阅读说明：本技术 一种数据检索存储阵列 (Data retrieval storage array ) 是由 陈杰智 汪倩文 王菲 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：一种数据检索存储阵列,包括输入层、输出层和检索存储单元；输入层输入变量源极电压、漏极电压、栅极电压、正负电压以及电压的持续时间,输入信息的改变使得电荷的注入量发生改变；输出层输出漏极电流、位线电流、转移特性曲线、亚阈值摆幅和阈值电压；各检索存储单元之间建立处理数据检索任务的阵列,一个检索存储单元由一个存储器组成,为输出“U”型转移特性曲线的存储器,检索方式为：NOR Flash的第一行page或若干行执行检索数据,其它单元输出存储数据；NAND Flash的第一列或若干列位线执行检索数据,其它单元输出存储数据,若检索数据匹配成功则检索成功,输出存储数据。本发明减小了集成电路尺寸和单元器件密度,提高了检索效率。(A data retrieval memory array comprises an input layer, an output layer and retrieval memory units; the input layer inputs variable source voltage, drain voltage, grid voltage, positive voltage and negative voltage and duration of the voltage, and the change of input information enables the injection amount of charges to be changed; the output layer outputs drain current, bit line current, transfer characteristic curve, sub-threshold swing and threshold voltage; an array for processing data retrieval tasks is established among retrieval storage units, one retrieval storage unit consists of a memory and is a memory for outputting a U-shaped transfer characteristic curve, and the retrieval mode is as follows: the first page or a plurality of pages of the NOR Flash execute retrieval data, and other units output storage data; and the bit lines of the first column or a plurality of columns of the NAND Flash execute retrieval data, other units output storage data, and if the retrieval data is successfully matched, the retrieval is successful, and the storage data is output. The invention reduces the size of the integrated circuit and the density of unit devices and improves the retrieval efficiency.)

一种数据检索存储阵列

技术领域

本发明涉及一种新型数据检索存储器，具体而言，是设计了一种基于冷源场效应晶体管的新型存储单元结构，以及以该新型存储单元为节点的数据检索存储阵列和检索方法。

背景技术

目前全球芯片等半导体技术的发展正处于一个尺寸极限的关键时期，自半导体晶体管发明至今,硅基场效应晶体管的尺寸不断减小,带来器件速度与集成度的巨大提升。硅基器件技术在90nm技术节点之后面临的挑战越来越多,新材料新工艺的使用满足了器件在过去十几年依然能延续其尺寸不断减小的需求。以摩尔定律为指导的半导体产业已经进入了亚10nm技术节点。根据国际半导体器件线路图(The International TechnologyRoadmap for Semiconductors,ITRS)显示，随着晶体管向10nm和7nm甚至更小尺寸的发展，问题随之显现。虽然晶体管的特征尺寸在不断的缩小，但其工作电压在近十几年内却一直维持在0.7V-1.0V之间，由于工作电压不能按比例缩小，引起器件总功耗的增加。

一方面，随着消费电子产品的广泛使用，非易失性存储器从传统的二维(2D)结构发展到三维(3D)结构，数据存储进入了黄金时代，存储密度大大提高，虽然所有这些进步都会带来更可靠的数据中心和更大的容量存储，但随之而来的是对海量数据访问的挑战。其中闪存(Flash)作为非易失性存储器的一种，因其存取速度等优势而被广泛应用。作为“大数据”处理的主要核心，数据搜索总是由软件来完成，NAND闪存中的数据需要移动到缓存中，然后进行内容匹配。为了从根本上解决能量和延迟的难题，基于硬件的NAND闪存数据搜索更适合于数据中心应用。如何提高业务处理效率，减小延时则成为亟待解决的问题。

