Hafnium oxide based memristive devices as functional elements of neuromorphic circuits

Cüppers, Felix Johannes; Waser, Rainer; Knoch, Joachim

doi:10.18154/RWTH-2023-05746

Hafnium oxide based memristive devices as functional elements of neuromorphic circuits = Hafniumoxid-basierte memristive Bauelemente als funktionale Elemente neuromorpher Schaltungen

Cüppers, Felix Johannes^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Felix Johannes Cüppers M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH* ; Knoch, Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-05-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-05746
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/959639/files/959639.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik II und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
artificial synapse (frei) ; memory (frei) ; memristor (frei) ; nanotechnology (frei) ; neurmorphic (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Aufgrund der nahenden Grenze der Rechengeschwindigkeit klassischer von Neumann-Architekturen verlangen datentransfer-intensive kognitive Anwendungen in der zukünftigen Informationstechnologie nach einem Paradigmenwechsel. „Beyond-von Neumann“-Konzepte wie biologisch inspirierte neuromorphe Schaltungen mit einstellbaren synaptischen Gewichten ermöglichen eine energieeffiziente Steigerung der Rechenleistung. In diesem Kontext werden neuartige memristive Bauelemente wie redox-basierte resistive Speicher mit wahlfreiem Zugriff (ReRAM) intensiv erforscht. Sie vereinen Nicht-Flüchtigkeit, Skalierbarkeit und Energieeffizienz miteinander. Zudem erlauben sie die Programmierung vieler unterschiedlicher Widerstandszustände, was die Speicherdichte zusätzlich zur kompakten Bauform erhöht. Dabei unterscheiden sie sich aufgrund ihrer gemischt ionisch-elektronischen Funktionsgrundlage stark von rein elektronischen Systemen. Wichtige Kriterien für den Einsatz memristiver Bauelemente in neuromorphen Schaltungen sind die Operationsparameter für die zwei Schaltmodi abruptes und analoges Schalten, die Stochastizität der Schaltprozesse SET und RESET, die Variabilität der Schaltzustände HRS und LRS sowie die Anzahl der programmierbaren Zustände. Neben der Quantifizierung dieser Parameter ist das physikalische Verständnis der ablaufenden Prozesse entscheidend, um prädiktive Aussagen über Einsatz und Zuverlässigkeit in Schaltungen treffen zu können. In diesem Zusammenhang ist der Austausch mit und die Weiterentwicklung von physikalischen Modellen essenziell. Eine typische im bipolaren Valenzwechselmechanismus (VCM) schaltende filamentäre ReRAM-Zelle ist aus einer oder mehreren isolierenden Metalloxidschichten und zwei Metallelektroden aufgebaut, wobei Unterschiede hinsichtlich der Austrittsarbeit und der chemischen Reaktivität bestehen. Eine von der Industrie bevorzugte Wahl für die Metalloxidschicht ist HfO2, da es bereits in den Herstellungslinien für Halbleiterbauelemente verfügbar ist. Durch gezielte Einführung einer zusätzlichen substöchiometrischen Titanoxid-Schicht und Einsatz einer chemisch reaktiven Titanelektrode und einer inerten Platinelektrode wird reproduzierbar stabiles Schaltverhalten erreicht. In dieser Arbeit werden die beschriebenen Schaltmodi an industrienah hergestellten nanoskalierten Pt/HfO2/TiOx/Ti/Pt-Bauelementen auf Basis statistischer Ensembles systematisch analysiert. Durch Zuhilfenahme von Kompakt-Simulationsmodellen werden die Ergebnisse physikalisch interpretiert, um eine umfangreiche Beschreibung der Bauelemente zu erzielen als Grundlage für den Einsatz in zukünftigen „Beyond-von Neumann“-Konzepten. Die Ergebnisse erlauben eine Bewertung der HfO2-basierten ReRAM-Zellen hinsichtlich ihrer Anwendung in neuartigen neuromorphen Schaltungen.ReRAM Bauelemente aus Atomlagen-Abscheidung (ALD)-gewachsenen 3 nm dicken HfO2 Schichten wurden als Kreuzpunkt-Bauteile mit Größen zwischen 10 000 nm2 und 3 600 nm2 hergestellt. Als Nanolochstrukturen konnten funktionsfähige Bauelemente von 1600 nm2 demonstriert werden. Umfangreiche statistische Charakterisierung des Elektroformierungsverhaltens und der Schaltstabilität sowie eine Kalibrierung der Schalteigenschaften mittels Parametervariation bilden die Grundlage für die differenzierte Analyse der Schaltkinetik mit rechteckigen Spannungspulsen zwischen 100 ns und 1 s. Die Studie zur abrupten Schaltkinetik in SET und RESET deckte einerseits den Einfluss des hochohmigen Zustands (HRS) auf den Einschaltprozess (SET) und andererseits den Einfluss eines Serienwiderstands auf den Ausschaltprozess (RESET) auf. Unter Zuhilfenahme des in Kooperation zwischen dem IWE-II der RWTH Aachen und PGI-7 entwickelten physikalisch motivierten Kompakt-modells „JART v1b“ konnte gezeigt werden, dass neben der Verzögerungszeit auch die experimentell schlecht zugängliche Übergangszeit im SET wesentlich vom HRS abhängt. Weiterhin bewirkt eine Annäherung des niederohmigen Zustands (LRS) an den internen Serienwiderstand eine deutliche Zeitverzögerung des RESET. Durch Einschränkung von HRS und LRS auf einen mittleren Widerstandsbereich können die Verzögerungszeiten minimiert werden. So kann der Übergangsbereich effizient für analoges Schalten genutzt werden. Quantitative Studien ergaben, dass durch geeignete Wahl der Spannungsamplituden das Verhalten der Zellen so gesteuert werden kann, dass die Anforderungen neuromorpher Schaltungen wie Symmetrie und Einstellbarkeit von Zwischenzuständen erfüllt werden. Die genauere Untersuchung der Stochastizität der SET Spannungen zwischen Schaltvorgängen und zwischen Bauelementen, die an einem erweiterten Bauelemente-Ensemble durchgeführt wurde erlaubte in Kombination mit einer um die Bauelemente-Variabilität erweiterten Version des JART v1b Modells die Evaluierung parallelgeschalteter Bauteile als künstliche Synapse, sowohl experimentell als auch in der Simulation. Die erfolgreiche Demonstration der Synapsen in einem gepulsten neuronalen Netzwerk unterstreicht das Potenzial memristiver Bauelemente für neuromorphe Schaltungen. Durch eine gezielte Kombination von Bauelemententwicklung und Schaltungsentwurf lässt sich das Anwendungsspektrum memristiver Zellen noch deutlich erweitern. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass nanostrukturierte filamentäre ReRAM-Bauelemente ein hohes Potenzial für den Einsatz als künstliche Synapsen in neuromorphen Schaltungen der künftigen Computergeneration haben. Die erzielten Ergebnisse tragen zu einem tieferen physikalischen Verständnis des analogen und des abrupten Schaltverhaltens der Bauelemente bei und demonstrieren die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten.

