Development of ReRAM-based devices for logic- and computation-in-memory applications

Breuer, Thomas; Noll, Tobias G.; Dittmann, Regina

doi:10.18154/RWTH-2017-07728

Development of ReRAM-based devices for logic- and computation-in-memory applications = Entwicklung von ReRAM-basierten Devices für Logic- und Computation-in-Memory Applikationen

Breuer, Thomas^RWTH*

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Thomas Breuer

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (x, 179 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Dittmann, Regina (Thesis advisor)^FZJ* ; Noll, Tobias G. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-06-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-07728
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/698446/files/698446.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/698446/files/698446.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
ReRAM (frei) ; non-volatile memory (frei) ; HfO2 (frei) ; Ta2O5 (frei) ; integrated circuits (frei) ; compuation-in-memory (frei) ; logic-in-memory (frei) ; application (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die rapid ansteigende Nachfrage nach Lösungen für zukünftige Informationstechnologien lässt sich unmittelbar von dem enormen Bedarf an energieeffizienten Computersystemen und extrem hoher Datenspeicherdichte ableiten. Nichtflüchtige redox-basiserte resistive Speicher (ReRAM) können die derzeitige Datentechnologie mittels cognitive computing und der Möglichkeit, Logikoperationen direkt in der Speichereinheit durchzuführen (logic-in-memory), revolutionieren. Insbesondere der Complementary Resistive Switch (CRS), der aus zwei antiseriell angeordneten, vertikal gestapelten bipolar schaltenden ReRAM-Zellen besteht, ist für diese innovativen Anwendungen ein geeigneter Kandidat und ermöglicht zudem die Einbettung von 4F^2 -Strukturen (mit der minimalen Strukturgröße F) in enorm dichte passive nano-crossbar arrays. Aufgrund der intrinsischen Nichtlinearität muss nicht auf selector devices für die Ansteuerung einzelner Speicherelemente zurückgegriffen werden. Zunächst werden Ta2O5-basierte two-terminal CRS (ohne Zugang zur Mittelelektrode) betrachtet, die die Vorteile einer einfachen Integration in Schaltkreise und niedriger Produktionskosten aufweisen. Deren elektrische Kennlinien werden mit denen von three-terminal devices (mit Zugang zur Mittelelektrode) verglichen, um so den Einfluss der beiden einzelnen Zellen auf den gesamten CRS zu untersuchen. Die initiale electroforming procedure ist für die three-terminal devices sehr einfach zu realisieren, da sich hier, über den Zugang zur Mittelelektrode, die beiden einzelnen Zellen separat kontaktieren lassen. Dahingegen ist es für two-terminal CRS notwendig, eine neuartige Prozedur einzuführen, die ein separates und kontrolliertes electroforming für low-current operations (<300µA) ermöglicht. Diese CRS devices, mit verbesserter endurance von über 10^6 Schaltzyklen, werden für die Implementierung von Fuzzy-Logik in Form von MIN / MAX Gates verwendet (Konzept vorgeschlagen von Klimo et al. in [7] und Nielen et al. in [8]), welche bei der Realisierung von Sortier-Netzwerken helfen könnten. Um den Herstellungsprozess zu vereinfachen, werden simple vertikal gestapelte Pt|HfO2|Hf|Pt ReRAMs genauer untersucht. Diese weisen unter bestimmten Bedingungen eine ähnliche I-V -Charakteristik zu der des CRS auf und werden in dem Fall als Complementary Switch (CS) bezeichnet. Das intrinsische komplementäre Schalten kann durch äußere Einwirkung ins eight-wise oder counter-eight-wise bipolare Schalten überführt werden. Darüber hinaus hat ebenso die Hf-Elektrodendicke eine Auswirkung auf den intrinsischen switching mode. Weitere Prozessparameter, wie die Depositionsrate von HfO2, haben dahingegen lediglich einen Einfluss auf die initialen Eigenschaften des Speicherelements. Die optimierten CS-Zellen (endurance von 10^9 Schaltzyklen, operationcurrent ∼500µA) werden in 1×8 passive crossbar arrays eingebettet. Anhand dieser devices wird zunächst die Umsetzbarkeit von Boolean-Logik-Funktionen demonstriert (Konzept vorgestellt von Linn et al. in [9]). Im Anschluss werden zwei in-memory adders experimentell getestet, welche Additionen und Subtraktionen durchführen (Konzept eingeführt von Siemon et al. in [10]). Diese Resultate belegen deutlich die funktionale Effizienz des crossbar adder approach, der einen wichtigen Weg für höchst fortgeschrittene ReRAM-basiertecomputing-in-memory architecture ebnet.

Rapid growth of future information technology depends on energy-efficient computation and ultra-high density data storage. Non-volatile redox-based resistive switching memory (ReRAM) devices offer logic-in-memory and cog-nitive computing capabilities and can redefine von Neuman computer architecture. The Complementary Resistive Switch (CRS), where two bipolar switching cells are vertically stacked, is a promising candidate and enables integration of highly dense passive nano-crossbar arrays in 4F^2 structure (with minimum feature size F). Due to the intrinsic non-linearity, the need for selector devices in the array is no longer required. Firstly, Ta2O5-based two-terminal devices (no access to the middle electrode (ME)) are considered, which facilitate simple integration and low fabrication cost. Their electrical characteristics are compared with switching of three-terminal devices (exhibiting access to the ME), in order to investigate the impact of single cell properties on the whole CRS. Initial electroforming process in the three-terminal devices is carried out by applying voltage stimuli to individual ReRAM cells. However, two-terminal devices require introduction of a novel procedure, which enables separate and controlled electroforming for low-current operations (<300µA). Such devices (with improved endurance about 10^6 cycles) have been used to implement fuzzy logic in terms of MIN / MAX gates (concept suggested by Klimo et al. in [7], Nielen et al. in [8]), which could enable small-size sorting networks. To reduce fabrication complexity, vertically stacked Pt|HfO2|Hf|Pt ReRAMstacks are investigated, which offer similar I-V characteristics to the CRS, referred to as Complementary Switch (CS). The intrinsic complementary switching can be modified externally to eight-wise and counter-eight-wise bipolarswitching. However, the Hf electrode thickness has also impact on the actual switching mode. Further process parameters, such as deposition rate of HfO2, have much more of an impact on the initial device. Next, integration of the CS into 1×8 passive crossbar arrays is demonstrated. First, the implementation of all Boolean CRS-logic operations (concept suggested by Linn et al. in [9]) with the CS is proven, showing remarkable endurance (10^9 cycles). Afterward, two in-memory adders (concepts introduced by Siemon et al. in [10]) are experimentally demonstrated, which perform addition and subtraction operations. Altogether, this could pave the way for next-generation information technology for parallel processing-in-memory architecture, which is implemented by ReRAMs embedded in energy-efficient, ultra-dense 4F^2 passive crossbar arrays.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)