HZO-based ferroelectric devices for in-memory computing: Feasibility of ferroelectric capacitors as multi-bit cryogenic memories

Thumbnail Image

Files

master_Ranta_Rikhard_2026.pdf (5.78 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-12-29

Department

Major/Subject

Materials Physics and Quantum Technology

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Engineering Physics
Master's Programme in Engineering Physics
Master's Programme in Engineering Physics

Language

en

Pages

56

Series

Abstract

Conventional computational architectures are faced with the von Neumann bottleneck through the separation of memory and processing units limiting bandwidth transfer and inhibiting progress towards efficient artificial intelligence computing. With increasing applications towards generative pretrained transformer based large language models, increasing the quota of vector-matrix multiplications (VMM) in digital computing, the excessive demand for computational power is becoming unsustainable. Simultaneously, emerging applications in high performance computing, quantum and space demand memories operating down to deep cryogenic temperatures. Enhancements of memory properties and in-memory-computing (IMC) capabilities are required for progress in these sectors, for which ferroelectric memories are gaining interest from industry. Ferroelectric capacitors (FECAPs) function as multi-bit, non-volatile memory controlled through ferroelectric polarisation. These FECAPs can be utilized for IMC in non-von Neumann crossbar array architectures as node devices, where the ferroelectric polarisation weights the inputs corresponding to multiply-and-accumulate operations. This thesis investigates 11 nm thick Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) FECAP devices retaining 80% of their room temperature remanent polarisation at 4 K. The dominating leakage current of the devices above 200 K was identified as Poole-Frenkel emission, supported by the defect-prone nature of the ferroelectric and capping dielectric layer. At cryogenic temperatures, the leakage current fell under the measurement resolution, proving device retention and endurance properties improving at low temperatures. For ferroelectric tunnel junctions (FTJ), the direct tunneling current at 4 K was estimated using the Tsu-Esaki model. Based on these two conduction mechanisms, a feasibility study on IMC was conducted through image rotation simulations. Based on this study, the deviation of the Poole-Frenkel emission was too large to sustain IMC, whereas the results from the estimated direct tunneling current were reconstructible. This indicates that FTJs could support IMC at deep cryogenic temperatures with materialistic optimisation, such as thinning the ferroelectric layer without degrading device reliability. This work provides a basis on the necessary design principles for multi-bit ferroelectric memories suitable for cryogenic IMC.

Tavanomaista laskennallista muistia rajoittaa muisti- ja prosessointiyksiköiden välinen fyysinen erotus heikentäen muistin kaistanleveyttä, mikä tunnetaan myös nimellä von Neumannin pullonkaula, hidastaen laskennan kehitystä. Lisäksi GPT-pohjaiset kielimallit ovat yleistyneet nostaen huomattavasti vektori-matriisitulojen ja laskennallisen tehon kysyntää kestämättömälle tasolle. Samalla suurteholaskennan, kvantti- ja avaruusalan sovelluksissa tarvitaan matalan lämpötilan muistiteknologioita. Täten edistysaskeleet kohti tehokkaita matalan lämpötilan ratkaisuja ovat välttämättömiä, mihin ferroelektriset muistit tarjoavat teollisuudelle vaihtoehtoja. Ohuet ferroelektriset kondensaattorit toimivat monitilaisena haihtumattomana muistina, johon voidaan vaikuttaa ferroelektrisen polarisaation kautta. Näitä kondensaattoreita voidaan hyödyntää perinteisestä von Neumannin arkkitehtuurista eroavissa ristikytkentäverkkojen risteyskohdissa säädeltävinä painoarvoina muistinsisäisessä laskennassa. Tässä opinnäytetyössä tutkitut 11 nm paksut HZO laitteet ylläpitivät 80 % pysyvästä polarisaatiosta 4 K lämpötilassa verrattuna huoneenlämpöön. Yli 200 K lämpötiloissa vallitsevaksi virtaprofiiliksi havaittiin Poole – Frenkel -emissio, joka usein esiintyy atomivaijeisissa materiaaleissa. Kryogeenisissä lämpötiloissa laitteiden virta putosi mittausresoluution alle rajoittaen tunnelointivirran analyysiä, samalla osoittaen muistinsäilyvyyden parantuvan matalissa lämpötiloissa. Tunnelointivirtaa simuloitiin laskennallisesti Tsu – Esaki -malliin pohjautuvilla arvioilla. Hyödyntäen näitä virtaprofiileja rotaatioon pohjautuva soveltvuustutkimus toteutettiin laskennallisesti vektori-matriisitulon tarkkuuden selvittämiseksi. Tämän soveltuvuustutkimuksen pohjalta näiden laitteiden Poole – Frenkel -virtaprofiilin hajonta oli liian suuri laskennalle, siinä missä tunnelointiin pohjautuvan laskennan tulokset olivat tunnistettavissa. Lopputuloksena näitä kondensaattoreita voidaan jatkokehittää muistinsisäiselle laskennalle ensisijaisesti ohentamalla ferroelektristä kerrosta vaikuttamatta laitteiden luotettavuuteen. Tämä opinnäytetyö ohjaa jatkokehityssuunnan monitila-ferroelektriseen kryogeeniseen muistinsisäiseen laskentaan.

Description

Supervisor

van Dijken, Sebastiaan

Thesis advisor

Majumdar, Sayani

Keywords

hafnium zirkonium oksidi, ristikytkentäverkko, kryogeeniset muistit, muistinsisäinen laskenta, ferroelektriset kondensaattorit, haihtumaton muisti

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202601211827

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI