RRAM Berbasis HfAlOx Terdeposit Lapisan Atom dengan Tegangan Operasi Rendah untuk Komputasi Aplikasi Dalam-Memori
Abstrak
Dengan hukum Moore yang mendekati batas fisiknya, arsitektur tradisional von Neumann menghadapi tantangan. Diharapkan komputasi dalam memori berbasis arsitektur resistive random access memory (RRAM) dapat menjadi kandidat potensial untuk mengatasi masalah bottleneck von Neumann dari komputer tradisional [Backus, J, Dapatkah pemrograman dibebaskan dari gaya von Neumann?, 1977]. Dalam karya ini, RRAM berbasis HfAlOx yang kompatibel dengan teknologi CMOS dibuat dengan proses deposisi lapisan atom (ALD). Logam Ag dan TaN dipilih sebagai elektroda atas (TE). Eksperimen menunjukkan bahwa perangkat Ag/HfAlOx/Pt telah menunjukkan keunggulan sebagai perangkat komputasi memori karena voltase yang disetel rendah (0,33~0,6 V) yang berarti konsumsi daya rendah dan keseragaman yang baik. Berdasarkan struktur Ag/HfAlOx/Pt, logika IMP diimplementasikan pada kecepatan tinggi dengan menerapkan pulsa tegangan rendah frekuensi tinggi 100-ns (0,3 V dan 0,6 V). Setelah dua langkah implementasi IMP, NAND juga dapat diperoleh.
Latar Belakang
Untuk batasan antara penyimpanan dan komputasi, para peneliti telah mengusulkan serangkaian program penelitian:memori bandwidth tinggi, komputasi dekat-memori, dan jaringan kompresi saraf. Metode-metode ini dapat mengurangi waktu untuk mengakses memori, tetapi mereka tidak dapat menyelesaikan masalah ini secara mendasar. Untuk mengatasi masalah ini secara mendasar, konsep komputasi dalam memori telah mendapat perhatian di seluruh dunia. Perlu dicatat bahwa perangkat memori akses acak resistif (RRAM) telah menarik perhatian luas sebagai kandidat kompetitif untuk perangkat komputasi non-von Neumann karena kemampuannya dalam komputasi dalam memori [1,2,3,4,5, 6]. Perangkat komputasi dalam memori bertindak sebagai unit komputasi dan penyimpanan di sirkuit yang sama [7]. Ini pertama kali diusulkan pada tahun 1971 oleh Chua [8]. Hampir 40 tahun kemudian, operasi logika berbasis RRAM pertama kali diusulkan pada tahun 2010 [9]. Sejak itu, perangkat komputasi dalam memori berbasis RRAM telah dipelajari secara ekstensif dan banyak metode implementasi telah diusulkan [10,11,12,13,14]. Namun sebagai perangkat komputasi dalam memori, fitur yang paling penting adalah stabilitas dan konsumsi energi yang rendah. Masih banyak persoalan di bidang ini yang perlu dieksplorasi. Dalam surat ini, dua jenis perangkat RRAM dibangun dan sifat listriknya diuji. Dalam proses penerapan operasi logika, tegangan setel dan reset yang stabil serta keseragaman yang baik antar perangkat merupakan indikator yang sangat penting.
Sejauh ini, berbagai material telah menunjukkan perilaku RRAM, tetapi hanya sedikit yang kompatibel dengan proses CMOS. Film HfAlOx oksida k tinggi biner diendapkan menggunakan deposisi lapisan atom (ALD). ALD sangat cocok untuk deposisi film oksida dan lapisan atas untuk berbagai perangkat dan aplikasi [15] karena didasarkan pada saturasi permukaan dan dosis prekursor yang tepat tidak diperlukan. HfAlOx bisa sangat kompatibel dengan proses CMOS tradisional dan digunakan sebagai lapisan dielektrik perangkat komputasi dalam memori. Perangkat RRAM Ag/HfAlOx/Pt digunakan untuk mengimplementasikan operasi logika stateful. Logika IMP dianggap sebagai salah satu dari empat operasi logika dasar (OR, AND, NOT, dan IMP) oleh Whitehead dan Russell pada tahun 1910 [16]. Selain itu, logika NAND dapat diperoleh dengan dua langkah logika IMP. Logika NAND dikenal sebagai logika universal, yang berarti setiap logika Boolean dapat dibangun melalui logika NAND. Perangkat komputasi dalam memori yang kompatibel dengan CMOS, kecepatan tinggi, dan tegangan operasi rendah ini menunjukkan cara yang efektif untuk memecahkan kesulitan struktur von Neumann tradisional di masa depan.