另一方面，对于一般的金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)，源极态密度随沟道势垒的增加而增加，载流子浓度分布是随亚指数减小，无法突破亚阈值摆幅(Subthreshold Swing,SS)限制；对于冷源场效应晶体管(Cold Source Field-Effect Transistor,CS FET)，源极异质结中的石墨烯电子态密度呈线性减小趋势，即源极载流子的态密度随沟道势垒的增加而减小，因此源极载流子的浓度分布函数按照超指数的形式减小。舍掉了能量较高处玻尔兹曼热尾分布尾巴对关态电流的贡献，源极载流子大多数局域在费米能级附近，达到突破亚阈值摆幅SS极限的效果，降低器件功耗。

由于半导体工艺技术发展的限制和器件物理尺寸极限的接近，传统集成电路尺寸的减小和单元器件密度的提高遇到了越来越大的困难。CS FET中出现的独特的“U”型传输特性曲线，在数据检索存储阵列中显示为极小的位线电流(I_BL)，将数据检索时所需两个配对的晶体管的功能集中在一个晶体管中实现，大大减小了集成电路的尺寸和单元器件的密度，提高了检索效率，基于CS FET的存储器在其性能、容量、可靠性、成本等方面有全面的优势。

因此探究一种数据检索存储阵列是一个重要的课题。

发明内容

本发明针对现有传统内容寻址存储器(Content Addressable Memory,CAM)与Flash不兼容、电路尺寸难以减小、功耗高、数据检索效率较低等问题，本发明以冷源场效应晶体管存储器为例，作为该新型存储单元为节点的数据检索存储阵列和检索方式的节点单元，提供一种能够减小电路尺寸，提高面积使用效率，提高检索效率的数据检索存储阵列。

本发明的数据检索存储阵列，采用以下技术方案：

该阵列，包括输入层、输出层和检索存储单元；输入层用于输入变量源极电压、漏极电压、栅极电压、正负电压以及电压的持续时间，输入信息的改变使得电荷的注入量发生改变；输出层用于输出漏极电流(Drain Current,I_d)、位线电流(Current in the bit-line,I_BL)、转移特性曲线、亚阈值摆幅和阈值电压(V_th)；各检索存储单元之间建立处理数据检索任务的阵列，通过电压的对比来进行数据检索最终输出电流来判断检索内容；

一个检索存储单元由一个存储器(器件)组成，为输出“U”型转移特性曲线的存储器，阵列的检索方式也有所不同：在本发明的新型检索阵列中，NOR Flash的第一行page或若干行执行检索数据，其它单元输出存储数据；NAND Flash的第一列或若干列位线执行检索数据，其它单元输出存储数据，若检索数据匹配成功则检索成功，输出存储数据。这样大大减小了集成电路的尺寸和单元器件的密度，提高了检索效率。

所述检索存储单元由一个具有“U”型转移特性曲线的存储器件实现。所述“U”型转移特性曲线，是指：在一“窗口”区域内电流为低电流，若某一电压不在此区域内，无论电压高低对应的都是高电流。相较于传统的场效应晶体管的I-V曲线，该特性器件在持续增大栅极电压的过程中漏极电流出现先减小后增大的现象，整体传输特性曲线表现为“U”型，在数据检索存储阵列中显示为极小的位线电流(I_BL)，其存储器应用于数据检索方面则表现出两个配对传统晶体管存储器结合运行后的效果。因此在减小集成电路的尺寸、降低功耗、提高检索效率、减小单元器件的密度、存储器数量和降低工艺成本等方面有极大的意义。

所述检索存储单元是输出特性为“U”型转移特性的场效应晶体管存储器，每一个检索存储单元由一个存储器构成，独立完成数据检索的任务。

所述建立处理数据检索任务的阵列(电荷注入与数据检索存储阵列建立的联系)是指：利用Flash阵列内进行内容匹配而不移动数据的特点,可以通过读取电压V_sear与检索存储单元(存储器)中存储的数据V_read来对比进行数据搜索，若V_sear与V_read相等输出一极小位线电流(I_BL)，则匹配成功(matched)，否则匹配失败(mismatched)。所述极小位线电流是指，假设漏极电流在当栅压0.5V左右时，输出的漏极电流为1E-10uA/um左右，若是多个存储器并联得到的位线电流是单个存储器电流之和，若是多个存储器串联得到的位线电流是单个存储器电流。与传统的3D NAND Flash数据检索存储阵列中配对单元(Pair Unit)相对比，本发明中每次只需一个存储器即可完成两个配对的场效应晶体管存储器的数据检索工作，本发明中根据检索内容的不同提供了三种实施例，提高检索效率，减小检索延迟等问题。

