IGZO基底无电容DRAM单元前景看好

1.DRAM技术简介

DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器）是一种用于计算机和其他电子设备中的主存储器类型，其主要由存储单元阵列构成，而每一个存储单元由一个电容器和一个晶体管组成，如图1所示。DRAM主要通过每个存储单元中的电容存储电荷来表示、维持1信息和0信息。由于电容会自然放电，故DRAM在使用时需不断给电容充电才能保持信息。

图1 (a)DRAM存储阵列；(b)DRAM基本存储单元的电路构造

DRAM为计算机的处理器提供快速临时存储空间，负责处理器与外置存储设备之间的数据交互。据华经情报网统计[1]，如图2所示，伴随着消费电子需求冷却，2022年销售额达到797亿美元，2023年不足500亿美元，但历年的全球半导体存储器市场中DRAM市场份额往往约占一半以上。从2023年的DRAM应用市场收入情况看，服务器占比36%，移动设备占比37.6%，PC占比12.8%，消费电子占比8.2%。

图2 (a)2016-2023年全球DRAM市场规模；(b)2023年DRAM应用规模占比

2.技术挑战

DRAM的高刷新率带来了高能耗的缺点，虽然目前已经开发了低功耗DRAM变种（如LPDDR），但距产业落地仍有一段距离，需要在性能和功耗之间实现较好的平衡。另一方面，DRAM与处理器之间的数据传输速度限制了整体系统的性能，会限制数据密集型应用对更高带宽和更低延迟的硬件要求。尽管在DDR技术的推动下DRAM吞吐速度不断提升，但其内在架构的限制使其逐渐接近物理极限。

在制造工艺的角度上，DRAM的微缩存在多个方面的问题 [2]。如图3所示：DRAM的制造工艺受到图形微缩化（如何创建越来越密集的图案）、电容器（从圆柱体演变为柱状结构，需要对高深宽比进行构图）、电阻/电容（位线和字线需要提高电阻/电容才能提高访问速度）以及外围晶体管（从含氧化硅的多晶硅栅到高K金属栅的演变）的多重限制，传统方案已经不宜缩小工艺制程。

图3 DRAM微缩化面临的四大挑战

3.存储技术发展对比

同样作为计算机重要组成部分的FLASH早前遇到了同样的问题。从2010年开始，由于2D NAND Flash受制物理极限，各大存储厂商将研发重点转向了3D NAND技术。3D NAND Flash在提升存储密度同时可有效降低功耗及硬件成本[3]。2016 年开始3D NAND FLASH逐步对NAND FLASH进行替代。3D NAND最大的需求来源于智能移动终端和电脑SSD需求，随着4K、VR、AR、AI、5G 等新兴技术的不断推出，物联网时代的来临对存储器容量及读写速度要求越来越高。根据IBS预测3D NAND市场将由2015年 7.1%提升至2025年的98.2%，市场规模将达到685亿美元，如图4(b)所示。

图4 (a)3D NAND FLASH；(b)3D 闪存市场将逐渐成为主流（亿美元）

如今，为了使3D DRAM能够早日普及并量产，各大厂商和研究院所也在努力寻找突破DRAM 3D化的设计[4]。其中，HBM（High Bandwidth Memory，高带宽存储器）技术可以说是DRAM从传统2D向立体3D发展的主要代表产品，开启了DRAM 3D化道路。

另一方面，研究者们也正试图借此解决目前的电容面积过大的难题，在无电容DRAM方面下功夫。美国和比利时的独立研究小组IMEC在2021 IEDM 上展示了一款全新的3D无电容器 IGZO eDRAM。这种新型的嵌入式（embedded）DRAM可以完全兼容3D后道工序，并具有大于103s的电荷保留时间和高耐久性，如图5(a)所示。使用这种架构后，IGZO TFT的栅极长度可以缩小14nm，同时仍然保持大于100s的电荷保留时间，如图5(b)所示。

