RRAM HfAlOx Performa Tinggi, Tegangan Rendah melalui Ablitasi Lapisan Atom untuk Komputasi dalam Memori
Abstrak
Dengan hukum Moore mendekati batas fisiknya, arsitektur von Neumann tradisional menghadapi tantangan. Diharapkan bahwa arsitektur komputasi dalam memori berbasis memori akses acak resistif (RRAM) dapat menjadi calon potensial untuk mengatasi masalah bottlenecks von Neumann pada komputer tradisional [Backus, J, Can programming be liberated from the von Neumann style?, 1977]. Dalam pekerjaan ini, RRAM berbasis HfAlOx yang kompatibel dengan teknologi CMOS dibuat melalui proses ablitasi lapisan atom (ALD). Logam Ag dan TaN dipilih sebagai elektroda atas (TE). Eksperimen menunjukkan bahwa perangkat Ag/HfAlOx/Pt telah menunjukkan keuntungan sebagai perangkat komputasi-memori karena tegangan set rendah (0,33–0,6 V) yang berarti konsumsi daya rendah dan keseragaman yang baik. Berdasarkan struktur Ag/HfAlOx/Pt, logika IMP diimplementasikan dengan 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 batas antara penyimpanan dan komputasi, peneliti telah mengusulkan serangkaian program penelitian: memori bandwidth tinggi, komputasi dekat memori, dan jaringan kompresi neural. Metode ini dapat mengurangi waktu untuk mengakses memori, tetapi mereka tidak dapat memecahkan masalah ini secara fundamental. Untuk memecahkan masalah ini secara fundamental, konsep komputasi dalam memori telah memperhatian di seluruh dunia. Layak untuk dicatat bahwa perangkat memori akses acak resistif (RRAM) telah menarik perhatian luas sebagai calon kompetitif untuk perangkat komputasi non-von Neumann karena kemampuannya untuk komputasi dalam memori [1,2,3,4,5,6]. Perangkat komputasi dalam memori bertindak sebagai unit komputasi dan penyimpanan dalam sirkuit yang sama [7]. Konsep ini pertama kali diusulkan pada 1971 oleh Chua [8]. Hampir 40 tahun kemudian, operasi logika berbasis RRAM pertama kali diusulkan pada 2010 [9]. Sejak itu, perangkat komputasi dalam memori berbasis RRAM telah diteliti secara luas dan banyak metode implementasi telah diusulkan [10,11,12,13,14]. Namun, sebagai perangkat komputasi dalam memori, fitur paling krusial adalah stabilitas dan konsumsi daya rendah. Masih ada banyak masalah di bidang ini yang perlu dijelajahi. Dalam surat ini, dua jenis perangkat RRAM dibangun dan properti listriknya diuji. Dalam proses implementasi operasi logika, tegangan set dan reset yang stabil serta keseragaman yang baik antara perangkat adalah indikator yang sangat penting.
Sampai sekarang, berbagai macam bahan telah menunjukkan perilaku RRAM, tetapi hanya sedikit yang kompatibel dengan proses CMOS. Film oksida high-κ biner HfAlOx ditanam menggunakan ablitasi lapisan atom (ALD). ALD sangat cocok untuk depo film oksida dan lapisan atas untuk berbagai perangkat dan aplikasi [15] karena didasarkan pada kepuasan permukaan dan dosis prekursor yang tepat tidak diperlukan. HfAlOx dapat 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 empat operasi logika dasar (OR, AND, NOT, dan IMP) oleh Whitehead dan Russell pada 1910 [16]. Selain itu, logika NAND dapat diperoleh dengan dua langkah logika IMP. Logika NAND dikenal sebagai logika universal, yang berarti semua logika Boolean dapat dibangun melalui logika NAND. Perangkat komputasi dalam memori yang kompatibel CMOS, berkecepatan tinggi, dan tegangan operasi rendah ini menunjukkan cara yang efektif untuk memecahkan kesulitan struktur von Neumann tradisional di masa depan.
