CN108615812B - 一种基于记忆二极管的三态内容寻址存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于记忆二极管的三态内容寻址存储器，包括若干兼具存储数据、擦写数据和比较数据功能的内核单元；内核单元呈阵列排列，以行为单位的所有内核单元连接同一匹配线，以列为单位的所有内核单元连接同一对互补搜寻信号线；内核单元包括两个记忆二极管；第一记忆二极管和第二记忆二极管的顶电极分别接一对互补搜寻信号线，第一记忆二极管和第二记忆二极管的底电极连接同一匹配线。本发明可以大大缩小三态内容寻址存储器芯片尺寸，减小功耗；本发明三态内容寻址存储器结构简单，有效简化制备工艺并且降低制备成本；本发明提出并实现了与标准CMOS工艺兼容性的记忆二极管，适合于当前快速发展的集成电路技术。
Description
技术领域
本发明属于半导体与集成电路领域，具体涉及一种基于记忆二极管的高密度、低功耗三态内容寻址存储器。
背景技术
三态内容寻址存储器（Ternary Content Addressable memory ，TCAM）具有并行多数据查找的功能，应用范围广泛，如参数曲线提取（parameter curve extraction）、霍夫变换（Hough transformation）、霍夫曼编码/译码（Huffman coding/decoding）等，主要的商业用途是在网络路由器中对IP数据包进行分类和转发。
当前对三态内容寻址存储器的设计中大家最关注的是芯片尺寸和功耗问题。虽然目前基于磁性存储器（MRAM）、相变存储器（PCM）的非易失内容存储器单元已经实现，但是其结构复杂，且制备工艺与标准CMOS工艺并不能完全兼容。
发明内容
本发明的目的在于针对现有三态内容寻址存储器的不足，提供一种基于记忆二极管的三态内容寻址存储器，减小芯片尺寸，降低功耗，与标准CMOS工艺良好兼容。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种记忆二极管，该记忆二极管由底电极、隔离层、记忆层、顶电极从下至上依次堆叠而成；所述记忆层由氧化锗、氧化铝、氧化铪从下至上依次堆叠而成；所述底电极的材料为锗。所述隔离层的材料包括但不限于氧化硅；所述顶电极可以由氮化钛和金属镍堆叠而成。
进一步地，记忆二极管在工作状态中其底电极接地，在其顶电极施加相应电压，从而实现记忆二极管在关态与开态之间的转化。
进一步地，处于关态的记忆二极管在施加负向电压后电阻突然减小，这个过程称为SET，记忆二极管由关态转为开态，可视作二极管器件；处于开态的记忆二极管在施加正向电压后电阻突然增大，这个过程称为RESET，记忆二极管由开态转为关态，可视作具有高阻值的电阻。
一种基于记忆二极管的三态内容寻址存储器，该三态内容寻址存储器包括若干兼具存储数据、擦写数据和比较数据功能的内核单元；
所述内核单元呈阵列排列，以行为单位的所有内核单元连接同一匹配线，以列为单位的所有内核单元连接同一对互补搜寻信号线；
所述内核单元包括第一记忆二极管和第二记忆二极管；所述第一记忆二极管和第二记忆二极管的顶电极分别接一对互补搜寻信号线，第一记忆二极管和第二记忆二极管的底电极连接同一匹配线。
进一步地，所述匹配线材料为锗，用于产生搜寻信号与存储数据进行比较后的电压信号；所述搜寻信号线为与二极管的顶电极连接的金属线，用于输入搜寻信号以及对记忆二极管内存储数据进行擦写的信号。
进一步地，所述内核单元中的第一记忆二极管和第二记忆二极管相互配合以存储[0]、[1]及[不理会（don’t care）]三种逻辑状态：当第一记忆二极管处于开态，第二记忆二极管处于关态时，该内核单元存储数据位[0]；当第一记忆二极管处于关态，第二记忆二极管处于开态时，该内核单元存储数据位[1]；当第一记忆二极管和第二记忆二极管都处于关态时，该内核单元为[不理会（don’t care）]状态。
进一步地，当内核单元存储数据位与搜寻信号一致时，为匹配状态（match），当同一条匹配线上的所有内核单元均为匹配状态（match）时，匹配线输出[0]；当内核单元存储数据位与搜寻信号不一致时，为失配状态（mismatch），当同一条匹配线上具有一个及以上的内核单元为失配状态（mismatch）时，匹配线输出[1]。
