Caratterizzazione elettrica di celle NOR Flash per applicazioni neuromorfiche

Biological neural networks are an extremely complex system capable of learning, processing signals, memorizing memories by using a very small amount of energy. Technological development has led to the creation of artificial neural networks that try to simulate the operation of the neurons within an electronic system. Artificial neural networks are non-linear algorithms for the approximation of solutions to problems without an existing precise model. The most important feature of neural networks is energy consumption. The most popular technology for the realization of memory devices is the Flash technology. In fact, it allows to realize the fundamental components through a single transistor that works in the subthreshold regime, therefore with a very low power consumption and also allows to increase the storage capacity without greatly increasing the chip area. In particular the NOR Flash technology can be used for the realization of synaptic arrays able to simulate the functions of the biological neural network. In analogy with the biological neural networks, the fundamental cells of the NOR architecture (floating gate cell) represent the synapses. The voltages applied on the Word Lines correspond to the signals entering the synapse from the pre-synaptic neurons, the current of the Bit Line corresponds to the post-synaptic excitatory current sent to the post-synaptic neuron and the state of the memory cell corresponds to the synaptic connection also called synaptic weight. Nowadays, the channel hot electron injection mechanism (CHE) is used for programming the memory cells and the Fowler-Nordheim tunneling is used for the erasing phase. The programming for CHE can be easily performed with single cell selectivity but the erase by tunneling is not exploitable if a NOR Flash array is used as a synaptic array, since it would cause the cancellation of an entire block of memory. The idea behind this thesis work is to exploit one of the major contributions of leakage in the floating gate cells, that is the GIDL current (Gate-Induced Drain Leakage) attributed to the generation of electron-hole pairs by band to band tunneling (BTBT), to carry out the erasing of memory cells. The peculiarity of the cancellation that exploits the holes generated for BTBT is the selectivity. During the erase phase one can act directly at the cell level, without affecting the value stored in the surrounding cells. It is possible to implement the function that describes the synaptic plasticity and verify that the behavior of the fundamental cell of this synaptic array simulates very well the biological synapse.

Le reti neurali biologiche rappresentano un sistema estremamente complesso in grado di apprendere, elaborare segnali, memorizzare dei ricordi sfruttando una quantità molto piccola di energia. Lo sviluppo tecnologico ha portato alla realizzazione di reti neurali artificiali che cercano di simulare il funzionamento dei neuroni all’interno di un sistema elettronico. Le reti neurali artificiali sono algoritmi non lineari per l’approssimazione di soluzioni di problemi dei quali non esiste un modello preciso. La caratteristica più importante delle reti neurali biologiche Ł il basso consumo di energia. La tecnologia più diffusa oggigiorno per la realizzazione delle memorie è quella Flash. Essa permette di realizzare i componenti fondamentali attraverso un solo transistore che lavora in regime di sottosoglia, quindi con un consumo molto ridotto di potenza e inoltre permette di aumentare la capacità di memorizzazione senza aumentare di molto l’area del chip. In particolare, la tecnologia Flash NOR può essere utilizzata per la realizzazione di array sinaptici in grado di simulare le funzionalità della rete neurale biologica. In analogia con le reti neurali biologiche, le celle fondamentali dell’architettura NOR (cella a floating gate) rappresentano le sinapsi. Le tensioni applicate sulle Word Line corrispondono ai segnali in ingresso alla sinapsi dai neuroni pre-sinaptici, la corrente delle Bit Line corrisponde alla corrente eccitatoria post-sinaptica inviata al neurone post-sinaptico e lo stato della cella di memoria corrisponde alla connessione sinaptica detta anche peso sinaptico. Al giorno d’oggi per la programmazione delle celle di memoria viene utilizzato il meccanismo di iniezione degli elettroni caldi di canale (CHE) e per la fase di cancellazione viene utilizzato il tunneling Fowler-Nordheim. La programmazione per CHE può essere facilmente realizzata con selettività a cella singola ma la cancellazione per tunneling non è sfruttabile se si vuole utilizzare un array di memoria Flash NOR come array sinaptico, dato che causerebbe la cancellazione di un intero blocco di memoria. L’idea alla base di questo lavoro di tesi Ł quella di sfruttare uno dei contributi maggiori di leakage nelle celle a floating gate, cioè la corrente di GIDL (Gate-Induced Drain Leakage) attribuita alla generazione di coppie elettrone-lacuna per tunneling banda-a-banda (BTBT), per effettuare la cancellazione delle celle di memoria. La peculiarità della cancellazione che sfrutta le lacune generate per BTBT è appunto la selettività. Durante la fase di cancellazione si può agire direttamente a livello di cella, senza influenzare il valore memorizzato nelle celle che la circondano. É possibile implementare la funzione che descrive la plasticità sinaptica e verificare che il comportamento della cella fondamentale di questo array sinaptico simuli molto bene la sinapsi biologica.