基于無電容器銦鎵鋅氧化物(IGZO)的DRAM單元架構(gòu)顯示出實現(xiàn)高密度3DDRAM存儲器的巨大潛力。在本文中，imec的存儲器項目總監(jiān)GouriSankarKar展示了一種基于IGZO的DRAM單元，由于IGZO晶體管架構(gòu)的優(yōu)化，該單元具有適用于DRAM存儲器應(yīng)用的出色規(guī)格。此外，他展示了基于對IGZO薄膜晶體管可靠性的新見解的DRAM單元關(guān)鍵組件的首次壽命估算。

結(jié)果在2021年IEEE國際電子器件會議(IEDM)的兩篇論文中介紹。

邁向高密度3DDRAM

在去年的國際電子器件會議(2020IEDM)上，imec首次展示了一種無電容動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)單元，實現(xiàn)了兩個銦鎵鋅氧化物(IGZO)薄膜晶體管(TFT)并且沒有電容。這種新穎的2-晶體管-0-電容器(2T0C)DRAM單元架構(gòu)有望克服經(jīng)典1-晶體管-1-電容器(1T1C)DRAM密度縮放的關(guān)鍵障礙，即小單元中Si晶體管的大截止電流尺寸，以及存儲電容器消耗的大面積。在2TOCIGZO-TFTDRAM單元中，不需要存儲電容器，因為讀取晶體管的寄生電容用作存儲元件。此外，IGZO-TFT以其非常低的關(guān)斷電流而著稱，從而提高了存儲單元的保留率。最后，在生產(chǎn)線后端(BEOL)中處理IGZO-TFT的能力允許減少DRAM存儲器的占用空間(通過將存儲器單元移動到存儲器陣列下方)并堆疊單個DRAM單元-因此提供了一條通往高-密度3DDRAM。需要這種演進才能繼續(xù)為數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用(例如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心和云計算)提供足夠的DRAM容量。

2020年，可以展示第一個具有>400秒保留時間的基于2T0CIGZO的DRAM單元，與經(jīng)典DRAM變體相比，這導(dǎo)致刷新率和功耗顯著降低。這些器件是在300毫米晶圓上制造的，柵極長度縮小到45納米。然而，在第一個“概念性”演示中，IGZOTFT并未針對最大保留率進行優(yōu)化，并且仍然缺少對耐久性(即故障前的讀/寫循環(huán)次數(shù))的評估。此外，當時還沒有準確的模型來預(yù)測IGZO設(shè)備的壽命。

>103s保留、無限耐用性和低至14nm的柵極長度可擴展性

在2021IEDM上，imec展示了一款完全兼容300mmBEOL的基于IGZO的無電容器DRAM單元，具有改進的規(guī)格，即>103s保留和無限(>1011)耐久性。這些結(jié)果是在為單個IGZO晶體管選擇最佳集成方案后獲得的，即具有掩埋氧隧道和自對準接觸的后柵極集成方案。埋氧隧道的實施與O2環(huán)境中的退火相結(jié)合被證明可以降低IGZO通道中的氧空位濃度，而不會影響源極和漏極區(qū)的串聯(lián)電阻，從而導(dǎo)致更大的導(dǎo)通電流和更低的關(guān)斷當前的。

使用這種架構(gòu)，IGZOTFT的柵極長度可以縮小到前所未有的14nm，同時仍然保持>100s的保留。通過等效氧化物厚度(EOT)縮放、接觸電阻改進和減少IGZO層厚度來控制閾值電壓(Vt)，可以進一步優(yōu)化小柵極長度下的保持率。當后者的厚度減小到5nm時，甚至可以省略O(shè)2中的氧隧道和退火步驟，從而大大簡化了集成方法。

2021年IEDM論文“TailoringIGZO-TFT架構(gòu)用于無電容器DRAM，展示>103s保留、>1011周期耐久性和Lg可擴展性低至14nm”中描述了有關(guān)所選集成方法和實現(xiàn)的器件規(guī)格的更多詳細信息A.貝爾蒙特等人。

到目前為止，由于尚未完全了解IGZOTFT的退化機制，因此缺乏用于預(yù)測基于IGZO的DRAM壽命的準確模型。IGZO晶體管本質(zhì)上是n型器件，這表明正偏置溫度不穩(wěn)定性(PBTI)可能是主要的退化機制。

PBTI是Sin型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)中眾所周知的老化機制，它會嚴重影響器件的性能和可靠性。它通常表現(xiàn)為器件閾值電壓的不期望偏移和漏極電流的降低。對于這些基于硅的器件，PBTI歸因于柵極電介質(zhì)中電子陷阱的存在，從器件傳導(dǎo)通道捕獲電荷載流子。

然而，大多數(shù)現(xiàn)有的IGZOTFT可靠性評估都忽略了柵極電介質(zhì)的影響。Imec首次研究了柵極電介質(zhì)對IGZOTFTPBTI的影響。結(jié)果總結(jié)在2021年IEDM論文“理解和建模薄膜IGZO晶體管的PBTI可靠性”中，作者是A.Chasin等人。

該團隊發(fā)現(xiàn)四種不同的機制在降解過程中起作用，每種機制具有不同的時間動力學(xué)和活化能。它們主要歸因于柵極電介質(zhì)中的電子捕獲，以及在PBTI應(yīng)力期間氫物質(zhì)從柵極電介質(zhì)釋放到IGZO溝道。

imec團隊將這些多種退化機制組合成一個模型，從而可以預(yù)測目標操作條件下的IGZOTFT壽命。發(fā)現(xiàn)該模型適合實驗數(shù)據(jù)，并可用于提出優(yōu)化以提高壽命。例如，通過減小柵極電介質(zhì)厚度，預(yù)測失效時間可以從大約20天增加到大約一年。

對基于IGZO的DRAM單元架構(gòu)和集成的改進使2T0CDRAM存儲單元具有>103保留、無限耐久性和柵極長度縮小至14nm。這些規(guī)格使無電容器IGZO-DRAM成為實現(xiàn)高密度3DDRAM存儲器的合適候選者。器件改進與對IGZOTFT可靠性的新見解相輔相成，揭示了導(dǎo)致PBTI的不同退化機制。這些構(gòu)成了一個準確模型的關(guān)鍵要素，通過該模型可以預(yù)測DRAM存儲器關(guān)鍵組件的壽命。

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