[发明专利]一种基于记忆二极管的三态内容寻址存储器

说明书

本发明公开了一种基于记忆二极管的三态内容寻址存储器，包括若干兼具存储数据、擦写数据和比较数据功能的内核单元；内核单元呈阵列排列，以行为单位的所有内核单元连接同一匹配线，以列为单位的所有内核单元连接同一对互补搜寻信号线；内核单元包括两个记忆二极管；第一记忆二极管和第二记忆二极管的顶电极分别接一对互补搜寻信号线，第一记忆二极管和第二记忆二极管的底电极连接同一匹配线。本发明可以大大缩小三态内容寻址存储器芯片尺寸，减小功耗；本发明三态内容寻址存储器结构简单，有效简化制备工艺并且降低制备成本；本发明提出并实现了与标准CMOS工艺兼容性的记忆二极管，适合于当前快速发展的集成电路技术。

技术领域

本发明属于半导体与集成电路领域，具体涉及一种基于记忆二极管的高密度、低功耗三态内容寻址存储器。

背景技术

三态内容寻址存储器（Ternary Content Addressable memory ，TCAM）具有并行多数据查找的功能，应用范围广泛，如参数曲线提取（parameter curve extraction）、霍夫变换（Hough transformation）、霍夫曼编码/译码（Huffman coding/decoding）等，主要的商业用途是在网络路由器中对IP数据包进行分类和转发。

当前对三态内容寻址存储器的设计中大家最关注的是芯片尺寸和功耗问题。虽然目前基于磁性存储器（MRAM）、相变存储器（PCM）的非易失内容存储器单元已经实现，但是其结构复杂，且制备工艺与标准CMOS工艺并不能完全兼容。

发明内容

本发明的目的在于针对现有三态内容寻址存储器的不足，提供一种基于记忆二极管的三态内容寻址存储器，减小芯片尺寸，降低功耗，与标准CMOS工艺良好兼容。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种记忆二极管，该记忆二极管由底电极、隔离层、记忆层、顶电极从下至上依次堆叠而成；所述记忆层由氧化锗、氧化铝、氧化铪从下至上依次堆叠而成；所述底电极的材料为锗。所述隔离层的材料包括但不限于氧化硅；所述顶电极可以由氮化钛和金属镍堆叠而成。

进一步地，记忆二极管在工作状态中其底电极接地，在其顶电极施加相应电压，从而实现记忆二极管在关态与开态之间的转化。

进一步地，处于关态的记忆二极管在施加负向电压后电阻突然减小，这个过程称为SET，记忆二极管由关态转为开态，可视作二极管器件；处于开态的记忆二极管在施加正向电压后电阻突然增大，这个过程称为RESET，记忆二极管由开态转为关态，可视作具有高阻值的电阻。

一种基于记忆二极管的三态内容寻址存储器，该三态内容寻址存储器包括若干兼具存储数据、擦写数据和比较数据功能的内核单元；

所述内核单元呈阵列排列，以行为单位的所有内核单元连接同一匹配线，以列为单位的所有内核单元连接同一对互补搜寻信号线；

所述内核单元包括第一记忆二极管和第二记忆二极管；所述第一记忆二极管和第二记忆二极管的顶电极分别接一对互补搜寻信号线，第一记忆二极管和第二记忆二极管的底电极连接同一匹配线。

进一步地，所述匹配线材料为锗，用于产生搜寻信号与存储数据进行比较后的电压信号；所述搜寻信号线为与二极管的顶电极连接的金属线，用于输入搜寻信号以及对记忆二极管内存储数据进行擦写的信号。

进一步地，所述内核单元中的第一记忆二极管和第二记忆二极管相互配合以存储[0]、[1]及[不理会（don’t care）]三种逻辑状态：当第一记忆二极管处于开态，第二记忆二极管处于关态时，该内核单元存储数据位[0]；当第一记忆二极管处于关态，第二记忆二极管处于开态时，该内核单元存储数据位[1]；当第一记忆二极管和第二记忆二极管都处于关态时，该内核单元为[不理会（don’t care）]状态。