Metode
Dalam pekerjaan ini, perangkat Ag/HfAlOx/Pt dan TaN/HfAlOx/Pt dibuat, masing-masing. Skematis ditunjukkan pada Gambar 1a. Pertama, film elektroda bawah Pt 70 nm ditanam oleh depo fisis uap (PVD) pada substrat SiO₂/Si yang telah dibersihkan. Kemudian, film oksida high-κ biner HfAlOx dengan ketebalan 16 nm ditanam menggunakan ALD yang berasal dari prekursor tetrakisethylmethylamino hafnium (TEMAH), trimethyl aluminum (TMA), dan H₂O pada 240 °C. Akhirnya, film elektroda atas Ag atau TaN 50 nm dibuat melalui litografi dan dibuat oleh PVD. Dengan bias pada elektroda atas dan ground pada elektroda bawah, pengukuran arus-terus langsung dari perangkat dilakukan oleh Agilent B1500A semiconductor pada suhu ruang. Selain itu, pengukuran logika dilakukan menggunakan Agilent B1500A semiconductor device parameter analyzer dan dua unit generator pulsa semikonduktor (SPGU).
a Skematis perangkat Ag/HfAlOx/Pt dan TaN/HfAlOx/Pt. b Spektra XPS dari HfAlO 16 nm
Hasil dan Pembahasan
Memori dan prosesor terpisah dalam arsitektur komputer von Neumann tradisional [17]. Waktu transfer data yang disimpan dalam memori dan dihitung pada unit komputasi sangat membatasi performa komputer. Memungkinkan untuk memecah keterbatasan ini dengan mengoperasikan data secara langsung pada memori. Penelitian komputasi dalam memori memiliki potensi untuk memecah batas ini.
Untuk menunjukkan fungsi logika, RRAM disiapkan dengan Ag/HfAlOx/Pt dan TaN/HfAlOx/Pt. Skematis ditunjukkan pada Gambar 1a; dua perangkat kecil bersama dengan satu perangkat besar membentuk unit logika IMP RRAM minimum. Berbagai logika dapat diimplementasikan dengan menggunakan beberapa sel IMP. Film HfAlOx 16 nm yang ditanam oleh ALD dikarakterisir oleh spektroskopi fotoemisi X-ray (XPS). Seperti ditunjukkan pada Gambar 1b, spektrum XPS lengkap dan Hf4f, Al2p, C1s, dan O1s ditampilkan. Dari hasil XPS, dapat disimpulkan bahwa film HfAlO ALD berhasil diperoleh. Gambar 2a dan b menunjukkan karakteristik switching bipolar I–V dari Ag/HfAlOx/Pt dan TaN/HfAlOx/Pt yang diukur oleh Agilent B1500A semiconductor device parameter analyzer. Tegangan sweeping diterapkan dari −1,5 hingga 1,5 V (untuk Ag) dan −3 hingga 3 V (untuk TaN) dan tegangan bacaan 0,1 V pada suhu ruang. Rasio resistansi 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 sebagai elektroda atas dapat mencapai 60. Kedu elektroda atas Ag dan TaN menunjukkan karakteristik switching bipolar yang unggul. Distribusi tegangan operasi set dan reset ditampilkan sebagai histogram pada Gambar 3c dan d, masing-masing. Perangkat Ag/HfAlOx/Pt menunjukkan tegangan SET yang jauh lebih rendah. Performa kedua struktur dibandingkan. Rentang tegangan SET dan RESET dari 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 perbandingan, 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 arus-tegangan tipikal dari Ag/HfAlOx/Pt (a) dan perangkat TaN/HfAlOx/Pt (b)
Karakteristik ketahanan dan distribusi set/reset dari Ag/HfAlOx/Pt (a, c) dan perangkat TaN/HfAlOx/Pt (b, d) di bawah 100 siklus sweeping DC berturut-turut
Selanjutnya, mekanisme switching dari kedua jenis struktur lebih lanjut diuraikan. Kurva I–V dianalisis pada Gambar 4a–d. Kurva diambil dalam koordinat logaritmik untuk menganalisis status arus dalam keadaan resistansi rendah (LRS) dan keadaan resistansi tinggi (HRS), masing-masing. Ditunjukkan pada Gambar 4a dan b bahwa transportasi arus perangkat Ag/HfAlOx/Pt menunjukkan arus ohmik selama sweeping tegangan. Baik menerapkan tegangan maju atau menerapkan tegangan negatif untuk perangkat TaN/HfAlOx/Pt seperti ditunjukkan pada Gambar 4c dan d, arus quasi-ohmic (kemiringan sekitar sama dengan 1) ditampilkan dalam LRS, sementara ohmik, quasi-ohmic, dan arus terbatas ruang muatan ditampilkan dalam HRS pada medan listrik positif.
