动态随机存取存储器(DRAM)作为现代计算机存储系统的核心组件,其技术演进历经多代更新换代,但近年来却逐渐面临着瓶颈期。传统的DRAM存储单元设计采用一个硅基晶体管和一个电容器组成(1T1C结构),虽然在早期实现了密度的快速增长,但随着尺寸的缩小,其面临的工艺复杂度、功耗和数据保持时间等问题日益突出。特别是电容器的尺寸难以进一步缩小,制约了DRAM的深度3D集成和更高密度的实现,此外,晶体管变小导致的泄漏电流增加也导致数据保持时间缩短,频繁的刷新需求导致功耗上升,极大影响了整体性能。为此,半导体研究的前沿阵地 - - 比利时imec研究中心提出并推进了一项革新性的DRAM架构:无电容、双氧化物薄膜晶体管(2T0C)设计,采用具有宽带隙特性的氧化物半导体通道材料 - - 铟镓锌氧化物(IGZO),为DRAM未来发展打开了崭新空间。无电容IGZO-DRAM技术的核心创新在于舍弃传统的电容存储,将存储单元设计为两个独立功能的IGZO基薄膜晶体管,分别负责读写操作。IGZO材料的宽带隙特性使得晶体管的关断电流极低,极大减缓了电荷泄漏,从而显著延长数据保持时间,刷新频率得以降低,进而降低功耗。
此外,晶体管的寄生电容被用于数据存储的作用,简化了制造工艺。IGZO薄膜晶体管的制造工艺具有低温沉积的优势,兼容后端工艺(BEOL)处理,使得这一存储单元能集成于传统硅逻辑电路之上,甚至可以将外围逻辑电路布局于存储阵列底部,提升芯片面积利用率。这种结构设计具有天然的3D堆叠优势,支持二维平面堆叠与真正的三维垂直堆叠模式。三维堆叠技术灵感源自3D NAND闪存,通过原子层沉积(ALD)技术实现IGZO薄膜的高纵横比电洞均匀覆盖,进一步提升了存储密度和性能。垂直堆叠还使得读写晶体管可分别优化其材料与结构,写晶体管利用IGZO的低关断电流延长保持时间,而读晶体管可选用高迁移率材料提升读取速度,极大实现了性能的差异化平衡。自2020年首个概念验证以来,imec在国际权威电子器件会议上展示了具备超过400秒数据保持时间的2T0C IGZO-DRAM存储单元,这一表现远超传统DRAM刷新周期,刷新功耗大幅下降。
通过对IGZO材料及器件工艺的持续优化,包括采用埋氧隧道层、氧气退火工艺、缩小栅极长度至14纳米、减少IGZO薄膜厚度至5纳米等,研究团队不断突破技术极限,使保持时间提升至千秒级,器件耐久度突破10¹¹次读写循环,写入时间缩短至10纳秒以下。采用反应离子刻蚀(RIE)工艺替代传统离子束刻蚀(IBE),进一步缩小刻绘尺寸至亚百纳米范围,同时减少工艺损伤,助力芯片面积的进一步缩减,并实现超过4.5小时的数据保持时间。行业内外对该技术展现了极大兴趣,多个国际知名机构与企业如中科院微电子所、Peking University、Macronix及多家高校亦开展了针对多比特操作、垂直集成结构及新型氧化物半导体材料的研究。材料方面,钨掺杂氧化铟(IWO)及氧化锡(SnO)等可用于构建补充型(n-p型)氧化物晶体管,实现器件性能和耦合效应的优化。同时,随着人工智能边缘计算需求的激增,高密度嵌入式DRAM(eDRAM)的市场需求日益凸显,无电容IGZO-DRAM凭借其兼容BEOL,低功耗和高密度的优势成为eDRAM理想技术选项。尽管技术前景广阔,行业采用仍面临可靠性挑战,尤其是正偏压温度不稳定性(PBTI)现象导致IGZO晶体管阈值电压漂移及电流下降,其中氢元素相关影响被视为核心难题。
imec借助先进纳米级工艺平台,深入研究了PBTI机理,通过工艺调控与结构设计逐步实现器件的长期稳定性,目标晶体管器件寿命达到五年或以上。从工艺层面看,IGZO薄膜可与后端金属及绝缘层工艺兼容,其低温制备大大降低了对芯片整体热预算的影响,使得大型堆叠存储芯片成为可能,开创了内存架构设计的新范式。在系统应用方面,这项技术有望解决传统DRAM无法满足的功耗瓶颈,并助力下一代计算平台,尤其是云计算中心、AI训练与推理边缘设备、高性能移动通讯基站等对大容量、高速、低功耗存储的严苛需求。此外,无电容IGZO-DRAM的3D堆叠特性意味着未来芯片不仅尺寸更小,性能更强,还能实现更为灵活的片上系统集成,有助于整体系统架构优化及成本降低。从更宏观的角度来看,这一突破还反映出内存器件研发正从传统的硅工艺向多功能材料及3D集成方向转型,推动半导体产业链的创新升级。作为欧洲乃至全球领先的研发中心,imec结合其NanoIC试点生产线优势,正积极推动相关技术向产业化进程迈进,汇聚产业链合作伙伴的力量,进一步完善工艺成熟度,提升产品良率与可靠性,促进产业快速落地。
从技术细节到应用前景,IGZO基无电容DRAM技术已然成为突破"存储墙"的重要利器,它不仅挑战了传统DRAM的设计思路,更展现了未来存储技术多元化、定制化的发展方向。随着科学家和工程师们持续解决材料与工艺的挑战,未来数年内,这一技术极有可能在数据中心、高性能计算及智能终端等多领域实现广泛应用,助力全球数字经济迎来新一轮爆发式增长。总结来看,无电容IGZO-DRAM技术突破了传统DRAM电容存储的物理限制,实现了更佳的功耗-性能平衡,且具备堆叠集成和工艺兼容的巨大潜力。依托氧化物半导体材料特性及创新存储单元设计,它有望成为未来3D DRAM和eDRAM发展的关键方向。伴随着持续的研发投入与产业链协同,IGZO-DRAM或将引领下一代存储器架构革新,彻底改变内存技术的游戏规则,助力全球半导体进入全新的高密度低功耗智能时代。 。
