三維堆疊式神經(jīng)元裝置及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子元器件結(jié)構(gòu)，尤其是基于提供高集成度和降低制造成本而提出了一種基于相變存儲(chǔ)技術(shù)的三維堆疊式人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片裝置結(jié)構(gòu)及其制備方法，以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元功能。
【背景技術(shù)】
[0002]生物學(xué)尤其是腦科學(xué)一直都在長(zhǎng)足發(fā)展，在大腦的工作機(jī)制方面，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)還是理論都普遍接受的一種觀點(diǎn)是，大腦在感官、運(yùn)動(dòng)、感知方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，處理信息的過(guò)程通過(guò)大規(guī)模互相連接的神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)。神經(jīng)元之間會(huì)互相發(fā)送并接收信息，信息在真實(shí)的生物神經(jīng)元中通過(guò)神經(jīng)元發(fā)出的脈沖實(shí)施。而脈沖序列與神經(jīng)元的信息處理相關(guān)。依據(jù)該等理論，當(dāng)前大部分相關(guān)領(lǐng)域的研宄集中在對(duì)大規(guī)模脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的仿真和模擬方面，脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是通過(guò)模擬真實(shí)生物神經(jīng)元收發(fā)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)大腦運(yùn)作分析，以實(shí)現(xiàn)類(lèi)神經(jīng)元功能，譬如包括記憶、開(kāi)關(guān)切換、計(jì)算等相關(guān)功能。
[0003]人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片將打破現(xiàn)在基于馮.諾依曼計(jì)算機(jī)架構(gòu)的微處理器芯片的限制，開(kāi)發(fā)出一個(gè)全新的、可學(xué)習(xí)的、可擴(kuò)展的、高效的計(jì)算機(jī)架構(gòu)。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片可實(shí)現(xiàn)類(lèi)人腦的功能，其比目前的微處理器芯片具有更強(qiáng)大的功能和更低的功耗。在當(dāng)前已經(jīng)有一部分杰出的成果面世，如2013年美國(guó)高通公司Qualcomm演示了腦啟發(fā)計(jì)算的ZEROTH神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，2014年美國(guó)IBM公司演示了含有100萬(wàn)個(gè)可編程神經(jīng)元、2.56億個(gè)可編程突觸，每消耗一焦耳的能量，可進(jìn)行460億突觸運(yùn)算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片。但目前的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片都基于傳統(tǒng)的CMOS工藝技術(shù)，如IBM的芯片采用的是28nm的CMOS技術(shù)。雖然隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以進(jìn)一步提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的集成度，使其更接近人腦，但與人腦的差距還相當(dāng)?shù)拇?。而且目前的神?jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片其內(nèi)置存儲(chǔ)器均采用SRAM靜態(tài)存儲(chǔ)器，掉電后數(shù)據(jù)會(huì)消失，不能實(shí)現(xiàn)仿生記憶功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N三維堆疊式神經(jīng)元裝置，包括:
[0005]至少一個(gè)神經(jīng)元單元；
[0006]至少一個(gè)神經(jīng)突觸單元堆疊于神經(jīng)元單元之上。
[0007]作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，上述的三維堆疊式神經(jīng)元裝置中，每個(gè)所述神經(jīng)元單元均包括:
[0008]一個(gè)襯底和位于該襯底之上的一個(gè)神經(jīng)元器件層；以及
[0009]一個(gè)位于所述神經(jīng)元器件層之上的互連層。
[0010]作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，上述的三維堆疊式神經(jīng)元裝置中:
[0011]所述襯底為單晶硅襯底、多晶硅襯底、玻璃襯底、塑料襯底或絕緣體上硅襯底。
[0012]作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，上述的三維堆疊式神經(jīng)元裝置中:
[0013]所述神經(jīng)元器件層包含的神經(jīng)元電路具有多個(gè)晶體管，在神經(jīng)元單元具有的互連層中設(shè)置有通過(guò)互聯(lián)線耦合到晶體管各電極的多個(gè)接觸端子，用作晶體管的電極導(dǎo)出到神經(jīng)元單元外部的連接端口。
[0014]作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，上述的三維堆疊式神經(jīng)元裝置中，每個(gè)所述神經(jīng)突觸單元均包括:
[0015]—個(gè)相變存儲(chǔ)單元層和支撐相變存儲(chǔ)單元層的一個(gè)存儲(chǔ)單元選通層；以及
[0016]一個(gè)位于相變存儲(chǔ)單元層之上的互連層。
[0017]作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，上述的三維堆疊式神經(jīng)元裝置中:
[0018]所述相變存儲(chǔ)單元層包含有相變存儲(chǔ)單元陣列，所述存儲(chǔ)單元選通層中設(shè)置有多個(gè)選通開(kāi)關(guān)；
[0019]其中，每個(gè)所述選通開(kāi)關(guān)均對(duì)應(yīng)與一個(gè)相變存儲(chǔ)單元串聯(lián)。
[0020]作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，上述的三維堆疊式神經(jīng)元裝置中:
[0021 ] 神經(jīng)突觸單元具有的互連層中設(shè)置有通過(guò)互聯(lián)線耦合到相變存儲(chǔ)單元上、下電極的接觸端子，以用作各相變存儲(chǔ)單元的各電極導(dǎo)出到神經(jīng)突觸單元外部的連接端口。
[0022]作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，上述的三維堆疊式神經(jīng)元裝置中:
[0023]所述神經(jīng)突觸單元具有的存儲(chǔ)單元籍由第一類(lèi)型的脈沖信號(hào)觸發(fā)轉(zhuǎn)換成第一狀態(tài)以及籍由第二類(lèi)型的脈沖信號(hào)觸發(fā)轉(zhuǎn)換成第二狀態(tài)。
[0024]作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，上述的三維堆疊式神經(jīng)元裝置中:
[0025]多個(gè)存儲(chǔ)單元各自分別在第一、第二狀態(tài)之間切換所表征的一個(gè)邏輯信號(hào)組傳輸給所述神經(jīng)元單元，所述神經(jīng)元單元對(duì)邏輯信號(hào)組進(jìn)行權(quán)重計(jì)算產(chǎn)生脈沖序列串輸出。
[0026]作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，上述的三維堆疊式神經(jīng)元裝置中:
[0027]由一個(gè)神經(jīng)元單元之上堆疊一個(gè)或多個(gè)神經(jīng)突觸單元形成一個(gè)復(fù)合神經(jīng)元器件，所述三維堆疊式神經(jīng)元裝置包含多個(gè)堆疊并且鍵合在一起的復(fù)合神經(jīng)元器件。
[0028]本申請(qǐng)還提供了一種三維堆疊式神經(jīng)元裝置的制備方法，包括以下步驟:
[0029]在一個(gè)神經(jīng)元單元之上堆疊至少一個(gè)神經(jīng)突觸單元；
[0030]其中制備神經(jīng)元單元包括在一個(gè)襯底之上形成一個(gè)神經(jīng)元器件層，并在神經(jīng)元器件層之上再形成一個(gè)互連層；以及
[0031]其中制備神經(jīng)突觸單元包括在一個(gè)存儲(chǔ)單元選通層的上方形成一個(gè)相變存儲(chǔ)單元層，并在相變存儲(chǔ)單元層之上再形成另一個(gè)互連層。
[0032]作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，上述的三維堆疊式神經(jīng)元裝置的制備方法還包括:
[0033]由一個(gè)神經(jīng)元單元之上堆疊一個(gè)或多個(gè)神經(jīng)突觸單元形成一個(gè)復(fù)合神經(jīng)元器件；以及
[0034]在一個(gè)復(fù)合神經(jīng)元器件上再堆疊并鍵合一個(gè)或多個(gè)復(fù)合神經(jīng)元器件。
【附圖說(shuō)明】
[0035]閱讀以下詳細(xì)說(shuō)明并參照以下附圖之后，本發(fā)明的特征和優(yōu)勢(shì)將顯而易見(jiàn):
[0036]圖1展示了本發(fā)明涉及的三維堆疊式神經(jīng)元裝置；
[0037]圖2示范性地展示了神經(jīng)元器件所涉的CMOS范例；
[0038]圖3示范性地展示了神經(jīng)突觸單元所涉的相變存儲(chǔ)器范例；
