一種適用於神經電路的多值阻變存儲器及其控制辦法的製作方法

2023-11-06 22:19:47

專利名稱：一種適用於神經電路的多值阻變存儲器及其控制辦法的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種阻變存儲器存，尤其涉及ー種適用於神經電路的多值阻變存儲器及其控制方法。
背景技術：
數字計算機的誕生成為人類文明誕生至今一項令人矚目的成就，它的迅速發展引領著人類社會進入了資訊時代。然而數字計算機並不是完美的，尤其是在智能化領域的進展並不盡如人意，目前尚未有以數字計算機為基礎的可以完全模擬人類的機器人存在。相比於數字計算機，神經計算機由於具有識別能力強、並行計算、有既能處理模擬信息又能處理數字信息、機器自學習等特點而成為未來智慧機器人的核心，並替代數字計算機掀起新的信息智能化風暴。
神經計算機實現的關鍵在於神經電路具有大規模的可變權重的突觸連接。對於在神經電路中用作突觸連接的阻變存儲器件而言，其阻值即為突觸的權重值。阻變存儲器雖然具有結構簡單、面積小、便於大規模集成的特點，且能夠滿足神經電路中突觸連接對於集成度的要求，然而現階段的阻變存儲器卻很難實現神經電路對於突觸連接的多值的可變權重連接的要求，因此能夠實現可變的多值存儲的阻變存儲器對於促進神經電路的發展具有很重要的意義。

發明內容
針對以上現有技術需要解決的問題，提出本發明。本發明的ー個目的在於提出一種適用於神經電路的多值阻變存儲器。本發明的一種適用於神經電路的多值阻變存儲器包括n個阻變存儲器Rl至Rn ;以及n+1個端ロ Inl至lnn+1，η個阻變存儲器中的每ー個為ニ值阻變存儲器，η個阻變存儲器通過η-i個端ロ 1η2至Inn串聯在一起並連接至設置電路,並由端ロ Inl和lnn+1連接至設置電路或者計算電路，多值阻變存儲器的串聯為立體結構或平面結構，其中η為自然數，且η彡2。本發明的多值阻變存儲器的串聯為立體結構或平面結構。立體結構為阻變存儲器與端ロ從下至上依次疊加的縱向多層結構，這種結構面積小，可以更輕鬆地實現多值，但エ藝複雜；平面結構為阻變存儲器與端ロ依次首尾相連的平面單層結構，這種結構エ藝簡単，但是面積大。上述阻變存儲器的上電極和下電極為例如W、Al、Pt和TiN等的金屬薄膜中的一種，阻變存儲器的中間層可以是例如Ta205、Ti02和HfO2等具有阻變特性的材料薄膜中的一種。本發明的η個阻變存儲器中的每ー個為ニ值阻變存儲器，即具有「低阻態」和「高阻態」兩種狀態，也就是具有「O」或「I」兩個值。那麼η個這樣的存儲器串聯後形成的多值阻變存儲器可以具有n+1個狀態，也就是具有O至η的n+1個值。這些狀態的值可以用來代表該狀態下多值阻變存儲器中處於低阻態的阻變存儲器的數目，例如，如果多值阻變存儲器的狀態為m，那麼處於低阻態的阻變存儲器的數目即為m，m為自然數且O < m < η。本發明的阻變存儲器為雙極阻變存儲器或單極阻變存儲器。雙極阻變存儲器的兩端分別為正極和負極；單極阻變存儲器的兩端相同。本發明的另ー個目的在於提供一種適用於神經電路的多值阻變存儲器的控制方法。本發明的多值阻變存儲器的控制方法包括以下步驟 I)確定多值阻變存儲器的狀態m ；2)選定m個需要設置到低阻態的阻變存儲器，並通過在端ロ加上適當的電壓分別將其設定到低阻態；3)將剩下的n-m個阻變存儲器通過在端ロ加上適當的電壓分別設定到高阻態，其中，η為自然數且η彡2, m為自然數且O彡m彡η。