所述检索存储单元以冷源场效应晶体管存储器为例，通过改变栅压大小实现“U”型传输特性曲线，CS FET存储器因其输出特性，在施加栅压的过程中，其漏极电流先减小后增大，在某一栅压处表现出一极小电流，在数据检索存储阵列中显示为极小的位线电流。

本发明中的检索存储单元以冷源场效应晶体管存储器为例：将一定掺杂浓度的冷源场效应晶体管的源极电荷注入沟道中，所述电荷注入是通过改变掺杂浓度、栅压的大小、正负极性和持续时间进行控制的。电荷注入中栅压和持续时间越大，注入的电荷越多，栅压的正负极性会影响阈值电压的偏移方向，电荷注入增多使得栅氧层俘获的电子增多，阈值电压增大，从而控制阈值电压。冷源场效应晶体管源极的异质结结构，构成输出层输出的转移特性曲线为“U”型转移特性曲线，通过持续改变栅压的正负或大小等条件，输出“U”型离散型转移特性曲线。

所述“U”型离散型转移特性曲线的输出过程是，在冷源场效应晶体管存储器(CSFET存储器)中，通过源极的异质结结构与材料的掺杂，初始增大栅压的过程中，沟道与漏极形成带间隧穿(Band-to-Band Tunneling),在增大栅压的过程中，由沟道至漏极的电荷减少，电流减小。随着栅压的进一步增大，沟道势垒进一步被压低，出现了源极至沟道的热电流(Thermal Current)输运，电流随着栅压的增大而增大，最终形成离散型转移传输特性曲线。

本发明的数据检索存储阵列方式，为数据检索提供了一种全新的应用方案。以冷源场效应晶体管存储器为例，在冷源场效应晶体管存储器的基础上建立起一个电荷注入式数据检索存储阵列，通过改变晶体管的源极电荷注入方式，显著简化了存储器性能的探究过程，进一步提高了存储器的利用效率，更有效的观察阈值电压的偏移和沟道阻值的大小，提高了数据检索效率。这些为晶体管以及存储器的快速发展开辟了新的道路，为晶体管单元提供了一种全新的应用方案。本发明通过改变阵列单元，将普通的场效应晶体管存储器改为冷源场效应晶体管存储器来实现对数据检索的要求，且不会带来单元器件的性能退化，可以大大提升晶体管的利用率。

附图说明

图1是传统半导体场效应晶体管和冷源场效应晶体管基本单元结构示意图。

图2是传统半导体场效应晶体管存储单元和冷源场效应晶体管存储单元的结构示意图。

图3是CS FET工作原理能带示意图。

图4是CS FET基本存储单元特性示意图。

图5是NAND Flash和NOR Flash的结构示意图。

图6是以存储器为单元的NAND Flash、NOR Flash数据检索存储阵列工作原理示意图。

图7是以冷源场效应晶体管存储器为单元的数据检索存储阵列的系统流程图。

具体实施方式

本发明以基于冷源场效应晶体管存储器的数据检索存储阵列为例，简述了一种数据检索存储阵列。该阵列的特点是一个检索单元由一个存储器(器件)组成，检索单元为输出“U”型转移特性曲线的存储器，阵列的检索方式也有所不同：在本发明的新型检索存储阵列中，NOR Flash的第一行或若干行page执行检索数据，其它单元输出存储数据；NANDFlash的第一列或若干列位线执行检索数据，其它单元输出存储数据，若检索数据匹配成功则检索成功，输出存储数据。大大减小了集成电路的尺寸和单元器件的密度，提高了检索效率。

