EP3718054A1 - Réseau neuromimétique et procédé de fabrication associé - Google Patents

Réseau neuromimétique et procédé de fabrication associé

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EP3718054A1
EP3718054A1 EP18807648.3A EP18807648A EP3718054A1 EP 3718054 A1 EP3718054 A1 EP 3718054A1 EP 18807648 A EP18807648 A EP 18807648A EP 3718054 A1 EP3718054 A1 EP 3718054A1
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EP
European Patent Office
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electrode
barrier layer
conductive material
ferroelectric
stack
Prior art date
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Pending
Application number
EP18807648.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Manuel Bibes
Julie Grollier
Vincent Garcia
Nicolas LOCATELLI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Thales SA
Universite Paris Saclay
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Thales SA
Universite Paris Saclay
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Thales SA, Universite Paris Saclay filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Pending legal-status Critical Current

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    • H10D64/68—Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes characterised by the insulator, e.g. by the gate insulator
    • H10D64/689—Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes characterised by the insulator, e.g. by the gate insulator having ferroelectric layers

Definitions

  • Neuromimetic network and method of manufacturing the same
  • the present invention relates to a neuromimetic network.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing such a neuromimetic network.
  • Networks reproducing the functioning of a human brain are used for specific tasks for which classical architectures, such as Von Neumann architectures, are poorly adapted.
  • tasks include recognizing objects or people in images.
  • Such networks include two types of components or main circuits performing two distinct functions.
  • One type of component exhibits oscillator behavior similar to that of a neuron, and a second type of component with controllable resistance acts as a synapse connecting two neurons to each other.
  • networks of this type are called "neuromimetic networks", “neural networks” or “neuromorphic networks”
  • Neuromorphic networks are frequently computer-emulated, that is, their functions are reproduced by a computer program. However, such networks then assume the use of a computer having a complex type of conventional architecture, even if the emulated neuromorphic network is simple.
  • Neuromorphic networks in which the roles of neurons and synapses are played by dedicated physical components are also known.
  • the synapses comprise controllable resistors of the memristor type, using materials such as phase change materials, oxides or ferroelectric tunnel junctions.
  • Such synapses have a variable electrical resistance to change the connection between two neurons, and thus control the propagation of electrical pulses between neurons.
  • Neurons they are frequently made from conventional technologies of silicon-based microelectronics, especially CMOS technology (acronym from the English term "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor").
  • a neuromimetic network comprising a substrate, a set of neurons and a set of synapses, at least one neuron comprising a first stack of superimposed layers in a first stacking direction, the first stack comprising successively according to the first direction of stacking:
  • a first electrode carried by the substrate is
  • a first barrier layer made of an electrically insulating material
  • the first electrode, the first barrier layer and the second electrode forming a first ferroelectric tunnel junction
  • At least one synapse comprising a second stack of superimposed layers in a second stacking direction, the second stack comprising successively in the second stacking direction:
  • a third electrode carried by the substrate is
  • a second barrier layer made of an electrically insulating material
  • the third electrode, the second barrier layer and the fourth electrode forming a second ferroelectric tunnel junction.
  • the neuromorphic network comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
  • the first barrier layer is made of a ferroelectric material and has a unipolar polarization cycle.
  • the first barrier layer is made of antiferroelectric material.
  • the second barrier layer is made of a ferroelectric material composed of atoms of a set of elements and the antiferroelectric material constituting the first barrier layer comprises atoms of each element of the set of elements, the antiferroelectric material comprising, in addition, atoms of an additional element not belonging to the set of elements.
  • the first electrode is made of a first conductive material and the second electrode is made of a second conductive material different from the first conductive material.
  • at least one neuron comprises an electroresistive component having a variable electrical resistance, the electroresistive component being electrically connected to an electrode of the first corresponding stack, the neuron being configured to receive an electric current flowing through the electroresistive component, the electric current passing through, , successively all the layers of the first stack according to the first stacking direction.
  • a neuromimetic network comprising a substrate, a set of neurons and a set of synapses, the manufacturing method comprising steps of:
  • each barrier layer of the first set Forming an electrode, called a second electrode, on each barrier layer of the first set to form a set of neurons, and forming a fourth electrode on each barrier layer of the second set to form a set of synapses, each barrier layer forming , with the corresponding electrodes, a ferroelectric tunnel junction.
  • a second electrode Forming an electrode, called a second electrode, on each barrier layer of the first set to form a set of neurons, and forming a fourth electrode on each barrier layer of the second set to form a set of synapses, each barrier layer forming , with the corresponding electrodes, a ferroelectric tunnel junction.
  • the method comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
  • each barrier layer deposited during the deposition step is made of a ferroelectric material, the manufacturing method further comprising, before the forming step, a step of inserting atoms of at least one element; additional in each barrier layer of the first set to transform the ferroelectric material of the barrier layers of the first set into an antiferroelectric material.
  • the insertion step comprises the implantation of atoms of the additional element in each barrier layer of the first set.
  • the training stage includes:
  • third conductive material Depositing an electrically conductive material, called third conductive material, on each barrier layer of the second set to form the corresponding fourth electrode, the third conductive material being different from the second conductive material.
  • FIG. 1 is a partial schematic representation of an example of a neuromimetic network comprising a set of neurons and a set of synapses,
  • FIG. 2 is a schematic partial sectional view of a neuron and a synapse of FIG. 1, including ferroelectric tunnel junctions,
  • FIG. 3 is a graph showing the variation of the electrical resistance of an example of a ferroelectric tunnel junction of FIG. 2;
  • FIG. 4 is a set of graphs presenting examples of polarization cycles and ferroelectric tunnel junction resistance.
  • FIG. 5 is a flow chart of the steps of a method of manufacturing the neuromimetic network of FIG. 1;
  • FIG. 6 is a diagram of an electrical circuit equivalent to a neuron of FIG. 1,
  • FIG. 7 is a set of graphs describing the temporal variation of electrical parameters of the circuit of FIG. 6,
  • FIG. 8 is a diagram of an electrical circuit equivalent to another example of a neuron.
  • FIG. 9 is a graph showing the electrical behavior of the circuit of FIG. 8.
  • FIG. 10 An example of a neuromimetic network 10 has been shown in FIG.
  • the neuromimetic network 10 comprises a substrate 15, a set of neurons 20, and a set of synapses 25.
  • the neuromimetic network 10 is configured to receive at least one input electrical current CE and to generate in response at least one output electrical current CS.
  • the neuromimetic network 10 is configured so that each EC input electric current is distributed over the set of neurons 20 by the set of synapses 25, each output electrical current CS being obtained at the output of at least one neuron 20.
  • the substrate 15 is configured to support the set of neurons 20 and the set of synapses 25.
  • the substrate 15 has a flat top face.
  • the upper face 30 is perpendicular to a direction called normal direction DN.
  • the substrate 15 is made of an inorganic crystalline material.
  • the substrate 15 is made of a material selected from Si, SiO 2, Al 2 O 3, SrTiO 3, MgO, NdGaO 3, GdScO 3, YaAlO 3, LaAlO 3 and mica.
  • the substrate 15 is made of a non-crystalline inorganic material such as a glass or a ceramic.
  • the substrate 15 is made of an organic material such as a plastics material.
  • the substrate 15 comprises, for example, additional elements such as a set of electrical interconnections, one or more power supplies of the neuromimetic network 10 or means for programming the neuromimetic network 10.
  • All or part of the additional elements are, for example, carried by a lower face of the substrate 15.
  • the additional elements are, for example, made by a CMOS technology.
  • Each neuron 20 is configured to be traversed by an electric current C.
  • Each neuron 20 comprises a first stack 35 of superimposed layers in a first stacking direction D1.
  • the first stack 35 is configured to be traversed by an electric current C in the first stacking direction D1.
  • the first stacking direction D1 is, for example, parallel to the normal direction DN.
  • FIG. 35 An example of first stack 35 has been shown in FIG.
  • the first stack 35 comprises a first electrode 40, a second electrode 45 and a first barrier layer 50.
  • the first electrode 40 is carried by the substrate 15.
  • the first electrode 40 is delimited, according to the first stacking direction D1, by the upper face 30 of the substrate 15 and by the first barrier layer 50.
  • the first electrode 40 is flat.
  • the first electrode 40 has a first thickness e1 measured in the first stacking direction D1.
  • the first thickness e1 is, for example, between 1 nm and 100 nm.
  • the first electrode 40 is made of a first conductive material M1. It is understood by "conductive material” an electrically conductive material.
  • the first conductive material M1 is, for example, a metallic material. According to one embodiment, the first material M1 is platinum.
  • the second electrode 45 is carried by the first barrier layer 50.
  • the second electrode 45 has a second thickness e2 measured in the first stacking direction D1. The second thickness e2 is between 5 nm and 100 nm.
  • the second electrode 45 is made of a second conductive material M2.
  • the second conductive material M2 is, for example, a metallic material.
  • the second conductive material M2 is different from the first conductive material M1.
  • the first barrier layer 50 is delimited, in the first stacking direction D1, by the first electrode 40 and by the second electrode 45.