Due to the approaching limit of the computational speed of classical von-Neumann architectures, data transfer-intensive cognitive applications in future information technology demand a paradigm shift. "Beyond-von Neumann" concepts such as biologically inspired neuromorphic circuits with adjustable synaptic weights promise an energy-efficient increase in computing power. In this context, novel memristive devices such as redox-based resistive random access memories (ReRAM) are investigated intensively. They combine nonvolatility, scalability and energy efficiency. Moreover, they also allow the programming of multiple different resistive states, which further increases the memory density in addition to the compact design. Due to their mixed ionic-electronic function, they differ significantly from purely electronic systems. Important criteria for the use of memristive devices in neuromorphic circuits are the operation parameters for the two switching modes abrupt and analog switching, the stochasticity of the switching processes SET and RESET, the variability of the resistance states HRS and LRS as well as the number of programmable states. In addition to the quantification of these parameters, the physical understanding of the processes taking place is crucial in order to make predictive statements about applicability and reliability in circuits. In this context, the exchange with and further development of physical models is essential. A typical filamentary ReRAM cell operating in the bipolar valence change mechanism (VCM) is composed of one or more insulating metal oxide layers and two metal electrodes, which differ in terms of work function and chemical reactivity. A preferred choice for the metal oxide layer by the industry is HfO2, since it is already available in semiconductor device fabrication lines. By intentionally introducing an additional sub-stoichiometric titanium oxide layer and using a chemically reactive titanium electrode and an inert platinum electrode, reproducible and stable switching behavior is obtained. In this work, the described switching modes are systematically analyzed on nanoscale Pt/HfO2/TiOx/Ti/Pt devices based on statistical ensembles. The devices are highly comparable to industrially available options. With the aid of compact model simulations, the results are physically interpreted to obtain a comprehensive description of the devices as a foundation for usage in future "Beyond-von Neumann" concepts. The results allow an evaluation of the HfO2-based ReRAM cells with respect to their application in novel neuromorphic circuits. ReRAM devices of atomic layer deposition (ALD)-grown 3nm thick HfO2 films were fabricated as cross-point devices with sizes ranging from 10000 nm2 to 3600 nm2. Functional devices of 1600nm2 were demonstrated as nano-plug structures. Extensive statistical characterization of the electroforming behavior and the switching stability as well as calibration of the switching properties by means of parameter variation form the basis for the differentiated analysis of the switching kinetics with rectangular voltage pulses between 100 ns and 1 s. The study of the abrupt switching kinetics in SET and RESET revealed the influence of the high-resistance state (HRS) on the switch-on process (SET) on the one hand and the influence of a series resistor on the switch-off process (RESET) on the other hand. Using the physically motivated compact model "JART v1b" developed in cooperation between IWE-II of RWTH Aachen University and PGI-7, it could be shown that, in addition to the delay time, the transition time in SET, which is difficult to access experimentally, also depends significantly on the HRS. Furthermore, if the low-resistance state (LRS) approaches the internal series resistance, a significant time delay of the RESET process is caused. By restricting HRS and LRS to a medium resistance range, the delay times can be minimized. Thus, these transition regions can be efficiently used for analog switching. Quantitative studies in this operation mode revealed that by appropriate choice of the voltage amplitudes, the behavior of the cells can be controlled to meet the requirements of neuromorphic circuits such as symmetry and programmability of intermediate conductance states. Further detailed investigations on the stochasticity of SET voltages over repeated switching operations and between different devices, performed on an extended device ensemble, allowed evaluation of parallel-connected devices as artificial synapses. The synapse was demonstrated both experimentally and in simulation using an extended version of the JART v1b model that includes device variability. The subsequent successful demonstration of synapses in a spiking neural network highlights the potential of memristive devices for neuromorphic circuits. The results illustrate that the range of applications can be further extended through a focused combination of device development and circuit design. In summary, this work shows that nanosized filamentary ReRAM devices have a high potential for use as artificial synapses in neuromorphic circuits of the future computer generation. The obtained results contribute to a deeper physical understanding of the analog and abrupt switching behavior and demonstrate the wide range of possible applications.

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