RRAM HfAlOx haute performance, basse tension via dépôt par couches atomiques pour le calcul en mémoire

Résumé

Avec la loi de Moore approchant de sa limite physique, l'architecture traditionnelle de von Neumann fait face à un défi. On s'attend à ce que l'architecture de calcul en mémoire basée sur la mémoire à accès aléatoire résistive (RRAM) puisse être un candidat potentiel pour surmonter le goulot d'étranglement de von Neumann des ordinateurs traditionnels. Dans ce travail, un RRAM basé sur HfAlOx compatible avec la technologie CMOS a été fabriqué par un procédé de dépôt par couches atomiques (ALD). Les métaux Ag et TaN sont sélectionnés comme électrodes supérieures (TE). Les expériences montrent que le dispositif Ag/HfAlOx/Pt a démontré des avantages en tant que dispositif de calcul-mémoire en raison de la faible tension de mise en place (0,33–0,6 V), ce qui signifie une faible consommation d'énergie et une bonne uniformité. Basé sur une structure Ag/HfAlOx/Pt, la logique IMP a été implémentée à haute vitesse en appliquant une impulsion haute fréquence à basse tension de 100 ns (0,3 V et 0,6 V). Après deux étapes d'implémentation IMP, le NAND peut également être obtenu.

Contexte

Pour les frontières entre stockage et calcul, les chercheurs ont proposé une série de programmes de recherche : mémoire à large bande passante, calcul près de la mémoire et réseaux de compression neuronale. Ces méthodes peuvent réduire le temps d'accès à la mémoire, mais elles ne pourraient pas résoudre ce problème fondamentalement. Afin de résoudre ce problème fondamentalement, le concept de calcul en mémoire a gagné l'attention mondiale. Il est à noter qu'un dispositif de mémoire à accès aléatoire résistive (RRAM) a attiré une attention généralisée en tant que candidat compétitif pour le dispositif de calcul non-von Neumann en raison de sa capacité de calcul en mémoire. Les dispositifs de calcul en mémoire agissent à la fois comme unités de calcul et de stockage dans le même circuit. Il a été proposé pour la première fois en 1971 par Chua. Presque 40 ans plus tard, l'opération logique basée sur RRAM a été proposée pour la première fois en 2010. Depuis lors, le dispositif de calcul en mémoire basé sur RRAM a été largement étudié et de nombreuses méthodes d'implémentation ont été proposées. Mais en tant que dispositif de calcul en mémoire, la caractéristique la plus cruciale est la stabilité et la faible consommation d'énergie. Il y a encore de nombreux problèmes dans ce domaine qui doivent être explorés. Dans cette lettre, deux types de dispositifs RRAM ont été construits et les propriétés électriques ont été testées. Dans le processus d'implémentation des opérations logiques, des tensions de mise en place et de réinitialisation stables et une bonne uniformité entre les dispositifs sont des indicateurs très importants.

Jusqu'à présent, une grande variété de matériaux ont montré des comportements RRAM, mais peu d'entre eux étaient compatibles avec le procédé CMOS. Le film d'oxyde binaire à haute permittivité HfAlOx a été déposé en utilisant le dépôt par couches atomiques (ALD). L'ALD est bien adapté pour le dépôt de films d'oxydes et de couches supérieures pour divers dispositifs et applications car il est basé sur la saturation de surface et un dosage précis du précurseur n'est pas nécessaire. HfAlOx pourrait être bien compatible avec le procédé CMOS traditionnel et utilisé comme couche diélectrique du dispositif de calcul en mémoire. Les dispositifs RRAM Ag/HfAlOx/Pt ont été utilisés pour implémenter des opérations logiques stateful. La logique IMP a été considérée comme l'une des quatre opérations logiques fondamentales (OR, AND, NOT et IMP) par Whitehead et Russell en 1910. De plus, la logique NAND peut être obtenue par deux étapes de logique IMP. La logique NAND est connue comme la logique universelle, ce qui signifie que toute logique booléenne peut être construite à travers la logique NAND. Ce dispositif de calcul en mémoire compatible CMOS, haute vitesse et basse tension d'opération montre une voie efficace pour résoudre les difficultés de la structure traditionnelle de von Neumann à l'avenir.