  • the first barrier layer 50 has a third thickness e3, measured according to the first stacking direction D1.
  • the third thickness e3 is between one nanometer and five nanometers.
  • the first barrier layer 50 is able to form a barrier between the first electrode 40 of the second electrode 45.
  • the first barrier layer 50 is made of an electrically insulating material.
  • the first barrier layer 50 is configured so that the first electrode 40, the first barrier layer 50 and the second electrode 45 form a first ferroelectric tunnel junction. This means that the first barrier layer 50 is configured to be traversed by the tunnel effect by an electric current C successively passing through the first electrode 40, the first barrier layer 50 and the second electrode 45, and that the first barrier layer 50 is made of a ferroelectric material or antiferroelectric material.
  • the first barrier layer 50 is made of a ferroelectric material MF. It is understood by "ferroelectric" that the ferroelectric material MF has a plurality of electric dipoles each generating an electrical moment, and, in the absence of an external electric field, the first barrier layer 50 has a non-zero electrical bias PE.
  • the electric polarization PE is defined as the average, per unit volume, of the electrical moments.
  • the electric polarization PE is therefore a vector quantity.
  • the electric polarization PE is parallel to the first direction D1.
  • the electric polarization PE is variable.
  • the electric polarization PE is capable of being modified by a potential difference V applied between the electrodes of a ferroelectric tunnel junction.
  • PE electric polarization is movable between a first orientation and a second orientation opposite to the first orientation.
  • the electric polarization PE has a polarization value P.
  • the absolute value of the polarization value P is equal to a standard of the electric polarization PE, and the sign of the polarization value P is positive if the electric polarization PE presents the first orientation and negative if the electric polarization PE has the second orientation.
  • a representation of the variation of the electric polarization PE or the polarization value P as a function of the potential difference V is called a "polarization cycle".
  • the bias value P is likely to vary between a first extreme value ve1 and a second extreme value ve2.
  • the first extreme value ve1 and the second extreme value ve2 have identical absolute values, but different signs.
  • An electrical resistance R is defined for each ferroelectric tunnel junction. In a ferroelectric tunnel junction, the electrical resistance R depends on the polarization value P.
  • a first resistance value Roff is defined for the ferroelectric tunnel junction considered.
  • the first resistance value Roff is, for example, between 100 KiloOhm (kOhm) and 100 gigaOhm (GOhm).
  • a second resistance value Ron is defined for the ferroelectric tunnel junction considered.
  • the second resistance value Ron is strictly less than the first resistance value Roff.
  • the second resistance value Roff is, for example, between 100 Ohm and 100 kOhm.
  • each ferroelectric tunnel junction exhibits a hysteresis, ie, the ferroelectric tunnel junction tends to remain in a certain state when the external cause that produced the change of state has ceased.
  • the polarization value P In a first state, the polarization value P is equal to the first extreme value ve1. In a second state, the polarization value P is equal to the second extreme value ve2.
  • a first coercive voltage Vc1 and a second coercive voltage Vc2 are defined for each ferroelectric tunnel junction.
  • the ferroelectric tunnel junction considered When the ferroelectric tunnel junction considered is in the first state, and the potential difference V is increased progressively, the ferroelectric tunnel junction considered switches to the second state when the potential difference V reaches the first coercive voltage Vc1.
  • the ferroelectric tunnel junction considered When the ferroelectric tunnel junction considered is in the second state, and the potential difference V is progressively diminished, the ferroelectric tunnel junction considered switches to the first state when the potential difference V reaches the second coercive voltage Vc2.
  • the first coercive voltage Vc1 is strictly greater than the second coercive voltage Vc2.
  • Vc2 there is a range of potential differences V for which the ferroelectric tunnel junction considered is likely to have either the first extreme value ve1 or the second extreme value ve2.
  • the first stack 35 is configured so that the first barrier layer 50 has a unipolar polarization cycle.
  • FIG. 4 An example of a bipolar polarization cycle Cb and an example of unipolar polarization cycle Cu are shown in Figure 4 for comparison.
  • FIG. figure 4 A graph showing the variation of the resistor R of a ferroelectric tunnel junction having a unipolar polarization cycle, on which the first and second resistor values Ron, Roff and the first and second coercive voltages Vc1, Vc2 are indicated is shown in FIG. figure 4.
  • the first conductive material M1 and the second conductive material M2 are chosen so that the polarization cycle of the first barrier layer 50 is unipolar.
  • the first conductive material M1 has a first output work
  • the second conductive material M2 presents a second output work and the difference between the first output job and the second output job is greater than or equal to the difference between the two coercive voltages Vc2, Vc1.
  • a first stack 35 in which the first material M1 is SrRu0 3 , the ferroelectric material is BaTi0 3 and the second material M2 is Al is an example of a first stack having a unipolar polarization cycle.
  • first conductive material M1 and the second conductive material M2 have different electrical conductivities.
  • the first conductive material M1 and the second conductive material M2 have different crystalline structures.
  • Each synapse 25 is configured to receive, from a neuron 20, the electric current C and to transmit the electric current C to a second neuron 20.
  • Each synapse 25 comprises a second stack 52 of superimposed layers in a second stacking direction D2.
  • the second stacking direction D2 is parallel to the first stacking direction D1.
  • the second stack 52 is configured to be traversed by the electric current C along the second stacking direction D2.
  • the second stack 52 comprises a third electrode 55, a fourth electrode 60, and a second barrier layer 65.
  • the second stack 52 is connected to the first stacks 35 of the two corresponding neurons 20.
  • the third electrode 55 is connected to the second electrode 45 of one of the neurons 20 and the fourth electrode 60 is connected to the first electrode 40 of the other neuron 20 considered.
  • the third electrode 55 is carried by the substrate 15.
  • the third electrode 55 is delimited, according to the second stacking direction D2, by the upper face 30 of the substrate 15 and by the second barrier layer 65.
  • the third electrode 55 is made of an electrically conductive material.
  • the third electrode 55 is made of the first conductive material M1.
  • the third electrode 55 has a fourth thickness e4.
  • the fourth thickness e4 is identical to the first thickness e1.
  • Each fourth electrode 60 is carried by the corresponding second barrier layer 65.
  • Each fourth electrode 60 is made of a third conductive material M3.
  • the third conductive material M3 is different from the second conductive material M2.
  • the third conductive material M3 is identical to the first conductive material M1.
  • the fourth electrode 60 has a fifth thickness e5.
  • the fifth thickness e5 is between 5 nanometers and 100 nanometers.
  • the second barrier layer 65 is configured so that the third electrode 55, the second barrier layer 65 and the fourth electrode 60 form a second ferroelectric tunnel junction.
  • the second barrier layer 65 is made of a ferroelectric material.
  • the second barrier layer 65 is made of the same ferroelectric material MF as the first barrier layer 50.
  • the ferroelectric materials are different from each other.
  • the second barrier layer 65 has a sixth thickness e6, measured along the second stacking direction D2.
  • the sixth thickness e6 is identical to the third thickness e3.
  • the second stack 52 is configured so that the second barrier layer 65 has a bipolar polarization cycle.
  • the second stack 52 has an electric memristor behavior.
  • FIG. 10 A flow chart of the steps of a method of manufacturing the neuromimetic network 10 has been shown in FIG.
  • the manufacturing method comprises a step 100 of obtaining, a step 1 10 deposition, a step 120 of forming a second electrode 45, a step 130 of forming a fourth electrode 60, and a step 140 of finalization.
  • a first set of first electrodes 40 and a second set of second electrodes 55 are obtained.
  • the first electrodes 40 and the third electrodes 55 are obtained by deposition of the first material M1 on the upper face 30 of the substrate 15.
  • ALD alternating-flow chemical vapor deposition
  • a barrier layer 50, 65 is deposited on each first electrode 40 and on each third electrode 55.
  • the ferroelectric material MF is deposited on each first electrode 40 to form a corresponding first barrier layer 50, and on each third electrode 55 to form a corresponding second barrier layer 65.
  • the second conductive material M2 is deposited on each first barrier layer 50 of the first set.
  • the second conductive material M2 is not deposited on the second barrier layers 65 of the second set.
  • each second barrier layer 65 of the second assembly is covered with a layer of resin preventing the deposition of the second conductive material M2 on the second barrier layer 65.
  • the resin covering the second barrier layers 65 is removed, for example by dissolution in a chemical bath.
  • a fourth electrode 60 is formed on each second barrier layer 65.
  • the third conductive material M3 is deposited on each second barrier layer 65 of the second set to form a corresponding fourth electrode 60.
  • each second electrode 45 is covered with a resin layer preventing the deposition of the third conductive material M3 on the second conductive material M2.
  • the resin still present on the substrate 15, or on one of the stacks 35, 52 is removed.
  • each synapse 25 is connected to at least two distinct neurons.
  • the third electrode 55 of each synapse 25 is connected to at least one neuron 20 and the fourth electrode 60 of each synapse 25 is connected to at least one neuron 20.
  • the steps of obtaining 100, depositing 1 10, forming 120 of a second electrode 45, forming 130 of a fourth electrode 65, and a finalizing step 140 are implemented after the manufacturing additional elements carried by the substrate 15.
