一种浮栅型FLASH突触器件结构的制作方法

本发明涉及微电子集成电路技术领域，特别涉及一种浮栅型flash突触器件结构。

背景技术：

神经元是大脑信息处理的基本单元，突触则是神经元之间在功能上发生联系的部位，是指一个神经元的冲动传到另一个神经元或传到另一细胞间的相互接触的结构，是信息传递和处理的关键部位，其人工构造的突触被广泛认为是硬件构建类脑计算机和人工智能系统的核心器件。目前，人工突触器件类型主要包括双端突触器件和多端突触器件，前者包括阻器突触器件(阻变存储器和相变存储器)，后者包括浮栅突触器件、铁电门突触器件、电解质门突触器件和光电突触器件等，浮栅突触器件主流的有flash型(电荷存储型和电荷陷阱型)、au浮栅的cnt型、c60浮栅型、au纳米颗粒型等，目前成熟度较高的是flash型浮栅突触器件。

而传统flash浮栅突触器件，如发明专利us5136175公开的flash型突触器件是由2t-flash器件和一个电容构成，而且要实现长程增强(long-termpotentiation-ltp)和长时程抑制(long-termdepression-ltd)功能(即，脉冲时间依赖的可塑性-stdp)，需要两对突触器件才可以实现，存在使用有源和无源器件种类多、结构复杂、集成度低、功耗大、响应时间慢等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种浮栅型flash突触器件结构，以解决现有的flash突触器件使用有源和无源器件种类多、结构复杂、集成度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种浮栅型flash突触器件结构，包括3个flash器件：两个pflash管和一个nflash管；其中一个pflash管t1为控制管，起编程、擦除和校验作用；另一个pflash管t2和nflash管t3为信号存储管；

通过共栅方式pflash管t1控制pflash管t2和nflash管t3的多种存储信息状态，以建立pflash管t2和nflash管t3的stdp学习函数，实现该flash突触器件的ltd与ltp基本功能。

可选的，所述共栅方式指3个flash器件共用控制栅和浮栅，并基于共浮栅的电荷共享基本原理，通过对pflash管t1进行编程与擦除，改变共浮栅的电荷数量，实现pflash管t2和nflash管t3的多种存储信息状态。

可选的，所述pflash管t1的编程与擦除方法为bbhe或fn隧穿机理，其中bbhe的编程为微秒量级。

可选的，控制多种存储信息状态是指通过编程或者擦除应力随时间变化的关系，建立共浮栅上的电荷量变化量与时间的关系式，进而实现pflash管t2和nflash管t3的沟道导通能力控制，实现多区域的沟道电阻分配。

可选的，建立pflash管t2和nflash管t3的stdp学习函数，实现该flash突触器件的ltd与ltp基本功能，通过编程与擦除实现两种正反stdp学习函数模型，包括：

(1)根据电荷共享基本原理，pflash管t2和nflash管t3的阈值变化量均由pflash管t1通过编程与擦除方式实现充入和移除的电荷量决定，且pflash管t1、pflash管t2和nflash管t3的阈值变化量表现为等值变化；

(2)所述电荷共享基本原理是其中，δvth是阈值电压变化量，δq是浮栅电荷变化量，cfg是浮栅与控制栅之间的电容；同时，器件的阈值电压的变化量是时间和编程/擦除电压的函数，即δvth(t)＝f(δq(t))＝f(t、vpgm、vers)；其中，t是时间，vpgm是编程电压，vers是擦除电压；

(3)所述的正stdp学习函数模型，通过bbhe编程方式实现对浮栅充入电荷，使得pflash管t2和nflash管t3的转移特性曲线等幅度向右平移，其中，nflash管t3随着浮栅电荷量的增加，其亚阈值区的导通电阻ron呈现增大趋势，且是编程时间t的函数，近似看成导通电阻ron与编程时间t呈现指数函数变化ron～ae^bt，其读取电流id与编程时间t近似为id～ae^-bt，即为ltd特性；pflash管t2随着浮栅电荷量的增加，其亚阈值区的导通电阻ron呈现降低趋势，且也是编程时间t的函数，近似看成导通电阻ron与编程时间t呈现负指数函数变化ron～ae^-bt，其读取电流id与编程时间t近似为id～ae^bt，即为ltp特性；此时编程时间在微秒量级；其中a，b是常数；

(4)所述的反stdp学习函数模型，通过fn擦除方式实现对浮栅电荷移除，使得pflash管t2和nflash管t3的转移特性曲线等幅度向左平移，其中，nflash管t3随着浮栅电荷量的减少，其亚阈值区的导通电阻ron呈现降低趋势，且是编程时间t的函数，近似看成导通电阻ron与编程时间t呈现负指数函数变化ron～ae^-bt，其读取电流id与编程时间t近似为id～ae^bt，即为ltp特性；pflash管t2随着浮栅电荷量的减少，其亚阈值区的导通电阻ron呈现增大趋势，且也是编程时间t的函数，近似看成导通电阻ron与编程时间t呈现指数函数变化ron～ae^bt，其读取电流id与编程时间t近似为id～ae^-bt，即为ltd特性。

在本发明中提供了一种浮栅型flash突触器件结构，包括3个flash器件：两个pflash管和一个nflash管；其中一个pflash管t1为控制管，起编程、擦除和校验作用；另一个pflash管t2和nflash管t3为信号存储管；通过共栅方式pflash管t1控制pflash管t2和nflash管t3的多种存储信息状态，以建立pflash管t2和nflash管t3的stdp学习函数，实现该flash突触器件的ltd与ltp基本功能。本发明的flash仿生突触器件采用共浮栅技术和电荷共享基本原理，可实现正/反stdp学习函数两种特性，器件结构简单，易适用于大规模集成；与传统的忆阻器相比较，无需选通管；采用bbhe编程原理可以将突触的ltd和ltp的功能延时特性降低到μs量级，这比传统器件提高近3个数量级；同时，本发明突触器件具有良好的编程效率、可靠性等优点。