该数据检索存储阵列被分为输入层和输出层和检索存储单元。输入层用于输入源极电压、漏极电压、栅极电压、正负电压以及电压的持续时间，输入信息的改变使得电荷注入量发生改变。输出层用于输出漏极电流(Drain Current,I_d)、位线电流(Current in thebit-line,I_BL)、转移特性曲线、亚阈值摆幅和阈值电压(V_th)等信息。检索存储单元以冷源场效应晶体管存储器(CS FET存储器)为例，用于通过电压的对比来进行数据检索最终输出电流来判断检索内容。将冷源场效应晶体管存储器(CS FET存储器)与数据检索存储阵列建立联系，利用此晶体管存储器可以大大减少存储器的数量，提高存储器利用率，提高检索效率，减小集成电路面积，减小功耗。

数据检索的具体过程，数据检索利用Flash阵列可以通过读取电压V_sear与存储器中存储的数据(V_read)来对比进行数据搜索。若V_sear与V_read相等输出一极小I_BL，则匹配成功，否则匹配失败，每次只需一个存储器即可完成两个配对的场效应晶体管存储器的数据检索工作。极小位线电流是指，假设漏极电流在当栅压0.5V左右时，输出的漏极电流为1E-10uA/um左右，若是多个存储器并联得到的位线电流是单个存储器电流之和，若是多个存储器串联得到的位线电流是单个存储器电流。

图1给出了一种传统半导体场效应晶体管(FET)和一种冷源场效应晶体管(CSFET)基本单元结构示意图。图1(a)表示半导体场效应晶体管具有源(Source)、漏(Drain)、衬底(Substrate)201、栅极(Gate)和氧化层(Oxide layer)。图1(b)表示CS FET由源(Source)202、漏(Drain)203、衬底(Substrate)201、栅极(Gate)204和金属-氧化物介质层206构成，源极是由沟道材料与石墨烯通过范德华力结合的异质结结构。若源极与漏极沟道材料为n⁺(p⁺)掺杂，则石墨烯为p⁺(n⁺)掺杂。源极异质结中的石墨烯电子态密度呈线性减小趋势，即源极载流子的态密度随沟道势垒的增加而减小，态密度乘以费米狄拉克函数，源极载流子的浓度分布函数将按照超指数的形式减小。舍掉了能量较高处玻尔兹曼热尾分布尾巴对关态电流的贡献，源极载流子大多数局域在费米能级附近，来实现晶体管突破亚阈值摆幅SS极限的效果，降低器件功耗。

图2给出了Flash中一种传统半导体场效应晶体管(FET)存储单元和一种冷源场效应晶体管(CS FET)存储单元的结构示意图。其结构是在半导体场效应管(FET)和冷源场效应晶体管(CS FET)的基础上在控制栅极(Control Gate，CG)204和栅介质层之间加了一层多晶硅205，称之为浮栅(Floating Gate，FG)型。该多晶硅没有接触电极，因此无法探测和控制其电势，而电势又可以像晶体管栅极一样影响晶体管的沟道电势，故称之为“浮栅”。

相较于传统的FET，CS FET控制栅极和浮栅层为n⁺多晶硅材料，源漏极为n⁺(p⁺)型，源极石墨烯则为p⁺(n⁺)型。多晶硅层间介质(Inter-poly Dielectric，IPD)和隧穿氧化层(Tunneling oxide，TOX)是高介电(high-k)材料。存储于浮栅中的电荷可以影响器件的阈值电压(V_th)，浮栅中注入正电荷使得V_th向低电压方向移动，而注入负电荷使得V_th向高电压方向移动。因此当存在一个场效应管(FET)能以可控并可靠的方式移动V_th时，就可以实现高V_th和低V_th两种工作状态。通过读取此FET在两个V_th之间的电压下的电流就可以区分晶体管的工作状态。较低的V_th对应于存储逻辑“1”，较高的V_th对应于存储逻辑“0”。

