JPH07106528A - 電界効果型トランジスタ - Google Patents

電界効果型トランジスタ

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JPH07106528A
JPH07106528A JP5251943A JP25194393A JPH07106528A JP H07106528 A JPH07106528 A JP H07106528A JP 5251943 A JP5251943 A JP 5251943A JP 25194393 A JP25194393 A JP 25194393A JP H07106528 A JPH07106528 A JP H07106528A
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floating gate
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仁 山口
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 一つのトランジスタで脳機能の基本である学
習記憶と多入力並列処理が可能となり、従来コンピュー
タで不得意な判断・認識を効率的に行うことができる電
界効果型トランジスタを提供することにある。 【構成】 P型シリコン基板1上には、シリコン酸化膜
2を介して所定の大きさのフローティングゲート電極3
が配置されている。フローティングゲート電極3の上に
は強誘電体膜4が設けられている。強誘電体膜4の上に
は、多入力ゲート電極5が形成されている。この多入力
ゲート電極5は、多入力化のため複数の入力ゲートとし
て分割されている。又、P型シリコン基板1には、N+
型拡散層よりなるソース領域6とN+ 型拡散層よりなる
ドレイン領域7が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ニューロン素子として
使用することができる電界効果型トランジスタに関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】近年、スイッチング機能を有する電界効
果型トランジスタに対して、単なるスイッチング機能だ
けでなく、学習記憶機能や多入力並列処理機能といった
人間の脳細胞が持つニューロ機能を併わせ持つ素子が考
えられている。
【0003】学習記憶機能とは、素子に過去に与えられ
た入力情報に応じて、この素子のスイッチングのし易さ
等が変化していく機能である。この機能を持たせるため
の技術が、「月刊Semiconductor Wor
ld 1992.1 強誘電体薄膜を用いた自己学習型
MISFETの提案」に開示されている。これは、図3
に示すように、半導体基板16にソース領域17・ドレ
イン領域18・ゲート酸化膜19及びゲート電極20を
有し半導体基板16を動作半導体層とする電界効果型ト
ランジスタにおいてゲート酸化膜19の代わりに強誘電
体膜を用いたものがある。この電界効果型トランジスタ
は、ゲート電極20に加えられた入力によって、入力を
取り去った後でも強誘電体に残留分極が存在し、電界効
果型トランジスタの反転し易さ、即ちスイッチングのし
易さが変化することを利用するものである。さらに、入
力を加えると残留分極の状態もさらに変化していくた
め、この電界効果型トランジスタが入力を学習記憶して
いくことになる。
【0004】又、多入力並列処理機能は、複数の入力端
子及び一つの出力端子を持つ素子において、複数の入力
端子に各々入力を与えることにより一つの出力信号が決
まる機能のことである。この機能を持たせるための技術
が特開平3−6679号公報に開示されている。これ
は、図4,5に示すように、半導体基板21にソース領
域22・ドレイン領域23・ゲート酸化膜24及びゲー
ト電極25を有し半導体基板21を動作半導体層とする
電界効果型トランジスタにおいて、ゲート電極25上に
ゲート酸化膜26を設け、さらにゲート酸化膜26上に
分割された複数のゲート電極27を設けたものである。
この装置により、複数の入力ゲート電極27に入力電圧
が加えられたときに、容量結合により決まる電圧がゲー
ト電極25に加わることになり、多入力並列処理の機能
を果たすことになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、一つの電界
効果型トランジスタで学習記憶機能と多入力並列処理機
能の両方の機能を持たせることはできなかった。人間の
脳細胞は、学習記憶機能と多入力並列処理機能の両方を
備えているが、ニューロン素子として、脳細胞の機能に
近づけるためには、学習記憶機能と多入力並列処理機能
の両方を持ち合わせた素子が期待される。
【0006】そこで、この発明の目的は、一つのトラン
ジスタで脳機能の基本である学習記憶と多入力並列処理
が可能となり、従来コンピュータで不得意な判断・認識
を効率的に行うことができる電界効果型トランジスタを
提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は、半導体基板
に、ソース領域、ドレイン領域、ゲート誘電体膜及びゲ
ート電極を有して、前記半導体基板を動作半導体層とす
る電界効果型トランジスタにおいて、前記ゲート電極
(フローティングゲート電極)上に強誘電体膜を設け、
さらに前記強誘電体膜上に分割された複数のゲート電極
(多入力ゲート電極)を有する電界効果型トランジスタ
をその要旨とする。
【0008】
【作用】図2において、複数のゲート電極(多入力ゲー
ト電極)の各々に入力電圧V1〜Vn が印加されると、
フローティングゲート電極にかかる電位φF は、 φF =(C1 ・V1 +C2 ・V2 +…+Cn ・Vn )/Ctot ・・・(1) となる。ここで、C1 2 、…Cn は各入力に対する多
入力ゲート電極とフローティングゲート電極との間の強
誘電体膜を誘電体とする容量であり、Ctot =C 1 +C
2 +…+Cn である。
【0009】この式から入力V1 ,V2 ,…,Vn によ
ってフローティングゲート電極の電圧が決まり、このφ
F がしきい値電圧VTHを越えると、電界効果型トランジ
スタがオンする(即ち、多入力並列処理動作)。このと
