ТРЕХМЕРНАЯ НЕЙРОСТРУКТУРА Российский патент 2001 года по МПК H01L29/788 

Изобретение относится к устройствам и структурам интегральной полупроводниковой микроэлектроники и кремниевой наноэлектронике, в частности к интегральным нейроподобным структурам нейро-БИС и нейро-ЭВМ.

Фундаментальной проблемой разработки элементно-технологической базы УБИС является увеличение уровня интеграции элементарных двухвходовых логических элеметов (ЛЭ), бистабильных ячеек (БЯ), сложных многофункциональных ЛЭ, их плотности упаковки за счет уменьшения геометрических размеров в области сотен нанометров, увеличения "интеллектуальных возможностей кристалла" при малых мощностях потребления и высоком системном быстродействии в компоновочном пространстве системы в кристалле.

Одним из эффективных путей повышения степени интеграции является переход к конструкции функционально-интегрированных логических элементов на вертикальных и планарных совмещенных МОП биполярно-полевых структурах. Развитием данного подхода является увеличение функциональных возможностей более сложных и гибких пороговых элементов, реализующих в минимальном трехмерном объеме полупроводника большее количество необходимых универсальных логических функций. Известны трехмерные двухзатворные МОП-структуры с вертикальным каналом [1] . Такая структура-аналог содержит полупроводниковую подложку определенного типа проводимости со столбиком, боковая поверхность которого покрыта слоем диэлектрика, на боковых сторонах которого размещены два затвора, содержит также области противоположного типа проводимости, одну, расположенную в нижней части столбика - исток, а также другую - на вершине столбика - сток. Рассмотренная структура относится к чисто приборным структурам, которая имеет существенные недостатки и принципиальные ограничения при организации более сложных логических элементов и существенном расширении функциональных возможностей. Это связано с тем, что даже для построения простейшего инвертора или двухвходового ЛЭ И-НЕ требуется дополнительная площадь на кристалле и соответственно дополнительные структуры и элементы.

Известен трехмерный ЛЭ на совмещенной МОП-структуре с вертикальным каналом [2] , используемый нами в качестве прототипа. Для расширения функциональных возможностей двухзатворной МОП-структуры, содержащей подложку определенного типа проводимости со столбиком, боковая поверхность которого покрыта слоем диэлектрика, на противоположных сторонах которого размещены два затвора, и содержащей сток на вершине столбика и исток, было предложено тип проводимости верхнего слоя подложки использовать противоположным типу основания подложки, причем проводимость столбика выполнять близкой к собственной проводимости полупроводника, а сток изготовить в виде перехода металл-туннельный диэлектрик-полупроводник.

Недостатком данной структуры является ограниченные функциональные возможности, очень малая гибкость реализованного в единице объема кристалла элементарных логических функций, резкое увеличение межэлементных линий связи для формирования сложных логических функций и функционально-совершенных архитектур УБИС.

Для расширения функциональных возможностей структуры, кардинального уменьшения межэлементных линий связи предлагается в известной трехмерной структуре, содержащей полупроводниковую подложку определенного типа проводимости с истоком, стоком и столбиком, боковая поверхность которого покрыта первым слоем-слоем диэлектрика, на противоположных сторонах которого размещены затворы, тип проводимости верхнего слоя подложки и столбика противоположен основанию подложки, а проводимость столбика близка к собственной проводимости полупроводника, использовать в трехмерной нейроструктуре затворы на боковых поверхностях столбика, выполненные в виде плавающих затворов, на каждый из которых нанесен второй слой диэлектрика, на котором изготовлены изолированные друг от друга n входных контактов с соответствующими площадями и емкостями входных контактов относительно плавающего затвора, определяющими весовые значения и формирующими функцию взвешенного суммирования путем сложения зарядов на плавающем затворе нейроструктуры и соответствующую пороговую функцию, причем в зависимости от условий функционирования структуры соответствующие входные контакты на правой и левой боковых поверхностях столбика могут быть соединены или разомкнуты, а сток структуры изготовлен как поглощающий контакт, выполненный в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и p-типа.

Предлагаемая конструкция трехмерной нейроструктуры будет отличаться от прототипа тем, что в зависимости от напряжения на плавающем затворе при реализации функции взвешенного суммирования путем сложения зарядов на плавающем затворе, когда веса будут определяться емкостями соответствующих входных контактов относительно этого затвора, в вертикальном канале могут перемещаться от основания столбика к его стоку на вершине столбика по слаболегированному каналу либо основные, либо неосновные носители, передающие информацию на общий для нейроструктуры выход - контакт истока. В итоге потенциал стока предлагаемой трехмерной нейроструктуры будет являться пороговой логической функцией от взвешенного суммирования на плавающем затворе и порогового значения, то есть нейроструктура реализует сложную логическую функцию, увеличивает функциональные возможности и логическую гибкость по сравнению с прототипом.

