ALD成膜HfAlOx RRAMによる高性能・低電圧インメモリコンピューティング

概要

ムーアの法則が物理限界に近づく中、従来のフォン・ノイマンアーキテクチャは課題に直面しています。メモリ内コンピューティングアーキテクチャベースの抵抗変化型メモリ（RRAM）が、従来コンピュータのフォン・ノイマンボトルネック問題を克服する有力候補になると期待されています[Backus, J, Can programming be liberated from the von Neumann style?, 1977]。本研究では、CMOS技術と互換性のあるHfAlOxベースRRAMを原子層堆積（ALD）プロセスで作製しました。上部電極（TE）としてAgとTaNを選択。実験によりAg/HfAlOx/Ptデバイスが、低セット電圧（0.33〜0.6V）すなわち低消費電力と良好な均一性により、メモリコンピューティングデバイスとして優位性を示しました。Ag/HfAlOx/Pt構造に基づき、100ns高周波低電圧パルス（0.3Vと0.6V）を印加してIMP論理を高速実装。IMP実装2ステップ後、NAND論理も取得可能です。

背景

ストレージとコンピューティングの境界で、研究者たちはハイバンド幅メモリ、ニアメモリコンピューティング、ニューラル圧縮ネットワークなど一連の研究プログラムを提案してきました。これらはメモリアクセス時間を短縮できますが、根本的解決には至りません。根本解決にはインメモリコンピューティング概念が世界的に注目されています。抵抗変化型メモリ（RRAM）デバイスは、インメモリコンピューティング能力により非フォン・ノイマンコンピューティングデバイスの有力候補として広く注目されています[1-6]。インメモリコンピューティングデバイスは同一回路内で計算と記憶の両ユニットとして機能します[7]。1971年にChua[8]が最初に提案。約40年後、2010年にRRAMベース論理演算が初提案[9]。以来、RRAMベースインメモリコンピューティングデバイスは広く研究され、多くの実装手法が提案されています[10-14]。しかしインメモリコンピューティングデバイスとして最も重要な特徴は安定性と低エネルギー消費です。この分野にはまだ探求すべき多くの課題があります。本稿では2種類のRRAMデバイスを構築し電気的特性を試験。論理演算実装では安定したセット/リセット電圧とデバイス間良好な均一性が極めて重要な指標です。

これまで多様な材料がRRAM挙動を示しましたが、CMOSプロセス互換性を持つものは少数です。二元高誘電率酸化物HfAlOx膜をALDで堆積。ALDは表面飽和ベースで正確な前駆体投与量が不要なため、酸化物膜と様々なデバイス・用途のオーバーレイヤー堆積に適しています[15]。HfAlOxは従来CMOSプロセスと良好に互換性があり、インメモリコンピューティングデバイスの誘電体層として使用可能。Ag/HfAlOx/Pt RRAMデバイスでステートフル論理演算を実装。IMP論理はWhiteheadとRussellが1910年に4基本論理演算（OR、AND、NOT、IMP）の一つと見なしました[16]。さらにNAND論理はIMP論理2ステップで取得可能。NAND論理はユニバーサル論理として知られ、トポロジカルに接続されたNANDゲートで任意のブール論理を構築可能。このCMOS互換、高速、低動作電圧インメモリコンピューティングデバイスは、将来的に従来フォン・ノイマン構造の困難を解決する効果的な道を示します。

実験方法

Ag/HfAlOx/PtとTaN/HfAlOx/Ptデバイスをそれぞれ作製。概略図を図1aに示す。まず洗浄済みSiO₂/Si基板上にPVDで70nm Pt下部電極堆積。次にALDでTEMAH（テトラキスエチルメチルアミノハフニウム）、TMA（トリメチルアルミニウム）、H₂O前駆体を用い240℃で16nm二元高誘電率酸化物HfAlOx膜堆積。最後にフォトリソグラフィとPVDで50nm AgまたはTaN上部電極膜形成。上部電極にバイアス、下部電極をグラウンドとして、Agilent B1500A半導体パラメータアナライザーで室温直流測定実施。また論理測定にはAgilent B1500Aと2台の半導体パルス発生ユニット（SPGU）を使用。

結果と考察

従来フォン・ノイマンコンピュータアーキテクチャではメモリとプロセッサが分離[17]。メモリに格納されたデータと演算ユニットで計算されるデータの転送時間がコンピュータ性能を大きく制限。データをメモリ上で直接操作することでこの限界を打破可能。インメモリコンピューティング研究はこの限界打破の可能性を秘めています。