讀取時我們在串聯所形成的多值阻變存儲器的兩側最外面的電極上加適當電壓，測試流經多值阻變存儲器的電流值來判斷其所處的狀態。本發明的控制方法設定阻變存儲器的狀態包括直流掃描法和脈衝控制法。若阻變存儲器為雙極阻變存儲器，則設定阻變存儲器的狀態的控制方法包括直流掃描法通過端ロ加正向掃描電壓作為開啟電壓，阻變存儲器為低阻態，開啟；通過端ロ加負向掃描電壓，阻變存儲器為高阻態，關閉；或者脈衝控制法通過端ロ加正向脈衝電壓作為開啟電壓，阻變存儲器為低阻態，開啟；通過端ロ加負向脈衝電壓，阻變存儲器為高阻態，關閉。在直流掃描法中，開啟過程需要通過施加限制電流限制流過阻變存儲器的電流，關閉過程則不可以加限制電流，正向和負向掃描的停止電壓點均需要大於一定的閾值；在脈衝控制法中，正向和負向脈衝的電壓高度均需要大於一定的閾值，開啟脈衝時間一般為幾十或者幾百納秒到微秒量級，關閉脈衝時間一般為幾十納秒。若阻變存儲器為單極阻變存儲器，控制與電壓的方向無關，控制方法包括直流掃描法和脈衝控制法。採用直流掃描法時，通過端ロ施加一定的電壓作為開啟電壓，即可實現阻變存儲器的開啟和關閉，即將阻變存儲器設定為低阻態或高阻態。通常，開啟閾值要大於關閉閾值。超過開啟或者關閉的閾值，開啟過程需要通過施加限制電流限制流過器件的電流，關閉過程則不可以加限制電流。開啟電壓大於閾值，但不能超過阻變存儲器的正常工作電壓，以防止器件損壞。當然，串聯的阻變存儲器的個數越多，實現的存儲值的個數越多。對於本身就有多值存儲性能的阻變存儲單元來說，如果採用本結構，可以在原先的基礎上存儲更多數據。本發明的優點本發明通過端ロ將兩個以上的阻變存儲器串聯起來，實現了可變的多值存儲的阻變存儲器。本發明的多值阻變存儲器，能夠穩定控制，且可重複性好，而且可以實現等差的多值存儲的阻變存儲器。


圖1(a)是本發明的立體結構的多值阻變存儲器的剖面圖，圖1(b)是本發明的平面結構的多值阻變存儲器的剖面圖；圖2(a)是本發明的立體結構的多值阻變存儲器的一個實施例的俯視圖，(b)是其剖面圖；圖3(a)是本發明的平面結構的多值阻變存儲器的一個實施例的俯視圖，(b)是其剖面圖。
具體實施例方式下面結合附圖，通過實例對本發明做進ー步說明。圖1(a)是本發明的立體結構的多值阻變存儲器的剖面圖，(b)是本發明的平面結構的多值阻變存儲器的剖面圖。如圖I所示，本發明的ー種適用於神經電路的多值阻變存儲器包括η個阻變存儲器Rl至Rn以及n+1個端ロ Inl至lnn+1。圖2和圖3分別為三個阻變存儲器的立體結構和平面結構的示意圖。以由三個阻變存儲器串聯而成的多值阻變存儲器為例來說明本發明的控制辦法三個阻變存儲器R1、R2和R3均為ニ值存儲器，那麼它們串聯後所形成的一共可以具有四種狀態，也就是具有O至3的4個值。若需要多值阻變存儲器的狀態為1，則選擇Rl為低阻態，通過在端ロ Inl和In2的兩端加適當的電壓使得Rl變為低阻態，然後通過在端ロ In2和In3的兩端加適當的電壓使得R2變為低阻態，以及通過在端ロ In3和In4的兩端加適當的電壓使得R3變為低阻態。這樣就完成了整個狀態的設定。讀取時我們在端ロ Inl和In4上加適當的電壓測得相應電流的大小來判斷器件處於哪個狀態。
最後需要注意的是，公布實施方式的目的在於幫助進ー步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和範圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限於實施例所公開的內容，本發明要求保護的範圍以權利要求書界定的範圍為準。