Méthodes

Dans ce travail, les dispositifs Ag/HfAlOx/Pt et TaN/HfAlOx/Pt ont été fabriqués respectivement. Le schéma est montré à la Fig. 1a. Premièrement, un film mince de 70 nm d'électrode inférieure Pt a été déposé par dépôt physique en phase vapeur (PVD) sur le substrat SiO₂/Si nettoyé. Ensuite, un film d'oxyde binaire à haute permittivité HfAlOx d'une épaisseur de 16 nm a été déposé en utilisant l'ALD dérivé du tétrakiséthylméthylamino hafnium (TEMAH), du triméthylaluminium (TMA) et des précurseurs H₂O à 240 °C. Finalement, un film d'électrode supérieure de 50 nm Ag ou TaN a été fabriqué par photolithographie et déposé par PVD. Avec un biais sur l'électrode supérieure et la masse sur l'électrode inférieure, des mesures en courant continu des dispositifs ont été effectuées par un Agilent B1500A semiconductor à température ambiante. De plus, les mesures logiques ont été effectuées en utilisant un analyseur de paramètres de dispositif à semi-conducteurs Agilent B1500A et deux unités génératrices d'impulsions semi-conductrices (SPGU).

Résultats et Discussion

La mémoire et le processeur sont séparés dans une architecture informatique traditionnelle de von Neumann. Le temps de transfert des données stockées en mémoire et calculées sur l'unité de calcul limite grandement la performance de l'ordinateur. Il est possible de briser cette limitation en opérant directement les données sur la mémoire. La recherche sur le calcul en mémoire a le potentiel de briser cette limite.

Pour démontrer les fonctions logiques, le RRAM a été préparé avec Ag/HfAlOx/Pt et TaN/HfAlOx/Pt. Le schéma est montré à la Fig. 1a ; deux petits dispositifs ensemble avec un grand dispositif forment une unité logique IMP RRAM minimale. Différentes logiques peuvent être implémentées en utilisant plusieurs cellules IMP. Les films HfAlOx de 16 nm déposés par ALD ont été caractérisés par spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS). Comme montré à la Fig. 1b, les spectres XPS complets et Hf4f, Al2p, C1s et O1s sont exhibés. D'après les résultats XPS, on peut conclure que les films HfAlO ALD ont été obtenus avec succès. La Fig. 2a et b exhibent les caractéristiques de commutation bipolaire I-V des dispositifs Ag/HfAlOx/Pt et TaN/HfAlOx/Pt mesurées par un analyseur de paramètres de dispositif à semi-conducteurs Agilent B1500A. La tension de balayage a été appliquée de -1,5 à 1,5 V (pour Ag) et -3 à 3 V (pour TaN) et une tension de lecture de 0,1 V à température ambiante. Le rapport de résistance des structures Ag/HfAlOx/Pt et TaN/HfAlOx/Pt est montré à la Fig. 3a et b. Un dispositif avec Ag comme électrode supérieure peut avoir un rapport de résistance de 10³ et TaN comme électrode supérieure peut atteindre 60. Les deux électrodes supérieures Ag et TaN présentent des caractéristiques de commutation bipolaire supérieures. La distribution des tensions de mise en place et de réinitialisation est présentée sous forme d'histogrammes à la Fig. 3c et d, respectivement. Les dispositifs Ag/HfAlOx/Pt exhibent une tension de mise en place (SET) beaucoup plus faible. Les performances des deux structures sont comparées. La plage de tension SET et RESET des dispositifs Ag/HfAlOx/Pt était de 0,33 à 0,62 V et de -1,3 à -1,5 V, et celle des dispositifs TaN/HfAlOx/Pt était de 0,8 à 1,8 V et de -1,3 à -2 V. Après comparaison, il a été trouvé que le dispositif utilisant Ag comme électrode supérieure est plus approprié comme dispositif pour implémenter la logique en raison d'une meilleure stabilité et d'une tension de fonctionnement plus faible.