本发明的有益技术效果是：第一，本发明可以大大缩小三态内容寻址存储器芯片尺寸。第二，本发明可以减小功耗。第三，本发明结构简单，有效简化制备工艺并且降低制备成本。第四，本发明与标准CMOS工艺兼容性良好，适合当前快速发展的半导体集成电路。
附图说明
图1为本发明基于记忆二极管的三态内容寻址存储器的结构示意图；
图2为本发明中记忆二极管的电流-电压特性图；
图3为本发明中记忆二极管的结构示意图；
图4为本发明中内核单元的电路示意图；
图5为按照本发明实施例所得的四种数据匹配结果电路示意图；
图6为按照本发明实施例所得的匹配结果。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者是为对本发明技术方案的限定或限制。
图1为本发明基于记忆二极管的三态内容寻址存储器的结构示意图。该三态内容寻址存储器包括若干兼具存储数据、擦写数据和比较数据功能的内核单元（C）；所述内核单元（C）呈阵列排列，以行为单位的所有内核单元连接同一匹配线（ML），以列为单位的所有内核单元连接同一对互补搜寻信号线；同一条匹配线（ML）上共存储m个比特位，每一查找信号中包含m个比特位。n条匹配线表示此三态内容寻址存储器共存储n个字。
图3为本发明中记忆二极管的结构示意图。该记忆二极管由底电极、隔离层、记忆层、顶电极从下至上依次堆叠而成；所述记忆层由氧化锗、氧化铝、氧化铪从下至上依次堆叠而成；所述底电极的材料为锗。所述隔离层的材料包括但不限于氧化硅；所述顶电极可以由氮化钛和金属镍堆叠而成。以下给出记忆二极管的一种制备方法，包括以下步骤：
a)提供一锗衬底，于所述锗衬底表面形成隔离层；
b)在形成的隔离层上进行光刻，并通过化学湿法刻蚀方法刻蚀，直至锗衬底的上表面；
c)于所述刻蚀后的锗衬底上形成记忆层氧化锗/氧化铝/氧化铪结构；
d)于所述记忆层上形成顶电极氮化钛/镍。
图2为按照本发明中记忆二极管的电流-电压特性图。该记忆二极管在工作状态中其底电极接地，在其顶电极施加相应电压，从而实现记忆二极管在关态（图中Ⅰ、Ⅳ状态）与开态（图中Ⅱ、Ⅲ状态）之间的转化，具体为：处于关态的记忆二极管在施加负向电压后电阻突然减小，这个过程称为SET，记忆二极管由关态转为开态，可视作二极管器件；处于开态的记忆二极管在施加正向电压后电阻突然增大，这个过程称为RESET，记忆二极管由开态转为关态，可视作具有高阻值的电阻。
在处于开态的记忆二极管上施加幅值相同的读电压时，Ⅲ状态的电流比Ⅱ状态的电流大2倍以上；而分别在开态与关态的记忆二极管上施加相同读电压时，开态电流比关态电流大2倍以上。
图4为本发明中内核单元的电路示意图。每个内核单元包括第一记忆二极管和第二记忆二极管。第一记忆二极管和第二记忆二极管的顶电极分别接一对互补搜寻信号线，第一记忆二极管和第二记忆二极管的底电极连接同一匹配线。所述匹配线的材料为锗，所述搜寻信号线为与二极管的顶电极连接的金属线。
图5为按照本发明实施例所得的四种数据匹配结果电路示意图。内核单元中的第一记忆二极管和第二记忆二极管相互配合以存储[0]、[1]及[不理会（don’t care）]三种逻辑状态：当第一记忆二极管处于开态，第二记忆二极管处于关态时，该内核单元存储数据位[0]；当第一记忆二极管处于关态，第二记忆二极管处于开态时，该内核单元存储数据位[1]；当第一记忆二极管和第二记忆二极管都处于关态时，该内核单元为[不理会（don’tcare）]状态。
当内核单元存储数据位与搜寻信号一致时，为匹配状态（match），当同一条匹配线上的所有内核单元均为匹配状态（match）时，匹配线输出[0]；当内核单元存储数据位与搜寻信号不一致时，为失配状态（mismatch），当同一条匹配线上具有一个及以上的内核单元为失配状态（mismatch）时，匹配线输出[1]。