論理機能実証のため、Ag/HfAlOx/PtとTaN/HfAlOx/PtでRRAMを作製。概略図1a、2つの小デバイスと1つの大デバイスで最小RRAM論理IMP論理ユニット形成。複数IMPセルで異なる論理実装可能。ALD成膜16nm HfAlOx膜をX線光電子分光（XPS）で特性評価。図1bに全XPSスペクトルとHf4f、Al2p、C1s、O1sを示す。XPS結果からALD HfAlO膜が成功裏に得られたことが確認。

図2a,bにAg/HfAlOx/PtとTaN/HfAlOx/PtのI-Vバイポーラスイッチング特性を示す（Agilent B1500Aで測定、読み出し電圧0.1V、室温）。Agは-1.5〜1.5V、TaNは-3〜3Vで掃引。両構造の抵抗比を図3a,bに示す。Ag上部電極デバイスで抵抗比10³、TaNで60達成。両者とも優れたバイポーラスイッチング特性。セット/リセット動作電圧分布をヒストグラムで図3c,dに示す。Ag/HfAlOx/Ptデバイスは遥かに低いセット電圧。両構造性能比較：Ag/HfAlOx/Ptのセット/リセット電圧範囲は0.33〜0.62Vと-1.3〜-1.5V、TaN/HfAlOx/Ptは0.8〜1.8Vと-1.3〜-2V。比較によりAg上部電極デバイスがより良い安定性と低動作電圧で論理実装に適していると判明。

さらに2構造のスイッチングメカニズムを詳細に説明。I-V曲線を対数座標で解析（図4a-d）。低抵抗状態（LRS）と高抵抗状態（HRS）での電流状態を分析。図4a,bでAg/HfAlOx/Ptデバイスは電圧掃引中オーム的電流を示す。TaN/HfAlOx/Ptデバイス（図4c,d）では順バイアス/負バイアス共にLRSで準オーム電流（傾き≈1）、正電界HRSでオーム、準オーム、空間電荷制限電流を呈示。

この現象の理由：TaN/HfAlOx/Ptデバイスの抵抗変化メカニズムは誘電体層での酸素イオンと酸素欠陥のアバランシェ生成と再結合。Ag/HfAlOx/Ptデバイスでは金属Agの酸化還元反応による導電フィラメント形成と断裂が遥かに低い電界で駆動可能。

本実験ではLRSを論理1、HRSを論理0と定義。IMP論理テスト図を図5aに示す。2つのRRAMデバイスP、Qと1つの固定負荷抵抗で実装。P、Qの状態をp、qで表す。IMPは2同時電圧パルスVa、Vbで実行（Va > Vset > Vb、Va - Vb < Vsetと定義、Vaで論理0→1プログラム可能、Va-Vbではプログラム不可）。論理p変化原理はqによる：q=1ならp不変（p電圧降下≒Va-Vb）、q=0ならp常に1。q←pIMPq操作の真理値表を図5b、パルスによるP、Q状態変化を図5cに示す。NAND論理は2ステップIMP論理で取得可能。良好な均一性により2ステップIMP論理でNAND実装可能。NANDはユニバーサル論理で、トポロジカルに接続されたNANDゲートで任意ブール論理構築可能。図5dに3RRAMデバイスP、Q、Sの回路で実装を図解。入力はP、Qに格納された値p、q。実行論理第1ステップでSを0状態初期化。次に2ステップIMP実行：

s' ← pIMPs (1)。

s'' ← qIMPs' (2)。

操作系列がNANDと等価である真理値表を図5eに示す。

結論

まとめると、本研究で2種類デバイス（Ag/HfAlOx/PtとTaN/HfAlOx/Pt）を作製。両デバイスとも優れたスイッチング特性を示す。Ag/HfAlOx/PtデバイスはCMOS互換性、良好な均一性、低動作電圧、低消費電力などインメモリコンピューティングデバイスとしての優位性を実証。Ag/HfAlOx/Pt RRAMデバイスで論理実装。低動作電圧インメモリコンピューティングデバイスの実現は、将来的に従来フォン・ノイマン構造の困難を解決する効果的な道を提供します。

略語

ALD:

原子層堆積

HRS:

高抵抗状態

LRS:

低抵抗状態