RRAM HfAlOx de Alto Desempenho e Baixa Tensão via Deposição Atômica para Computação em Memória

Resumo

Com a lei de Moore se aproximando de seu limite físico, a arquitetura tradicional de von Neumann enfrenta um desafio. Espera-se que a arquitetura de computação em memória baseada em memória de acesso aleatório resistiva (RRAM) possa ser candidata potencial para superar o problema do gargalo de von Neumann de computadores tradicionais [Backus, J, Can programming be liberated from the von Neumann style?, 1977]. Neste trabalho, RRAM baseado em HfAlOx compatível com tecnologia CMOS foi fabricado por processo de deposição atômica (ALD). Metais Ag e TaN são selecionados como eletrodos superiores (TE). Experimentos mostram que o dispositivo Ag/HfAlOx/Pt demonstrou vantagens como dispositivo de computação em memória devido à baixa tensão de set (0,33~0,6 V) que significa baixo consumo de energia e boa uniformidade. Baseado em estrutura Ag/HfAlOx/Pt, lógica IMP foi implementada em alta velocidade aplicando pulso de baixa tensão e alta frequência de 100 ns (0,3 V e 0,6 V). Após duas etapas de implementação IMP, NAND também pode ser obtido.

Fundamentação

Para as fronteiras entre armazenamento e computação, pesquisadores propuseram uma série de programas de pesquisa: memória de alta largura de banda, computação perto da memória e redes neurais de compressão. Esses métodos podem reduzir o tempo para acessar a memória, mas não poderiam resolver este problema fundamentalmente. Para resolver fundamentalmente este problema, o conceito de computação em memória ganhou atenção mundial. Vale notar que um dispositivo de memória de acesso aleatório resistiva (RRAM) atraiu ampla atenção como candidato competitivo para dispositivo de computação não-von Neumann devido à sua capacidade de computação em memória [1,2,3,4,5,6]. Dispositivos de computação em memória atuam como unidades de computação e armazenamento no mesmo circuito [7]. Foi proposto pela primeira vez em 1971 por Chua [8]. Quase 40 anos depois, operação lógica baseada em RRAM foi proposta pela primeira vez em 2010 [9]. Desde então, dispositivo de computação em memória baseado em RRAM foi extensivamente estudado e muitos métodos de implementação foram propostos [10,11,12,13,14]. Mas como dispositivo de computação em memória, a característica mais crucial é estabilidade e baixo consumo de energia. Ainda há muitas questões nesta área que precisam ser exploradas. Nesta carta, dois tipos de dispositivos RRAM foram construídos e as propriedades elétricas foram testadas. No processo de implementação de operações lógicas, tensões de set e reset estáveis e boa uniformidade entre dispositivos são indicadores muito importantes.

Até agora, uma ampla variedade de materiais mostraram comportamentos RRAM, mas poucos eram compatíveis com processo CMOS. O filme binário de alto-k HfAlOx foi depositado usando deposição atômica (ALD). ALD é bem adequado para deposição de filmes de óxido e camadas superiores para vários dispositivos e aplicações [15] porque é baseado em saturação de superfície e dosagem precisa de precursor não é necessária. HfAlOx poderia ser bem compatível com processo CMOS tradicional e usado como camada dielétrica de dispositivo de computação em memória. Dispositivos RRAM Ag/HfAlOx/Pt foram usados para implementar operações lógicas stateful. A lógica IMP foi considerada como uma das quatro operações lógicas fundamentais (OR, AND, NOT e IMP) por Whitehead e Russell em 1910 [16]. Além disso, a lógica NAND pode ser obtida por duas etapas de lógica IMP. A lógica NAND é conhecida como lógica universal, o que significa que qualquer lógica booleana pode ser construída através da lógica NAND. Este dispositivo de computação em memória compatível com CMOS, alta velocidade e baixa tensão de operação mostra um caminho eficaz para resolver as dificuldades da estrutura tradicional de von Neumann no futuro.

Métodos

Neste trabalho, dispositivos Ag/HfAlOx/Pt e TaN/HfAlOx/Pt foram fabricados, respectivamente. O esquema é mostrado na Fig. 1a. Primeiro, um filme fino Pt de 70 nm foi depositado por deposição física de vapor (PVD) no substrato SiO₂/Si limpo. Então, um filme de óxido binário de alto-k HfAlOx com espessura de 16 nm foi depositado usando ALD derivado de tetrakis(etilmetilamino)hafnium (TEMAH), trimetil alumínio (TMA) e precursores H₂O a 240 °C. Finalmente, filme de eletrodo superior Ag ou TaN de 50 nm foi fabricado por fotolitografia e fabricado por PVD. Com viés no eletrodo superior e terra no eletrodo inferior, medições de corrente contínua dos dispositivos foram realizadas por um Agilent B1500A semicondutor à temperatura ambiente. Além disso, medições lógicas foram realizadas usando analisador de parâmetros de dispositivo semicondutor Agilent B1500A e duas unidades geradoras de pulso semicondutor (SPGU).

Resultado e Discussão

Memória e processador são separados em uma arquitetura tradicional de computador von Neumann [17]. O tempo de transferência de dados armazenados em memória e calculados na unidade de computação limita grandemente o desempenho do computador. É possível quebrar essa limitação operando dados diretamente na memória. A pesquisa de computação em memória tem potencial para quebrar este limite.