  • steps 100 to 1 10 are implemented during a "back-end of line" phase of the manufacturing process of the neuromimetic network 10.
  • a "back-end of line” phase is the second phase of a method for producing an integrated circuit, in a first phase during which the non-metallic portions of the transistors of the integrated circuit are formed.
  • the first phase comprises the formation of oxide or nitride layers, the deposition of semiconductor layers, the doping of portions of semiconductor layers or even etchings.
  • the metal interconnections are, among others, formed.
  • FIG. 6 A diagram of an electrical circuit equivalent to a first stack 35 is shown in FIG. 6.
  • the first stack 35 has been shown electrically connected to a voltage source Vdc.
  • the first stack 35 is electrically equivalent to a circuit formed of a load resistor Rs placed in series with an assembly formed of a capacitor having a capacitor Cd connected in parallel with the resistor R of the first ferroelectric tunnel junction.
  • the load resistance Rs corresponds to the electrical resistance of the first and second electrodes 40, 45.
  • the capacitor Cd corresponds to the capacitive behavior of the first stack 35, caused by the juxtaposition of the first and second metal electrodes 40, 45 separated by the first insulating barrier layer 50.
  • Resistance R of the first ferroelectric tunnel junction has a unipolar resistance cycle.
  • the first stack 35 considered in the simulations has a first resistance value Roff equal to 10 megohm, a second resistance value Ron equal to 1 kiloohm, a capacitance Cd equal to 450 femtofarad, a load resistance Rs equal to 5 kiloohm, a first coercive voltage Vc1 equal to 0.8 volts and a second coercive voltage Vc2 equal to 0.2 volts.
  • the voltage source Vdc imposes on the first stack 35 a potential difference equal to 1 volt.
  • the results of simulations comprise a graph 200 showing on the ordinate the variation over time of the resistance R (in Ohm) of the first ferroelectric tunnel junction, a graph 210 presenting on the ordinate the variation over time of the intensity (in milliamperes) of the current C passing through the first stack 35 and a graph 220 having as ordinate the variation over time of the potential difference V (in volts) between the first electrode 40 and the second electrode 45.
  • the three graphs 200, 210 and 220 have a common abscissa scale graduated in microseconds.
  • the graphs 200 to 220 show that the first stack 35 has an oscillating behavior in which the resistance R, the intensity of the current C and the potential difference V vary periodically over time with a frequency F.
  • the first stack 35 behaves electrically as a relaxation oscillator. Such behavior is similar to that of a neuron.
  • the first stack 35 is therefore adapted to play the role of a neuron 20 in the neuromimetic network 10.
  • the neuromimetic network 10 is easier to manufacture than the neuromimetic networks of the state of the art.
  • the neuromimetic network 10 does not involve combining synapses and neurons derived from separate manufacturing technologies.
  • neurons and synapses are directly formed on the same substrate 15.
  • the neuromimetic network is therefore easier to manufacture than the neuromimetic networks of the state of the art.
  • the neuromimetic network 10 has, in addition, a greater density of neurons and synapses than the neuromimetic networks of the state of the art.
  • neuromimetic network 10 therefore has better reliability than the neuromimetic networks of the state of the art and high durability.
  • a second example of a neuromimetic network 10 will now be described.
  • the elements identical to the first example of a neuromimetic network are not described again. Only the differences are highlighted.
  • the first conductive material M1 is identical to the second conductive material M2.
  • Each first barrier layer 50 is made of antiferroelectric material MA.
  • the dipoles are oriented antiparallel to each other without completely compensating each other.
  • the antiferroelectric material MA has an antiferroelectric behavior at zero voltage and a hysteretic transition to a ferroelectric state with positive or negative voltage.
  • the antiferroelectric material MA has a polarization value P of less than or equal to 5 microcoulomb per square centimeter.
  • the first ferroelectric tunnel junction exhibits a behavior similar to the behavior of a ferromagnetic material having a unipolar polarization cycle.
  • the polarization cycle of the first ferroelectric tunnel junction is similar to the union of two unipolar polarization cycles, one for the negative V potential differences and the other for the positive V potential differences.
  • FIG. 4 An example of an antiferroelectric polarization cycle Ca having a hysteretic transition to a positive or negative voltage ferroelectric state is shown in FIG. 4.
  • FIG. 4 An example of a cycle Cr3 describing the variation of the electrical resistance R during the antiferroelectric polarization cycle Ca is also shown in Figure 4.
  • the ferroelectric material MF is composed of atoms of a set of elements.
  • the ferroelectric material MF is BiFe0 3 .
  • the set of elements is formed of oxygen, bismuth and iron.
  • the antiferroelectric material MA comprises atoms of each element of the set of elements.
  • the antiferroelectric material comprises bismuth atoms, oxygen atoms and iron atoms.
  • the antiferroelectric material MA further comprises atoms of at least one additional element that does not belong to the set of elements.
  • the additional element is a rare earth.
  • the rare earth is, for example, a rare earth of valence 3.
  • Samarium, neodymium, lanthanum, gadolinium and dysprosium are examples of rare earths of valence 3.
  • each barrier layer 50, 65 is made of the ferroelectric material as in the first example.
  • a single training step is performed, during which the second electrodes 45 and the fourth electrodes 60 are made simultaneously.
  • the manufacturing method further comprises an insertion step.
  • the insertion step is, for example, carried out between the deposition step 1 10 and the training step 120.
  • the ferroelectric material MF composing the first barrier layers 50 is converted into antiferroelectric material MA.
  • atoms of the additional element are inserted in each first layer barrier 35 of the first set for transforming the ferroelectric material MF of each first barrier layer 35 into the antiferroelectric material MA.
  • the atoms of the additional element are, for example, inserted by implantation.
  • Implantation also known as ion implantation
  • ions of an element are accelerated and projected at high speed onto a material to insert ions into the material.
  • the atoms of the additional element are inserted by ion diffusion.
  • Ionic diffusion is a technique in which the material to be modified is brought into contact with a source material containing atoms of the additional element, the atoms of the additional element migrating from the source material into the material to be modified by diffusion.
  • the antiferroelectric material MA is composed of atoms of the same elements as the ferroelectric material MF, but in different proportions. The proportions of the atoms are then modified during the insertion step, that is to say that the additional element is an element of the set of elements.
  • At least one neuron 20 comprises an electroresistive component 70.
  • the electroresistive component 70 is electrically connected to an electrode 40, 45 of the corresponding first stack 35.
  • the electroresistive component 70 is configured to receive the electrical current C.
  • the electroresistive component 70 is configured to be traversed by the electric current C.
  • the electroresistive component 70 is interposed between a synapse 25 and the first electrode 40. In a variant, the electroresistive component 70 is interposed between a synapse 25 and the second electrode 45.
  • the electroresistive component 70 has a variable electrical resistance Rv.
  • the variable electrical resistance Rv can be modified by a user of the neuromimetic network 10.
  • the electroresistive component 70 is, for example, a memristor.
  • a ferroelectric memristor is an example of a memristor.
  • FIG. 8 An electrical diagram equivalent to the neuron 20 is shown in FIG. 8.
  • the series resistor Rs is considered to be a component of the variable electrical resistance Rv and has therefore not been represented in FIG. 8.
  • the electroresistive component 70 is a transistor.
  • the electroresistive component 70 is a transistor whose electrical resistance variable Rv is likely to be modified according to a gate voltage Vg applied to the transistor.
  • a graph 230 representing the variation of the frequency F as a function of the variable electrical resistance Rv and the DC voltage Vdc applied to the assembly formed of the electroresistive component 70 and the first stack 35 connected in series. As shown in graph 230, the frequency F depends on the variable electrical resistance.
  • the neuromimetic network 10 is then adaptable to a wide range of uses.
  • the modulation of the series resistance Rs makes it possible to modify the frequency of the pulses emitted by the neurons.
  • neurons comprising such an electroresistive component 70 form an input layer of the neuromimetic network 10, i.e., all of the neurons 20 receiving the EC input electric current (s).
  • the electroresistive components 70 make it possible to code for each neuron 20 of the input layer an analog input information in the form of a pulse frequency.
  • each of the first, second and third conductive materials M1, M2, M3 may be selected from the group consisting of metals, conductive oxides and semiconductor oxides.
  • Each metal is, for example, selected from the group consisting of: Pt, Pd, Au, Co, W, Al, Ir, Cu, Ni and Cs.
  • Each conductive oxide is, for example, selected from the group consisting of: SrRu0 3 LaNi0 3, (Ca, Ce) Mn0 3, (La, Sr) Mn0 3, La 0, 5SR 0.5 CoO 3, IR0 2 and Ru0 2 .
  • Each semiconductor oxide is, for example, selected from the group consisting of: ZnO, Sn0 2 , In 2 0 3 and ITO.
  • the semiconductor oxide is, for example, doped.