如图5，101内核单元处于失配状态（mismatch），内核单元存储数据位[0]，搜寻信号为[1]，电流顺利流经内核单元内的开态记忆二极管，使得匹配线（ML0）的电压升高，输出[1]；102内核单元处于匹配状态（match），内核单元存储数据位[0]，搜寻信号为[0] ，由于该内核单元中开态记忆二极管具有二极管特性，101内核单元造成的失配电流并不能从此开态记忆二极管流过，从而保持同一匹配线（ML0）的电压；103内核单元处于匹配状态（match），内核单元存储数据位[1]，搜寻信号为[1]，不影响匹配线（ML1）电压；104内核单元处于匹配状态（match），内核单元存储[不理会（don’t care）]，搜寻信号为[1]，不影响匹配线（ML1）电压，输出[0]。
图6为按照本发明实施例所得的匹配结果。此实施例中三态内容寻址存储器共存储了8个字，以十六进制分别表示为FF、00、A5、5A、AX、X5、FX、X0。查找信号以十六进制表示为FF。由此表可看出，当查找信号与存储数据相互匹配时，相应匹配线上输出电压很低，而当查找信号与存储数据失配时，相应匹配线上输出电压相对很高。
Claims (3)
1.一种记忆二极管，其特征在于，该记忆二极管由底电极、记忆层、顶电极从下至上的顺序制备而成；所述记忆层由氧化锗、氧化铝、氧化铪从下至上依次堆叠而成，所述记忆层位于隔离层沟槽中；所述底电极的材料为锗；
记忆二极管在工作状态中其底电极接地，在其顶电极施加相应电压，从而实现记忆二极管在关态与开态之间的转化；
处于关态的记忆二极管在施加负向电压后电阻突然减小，这个过程称为SET，记忆二极管由关态转为开态，此时可视作二极管器件，在施加幅值相同的读电压时，正向读电压下的电流比负向读电压下的电流大2倍以上；处于开态的记忆二极管在施加正向电压后电阻突然增大，这个过程称为RESET，记忆二极管由开态转为关态，此时可视作具有高阻值的电阻，在开态与关态的记忆二极管上施加相同读电压时，开态电流比关态电流大2倍以上。
2.一种基于记忆二极管的三态内容寻址存储器，其特征在于，该三态内容寻址存储器包括若干兼具存储数据、擦写数据和比较数据功能的内核单元；
所述内核单元呈阵列排列，以行为单位的所有内核单元连接同一匹配线，以列为单位的所有内核单元连接同一对互补搜寻信号线；
所述内核单元包括第一记忆二极管和第二记忆二极管，第一记忆二极管和第二记忆二极管均采用权利要求1所述记忆二极管；
所述第一记忆二极管和第二记忆二极管的顶电极分别接一对互补搜寻信号线，第一记忆二极管和第二记忆二极管的底电极连接同一匹配线；
所述内核单元中的第一记忆二极管和第二记忆二极管相互配合以存储[0]、[1]及[不理会（don’t care）]三种逻辑状态：当第一记忆二极管处于开态，第二记忆二极管处于关态时，该内核单元存储数据位[0]；当第一记忆二极管处于关态，第二记忆二极管处于开态时，该内核单元存储数据位[1]；当第一记忆二极管和第二记忆二极管都处于关态时，该内核单元为[不理会（don’t care）]状态；
该三态内容寻址存储器内核单元的四种数据匹配逻辑如下：
逻辑1：当内核单元存储数据位[0]，搜寻信号为[1]时，内核单元处于失配状态（mismatch），电流顺利流经内核单元内的开态记忆二极管，使得匹配线的电压升高；
逻辑2：当内核单元存储数据位[0]，搜寻信号为[0]时，内核单元处于匹配状态（match），由于该内核单元中开态记忆二极管具有二极管特性，失配状态的内核单元造成的失配电流并不能从此开态记忆二极管流过，从而保持同一匹配线的电压；
逻辑3：当内核单元存储数据位[1]，搜寻信号为[1]时，内核单元处于匹配状态（match），不影响匹配线电压；
逻辑4：当内核单元存储[不理会（don’t care）]，搜寻信号为[1]时，内核单元处于匹配状态（match），不影响匹配线电压；
当内核单元存储数据位与搜寻信号一致时，为匹配状态（match），当同一条匹配线上的所有内核单元均为匹配状态（match）时，匹配线输出[0]；当内核单元存储数据位与搜寻信号不一致时，为失配状态（mismatch），当同一条匹配线上具有一个及以上的内核单元为失配状态（mismatch）时，匹配线输出[1]。
3.根据权利要求2所述的基于记忆二极管的三态内容寻址存储器，其特征在于，所述匹配线的材料为锗，所述搜寻信号线为与记忆二极管的顶电极连接的金属线。
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