Таким образом, предлагаемая конструкция трехмерной нейроструктуры обеспечивает достижение нового технического результата - получение сложной пороговой функции нейроподобного элемента в минимальном объеме кристалла без дополнительных межэлементных линий связи, необходимых при реализации сложных функциональных устройств на элементарных двухвходовых вентилях 2И-НЕ. В рамках нанотехнологий и разрабатываемых наноэлектронных архитектур использование трехмерной нейроструктуры обеспечивает не только высочайшую плотность размещения в трехмерном объеме нейро-УБИС, но позволяет устранить и/или ослабить влияние "тирании соединений" для сверхинтегрированных систем при использовании шинных архитектур для адаптивных гибких самоорганизующихся нейросетей.

Фиг. 1 иллюстрирует предлагаемую конструкцию трехмерной нейроструктуры. Нейроструктура содержит полупроводниковую подложку 1 из кремния n-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10¹⁷ см^-3. В верхней части подложки сформирован слой p-типа проводимости 2 с концентрацией легирующей примеси 10¹⁵ см^-3 толщиной 0.4-1 мкм. Для создания истоковых металлических контактов 4 сформированы в p-области подложки сильнолегированные, с концентрацией 10¹⁸ см^-3 p⁺ - области 3. В верхней части подложки над p-областью сформирован столбик 5 шириной 50-200 нм и высотой 0.2-0.9 мкм, заполненный кремнием n-типа проводимости 6, причем проводимость столбика близка к собственной проводимости полупроводника, например 10¹¹ - 10¹⁴ см^-3. Боковая поверхность столбика покрыта первым слоем - слоем диэлектрика 7, оксидом кремния толщиной 5-10 нм. На противоположных сторонах столбика размещены плавающие затворы 8 и 9, например из поликристаллического кремния n⁺ - типа проводимости. На каждый из затворов 8 и 9 нанесен второй слой диэлектрика 10, оксид кремния толщиной 10 - 50 нм, на котором изготовлены изолированные друг от друга n входных контактов 11 с номерами 1...i...n с правой стороны и с левой 12, с соответствующими площадями и емкостями, определяющими весовые значения и формирующими функцию взвешенного суммирования. Соответствующие входные контакты на правой 11 и левой 12 боковых поверхностях столбика могут быть соединены или разомкнуты. Сток структуры изготовлен как поглощающий контакт, выполненный в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и p-типа 13 и 14. Для создания эффективных контактов Шоттки использованы сильнолегированные области n 15 и p 16 с концентрацией легирующей примеси около 10¹⁸ см^-3.

Предлагаемая нейроструктура работает следующим образом: при подаче хотя бы на один затвор обедняющего напряжения вследствие низколегированного или нелегированного столбика с низкой проводимостью происходит обеднение всего столбика, а под соответствующим затвором образуется канал для неосновных носителей. Если же на оба затвора подается обогащающее напряжение, то под затвором формируются основные носители. Причем источником неосновных носителей является n слой 1, а источником основных носителей является p слой 2. При прямом смещении соответствующего p-n перехода неосновные носители двигаются к основанию столбика 5 и формируют индуцированный канал. Поглощающий стоковый контакт в виде контактов Шоттки 13 и 14 обеспечивает протекание тока основных носителей при потенциале электрода стока, соответствующего обогащению столбика, также аналогично обеспечивается протекание тока неосновных носителей при потенциале, соответствующего обеднению столбика. Структура при управлении затворами выполняет логическую функцию 2 ИЛИ - НЕ, поскольку потенциал на верхнем электроде будет обогащающим, если хотя бы на один затвор будет подано обедняющее напряжение, и будет обедняющим, если на оба затвора будет подано обогащающее напряжение.

Специфика нейроструктуры с плавающими затворами такова, что происходит воздействие на каналы слаболегированного столбика напряжениями сигналов, поданных на входы 11, 12. Объединением необходимого количества входов 1...n справа и слева с соответствующими напряжениями U₁ U₂ U_n обеспечивается соответствующее управление затворами 8 и 9 через емкостные связи к плавающему затвору C_i, C_n. Аккумулируемые фиксированные веса, определяемые емкостями входных контактов, будут управлять токами основных и неосновных носителей от истока к стоку.