Fitting arus dari perangkat Ag/HfAlOx/Pt di bawah a dan b medan listrik positif dan negatif dan fitting arus dari perangkat TaN/HfAlOx/Pt di bawah c dan d medan listrik positif dan negatif
Alasan fenomena ini adalah karena mekanisme perubahan resistansi perangkat TaN/HfAlOx/Pt disebabkan oleh generasi dan rekombinasi lapisan dielektrik ion oksigen dan rongga oksigen melalui panas berjanjang. Dalam perangkat Ag/HfAlOx/Pt, pembentukan dan pecahan filamen konduktif, berkat reaksi redoks logam Ag, dapat didorong oleh medan listrik yang jauh lebih rendah.
Dalam eksperimen ini, keadaan resistansi rendah (LRS) didefinisikan sebagai logika 1 dan keadaan resistansi tinggi (HRS) sebagai logika 0. Diagram tes logika IMP ditunjukkan pada Gambar 5a. Ini diimplementasikan oleh dua perangkat RRAM P dan Q dan satu resistor beban tetap. Kondisi P dan Q diwakili oleh p dan q, masing-masing. 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 ke 1 dan Va − Vb tidak dapat memprogram logika). Prinsip perubahan logika p adalah karena q. Jika q sama dengan 1, maka p tidak berubah karena penurunan tegangan di seluruh p hampir Va − Vb, dan jika q sama dengan 0, maka p selalu sama dengan 1. Tabel kebenaran untuk operasi q ← pIMPq ditunjukkan pada Gambar 5b dan perubahan kondisi 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 itu dapat membangun semua logika Boolean melalui gerbang NAND yang terhubung topologis. Seperti diilustrasikan pada Gambar 5d, operasi diimplementasikan dalam sirkuit dengan tiga perangkat RRAM: P, Q, dan S. Input adalah nilai p dan q yang disimpan dalam perangkat P dan Q. Pada langkah pertama dari eksekusi logika, S diinisialisasi ke kondisi 0. Kemudian, dua langkah IMP dieksekusi:
Diagram tes IMP (a) dan NAND (d) logika. b Tabel kebenaran untuk operasi q ← pIMPq (c) dan q ← pNANDq (e). Perubahan kondisi P dan Q dengan pulsa (c)
s′ ← pIMPs (1).
s′′ ← qIMPs′ (2).
Tabel kebenaran yang menunjukkan kesetaraan urutan operasi dengan NAND ditunjukkan pada Gambar 5e.
Kesimpulan
Secara ringkasan, dua jenis perangkat (Ag/HfAlOx/Pt dan TaN/HfAlOx/Pt) dibuat dalam studi ini. Kedua perangkat menunjukkan karakteristik switching yang unggul. Perangkat Ag/HfAlOx/Pt telah menunjukkan keuntungan sebagai perangkat komputasi dalam memori seperti kompatibilitas CMOS, keseragaman yang baik, tegangan operasi rendah, dan konsumsi daya rendah. Logika diimplementasikan melalui perangkat RRAM Ag/HfAlOx/Pt. Penyelesaian perangkat komputasi dalam memori dengan tegangan operasi rendah memberikan cara yang efektif untuk memecahkan kesulitan struktur von Neumann tradisional di masa depan.