  • Each antiferroelectric material is, for example, selected from the group consisting of: PbZr0 3 , Pb (In, Nb) O 3 , R ⁇ _ C B3 C Zg0 3 , PbZr ⁇ Sn x Os, PbHf0 3 , Pb (In 1 / 2 Nb 1/2 ) 0 3 , Pbo 89 Nbo o 2 [(Zr 57 Sn O 43 ) o 94 TiO 6 ] o 98 0 3 , (Bi, Y) FeO 3 , (Bi, Sc) FeO 3 , solid type solutions (Bi, RE) Fe0 3 where RE is a rare earth valence 3 NaNb0 3 AgNb0 3 SmFe0 3 Sri_ x Ca x Ti0 3, Pb (ybi / 2 Nbi / 2) 0 3, Pb (ybi / 2 Tai / 2) 0 3, Pb (Coi / 2 W 1/2) 0
  • Each ferroelectric material is, for example, selected from the group consisting of: PbMgi / 3 Nb 2/3 0 3 , (PbMgi / 3 Nb 2/3 0 3 ) i- x (PbTiO 3) x , PbZni / 3 Nb 2 / 3 0 3 , (PbZni / 3 Nb 2/3 0 3 ) i- x (PbTi0 3) x, PbSco5Nbo5O3 (PbSco5Nbo 503) x i- (PbSco5Tao50 3) x, x Zr x BaTii- 0 3 Bai- x Sr x Ti0 3, BaTii- x Sn x 0 3, BaTi0 3, PbZn- x Ti x OS and BiFe0 3 .

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Abstract

La présente invention a pour objet un réseau neuromimétique (10) comprenant un ensemble de neurones (20) et un ensemble de synapses (25), au moins un neurone (20) comprenant un premier empilement (35) de couches superposées, le premier empilement (35) comprenant successivement: - une première électrode (40), - une première couche barrière (50) réalisée en un matériau électriquement isolant, et - une deuxième électrode (45), la première électrode (40), la première couche barrière (50) et la deuxième électrode (45) formant une première jonction tunnel ferroélectrique, au moins une synapse (25) comprenant un deuxième empilement (52) de couches superposées, le deuxième empilement (52) comprenant successivement: - une troisième électrode (55), - une deuxième couche barrière (65) réalisée en un matériau électriquement isolant, et - une quatrième électrode (60), la troisième électrode (55), la deuxième couche barrière (65) et la quatrième électrode (60) formant une deuxième jonction tunnel ferroélectrique.

Description

Réseau neuromimétique et procédé de fabrication associé
La présente invention concerne un réseau neuromimétique. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’un tel réseau neuromimétique.
Des réseaux reproduisant le fonctionnement d’un cerveau humain sont utilisés pour des tâches spécifiques pour lesquelles les architectures classiques, telles que les architectures de Von Neumann, sont peu adaptées. Par exemple, de telles tâches comprennent la reconnaissance d’objets ou de personnes dans des images.
De tels réseaux comprennent deux types de composants ou circuits principaux réalisant deux fonctions distinctes. Un premier type de composant présente un comportement d’oscillateur similaire à celui d’un neurone, et un deuxième type de composant, présentant une résistance contrôlable, joue le rôle de synapse reliant deux neurones entre eux. Pour cette raison, les réseaux de ce type sont appelés « réseaux neuromimétiques », « réseaux de neurones » ou encore « réseaux neuromorphiques »
Les réseaux neuromorphiques sont fréquemment émulés informatiquement, c’est- à-dire que leurs fonctions sont reproduites par un programme informatique. Cependant, de tels réseaux supposent alors l’utilisation d’un ordinateur présentant une architecture de type classique, complexe, même si le réseau neuromorphique émulé est simple.
Des réseaux neuromorphiques dans lesquels les rôles de neurones et de synapses sont joués par des composants physiques dédiés sont également connus. Par exemple, les synapses comprennent des résistances contrôlables de type memristor, utilisant des matériaux tels que des matériaux à changement de phase, des oxydes ou encore des jonctions tunnel ferroélectriques. De tels synapses présentent une résistance électrique variable permettant de modifier la connexion entre deux neurones, et ainsi de contrôler la propagation des impulsions électriques entre neurones. Les neurones, eux, sont fréquemment réalisés à partir de technologies classiques de la microélectronique à base de silicium, en particulier la technologie CMOS (acronyme provenant de l’expression anglaise « Complementary Metal-Oxide-Semiconductor »).
Cependant, la fabrication de tels réseaux neuromorphiques est complexe. En particulier, l’interfaçage entre les synapses et les neurones est difficile. De plus, les technologies de fabrication des neurones et des synapses sont très différentes, et il est difficile d’intégrer neurones et synapses sur un même substrat. La densité de composants obtenue est donc relativement faible, et les réseaux neuromorphiques présentent donc, à surface égale, une capacité de calcul relativement faible par rapport à une architecture classique. Il existe donc un besoin pour un réseau neuromorphique présentant une capacité de calcul par unité de surface qui soit plus élevée que les réseaux neuromorphiques de l’état de la technique.
A cet effet, il est proposé un réseau neuromimétique comprenant un substrat, un ensemble de neurones et un ensemble de synapses, au moins un neurone comprenant un premier empilement de couches superposées selon une première direction d’empilement, le premier empilement comprenant successivement selon la première direction d’empilement :
• une première électrode portée par le substrat,
• une première couche barrière réalisée en un matériau électriquement isolant, et
• une deuxième électrode,
la première électrode, la première couche barrière et la deuxième électrode formant une première jonction tunnel ferroélectrique,
au moins une synapse comprenant un deuxième empilement de couches superposées selon une deuxième direction d’empilement, le deuxième empilement comprenant successivement selon la deuxième direction d’empilement :
• une troisième électrode portée par le substrat,
• une deuxième couche barrière réalisée en un matériau électriquement isolant, et
• une quatrième électrode,
la troisième électrode, la deuxième couche barrière et la quatrième électrode formant une deuxième jonction tunnel ferroélectrique.
Selon des modes de réalisation particuliers, le réseau neuromorphique comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la première couche barrière est réalisée en un matériau ferroélectrique et présente un cycle de polarisation unipolaire.
- la première couche barrière est réalisée en un matériau antiferroélectrique.
- la deuxième couche barrière est réalisée en un matériau ferroélectrique composé d’atomes d’un ensemble d’éléments et le matériau antiferroélectrique composant la première couche barrière comprend des atomes de chaque élément de l’ensemble d’éléments, le matériau antiferroélectrique comprenant, en outre, des atomes d’un élément additionnel n’appartenant pas à l’ensemble d’éléments.
- la première électrode est réalisée en un premier matériau conducteur et la deuxième électrode est réalisée en un deuxième matériau conducteur différent du premier matériau conducteur. - au moins un neurone comprend un composant électrorésistif présentant une résistance électrique variable, le composant électrorésistif étant connecté électriquement à une électrode du premier empilement correspondant, le neurone étant configuré pour recevoir un courant électrique traversant le composant électrorésistif, le courant électrique traversant, en outre, successivement toutes les couches du premier empilement selon la première direction d’empilement.
Il est également proposé un procédé de fabrication d’un réseau neuromimétique comprenant un substrat, un ensemble de neurones et un ensemble de synapses, le procédé de fabrication comprenant des étapes de :
• obtention d’un premier ensemble de premières électrodes portées par le substrat, et d’un deuxième ensemble d’électrodes, appelées troisièmes électrodes, portées par le substrat,
• dépôt d’une couche barrière électriquement isolante sur chaque première électrode et chaque troisième électrode,
• formation d’une électrode, appelée deuxième électrode, sur chaque couche barrière du premier ensemble pour former un ensemble de neurones, et formation d’une quatrième électrode sur chaque couche barrière du deuxième ensemble pour former un ensemble de synapses, chaque couche barrière formant, avec les électrodes correspondantes, une jonction tunnel ferroélectrique.
Selon des modes de réalisation particuliers, le procédé comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- chaque couche barrière déposée au cours de l’étape de dépôt est réalisée en un matériau ferroélectrique, le procédé de fabrication comprenant, en outre, avant l’étape de formation, une étape d’insertion d’atomes d’au moins un élément additionnel dans chaque couche barrière du premier ensemble pour transformer le matériau ferroélectrique des couches barrières du premier ensemble en un matériau antiferroélectrique.
- l’étape d’insertion comprend l’implantation d’atomes de l’élément additionnel dans chaque couche barrière du premier ensemble.
- l’étape de formation comprend :
• le dépôt d’un matériau électriquement conducteur, appelé deuxième matériau conducteur, sur chaque couche barrière du premier ensemble pour former la deuxième électrode correspondante, et
• le dépôt d’un matériau électriquement conducteur, appelé troisième matériau conducteur, sur chaque couche barrière du deuxième ensemble pour former la quatrième électrode correspondante, le troisième matériau conducteur étant différent du deuxième matériau conducteur.
Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique partielle d’un exemple de réseau neuromimétique comprenant un ensemble de neurones et un ensemble de synapses,
- la figure 2 est une vue schématique en coupe partielle d’un neurone et d’une synapse de la figure 1 , comprenant des jonctions tunnel ferroélectriques,
- la figure 3 est un graphe représentant la variation de la résistance électrique d’un exemple de jonction tunnel ferroélectrique de la figure 2,
- la figure 4 est un ensemble de graphes présentant des exemples de cycles de polarisation et de résistance de jonctions tunnel ferroélectriques.