き、前記C1 ,C2 ,…,C n の各容量は強誘電体特性
により、各々の入力電圧値V1 ,V2 ,…,Vn 及び各
々の入力回数の伴って変化していく。従って、V1 ,V
2 ,…,Vn を印加する前の初期状態に対して、或いは
各入力が入ってくる毎に電界効果型トランジスタのオン
しやすさが変化していくことになる。このようにして、
学習記憶機能と多入力並列処理機能の両方を有すること
となる。
【0010】
【実施例】以下、この発明を具体化した一実施例を図面
に従って説明する。図1に示すように、第1導伝型半導
体基板としてのP型シリコン基板1上には、ゲート誘電
体膜としてのシリコン酸化膜2を介して所定の大きさの
フローティングゲート電極3が配置されている。このフ
ローティングゲート電極3は、多結晶シリコン又は高融
点金属よりなる。フローティングゲート電極3の上には
強誘電体膜4が設けられている。この強誘電体膜4に
は、PZT,PLZT,PbTiO3 ,(Ba,Sr)
TiO3 ,SrTi3 3 ,BaMgF4 或いはBi4
Ti 3 12が用いられる。さらに、強誘電体膜4の上に
は、多結晶シリコン又は金属よりなる多入力ゲート電極
5が形成されている。この多入力ゲート電極5は、多入
力化のため複数の入力ゲートとして分割されている。
又、P型シリコン基板1には、第2導伝型のN+ 型拡散
層よりなるソース領域6とN+ 型拡散層よりなるドレイ
ン領域7が形成されている。
【0011】このトランジスタの製造の際には、P型シ
リコン基板1に、シリコン酸化膜2を設け、フローティ
ングゲート電極3となる多結晶シリコン又は高融点金属
を所望の大きさに形成しておき、このフローティングゲ
ート電極3に対して自己整合的にN+ 型拡散層よりなる
ソース領域6とドレイン領域7を形成する。
【0012】そして、このフローティングゲート電極3
の上に強誘電体膜4を配置し、その上に多結晶シリコン
又は金属よりなる多入力ゲート電極5を形成し、この多
入力ゲート電極5を多入力化のため複数の入力ゲートと
して分割しておく。
【0013】このようにして得られる構造により、ニュ
ーロン機能電界効果型トランジスタを構成することがで
きる。次に、このように構成した電界効果型トランジス
タの作用を説明する。
【0014】図2において、複数の多入力ゲート電極5
の各々に入力電圧V1 〜Vn が印加されると、フローテ
ィングゲート電極3にかかる電位φF は、前記(1)式
にて表される。
【0015】この式から入力V1 ,V2 ,…,Vn によ
ってフローティングゲート電極3の電圧が決まり、この
φF がしきい値電圧VTHを越えると、電界効果型トラン
ジスタがオンする。これが、多入力並列処理動作とな
る。このとき、前記C1 ,C2,…,Cn の各容量は強
誘電体特性により、各々の入力電圧値V1 ,V2 ,…,
n 及び各々の入力回数に伴って変化していく。従っ
て、V1 ,V2 ,…,Vnを印加する前の初期状態に対
して、或いは各入力が入ってくる毎に電界効果型トラン
ジスタのオンしやすさが変化していくことになる。
【0016】このようにして、学習記憶機能と多入力並
列処理機能の両方を併せ持つことができる。特に、従来
技術の2例を単純に組み合わせた場合、即ち、ゲート電
極(フローティングゲート電極)の下に強誘電体膜を使
用し、ゲート電極(フローティングゲート電極)の上に
ゲート酸化膜を介して複数のゲート電極(多入力ゲート
電極)を設けた場合は、学習記憶機能が複数の入力値に
対する容量結合で決まる1つの値として記憶されるにす
ぎない。しかしながら、本実施例のように、フローティ
ングゲート電極3と多入力ゲート電極5の間に強誘電体
を設けた場合は、各多入力ゲート電極5の入力値に対し
て学習記憶がなされるため、実際の脳細胞における複数
シナプスの学習記憶に相当することになる。
【0017】このように本実施例では、P型シリコン基
板1(半導体基板)に、ソース領域6、ドレイン領域
7、シリコン酸化膜2(ゲート誘電体膜)及びゲート電
極3を有して、P型シリコン基板1を動作半導体層とす
る電界効果型トランジスタにおいて、ゲート電極3(フ
ローティングゲート電極)上に強誘電体膜4を設け、さ
らに強誘電体膜4上に分割された複数のゲート電極5
(多入力ゲート電極)を有するようにした。よって、学
習記憶機能と多入力並列処理機能の両方を併せ持つこと
ができる。
【0018】尚、この発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、例えば、上記実施例ではP型シリコン基板
1に対しN+ 型拡散層よりなるソース・ドレイン領域
6,7としていたが、導伝型を逆にしてN型シリコン基
板1に対しP+ 型拡散層よりなるソース・ドレイン領域
6,7としてもよい。
【0019】
【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
一つのトランジスタで脳機能の基本である学習記憶と多
入力並列処理が可能となり、従来コンピュータで不得意
な判断・認識を効率的に行うことができる優れた効果を
発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の電界効果型トランジスタの断面図であ
る。
【図2】本発明の電界効果型トランジスタの回路図であ
る。
【図3】従来の電界効果型トランジスタの断面図であ
る。
【図4】従来の電界効果型トランジスタの断面図であ
る。
【図5】従来の電界効果型トランジスタの回路図であ
る。
【符号の説明】
1…半導体基板としてのP型シリコン基板、2…ゲート
誘電体膜としてのシリコン酸化膜、3…フローティング
ゲート電極、4…強誘電体膜、5…多入力ゲート電極、
6…ソース領域、7…ドレイン領域

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板に、ソース領域、ドレイン領
    域、ゲート誘電体膜及びゲート電極を有して、前記半導
    体基板を動作半導体層とする電界効果型トランジスタに
    おいて、 前記ゲート電極上に強誘電体膜を設け、さらに前記強誘
    電体膜上に分割された複数のゲート電極を有することを
    特徴とする電界効果型トランジスタ。
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