CN114898788A - 一种基于3元内容寻址存储器tcam的系统 - Google Patents

一种基于3元内容寻址存储器tcam的系统 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供了一种基于3元内容寻址存储器TCAM的系统，包括多个存储单元，每个存储单元对应一个场效应晶体管FET，场效应晶体管FET至少包括非易失性膜层，场效应晶体管FET的栅极连接字线，第一极连接位线，以便通过字线的电压写入数据，通过位线的电压读取数据。由此可见，本申请实施例提供的TCAM系统的每个存储单元对应1个场效应晶体管FET，大幅提高存储密度，满足在占用面积较小的情况下的大存储需求，并且场效应晶体管FET依靠栅极电压写入，写入过程无功耗，有利于降低TCAM系统的功耗。

Description

一种基于3元内容寻址存储器TCAM的系统
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种基于3元内容寻址存储器TCAM的系统。
背景技术
随着半导体等相关技术的快速发展，计算系统和存储系统分离，计算系统在进行计算时，从存储系统中取出数据进行计算，但是从存储系统取出数据消耗的能量较大，数据取出的延迟较高，即存在内存墙的问题。
为了解决内存墙的问题，提出了基于3元内容寻址存储器(Ternary ContentAddressable Memory，TCAM)的存储系统，TCAM的原理是将输入与多个存储单元的内容并行地进行比较，然后返回匹配到的数据地址，能够降低数据取出的能耗和延迟。
但是TCAM具有多种结构，当前的结构存在占用面积较大和功耗较大的问题，不能满足低功耗以及占用面积小的需求。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种基于3元内容寻址存储器TCAM的系统，能够满足TCAM系统占用面积较小和低功耗的需求。
为实现上述目的，本申请有如下技术方案：
本申请实施例提供了一种基于3元内容寻址存储器TCAM的系统，所述系统包括多个存储单元，每个存储单元对应一个场效应晶体管FET；
所述场效应晶体管FET至少包括非易失性膜层；
所述场效应晶体管FET的栅极连接字线，第一极连接位线，以便通过所述字线的电压写入数据，通过所述位线的电压读取数据。
可选地，所述场效应晶体管包括依次层叠的栅极、非易失性膜层、沟道层和第一衬底，所述沟道层的两侧为源极和漏极，所述第一极为漏极。
可选地，所述非易失性膜层包括依次层叠的氧化硅层、氮化硅层和氧化硅层。
可选地，所述源极和所述漏极是利用金属化工艺或离子注入工艺形成的。
可选地，所述沟道层的材料为Si、Ge、Si1-xGex、In1-xGaxAs、In1-xAlxAs中的一种或多种。
可选地，所述场效应晶体管包括依次层叠的栅极、非易失性膜层和第二衬底。
可选地，所述非易失性膜层包括铁电层。
可选地，所述非易失性膜层包括铁电层和绝缘层。
可选地，所述第二衬底为绝缘体上硅SOI。
可选地，所述场效应晶体管还包括隔离层，所述隔离层位于所述栅极和所述非易失性膜层的侧壁。
本申请实施例提供了一种基于3元内容寻址存储器TCAM的系统，包括多个存储单元，每个存储单元对应一个场效应晶体管FET，场效应晶体管FET至少包括非易失性膜层，场效应晶体管FET的栅极连接字线，第一极连接位线，以便通过字线的电压写入数据，通过位线的电压读取数据，即该FET具有非易失特性和双极特性。由此可见，本申请实施例提供的TCAM系统的每个存储单元对应1个场效应晶体管FET，具有非易失特性和双极特性，大幅提高存储密度，满足在占用面积较小的情况下的大存储需求，并且场效应晶体管FET依靠栅极电压写入，写入过程无功耗，有利于降低TCAM系统的功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1示出了本申请实施例提供的一种基于3元内容寻址存储器TCAM的系统的结构示意图；
图2示出了本申请实施例提供的一种场效应晶体管的结构示意图；
图3示出了本申请实施例提供的另一种场效应晶体管的结构示意图；
图4示出了本申请实施例提供的一种TCAM系统的工作原理示意图；