- la figure 5 est un ordinogramme des étapes d’un procédé de fabrication du réseau neuromimétique de la figure 1 ,
- la figure 6 est un schéma d’un circuit électrique équivalent à un neurone de la figure 1 ,
- la figure 7 est un ensemble de graphes décrivant la variation temporelle de paramètres électriques du circuit de la figure 6,
- la figure 8 est un schéma d’un circuit électrique équivalent à un autre exemple de neurone, et
- la figure 9 est un graphe représentant le comportement électrique du circuit de la figure 8.
Un exemple de réseau neuromimétique 10 a été représenté sur la figure 1.
Le réseau neuromimétique 10 comporte un substrat 15, un ensemble de neurones 20, et un ensemble de synapses 25.
Le réseau neuromimétique 10 est configuré pour recevoir au moins un courant électrique d’entrée CE et pour générer en réponse au moins un courant électrique de sortie CS.
Le réseau neuromimétique 10 est configuré pour que chaque courant électrique d’entrée CE soit distribué sur l’ensemble de neurones 20 par l’ensemble de synapses 25, chaque courant électrique de sortie CS étant obtenu en sortie d’au moins un neurone 20.
Le substrat 15 est configuré pour supporter l’ensemble de neurones 20 et l’ensemble de synapses 25. Par exemple, le substrat 15 présente une face supérieure 30 plane. La face supérieure 30 est perpendiculaire à une direction appelée direction normale DN. Le substrat 15 est réalisé en un matériau cristallin inorganique. Par exemple, le substrat 15 est réalisé en un matériau choisi parmi Si, Si02, AI203, SrTi03, MgO, NdGa03, GdSc03, YaAI03, LaAI03 et le mica.
Selon une variante, le substrat 15 est réalisé en un matériau inorganique non cristallin tel qu’un verre ou une céramique.
Selon une variante, le substrat 15 est réalisé en un matériau organique tel qu’une matière plastique.
Le substrat 15 comporte, par exemple, des éléments additionnels tels qu’un ensemble d’interconnexions électriques, une ou plusieurs alimentations électriques du réseau neuromimétique 10 ou encore des moyens pour programmer le réseau neuromimétique 10.
Tout ou partie des éléments additionnels sont, par exemple portés par une face inférieure du substrat 15.
Les éléments additionnels sont, par exemple, réalisés par une technologie CMOS.
Chaque neurone 20 est configuré pour être traversé par un courant électrique C.
Chaque neurone 20 comporte un premier empilement 35 de couches superposées selon une première direction d’empilement D1 .
Le premier empilement 35 est configuré pour être traversé par un courant électrique C selon la première direction d’empilement D1.
La première direction d’empilement D1 est, par exemple, parallèle à la direction normale DN.
Un exemple de premier empilement 35 a été représenté sur la figure 2.
Le premier empilement 35 comporte une première électrode 40, une deuxième électrode 45 et une première couche barrière 50.
La première électrode 40 est portée par le substrat 15.
La première électrode 40 est délimitée, selon la première direction d’empilement D1 , par la face supérieure 30 du substrat 15 et par la première couche barrière 50.
La première électrode 40 est plane. La première électrode 40 présente une première épaisseur e1 mesurée selon la première direction d’empilement D1. La première épaisseur e1 est, par exemple, comprise entre 1 nm et 100 nm.
La première électrode 40 est réalisée en un premier matériau conducteur M1 . Il est entendu par « matériau conducteur » un matériau électriquement conducteur.
Le premier matériau conducteur M1 est, par exemple, un matériau métallique. Selon un mode de réalisation, le premier matériau M1 est le platine. La deuxième électrode 45 est portée par la première couche barrière 50. La deuxième électrode 45 présente une deuxième épaisseur e2 mesurée selon la première direction d’empilement D1. La deuxième épaisseur e2 est comprise entre 5 nm et 100 nm.
La deuxième électrode 45 est réalisée en un deuxième matériau conducteur M2. Le deuxième matériau conducteur M2 est, par exemple, un matériau métallique. Le deuxième matériau conducteur M2 est différent du premier matériau conducteur M1.
La première couche barrière 50 est délimitée, selon la première direction d’empilement D1 , par la première électrode 40 et par la deuxième électrode 45.
La première couche barrière 50 présente une troisième épaisseur e3, mesurée selon la première direction d’empilement D1. La troisième épaisseur e3 est comprise entre un nanomètre et cinq nanomètres.
La première couche barrière 50 est propre à former une barrière entre la première électrode 40 de la deuxième électrode 45. Ainsi, la première couche barrière 50 est réalisée en un matériau électriquement isolant.
La première couche barrière 50 est configurée pour que la première électrode 40, la première couche barrière 50 et la deuxième électrode 45 forment une première jonction tunnel ferroélectrique. Cela signifie que la première couche barrière 50 est configurée pour être traversée par effet tunnel par un courant électrique C traversant successivement la première électrode 40, la première couche barrière 50 et la deuxième électrode 45, et que la première couche barrière 50 est réalisée en un matériau ferroélectrique ou en un matériau antiferroélectrique.
Plus précisément, la première couche barrière 50 est réalisée en un matériau ferroélectrique MF. Il est entendu par « ferroélectrique » que le matériau ferroélectrique MF présente une pluralité de dipôles électriques générant chacun un moment électrique, et, en l’absence de champ électrique extérieur, la première couche barrière 50 présente une polarisation électrique PE non nulle.
La polarisation électrique PE est définie comme étant la moyenne, par unité de volume, des moments électriques. La polarisation électrique PE est donc une grandeur vectorielle. Ainsi, dans un matériau ferroélectrique, le barycentre des charges positives et le barycentre des charges négatives dans une couche barrière d’une jonction tunnel ferroélectrique ne sont pas confondus, même en l’absence de champ électrique extérieur.
La polarisation électrique PE est parallèle à la première direction D1.
La polarisation électrique PE est variable. En particulier, la polarisation électrique PE est susceptible d’être modifiée par une différence de potentiel V appliquée entre les électrodes d’une jonction tunnel ferroélectrique. Par exemple, la polarisation électrique PE est mobile entre une première orientation et une deuxième orientation de sens contraire à la première orientation.
La polarisation électrique PE présente une valeur de polarisation P. La valeur absolue de la valeur de polarisation P est égale à une norme de la polarisation électrique PE, et le signe de la valeur de polarisation P est positif si la polarisation électrique PE présente la première orientation et négatif si la polarisation électrique PE présente la deuxième orientation.
Une représentation de la variation de la polarisation électrique PE ou de la valeur de polarisation P en fonction de la différence de potentiel V est appelée « cycle de polarisation ».
Lorsque la couche barrière d’une jonction tunnel ferroélectrique est réalisée en un matériau ferroélectrique MF, la valeur de polarisation P est susceptible de varier entre une première valeur extrême ve1 et une deuxième valeur extrême ve2.
Par exemple, la première valeur extrême ve1 et la deuxième valeur extrême ve2 présentent des valeurs absolues identiques, mais des signes différents.
Une résistance électrique R est définie pour chaque jonction tunnel ferroélectrique. Dans une jonction tunnel ferroélectrique, la résistance électrique R dépend de la valeur de polarisation P.
Lorsque la valeur de polarisation P est égale à la première valeur extrême ve1 , une première valeur de résistance Roff est définie pour la jonction tunnel ferroélectrique considérée.
Dans le cas du premier empilement 35, la première valeur de résistance Roff est, par exemple, comprise entre 100 KiloOhm (kOhm) et 100 gigaOhm (GOhm).
Lorsque la valeur de polarisation P est égale à la deuxième valeur extrême ve2, une deuxième valeur de résistance Ron est définie pour la jonction tunnel ferroélectrique considérée. La deuxième valeur de résistance Ron est strictement inférieure à la première valeur de résistance Roff.
Dans le cas du premier empilement 35, la deuxième valeur de résistance Roff est, par exemple, comprise entre 100 Ohm et 100 kOhm.
Le cycle de polarisation de chaque jonction tunnel ferroélectrique présente une hystérésis, c’est-à-dire que la jonction tunnel ferroélectrique tend à demeurer dans un certain état quand la cause extérieure qui a produit le changement d'état a cessé.
En particulier, deux états sont définis pour chaque jonction tunnel ferroélectrique.
Dans un premier état, la valeur de polarisation P est égale à la première valeur extrême ve1 . Dans un deuxième état, la valeur de polarisation P est égale à la deuxième valeur extrême ve2. Il est défini une première tension coercitive Vc1 et une deuxième tension coercitive Vc2 pour chaque jonction tunnel ferroélectrique.
Lorsque la jonction tunnel ferroélectrique considérée est dans le premier état, et que la différence de potentiel V est augmentée progressivement, la jonction tunnel ferroélectrique considérée bascule dans le deuxième état lorsque la différence de potentiel V atteint la première tension coercitive Vc1 .
Lorsque la jonction tunnel ferroélectrique considérée est dans le deuxième état, et que la différence de potentiel V est diminuée progressivement, la jonction tunnel ferroélectrique considérée bascule dans le premier état lorsque la différence de potentiel V atteint la deuxième tension coercitive Vc2.
