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設計新技術
以IGZO為基礎之 無電容DRAM單元
作者:Gouri Sankar Kar，imec記憶體專案總監
在2020年的國際電子元件會議(IEDM)上，imec首次展示了一種無 電容的動態隨機存取記憶體(DRAM)單元，實現了兩個銦鎵鋅氧化 物(indium-gallium-zinc-oxide，IGZO)薄膜電晶體(TFT)、無電容 器的單元架構。
oxygen tunnel)和自對準觸點 (self-aligned contacts)技術的後 閘極(gate-last)整合方案。
這種新穎的雙電晶體- 無電容器(2-transistor-0- capacitor，2T0C) DRAM單元 架構，可望克服傳統的單電 晶體-單電容器(1-transistor-1- capacitor，1T1C) DRAM在提升密 度方面的關鍵障礙，即在小尺寸單 元矽電晶體中的大截止電流(off- current)，以及儲存電容器大佔位 面積。而在2T0C IGZO-TFT DRAM 單元中，不需要儲存電容，因為可 以將讀取電晶體的寄生電容用作儲 存元件。此外，IGZO-TFT以非常低 的截止電流著稱，從而可以強化記 憶體單元的資料保持能力。
智慧、物聯網、資料中心和雲端運 算)提供足夠的DRAM容量。
實作證明，埋入式氧化層隧道 與氧氣(O2)環境中的退火(anneal) 相結合，可以降低IGZO通道中的氧 空位(oxygen-vacancy)濃度，而且 不會影響源極和汲極區域的串聯電 阻，從而支持更大的導通電流和更 小的截止電流。
最後，在後段製程(BEOL)處理 IGZO-TFT的能力，允許減少DRAM 記憶體的佔用空間(透過將記憶體 單元移動到記憶體陣列下方)，並個 別堆疊DRAM單元──從而提供一 條實現高密度3DDRAM的途徑。這 種技術演進是業界所需要的，可以 不斷為資料密集型應用(例如人工
在2021年的IEDM，imec發表 一款完全相容12吋晶圓後段製程、 以IGZO為基礎的無電容器DRAM 單元，在規格上有進一步的改善; 其資料保持時間超過超過103秒， 讀寫次數基本上無極限(>1011)。 這是在為單IGZO電晶體選擇最 佳化方案後取得的成果，也就是 採用埋入式氧化層隧道(buried
由A. Belmonte等人在2021 年IEDM發表、題為「對無電容 DRAM用的IGZO-TFT架構進行 裁剪可獲得>103秒資料保持時 間、>1011讀寫循環次數耐用性 以及低至14奈米的Lg可擴展性」 (ailoring IGZO-TFT architecture for capacitorless DRAM,
www.eettaiwan.com | 2022年3月
與經典DRAM產品相比，2020 年亮相的首個以2T0C IGZO為基 礎、資料保持時間超過400秒的 DRAM單元，具有顯著更低的更新 率和功耗。這些元件以12吋晶圓製 造，閘極長度微縮至45奈米(nm)。 然而，在這首次「概念性」展示中， 該IGZO TFT並未針對將最長保持 時間最佳化，且仍然缺少對耐用性 (即故障前的讀/寫循環次數)的評 估。而當時也沒有準確模型可以預 測IGZO元件的壽命。
採用這種架構，IGZO TFT的 閘極長度可以縮短到前所未有的 14奈米，同時仍然具有超過100 秒的資料保持時間。透過控制等 效氧化層厚度(equivalent oxide thickness，EOT)來控制閾值電壓 (Vt)、改善接觸電阻以及減少IGZO 層厚度，可以進一步最佳化短閘極 長度下的資料保持性能。當IGZO層 的厚度縮小到5奈米，甚至可以省略 氧化層隧道和氧氣環境退火步驟， 進一步簡化整合方法。
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