图5 (a) IGZO示意图；(b)具有氧隧道和 14nm 栅极长度的后栅极架构中单个 IGZO 晶体管的 TEM 图像

IGZO DRAM的工作原理和优势

工作原理

IGZO（氧化铟镓锌，Indium Gallium Zinc Oxide）是一种半导体材料，近年来因其在显示技术和半导体行业的应用而受到广泛关注。这种材料因其优异的物理和化学特性，在高性能、低功耗存储器件中显示出独特优势。IGZO的高电子迁移率使其电子传输速度远超传统的硅和氧化锌材料，使得IGZO制成的晶体管阈值电压更低，且亚阈值摆动很小，从而显著减少能耗。同时，IGZO显示出比传统半导体更好的热和化学稳定性，可以减少由于长时间使用或温度变化引起的性能衰减。

IGZO eDRAM采用的是一种创新的无电容三晶体管（3T）架构，如图6，适合于执行多级存储操作。其中SN 是位单元存储节点，WBL/RBL 是写入/读取位线，RWL 是读取字线，上面标有读取、写入和保持所需的电压。每个存储单元由三个晶体管组成，分别是写入端晶体管（T1），以及两个读取端晶体管（T2和T3）。写入端晶体管用橙色表示，具有较高的阈值电压（Vt），这是通过使用较大的基极偏置电压来实现的。这种高Vt设计有助于显著减少存储单元的漏电流，从而延长数据的保持时间并提升稳定性。读取端晶体管用绿色表示，设计为低阈值电压，以优化读取时间并在读取位线（RBL）上实现较大的电压摆幅，进而提供更好的信号辨识度和读取精度。

图6 无电容IGZO eDRAM位单元。

在写入阶段，数据是通过改变写入位线（WBL）上的电压来编码的，以此来表示不同的逻辑状态（“00”，“01”和“10”）。这些电压被精确地调节并应用到存储节点（SN）上，其中写入端晶体管（T1）在接收到来自写入字线（WWL）的高电压信号时被激活。该晶体管设计为高阈值电压型，以减少在数据写入过程中的电流泄漏，增强数据的长期保持能力和整体的稳定性。这种设计基于IGZO半导体的物理属性，利用其低漏电流特性来最大化存储效率和减少能耗。

读取操作则开始于对读取位线（RBL）的预充电，通常充电至1.3V，以设置足够的电压差。当执行读取操作时，根据存储在SN中的数据不同，由读取端晶体管（T2和T3）控制的RBL会存在不同的放电速率。当存储的数据为“10”时，RBL的放电速率较快，这是由于相应的门电压高于存储“00”或“01”时的电压，可更快触发晶体管导通。

IGZO的低漏电特性配合晶体管的高阈值设计，IGZO eDRAM能够在较长时间内保持数据，无需进行频繁的刷新操作。这种持久的数据保持能力在图中的存储节点电压（SN）变化中得到了清晰的展示，其中不同的数据级别在写入后保持稳定的电压状态，直到下一次写入操作。无电容的设计不仅提高了IGZO eDRAM的读写速度，其低漏电特性和非活跃期间的低刷新操作可以显著降低能耗。

图 7. 无电容IGZO基多级单元（MLC）eDRAM的读写操作模拟结果。

2.技术优势

IGZO eDRAM在能效、存储密度和数据保持时间方面通过其创新的技术带来了多个行业领先的优势。首先，IGZO材料的低漏电流特性几乎消除了在非活跃状态下的电力损失，其高电子迁移率也允许晶体管在更低的电压下高效运行。IGZO eDRAM的3D集成技术和多级单元（MLC）设计可以在较小的芯片面积内实现更高的数据存储能力。这种高密度存储解决方案特别适合现代的数据密集型应用，如云计算和大数据分析。IGZO eDRAM在单一存储单元中实现多比特存储，可以有效提高存储效率，同时缩小芯片尺寸。

