ALD 공정으로 제조한 고성능 저전압 HfAlOx RRAM: 인메모리 컴퓨팅 적용

초록

무어 법칙이 물리적 한계에 다가감에 따라 기존 폰 노이만 아키텍처는 도전에 직면해 있다. 기존 컴퓨터의 폰 노이만 병목 문제를 극복할 후보로 인메모리 컴퓨팅 아키텍처 기반 저항 변화 메모리(RRAM)가 주목받고 있다[Backus, J, 1977]. 본 연구에서는 CMOS 기술과 호환되는 HfAlOx 기반 RRAM을 원자층 증착(ALD) 공정으로 제작했다. 상부 전극(TE)으로 Ag와 TaN을 선택했다. 실험 결과 Ag/HfAlOx/Pt 소자는 낮은 세트 전압(0.33~0.6 V)으로 저전력 소모와 좋은 균일성을 보여 메모리-컴퓨팅 소자로서 장점을 입증했다. Ag/HfAlOx/Pt 구조 기반으로 100 ns 고주파 저전압 펄스(0.3 V, 0.6 V)를 적용해 고속 IMP 논리 연산을 구현했다. 두 단계 IMP 구현으로 NAND 논리도 얻었다.

배경

저장과 연산 경계에서 연구자들은 고대역폭 메모리, 니어-메모리 컴퓨팅, 신경 압축 네트워크 등 연구 프로그램을 제안했다. 이들 방법은 메모리 접근 시간을 줄일 수 있지만 근본적 해결은 아니다. 근본적 해결을 위해 인메모리 컴퓨팅 개념이 세계적 주목을 받고 있다. 저항 변화 메모리(RRAM) 소자는 인메모리 컴퓨팅 능력으로 비-폰 노이만 컴퓨팅 소자 유력 후보로 광범위한 주목을 받고 있다[1-6]. 인메모리 컴퓨팅 소자는 동일 회로에서 연산과 저장 장치 역할을 동시에 수행한다[7]. 1971년 추아(Chua)가 처음 제안했다[8]. 약 40년 후 2010년 RRAM 기반 논리 연산이 처음 제안되었다[9]. 이후 RRAM 기반 인메모리 컴퓨팅 소자가 광범위하게 연구되고 다양한 구현 방법이 제안되었다[10-14]. 하지만 인메모리 컴퓨팅 소자로서 가장 중요한 특징은 안정성과 저에너지 소모다. 이 분야에는 아직 탐구해야 할 많은 이슈가 남아 있다. 본 서신에서는 두 종류의 RRAM 소자를 제작하고 전기적 특성을 테스트했다. 논리 연산 구현에서 안정적인 세트/리셋 전압과 소자 간 좋은 균일성은 매우 중요한 지표다.

현재까지 다양한 물질이 RRAM 거동을 보이나, CMOS 공정과 호환되는 것은 드물다. 이진 고-κ 산화물 HfAlOx 박막은 원자층 증착(ALD)으로 증착했다. ALD는 표면 포화 기반으로 정확한 전구체 투여량이 필요 없어 산화물 박막과 다양한 소자 오버레이어 증착에 적합하다[15]. HfAlOx는 기존 CMOS 공정과 잘 호환되어 인메모리 컴퓨팅 소자 유전체층으로 사용 가능하다. Ag/HfAlOx/Pt RRAM 소자로 상태 유지 논리 연산을 구현했다. IMP 논리는 1910년 화이트헤드와 러셀이 네 가지 기본 논리 연산(OR, AND, NOT, IMP) 중 하나로 간주했다[16]. 또한 NAND 논리는 두 단계 IMP 논리로 얻을 수 있다. NAND 논리는 범용 논리로 알려져 있어 모든 불리언 논리를 NAND 논리로 구성할 수 있다. 이 CMOS 호환, 고속, 저전압 인메모리 컴퓨팅 소자는 향후 기존 폰 노이만 구조 난제 해결에 효과적 방안을 제시한다.

실험 방법

본 연구에서 Ag/HfAlOx/Pt와 TaN/HfAlOx/Pt 소자를 각각 제작했다. 모식도는 그림 1a에 나타냈다. 먼저 세척된 SiO₂/Si 기판에 물리 기상 증착(PVD)으로 70 nm 두께 Pt 하부 전극을 증착했다. 이어서 테트라키스에틸메틸아미노 하프늄(TEMAH), 트라이메틸 알루미늄(TMA), H₂O 전구체로 240 °C에서 ALD를 사용해 16 nm 두께 이진 고-κ 산화물 HfAlOx 박막을 증착했다. 마지막으로 포토리소그래피와 PVD로 50 nm Ag 또는 TaN 상부 전극 박막을 제작했다. 상부 전극에 바이어스, 하부 전극에 그라운드를 걸고 상온에서 Agilent B1500A 반도체 파라미터 분석기로 직류 측정을 수행했다. 또한 논리 측정을 위해 Agilent B1500A와 두 반도체 펄스 발생기 유닛(SPGU)을 사용했다.

결과 및 고찰

기존 폰 노이만 컴퓨터 아키텍처에서 메모리와 프로세서는 분리되어 있다[17]. 메모리에 저장된 데이터가 연산 유닛으로 전송되는 시간이 컴퓨터 성능을 크게 제한한다. 데이터를 메모리상에서 직접 연산함으로써 이 한계를 깰 수 있다. 인메모리 컴퓨팅 연구는 이 한계를 깰 잠재력을 가진다.