La première tension coercitive Vc1 est strictement supérieure à la deuxième tension coercitive Vc2. Ainsi, il existe une plage de différences de potentiel V pour lesquelles la jonction tunnel ferroélectrique considérée est susceptible de présenter soit la première valeur extrême ve1 soit la deuxième valeur extrême ve2.
Le premier empilement 35 est configuré pour que la première couche barrière 50 présente un cycle de polarisation unipolaire.
Il est entendu par « cycle de polarisation unipolaire » que les deux tensions coercitives Vc2, Vc1 sont de même signe. Un tel exemple de cycle est représenté sur la figure 3.
Lorsque les deux tensions coercitives Vc2, Vc1 sont de signes opposés, le cycle de polarisation est dit « bipolaire ».
Un exemple de cycle de polarisation bipolaire Cb et un exemple de cycle de polarisation unipolaire Cu sont représentés sur la figure 4 pour comparaison. Un exemple de cycle Cr1 décrivant la variation de la résistance électrique R au cours du cycle de polarisation bipolaire Cb et un exemple de cycle Cr2 décrivant la variation de la résistance électrique R au cours du cycle de polarisation unipolaire Cu sont également représentés sur la figure 4.
Un graphe présentant la variation de la résistance R d’une jonction tunnel ferroélectrique présentant un cycle de polarisation unipolaire, sur lequel les première et deuxième valeurs de résistances Ron, Roff et les première et deuxièmes tensions coercitives Vc1 , Vc2 sont indiquées est représenté sur la figure 4.
Par exemple, le premier matériau conducteur M1 et le deuxième matériau conducteur M2 sont choisis pour que le cycle de polarisation de la première couche barrière 50 soit unipolaire. Par exemple, le premier matériau conducteur M1 présente un premier travail de sortie, le deuxième matériau conducteur M2 présente un deuxième travail de sortie et la différence entre le premier travail de sortie et le deuxième travail de sortie est supérieure ou égale à la différence entre les deux tensions coercitives Vc2, Vc1 .
Un premier empilement 35 dans lequel le premier matériau M1 est SrRu03, le matériau ferroélectrique est BaTi03 et le deuxième matériau M2 est Al est un exemple de premier empilement présentant un cycle de polarisation unipolaire.
En variante, le premier matériau conducteur M1 et le deuxième matériau conducteur M2 présentent des conductivités électriques différentes.
Selon une autre variante, le premier matériau conducteur M1 et le deuxième matériau conducteur M2 présentent des structures cristallines différentes.
Chaque synapse 25 est configurée pour recevoir, d’un neurone 20, le courant électrique C et pour transmettre le courant électrique C à un deuxième neurone 20.
Chaque synapse 25 comporte un deuxième empilement 52 de couches superposées selon une deuxième direction d’empilement D2. La deuxième direction d’empilement D2 est parallèle à la première direction d’empilement D1 .
Le deuxième empilement 52 est configuré pour être traversé par le courant électrique C selon la deuxième direction d’empilement D2.
Le deuxième empilement 52 comporte une troisième électrode 55, une quatrième électrode 60, et une deuxième couche barrière 65.
Le deuxième empilement 52 est connecté aux premiers empilements 35 des deux neurones 20 correspondants. Par exemple, la troisième électrode 55 est connectée à la deuxième électrode 45 de l’un des neurones 20 et la quatrième électrode 60 est connectée à la première électrode 40 de l’autre neurone 20 considéré.
La troisième électrode 55 est portée par le substrat 15. En particulier, la troisième électrode 55 est délimitée, selon la deuxième direction d’empilement D2, par la face supérieure 30 du substrat 15 et par la deuxième couche barrière 65.
La troisième électrode 55 est réalisée en un matériau électriquement conducteur. Par exemple, la troisième électrode 55 est réalisée en le premier matériau conducteur M1 .
La troisième électrode 55 présente une quatrième épaisseur e4. La quatrième épaisseur e4 est identique à la première épaisseur e1.
Chaque quatrième électrode 60 est portée par la deuxième couche barrière 65 correspondante. Chaque quatrième électrode 60 est réalisée en un troisième matériau conducteur M3.
Le troisième matériau conducteur M3 est différent du deuxième matériau conducteur M2. Par exemple, le troisième matériau conducteur M3 est identique au premier matériau conducteur M1. La quatrième électrode 60 présente une cinquième épaisseur e5. La cinquième épaisseur e5 est comprise entre 5 nanomètres et 100 nanomètres.
La deuxième couche barrière 65 est configurée pour que la troisième électrode 55, la deuxième couche barrière 65 et la quatrième électrode 60 forment une deuxième jonction tunnel ferroélectrique.
La deuxième couche barrière 65 est réalisée en un matériau ferroélectrique. Par exemple, la deuxième couche barrière 65 est réalisée en le même matériau ferroélectrique MF que la première couche barrière 50.
Selon une variante, les matériaux ferroélectriques sont différents l’un de l’autre.
La deuxième couche barrière 65 présente une sixième épaisseur e6, mesurée selon la deuxième direction d’empilement D2. La sixième épaisseur e6 est identique à la troisième épaisseur e3.
Le deuxième empilement 52 est configuré pour que la deuxième couche barrière 65 présente un cycle de polarisation bipolaire. En particulier, le deuxième empilement 52 présente un comportement électrique de memristor.
Un ordinogramme des étapes d’un procédé de fabrication du réseau neuromimétique 10 a été représenté sur la figure 5.
Le procédé de fabrication comprend une étape 100 d’obtention, une étape 1 10 de dépôt, une étape 120 de formation d’une deuxième électrode 45, une étape 130 de formation d’une quatrième électrode 60, et une étape 140 de finalisation.
Lors de l’étape d’obtention 100, un premier ensemble de premières électrodes 40 et un deuxième ensemble de deuxièmes électrodes 55 sont obtenues.
Par exemple, les premières électrodes 40 et les troisièmes électrodes 55 sont obtenues par dépôt du premier matériau M1 sur la face supérieure 30 du substrat 15. L’épitaxie par jets moléculaires, l’évaporation sous vide, l’ablation laser pulsée, la pulvérisation cathodique, le spin-coating (également appelé enduction centrifuge), le dépôt chimique en phase vapeur (également appelé CVD, de l’anglais « Chemical Vapor Déposition ») ou le dépôt chimique en phase vapeur par flux alternés (également appelé ALD, de l’anglais « Atomic Layer Déposition ») sont des exemples de méthodes de dépôt utilisables pour déposer des couches de matériaux.
Lors de l’étape de dépôt 1 10, une couche barrière 50, 65 est déposée sur chaque première électrode 40 et sur chaque troisième électrode 55.
Par exemple, le matériau ferroélectrique MF est déposé sur chaque première électrode 40 pour former une première couche barrière 50 correspondante, et sur chaque troisième électrode 55 pour former une deuxième couche barrière 65 correspondante. Au cours de l’étape de formation 120 d’une deuxième électrode 45, le deuxième matériau conducteur M2 est déposé sur chaque première couche barrière 50 du premier ensemble.
Le deuxième matériau conducteur M2 n’est pas déposé sur les deuxièmes couches barrières 65 du deuxième ensemble. Par exemple, au cours de l’étape 120 de formation d’une deuxième électrode 45, chaque deuxième couche barrière 65 du deuxième ensemble est recouverte d’une couche de résine empêchant le dépôt du deuxième matériau conducteur M2 sur la deuxième couche barrière 65.
A l’issue de l’étape 120 de formation d’une deuxième électrode 45, la résine recouvrant les deuxièmes couches barrières 65 est retirée, par exemple par dissolution dans un bain chimique.
Lors de l’étape 130 de formation d’une quatrième électrode 60, une quatrième électrode 60 est formée sur chaque deuxième couche barrière 65.
Par exemple, le troisième matériau conducteur M3 est déposé sur chaque deuxième couche barrière 65 du deuxième ensemble pour former une quatrième électrode 60 correspondante.
Au cours de l’étape 130 de formation d’une quatrième électrode, chaque deuxième électrode 45 est recouverte d’une couche de résine empêchant le dépôt du troisième matériau conducteur M3 sur le deuxième matériau conducteur M2.
Ainsi, à l’issue des étapes 120 et 130 de formation, un premier ensemble de neurones et un deuxième ensemble de synapses sont obtenus.
Lors de l’étape 140 de finalisation, la résine encore présente sur le substrat 15, ou sur l’un des empilements 35, 52 est retirée.
En outre, chaque synapse 25 est connectée à au moins deux neurones 20 distinctes. Par exemple, la troisième électrode 55 de chaque synapse 25 est connectée à au moins un neurone 20 et la quatrième électrode 60 de chaque synapse 25 est connectée à au moins un neurone 20.
Selon un mode de réalisation, les étapes d’obtention 100, de dépôt 1 10, de formation 120 d’une deuxième électrode 45, de formation 130 d’une quatrième électrode 65, et une étape de finalisation 140 sont mises en œuvre après la fabrication des éléments additionnels portés par le substrat 15. Par exemple, les étapes 100 à 1 10 sont mises en œuvre au cours d’une phase « back-end of line » du procédé de fabrication du réseau neuromimétique 10.