權利要求
1.一種多值阻變存儲器，適用於神經阻變存儲器，其特徵在於，所述值阻變存儲器包括n個阻變存儲器Rl至Rn以及n+1個端ロ Inl至lnn+1，η個阻變存儲器中的每ー個為ニ值阻變存儲器，η個阻變存儲器通過η-i個端ロ 1η2至Inn串聯在一起並連接至設置阻變存儲器，並由端ロ Inl和lnn+1連接至設置阻變存儲器或者計算阻變存儲器，所述多值阻變存儲器的串聯為立體結構或平面結構，其中η為自然數，且η > 2。
2.如權利要求I所述的阻變存儲器，其特徵在於，所述立體結構為阻變存儲器與端ロ從下至上依次疊加的縱向多層結構。
3.如權利要求I所述的阻變存儲器，其特徵在於，所述 平面結構為阻變存儲器與端ロ依次首尾相連的平面單層結構。
4.如權利要求I所述的阻變存儲器，其特徵在於，所述阻變存儲器的上電極和下電極為W、Al、Pt和TiN等的金屬薄膜中的ー種。
5.如權利要求I所述的阻變存儲器，其特徵在於，所述阻變存儲器的中間層為Ta205、TiO2和HfO2等具有阻變特性的材料薄膜中的ー種。
6.一種權利要求I所述的多值阻變存儲器的控制方法，其特徵在於，所述控制方法包括以下步驟 1)確定多值阻變存儲器的狀態m; 2)選定m個需要設置到低阻態的阻變存儲器，並通過在端ロ加上適當的電壓分別將其設定到低阻態； 3)將剩下的n-m個阻變存儲器通過在端ロ加上適當的電壓分別設定到高阻態，其中，η為自然數且≥2, m為自然數且O≤m≤n。
7.如權利要求6所述的控制方法，其特徵在於，設定阻變存儲器的狀態包括直流掃描法和脈衝控制法。
8.如權利要求7所述的控制方法，其特徵在幹，阻變存儲器採用雙極阻變存儲器，則設定阻變存儲器的狀態的控制方法包括 直流掃描法直流掃描法通過端ロ加正向掃描電壓作為開啟電壓，阻變存儲器為低阻態，開啟；通過端ロ加負向掃描電壓，阻變存儲器為高阻態，關閉；或者 脈衝控制法通過端ロ加正向脈衝電壓作為開啟電壓，阻變存儲器為低阻態，開啟；通過端ロ加負向脈衝電壓，阻變存儲器為高阻態，關閉。
9.如權利要求7所述的控制方法，其特徵在幹，阻變存儲器採用單極阻變存儲器，控制與電壓的方向無關，採用直流掃描法時，通過端ロ施加一定的電壓作為開啟電壓，即可實現阻變存儲器的開啟和關閉，即將阻變存儲器設定為低阻態或高阻態。
10.如權利要求8或9所述的控制方法，其特徵在幹，開啟電壓大於閾值，但不能超過阻變存儲器的正常工作電壓。
全文摘要
本發明公開了一種適用於神經電路的多值阻變存儲器及其控制方法。本發明的多值阻變存儲器包括n個阻變存儲器R1至Rn以及n+1個埠ln1至lnn+1，n個阻變存儲器中的每一個為二值阻變存儲器，n個阻變存儲器通過n-1個埠ln2至lnn串聯在一起並連接至設置電路，並由埠ln1和lnn+1連接至設置電路或者計算電路，其中n為自然數，且n≥2。本發明通過埠將兩個以上的阻變存儲器串聯起來，實現了可變的多值存儲的阻變存儲器。本發明的多值阻變存儲器，能夠穩定控制，且可重複性好，而且可以實現等差的多值存儲的阻變存儲器。
文檔編號H01L27/24GK102683586SQ201210104120
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月10日 優先權日2012年4月10日
發明者唐昱, 張耀凱, 楊庚雨, 毛俊, 潘越, 白文亮, 蔡一茂, 譚勝虎, 陳誠, 黃如, 黃英龍 申請人:北京大學