Metode
Dalam karya ini, perangkat Ag/HfAlOx/Pt dan TaN/HfAlOx/Pt dibuat, masing-masing. Skema ditunjukkan pada Gambar. 1a. Pertama, elektroda bawah Pt film tipis 70 nm diendapkan dengan deposisi uap fisik (PVD) pada SiO2 yang telah dibersihkan. /Si substrat. Kemudian diendapkan film HfAlOx oksida k tinggi biner dengan ketebalan 16 nm menggunakan ALD yang berasal dari tetrakisethylmethylamino hafnium (TEMAH), trimetil aluminium (TMA), dan H2 O prekursor pada 240 °C. Akhirnya, film elektroda atas 50 nm Ag atau TaN dibuat dengan fotolitografi dan dibuat dengan PVD. Dengan bias pada elektroda atas dan ground pada elektroda bawah, pengukuran arus searah perangkat dilakukan oleh semikonduktor Agilent B1500A pada suhu kamar. Selain itu, pengukuran logika dilakukan menggunakan penganalisis parameter perangkat semikonduktor Agilent B1500A dan dua unit pembangkit pulsa semikonduktor (SPGU).
a Skema perangkat Ag/HfAlOx/Pt dan TaN/HfAlOx/Pt. b Spektrum XPS dari HfAlO 16-nm
Hasil dan Diskusi
Memori dan prosesor dipisahkan dalam arsitektur komputer von Neumann tradisional [17]. Waktu transfer data yang disimpan dalam memori dan dihitung pada unit komputasi sangat membatasi kinerja komputer. Dimungkinkan untuk memecahkan batasan dengan mengoperasikan data secara langsung di memori. Penelitian komputasi dalam memori berpotensi menembus batas ini.
Untuk mendemonstrasikan fungsi logika, RRAM disiapkan dengan Ag/HfAlOx/Pt dan TaN/HfAlOx/Pt. Skema ditunjukkan pada Gambar. 1a; dua perangkat kecil bersama dengan satu perangkat besar membentuk unit logika IMP logika RRAM minimum. Logika yang berbeda dapat diimplementasikan dengan menggunakan beberapa sel IMP. Film HfAlOx 16-nm yang ditumbuhkan oleh ALD dicirikan oleh spektroskopi fotoemisi sinar X (XPS). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b, spektrum XPS lengkap dan Hf4f, Al2p, C1s, dan O1 ditampilkan. Dari hasil XPS dapat disimpulkan bahwa film ALD HfAlO telah berhasil diperoleh. Gambar 2a dan b menunjukkan I –V karakteristik switching bipolar dari Ag/HfAlOx/Pt dan TaN/HfAlOx/Pt diukur dengan penganalisis parameter perangkat semikonduktor Agilent B1500A. Tegangan sapuan diterapkan dari 1,5 hingga 1,5 V (untuk Ag) dan 3 hingga 3 V (untuk TaN) dan tegangan pembacaan 0,1 V pada suhu kamar. Rasio resistensi dari struktur Ag/HfAlOx/Pt dan TaN/HfAlOx/Pt ditunjukkan pada Gambar 3a dan b. Perangkat dengan Ag sebagai elektroda atas dapat memiliki rasio resistansi 103 dan TaN karena elektroda atas dapat mencapai 60. Baik elektroda atas Ag dan TaN menunjukkan karakteristik switching bipolar yang unggul. Distribusi tegangan operasi set dan reset disajikan sebagai histogram pada Gambar. 3c dan d, masing-masing. Perangkat Ag/HfAlOx/Pt menunjukkan tegangan SET yang jauh lebih rendah. Performa kedua struktur tersebut dibandingkan. Rangking tegangan SET dan RESET perangkat Ag/HfAlOx/Pt adalah dari 0,33 hingga 0,62 V dan dari 1,3 hingga 1,5 V dan perangkat TaN/ HfAlOx/Pt adalah dari 0,8 hingga 1,8 V dan dari 1,3 hingga 2 V Setelah dibandingkan, ditemukan bahwa perangkat yang menggunakan Ag sebagai elektroda atas lebih cocok sebagai perangkat untuk mengimplementasikan logika karena stabilitas yang lebih baik dan tegangan operasi yang lebih rendah.