附图说明

图1为本发明的浮栅型flash突触器件结构示意图；

图2为本发明的浮栅型flash突触器件中t2与t3的转移特征曲线示意图；

图3为本发明的浮栅型flash突触器件实现的正stdp学习函数示意图；

图4为本发明的浮栅型flash突触器件实现的反stdp学习函数示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种浮栅型flash突触器件结构作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明提供了一种浮栅型flash突触器件结构，如图1所示，包括3个flash器件：两个pflash管和一个nflash管；其中一个pflash管t1为控制管，起编程、擦除和校验作用；另一个pflash管t2和nflash管t3为信号存储管；通过共栅方式pflash管t1控制pflash管t2和nflash管t3的多种存储信息状态，以建立pflash管t2和nflash管t3的stdp学习函数，实现该flash突触器件的ltd与ltp基本功能。

请继续参阅图1，所述pflash管t1包括漏端d1、源端s1、衬底b12；所述pflash管t2包括漏端d2、源端s2、衬底b12；所述nflash管t3包括漏端d3、源端s3、衬底b3。所述的共栅方式是指3个flash器件共控制栅cg和共浮栅fg，并基于共浮栅的电荷共享基本原理，通过对pflash管t1进行编程与擦除，改变共浮栅的电荷数量，实现pflash管t2和nflash管t3的多种存储信息状态。

控制pflash管t2和nflash管t3的多种存储信息状态是指基于电荷共享基本原理，通过pflash管t1编程与擦除方式来改变共浮栅fg上的电荷量(即充入及移除电荷量)，进而对pflash管t2和nflash管t3的沟道能力进行有效控制，从而使pflash管t2和nflash管t3在亚阈值区表现出多种分布的导通电阻区间。导通电阻是pflash管t1漏端电压vd、控制栅电压vcg、衬底电压vb与时间t的函数(即浮栅电荷量是pflash管t1漏端电压vd、控制栅电压vcg、衬底电压vb与时间t的函数)；所述的编程与擦除方式为bbhe或fn。

如图2所示，本发明的浮栅型flash突触器件编程(pgm)/擦除(ers)的转移特征曲线。具体地说，基于共浮栅电荷共享的基本原理，可以实现pflash管t1对pflash管t2和nflash管t3转移特性的控制。pflash管t2和nflash管t3阈值变化量均由pflash管t1通过编程与擦除方式实现充入和移除的电荷量(δq)决定，且pflash管t1、pflash管t2和nflash管t3的阈值变化量(δvth)表现为等值变化。所述的电荷共享基本原理是其中，δvth是阈值电压变化量，δq是浮栅电荷变化量，cfg是浮栅与控制栅之间的电容；同时，器件的阈值电压的变化量是由时间和编程/擦除电压决定的，即δvth(t)＝f(δq(t))＝f(t、vpgm、vers)；其中，t是时间，vpgm是编程电压，vers是擦除电压。

如图3所示，本发明的浮栅型flash突触器件实现的正stdp函数示意图。具体地说，所述的正stdp学习函数模型，通过bbhe编程方式实现对浮栅充入电荷，可以使得pflash管t2和nflash管t3的转移特性曲线等幅度向右平移，其中，nflash管t3随着浮栅电荷量的增加，其亚阈值区的导通电阻ron呈现增大趋势，且是编程时间t的函数，可以近似看成导通电阻ron与编程时间t呈现指数函数变化ron～ae^bt，其读取电流id与编程时间t可以近似为id～ae^-bt(w:权重)，即为ltd特性；pflash管t2随着浮栅电荷量的增加，其亚阈值区的导通电阻ron呈现降低趋势，且也是编程时间t的函数，可以近似看成导通电阻ron与编程时间t呈现负指数函数变化ron～ae^-bt，其读取电流id与编程时间t可以近似为id～ae^bt(w:权重)，即为ltp特性；此时编程时间在微秒量级；其中a，b是常数。

如图4所示，本发明的浮栅型flash突触器件实现的反stdp函数示意图。具体地说，所述的反stdp学习函数模型，通过fn擦除方式实现对浮栅电荷移除，可以使得pflash管t2和nflash管t3的转移特性曲线等幅度向左平移，其中，nflash管t3随着浮栅电荷量的减少，其亚阈值区的导通电阻ron呈现降低趋势，且是编程时间t的函数，可以近似看成导通电阻ron与编程时间t呈现负指数函数变化ron～ae^-bt，其读取电流id与编程时间t可以近似为id～ae^bt(w:权重)，即为ltp特性；pflash管t2随着浮栅电荷量的减少，其亚阈值区的导通电阻ron呈现增大趋势，且也是编程时间t的函数，可以近似看成导通电阻ron与编程时间t呈现指数函数变化ron～ae^bt，其读取电流id与编程时间t可以近似为id～ae^-bt(w:权重)，即为ltd特性。

本发明基于共浮栅和共享电荷技术实现浮栅电荷量对沟道电阻改变，进而可以转化为编程时间脉冲与导通电阻/读取电流之间的权重关系，实现突触器件的ltp和ltd功能。本发明提供了一种浮栅型flash突触器件结构，具有低功耗、编程时间短、多电阻分布区的特点，其结构工艺兼容于cmos，步骤简单，安全可靠，在人工神经网络应用方面有着广泛的应用前景。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。