논리 기능을 시연하기 위해 Ag/HfAlOx/Pt와 TaN/HfAlOx/Pt로 RRAM을 제작했다. 모식도는 그림 1a에 있으며, 두 소소자와 한 대소자가 최소 RRAM 논리 IMP 논리 유닛을 이룬다. 여러 IMP 셀 사용으로 다양한 논리 구현이 가능하다. ALD로 성장한 16 nm HfAlOx 박막을 X선 광전자 분광법(XPS)으로 특성화했다. 그림 1b에 전체 XPS 스펙트럼과 Hf4f, Al2p, C1s, O1s가 나타난다. XPS 결과로 ALD HfAlO 박막이 성공적으로 얻어졌음을 확인했다. 그림 2a, b는 Ag/HfAlOx/Pt와 TaN/HfAlOx/Pt의 I-V 양극성 스위칭 특성을 Agilent B1500A로 측정한 결과다. 스위핑 전압은 Ag -1.5~1.5 V, TaN -3~3 V 범위에서 0.1 V 읽기 전압으로 상온 측정했다. 두 구조의 저항 비는 그림 3a, b에 나타냈다. Ag 상부 전극 소자는 저항비 10³, TaN 상부 전극 소자는 60에 도달했다. 두 상부 전극 모두 우수한 양극성 스위칭 특성을 보인다. 세트/리셋 동작 전압 분포는 히스토그램(그림 3c, d)으로 나타냈다. Ag/HfAlOx/Pt 소자가 훨씬 낮은 세트 전압을 보인다. 두 구조 성능을 비교하면, Ag/HfAlOx/Pt 세트/리셋 전압 범위는 0.33~0.62 V, -1.3~-1.5 V이고, TaN/HfAlOx/Pt는 0.8~1.8 V, -1.3~-2 V다. 비교 결과 Ag 상부 전극 소자가 더 나은 안정성과 낮은 동작 전압으로 논리 구현용 소자로 더 적합하다.

또한 두 구조의 스위칭 메커니즘을 추가 설명한다. I-V 곡선을 로그 좌표에서 분석해 저저항 상태(LRS)와 고저항 상태(HRS) 전류 상태를 분석했다(그림 4a-d). 그림 4a, b에서 Ag/HfAlOx/Pt 소자는 전압 스위핑 중 옴적 전류를 보인다. 그림 4c, d에서 TaN/HfAlOx/Pt 소자는 순방향 또는 역방향 전압 인가 시 LRS에서 준옴적 전류(기울기 ≈1)를 보이며, HRS에서 양전계 하 옴적, 준옴적, 공간 전하 제한 전류가 나타난다.

이 현상의 이유는 TaN/HfAlOx/Pt 소자 저항 변화 메커니즘이 산소 이온과 산소 공공의 눈사태 생성과 재결합에 기인하는 반면, Ag/HfAlOx/Pt 소자에서는 금속 Ag의 산화환원 반응 덕분에 도전성 필라멘트 형성과 파열이 훨씬 낮은 전계로 구동 가능하기 때문이다.

본 실험에서 저저항 상태(LRS)를 논리 1, 고저항 상태(HRS)를 논리 0으로 정의했다. IMP 논리 테스트 다이어그램은 그림 5a에 나타냈다. 두 RRAM 소자 P, Q와 고정 부하 저항으로 구현된다. P, Q 상태를 각각 p, q로 표시한다. IMP는 두 동시 전압 펄스 Va, Vb로 수행한다(Va > Vset > Vb, Va - Vb < Vset로 정의해 Va가 논리 0→1 프로그래밍 가능, Va-Vb는 프로그래밍 불가). 논리 p 변화 원리는 q에 기인한다. q=1이면 p 전압 강하가 약 Va-Vb라 p 변화 없음, q=0이면 p 항상 1이 된다. q ← pIMPq 연산 진리표는 그림 5b, 펄스에 따른 P, Q 상태 변화는 그림 5c에 나타냈다. NAND 논리는 두 단계 IMP 논리로 얻을 수 있다. 좋은 균일성 덕분에 두 단계 IMP 논리로 NAND 구현이 가능하다. NAND는 범용 논리로 위상적으로 연결된 NAND 게이트로 모든 불리언 논리 구성이 가능하다. 그림 5d에 세 RRAM 소자 P, Q, S 회로로 구현을 보였다. 입력값 p, q는 소자 P, Q에 저장된다. 첫 단계에서 S를 0 상태로 초기화한다. 이어 두 단계 IMP 실행:

s′ ← pIMPs (1)

s″ ← qIMPs′ (2)

연산 순서가 NAND와 동등함을 보이는 진리표는 그림 5e에 나타냈다.

결론

요약하면 본 연구에서 두 소자(Ag/HfAlOx/Pt, TaN/HfAlOx/Pt)를 제작했다. 두 소자 모두 우수한 스위칭 특성을 보인다. Ag/HfAlOx/Pt 소자는 CMOS 호환성, 좋은 균일성, 낮은 동작 전압, 저전력 소모 등 인메모리 컴퓨팅 소자로서 장점을 입증했다. Ag/HfAlOx/Pt RRAM 소자로 논리를 구현했다. 저전압 인메모리 컴퓨팅 소자 구현은 향후 기존 폰 노이만 구조 난제 해결에 효과적 방안을 제공한다.

약어

ALD:

Atomic layer deposition (원자층 증착)

HRS:

High-resistance state (고저항 상태)

LRS:

Low-resistance state (저저항 상태)