무어의 법칙이 물리적 한계에 가까워지면서 전통적인 폰 노이만 아키텍처는 도전에 직면해 있습니다. 컴퓨팅 인메모리 아키텍처 기반 RRAM(Resistive Random Access Memory)은 기존 컴퓨터의 von Neumann 병목 현상 문제를 극복할 수 있는 잠재적인 후보가 될 것으로 예상됩니다[Backus, J, Can programming be liberated from von Neumann style?, 1977]. 본 연구에서는 CMOS 기술과 호환되는 HfAlOx 기반 RRAM을 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정으로 제작하였다. 금속 Ag 및 TaN은 상부 전극(TE)으로 선택됩니다. 실험에 따르면 Ag/HfAlOx/Pt 소자는 낮은 설정 전압(0.33~0.6 V)으로 인해 낮은 전력 소비와 우수한 균일성을 의미하므로 메모리 컴퓨팅 소자로서 장점을 입증했습니다. Ag/HfAlOx/Pt 구조를 기반으로 100ns 고주파 저전압 펄스(0.3 V 및 0.6 V)를 인가하여 IMP 로직을 고속으로 구현하였다. IMP 구현의 2단계 후에 NAND도 얻을 수 있습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">스토리지와 컴퓨팅 간의 경계를 위해 연구원들은 고대역폭 메모리, 메모리에 가까운 컴퓨팅 및 신경 압축 네트워크와 같은 일련의 연구 프로그램을 제안했습니다. 이러한 방법들은 메모리에 접근하는 시간을 단축시킬 수 있지만 근본적으로 이 문제를 해결할 수는 없습니다. 이러한 문제를 근본적으로 해결하기 위해 전 세계적으로 인메모리 컴퓨팅 개념이 주목받고 있다. RRAM(Resistive Random Access Memory) 장치는 인메모리 컴퓨팅 기능으로 인해 non-von Neumann 컴퓨팅 장치의 경쟁 후보로 널리 주목받고 있습니다[1,2,3,4,5, 6]. 컴퓨팅 인메모리 장치는 동일한 회로에서 컴퓨팅 및 저장 장치로 작동합니다[7]. 1971년 Chua[8]에 의해 처음 제안되었습니다. 거의 40 년 후인 2010년에 RRAM 기반 논리 연산이 처음 제안되었습니다[9]. 그 이후로 RRAM 기반 컴퓨팅 인메모리 장치가 광범위하게 연구되었고 많은 구현 방법이 제안되었습니다[10,11,12,13,14]. 그러나 컴퓨팅 인메모리 장치로서 가장 중요한 기능은 안정성과 낮은 에너지 소비입니다. 이 분야에는 아직 탐구해야 할 많은 문제가 있습니다. 이 편지에서는 두 종류의 RRAM 장치를 구성하고 전기적 특성을 테스트했습니다. 논리 연산을 구현하는 과정에서 안정적인 설정 및 재설정 전압과 장치 간의 양호한 균일성은 매우 중요한 지표입니다.
지금까지 다양한 재료가 RRAM 동작을 보여주었지만 그 중 CMOS 프로세스와 호환되는 재료는 거의 없었습니다. 이원 고유전율 산화물 HfAlOx 필름은 원자층 증착(ALD)을 사용하여 증착되었습니다. ALD는 표면 포화를 기반으로 하고 정확한 전구체 주입이 필요하지 않기 때문에 다양한 장치 및 응용 분야를 위한 산화막 및 위층의 증착에 적합합니다[15]. HfAlOx는 전통적인 CMOS 공정과 잘 호환될 수 있고 인메모리 컴퓨팅 장치의 유전체 층으로 사용될 수 있습니다. Ag/HfAlOx/Pt RRAM 장치는 상태 저장 논리 연산을 구현하는 데 사용되었습니다. IMP 논리는 1910년 Whitehead와 Russell에 의해 4가지 기본 논리 연산(OR, AND, NOT 및 IMP) 중 하나로 간주되었습니다[16]. 또한, NAND 로직은 IMP 로직의 2단계로 얻을 수 있다. NAND 논리는 범용 논리로 알려져 있습니다. 즉, NAND 논리를 통해 모든 부울 논리를 구성할 수 있습니다. 이 CMOS 호환 고속 저작동 전압 인메모리 컴퓨팅 장치는 미래에 전통적인 폰 노이만 구조의 어려움을 해결할 효과적인 방법을 보여줍니다.