[0039]圖4本發(fā)明涉及的三維堆疊式神經(jīng)元器的另一個(gè)實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0040]參見(jiàn)圖1，在本發(fā)明的一個(gè)可選實(shí)施例中，提供了一種三維堆疊式神經(jīng)元裝置，包括至少一個(gè)神經(jīng)元單元201和一個(gè)或多個(gè)神經(jīng)突觸單元202堆疊于神經(jīng)元單元之上。較佳的但非限制性的，神經(jīng)元單元201、神經(jīng)突觸單元202為平板狀的形貌。每個(gè)神經(jīng)元單元201均包括一個(gè)襯底101以及位于襯底101之上的一個(gè)神經(jīng)元器件層102，和包括一個(gè)位于神經(jīng)元器件層102之上的互連層103，其中互連層103可稱第一互連層，這三者從下至上依次層疊并鍵合。作為示范但非限制，譬如襯底101可以為單晶硅襯底、多晶硅襯底、玻璃襯底、塑料襯底、絕緣體上硅襯底SOI等類(lèi)似的多種襯底中任意選其一。每個(gè)神經(jīng)突觸單元202均包括一個(gè)相變存儲(chǔ)單元層112以及支撐相變存儲(chǔ)單元層112的一個(gè)存儲(chǔ)單元選通層或相變存儲(chǔ)單元開(kāi)關(guān)層111，和包括一個(gè)位于相變存儲(chǔ)單元層112之上的互連層113，存儲(chǔ)單元選通層111、相變存儲(chǔ)單元層112和互連層113這三者從下至上依次層疊并鍵合，其中互連層113可稱第二互連層。
[0041]在傳統(tǒng)采用相變技術(shù)的常規(guī)電子器件中，會(huì)在上電極和下電極之間設(shè)置相變材料，而且設(shè)置下電極可對(duì)相變材料加熱來(lái)迫使相變材料在非晶態(tài)和晶態(tài)相位之間改變，從而進(jìn)一步來(lái)改變相變材料的阻值，實(shí)現(xiàn)在高電阻值和低電阻值之間切換。本發(fā)明下文提及的相變存儲(chǔ)器也可以利用到這一特性。相變存儲(chǔ)單元層112包含了諸如鍺銻碲、硅銻碲、鋁銻碲等可選相變材料，并具有相變存儲(chǔ)單元陣列，對(duì)含有相變材料的相變存儲(chǔ)單元實(shí)施操作時(shí)，可施加比相轉(zhuǎn)變電壓略小但速度更快的脈沖，相變存儲(chǔ)單元的電阻值發(fā)生小幅度的降低，但是連續(xù)的若干相同的脈沖施加于相變存儲(chǔ)單元時(shí)，它的電阻值會(huì)逐步降低，只要脈沖數(shù)量達(dá)到預(yù)期值則會(huì)促使電阻值突然降低，則相變存儲(chǔ)單元的電阻值進(jìn)入低阻值狀態(tài)。人或哺乳動(dòng)物的腦部神經(jīng)元收到外部刺激也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)，外部刺激達(dá)到一定程度就會(huì)興奮，而且這種興奮可以傳遞給周?chē)钠渌窠?jīng)元。在一個(gè)可選實(shí)施例中，我們定義神經(jīng)突觸單元202之中相變存儲(chǔ)單元層112具有的存儲(chǔ)單元籍由第一類(lèi)型的脈沖信號(hào)例如恢復(fù)脈沖觸發(fā)轉(zhuǎn)換成第一狀態(tài)(高阻值狀態(tài))，也可以表征為類(lèi)似于神經(jīng)元的正常態(tài)，以及籍由第二類(lèi)型的脈沖信號(hào)例如刺激脈沖觸發(fā)轉(zhuǎn)換成第二狀態(tài)(低阻值狀態(tài))，也可以表征為類(lèi)似于神經(jīng)元的興奮態(tài)，這里恢復(fù)脈沖譬如是幅度大于恢復(fù)閾值的脈沖電壓而刺激脈沖是幅度大于刺激閾值的脈沖電壓。
[0042]為了闡明相變存儲(chǔ)單元在高阻值、低阻值之間切換而產(chǎn)生不同邏輯信號(hào)方式，在圖3中示范性的展示了一種范例，但應(yīng)當(dāng)知道，這只不過(guò)是更容易的讓讀者理解和閱讀本文，該范例不構(gòu)成任何形式上的限制。相變存儲(chǔ)器135與選通晶體管136串聯(lián)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路138和解碼電路輸出高電平到選通晶體管136的控制端的字線上時(shí)，因?yàn)橄嘧兇鎯?chǔ)器135具有不同的阻值，所以在高阻值、低阻值之間切換會(huì)導(dǎo)致選通晶體管136 —端的節(jié)點(diǎn)380處的電位產(chǎn)生變化，只要將節(jié)點(diǎn)380處的電位與一個(gè)參考電壓Vkef輸入到比較器137的兩個(gè)輸入端進(jìn)行比較，就會(huì)在比較器137的輸出端產(chǎn)生邏輯高或低的邏輯信號(hào)。另外，雖然圖中未示意出，其實(shí)相變存儲(chǔ)單元層112還可以包括絕緣物圍繞在每個(gè)相變存儲(chǔ)單元周?chē)鳛楦綦x，而且神經(jīng)突觸單元202具有的互連層113所具有絕緣物或介質(zhì)層中設(shè)置有金屬互聯(lián)線以及一些金屬接觸端子，這些端子可以耦合到相變存儲(chǔ)單元的上、下電極，并且接觸端子用作各相變存儲(chǔ)單元的各電極導(dǎo)出到神經(jīng)突觸單元202外部的連接端口，而且相變存儲(chǔ)單元層112中的不同相變存儲(chǔ)單元可以利用互連層113中埋設(shè)的互聯(lián)線而互相電性連接，使得信號(hào)可以在不同相變存儲(chǔ)單元之間傳遞和通訊。
[0043]為了避免本領(lǐng)域的技術(shù)人員無(wú)法理解神經(jīng)元器件層102為何物，在圖2中示范性的展示了一種范例來(lái)闡