图5示出了本申请实施例提供的一种存储单元的写入电压配置以及搜索电压配置示意图；
图6示出了本申请实施例提供的一种存储单元的搜索结果示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请结合示意图进行详细描述，在详述本申请实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本申请保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
随着大数据时代的到来，冯·诺依曼架构下的计算和存储分离，成为制约系统能效的一大瓶颈。将数据从动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)、Flash之类的存储器搬移出来造成的能耗和延迟，与数据在浮点运算单元(Floating PointUnit,FPU)中运算的能耗和延迟相比，要高出3个数量级以上，即当前的存储系统存在“内存墙”问题。
为了解决“内存墙”的问题，提出了基于3元内容寻址存储器(Ternary ContentAddressable Memory，TCAM)的存储系统，TCAM的原理是将输入与多个存储单元的内容并行地进行比较，然后返回匹配到的数据地址，能够降低数据取出的能耗和延迟。
TCAM系统作为一种特殊的内存计算形式，可以预先存储使用较频繁的数据和对应的计算结果，从而减少实际运算执行的次数，达到节约能耗的目的。由于其高并行性和在内存中进行计算的特性，它被认为是数据密集型应用的一种高效解决方案。
TCAM系统虽然具有多种不同的结构，但是都以提高存储密度和降低功耗为两个主要目标。然而，基于互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)技术设计存储容量较大的TCAM芯片时将面临很多问题，占用面积和功耗过大，且其三态逻辑值存储需要额外的电源来维持。
也就是说，TCAM系统每个存储单元包括的半导体器件较多，存在由于使用了多个半导体器件，导致TCAM系统的占用面积较大，功耗较高的问题。
基于此，本申请实施例提供了一种基于3元内容寻址存储器TCAM的系统，包括多个存储单元，每个存储单元对应一个场效应晶体管FET，场效应晶体管FET至少包括非易失性膜层，场效应晶体管FET的栅极连接字线，第一极连接位线，以便通过字线的电压写入数据，通过位线的电压读取数据，即该FET具有非易失特性和双极特性。由此可见，本申请实施例提供的TCAM系统的每个存储单元对应1个场效应晶体管FET，具有非易失特性和双极特性，大幅提高存储密度，满足在占用面积较小的情况下的大存储需求，并且场效应晶体管FET依靠栅极电压写入，写入过程无功耗，有利于降低TCAM系统的功耗。
为了更好地理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述。
参考图1所示，为本申请实施例提供的一种基于3元内容寻址存储器TCAM的系统的结构示意图，该TCAM系统100包括多个存储单元(cell)110，多个存储单元110呈阵列结构分布。
每个存储单元110对应一个场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)。该场效应晶体管包括栅极、第一极和第二极，其中，第一极可以是金属化漏极(MD)，第二极可以是金属化源极(MS)。场效应晶体管具有双极特性或类双极特征，其中类双极特性是反向电流较大的特性。
场效应晶体管FET的栅极连接字线(Word Line，WL)，第一极连接位线(Bit Line，BL/SL)，以便通过字线的电压写入数据，通过位线的电压读取数据。也就是说，FET器件，即每个存储单元的状态转化的驱动可为栅极电压幅值，脉冲宽度的调整等方式。
作为一种示例，通常由漏极连接位线，源极连接SSL信号。
本申请实施例提供的场效应晶体管FET至少包括非易失性膜层，具有电荷俘获能力，能够实现非易失存储特性。并且包括第一极和第二极，能够实现类双极或双极特性。
