基于无电容器铟镓锌氧化物(IGZO)的DRAM单元架构显示出实现高密度3DDRAM存储器的巨大潜力。在本文中，imec的存储器项目总监GouriSankarKar展示了一种基于IGZO的DRAM单元，由于IGZO晶体管架构的优化，该单元具有适用于DRAM存储器应用的出色规格。此外，他展示了基于对IGZO薄膜晶体管可靠性的新见解的DRAM单元关键组件的首次寿命估算。

结果在2021年IEEE国际电子器件会议(IEDM)的两篇论文中介绍。

迈向高密度3DDRAM

在去年的国际电子器件会议(2020IEDM)上，imec首次展示了一种无电容动态随机存取存储器(DRAM)单元，实现了两个铟镓锌氧化物(IGZO)薄膜晶体管(TFT)并且没有电容。这种新颖的2-晶体管-0-电容器(2T0C)DRAM单元架构有望克服经典1-晶体管-1-电容器(1T1C)DRAM密度缩放的关键障碍，即小单元中Si晶体管的大截止电流尺寸，以及存储电容器消耗的大面积。在2TOCIGZO-TFTDRAM单元中，不需要存储电容器，因为读取晶体管的寄生电容用作存储元件。此外，IGZO-TFT以其非常低的关断电流而著称，从而提高了存储单元的保留率。最后，在生产线后端(BEOL)中处理IGZO-TFT的能力允许减少DRAM存储器的占用空间(通过将存储器单元移动到存储器阵列下方)并堆叠单个DRAM单元-因此提供了一条通往高-密度3DDRAM。需要这种演进才能继续为数据密集型应用(例如人工智能、物联网、数据中心和云计算)提供足够的DRAM容量。

2020年，可以展示第一个具有>400秒保留时间的基于2T0CIGZO的DRAM单元，与经典DRAM变体相比，这导致刷新率和功耗显着降低。这些器件是在300毫米晶圆上制造的，栅极长度缩小到45纳米。然而，在第一个“概念性”演示中，IGZOTFT并未针对最大保留率进行优化，并且仍然缺少对耐久性(即故障前的读/写循环次数)的评估。此外，当时还没有准确的模型来预测IGZO设备的寿命。

>103s保留、无限耐用性和低至14nm的栅极长度可扩展性

在2021IEDM上，imec展示了一款完全兼容300mmBEOL的基于IGZO的无电容器DRAM单元，具有改进的规格，即>103s保留和无限(>1011)耐久性。这些结果是在为单个IGZO晶体管选择最佳集成方案后获得的，即具有掩埋氧隧道和自对准接触的后栅极集成方案。埋氧隧道的实施与O2环境中的退火相结合被证明可以降低IGZO通道中的氧空位浓度，而不会影响源极和漏极区的串联电阻，从而导致更大的导通电流和更低的关断当前的。

使用这种架构，IGZOTFT的栅极长度可以缩小到前所未有的14nm，同时仍然保持>100s的保留。通过等效氧化物厚度(EOT)缩放、接触电阻改进和减少IGZO层厚度来控制阈值电压(Vt)，可以进一步优化小栅极长度下的保持率。当后者的厚度减小到5nm时，甚至可以省略O2中的氧隧道和退火步骤，从而大大简化了集成方法。

2021年IEDM论文“TailoringIGZO-TFT架构用于无电容器DRAM，展示>103s保留、>1011周期耐久性和Lg可扩展性低至14nm”中描述了有关所选集成方法和实现的器件规格的更多详细信息A.贝尔蒙特等人。

到目前为止，由于尚未完全了解IGZOTFT的退化机制，因此缺乏用于预测基于IGZO的DRAM寿命的准确模型。IGZO晶体管本质上是n型器件，这表明正偏置温度不稳定性(PBTI)可能是主要的退化机制。

PBTI是Sin型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中众所周知的老化机制，它会严重影响器件的性能和可靠性。它通常表现为器件阈值电压的不期望偏移和漏极电流的降低。对于这些基于硅的器件，PBTI归因于栅极电介质中电子陷阱的存在，从器件传导通道捕获电荷载流子。

然而，大多数现有的IGZOTFT可靠性评估都忽略了栅极电介质的影响。Imec首次研究了栅极电介质对IGZOTFTPBTI的影响。结果总结在2021年IEDM论文“理解和建模薄膜IGZO晶体管的PBTI可靠性”中，作者是A.Chasin等人。

该团队发现四种不同的机制在降解过程中起作用，每种机制具有不同的时间动力学和活化能。它们主要归因于栅极电介质中的电子捕获，以及在PBTI应力期间氢物质从栅极电介质释放到IGZO沟道。

imec团队将这些多种退化机制组合成一个模型，从而可以预测目标操作条件下的IGZOTFT寿命。发现该模型适合实验数据，并可用于提出优化以提高寿命。例如，通过减小栅极电介质厚度，预测失效时间可以从大约20天增加到大约一年。

对基于IGZO的DRAM单元架构和集成的改进使2T0CDRAM存储单元具有>103保留、无限耐久性和栅极长度缩小至14nm。这些规格使无电容器IGZO-DRAM成为实现高密度3DDRAM存储器的合适候选者。器件改进与对IGZOTFT可靠性的新见解相辅相成，揭示了导致PBTI的不同退化机制。这些构成了一个准确模型的关键要素，通过该模型可以预测DRAM存储器关键组件的寿命。

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