De plus, le mécanisme de commutation des deux types de structure est expliqué davantage. Les courbes I-V sont analysées à la Fig. 4a-d. Les courbes sont prises en coordonnées logarithmiques pour analyser l'état du courant dans l'état de faible résistance (LRS) et l'état de haute résistance (HRS), respectivement. Il est montré à la Fig. 4a et b que le transport de courant des dispositifs Ag/HfAlOx/Pt exhibe un courant ohmique pendant le balayage de tension. Qu'il s'agisse d'appliquer une tension directe ou une tension négative pour les dispositifs TaN/HfAlOx/Pt montrés à la Fig. 4c et d, un courant quasi-ohmique (pente approximativement égale à 1) est présenté dans le LRS, tandis qu'un courant ohmique, quasi-ohmique et à charge d'espace limité est présenté dans le HRS au champ électrique positif.

La raison de ce phénomène est que le mécanisme de changement de résistance des dispositifs TaN/HfAlOx/Pt est dû à la génération et la recombinaison en avalanche de l'ion oxygène et de la vacance d'oxygène de la couche diélectrique. Dans les dispositifs Ag/HfAlOx/Pt, la formation et la rupture de filaments conducteurs, grâce aux réactions redox de l'Ag métallique, peuvent être pilotées par un champ électrique beaucoup plus faible.

Dans cette expérience, l'état de faible résistance (LRS) a été défini comme logique 1 et l'état de haute résistance (HRS) comme logique 0. Le diagramme de test de la logique IMP est montré à la Fig. 5a. Il est implémenté par deux dispositifs RRAM P et Q et une résistance de charge fixe. Les états de P et Q sont représentés par p et q, respectivement. L'IMP est effectuée par deux impulsions de tension simultanées : Va et Vb (nous avons défini Va > Vset > Vb et Va - Vb < Vset afin que Va puisse programmer la logique 0 à 1 et Va - Vb ne puisse pas programmer la logique). Le principe du changement de logique p est dû à q. Si q égale 1, alors p reste inchangé car la chute de tension à travers p est presque Va - Vb, et si q égale 0, alors p est toujours égal à 1. La table de vérité pour l'opération q ← pIMPq est montrée à la Fig. 5b et les changements d'état de P et Q avec l'impulsion sont montrés à la Fig. 5c. La logique NAND peut être obtenue par la logique IMP en deux étapes. L'implémentation de la logique NAND peut être faite par la logique IMP en deux étapes, en raison de la bonne uniformité. Le NAND est considéré comme une logique universelle, ce qui signifie qu'il peut construire toute logique booléenne à travers des portes NAND topologiquement connectées. Comme illustré à la Fig. 5d, l'opération a été implémentée dans un circuit avec trois dispositifs RRAM : P, Q et S. Les entrées étaient les valeurs p et q qui étaient stockées dans les dispositifs P et Q. Dans la première étape de l'exécution de la logique, S est initialisé à un état 0. Ensuite, deux étapes d'IMP ont été exécutées : s' ← pIMPs (1) ; s'' ← qIMPs' (2). Les tables de vérité montrant l'équivalence de la séquence d'opérations à NAND sont montrées à la Fig. 5e.

Conclusion

En résumé, deux types de dispositifs (Ag/HfAlOx/Pt et TaN/HfAlOx/Pt) ont été fabriqués dans cette étude. Les deux dispositifs montrent des caractéristiques de commutation supérieures. Le dispositif Ag/HfAlOx/Pt a démontré des avantages en tant que dispositif de calcul en mémoire tels que la compatibilité CMOS, une bonne uniformité, une faible tension de fonctionnement et une faible consommation d'énergie. La logique a été implémentée à travers les dispositifs RRAM Ag/HfAlOx/Pt. La réalisation de dispositifs de calcul en mémoire à basse tension d'opération fournit une voie efficace pour résoudre les difficultés de la structure traditionnelle de von Neumann à l'avenir.

Abréviations

ALD :

Dépôt par couches atomiques

HRS :

État de haute résistance

LRS :

État de faible résistance