在高性能计算应用中，IGZO eDRAM通过其计算存储集成（CIM）能力提供了显著的性能优势。在图8和图9的分析中，我们可以清楚地看到在性能和能效方面，IGZO eDRAM在存储内计算（CIM）应用中的显著优势。IGZO eDRAM展现了在处理内存密集型计算时的高效率，减少了数据在内存和中央处理器之间的传输需求和延迟，从而提升每周期指令数（IPC）。对于需要快速数据处理的现代应用来说，这一点尤其重要。

图8. 针对不同非CIM和CIM工作负载的IPC，与硅基eDRAM的对比

图9. 针对不同非CIM和CIM工作负载的能耗，与硅基eDRAM的对比

3.技术挑战与未来展望

在应用方面，制约IGZO eDRAM的仍然是工艺和成本。尽管HBM的问世推动了DRAM向3D技术发展的进程，无电容IGZO-DRAM也被视为实现高密度3D DRAM的理想候选方案。三星、美光以及应用材料等半导体设备巨头均已积极参与这一领域的研究与开发。然而，与NAND Flash迅速实现的3D化不同，3D DRAM目前仍处于探索和早期开发阶段。根据Techinsights的分析，如果当前的DRAM厂商继续沿用1T+1C结构的DRAM单元设计，那么预计到2027年或2028年推出的10nm DRAM将可能成为该架构的最后一代技术。这一代DRAM的缩放将面临诸多挑战。瑞银投资银行全球研究部门预计，3D DRAM可能最早在2027年进入初期生产，并有望在2028至2029年实现大规模量产。

近几年，国内多家研究机构和企业已经投入到3D DRAM的研发中。中科院微电子所曾发表文章指出针对平面结构IGZO-DRAM在密度方面的局限，微电子所微电子重点实验室刘明院士团队基于垂直环形沟道结构（Channel-All-Around，CAA）IGZO FET，开展了相关研究。他们分析了第二层器件堆叠前层间介质工艺的影响，并验证了CAA IGZO FET在2T0C DRAM应用中的可靠性。这一研究为3D DRAM的实现提供了重要的技术支撑，展现了我国在DRAM领域技术突破的潜力。

目前，DRAM领域最为成熟的光刻技术是采用193nm DUV工艺，其极限分辨率大约为10nm。若想突破这一极限，必须引入13.5nm的EUV光刻设备。三星和SK海力士已经引进或计划引进用于先进工艺制造的EUV设备。然而，由于美国的技术出口限制，国内公司在引进EUV设备方面面临巨大挑战，这使得在一些先进工艺验证中可能会遇到较大阻碍。此外，EUV设备的高昂价格也使其经济效益低于DUV技术，如何实现EUV技术的量产化已成为传统2D DRAM技术发展中的一个难题。

根据IC Insights发布的最新报告，三星、SK海力士和美光三大供应商在2021年共同占据了全球94%的DRAM市场份额，如图10。如此高的市场集中度，使得其他国家在短时间内很难超越这些行业巨头。因此，国产DRAM最明智的策略是在踏实做好基础研发的同时，逐步实现技术突破。从根本上提升自主创新能力，随着DRAM技术的不断迭代更新，稳步追赶国际领先水平，将为国产DRAM产业赢得更多的发展空间和竞争优势。

2021年 DRAM市场份额占比

2023年中国动态随机存取存储器（DRAM）行业发展现状及趋势分析，技术不断迭代更新，以满足高性能计算、人工智能等领域的需求「图」_华经情报网_华经产业研究院 (huaon.com)
DRAM，进入EUV时代！ - 知乎 (zhihu.com)
3D NAND Flash 优势突出，逐步加快对 2D NAND 替代-立鼎产业研究网 (leadingir.com)
无电容的3D DRAM，潜力无限 - 知乎 (zhihu.com)
华为中科院联合开发基于IGZO的3D DRAM CAA晶体管，有望克服传统1T1C-DRAM微缩挑战-电子工程专辑 (eet-china.com)