图3为CS FET工作原理能带示意图。对于普通的场效应晶体管来说载流子一般有两种传输机制：一种是载流子的热激发(Thermal Emission)，另一种是载流子通过能带与能带之间的之间隧穿(Band-to-Band Tunneling，BTBT)。在本发明的CS FET中，当施加栅极电压较小时，载流子由沟道的价带顶(Valence Band Maximum，VBM)302传输至漏极的导带底(Conduction Band Minimum，CBM)303，实现带间隧穿，使得亚阈值摆幅(SubthresholdSwing，SS)突破60mV/dec极限；当栅压慢慢增大，沟道势垒随电压增大而减小，沟道CBM301，VBM302随栅极电压增大而下降，使得沟道VBM处的载流子无法隧穿至漏极，输出电流减小；继续加大栅压，当沟道势垒降低到一定程度，源极CBM处的热载流子传输至沟道CBM，随着栅压增大，电流进一步增大。因此，在栅压一直增大的过程中输出电流先减小后增大，出现“U”型传输特性曲线，并出现“窗口”电流。

对于存储单元的电荷损失机制的研究同样确定了两种主要的电荷损失路径：一种是俘获电荷的热激发(Thermal Emission)，另一种是电荷通过薄隧穿氧化层的直接隧穿(Trap to Band Tunneling)。作用在存储单元中的机制与冷源场效应晶体管一致。

图4为CS FET基本存储单元特性示意图。对于传统的FET电流输出特性观察，电流一般分为两种“态”：以一个已知电流大小为“基点”，当输出电流大小高于此基点时，称其为“高电流”，低于此基点时称为“低电流”。即当栅极电压小于基点电压时输出低电流，反之则输出高电流。

在传统的FET存储器中，当施加正向栅压时，晶体管的转移特性曲线向右平移，阈值电压也随之移动；施加反向栅压时，晶体管的转移特性曲线向左平移，阈值电压左移。施加栅压的正负和大小能够有效地改变阈值电压，且过程可逆。在施加正向栅压时，转移特性曲线发生移动，再施加负向栅压，转移特性曲线发生反方向运动。

相较于传统器件，CS FET输出电流分为三种状态，如图4(a)所示，其低电流区域形成一个“窗口”，在“窗口”之外的电压无论大小对应的电流都为高电流，在“窗口”之内的电流都为低电流。若在上方叠加一个存储层，持续输入电压，则形成一离散型的IV特性传输曲线。如图(b)所示，对于存储器来说，当施加正向栅压时，晶体管的转移特性曲线向右平移，阈值电压也随之移动。与传统半导体场效应管存储器不同的是，对于CS FET存储器，当施加正向栅压时，晶体管的转移特性曲线向右平移，阈值电压右移，持续施加正向电压至某一值后，阈值电压会左移；同样施加反向栅压时，晶体管的转移特性曲线向左平移，阈值电压左移，持续施加反向电压至某一值后，阈值电压会右移。基于器件的特性，对于NAND Flash数据检索存储阵列，如图6所示，对于数据检索，当数据单元读取电压的V_read同时等于其电压V_sear时，数据检索匹配，输出极小的I_BL，否则数据检索失配。大大提高了数据检索效率，减小了集成电路的尺寸。

图5为NAND Flash和NOR Flash的结构示意图。Flash又进一步分为NAND Flash和NOR Flash。NAND和NOR是构建存储阵列的两种主要架构。如图5所示，它们阵列结构上的区别在于单元间的连接是与或方式(NAND)还是与非方式(NOR)

图6为以存储器为单元的NAND Flash、NOR Flash数据检索存储阵列工作原理示意图。在NAND Flash中存储器因其输出特性，在施加栅压的过程中，其漏极电流会出现先减小后增大的特点，在某一栅压处表现出一极小电流，在数据检索存储阵列中显示为极小的位线电流(I_BL)。其输出特性类似于传统存储单元的输出特性。其中定义数据检索时单元的读取电压为V_sear，阈值电压为V_th，不存在互补单元。单元的阈值电压随源极的电荷注入量变化而变化。为了确保位线(I_BL)中的电流的准确性，在电路设计时，读取电压对每个单元的V_th有一恒定的电压偏移(V_R，con)，即V_read＝V_th+V_R，con。当读取电压V_sear与电压V_read完全匹配时，配对单元将处于“通过”状态，位线显示当搜索数据V_sear与存储的数据V_read匹配时的最低电流。否则，电流会随着V_sear偏离V_read而迅速增大。要搜索的数据通过写入和擦除操作预先存储在数组中，搜索结果以位线电流形式读出。

