q. Первый шаг: S инициализируется в 0. Затем два шага IMP: s' ← pIMPs (1); s'' ← qIMPs' (2). Таблицы истинности (рис. 5д) показывают эквивалентность последовательности NAND.

Заключение

Изучены два типа устройств (Ag/HfAlOx/Pt и TaN/HfAlOx/Pt). Оба показывают отличные переключающие характеристики. Ag/HfAlOx/Pt демонстрирует преимущества для computing-in-memory: CMOS совместимость, хорошая однородность, низкое рабочее напряжение, низкое потребление. Логика реализована через Ag/HfAlOx/Pt RRAM. Реализация низковольтных computing-in-memory устройств дает эффективный путь решения проблем традиционной фон-Неймановской структуры в будущем.

Аббревиатуры

ALD:

Атомно-слоистое осаждение

HRS:

Высокоомное состояние

LRS:

Низкоомное состояние