Para demonstrar as funções lógicas, RRAM foi preparado com Ag/HfAlOx/Pt e TaN/HfAlOx/Pt. O esquema é mostrado na Fig. 1a; dois dispositivos pequenos junto com um dispositivo grande formam uma unidade lógica IMP RRAM mínima. Diferentes lógicas podem ser implementadas usando múltiplas células IMP. Os filmes HfAlOx de 16 nm crescidos por ALD foram caracterizados por espectroscopia de fotoemissão de raios X (XPS). Como mostrado na Fig. 1b, os espectros XPS completos e Hf4f, Al2p, C1s e O1s são exibidos. Dos resultados XPS, pode-se concluir que os filmes HfAlO ALD foram obtidos com sucesso. Figura 2a e b exibem as características de comutação bipolar I–V dos dispositivos Ag/HfAlOx/Pt e TaN/HfAlOx/Pt medidos por analisador de parâmetros de dispositivo semicondutor Agilent B1500A. A tensão de varredura foi aplicada de −1,5 a 1,5 V (para Ag) e −3 a 3 V (para TaN) e tensão de leitura de 0,1 V à temperatura ambiente. A razão de resistência de ambas as estruturas Ag/HfAlOx/Pt e TaN/HfAlOx/Pt é mostrada na Fig. 3a e b. Um dispositivo com Ag como eletrodo superior pode ter razão de resistência de 10³ e TaN como eletrodo superior pode atingir 60. Ambos eletrodos superiores Ag e TaN exibem características de comutação bipolar superiores. A distribuição de tensão de operação set e reset é apresentada como histogramas na Fig. 3c e d, respectivamente. Dispositivos Ag/HfAlOx/Pt exibem tensão SET muito mais baixa. Os desempenhos das duas estruturas são comparados. A faixa de tensão SET e RESET dos dispositivos Ag/HfAlOx/Pt foi de 0,33 a 0,62 V e de −1,3 a −1,5 V e dos dispositivos TaN/HfAlOx/Pt foi de 0,8 a 1,8 V e de −1,3 a −2 V. Após comparação, descobriu-se que o dispositivo usando Ag como eletrodo superior é mais adequado como dispositivo para implementar lógica devido a melhor estabilidade e menor tensão de operação.

Além disso, o mecanismo de comutação dos dois tipos de estrutura é mais explicado. As curvas I–V são analisadas na Fig. 4a–d. As curvas são tomadas em coordenadas logarítmicas para analisar o status de corrente no estado de baixa resistência (LRS) e estado de alta resistência (HRS), respectivamente. Mostra-se na Fig. 4a e b o transporte de corrente de dispositivos Ag/HfAlOx/Pt exibe corrente ôhmica durante varredura de tensão. Seja aplicando tensão direta ou aplicando tensão negativa para dispositivos TaN/HfAlOx/Pt mostrado na Fig. 4c e d, quase-corrente ôhmica (inclinação aproximadamente igual a 1) é apresentada no LRS, enquanto ôhmica, quase-ôhmica e corrente limitada por carga espacial é apresentada em HRS em campo elétrico positivo.

A razão para este fenômeno é que o mecanismo de mudança de resistência de dispositivos TaN/HfAlOx/Pt é devido à geração e recombinação em avalanche de íon oxigênio e lacuna de oxigênio na camada dielétrica. Em dispositivos Ag/HfAlOx/Pt, a formação e ruptura de filamentos condutores, graças às reações redox do Ag metálico, podem ser impulsionadas por um campo elétrico muito menor.

Neste experimento, estado de baixa resistência (LRS) foi definido como lógica 1 e estado de alta resistência (HRS) como lógica 0. O diagrama de teste de lógica IMP é mostrado na Fig. 5a. É implementado por dois dispositivos RRAM P e Q e um resistor de carga fixo. Os estados de P e Q são representados por p e q, respectivamente. IMP é realizada por dois pulsos de tensão simultâneos: Va e Vb (definimos Va > Vset > Vb e Va – Vb < Vset para que Va pudesse programar lógica 0 a 1 e Va − Vb não pudesse programar lógica). O princípio de mudança de lógica p é devido a q. Se q igual a 1, então p permanece inalterado porque a queda de tensão através de p é quase Va − Vb, e se q igual a 0, p é sempre igual a 1. A tabela verdade para a operação q ← pIMPq é mostrada na Fig. 5b e as mudanças de estado de P e Q com o pulso são mostradas na Fig. 5c. A lógica NAND pode ser obtida através da lógica IMP de duas etapas. A implementação de lógica NAND pode ser feita por lógica IMP de duas etapas, devido à boa uniformidade. NAND é considerado lógica universal, o que significa que pode construir qualquer lógica booleana através de portas NAND topologicamente conectadas. Como ilustrado na Fig. 5d, a operação foi implementada em um circuito com três dispositivos RRAM: P, Q e S. As entradas foram os valores p e q que foram armazenados nos dispositivos P e Q. Na primeira etapa da execução lógica, S é inicializado a um estado 0. Então, duas etapas de IMP foram executadas:

s′ ← pIMPs (1).

s′′ ← qIMPs′ (2).

As tabelas verdade mostrando a equivalência da sequência de operações a NAND são mostradas na Fig. 5e.

Conclusão

Em resumo, dois tipos de dispositivos (Ag/HfAlOx/Pt e TaN/HfAlOx/Pt) foram fabricados neste estudo. Ambos dispositivos mostram características de comutação superiores. Dispositivo Ag/HfAlOx/Pt demonstrou vantagens como dispositivo de computação em memória como compatibilidade CMOS, boa uniformidade, baixa tensão de operação e baixo consumo de energia. Lógica foi implementada através de dispositivos RRAM Ag/HfAlOx/Pt. A realização de dispositivos de computação em memória de baixa tensão de operação fornece um caminho eficaz para resolver as dificuldades da estrutura tradicional de von Neumann no futuro.

Abreviações

ALD:

Deposição atômica

HRS:

Estado de alta resistência

LRS:

Estado de baixa resistência