Une phase « back-end of line » est la seconde phase d’un procédé de réalisation d’un circuit intégré, suivant une première phase pendant laquelle les portions non- métalliques des transistors du circuit intégré sont formées. Par exemple, la première phase comprend la formation de couches d’oxydes ou de nitrures, le dépôt de couches semi-conductrices, le dopage de portions de couches semi-conductrices ou encore des gravures.
Au cours de la phase « back-end of line », les interconnexions métalliques sont, entre autres, formées.
Un schéma d’un circuit électrique équivalent à un premier empilement 35 est représenté sur la figure 6. Sur la figure 6, le premier empilement 35 a été représenté connecté électriquement à une source de tension Vdc.
Le premier empilement 35 est équivalent électriquement à un circuit formé d’une résistance de charge Rs placée en série d’un ensemble formé d’un condensateur présentant une capacité Cd connecté en parallèle à la résistance R de la première jonction tunnel ferroélectrique.
La résistance de charge Rs correspond à la résistance électrique des première et deuxième électrodes 40, 45.
Le condensateur Cd correspond au comportement capacitif du premier empilement 35, causé par la juxtaposition des première et deuxième électrodes métalliques 40, 45 séparées par la première couche barrière 50 isolante.
La résistance R de la première jonction tunnel ferroélectrique présente un cycle de résistance unipolaire.
Des résultats de simulations des propriétés électriques d’un premier empilement 35 sont représentés sur la figure 7.
Le premier empilement 35 considéré dans les simulations présente une première valeur de résistance Roff égale à 10 megohm, une deuxième valeur de résistance Ron égale à 1 kiloohm, une capacité Cd égale à 450 femtofarad, une résistance de charge Rs égale à 5 kiloohm, une première tension coercitive Vc1 égale à 0,8 volt et une deuxième tension coercitive Vc2 égale à 0,2 volt. Lors des simulations, la source de tension Vdc impose au premier empilement 35 une différence de potentiel égale à 1 volt.
Les résultats de simulations comportent un graphe 200 présentant en ordonnée la variation au cours du temps de la résistance R (en Ohm) de la première jonction tunnel ferroélectrique, un graphe 210 présentant en ordonnée la variation au cours du temps de l’intensité (en milliampères) du courant C traversant le premier empilement 35 et un graphe 220 présentant en ordonnée la variation au cours du temps de la différence de potentiel V (en volt) entre la première électrode 40 et la deuxième électrode 45. Les trois graphes 200, 210 et 220 présentent une échelle d’abscisse commune graduée en microsecondes. Les graphes 200 à 220 montrent que le premier empilement 35 présente un comportement oscillant dans lequel la résistance R, l’intensité du courant C et la différence de potentiel V varient périodiquement au cours du temps avec une fréquence F.
Plus précisément, le premier empilement 35 se comporte électriquement comme un oscillateur à relaxation. Un tel comportement est similaire à celui d’un neurone. Le premier empilement 35 est donc adapté pour jouer le rôle d’un neurone 20 dans le réseau neuromimétique 10.
Le réseau neuromimétique 10 est plus facile à fabriquer que les réseaux neuromimétiques de l’état de la technique. En particulier, le réseau neuromimétique 10 ne suppose pas de combiner des synapses 25 et des neurones 20 obtenus à partir de technologies de fabrication distinctes. Au contraire, les neurones 20 et les synapses 25 sont directement formés sur un même substrat 15. Le réseau neuromimétique 10 est donc plus aisé à fabriquer que les réseaux neuromimétiques de l’état de la technique.
Le réseau neuromimétique 10 présente, en outre, une plus grande densité de neurones 20 et de synapses 25 que les réseaux neuromimétiques de l’état de la technique.
En outre, les neurones 20 et les synapses 25 sont peu sensibles aux phénomènes de fatigue. Le réseau neuromimétique 10 présente donc une meilleure fiabilité que les réseaux neuromimétiques de l’état de la technique et une grande durabilité.
Un deuxième exemple de réseau neuromimétique 10 va maintenant être décrit. Les éléments identiques au premier exemple de réseau neuromimétique ne sont pas décrits à nouveau. Seules les différences sont mises en évidence.
Le premier matériau conducteur M1 est identique au deuxième matériau conducteur M2.
Chaque première couche barrière 50 est réalisée en un matériau antiferroélectrique MA.
Dans un matériau antiferroélectrique, les dipôles sont orientés antiparallèlement les uns par rapport aux autres sans pour autant se compenser totalement.
En particulier, le matériau antiferroélectrique MA présente un comportement antiferroélectrique à tension nulle et une transition hystérétique vers un état ferroélectrique à tension positive ou négative.
Plus précisément, lorsque aucune différence de potentiel V n’est appliquée aux deux électrodes 40, 45, le matériau antiferroélectrique MA présente une valeur de polarisation P inférieure ou égale à 5 microcoulomb par centimètre carré. Lorsqu’une différence de potentiel V est appliquée aux deux électrodes 40, 45, la première jonction tunnel ferroélectrique présente un comportement similaire au comportement d’un matériau ferromagnétique présentant un cycle de polarisation unipolaire.
Plus précisément, le cycle de polarisation de la première jonction tunnel ferroélectrique est semblable à la réunion de deux cycles de polarisation unipolaires, l’un pour les différences de potentiel V négatives et l’autre pour les différences de potentiel V positives.
Un exemple de cycle de polarisation antiferroélectrique Ca présentant une transition hystérétique vers un état ferroélectrique à tension positive ou négative est représenté sur la figure 4. Un exemple de cycle Cr3 décrivant la variation de la résistance électrique R au cours du cycle de polarisation antiferroélectrique Ca est également représenté sur la figure 4.
Le matériau ferroélectrique MF est composé d’atomes d’un ensemble d’éléments. Par exemple, le matériau ferroélectrique MF est BiFe03. Dans ce cas, l’ensemble d’éléments est formé de l’oxygène, du bismuth et du fer.
Le matériau antiferroélectrique MA comprend des atomes de chaque élément de l’ensemble d’éléments. Par exemple, le matériau antiferroélectrique comprend des atomes de bismuth, des atomes d’oxygène et des atomes de fer.
Le matériau antiferroélectrique MA comprend, en outre, des atomes d’au moins un élément additionnel n’appartenant pas à l’ensemble d’éléments. Par exemple, l’élément additionnel est une terre rare.
La terre rare est, par exemple, une terre rare de valence 3. Le samarium, le néodyme, le lanthane, le gadolinium et le dysprosium sont des exemples de terres rares de valence 3.
Au cours de l’étape de dépôt 1 10, chaque couche barrière 50, 65 est réalisée en le matériau ferroélectrique comme dans le premier exemple.
Une seule étape de formation est réalisée, au cours de laquelle les deuxièmes électrodes 45 et les quatrièmes électrodes 60 sont réalisées simultanément.
Le procédé de fabrication comprend, en outre, une étape d’insertion. L’étape d’insertion est, par exemple, mise en oeuvre entre l’étape de dépôt 1 10 et l’étape de formation 120.
Au cours de l’étape d’insertion, le matériau ferroélectrique MF composant les premières couches barrières 50 est transformé en matériau antiferroélectrique MA. Par exemple, des atomes de l’élément additionnel sont insérés dans chaque première couche barrière 35 du premier ensemble pour transformer le matériau ferroélectrique MF de chaque première couche barrière 35 en le matériau antiferroélectrique MA.
Les atomes de l’élément additionnel sont, par exemple, insérés par implantation. L’implantation (également appelée « implantation ionique ») est une technique dans laquelle des ions d’un élément sont accélérés et projetés à grande vitesse sur un matériau pour insérer les ions dans le matériau.
Selon une variante, les atomes de l’élément additionnel sont insérés par diffusion ionique. La diffusion ionique est une technique dans laquelle le matériau à modifier est mis en contact avec un matériau source contenant des atomes de l’élément additionnel, les atomes de l’élément additionnel migrant depuis le matériau source jusque dans le matériau à modifier par diffusion.
Selon une variante du deuxième exemple, le matériau antiferroélectrique MA est composé d’atomes des mêmes éléments que le matériau ferroélectrique MF, mais dans des proportions différentes. Les proportions des atomes sont alors modifiées au cours de l’étape d’insertion, c’est-à-dire que l’élément additionnel est un élément de l’ensemble d’éléments.
Selon un troisième exemple, au moins un neurone 20 comporte un composant électrorésistif 70.
Le composant électrorésistif 70 est connecté électriquement à une électrode 40, 45 du premier empilement 35 correspondant.
Le composant électrorésistif 70 est configuré pour recevoir le courant électrique C. En particulier, le composant électrorésistif 70 est configuré pour être traversé par le courant électrique C.
Par exemple, le composant électrorésistif 70 est interposé entre une synapse 25 et la première électrode 40. En variante, le composant électrorésistif 70 est interposé entre une synapse 25 et la deuxième électrode 45.