由此可见，本申请实施例提供的TCAM系统，TCAM的每个存储单元仅需1个FET构成，大幅提高存储密度，存储单元依靠栅极电压写入，写入过程无功耗，有利于低功耗存储系统的实现，制备FET器件的工艺能够与当前主流先进CMOS工艺完全兼容，可实现更高密度的存储。
场效应晶体管FET至少包括非易失性膜层，以便实现非易失性存储功能。FET器件的结构可以是多种，包括但不限于平面以及三维FinFET以及GAA FET等结构器件。
下面具体介绍可能的FET器件的结构：
作为第一种可能的实现方式，参考图2所示，场效应晶体管300包括依次层叠的第一衬底310、沟道层320、非易失性膜层330和栅极340。其中，沟道层320的两侧为源极350和漏极360，第一极可以是漏极，第二极为源极。
第一衬底310可以为半导体衬底，例如可以为Si衬底、Ge衬底、SiGe衬底、SOI(绝缘体上硅，Silicon On Insulator)或GOI(绝缘体上锗，Germanium On Insulator)等。在其他实施例中，半导体衬底还可以为包括其他元素半导体或化合物半导体的衬底，例如GaAs、InP或SiC等，还可以为叠层结构，例如Si/SiGe等，还可以是其他外延结构，例如SGOI(绝缘体上锗硅)等。本实施例中，第一衬底310为硅衬底。
沟道层320的材料可以和第一衬底310的材料相同，也可以不同。沟道层的材料可以为Si、Ge、Si1-xGex、In1-xGaxAs、In1-xAlxAs中的一种或多种。沟道层可以为P型或N型，也就是说，在本申请实施例中，器件结构可以为NMOS，也可以为PMOS。
非易失性膜层330构成栅极340和沟道层320之间的栅介质层。非易失性膜层330可以包括依次层叠的氧化硅层331、氮化硅层332和氧化硅层333，构成ONO叠层结构，该ONO叠层结构具有电荷俘获能力，能够实现非易失存储特性。
栅极340的材料可以是导电性能较好的材料，例如金属材料。栅极340的材料可以是Ti、Ta、Hf等单质金属、合金、金属氮化物等中的一种或多种，例如可以为Ti、TiAlx、TiN、TaNx、HfN、TiCx、TaCx等。
源极350和漏极360之间的区域为沟道层320。源极350和漏极360可以利用金属化工艺或离子注入工艺形成，以便实现FET器件的类双极或双极特性。源极350和漏极360可以形成于第一衬底310中，在一些实施例中，源极350和漏极360可以为掺杂后的第一衬底310，可以通过金属化或离子注入所需类型的杂质并进行热退火来形成。
作为一种实现类双极或双极特性的方式，源极350和漏极360可以为不同的掺杂类型，对于n型器件，源极350为P型掺杂区，漏极360为N型掺杂区；对于p型器件，源极350为N型掺杂区，漏极360为P型掺杂区，N型掺杂的掺杂元素例如可以为P、As、Sb等，P型掺杂的掺杂元素例如可以为B、Al、Ga等。
其他实现类双极或双极特性的方式可以是由源极350和漏极360形成肖特基结，或，源极350、漏极360和沟道层320注入相同掺杂类型的离子以形成无结型器件。
场效应晶体管300还可以包括隔离层370，隔离层370位于栅极340和非易失性膜层330的侧壁。隔离层370的材料可以采用绝缘性能较好的材料，例如氧化硅或氮化硅。
作为一种示例，参考图2所示，隔离层370位于栅极340的侧壁以及氮化硅层332和氧化硅层333的侧壁，并且隔离层370覆盖氧化硅层331的上表面。
作为第二种可能的实现方式，参考图3所示，场效应晶体管400包括依次层叠第二衬底410、非易失性膜层420和栅极430。
第二衬底410可以为半导体衬底，例如可以为Si衬底、Ge衬底、SiGe衬底、SOI(绝缘体上硅，Silicon On Insulator)或GOI(绝缘体上锗，Germanium On Insulator)等。在其他实施例中，半导体衬底还可以为包括其他元素半导体或化合物半导体的衬底，例如GaAs、InP或SiC等，还可以为叠层结构，例如Si/SiGe等，还可以是其他外延结构，例如SGOI(绝缘体上锗硅)等。本实施例中，第二衬底410为SOI衬底。
非易失性膜层420包括铁电层421，铁电层421的材料为铁电材料，具有极化翻转能力，能够实现非易失存储特性。非易失性膜层420还可以包括绝缘层422，绝缘层422位于铁电层421和第二衬底410之间，绝缘层422的材料可以是氧化硅。