이 작업에서 Ag/HfAlOx/Pt 및 TaN/HfAlOx/Pt 장치가 각각 제작되었습니다. 회로도는 그림 1a에 나와 있습니다. 먼저, 세척된 SiO2 위에 물리적 기상 증착(PVD)에 의해 70nm 박막 Pt 바닥 전극을 증착했습니다. /Si 기판. 그 다음, TEMAH(tetrakisethylmethylamino hafnium), TMA(trimethyl aluminium) 및 H2로부터 유도된 ALD를 사용하여 16nm 두께의 이원 고유전율 산화물 HfAlOx 필름을 증착했습니다. 240 °C에서 O 전구체. 마지막으로, 포토리소그래피로 50 nm Ag 또는 TaN 상부 전극 필름을 제작하고 PVD로 제작했습니다. 위쪽 전극에는 바이어스를, 아래쪽 전극에는 접지를 하여 실온에서 Agilent B1500A 반도체로 소자의 직류 측정을 수행했습니다. 또한 Agilent B1500A 반도체 장치 매개변수 분석기와 2개의 SPGU(반도체 펄스 발생기)를 사용하여 논리 측정을 수행했습니다.
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아 Ag/HfAlOx/Pt 및 TaN/HfAlOx/Pt 장치의 개략도. ㄴ 16nm HfAl2O의 XPS 스펙트럼
메모리와 프로세서는 전통적인 von Neumann 컴퓨터 아키텍처에서 분리됩니다[17]. 메모리에 저장되고 컴퓨팅 장치에서 계산된 데이터의 전송 시간은 컴퓨터의 성능을 크게 제한합니다. 메모리에서 직접 데이터를 조작하여 한계를 깨는 것이 가능합니다. 인메모리 컴퓨팅에 대한 연구는 이러한 한계를 깨뜨릴 가능성이 있습니다.
논리 기능을 입증하기 위해 RRAM은 Ag/HfAlOx/Pt 및 TaN/HfAlOx/Pt로 준비되었습니다. 회로도는 그림 1a에 나와 있습니다. 하나의 큰 장치와 함께 두 개의 작은 장치가 최소 RRAM 논리 IMP 논리 장치를 형성합니다. 여러 IMP 셀을 사용하여 다른 논리를 구현할 수 있습니다. ALD에 의해 성장된 16nm HfAlOx 필름은 X선 광전자 방출 분광법(XPS)으로 특성화되었습니다. 그림 1b와 같이 전체 XPS 스펙트럼과 Hf4f, Al2p, C1s 및 O1s가 표시됩니다. XPS 결과로부터 ALD HfAlO 필름이 성공적으로 얻어졌다는 결론을 내릴 수 있습니다. 그림 2a 및 b는 I를 나타냅니다. –V Agilent B1500A 반도체 소자 파라미터 분석기로 측정한 Ag/HfAlOx/Pt 및 TaN/HfAlOx/Pt의 바이폴라 스위칭 특성. 스위핑 전압은 상온에서 - 1.5~1.5 V(Ag) 및 - 3~3 V(TaN의 경우)와 0.1 V의 판독 전압을 적용했습니다. Ag/HfAlOx/Pt 및 TaN/HfAlOx/Pt 구조의 저항비는 그림 3a와 b에 나와 있습니다. Ag를 상부 전극으로 사용하는 소자는 103의 저항비를 가질 수 있고 상부 전극으로서 TaN은 60에 도달할 수 있다. Ag 및 TaN 상부 전극은 모두 우수한 바이폴라 스위칭 특성을 나타낸다. 세트 및 리셋 동작 전압의 분포는 각각 그림 3c 및 d에 히스토그램으로 표시됩니다. Ag/HfAlOx/Pt 장치는 훨씬 더 낮은 SET 전압을 나타냅니다. 두 구조의 성능을 비교합니다. Ag/HfAlOx/Pt 소자의 SET 및 RESET 전압 범위는 0.33 ~ 0.62 V 및 - 1.3 ~ - 1.5 V이고 TaN/HfAlOx/Pt 소자는 0.8 ~ 1.8 V 및 3 ~ 1입니다. .비교한 결과, Ag를 상부전극으로 사용하는 소자는 안정성이 우수하고 동작전압이 낮아 로직을 구현하기 위한 소자로 더 적합함을 알 수 있었다.
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Ag/HfAlOx/Pt의 일반적인 전류-전압 특성(a ) 및 TaN/HfAlOx/Pt 장치(b )
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Ag/HfAlOx/Pt의 내구성 특성 및 설정/리셋 분포(a , ㄷ ) 및 TaN/HfAlOx/Pt 장치(b , d ) 연속 DC 스위핑 사이클 100회 미만
또한 두 가지 유형의 구조 전환 메커니즘이 추가로 설명됩니다. I–V 곡선은 그림 4a-d에서 분석됩니다. 곡선은 저저항 상태(LRS) 및 고저항 상태(HRS) 상태에서 각각 현재 상태를 분석하기 위해 로그 좌표로 취해집니다. Ag/HfAlOx/Pt 장치의 전류 이동은 전압 스위핑 동안 옴 전류를 나타냅니다. 그림 4a 및 b에 나와 있습니다. 그림 4c 및 d에 표시된 TaN/HfAlOx/Pt 장치에 순방향 전압을 인가하든 음의 전압을 인가하든 LRS에는 준 옴 전류(기울기가 대략 1임)가 표시되는 반면 옴, 준 옴, 공간 전하 제한 전류는 양의 전기장에서 HRS로 표시됩니다.
