Self-Rectifying Memristor-Based Three-Dimensional Hardware Integration and Applications for Neuromorphic Computing = 자가 정류 멤리스터 기반 3차원 하드웨어 집적 기술과 뉴로모픽 컴퓨팅 응용

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent efforts to develop compact and low-power resistive memory devices, self-rectifying memristors (SRMs) based on electronic bipolar resistive switching (e-BRS) have emerged as promising candidates. Unlike conventional memory structures, SRMs operate without electroforming and exhibit built-in rectifying behavior, which helps suppress sneak paths in array configurations. These features enable selector-less architectures and facilitate greater vertical integration. This dissertation studies vertically stacked SRM arrays and their potential for in-memory computing applications.
First, a heterogeneous reservoir computing model is implemented using Pt/Ta2O5/HfO2/TiN (PTHT) devices, which operate in either self-rectifying or leaky modes depending on compliance current settings. This dual-mode configuration improved classification performance for time-dependent inputs, such as handwritten digits.
Second, a four-layer 32 × 32 vertical PTHT memristor array containing over 4,000 devices was fabricated and tested. The structure builds on previous work using smaller arrays and confirms scalability across layers using a multiprobe system and switching matrix. Importantly, it was also demonstrated that the vertical PTHT array can function as a heterogeneous reservoir, similar to planar configurations, enabling reliable time-series classification within a fully integrated structure. The array was used to perform multi-task inference on visual datasets.
Lastly, a wire-bonded PCB testing platform was developed to automate the measurement of the electrical characterization of high-density vertical memristor arrays. By integrating shift registers, multiplexers with ultra-low leakage current, and a multi-channel switching matrix, the setup enabled precise per-cell selection and voltage application across thousands of devices. One of the key advantages of this platform is its ability to access individual layers in a stacked array without relying on bulky or specialized probe stations, which are often impractical for repeated or scalable measurements. This design significantly reduced the total testing time from several weeks per layer to just one day, while improving measurement reproducibility and system stability.
Altogether, the results suggest that vertical SRM arrays are a feasible component for neuromorphic computing and memory-focused systems, where integration scale and energy efficiency are key considerations.

국문 초록 (Abstract)

논문은 집적도 및 에너지 효율이 중요한 뉴로모픽 컴퓨팅 및
메모리 중심 시스템을 위한 유망한 소자인 전자 쌍극성 저항
스위칭(e-BRS) 기반 자가 정류 메모리 소자(SRM)의 수직 적층형
어레이와 그 응용 가능성을 연구한다. 기존 메모리 구조와 달리
SRM은 초기화 공정 없이(electroforming-free) 작동하며, 내장된
정류 특성을 통해 어레이 구성에서 스닉 패스 전류를 억제한다.
이러한 특징은 셀렉터리스(selector-less) 구조를 가능하게 하고,
수직 집적도를 향상시키는 데 기여한다. 본 연구에서는 크게 세
가지 주요 주제를 탐구하였다.
첫째, Pt/Ta2O5/HfO2/TiN 소자를 활용하여 이종 레저버 컴퓨팅
(Heterogeneous Reservoir Computing)을 구현하였다. PTHT
소자는 순응 전류(Compliance Current) 설정에 따라 자가 정류
모드 또는 누설 모드로 동작하며, 이러한 이중 모드 구성은 동일
모드 구성 대비 MNIST의 분류 성능을 향상시켰다.
둘째, 총 4,000개 이상의 소자로 구성된 4층 32×32 수직 PTHT
메모리 어레이(vertical RRAM array)를 제작하고 평가하였다. 이는
기존의 소규모 어레이 연구를 기반으로 한 확장된 구조로서,
멀티프로브 측정 시스템과 스위칭 매트릭스를 이용하여 층간 확장
가능성과 전기적 특성의 균일성을 실험적으로 검증하였다. 특히, planar 구조와 유사하게 본 수직 구조 또한 이종 리저버로 동작
가능함을 보였으며, 이를 활용해 시각 데이터셋 기반의 다중 작업
추론을 수행하였다.
셋째, 고집적 수직 어레이의 전기적 특성 평가를 위한 와이어
본딩 기반 PCB 테스트 플랫폼을 설계하고 구현하였다. 초저 누설
전류 특성을 갖는 멀티플렉서, 쉬프트 레지스터, 스위칭 매트릭스
등을 집적한 이 플랫폼은 기존의 복잡한 프로브 시스템 없이도 각
적층 층에 손쉽게 접근할 수 있도록 하였으며, 테스트 시간을 기존
수주 단위에서 하루 이내로 획기적으로 단축시켰다. 또한, 반복
측정에 있어서도 높은 재현성과 안정성을 확보하였다.
종합적으로 본 연구는 수직 SRM 어레이가 높은 집적도와 에너지
효율을 동시에 요구하는 뉴로모픽 및 메모리 중심 컴퓨팅 시스템의
실현 가능한 핵심 기술이 될 수 있음을 실험적으로 입증하였으며,
차세대 인-메모리 컴퓨팅 구조로의 확장 가능성을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Tables v
• List of Figures vi
• List of Abbreviations xxiii
• 1. Introduction 1
• 1.1. Electronic Bipolar Resistive Switching Self-Rectifying Memristor 1
• 1.2. Objective and Chapter Overview 6
• 1.3. Bibliography 8
• 2. Heterogeneous Reservoir Computing in Pt/Ta2O5/HfO2/TiN Memristors 11
• 2.1. Introduction 11
• 2.2. Experimental Methods 16
• 2.2.1. Device Fabrication 16
• 2.2.2. Electrical Measurement 18
• 2.2.3. Reservoir Computing Simulation 19
• 2.3. Results and Discussions 20
• 2.3.1 Mode change in the second-order PTHT memristors 20
• 2.3.2 Heterogeneous RC with the second-order PTHT memristors 29
• 2.3.3 Performance Evaluation in Crossbar Array-Based Heterogeneous Reservoir Computing 45
• 2.4. Conclusion 50
• 2.5. Bibliography 52
• 3. Fabrication and Functional Characterization of a 4k Vertical Pt/Ta2O5/HfO2/TiN Memristor Array for Heterogeneous Reservoir Computing 55
• 3.1. Introduction 55
• 3.2. Experimental Methods 57
• 3.2.1 Fabrication of a Four-Layer 32 × 32 Vertical PTHT Memristor Array 57
• 3.2.2 Structural Analysis 59
• 3.2.3 Electrical Characterization Setup 60
• 3.3. Results and Discussions 61
• 3.3.1 Four-Layer 32 × 32 Vertical PTHT Memristor 61
• 3.3.2 PTHT V-RRAM Electrical Characteristics 67
• 3.3.3 Heterogeneous Reservoir and readout system for multi-task classification 81
• 3.4. Conclusion 99
• 3.5. Bibliography 101
• 4. Utilizing Wire Bonding and PCB Boards for Efficient Measurement of Vertical RRAM Array 105
• 4.1. Introduction 105
• 4.2. Experimental Methods 107
• 4.2.1 Device Fabrication 107
• 4.2.2 Electrical Characterization Setup 110
• 4.3. Results and Discussions 112
• 4.4. Conclusion 125
• 4.5. Bibliography 126
• 5. Conclusion 127
• Curriculum Vitae 129