Изолированные друг от друга n входных контактов с соответствующими площадями и их барьерными емкостями входных контактов относительно плавающего затвора будут определять весовые значения и формировать целевую функцию взвешенного суммирования путем сложения зарядов на плавающем затворе нейроструктуры и в конечном итоге пороговую функцию нейроэлемента, Y = 1 при сумме X_iW_i > h_i и Y = 0 при других значениях суммы согласно формуле для пороговой функции где W_i - весовые значения, X_i входные значения. H_i - пороговые значения.

Плавающий потенциал ф определяется величиной
ф = (C₁V₁ ... + C_iV_i + ... + C_nV_n)/(C₁ ... + C_i .... + C_n + C_c),
где в полной емкости структуры C_t = (C₁ ... + C_i ... + C_n + C_c) C_c - емкость собственно канала, а компоненты емкостей плавающего затвора C_i образованы емкостями контактов 11 и 12, V_i = X_iV_dd, V_dd - напряжение на стоке. Другими словами, напряжение на плавающем электроде есть взвешенная сумма зарядов на затворе (взвешенная сумма входных напряжений с коэффициентом C_i/C_t).

Как только потенциал ф превышает пороговое напряжение V_t, симметричное для "виртуальных" МОП транзисторов в структуре, канал становится проводящим. Более того, пороговое напряжение V_t в значительной мере управляется потенциалом ф.

Таким образом, в трехмерной нейроструктуре реализуются более высокие функциональные возможности, высочайшая логическая гибкость при высокой плотности упаковки, с соответствующим сокращением межэлементных линий связи. Технико-экономический эффект от предлагаемого изобретения заключается в увеличении логической гибкости в минимальном объеме кристалла, что позволяет решить проблемы: а) высокой структурной сложности, требующей больших площадей и объемов в кристалле традиционных УБИС, б) низкой надежности систем с большим количеством линий связи; в) "тирании межсоединений" с увеличением потребляемой мощности и потери системного быстродействия в субсистемах УБИС по мере увеличения их степени интеграции.

Источники информации
1. Заявка EP 0149390.

2. Микроэлектроника, 1996, т 25, N 2, с. 112-115; Ракитин В.В. Заявка N 95111511.

Использование: в устройствах и структурах интегральной полупроводниковой микроэлектроники и кремниевой наноэлектронике, в частности в интегральных нейроподобных структурах нейро-БИС и нейро-ЭВМ. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей структуры, уменьшение межэлементных линий связи при высокой плотности трехмерной упаковки, малых мощностях потребления. Сущность изобретения: трехмерная нейроструктура содержит полупроводниковую подложку определенного типа проводимости с истоком, стоком и столбиком, боковая поверхность которого покрыта первым слоем - слоем диэлектрика, на противоположных сторонах которого размещены затворы, тип проводимости верхнего слоя подложки и столбика противоположен основанию подложки, а проводимость столбика близка к собственной проводимости полупроводника. Предлагается в трехмерной нейроструктуре затворы на боковых поверхностях столбика выполнять в виде плавающих затворов, на каждый из которых нанесен второй слой диэлектрика, на котором изготовлены изолированные друг от друга n входных контактов с соответствующими площадями и емкостями входных контактов относительно плавающего затвора, определяющими весовые значения и формирующими функцию взвешенного суммирования путем сложения зарядов на плавающем затворе нейроструктуры и соответствующую пороговую функцию. В зависимости от условий функционирования структуры соответствующие входные контакты на правой и левой боковых поверхностях столбика могут быть соединены или разомкнуты, а сток структуры изготовлен как поглощающий контакт, выполненный в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и р-типа. 1 ил.

Трехмерная нейроструктура, содержащая полупроводниковую подложку определенного типа проводимости с истоком, стоком и столбиком, боковая поверхность которого покрыта первым слоем диэлектрика, на противоположных сторонах которого размещены затворы, тип проводимости верхнего слоя подложки и столбика противоположен основанию подложки, а проводимость столбика близка к собственной проводимости полупроводника, отличающаяся тем, что затворы на боковых поверхностях столбика выполнены в виде плавающих затворов, на каждый из которых нанесен второй слой диэлектрика, на котором изготовлены изолированные друг от друга n входных контактов с соответствующими площадями и емкостями входных контактов относительно плавающего затвора, определяющими весовые значения и формирующими функцию взвешенного суммирования путем сложения зарядов на плавающем затворе нейроструктуры и соответствующую пороговую функцию, причем в зависимости от условий функционирования структуры соответствующие входные контакты на правой и левой боковых поверхностях столбика могут быть соединены или разомкнуты, а сток структуры изготовлен как поглощающий контакт, выполненный в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки п- и р-типа.