Le composant électrorésistif 70 présente une résistance électrique variable Rv. La résistance électrique variable Rv est modifiable par un utilisateur du réseau neuromimétique 10.
Le composant électrorésistif 70 est, par exemple, un memristor. Un memristor ferroélectrique est un exemple de memristor.
Un schéma électrique équivalent au neurone 20 est représenté sur la figure 8. La résistance série Rs est considérée comme étant une composante de la résistance électrique variable Rv et n’a pas donc été représentée sur la figure 8.
Selon l’exemple de la figure 8, le composant électrorésistif 70 est un transistor. Par exemple, le composant électrorésistif 70 est un transistor dont la résistance électrique variable Rv est susceptible d’être modifiée en fonction d’une tension de grille Vg appliquée au transistor.
Il est représenté sur la figure 9 un graphe 230 représentant la variation de la fréquence F en fonction de la résistance électrique variable Rv et de la tension continue Vdc appliquée à l’ensemble formé du composant électrorésistif 70 et du premier empilement 35 connectés en série. Comme visible sur le graphe 230, la fréquence F dépend de la résistance électrique variable.
Le réseau neuromimétique 10 est alors adaptable à une grande gamme d’utilisations.
En particulier, la modulation de la résistance série Rs permet de modifier la fréquence des impulsions émises par les neurones.
Par exemple, des neurones 20 comprenant un tel composant électrorésistif 70 forment une couche d’entrée du réseau neuromimétique 10, c’est-à-dire l’ensemble des neurones 20 recevant le ou les courants électriques d’entrée CE. Dans ce cas, les composants électrorésistifs 70 permettent de coder pour chaque neurone 20 de la couche d’entrée une information analogique d’entrée sous la forme d’une fréquence d’impulsion.
Dans les exemples ci-dessus, des exemples spécifiques de matériaux ont été donnés. Il est à noter que d’autres matériaux sont susceptibles d’être utilisés.
Par exemple, chacun des premier, deuxième et troisième matériaux conducteurs M1 , M2, M3 est susceptible d’être choisi parmi l’ensemble formé des métaux, des oxydes conducteurs et des oxydes semi-conducteurs.
Chaque métal est, par exemple, choisi parmi l’ensemble formé de : Pt, Pd, Au, Co, W, Al, Ir, Cu, Ni et Cs.
Chaque oxyde conducteur est, par exemple, choisi parmi l’ensemble formé de : SrRu03, LaNi03, (Ca, Ce)Mn03, (La,Sr)Mn03, La0,5Sr0,5CoO3, Ir02 et Ru02.
Chaque oxyde semi-conducteur est, par exemple, choisi parmi l’ensemble formé de : ZnO, Sn02, ln203 et ITO.
L’oxyde semi-conducteur est, par exemple, dopé.
Chaque matériau antiferroélectrique est, par exemple, choisi parmi l’ensemble formé de : PbZr03, Pb(ln,Nb)03, R^_CB3CZG03, PbZr^SnxOs, PbHf03, Pb(ln1/2Nb1/2)03, Pbo 89Nbo o2[(Zro 57Sn0 43)o 94Tio o6]o 9803, (Bi,Y)Fe03, (Bi,Sc)Fe03, des solutions solides de type (Bi, RE)Fe03 où RE est une terre rare de valence 3, NaNb03, AgNb03, SmFe03, Sri_xCaxTi03, Pb(Ybi/2Nbi/2)03, Pb(Ybi/2Tai/2)03, Pb(Coi/2W1/2)03, Pb(Sci/2Tai/2)03,
Na(Bi1/2Ti1/2)03 et Bi(Mg1/2Ti1/2)03.
Chaque matériau ferroélectrique est, par exemple, choisi parmi l’ensemble formé de : PbMgi/3Nb2/303, (PbMgi/3Nb2/303)i-x(PbTi03)x, PbZni/3Nb2/303, (PbZni/3Nb2/303)i-x (PbTi03)x, PbSco5Nbo5O3, (PbSco5Nbo 503)i-x(PbSco5Tao503)x, BaTii-xZrx03, Bai-xSrxTi03, BaTii-xSnx03, BaTi03, PbZn-xTixOS et BiFe03.

Claims

REVENDICATIONS
1.- Réseau neuromimétique (10) comprenant un substrat (15), un ensemble de neurones (20) et un ensemble de synapses (25),
au moins un neurone (20) comprenant un premier empilement (35) de couches superposées selon une première direction d’empilement (D1 ), le premier empilement (35) comprenant successivement selon la première direction d’empilement (D1 ) :
- une première électrode (40) portée par le substrat (15),
- une première couche barrière (50) réalisée en un matériau électriquement isolant, et
- une deuxième électrode (45),
la première électrode (40), la première couche barrière (50) et la deuxième électrode (45) formant une première jonction tunnel ferroélectrique,
au moins une synapse (25) comprenant un deuxième empilement (52) de couches superposées selon une deuxième direction d’empilement (D2), le deuxième empilement (52) comprenant successivement selon la deuxième direction d’empilement (D2) :
- une troisième électrode (55) portée par le substrat (15),
- une deuxième couche barrière (65) réalisée en un matériau électriquement isolant, et
- une quatrième électrode (60),
la troisième électrode (55), la deuxième couche barrière (65) et la quatrième électrode (60) formant une deuxième jonction tunnel ferroélectrique.
2.- Réseau neuromimétique (10) selon la revendication 1 , dans lequel la première couche barrière (50) est réalisée en un matériau ferroélectrique et présente un cycle de polarisation unipolaire.
3.- Réseau neuromimétique (10) selon la revendication 1 , dans lequel la première couche barrière (50) est réalisée en un matériau antiferroélectrique.
4.- Réseau neuromimétique (10) selon la revendication 3, dans lequel la deuxième couche barrière (65) est réalisée en un matériau ferroélectrique composé d’atomes d’un ensemble d’éléments et le matériau antiferroélectrique composant la première couche barrière (50) comprend des atomes de chaque élément de l’ensemble d’éléments, le matériau antiferroélectrique comprenant, en outre, des atomes d’un élément additionnel n’appartenant pas à l’ensemble d’éléments.
5.- Réseau neuromimétique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à
4, dans lequel la première électrode (40) est réalisée en un premier matériau conducteur et la deuxième électrode (45) est réalisée en un deuxième matériau conducteur différent du premier matériau conducteur.
6.- Réseau neuromimétique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à
5, dans lequel au moins un neurone (20) comprend un composant électrorésistif (70) présentant une résistance électrique variable, le composant électrorésistif (70) étant connecté électriquement à une électrode (40, 45) du premier empilement (35) correspondant, le neurone (20) étant configuré pour recevoir un courant électrique traversant le composant électrorésistif (70), le courant électrique traversant, en outre, successivement toutes les couches du premier empilement (35) selon la première direction d’empilement (D1 ).
7.- Procédé de fabrication d’un réseau neuromimétique (10) comprenant un substrat (15), un ensemble de neurones (20) et un ensemble de synapses (25), le procédé de fabrication comprenant des étapes de :
- obtention (100) d’un premier ensemble de premières électrodes (40) portées par le substrat (15), et d’un deuxième ensemble d’électrodes (55), appelées troisièmes électrodes (55), portées par le substrat (15),
- dépôt (1 10) d’une couche barrière (50, 65) électriquement isolante sur chaque première électrode (40) et chaque troisième électrode (55),
- formation (120) d’une électrode (45), appelée deuxième électrode (45), sur chaque couche barrière (55) du premier ensemble pour former un ensemble de neurones (20), et formation (130) d’une quatrième électrode (60) sur chaque couche barrière (65) du deuxième ensemble pour former un ensemble de synapses (25), chaque couche barrière (50, 65) formant, avec les électrodes correspondantes (40, 45, 55, 60), une jonction tunnel ferroélectrique.
8.- Procédé de fabrication d’un réseau neuromimétique (10) selon la revendication 7, dans lequel chaque couche barrière (50, 65) déposée au cours de l’étape de dépôt (1 10) est réalisée en un matériau ferroélectrique, le procédé de fabrication comprenant, en outre, avant l’étape de formation (120, 130), une étape d’insertion d’atomes d’au moins un élément additionnel dans chaque couche barrière (50) du premier ensemble pour transformer le matériau ferroélectrique des couches barrières (50) du premier ensemble en un matériau antiferroélectrique.
9.- Procédé de fabrication d’un réseau neuromimétique (10) selon la revendication 8, dans lequel l’étape d’insertion comprend l’implantation d’atomes de l’élément additionnel dans chaque couche barrière (50) du premier ensemble.
10.- Procédé de fabrication d’un réseau neuromimétique (10) selon la revendication 7, dans lequel l’étape de formation (120, 130) comprend :
- le dépôt d’un matériau électriquement conducteur, appelé deuxième matériau conducteur, sur chaque couche barrière (50) du premier ensemble pour former la deuxième électrode (45) correspondante, et
- le dépôt d’un matériau électriquement conducteur, appelé troisième matériau conducteur, sur chaque couche barrière (65) du deuxième ensemble pour former la quatrième électrode (60) correspondante, le troisième matériau conducteur étant différent du deuxième matériau conducteur.
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