栅极430的材料可以是导电性能较好的材料，例如金属材料。栅极430的材料可以是Ti、Ta、Hf等单质金属、合金、金属氮化物等中的一种或多种，例如可以为Ti、TiAlx、TiN、TaNx、HfN、TiCx、TaCx等。
由铁电材料构成的FET结构，可以为无PN结结构，参考图3所示，以能够实现FET器件的双极特性。
由铁电材料构成的FET结构，也可以具有PN结结构，以实现双极特性，具体可以是利用金属化工艺形成源极和漏极。
也就是说，由铁电材料构成的FET结构可以利用多种方式实现双极特性。
场效应晶体管400还可以包括隔离层440，隔离层440位于栅极430和非易失性膜层420的侧壁。隔离层440的材料可以采用绝缘性能较好的材料，例如氧化硅或氮化硅。
作为一种示例，参考图3所示，隔离层440位于栅极430的侧壁以及铁电层421的侧壁，并且隔离层440覆盖绝缘层422的上表面。
以上介绍了能够实现非易失性和双极性的FET器件结构，可以利用ONO叠层或铁电材料实现FET器件的非易失特征，可以利用源漏金属化或无结实现双极特性，本领域技术人员可以对器件结构进行变型，以得到具有非易失性和双极性的存储单元，实现TCAM系统一个存储单元对应一个FET器件。
在具体介绍了FET器件的结构之后，下面介绍由FET构成的存储单元以及TCAM系统的工作原理，参考图4所示，为本申请实施例提供的一种TCAM系统的工作原理示意图。图4所示的TCAM系统是由图2所示的场效应晶体管构成的，图3所示的场效应晶体管构成的TCAM系统的工作原理与图2所示的场效应晶体管的工作原理相似，由于图2所示的场效应晶体管和图3所示的场效应晶体管载流子漂移方向不同，因此线条1、2和3的顺序不同，具体线条的顺序可以根据场效应晶体管的漂移方向进行确定。
如图4所示，每个存储单元分为写入Write和搜索Search两个部分，写入Write过程包括初始化(step1)和写入步骤(step2)，写入步骤前需要将FET器件初始化(step1)，初始化的方式为通过字线WL在器件的栅极施加Vini电压，通过位线BL/SL在漏极施加0V电压。
写入步骤时可以分为写入0、写入1和写入X：
写入1(线条1)：字线WL施加Vwrite电压，位线BL/SL施加0V电压。
写入0(线条2)：字线WL施加-Vwrite电压，位线BL/SL施加0V电压。
写入X(线条3)：字线WL施加V’write电压，位线BL/SL施加0V电压。
其中线条所在坐标轴的横坐标VGS为栅极电压，纵坐标IDS为输出电流。
搜索Search可以分为搜索1和搜索0：
搜索1：字线WL施加Vsearch:1电压，位线BL/SL施加Vsearch电压。
搜索0:字线WL施加Vsearch:0电压，位线BL/SL施加Vsearch电压。
参考图4的3条线条上的圆圈所示，为搜索结果，也就是说Vsearch:1和Vsearch:0与写入状态(3条线条)的交叠处(圆圈)为搜索结果。
交叠处圆圈处于match为匹配上，输出为大电流，表明搜索结果与输入电压匹配。
作为一种示例，在字线上施加Vsearch:1电压，搜索结果若为与线条1相交叠的圆圈，则搜索结果为1，搜索结果与输入电压匹配，输出为大电流。
交叠处圆圈处于mismatch为未匹配上，输出为小电流，表明搜索结果与输入电压不匹配。
作为一种示例，在字线上施加Vsearch:1电压，搜索结果若为与线条3相交叠的圆圈，则搜索结果为0，搜索结果与输入电压不匹配，输出为小电流。
由此可见，本申请实施例提供的由一个FET器件构成一个TCAM系统的存储单元，能够实现TCAM系统的存储性能。
对FET构成的存储单元以及TCAM系统的工作原理进行介绍之后，可以对TCAM系统进行模拟仿真，下面对仿真结果进行介绍：
参考图5所示，为本申请实施例提供的一种存储单元的写入电压以及搜索电压配置示意图。
写入电压配置：由图可知，写入前需要将器件初始化(initial)，初始化方式为通过字线WL施加栅极电压VGS电压，通过位线BL/SL施加漏极电压VDS为0V。
写入Write步骤分写入0、写入1和写入X：
写入1：字线WL施加Vwrite(-8V 2.5ms)电压，位线BL/SL施加0V电压。
