微电子所在面向存内计算的多比特2T0C DRAM研究中取得重要进展

为解决现代计算系统中（如云计算和人工智能）的“内存墙”带宽局限、高效计算瓶颈和制造工艺尺寸微缩等问题，一种结合新型非晶态氧化铟镓锌（IGZO）薄膜材料的无电容（2T0C）DRAM结构，有望取代传统1T1C DRAM成为关键性的新兴技术路线。目前，大量研究工作集中于通过器件结构和工艺优化来提升IGZO 3D DRAM的保留时间和操作速度，但现有IGZO TFTs器件普遍存在性能均一性及阈值调控难题，导致了较小的DRAM存储窗口及较大的存储阵列中多级信号误读的可能，限制了面向存内计算技术的多比特DRAM实现。

针对上述关键技术挑战，微电子所先导中心殷华湘、许高博研究员团队和北京超弦存储器研究院合作，提出了一种氧辅助氢自适应掺杂（OHAD）工艺方法以优化IGZO薄膜材料，通过沟道杂质钝化与源漏稳定掺杂，实现了正向阈值调控（+0.23V）与驱动特性提升（+216%）的同步优化，同时将阈值与驱动电流的分布标准差分别缩减至25mV和1.5μA/μm，达到同类器件最佳水平。基于OHAD优化后的晶体管，团队成功在IGZO 2T0C DRAM单元中实现16个存储状态的完全分离，在国际上首次实现真实4比特存储读出，将多比特保持时间提升到1000秒以上，为高密度3D DRAM的发展与多比特高性能DRAM存内计算技术的实现提供了一种低成本的基础创新方法。

基于该研究成果的文章“First Demonstration of True 4-bit Memory with Record High Multibit Retention >10³s and Read Window >10⁵ by Hydrogen Self-Adaptive-Doping for IGZO DRAM Arrays”入选2023 IEDM主流DRAM Session，得到来自三星、美光、华为海思、圣母大学、国立台湾大学等国际知名单位的学者的广泛关注。微电子所博士生颜刚平为第一作者，微电子所许高博研究员、殷华湘研究员为通讯作者。

图1 （a）IGZO氧辅助氢自适应掺杂方法与器件优化机制，（b）性能与均一性优化示意图

图2 4比特读出电流保持时间示意图与统计分布图