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a 아래의 Ag/HfAlOx/Pt 장치의 현재 피팅 긍정적이고 b c 아래의 TaN/HfAlOx/Pt 장치의 음전계 및 전류 피팅 긍정적이고 d 음의 전기장
이러한 현상의 원인은 TaN/HfAlOx/Pt 소자의 저항 변화 메커니즘이 Avalanching 생성 및 산소 이온과 산소 공공 유전층의 재결합에 기인하기 때문이다. Ag/HfAlOx/Pt 장치에서 전도성 필라멘트의 형성 및 파열은 금속 Ag의 산화환원 반응 덕분에 훨씬 더 낮은 전기장에 의해 구동될 수 있습니다.
이 실험에서는 저저항 상태(LRS)를 로직 1로, 고저항 상태(HRS)를 로직 0으로 정의했습니다. IMP 로직의 테스트 다이어그램은 그림 5a에 나와 있습니다. 이것은 2개의 RRAM 장치 P 및 Q와 고정 부하 저항 1개로 구현됩니다. P와 Q의 상태는 각각 p와 q로 표시됩니다. IMP는 두 개의 동시 전압 펄스 Va 및 Vb에 의해 수행됩니다(Va가 로직 0을 1로 프로그래밍할 수 있고 Va − Vb가 로직을 프로그래밍할 수 없도록 Va> Vset> Vb 및 Va – Vb
IMP의 테스트 다이어그램(a ) 및 NAND(d ) 논리. ㄴ 연산 q ← pIMPq(c ) 및 q ← pNANDq(e ). 펄스에 따른 P와 Q의 상태 변화(c )
s′ ← pIMP(1).
s′′ ← qIMPs′(2).
NAND에 대한 연산 시퀀스의 동등성을 보여주는 진리표가 그림 5e에 나와 있습니다.
요약하면, 본 연구에서는 두 종류의 소자(Ag/HfAlOx/Pt 및 TaN/HfAlOx/Pt)를 제작하였다. 두 장치 모두 우수한 스위칭 특성을 보여줍니다. Ag/HfAlOx/Pt 장치는 CMOS 호환성, 우수한 균일성, 낮은 작동 전압 및 낮은 전력 소비와 같은 컴퓨팅 인메모리 장치로서의 이점을 입증했습니다. 로직은 Ag/HfAlOx/Pt RRAM 장치를 통해 구현되었습니다. 낮은 작동 전압 컴퓨팅 인메모리 장치의 실현은 미래에 전통적인 폰 노이만 구조의 어려움을 해결할 수 있는 효과적인 방법을 제공합니다.
원자층 증착
고저항 상태
저저항 상태
결론
약어
나노물질
초록 칼코겐화물의 임계값 전환은 고밀도 및 3차원 적층 가능한 교차점 어레이 구조에 대한 잠재적인 응용으로 인해 상당한 관심을 끌었습니다. 그러나 우수한 임계값 스위칭 특성에도 불구하고 이러한 선택기의 선택성 및 내구성 특성은 실제 적용을 위해 개선되어야 합니다. 이 연구에서 Ga2의 임계값 스위칭 동작에 대한 Ag의 영향 테3 selector는 선택성과 내구성 측면에서 조사되었습니다. Ag-Ga2 테3 선택자는 108의 높은 선택성을 나타냈습니다. <100fA의 낮은 오프 상태 전류, 0.19mV/dec의 가파른 턴온 슬로프,
Kaman Precision Products, Inc.의 측정 사업부에서 극한 환경 고정밀 변위 센서 및 시스템 라인의 출시를 발표했습니다. Kaman에 따르면 완전 용접 및 밀폐 구조의 센서와 시스템은 로켓 및 터빈 엔진 검증 테스트에 이상적입니다. 또한 원자로, 증기 및 가스 터빈, 화학 공정, 고온 처리를 포함하여 높은 정확도, 높은 신뢰성 및 구조적 무결성을 요구하는 기타 응용 분야에도 제공됩니다. 고압, 저온 및 고온 조건을 위해 특별히 설계된 세 가지 개별 시스템을 사용할 수 있습니다. 변위 시스템은 제곱인치(psi