写入0：字线WL施加-Vwrite(9V 2.5ms)电压，位线BL/SL施加0V电压。
写入X：字线WL施加V’write(-8V 0.025ms)电压，位线BL/SL施加0V电压。
搜索电压配置：由图可以得知，搜索Search可以分为搜索1和搜索0：
搜索1：字线WL施加Vsearch:1电压，位线BL/SL施加Vsearch电压。
搜索0:字线WL施加Vsearch:0电压，位线BL/SL施加Vsearch电压。
参考图6所示，为本申请实施例提供的一种存储单元的搜索结果示意图。如图6所示，为各写入情况下对应的搜索输出电流，若匹配上，输出为大电流，若未匹配上，输出为小电流。
作为一种示例，写入0，搜索1，结果为不匹配，输出小电流。
由仿真结果可以看出，本申请实施例提供的FET器件构成的存储单元，能够实现TCAM系统的功能，具有应用前景。
由此可见，本申请实施例提供了一种基于3元内容寻址存储器TCAM的系统，包括多个存储单元，每个存储单元对应一个场效应晶体管FET，场效应晶体管FET至少包括非易失性膜层，场效应晶体管FET的栅极连接字线，第一极连接位线，以便通过字线的电压写入数据，通过位线的电压读取数据，即该FET具有非易失特性和双极特性。由此可见，本申请实施例提供的TCAM系统的每个存储单元对应1个场效应晶体管FET，具有非易失特性和双极特性，大幅提高存储密度，满足在占用面积较小的情况下的大存储需求，并且场效应晶体管FET依靠栅极电压写入，写入过程无功耗，有利于降低TCAM系统的功耗。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，虽然本申请已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于3元内容寻址存储器TCAM的系统，其特征在于，所述系统包括多个存储单元，每个存储单元对应一个场效应晶体管FET；
所述场效应晶体管FET至少包括非易失性膜层；
所述场效应晶体管FET的栅极连接字线，第一极连接位线，以便通过所述字线的电压写入数据，通过所述位线的电压读取数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述场效应晶体管包括依次层叠的栅极、非易失性膜层、沟道层和第一衬底，所述沟道层的两侧为源极和漏极，所述第一极为漏极。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述非易失性膜层包括依次层叠的氧化硅层、氮化硅层和氧化硅层。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述源极和所述漏极是利用金属化工艺或离子注入工艺形成的。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的系统，其特征在于，所述沟道层的材料为Si、Ge、Si1-xGex、In1-xGaxAs、In1-xAlxAs中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述场效应晶体管包括依次层叠的栅极、非易失性膜层和第二衬底。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述非易失性膜层包括铁电层。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述非易失性膜层包括铁电层和绝缘层。
9.根据权利要求6-8任意一项所述的系统，其特征在于，所述第二衬底为绝缘体上硅SOI。
10.根据权利要求2或6所述的系统，其特征在于，所述场效应晶体管还包括隔离层，所述隔离层位于所述栅极和所述非易失性膜层的侧壁。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024060611A1 (zh) * 2022-09-22 2024-03-28 北京大学 基于具有双极特性场效应晶体管实现内容可寻址存储器的方法

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