NOR Flash电路如图(d)是将其漏极并行(并联)，同理当读取电压V_sear与电压V_read完全匹配时，配对单元将处于“通过”状态。位线显示当搜索数据V_sear与存储的数据V_read匹配时的最低电流。否则，电流会随着V_sear偏离V_read而增大。然而由于并联的原因，NOR Flash的电流变化相较于NAND Flash更为明显，不匹配的存储器数量越多，电流越大。要搜索的数据通过程序和擦除操作预先存储在数组中，搜索结果以位线电流形式读出。

因数据检索的多样性，此处有三种实施例。第一种针对文字较少的数据检索要求，此时数据检索存储阵列中只需一条Word line匹配多条Bite line，如图(a)所示；而对于文字较多的数据检索要求则需要多条Word line搭配较少的Bite line工作，如图(b)所示；第三种则是可以将以上两种混合使用进行检索，以提高检索效率，如图(c)所示。为了进一步提高数据检索效率，可以将数据检索放在第一页。

由于此数据检索存储阵列优秀的输出表现，相较于传统的NAND Flash数据检索存储阵列，该数据检索存储阵列可以大大减小集成电路的尺寸和单元器件的密度，提高搜索速度和效率。

根据不同阵列所具有的特性，更好的发挥存储器的优势，在数据检索中会更易发挥其特点。NOR的读取速度要快于NAND，而NAND具有更快的编程和擦除速度以及更好的耐久性。因此NOR Flash主要用于程序或代码储存，而NAND Flash主要用于数据存储。

电荷俘获型三维闪存(简称3D NAND)因其高存储密度、低成本和高可靠性成为非挥发性存储器发展的主流，然而由于3D NAND结构中不同栅控层的存储单元之间共享同一电荷俘获层(Charge trapping layer)，横向扩散问题成为影响数据保持特性的一个重要问题。换而言之，同一位线上相邻的存储单元之间会有电荷的横向扩散。甚至在长时间的数据保持之后，扩散电荷会引起存储状态的改变，从而造成存储器的可靠性降低。研究表明，尺寸的缩小和写入电压的提高均会增加单元间隔区域的俘获电荷。随着数据保持时间的增长，V_th的偏移不断增大，且横向电荷迁移所造成的V_th偏移量要逐渐大于纵向电荷损失。另外，随着沟道长度的缩短，横向扩散导致的电荷损失比重更会进一步增大。这表明在高密度和高可靠性的3D NAND中电荷的横向扩散将会是关键问题。因此，电荷横向扩散问题在进一步尺寸缩小及存储器密度提高的情况下会变得更加严重。

与传统的数据检索模式相比，传统的检索模式中是将阵列中所有数据都读取出后跟文字进行匹配，检索效率低。而在本发明的新型检索阵列中，只需在NOR Flash的第一行或前若干行page检索数据，其它单元输出存储数据；在NAND Flash的第一列或前若干列Bite line检索数据，其它单元输出存储数据，若检索数据匹配成功则检索成功。

图7给出了以冷源场效应晶体管存储器为单元的数据检索存储阵列的系统流程图。首先输入栅压，不断从源极注入电荷，建立起电荷注入式冷源场效应晶体管存储器阵列。当读取电压V_sear与电压V_read完全匹配时，配对单元将处于“通过”状态，位线显示当搜索数据V_sear与存储的数据V_read匹配时的最低电流。否则，电流会随着V_sear偏离V_read而迅速增大。要搜索的数据通过写入和擦除操作预先存储在数组中，搜索结果以位线电流形式读出。该阵列大大减小了集成电路的尺寸和单元器件的密度，提高搜索速度和效率。