Karakteristik tegangan arus khas Ag/HfAlOx/Pt (a ) dan perangkat TaN/HfAlOx/Pt (b )
Karakteristik daya tahan dan distribusi set/reset Ag/HfAlOx/Pt (a , c ) dan perangkat TaN/HfAlOx/Pt (b , d ) di bawah 100 siklus penyapuan DC berturut-turut
Selain itu, mekanisme switching dari kedua jenis struktur tersebut dijelaskan lebih lanjut. I–V kurva dianalisis pada Gambar. 4a–d. Kurva diambil dalam koordinat logaritmik untuk menganalisis status saat ini dalam status resistansi rendah (LRS) dan status resistansi tinggi (HRS), masing-masing. Hal ini ditunjukkan pada Gambar. 4a dan b transportasi arus perangkat Ag/HfAlOx/Pt menunjukkan arus ohmik selama penyapuan tegangan. Baik menerapkan tegangan maju atau menerapkan tegangan negatif untuk perangkat TaN/HfAlOx/Pt yang ditunjukkan pada Gambar. 4c dan d, arus kuasi-ohmik (kemiringan kira-kira sama dengan 1) disajikan dalam LRS, sedangkan ohmik, kuasi-ohmik, dan arus terbatas muatan ruang disajikan dalam HRS pada medan listrik positif.
Pemasangan perangkat Ag/HfAlOx/Pt saat ini di bawah a positif dan b medan listrik negatif dan pemasangan arus perangkat TaN/HfAlOx/Pt di bawah c positif dan d medan listrik negatif
Alasan untuk fenomena ini adalah bahwa mekanisme perubahan resistansi perangkat TaN/HfAlOx/Pt adalah karena generasi avalanching dan rekombinasi ion oksigen dan lapisan dielektrik kekosongan oksigen. Dalam perangkat Ag/HfAlOx/Pt, pembentukan dan pecahnya filamen konduktor, berkat reaksi redoks logam Ag, dapat didorong oleh medan listrik yang jauh lebih rendah.
Dalam eksperimen ini, status resistansi rendah (LRS) didefinisikan sebagai logika 1 dan status resistansi tinggi (HRS) sebagai logika 0. Diagram pengujian logika IMP ditunjukkan pada Gambar 5a. Ini diimplementasikan oleh dua perangkat RRAM P dan Q dan satu resistor beban tetap. Keadaan P dan Q masing-masing diwakili oleh p dan q. IMP dilakukan oleh dua pulsa tegangan simultan:Va dan Vb (kami mendefinisikan Va > Vset > Vb dan Va – Vb < Vset sehingga Va dapat memprogram logika 0 hingga 1 dan Va − Vb tidak dapat memprogram logika). Prinsip perubahan logika p adalah karena q. Jika q sama dengan 1, maka p dibiarkan tidak berubah karena jatuh tegangan pada p hampir Va − Vb, dan jika q sama dengan 0, p selalu sama dengan 1. Tabel kebenaran untuk operasi q ← pIMPq ditunjukkan pada Gambar. 5b dan perubahan keadaan P dan Q dengan pulsa ditunjukkan pada Gambar. 5c. Logika NAND dapat diperoleh melalui logika IMP dua langkah. Implementasi logika NAND dapat dilakukan dengan logika IMP dua langkah, karena keseragaman yang baik. NAND dianggap sebagai logika universal, yang berarti dapat membangun logika Boolean apa pun melalui gerbang NAND yang terhubung secara topologi. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 5d, operasi diimplementasikan dalam rangkaian dengan tiga perangkat RRAM:P, Q, dan S. Inputnya adalah nilai p dan q yang disimpan di perangkat P dan Q. Pada langkah pertama eksekusi logika, S diinisialisasi ke keadaan 0. Kemudian, dua langkah IMP dijalankan:
Diagram uji IMP (a ) dan NAND (d ) logika. b Tabel kebenaran untuk operasi q ← pIMPq (c ) dan q ← pNANDq (e ). Perubahan status P dan Q dengan pulsa (c )
s′ ← pIMPs (1).
s′′ ← qIMPs′ (2).
Tabel kebenaran yang menunjukkan kesetaraan urutan operasi ke NAND ditunjukkan pada Gambar. 5e.
Kesimpulan
Singkatnya, dua jenis perangkat (Ag/HfAlOx/Pt dan TaN/HfAlOx/Pt) dibuat dalam penelitian ini. Kedua perangkat menunjukkan karakteristik switching yang unggul. Perangkat Ag/HfAlOx/Pt telah menunjukkan keunggulan sebagai perangkat komputasi dalam memori seperti kompatibilitas CMOS, keseragaman yang baik, tegangan pengoperasian yang rendah, dan konsumsi daya yang rendah. Logika diimplementasikan melalui perangkat RRAM Ag/HfAlOx/Pt. Realisasi perangkat komputasi dalam memori tegangan operasi rendah memberikan cara yang efektif untuk memecahkan kesulitan struktur von Neumann tradisional di masa depan.
